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石墨電極專題

1、中國炭素行業現狀及展望

—— 中國炭素行業協會 孫慶 （秘書長）

2、石墨、炭素行業環境控制政策與技術展望

—— 中國環境科學研究院 張凡 （首席專家）

3、電爐煉鋼產業市場現狀及未來趨勢

   —— 江蘇蘇鋼集團有限公司 張益明 （市場主管）

4、超高功率石墨電極在鋼用市場應用與后市研判

—— 吉林炭素有限公司 龐龍 （市場營銷部長）

5、高功率石墨電極在金屬硅上的應用及市場分析

—— 河北順天電極有限公司 楊海春 （總經理）

碳、炭二詞用法的分歧在國內冶金工作者中是這樣引起的:為了提高煉鐵高爐爐缸的壽命,人們采用了含碳耐火磚;電爐煉鋼及熔鹽電解煉鋁需用含碳電極,以導電;為了抗 酸、抗堿、抗高溫,許多爐內構件需用含碳纖維的制品。因此部分冶金學者認為既然是含碳物質,上列制品則應分別稱為“碳磚”、“碳電極”及“碳纖維”。另有一部分冶金學者的意見是我國沿用“炭”字已有長久歷史,上列用品應稱為“炭磚”、“炭電極”及“炭纖維”。 由此, “碳” 、“炭”二詞應用上引起爭議, 致使國內文獻對“碳”、“炭”二詞的應用比較混亂。 

例如1994年出版的《材料大辭典》中, carbon fiber為碳纖維,而activated carbon fiber則為活性炭纖維。carbon brick為碳磚,而activated carbon 為活性炭。這里carbon譯為“碳”還是“炭”, 這個矛盾如何解決? 究竟“碳”“炭”二詞有無不同? 其差異何在? 可否將碳、炭二詞取消其中之一? 這些都是待商榷決定的問題。

碳是一種化學元素 ,碳=100%C

化學元素C的中文命名為碳,即碳是 100%C。碳有三個同素異形體 ,即無定形碳、石墨(六方晶系)及金剛石(立方晶系)。每個異形體有各自恒定的性質。

無定形碳在空氣中易燃,充作發熱劑及還原劑, 在密閉條件下通電加熱到1500～2000℃,可得到石墨。石墨化程度隨加熱溫度及時間而異。

石墨能耐高溫, 在空氣中難燃, 但在2000℃以上則升華揮發, 在氧氣中也可燃 燒。石墨能導電,導熱性也高,又能抗酸性或 堿性溶液的浸蝕。

透明金剛石有五色燦爛的光彩,是最硬的物質。金剛石砂可制成切割金屬的刀具。

碳有3個同位素,其中14C考古學家用以測估文物的歷史年代。

從化學組成看“炭”的科學涵義

燧人氏鉆木取火,未完全燃燒的黑色遺留物,古人稱之為木炭。考古學家證明, 春秋時代國人已知冶鑄青銅器皿、刀、劍的技術。用木炭供熱熔化天然銅,或還原風化的含雜 質的銅礦,得出青銅鑄品。戰國時代鐵器出 世。由于需更高的溫度鐵礦才能還原成鐵, 國人又發明用煤炭筑土窯燒制焦炭,充作供 熱及還原劑。這樣, 木炭、煤炭及焦炭三種燃料的“炭”字已沿用兩千多年之久。

那么,“炭”字從化學組成看,有哪些涵義 呢?

燒制木炭的原料是木材。木材含有大量的高分子聚合的有機化合物,主要是纖維素及木質素,又含無機化合物灰分及水分。有機化合物通過光化作用在大氣中成長,而灰分則自土壤中吸取。炭窯中的還原氣氛使木材不能全部燃燒。有機化合物遇熱分解成碳,即所謂的“碳化過程”(carbonization)。木材中的灰分全部留存于木炭中。同時木炭在 儲存期間又吸入大氣中的水分。

木炭中含有 H、O、N等元素說明木炭尚含有少量的能揮 發的有機化合物。由以上木炭的化學組成足 以說明,木炭是以碳為主、含有多種不恒定成分的雜質的混合物。同時, 隨著木材種類(軟木或硬木)不同,同一樹種, 樹枝和樹干部位不同,以及炭窯中由于火焰分布不均, 溫度不同等因素 ,所燒成的木炭含碳量也不盡相同。木炭中的灰分包含各種金屬氧化物,形成硅酸鹽化合物或互溶成為固溶體。

