石墨电极专题

1、中国炭素行业现状及展望

—— 中国炭素行业协会 孙庆 （秘书长）

2、石墨、炭素行业环境控制政策与技术展望

—— 中国环境科学研究院 张凡 （首席专家）

3、电炉炼钢产业市场现状及未来趋势

   —— 江苏苏钢集团有限公司 张益明 （市场主管）

4、超高功率石墨电极在钢用市场应用与后市研判

—— 吉林炭素有限公司 庞龙 （市场营销部长）

5、高功率石墨电极在金属硅上的应用及市场分析

—— 河北顺天电极有限公司 杨海春 （总经理）

碳、炭二词用法的分歧在国内冶金工作者中是这样引起的:为了提高炼铁高炉炉缸的寿命,人们采用了含碳耐火砖;电炉炼钢及熔盐电解炼铝需用含碳电极,以导电;为了抗 酸、抗碱、抗高温,许多炉内构件需用含碳纤维的制品。因此部分冶金学者认为既然是含碳物质,上列制品则应分别称为“碳砖”、“碳电极”及“碳纤维”。另有一部分冶金学者的意见是我国沿用“炭”字已有长久历史,上列用品应称为“炭砖”、“炭电极”及“炭纤维”。 由此, “碳” 、“炭”二词应用上引起争议, 致使国内文献对“碳”、“炭”二词的应用比较混乱。 

例如1994年出版的《材料大辞典》中, carbon fiber为碳纤维,而activated carbon fiber则为活性炭纤维。carbon brick为碳砖,而activated carbon 为活性炭。这里carbon译为“碳”还是“炭”, 这个矛盾如何解决? 究竟“碳”“炭”二词有无不同? 其差异何在? 可否将碳、炭二词取消其中之一? 这些都是待商榷决定的问题。

碳是一种化学元素 ,碳=100%C

化学元素C的中文命名为碳,即碳是 100%C。碳有三个同素异形体 ,即无定形碳、石墨(六方晶系)及金刚石(立方晶系)。每个异形体有各自恒定的性质。

无定形碳在空气中易燃,充作发热剂及还原剂, 在密闭条件下通电加热到1500～2000℃,可得到石墨。石墨化程度随加热温度及时间而异。

石墨能耐高温, 在空气中难燃, 但在2000℃以上则升华挥发, 在氧气中也可燃 烧。石墨能导电,导热性也高,又能抗酸性或 碱性溶液的浸蚀。

透明金刚石有五色灿烂的光彩,是最硬的物质。金刚石砂可制成切割金属的刀具。

碳有3个同位素,其中14C考古学家用以测估文物的历史年代。

从化学组成看“炭”的科学涵义

燧人氏钻木取火,未完全燃烧的黑色遗留物,古人称之为木炭。考古学家证明, 春秋时代国人已知冶铸青铜器皿、刀、剑的技术。用木炭供热熔化天然铜,或还原风化的含杂 质的铜矿,得出青铜铸品。战国时代铁器出 世。由于需更高的温度铁矿才能还原成铁, 国人又发明用煤炭筑土窑烧制焦炭,充作供 热及还原剂。这样, 木炭、煤炭及焦炭三种燃料的“炭”字已沿用两千多年之久。

那么,“炭”字从化学组成看,有哪些涵义 呢?

烧制木炭的原料是木材。木材含有大量的高分子聚合的有机化合物,主要是纤维素及木质素,又含无机化合物灰分及水分。有机化合物通过光化作用在大气中成长,而灰分则自土壤中吸取。炭窑中的还原气氛使木材不能全部燃烧。有机化合物遇热分解成碳,即所谓的“碳化过程”(carbonization)。木材中的灰分全部留存于木炭中。同时木炭在 储存期间又吸入大气中的水分。

木炭中含有 H、O、N等元素说明木炭尚含有少量的能挥 发的有机化合物。由以上木炭的化学组成足 以说明,木炭是以碳为主、含有多种不恒定成分的杂质的混合物。同时, 随着木材种类(软木或硬木)不同,同一树种, 树枝和树干部位不同,以及炭窑中由于火焰分布不均, 温度不同等因素 ,所烧成的木炭含碳量也不尽相同。木炭中的灰分包含各种金属氧化物,形成硅酸盐化合物或互溶成为固溶体。

