铝用炭素生产基础知识.ppt

1、铝用炭阳极生产,河南省有色行业职业技能鉴定站,冶金炭素职工技能鉴定培训讲义,李庆宏,关于鉴定考试 1、 理论、实操各100分。 实操：笔试、操作各50分； 每科各满60分为合格。 2、笔试时间：初级工90min；中级工100+60min；高级工以上 120+60min,一、对炭素工艺的基本认识： 总体工艺以物理过程为主； 均匀、密实; 化学过程以加热控温为要； 升温精,火候准 产品的基本认知： 成者容易，优则难。 二、铝用炭素工种的分类： 一般分为煅烧工、成型工、焙烧工三个工种,12001300 11801250 25002800,目 录 第一章 铝与铝用炭素煅、焙、型 第二章 炭素材料概论煅

2、、焙、型 第三章 炭素原料及燃料燃烧煅、焙、型 第四章 原料的煅烧煅 第五章 炭素原料的破碎与筛分型 第六章 炭素制品配料方的编制与配料型 第七章 糊料的混捏型 第八章 炭素制品成型工艺及设备型 第九章 铝用炭阳极焙烧 焙 第十章 阳极炭块生产质量控制煅、型、焙 第十一章 炭素窑炉的修筑煅、焙 第十二章 炭素材料检验 煅、焙、型,第一章 铝用炭素职业技能标准和要求 1、铝用炭素工国家职业工种分类 分为煅烧工、成型工、焙烧工三个工种 1.1 职业等级* 本职业共设五个等级，分别为：初级（国家职业资格五级）、中级（国家职业资格四级）、高级（国家职业资格三级）、技师（国家职业资格二级）、高级技师（国

3、家职业资格一级）。 1.2 职业环境 职业环境为:室内、外，有粉尘、烟气、噪声，有毒、有害的高温环境。,1.3申报条件* 高级工（具备以下条件之一者） 取得本职业中级职业资格证书后，连续从事本职业工作3年以上，经本职业高级正规培训达规定标准学时数，并取得结业证书。 取得本职业中级职业资格证书后，连续从事本职业工作4年以上。 连续从事本职业工作10年以上。 取得高级技工学校或经劳动保障行政部门审核认定的、以高级技能为培养目标的高等职业学校本职业（专业）毕业证书。 取得本职业中级职业资格证书的大专以上本专业或相关专业毕业生，连续从事本职业工作2年以上。,技师（具备以下条件之一者） 取得本职业高级职

4、业资格证书后，连续从事本职业工作4年以上，经本职业技师正规培训达规定标准学时数，并取得结业证书。 取得本职业高级职业资格证书后，连续从事本职业工作5年以上。 取得本职业高级职业资格证书的高级技工学校本职业（专业）毕业生，连续从事本职业工作3年以上。 高级技师（具备以下条件之一者） 取得本职业技师职业资格证书后，连续从事本职业工作3年以上，经本职业高级技师正规培训达规定标准学时数，并以得结业证书。 取得本职业技师职业资格证书后，连续从事本职业工作5年以上。 1.4鉴定方式* 分为理论知识考试和技能操作考核。理论知识考试采用闭卷笔试，技能操作考核采用现场实际（或模拟）操作方式，理论知识考试和技能操

5、作考核均实行百分制，成绩皆达到60分及以上者为合格。技师、高级技师鉴定还需进行综合评审。,1.5 鉴定比重表(1).理论知识,(2).技能操作,2、炭素煅烧工职业技能鉴定要求 2.1 知识要求： 1炭的基本性质。 2生产阳极糊和预焙阳极块的原材料知识。 3炭素生产工序的控制技术参数。 4破碎原理。 5煅烧原理。 6燃烧学、传热学、气体力学的基本知识。 7炉(窑)用耐火材料的基本知识。 8煅烧炉(窑)和沥青熔化系统及其附属设备砌筑、检修与试生产知识。 9煅烧炉(窑)的节能途径。 l0监控系统和仪表的工作原理。 11安全及质量与管理知识。,2.2 技能要求： * 1识别炭素原材料并鉴定质量。 2协

6、调预碎与皮带运输生产节奏。 3进行连续均匀加料的调控。 4调整煅烧炉(窑)和沥青熔化器温度。 5组织开、停炉(窑)和沥青熔化设备。 6组织天然气管道的检查与清扫。 7组织煅烧炉(窑)的烘炉(窑)及降温和沥青融化器的升降温。 8进行排料调控操作。 9煅烧炉(窑)的使用和砌筑检查及检修。 10沥青熔化设备的使用和检查及检修。 11参与运输和加排料等设备的生产调试和维修。 12使用维护监控系统和仪表。 13组织和协调现场安全生产、进行现场管理。,2.3 工作实例： 1组织协调预碎、煅烧岗位和沥青熔化岗位操作，煅烧、沥青熔化质量和炉(窑)及沥青熔化产量达到要求。 2调整炉窑各带温度梯度，实现均衡、稳定

