石墨的特性及其在真空爐內(nèi)的應(yīng)用
來(lái)源：頂立科技 | 發(fā)布時(shí)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(shí)成型石墨 | |
3、電極石墨按顆粒度分類 | |
分類 | 粒度 |
細(xì)結(jié)構(gòu)石墨 | ＜0.8mm |
中粗石墨 | 0.8mm |
電極石墨 | 2~4mm |
二、石墨的生產(chǎn)工藝
三、石墨的特性
1、真空爐常用石墨的物理、力學(xué)性能
主要性能 | 等靜壓石墨 | 模壓石墨 | 振實(shí)石墨 | 檢驗(yàn)依據(jù) |
電阻率 | 9~15μΩm | 7~13μΩm | 5~9μΩm | YB/T 120-1997 炭素材料電阻率測(cè)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(guān)，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(cè)定方法 |
抗壓強(qiáng)度 | ≥70MPa | ≥70MPa | ≥35MPa | GB/T1431-2009 炭素材料耐壓強(qiáng)度測(cè)定方法 |
抗折強(qiáng)度 | ≥35MPa | ≥35MPa | ≥17MPa | GB/T 3074.1-2008 石墨電極抗折強(qiáng)度測(cè)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(shù) | ≤5×10-6/℃ | ≤5×10-6/℃ | ≤5×10-6/℃ | GB/T 3074.4-2003 石墨電極測(cè)定方法石墨電極熱膨脹系數(shù)（CET)測(cè)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(cè)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(shí)成型細(xì)顆粒石墨 | 5~9 |
2.2、電阻率與粒度、密度、石墨化度、灰分的關(guān)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(guò)增加不同的成分，可以很大程度調(diào)節(jié)石墨的電阻率 |
2.3、電阻率與溫度的關(guān)系
一般，根據(jù)熱平衡法計(jì)算設(shè)備的功率都是設(shè)備在最高溫度時(shí)的功率；
如用戶對(duì)升溫的速率要求比較快，則需要計(jì)算最快升溫速率時(shí)的功率輸出；
所以我們需要了解的是在工作中的發(fā)熱體真實(shí)電阻。但由于很多廠家都沒(méi)有高溫時(shí)測(cè)量發(fā)熱體真實(shí)電阻的能力，所以，一般進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)檢測(cè)的為低溫時(shí)的電阻，再根據(jù)電阻溫度系數(shù)去推斷。
圖1：國(guó)產(chǎn)石墨電阻溫度關(guān)系曲線
圖2：進(jìn)口石墨電阻溫度關(guān)系曲線
3、石墨的表面負(fù)荷
3.1、石墨的表面負(fù)荷由溫度決定。建議當(dāng)溫度在1000℃左右連續(xù)運(yùn)行時(shí)，加熱區(qū)表面積的電負(fù)荷不超過(guò)35W/cm2；在短期運(yùn)行時(shí)，加熱元件的電負(fù)荷可在50W/cm2或以上；當(dāng)溫度超過(guò)1000℃時(shí)，電負(fù)荷應(yīng)降低。
3.2、石墨的表面負(fù)荷與溫度的關(guān)系
圖3：石墨表面負(fù)荷與溫度關(guān)系曲線
4、石墨的強(qiáng)度
4.1、石墨強(qiáng)度分析
石墨的強(qiáng)度越好，使用壽命越長(zhǎng)，但成本越高，應(yīng)根據(jù)石墨在不同爐型、不同部位的使用特點(diǎn)，合理的選擇，以求達(dá)到最經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)。
4.2、加熱元件在2600℃以下，隨著溫度的升高，其機(jī)械強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，然而，當(dāng)溫度超過(guò)2600℃時(shí)，其機(jī)械強(qiáng)度便會(huì)逐漸下降。
4.3、溫度對(duì)石墨強(qiáng)度的影響
圖4：石墨的強(qiáng)度溫度曲線
4.4、強(qiáng)度對(duì)發(fā)熱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響
A、從石墨的力學(xué)性能指標(biāo)可以看出，石墨的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)好于石墨的抗折強(qiáng)度，所以，在布置石墨發(fā)熱體時(shí)，盡量采用豎直向上的布置，可以改善石墨的受力環(huán)境，延長(zhǎng)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(qiáng)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(shí)約束好；
E、兩端同時(shí)約束時(shí)一定要考慮至少一端有膨脹間隙；
5、化學(xué)性能
5.1、石墨抗氧化性能與現(xiàn)象
石墨在大氣中450℃開(kāi)始劇烈氧化，氧化后在發(fā)熱體表面出現(xiàn)白色粉末；
氧化的部位往往出現(xiàn)在爐內(nèi)充氣口和排氣口。
5.2、石墨的氧化性與爐內(nèi)真空度的關(guān)系
A、真空度越高，越不容易氧化；
B、真空度較高時(shí)仍然氧化，則可能出現(xiàn)“過(guò)堂風(fēng)”，應(yīng)檢測(cè)設(shè)備的壓升率；
C、中低溫設(shè)備的氧化程度比高溫設(shè)備氧化更嚴(yán)重；
5.3、石墨與其它氣體的反應(yīng)溫度
氣體種類 | 明顯反應(yīng)溫度 |
氮?dú)猓ǜ稍锛儍簦?/span> | 3000℃ |
氫氣 | 1100℃ |
氯氣 | 2800℃ |
6、石墨的沸點(diǎn)與升華
6.1、石墨的溶點(diǎn)3652℃,沸點(diǎn)4827℃
6.2、石墨在不同溫度下的蒸氣壓
圖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(dá)到的溫度取決于其真空度。由于在2200℃以上石墨會(huì)發(fā)生升華，因此不建議真空下（＜10-3Pa）在超過(guò)2200℃的的溫度使用，但可以在3000的非氧化性，還原性、或保護(hù)性惰性氣氛中使用。
7、石墨的膨脹
7.1、石墨的膨脹系數(shù)
石墨的膨脹系數(shù)較小，一般為2×10-6Pa~6×10-6Pa之間，密度越大，膨脹系數(shù)越大，密度越小，膨脹系數(shù)越小；粒度越大，膨脹系數(shù)越小，粒度越小，膨脹系數(shù)越大。
7.2、石墨的膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系
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