煤炭古称石炭,是古代植物遗体深埋地下,经长期的高温高压的煤化作用生成的。煤炭灰分来源于植物本身全部的无机物质,又含有沉积过程中由风力或流水搬运的矿物杂质 ,因而煤炭的灰分可高达40 %。煤炭有多种多样。根据产地、煤层及采煤工作面的不同, 煤炭的化学组成在很大范围内波动。 即使在同一采煤工作面,不同时间采得的煤 块,其含碳量也有差异。煤炭灰分尚含有M nO, V2O5,及微量的稀有金属氧化物。

焦炭是由炼焦煤料经干馏焦结(900～1050℃)炼制的可燃固体产物。炼焦煤料由4种烟煤,即气煤、肥煤、焦煤及瘦煤配合而 成。焦炭是高炉炼铁必需的原料。通过煤料 配比可以提供高炉需要的低硫、低灰分,高发热值及高抗压强度的高质量焦炭。

以上对木炭、煤炭及焦炭的化学涵义进行的分析可以看出炭、碳不能等同, 它们的区 别可用下列式(1)表达:

炭=碳(无定形碳或石墨)+有机挥发分+无机灰分+水分(1)      也即

炭=碳(C)+C,H,O,N,S等有机物+SiO2, Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,MnO,TiO2,V2O3, SO3 , P2O5等无机物+水分(2)

由上看出,炭是以碳为主并包含多杂质的混合物。多杂质的意思有二:一是杂质种类多,有挥发性的有机化合物,有金属与非金属氧化物组成的灰分,又有水分;二是杂质的量相当多, 而且在大范围内波动。特别是灰 分的杂质很难与独立存在的碳分离。因此, 如果说炭是黑色易燃的物体则不大准确。因 为焦炭是银灰色,而有的煤炭呈金属光泽。 木炭、煤炭及焦炭是易燃物,是由于它们含有无定形碳。后者一经高温处理石墨化后, 则变成耐高温而在空气中难燃。所以易燃难燃不是碳的特性。

工业上含碳的制品应称炭制品

根据碳、炭关系式,木炭、煤炭及焦炭可称为炭材料。由炭材料制备的工业上含碳的 制品应称为炭制品。

烧制含碳耐火砖的原料有无烟煤、焦炭或天然石墨(含有灰分)。配以沥青或无机黏合剂, 经粉碎、混合、压型及烧制, 烧成耐火砖,原料中的灰分全部留在砖内,因窑内还原火焰温度不超过1000℃,可能遗下一小部分挥发性的有机物,砖内的碳也停留为无定形 碳,因此必须使砖冷到室温,方能从窑内搬 出,否则红热的砖取出后将自燃。在高炉炉 缸使用过程中,砖中的碳将逐渐石墨化。此 类含碳耐火砖由炭材料制成,当然应称为炭砖。

制备含碳电极的原料与炭砖相同,它们也应称为炭电极。电炉炼钢所用的电极的石墨化程度应较高,而自焙炭电极则在向电炉内下降过程中逐步石墨化。电极所含的灰分在电炉冶炼过程中熔化进入炉渣。

含碳纤维主要由再生纤维、合成纤维、沥青纤维等多种人造纤维经热解碳化制成。造 丝和碳化通常在大气或隋性气体中进行。气 体中含有尘埃, 所以纤维内留有少量灰分无法去除。随着原料、造丝工艺及碳化条件(包括温度、碳化速度及环境)的不同, 纤维所含的碳量在90～99 %范围内波动。含碳纤维为符合习惯应称“炭纤维”。所织成的成品应称炭制品,如炭布、炭毯等。

炭纤维中炭和碳的关系可由式(3)表达:

炭=碳+有机化合物(未碳化)及分解物+无机物(灰分,来自环境)+水分(吸自大气)(3)

石墨化的炭纤维不吸水。由于高温,石墨化的炭纤维含未碳化的有机化合物及分解物也较少。由有机化合物经热解碳化的炭黑,其中炭、碳的关系也由式(3)表达。

哪些名词用“碳”

化学元素C(碳)和其他元素结合成碳化合物 ,如碳化钙、碳酸钠等。凡涉及元素C的 化合物名词都用“碳”。

以碳命名的钢称碳钢,又称碳素钢。后者实际上是plain carbon steel合金的译名。 “素”意为“单纯”,说明只含碳而不含其他合金元素。研究碳原子结构关系的名词用“碳”, 例如碳键、碳链、碳环等。

为提高机械零件表面的耐磨性, 采用渗碳法(cementation , carburizing)提高表面层的含碳量,再经淬火热处理提高硬度, 从而增加其耐磨性。该方法采用粉状木炭(焦炭或无烟煤)覆盖需加硬的部分, 在高温下加热一定时间,木炭中的碳原子扩散固溶于铁原子中成为奥氏体, 但木炭中的无机物灰分则遗留在外(当然,木炭中的有机物及水分挥发逸散)。此物理过程称为渗碳而不能称为渗炭。