7、生产。 3调整沥青熔化温度，掌握沥青管网工艺。,3、炭素焙烧工职业技能鉴定 3.1 基本要求 3.1.1.职业道德 (1)职业道德基本知识 (2)职业守则 爱岗敬业，具有高度的责任心。 遵守法律法规和有关规定。 严格执行工作程序、工作规范、工艺文件和安全操作规程。 团结协作。 3.1.2.基础知识 (1)焙烧基础知识 金属及其主要化合物的物理、化学性质。 焙烧基础知识。 焙烧工艺流程简介。,(2)焙烧炉基础知识 焙烧炉简介。 常用耐火材料知识。 (3)机电设备常识 识图知识。 机械常识。 用电常识。 设备维护基础知识。 (4)热工仪表使用基础知识 常用测温仪表与工具使用基础知识。 常用测压仪表

8、与工具使用基础知识。,(5)安全与卫生知识 安全生产管理。 职业病的预防。 消防器材的使用。 (6)全面质量管理基础知识 质量管理基本概念。 现场质量管理。 质量管理认证体系。 (7)相关法律法规知识 劳动法的相关知识。 安全生产法的相关知识。 环境保护法的相关知识。,3.2 炭素焙烧工职业技能鉴定补充要求 3.2.1 知识要求： (1)炭素制品所用原料的选用原则和鉴别方法。 (2)焙烧炉采用的现行焙烧曲线。 (3)炭素制品生产各工序主要工艺控制参数。 (4)产品的理化指标要求。 (5)影响炭素制品理化指标的因素。 (6)焙烧的工艺方法和控制参数。 (7)焙烧工序各生产指标的计算方法。 (8)

9、焙烧设备的结构和参数。 (9)热工、耐火材料及企业管理知识。,3.2.2 技能要求： * (1)制定并实施新产品工艺方案。 (2)组织焙烧炉及天然气管道的清扫工作。 (3)分析废品和事故原因，并提出改进措施。 (4)使用和维护焙烧炉及其它相关设备。 (5)制订安全措施，进行安全管理。 3.2.3工作实例： (1)组织和协调各岗位操作。 (2)处理各种质量事故。 (3)制订新产品生产工艺方案组织实施。 (4)参与本工种设备安装试车工作。 (5)参与修订技术规程和各项制度。 本补充要求对初级、中级、高级、技师、高级技师的技能要求依次递进，高级别涵盖低级别的要求。,4、炭素成型工职业技能鉴定要求 炭

10、素成型工这一职业涵盖了碳素备料工、炭素配料工、炭素混捏工、炭素成型工等工种。对初级、中级、高级、技师和高级技师的技能要求依次递进，高级别涵盖低级别要求。 4.1 炭素成型工职业技能鉴定要求 4.1.1知识要求* 1配料常用原料的技术指标及测定知识。 2电解铝用炭素制品生产的主要工序。 3. 电解铝用炭素制品生产主要工序的工艺控制参数。 4产品质量指标要求。 5粘结剂的组分构成。 6破碎筛分原理。 7料仓理论及糊料和颗粒离析知识。 8电解铝用炭素制品的生产技术条件和使用条件，原料的来源和性质。 9配方的解析计算规则。,10混捏原理及混捏生产基本知识。 1l返回料处理、中碎筛分、磨粉、配料、混捏系

11、统新设备的安装、试车投产及操作方法。 12糊料分析方法。 13对废品质量分析知识和防止废品发生的措施。 14设备的结构和技术参数。 15计算机控制系统基本知识、识图的基本知识。 16生阳极生产主要工序的工艺技术参数。 17生阳极炭块的理化指标。 18糊料振动成型过程中的物理特性。 19糊料在振动成型过程中发生的物理变化。 20影响振动成型过程的因素。 21炭素成型设备的构造、原理。 22生产能力的计算方法。 23计算机控制系统基本知识、识图基本知识。 24机械润滑、液压和安全文明生产知识。,4.1.2 技能要求： * 1调整工艺条件及工作配方。 2正确选择工作配方。 3妥善处理生产设备故障。

12、4指导返回料处理、中碎筛分、磨粉、配料和混捏生产。 5参与新系统的调试和安装。 6组织生产及制定规程。 7处理生产技术问题。 8给初、中级工讲授技术理论与实践课。 9使用、维护设备和检查验收设备。 10控制振动成型机的各项动作。 11操作振动成型机和炭块冷却输送系统设备。 12排除事故隐患，指导初、中级工安全生产作业。,4.1.3工作实例： 1组织、协调返回料处理、中碎筛分、磨粉岗位生产，使配料、混捏合格率达到较高的标准。 2在上位机上操作配料混捏系统，混捏无废糊。 3成型各岗位规范操作，各项指标达到要求。 4全面掌握成型生产，组织处理发生各类事故，分析事故发生的原因，并提出预防措施。 5判断