煤炭古稱石炭,是古代植物遺體深埋地下,經長期的高溫高壓的煤化作用生成的。煤炭灰分來源于植物本身全部的無機物質,又含有沉積過程中由風力或流水搬運的礦物雜質 ,因而煤炭的灰分可高達40 %。煤炭有多種多樣。根據產地、煤層及采煤工作面的不同, 煤炭的化學組成在很大范圍內波動。 即使在同一采煤工作面,不同時間采得的煤 塊,其含碳量也有差異。煤炭灰分尚含有M nO, V2O5,及微量的稀有金屬氧化物。

焦炭是由煉焦煤料經干餾焦結(900～1050℃)煉制的可燃固體產物。煉焦煤料由4種煙煤,即氣煤、肥煤、焦煤及瘦煤配合而 成。焦炭是高爐煉鐵必需的原料。通過煤料 配比可以提供高爐需要的低硫、低灰分,高發熱值及高抗壓強度的高質量焦炭。

以上對木炭、煤炭及焦炭的化學涵義進行的分析可以看出炭、碳不能等同, 它們的區 別可用下列式(1)表達:

炭=碳(無定形碳或石墨)+有機揮發分+無機灰分+水分(1)      也即

炭=碳(C)+C,H,O,N,S等有機物+SiO2, Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,MnO,TiO2,V2O3, SO3 , P2O5等無機物+水分(2)

由上看出,炭是以碳為主并包含多雜質的混合物。多雜質的意思有二:一是雜質種類多,有揮發性的有機化合物,有金屬與非金屬氧化物組成的灰分,又有水分;二是雜質的量相當多, 而且在大范圍內波動。特別是灰 分的雜質很難與獨立存在的碳分離。因此, 如果說炭是黑色易燃的物體則不大準確。因 為焦炭是銀灰色,而有的煤炭呈金屬光澤。 木炭、煤炭及焦炭是易燃物,是由于它們含有無定形碳。后者一經高溫處理石墨化后, 則變成耐高溫而在空氣中難燃。所以易燃難燃不是碳的特性。

工業上含碳的制品應稱炭制品

根據碳、炭關系式,木炭、煤炭及焦炭可稱為炭材料。由炭材料制備的工業上含碳的 制品應稱為炭制品。

燒制含碳耐火磚的原料有無煙煤、焦炭或天然石墨(含有灰分)。配以瀝青或無機黏合劑, 經粉碎、混合、壓型及燒制, 燒成耐火磚,原料中的灰分全部留在磚內,因窯內還原火焰溫度不超過1000℃,可能遺下一小部分揮發性的有機物,磚內的碳也停留為無定形 碳,因此必須使磚冷到室溫,方能從窯內搬 出,否則紅熱的磚取出后將自燃。在高爐爐 缸使用過程中,磚中的碳將逐漸石墨化。此 類含碳耐火磚由炭材料制成,當然應稱為炭磚。

制備含碳電極的原料與炭磚相同,它們也應稱為炭電極。電爐煉鋼所用的電極的石墨化程度應較高,而自焙炭電極則在向電爐內下降過程中逐步石墨化。電極所含的灰分在電爐冶煉過程中熔化進入爐渣。

含碳纖維主要由再生纖維、合成纖維、瀝青纖維等多種人造纖維經熱解碳化制成。造 絲和碳化通常在大氣或隋性氣體中進行。氣 體中含有塵埃, 所以纖維內留有少量灰分無法去除。隨著原料、造絲工藝及碳化條件(包括溫度、碳化速度及環境)的不同, 纖維所含的碳量在90～99 %范圍內波動。含碳纖維為符合習慣應稱“炭纖維”。所織成的成品應稱炭制品,如炭布、炭毯等。

炭纖維中炭和碳的關系可由式(3)表達:

炭=碳+有機化合物(未碳化)及分解物+無機物(灰分,來自環境)+水分(吸自大氣)(3)

石墨化的炭纖維不吸水。由于高溫,石墨化的炭纖維含未碳化的有機化合物及分解物也較少。由有機化合物經熱解碳化的炭黑,其中炭、碳的關系也由式(3)表達。

哪些名詞用“碳”

化學元素C(碳)和其他元素結合成碳化合物 ,如碳化鈣、碳酸鈉等。凡涉及元素C的 化合物名詞都用“碳”。

以碳命名的鋼稱碳鋼,又稱碳素鋼。后者實際上是plain carbon steel合金的譯名。 “素”意為“單純”,說明只含碳而不含其他合金元素。研究碳原子結構關系的名詞用“碳”, 例如碳鍵、碳鏈、碳環等。

為提高機械零件表面的耐磨性, 采用滲碳法(cementation , carburizing)提高表面層的含碳量,再經淬火熱處理提高硬度, 從而增加其耐磨性。該方法采用粉狀木炭(焦炭或無煙煤)覆蓋需加硬的部分, 在高溫下加熱一定時間,木炭中的碳原子擴散固溶于鐵原子中成為奧氏體, 但木炭中的無機物灰分則遺留在外(當然,木炭中的有機物及水分揮發逸散)。此物理過程稱為滲碳而不能稱為滲炭。

