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石墨的特性及其在真空爐內的應用

來源:頂立科技 | 發布時間:2014-07-27

一、石墨的分類

1、按碳含量分類

分類

碳含量

高純石墨

≥99.9%

高碳石墨

≥94%

中碳石墨

≥80%

低碳石墨

≥50%

2、按成型方式分類

分類

備注

等靜壓石墨


模壓石墨


擠壓石墨


振實成型石墨


3、電極石墨按顆粒度分類

分類

粒度

細結構石墨

<0.8mm

中粗石墨

0.8mm

電極石墨

2~4mm


二、石墨的生產工藝


三、石墨的特性

1、真空爐常用石墨的物理、力學性能

主要性能

等靜壓石墨

模壓石墨

振實石墨

檢驗依據

電阻率

9~15μΩm

7~13μΩm

5~9μΩm

YB/T 120-1997 炭素材料電阻率測定方法

體積密度

≥1.8g/cm3,各向同性,均勻性好,邊緣與中心密度差約為0.5%

≥1.7g/cm3,與壓制方向和位置有關,均勻性差,邊緣與中心密度差約為10%

≥1.5g/cm3

YB/T 119-1997 炭素材料體積密度測定方法

抗壓強度

≥70MPa

≥70MPa

≥35MPa

GB/T1431-2009 炭素材料耐壓強度測定方法

抗折強度

≥35MPa

≥35MPa

≥17MPa

GB/T 3074.1-2008 石墨電極抗折強度測定方法

肖氏硬度

45~55

45~55

45~55


灰分

≤700ppm

≤700ppm

≤1000ppm


平均粒度

18~25μm

18~25μm

≤800μm


熱膨脹系數

≤5×10-6/℃

≤5×10-6/℃

≤5×10-6/℃

GB/T 3074.4-2003 石墨電極測定方法石墨電極熱膨脹系數(CET)測定方法

彈性模量

10~12GPa

10~12GPa

10~12GPa

GB/T 3074.2-2008 石墨電極彈性模量測定方法

2、石墨的電阻率

2.1、石墨的電阻率范圍

種類

電阻率(μΩ.m

等靜壓石墨

9~15

模壓三高石墨

7~13

振實成型細顆粒石墨

5~9

2.2、電阻率與粒度、密度、石墨化度、灰分的關系

影響因素

電阻率

粒度

反比

密度

反比

石墨化度

反比

灰分

另外,通過增加不同的成分,可以很大程度調節石墨的電阻率

2.3、電阻率與溫度的關系

一般,根據熱平衡法計算設備的功率都是設備在最高溫度時的功率;

如用戶對升溫的速率要求比較快,則需要計算最快升溫速率時的功率輸出;

所以我們需要了解的是在工作中的發熱體真實電阻。但由于很多廠家都沒有高溫時測量發熱體真實電阻的能力,所以,一般進行檢驗時檢測的為低溫時的電阻,再根據電阻溫度系數去推斷。


1:國產石墨電阻溫度關系曲線

2:進口石墨電阻溫度關系曲線

3、石墨的表面負荷

3.1、石墨的表面負荷由溫度決定。建議當溫度在1000℃左右連續運行時,加熱區表面積的電負荷不超過35W/cm2;在短期運行時,加熱元件的電負荷可在50W/cm2或以上;當溫度超過1000℃時,電負荷應降低。

3.2、石墨的表面負荷與溫度的關系

3:石墨表面負荷與溫度關系曲線

4、石墨的強度

4.1、石墨強度分析

石墨的強度越好,使用壽命越長,但成本越高,應根據石墨在不同爐型、不同部位的使用特點,合理的選擇,以求達到最經濟合理的設計。

4.2、加熱元件在2600℃以下,隨著溫度的升高,其機械強度會進一步增強,然而,當溫度超過2600℃時,其機械強度便會逐漸下降。

4.3、溫度對石墨強度的影響

4:石墨的強度溫度曲線

4.4、強度對發熱體結構設計的影響

A、從石墨的力學性能指標可以看出,石墨的抗壓強度遠好于石墨的抗折強度,所以,在布置石墨發熱體時,盡量采用豎直向上的布置,可以改善石墨的受力環境,延長石墨壽命;

B、由于石墨有一定的熱膨脹量和較大的彈性模量,而本身強度不是太好,所以,一定要充分考慮石墨的熱膨脹;

C、懸掛件比承重件好;

D、一端自由延伸比兩端同時約束好;

E、兩端同時約束時一定要考慮至少一端有膨脹間隙;

5、化學性能

5.1、石墨抗氧化性能與現象

石墨在大氣中450℃開始劇烈氧化,氧化后在發熱體表面出現白色粉末;

氧化的部位往往出現在爐內充氣口和排氣口。

5.2、石墨的氧化性與爐內真空度的關系

A、真空度越高,越不容易氧化;

B、真空度較高時仍然氧化,則可能出現“過堂風”,應檢測設備的壓升率;

C、中低溫設備的氧化程度比高溫設備氧化更嚴重;

5.3、石墨與其它氣體的反應溫度

氣體種類

明顯反應溫度

氮氣(干燥純凈)

3000

氫氣

1100

氯氣

2800

6、石墨的沸點與升華

6.1、石墨的溶點3652,沸點4827

6.2、石墨在不同溫度下的蒸氣壓

5:石墨在不同溫度下的蒸汽壓

6.3、如何抑制石墨的升華

加熱元件可達到的溫度取決于其真空度。由于在2200℃以上石墨會發生升華,因此不建議真空下(<10-3Pa)在超過2200℃的的溫度使用,但可以在3000的非氧化性,還原性、或保護性惰性氣氛中使用。

7、石墨的膨脹

7.1、石墨的膨脹系數

石墨的膨脹系數較小,一般為2×10-6Pa~6×10-6Pa之間,密度越大,膨脹系數越大,密度越小,膨脹系數越小;粒度越大,膨脹系數越小,粒度越小,膨脹系數越大。

7.2、石墨的膨脹系數與溫度的關系

6:石墨在不同溫度下的膨脹系數

8、石墨的比熱容

8.1、石墨的比熱容

常態下,石墨的比熱容為710 J/(kg·K),其比熱容隨著溫度的升高增大。

8.2、石墨的比熱容與溫度的關系

7:石墨在不同溫度下的比熱容

9、石墨的導熱系數

9.1、石墨的導熱系數

常態下,石墨的熱導率為129 W/(m·K),隨著溫度的升高降低。

如使用棒料結構,當外部溫度較高,而內部溫度較低時,石墨棒料容易裂開,所以多選用管狀發熱體,一方面內外溫度均勻,另一方面有利于散熱。

9.2、石墨的導熱系數與溫度的關系

8:石墨在不同溫度下的導熱系數

10、切削加工性能

10.1、材料的切削加工性能與材料的物理、力學性能的關系

材料力學性能

切削加工性能

強度

強度越高,切削性越差

硬度

硬度越高,切削性越差

塑形

塑形越好,越不容易斷屑,塑形太好導致切削不良

脆性

脆性越好,越容易出現表面缺陷,脆性太好導致切削不良

導熱性能

導熱性越好,越利于散熱,能防止工件氧化,有利于切削

10.2、石墨的切削加工性能

石墨強度和硬度都較低,導熱性良好,有利于加工;

但塑形過小,脆性過大,容易出現表面缺陷,不利于加工;

另外,石墨容易產生石墨粉塵,影響機床,切削加工必須做好抽風除塵措施。

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