13、糊温与沥青量，控制振动速度、时间等。 6掌握生阳极块废品检查标准。 7组织调试新设备并提出调试过程中出现的问题。,副一章 铝用炭素与铝电解工艺,1.1 我国大型预焙铝电解槽生产的基本现状 1.1.1电解槽大型化是我国铝工业发展的基本特点 2005年全国生产铝厂147家 产量780. 万吨。其中： 160 kA槽约2400台 产能约110万吨 45 200kA级（186240kA）槽6700台（在建1700） 52家，产能420万吨，产量350万吨 14.8% 300 kA级（280350kA）3000台（在建800） 16家，产能320万吨，产量约300万吨 11.3 2008：1318万吨；

14、 2009：1285. 万吨。 其中：300kA 549万吨 42.7%; 我国在产最大槽电流为400kA（热、磁）09-115万吨 W=k.I2Rt 均匀、优质、稳定,1.1.2 铝电解过程的两极反应 阳极主反应 阳极 副反应 O2-2e= O C + 2O=CO2 CO2+C=2CO 阴极主反应 阴极副反应 Al3+3e=Al Na+e=Na 4Al（溶）+3C=Al4C3 电解总反应Al2O3+1.5C=2Al+1.5CO2 阳极气体CO2、CO 含量比一般为80：20 直流电：1300014000kwh/t.Al ； 炭阳极：500550 kg/t. Al ；,1.2 阳极工艺与电解过

15、程中的阳极消耗 1.2.1阳极的消耗 在铝电解生产中，阳极炭块不仅承担着导电作用，而且还参与电化学反应。阳极炭块质量的好坏，直接影响到铝电解的正常生产操作、阳极的消耗、原铝的质量和电流效率等技术经济指标。阳极的消耗可以表述为以下四种形式： 理 论 消 耗： Al2O3+ 1.5C=2Al+1.5CO2 (334) Al2O3+3C=2Al+3CO (667) 合并式： Al2O3+ C=2Al + CO2 + CO 式中： N为阳极气体中CO2的体积百分比 当气体比 = 70:30 、 75:25、 80:20（94效率）时 阳极理论消耗分别为: 393 、 381、 370 kg/t.Al

16、从某种意义上讲阳极消耗量是炭阳极质量最基本的标志之一。,净 耗：（含空气、二氧化碳氧化及掉渣，不含残极-过耗） 过耗氧化掉渣率。35% （2040kg/tAl) 净耗理+过耗 400430 kg/t.Al 总（毛）耗：（包含残极在内） 残极率（150160mm）20 25% 500550 kg/t.Al 消 耗 速 度：（阳极每天消耗的高度） hc = = 1.401.50(cm/d),阳极消耗组成示意图,1.2.2 影响阳极消耗的主要因素 NC=C+334/CE+1.2(BT-960)- 1.7CRR+9.3AP+8TC-1.5ARR 其中： NC: 阳极净耗，kg/t.Al C : 电解槽

17、性能参数，270310 CE: 电流效率， 8895 （关系参数） BT: 槽温， 930960 CRR:二氧化碳反应剩余率（）7592 AP: 炭阳极空气渗透率，0.55.0npm TC: 阳极导热系数，3.06.0w/m.k ARR: 空气反应剩余率（） ，6093 均为阳极质量的参数 334/CE：电化学消耗,1.2.3 大型铝电解槽对炭阳极的基本要求 自焙槽 阳极糊； 预焙槽 预焙阳极炭块 阳极 铝电解槽的心脏 耐高温，膨胀率小，抗热震性好； 强度较高，具有较好的耐冲刷性； 化学性质稳定，抗氧化和抗氟化物侵蚀性好； 导电性，导热性良好。 劣质阳极 炭渣过多、槽温过高、效率过低、物料过耗

18、、炉帮过空、发病过频 铝电解中的阳极反应物、导电体， 关系电解指标与槽况。,1.3 阴极炭块延长槽寿命的关键材料,1.3.1 铝电解槽阴极的作用与分类 铝电解槽的躯体、高温直接承载体、铝电解过程的反应器。 经济技术指标、工艺过程条件、槽子的寿命。 耐高温、抗腐蚀、导热性好、导电性（底）好、耐电解质（钠）渗透性、耐冲刷等。 阴极的基本分类： 1.普通阴极炭块以普煅无烟煤、冶金焦、煤沥青为原料； 2.半石墨化（质）阴极炭块以高温电煅无烟煤、冶金焦、石墨碎、煤沥青为原料或普通炭块经半石墨化处理生产的阴极块； 3.高石墨质阴极炭块含石墨质材料3085的阴极炭块; 4.石墨化阴极炭块以石油焦为骨料的炭块