轉爐煉鋼吹煉末期,鋼液含碳較低。如欲煉高碳鋼,則向鋼包中鋼液投入粉狀木炭 (焦炭或無煙煤),木炭中的碳溶入鋼液,而其 中的灰分則溶入熔渣。此物理過程稱為增碳 (recarburization)而不能稱為增炭。

又如煉鋼過程是降低鐵液中含碳的氧化過。此化學反應稱為脫碳(decarburization),因為是碳和氧的化學反應。

至于有機化合物加熱分解沉積成碳的碳化反應(過程)(carbonization)絕不能稱為 “炭”化, 因為分解沉積的是碳。后者和未分解的原有機物,部分分解的新有機物,環境帶入的無機灰分以及自空氣吸入的水分, 合并組成含碳物質,根據用字的習慣 ,此有雜質的含碳物質稱為“炭物質”, 例如炭黑, 活性炭等等 。

高純碳及原子級碳

“金無足赤”,古有名言。自然界存在的天然金含銀、銅,天然銅含鋅、錫,最純的天然石墨仍含3～4%灰分。但化學家經常在研究 發明元素提純的各種方法。例如光譜純石墨 電極是由光譜純或高純碳制得。所謂“高純”系指高于“化學純”的純度,也即大于 99.9999%C、小于1ppm雜質的C , 因而稱為碳。原料通常采用石油焦。

近代發明碳60(C60,富勒烯,fullerene), 系由60～70碳原子組成的內空外呈球形的 結構體。曾有學者建議稱為碳的第4個同素 異形體。但尚無定論。納米碳管是由小于50 納米的,由1至幾個碳原子自彎成管的碳結構體。它是由特殊方法, 用高新技術和設備 ,在特殊條件(高溫、無塵埃的真空或氬氣)下制成。

碳 、炭二字應予分別選用

在已發現的109種元素中, 其中氣態元素11種, 如氫、氦、氮、氧、氯、氬等, 均冠以 “氣”首。液態元素兩種,即溴、汞, 兩字帶有“氵”及“水”。固態元素分兩類 , 即非金屬固態元素10種,如硼、碳、硅、磷、硫、砷等, 諸字均帶有“石”旁;金屬固態元素86種, 即金、銀、銅、鉛、鋅、鐵等, 諸字除金外, 均帶有“金”旁。非金屬元素和金屬元素主要的區別之一是:非金屬氧化物與水化合成酸, 其氧化物呈酸性;而金屬氧化物與水化合成氫氧化物,其氧化物呈堿性。元素命名有這樣的規律性、系統性是我國前輩化學家的創舉, 有利于學習化學。如果棄“碳”不用而只用“炭”, 則破壞了化學命名的規律性。為一元素而傷大局,似無必要而且不妥。如果廢“炭”而全部用“碳”, 則忽略我國已沿用兩千多年的“炭”字,又不符合漢字簡化的意義, 因而廢棄“炭”字也屬不宜。建議保持“碳”、“炭”根據前述含義具體情況 ,分別選用。

結論

根據化學組成,考慮我國國情, 建議對 “碳”、“炭”二詞按下列原則分別選用。

1. 碳是一種元素,碳 =100 %C。

凡涉及化學元素C的名詞均用“碳”, 例 舉如下:

(1)碳的化合物,如碳化鈣、碳酸鈉等。

(2)以碳命名的鋼稱碳鋼(又名碳素鋼)。

(3)結構化學的名詞, 如碳鍵、碳鏈、碳環 等。

(4)參加物理過程的C,如滲碳、增碳等。

(5)參加化學反應的C,如脫碳、碳化等。

(6)99.9999%C,如光譜純碳。

(7) 原子級C , 如碳60、納米碳管等。

2. 工業用含碳物質稱炭物質。

炭是多雜質含碳且以碳為主的混合物, 其特點為: (1)含碳量不恒定。(2)雜質多種多樣。(3)雜質含量不恒定,而且相當多,并在 大范圍內波動。(4)物理及化學性質不恒定。

炭材料如:木炭、煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、炭纖維等。

炭制品如:炭磚、炭電極、炭塊、炭刷、炭纖維、炭布、炭毯等。

3. “炭”、“碳”的區別可由下式表達:

炭=碳(無定形碳或石墨)+有機物+無機物+水分

4.英文carbon一詞根據上述原則,分別譯為“碳”或“炭”, 例如carbon dioxide二氧化碳, carbon black炭黑等 。

來源：科技技術術語  作者：魏壽昆