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石墨的特性及其在真空炉内的应用

来源:顶立科技 | 发布时间:2014-07-27

一、石墨的分类

1、按碳含量分类

分类

碳含量

高纯石墨

≥99.9%

高碳石墨

≥94%

中碳石墨

≥80%

低碳石墨

≥50%

2、按成型方式分类

分类

备注

等静压石墨


模压石墨


挤压石墨


振实成型石墨


3、电极石墨按颗粒度分类

分类

粒度

细结构石墨

<0.8mm

中粗石墨

0.8mm

电极石墨

2~4mm


二、石墨的生产工艺


三、石墨的特性

1、真空炉常用石墨的物理、力学性能

主要性能

等静压石墨

模压石墨

振实石墨

检验依据

电阻率

9~15μΩm

7~13μΩm

5~9μΩm

YB/T 120-1997 炭素材料电阻率测定方法

体积密度

≥1.8g/cm3,各向同性,均匀性好,边缘与中心密度差约为0.5%

≥1.7g/cm3,与压制方向和位置有关,均匀性差,边缘与中心密度差约为10%

≥1.5g/cm3

YB/T 119-1997 炭素材料体积密度测定方法

抗压强度

≥70MPa

≥70MPa

≥35MPa

GB/T1431-2009 炭素材料耐压强度测定方法

抗折强度

≥35MPa

≥35MPa

≥17MPa

GB/T 3074.1-2008 石墨电极抗折强度测定方法

肖氏硬度

45~55

45~55

45~55


灰分

≤700ppm

≤700ppm

≤1000ppm


平均粒度

18~25μm

18~25μm

≤800μm


热膨胀系数

≤5×10-6/℃

≤5×10-6/℃

≤5×10-6/℃

GB/T 3074.4-2003 石墨电极测定方法石墨电极热膨胀系数(CET)测定方法

弹性模量

10~12GPa

10~12GPa

10~12GPa

GB/T 3074.2-2008 石墨电极弹性模量测定方法

2、石墨的电阻率

2.1、石墨的电阻率范围

种类

电阻率(μΩ.m

等静压石墨

9~15

模压三高石墨

7~13

振实成型细颗粒石墨

5~9

2.2、电阻率与粒度、密度、石墨化度、灰分的关系

影响因素

电阻率

粒度

反比

密度

反比

石墨化度

反比

灰分

另外,通过增加不同的成分,可以很大程度调节石墨的电阻率

2.3、电阻率与温度的关系

一般,根据热平衡法计算设备的功率都是设备在最高温度时的功率;

如用户对升温的速率要求比较快,则需要计算最快升温速率时的功率输出;

所以我们需要了解的是在工作中的发热体真实电阻。但由于很多厂家都没有高温时测量发热体真实电阻的能力,所以,一般进行检验时检测的为低温时的电阻,再根据电阻温度系数去推断。


1:国产石墨电阻温度关系曲线

2:进口石墨电阻温度关系曲线

3、石墨的表面负荷

3.1、石墨的表面负荷由温度决定。建议当温度在1000℃左右连续运行时,加热区表面积的电负荷不超过35W/cm2;在短期运行时,加热元件的电负荷可在50W/cm2或以上;当温度超过1000℃时,电负荷应降低。

3.2、石墨的表面负荷与温度的关系

3:石墨表面负荷与温度关系曲线

4、石墨的强度

4.1、石墨强度分析

石墨的强度越好,使用寿命越长,但成本越高,应根据石墨在不同炉型、不同部位的使用特点,合理的选择,以求达到最经济合理的设计。

4.2、加热元件在2600℃以下,随着温度的升高,其机械强度会进一步增强,然而,当温度超过2600℃时,其机械强度便会逐渐下降。

4.3、温度对石墨强度的影响

4:石墨的强度温度曲线

4.4、强度对发热体结构设计的影响

A、从石墨的力学性能指标可以看出,石墨的抗压强度远好于石墨的抗折强度,所以,在布置石墨发热体时,尽量采用竖直向上的布置,可以改善石墨的受力环境,延长石墨寿命;

B、由于石墨有一定的热膨胀量和较大的弹性模量,而本身强度不是太好,所以,一定要充分考虑石墨的热膨胀;

C、悬挂件比承重件好;

D、一端自由延伸比两端同时约束好;

E、两端同时约束时一定要考虑至少一端有膨胀间隙;

5、化学性能

5.1、石墨抗氧化性能与现象

石墨在大气中450℃开始剧烈氧化,氧化后在发热体表面出现白色粉末;

氧化的部位往往出现在炉内充气口和排气口。

5.2、石墨的氧化性与炉内真空度的关系

A、真空度越高,越不容易氧化;

B、真空度较高时仍然氧化,则可能出现“过堂风”,应检测设备的压升率;

C、中低温设备的氧化程度比高温设备氧化更严重;

5.3、石墨与其它气体的反应温度

气体种类

明显反应温度

氮气(干燥纯净)

3000

氢气

1100

氯气

2800

6、石墨的沸点与升华

6.1、石墨的溶点3652,沸点4827

6.2、石墨在不同温度下的蒸气压

5:石墨在不同温度下的蒸汽压

6.3、如何抑制石墨的升华

加热元件可达到的温度取决于其真空度。由于在2200℃以上石墨会发生升华,因此不建议真空下(<10-3Pa)在超过2200℃的的温度使用,但可以在3000的非氧化性,还原性、或保护性惰性气氛中使用。

7、石墨的膨胀

7.1、石墨的膨胀系数

石墨的膨胀系数较小,一般为2×10-6Pa~6×10-6Pa之间,密度越大,膨胀系数越大,密度越小,膨胀系数越小;粒度越大,膨胀系数越小,粒度越小,膨胀系数越大。

7.2、石墨的膨胀系数与温度的关系

6:石墨在不同温度下的膨胀系数

8、石墨的比热容

8.1、石墨的比热容

常态下,石墨的比热容为710 J/(kg·K),其比热容随着温度的升高增大。

8.2、石墨的比热容与温度的关系

7:石墨在不同温度下的比热容

9、石墨的导热系数

9.1、石墨的导热系数

常态下,石墨的热导率为129 W/(m·K),随着温度的升高降低。

如使用棒料结构,当外部温度较高,而内部温度较低时,石墨棒料容易裂开,所以多选用管状发热体,一方面内外温度均匀,另一方面有利于散热。

9.2、石墨的导热系数与温度的关系

8:石墨在不同温度下的导热系数

10、切削加工性能

10.1、材料的切削加工性能与材料的物理、力学性能的关系

材料力学性能

切削加工性能

强度

强度越高,切削性越差

硬度

硬度越高,切削性越差

塑形

塑形越好,越不容易断屑,塑形太好导致切削不良

脆性

脆性越好,越容易出现表面缺陷,脆性太好导致切削不良

导热性能

导热性越好,越利于散热,能防止工件氧化,有利于切削

10.2、石墨的切削加工性能

石墨强度和硬度都较低,导热性良好,有利于加工;

但塑形过小,脆性过大,容易出现表面缺陷,不利于加工;

另外,石墨容易产生石墨粉尘,影响机床,切削加工必须做好抽风除尘措施。

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