19、，再进行石墨化处理生产的阴极炭块。 形式与种类底（部）块、侧（部）块、炭（底、阴极）糊。 硼化钛涂层（复合）底块；可湿润阴极块;异型阴极炭块。 氮化硅 结合炭化硅侧块(SiC-Si3N4),阴极材料的分类,我国阴极糊的分类及牌号(YS/T 65-2007),1.4 铝电解槽结构示意图炭素在电解槽上的应用,上部结构,阳极炭块,阴极炭块,高温电解质,侧部炭块,阳极组,壳面及覆盖料,阴极炭糊,1.3.2 阴极的破损 由于电解质熔体中有各种杂质元素，在铝电解过程中，电解质中的钠离子在电场的作用下被炭阴极选择性吸附，铝与碳发生副反应生成碳化铝(AL4C3)等产物，而且熔盐对阴极炭块发生侵蚀和冲刷等作用，

20、加上热应力的作用，使阴极材料发生破损，从而使铝电解槽寿命到期而大修。 阴极破损形式： 1、炉底隆起 (1年2cm; 3年10-15cm；后基本稳定） 2、阴极炭块断裂 （为中部大，边缝小形式） 3、阴极炭块形成冲蚀坑 （多在缝处） 4、阴极炭块层状剥离 5、扎缝糊起层、洞穿、纵向裂开 6、侧部炭块破损 （形式：边块断裂；电化学侵蚀；边剥落；遭氧化） 阴极：铝湿润性、散热性、抗钠侵蚀性、耐磨性、高导电性。,第一章思考题 1、铝用炭素材料一般包括哪几类？其作用各是什么？主要原料有什么不同？ 2、从使用角度讲，铝电解炭阳极应具备哪些特性？ 3、为什么说阳极是铝电解槽的心脏？ 4、阳极消耗都与炭块的哪

21、些性能指标有关？ 5、在铝电解过程中阳极是如何参加反应的？写出电化学反应方程式。 6、电解槽的寿命与炭素材料有什么关系？,第二章 炭素材料概述,2.1 炭的存在形式 2.1.1 自然界中的碳 碳的元素符号为C，相对原子量为12.01，原子序数为6，电子分布状态为1S2 2S2 2P2。碳在自然界分布很广，虽然碳在地壳元素总量中仅占0.14（0.08），为各元素含量的第13位，但它却是地球上形成化合物最多的元素，在水和大气中主要以CO2、碳酸和碳酸盐的形式存在；矿物界有各种碳酸盐、煤、天然石墨和金刚石等，还有石油和天然气等碳氢化合物；动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素也都是碳水化合物。碳被视

22、为组成一切动植物体的基本元素。 碳的资源以两种类型存在，一种是循环性资源，即由植物和动物所代表的生物和CO2进行迁移循环；另一种是循环速度很慢，但数量极大的堆积物，均为化合物，如碳酸盐矿物和有机质堆积物。天然纯碳非常少。,“炭素”即元素碳。元素碳是法国科学家拉瓦锡（ A . L . Lavoisier ）于 1776 年发现并列人元素周期表中， 1797 年法国科学家特纳尔（ L . J . Thenard）通过实验，证实了金刚石和石墨都是碳元素的同素异形体。“炭”与“碳”二字有联系又有区别，材料学者将含有碳元素的化合物及其众多的衍生物，如碳水化合物、碳酸盐、碳氢化合物中的元素碳用“碳”字表示

23、，而将 C /H比在 10 以上，主要由碳元素组成的、多数为固体材料（如煤炭、焦炭、炭电极、炭块、炭纤维等）中的“碳” 用“炭”字表示，并统称为炭素材料。而 “炭素厂”实际上是生产炭素材料的工厂 炭素材料工业将使用的石油焦、无烟煤、天然石墨等称为炭素原料；将使用炭素原料，经过一系列加工得到的具有使用性，并具有一定物理化学性质的产品称为炭素制品（如阳极炭块、阴极炭块、阳极糊、阴极糊、石墨电极）。炭素制品按理化性质的不同，一般区分为炭质、石墨质和半石墨质 3 大类。 炭素材料是一种古老的材料，古人类就已经将煤炭、木炭、天然石墨用于取暖、煮食等，但作为高质量的工业材料使用仅有100多年的历史。用各种

24、煤炭为原料加工成导电材料是在电的发现和应用以后，故炭素工业又是一种新型材料工业。,碳材料特性（无机非金属材料）： 耐高温、热稳定性好用于结构材料； 耐腐蚀（浸渍，不透性）化学工业； 导电性电极材料； 自润滑性密封、润滑材料。,金属,炭素材料,陶瓷,有机高分子,导热性 导电性,耐热性 耐腐蚀,轻质量 结构多样,比强度高、减震率大、生物相容好、中子减速性、结构多样性。,2.1.2 炭的生成多由C、H、O、N、S混合组成，漫长转化。 煤含碳为6090，木材含碳约50，石油含碳为8090，天然石墨含碳近100。 碳氢化合物转化炭的过程称为炭化，它的反应机理为热解。热解的概念泛指有机化合物在受热时所发生