转炉炼钢吹炼末期,钢液含碳较低。如欲炼高碳钢,则向钢包中钢液投入粉状木炭 (焦炭或无烟煤),木炭中的碳溶入钢液,而其 中的灰分则溶入熔渣。此物理过程称为增碳 (recarburization)而不能称为增炭。

又如炼钢过程是降低铁液中含碳的氧化过。此化学反应称为脱碳(decarburization),因为是碳和氧的化学反应。

至于有机化合物加热分解沉积成碳的碳化反应(过程)(carbonization)绝不能称为 “炭”化, 因为分解沉积的是碳。后者和未分解的原有机物,部分分解的新有机物,环境带入的无机灰分以及自空气吸入的水分, 合并组成含碳物质,根据用字的习惯 ,此有杂质的含碳物质称为“炭物质”, 例如炭黑, 活性炭等等 。

高纯碳及原子级碳

“金无足赤”,古有名言。自然界存在的天然金含银、铜,天然铜含锌、锡,最纯的天然石墨仍含3～4%灰分。但化学家经常在研究 发明元素提纯的各种方法。例如光谱纯石墨 电极是由光谱纯或高纯碳制得。所谓“高纯”系指高于“化学纯”的纯度,也即大于 99.9999%C、小于1ppm杂质的C , 因而称为碳。原料通常采用石油焦。

近代发明碳60(C60,富勒烯,fullerene), 系由60～70碳原子组成的内空外呈球形的 结构体。曾有学者建议称为碳的第4个同素 异形体。但尚无定论。纳米碳管是由小于50 纳米的,由1至几个碳原子自弯成管的碳结构体。它是由特殊方法, 用高新技术和设备 ,在特殊条件(高温、无尘埃的真空或氩气)下制成。

碳 、炭二字应予分别选用

在已发现的109种元素中, 其中气态元素11种, 如氢、氦、氮、氧、氯、氩等, 均冠以 “气”首。液态元素两种,即溴、汞, 两字带有“氵”及“水”。固态元素分两类 , 即非金属固态元素10种,如硼、碳、硅、磷、硫、砷等, 诸字均带有“石”旁;金属固态元素86种, 即金、银、铜、铅、锌、铁等, 诸字除金外, 均带有“金”旁。非金属元素和金属元素主要的区别之一是:非金属氧化物与水化合成酸, 其氧化物呈酸性;而金属氧化物与水化合成氢氧化物,其氧化物呈碱性。元素命名有这样的规律性、系统性是我国前辈化学家的创举, 有利于学习化学。如果弃“碳”不用而只用“炭”, 则破坏了化学命名的规律性。为一元素而伤大局,似无必要而且不妥。如果废“炭”而全部用“碳”, 则忽略我国已沿用两千多年的“炭”字,又不符合汉字简化的意义, 因而废弃“炭”字也属不宜。建议保持“碳”、“炭”根据前述含义具体情况 ,分别选用。

结论

根据化学组成,考虑我国国情, 建议对 “碳”、“炭”二词按下列原则分别选用。

1. 碳是一种元素,碳 =100 %C。

凡涉及化学元素C的名词均用“碳”, 例 举如下:

(1)碳的化合物,如碳化钙、碳酸钠等。

(2)以碳命名的钢称碳钢(又名碳素钢)。

(3)结构化学的名词, 如碳键、碳链、碳环 等。

(4)参加物理过程的C,如渗碳、增碳等。

(5)参加化学反应的C,如脱碳、碳化等。

(6)99.9999%C,如光谱纯碳。

(7) 原子级C , 如碳60、纳米碳管等。

2. 工业用含碳物质称炭物质。

炭是多杂质含碳且以碳为主的混合物, 其特点为: (1)含碳量不恒定。(2)杂质多种多样。(3)杂质含量不恒定,而且相当多,并在 大范围内波动。(4)物理及化学性质不恒定。

炭材料如:木炭、煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、炭纤维等。

炭制品如:炭砖、炭电极、炭块、炭刷、炭纤维、炭布、炭毯等。

3. “炭”、“碳”的区别可由下式表达:

炭=碳(无定形碳或石墨)+有机物+无机物+水分

4.英文carbon一词根据上述原则,分别译为“碳”或“炭”, 例如carbon dioxide二氧化碳, carbon black炭黑等 。

来源：科技技术术语  作者：魏寿昆