25、的分解或裂解而生成最终产物的过程。石油、煤一般认为是在亿万年以前被埋入地层下的动物和植物，在隔绝空气、受地热和地层高压等条件下转化的结果。无烟煤是近乎炭化后期的产物，天然石墨可认为已完全炭化，并且已经达到了石墨的程度。但是，由于各种状态的差异，也就很难认为所有的天然石墨具有同一形式。 自然界中的碳，不管是哪种形式，均可理解为是有机物经热裂解反应的生成物。自然界的有机物，合成树脂等人造有机物，不管是气体、液体还是固体，只要在隔绝氧的条件下，在有热的作用下，就可以从烃类化合物中生成炭。 炭化是将碳氢化合物中的碳保留下来，而氢和其它元素通过受热分解被排除逸出。 一般而言，称液相炭化生成物为焦，固相炭

26、化生成物为炭。前者是软质炭，后者是硬炭，但有时也有例外（冶金焦）。,表2-1 炭素材料的生成,烃仅由 碳 和 氢 两种 元素 组成有机化合物 称为 碳氢化合物 ，又叫 烃(ting) 。 烃是 中国化学家 发明的字，是用“ 碳 ”的 声母 加上“ 氢 ”的 韵母 合成一个字音；用“碳”和“氢”两个字的内部结构组成字型。所以说，“烃”是“碳氢化合物”的简称，直链；环链。,2.1.3 炭的存在形式与分子结构 物质世界是由一百多种（1189127）元素以不同的形态和不同的化合物、混合物或单质组成的。 在自然界里，含炭化合物100多万种，而单质炭有三种变体（同素异构体、同分异构体）：金刚石、石墨及无定

27、形炭。金刚石和石墨是结晶形体，无定形炭是非结晶形体，它们都是炭的同素异构体。（另有人造富勒烯巴基球：呈封闭球状如C60、 C70 ） 天然炭的三种不同形态的原子结构和它们形成时所经受的压力与温度有密切关系，由于形成的压力与温度不同，同样的炭元素，可以生成不同形态和不同结构的物质，而且在一定条件下又可以转化。例如：一些无定形炭在加热到2300以上的高温，就可以转化为石墨，而石墨在极高的压力（510万amp)和高温(10002000）下或通过金属触媒（催化剂），又可以生成金刚石。 石墨转化为金刚石的条件见（p22）表2-2。 碳结构的多种性？ 电子分布特点与杂化,一、原子核外电子的分布特点： 原子

28、核的电子分层分布，层数等于其所在周期表的周期数 每个电子层又分为多个亚层（） 最低能级原理首先抢占最低能级； 泡利不相容原理-每个轨道只能容纳2个自旋方向相反电子; 洪特规则-在同属亚层的轨道上,各电子最先抢占不同轨道; 全充满,半充满原则-电子尽量达到层间全充满或S以外的半充满稳定状态. 碳原子： -第2周期,第4主族,序数为6； 基本结构有2种； 外层电子在结合时会进行杂化。 (见杂化理论）,1s2,2s2p,洪特规则结构杂化组合,低能级结构,二、关于sp杂化理论 1.分子在成键过程中，由于原子间的相互影响，同一原子中，几个能量相近的不同类型的原子轨道（即波函数），可以重新进行线性组合，重

29、新分配能量和确定空间方向，组成数目相等的新的原子轨道，这种轨道重新组合的过程称为杂化（hybridization），杂化后形成的新轨道称为杂化轨道（hybridorbital）。是？ 2.杂化轨道的角度波函数，在某个方向的值比杂化前大得多，更有利于原子轨道间最大程度地重叠，因而杂化轨道比原来轨道的成键能力强。 为？ 3.杂化轨道之间力图在空间取最大夹角分布，使相互间的排斥能最小，故形成的键较稳定。不同类型的杂化轨道之间的夹角不同，成键后所形成的分子就具有不同的空间构型。 干？ sp杂化有三种形式： sp1杂化、 sp2杂化 、 sp3杂化,1、 sp杂化 由1个s轨道和1个p轨道组合成2个sp

30、杂化轨道的过程称为sp杂化，所形成的轨道称为sp杂化轨道。每个sp杂化轨道均含有的s轨道成分和的p轨道成分。为使相互间的排斥能最小，轨道间的夹角为1800。当2个sp杂化轨道与其他原子轨道重叠成键后就形成直线型分子。,无定形炭结构,组合前 轨道 组合后轨道,2、sp2杂化 由1个s轨道与2个p轨道组合成3个sp2杂化轨道的过程称为sp2杂化。每个sp2杂化轨道含有的s轨道成分和的p轨道成分，为使轨道间的排斥能最小，3个sp2杂化轨道呈正三角形分布，夹角为1200。当3个sp2杂化轨道分别与其他3个相同原子的轨道重叠成键后，就形成正三角形构型的分子。,石墨结构,组合前 轨道,组合后 轨道,3、s

31、p3杂化 sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道组合成4个sp3杂化轨道的过程称为sp3 杂化。每个sp3杂化轨道含有的s轨道成分和的p轨道成分。为使轨道间的排斥能最小，4个顶角的sp3杂化轨道间的夹角均为109028。当它们分别与其他4个相同原子的轨道重叠成键后，就形成正四面体构型的分子。,金刚石结构,组合前 轨道,组合前 轨道,1.金刚石 纯金刚石的外观为无色透明，通常因所含杂质元素而呈淡黄色、天兰色、兰色或红色，有强烈的光泽。金刚石属于等轴晶形、立方晶系，通常呈八面体，它的晶体外观十分规整。 金刚石为四面体结构，整个晶体是一个巨大的炭分子，为单一的共价饱和键，键长1.54，结合力极强，

32、要使其破裂必须折断这些牢固的共价键。因此，金刚石在所有物质中是最硬的，可用于制造钻头，熔点很高。 金刚石的炭原子中，所有价电子彼此互相共享形成典型共价键而无自由电子（sp3杂化），所以它几乎不导电，导热性能也很差，但它的析光率很高，每个碳原子通过sp3杂化轨道与四个碳共价，键长1.5445。 1 10-7mm=10-10m,金刚石结构（立方晶系）,2.石墨 （1）石墨结构 与金刚石相比，石墨是一种炭原子之间呈六角环形片状体的多层叠合晶体，为sp2杂化结构（含富勒烯碳） ，键长1.42 。 石墨有天然石墨和人造石墨两种。天然石墨根据其外观形状又可分为鳞片状和土状石墨。鳞片状石墨，其颗粒外形为鳞片

33、状，外观呈银灰色，有闪闪光泽，手摸有滑腻感，并留有深灰色痕迹；土状石墨，颗粒外形为土粒状，呈深灰色，手摸有较少滑腻感。 天然石墨含有较多杂质，较好的天然石墨含炭量达到90左右。但大多数低于此值；人造石墨纯度要高得多，一般含炭量可达99以上。 石墨的2pz电子与三角形结构的平面垂直，不能形成共价键，称键电子，属于非定域电子，在电场作用下可在层间自由运动，能象金属一样导电。具有共价键叠加金属键的力，层面间通过范德华力（分子键）结合，层间距3.354,石墨sp2杂化结构示意图,理想石墨结构 ( a ）六方晶系石墨； ( b ）斜方晶系石墨 AB AB ; ABCD ABCD,（2）石墨的性质： 石墨

34、具有良好的导电性（低于铜和铝等金属）；石墨的导热性甚至超过了铁、钢、铝等金属材料；石墨具有很好的耐腐蚀性，无论是有机溶剂或无机溶剂，都不能溶解它，在常温下，各种酸和碱与石墨都不能发生化学反应，只是在500以上的温度时，才与硝酸或氧气以及强氧化介质等起反应。 石墨在2000 的高温下，如果在还原性气氛中，是不会熔化的，只是在3900(常压下)时升华为气体。2000时其强度反而较常温时提高一倍。石墨的弱点是抗氧化性能差，随着温度的提高，氧化速度加剧。如：石墨在450的空气中或在700蒸汽中，或在900的二氧化碳中，经过一定的时间都会不同程度的失重。,3.煤炭和焦炭无定形炭 煤炭是泥煤、褐煤、烟煤及

35、无烟煤等的统称。煤炭是几百万年以前的古代植物在地壳变动时被埋在地下，受到一定的温度压力炭化而形成的。各种煤炭的炭化程度相差很大，泥炭的炭化程度最差，它含有大量的挥发物，结构疏松；无烟煤炭化程度较高，挥发物含量较少，密度与强度都比较高。 焦炭是烟煤(炼焦煤)或某些含炭量高的物质(如石油、沥青或渣油、煤沥青等) 在高温下，基本隔绝空气加热使之焦化的产物。例如：用烟炭焦化后可得到冶金焦；用煤沥青焦化可得沥青焦等。 焦炭具有强度大、耐磨性好、含炭量高的特点。石油焦、沥青焦在2000以上高温处理后能转化为石墨。 煤炭(或焦炭)的导电性、导热性、化学稳定性较差。测定煤炭(或焦炭)中碳及挥发物的含量可以间接

36、了解它们的炭化程度(或热处理温度)。,Sp杂化炔碳、卡宾碳,无定形炭的 乱层结构 ( a ）可石墨化炭。（ b ）难石墨化炭,无烟煤、石油焦、沥青焦和冶金焦，是生产各种炭制品主要原料，特别是石油焦和沥青焦是生产人造石墨的主要原料，用石油焦和沥青焦为原料生产的人造石墨，其质量比用天然石墨生产的要好得多。石油焦和沥青焦同时也是生产预焙阳极炭块的原料。（下表为组成）,碳的同分异构体特性对比,炔碳 石墨 金刚石,2300,高温、高压、触媒,2.2 炭素材料的物理化学性质 2.2.1 炭素材料的物理性质 1.真（密度）比重与假比重（体积密度） 炭和石墨材料属于多孔材料。衡量多孔物质的密度有两种表示方法：

37、真密度与体积密度。 (1)真密度 真密度是不包括孔度在内的单位体积材料的质量，单位是g/cm3，真密度一般用du表示 。 一般情况下，预焙阳极的真比重为2.032.05g/cm3，阴极炭块的真比重为1.85-1.90g/cm3 ，人造石墨真密度为2.192.25g/cm3 。煅后焦真密度为2.02 2.08g/cm3 。 测定真密度的目的主要是为了了解原料或制品的炭化程度及过程的热处理程度。如原料的煅烧程度，制品的焙烧程度及石墨化程度。 真密度的大小，相应可了解它的导电性、导热性、抗氧化性等；对于各种石墨制品，真密度亦可用来间接表示石墨晶格结构的完善程度。,几种炭质材料的真密度,(2) 体积密

38、度（假比重） 体密度是包括气孔在内的单位体积材料的质量，单位是g/cm3 。体密度可以表示材料或制品的宏观组织结构的密实程度。制品的气孔率越大，体密度越低，则宏观组织越疏松。测定体密度的方法是：将成品或半成品加工成一定尺寸的试样（立方体或圆柱体）然后称量，求出单位体积的重量。体密度一般用dk表示，可按下式求得： 体密度dk =试样重量（g）试样体积（cm3） 预焙阳极的体密度一般为1.501.65g/cm3。 体密度的大小在一定程度上影响制品的机械性能和热力学性质。 碳和石墨制品的体密度与使用原料的性质有关，与配料的颗粒组成及粘结剂用量关系更大，与混捏条件，压型压力，焙烧和石墨化温度都有一定的

39、关系，经过浸渍的产品体密度可显著提高。,2.气孔率和结构性质 (1)气孔率 各种炭质原料及碳和石墨制品，从宏观上看是由固体物质和气孔两部分组成。气孔率就是指样块中的气孔体积占样块体积的百分比。样块中的气孔按其形式可以分为闭口气孔、开口气孔和贯通气孔三种类型（xiaye)。 (2)孔径的分布 用水银气孔率可以测定不同的孔径分布和分布比例。孔径大小的分布对浸渍作业与制品的透气率有一定的影响。如用沥青浸渍，在一定条件下,仅能对大于2500的大孔起作用，而对中小气孔及微孔则几乎不起作用，可见第一次浸渍假比重的提高效果明显，第二次及第三次浸渍效果就要差一些，以后效果就越来越小。,若样块的总体积为V，闭口

40、气孔的总体积为V1，开口气孔的体积为V2，贯通气孔总体积为V3，则样块的全气孔率和显气孔率分别为： V1+V2+V3 全气孔率=100% V V2+V3 显气孔率=100% V 全气孔率可以由真比重与假比重计算求得，其计算公式如下： du-dk nop=100% du 式中：du真密度 dk体密度,气孔率的计算 nop 22.93,1-闭口气孔；2-开口气孔；3-贯通气孔,(3)透气率 由于炭和石墨制品是多孔材料，所以它们都能透过某些气体和液体。炭和石墨材料的透气率，是在用一定的时间内，在一定压力下，气体透过一定断面和厚度试样的气体数量来表示的。 空气渗透率：nPm （nm2 ）， 2.0 透

41、气率是表示材料透气性能的指标，对炭和石墨材料而言，其透气率的大小，主要与它们的密实程度及孔径的分布情况有关。一般来说，材料的体密度越大，其透气率就越小，反之，就越大。同时，材料的透气率的大小，还取决于材料内部气孔的大小和贯通情况，也与气体（或液体）的压力及粘度有关。,达尔绥常数,3.力学性能 物体的力学性质是表示在一定条件下承受各种外力的能力,如抗压力、抗折力、弹性形变等。 物体在外力（静载荷）作用下，而表现的抵抗变形或破裂的能力(极限抵抗能力）称为机械强度。机械强度用符号来表示， 单位是：N/（pa)或 Mpa（106pa）。 (1)机械强度 按外力对物体作用方向的不同，机械强度分为抗压强度

42、、抗拉强度或抗弯强度等。 炭和石墨制品在不同方向上表现的力学性质常常是各向异性的，即在不同方向测得的数值不同。对挤压产品来说沿平行于试块挤压方向测得的数值，总是比沿垂直于挤压方向所测得的数值要大一些。而模压产品试样，加压方向测得的强度数值小于垂直于加压方向所测得的数值。,抗压强度对炭素材料施加外压力，单位面积上所承受的极限载荷（破碎瞬间的力）；炭素材料的抗压强度与原料的颗粒强度、粒度组成、粘结剂用量、坯体的焙烧过程等因素都有关系。炭素材料的抗压强度的测定一般在万能材料试验机上进行，并按下式计算： 式中：P抗压强度（Pa） Q试样破裂时的最大压力（N） S试样受压面的面积（m2）,抗折强度炭素材

43、料受到与轴线相垂直的外力作用时，从弯曲到折断时的极限载荷，亦称抗弯强度。它是用来衡量阴极炭块及石墨电极质量的一项重要技术指标。测量抗折强度时，将试样放在一定距离的两个支点上，在试样中间处施加压力，直至将试样压断。按下式计算炭素材料的抗折强度： 式中： 抗折强度（Pa） P试样破坏时的最大压力（N） L两支点间的距离（m） W试样的宽度（m） H试样的厚度（m）,炭和石墨制品不论是作导电材料或结构材料，都必须有一定的强度，才能经得住碰撞、加压或弯曲等外力作用。因此各种炭和石墨制品都规定了强度指标。一般要求测定它们的抗压强度，有时还要测定其抗弯强度或抗拉强度。 一些炭素材料的抗压强度和抗折强度,影

44、响炭和石墨制品机械强度的主要因素： 与原料的颗粒强度有关，原料的颗粒强度越大，成品的机械强度也越大； 与配料的颗粒组成有关，一般来说，采用较细的颗粒组成（颗粒组成较细是指颗粒尺寸减小并多用于球磨料）可以提高产品的强度； 与粘结剂的性质及用量有关，采用软化点较高的高温沥青比采用中温沥青所得的产品的强度大。配料时沥青用量过多或过少都会降低产品的强度； 与原料的煅烧程度有关；升 与炭块等制品的焙烧程度有关；升 石墨化产品与石墨化程度有关；降 经过浸渍的产品比未经浸渍的强度要高，在一定限度内浸渍次数越多，越能提高强度。,(2)弹性变形与弹性模量 在机械力学中，把固体材料受外力作用而产生变形，当去掉外力

45、后仍能恢复到原来形状的性质称为弹性，这种变形称为弹性变形。按照胡克定律，在弹性限度内，材料所受的应力和它所产生的应变成正比。 P/S=EL/L E：弹性模量 弹性模量是结构材料的重要性能之一，其物理意义为：当截面为一平方厘米，单位长度的试样伸长一倍时所需的力。一般情况下石墨的弹性模量为4.912.5Gpa,炭素制品为3.06.6Gpa。 Gpa109pa。 -表征材料的刚性 弹性模量有三种：纵变（杨氏）弹性模量 E= 切变弹性模量； 容变弹性模量。 泊松比：d/dL/L （横应变/纵应变） 弹性模量高温性能：弹性形变越大（模量小），制品抗热冲击性越好，越能缓冲热应力。,4.导电性：炭素材料电阻

46、和比电阻（电阻率） 阻碍导体导电能力的物理量称作导体的电阻。导体电阻的大小，与构成导体材料的性质有关（电阻率 ）、导体的长度成正比，与它的截面积成反比，即： R= 公式中：R电阻（ 欧姆） 导体的电阻率，也称比电阻（微欧姆米 m ） S导体的截面积（m2,平方米） L导体的长度（m , 米）,L,S,炭和石墨制品的电阻有明显的方向性。对挤压成型的制品来说，试样沿平行于挤压方向测得的比电阻要比垂直方向小的多。影响炭和石墨制品比电阻大小的主要因素有三： (1)原料（煅后焦）的比电阻越小，成品的比电阻就越小。 (2)在一定范围内，孔率小对产品比电阻影响不大，但孔率过大会提高比电阻。 (3)与焙烧有关

47、，对预焙阳极炭块制品而言，焙烧温度高一些，则成品的比电阻就低一些，反之，成品的比电阻就高一些。,几种炭素煅烧后原料（粉末）和制品的比电阻,5.热学性质 热学性质是表示材料受热后引起变化的关系。如导热性、热膨胀与耐热冲击性（即抗热震性）等。 (1)导热与导热系数（导热率） 不同的物质传导热的能力不同,表示物质导热能力的物理量称为导热（率）系数,导热系数的单位为J/mkh，其物理意义为：固体原材料在单位截面积、单位温度梯度时、单位时间内所传导的热量。（w/k.m） 炭和石墨制品的导热系数有明显的各向异性，炭石墨制品的导热系数一般为320720KJ/mkh(89200w/k.m)。 导热系数与孔率也有一定关系，即孔率大的材料导热系数小，制品的体密度越大，导热系数越高。 J（焦耳）=N.m (牛顿.米） W（瓦）=J/s 3.6 kj/h,(2)热膨胀现象与线膨胀系数 当物体温度发生变化时，物体的几何尺寸随之发生变化，受热时增大，冷却时减小（少数反常现象除外）；当物体受热时在某一方向上的线度变化叫（线）膨胀系数。固体的线膨胀系数都非常小，所以固体在0时的长度与常温t1时的长度L1相差很小，在温度变化不大的情况下，可以用L1代替L0。 L2= L0（1+at）式中