1、 思考题 1. 表征炭石墨材料晶体结构参数有哪些？各表示什么物理意义。 答： d002 层间距：石墨六角网状层结构层间距离 ； La： 石墨晶体沿平面 a 方向的平均大小 ； Lc： 石墨平面沿与其垂直的 c 轴方向进行堆积的厚度 ； P： 石墨化程度 2. 简述炭石墨材料的结构多样性？ 答： 炭材料结构具有多样性，具体表现在几个方面：（ 1） C-C 键的键和方式：碳原子有三种杂化方式；（ 2）六角面网大小及其积层形式 ：随热处理温度的升高，微晶生长，构成微晶的六角面网的积层形式逐渐向具有规则取向的石墨结构变化；（ 3）微晶取向：不同的取向形式与取向程度与碳材 料的 物性有很大关系； （ 4
2、） 集合组织 ：不同的组织集合，进一步影响材料的多样性 。 3. 简述炭石墨材料的主要性能特点。 答：（ 1） .高导电性：导电性与铁相当。（ 2） .高导热性：导热性接近铜。（ 3） .耐高温性：最耐高温的材料之一，常温下没有熔点， 4000开始升华。（ 4）自润滑性：在一定湿度下润滑性能好，但在真空干燥环境中润滑性能下降。（ 5）耐腐蚀性：耐酸 、碱和有机溶剂的腐蚀，但不耐强氧化性酸的腐蚀。（ 6）易氧化性：在 450的热空气中开始氧化。（ 7）抗热震性：热膨胀系数小，温度急剧变化不易产生裂纹和破坏。 4. 简述炭石 墨材料物理化学性能及其利用该性能的主要应用领域。 答： 一 真密度：指不
3、包括孔隙在内材料单位体积的物质质量，常用的测定方法是溶剂置换法，其他方法有气体置换法射线衍射测定法 炭素材料的真密度反应其石墨化程度。 二 密度：即体积密度 三 孔隙率：分闭合孔，开口孔，贯通孔三种类型 四 机械强度：抗压强度，抗拉强度，抗折强度 五 弹性模量：材料在弹性变形范围内，应力和应变的比值称为弹性模量 六 电阻率：影响因素： .原料， .成品最终热处理温度，成品的密度，电阻率与测试温度， . 石墨 制品电阻率的各向异性 七 热导率：即材料试样在单位温度梯度下，单位面积在单位时间内传递的热量 八 热膨胀系数：即材料受热后膨胀程度的度量 九 抗热震性：即热稳定性 十 灰分 十一 抗氧化性
4、 5. 简述石墨电极的损耗类型及影响电极消耗的因素。 答： 石墨电极主要用于电弧炼钢炉，其损耗的主要类型有：正常消耗 ： 弧光消耗（蒸发消耗）：由于电极和炉料之间产生产生电弧，温度高达 3000以上，因此电极端部出现持续的电极消耗 ； 化学消耗：电极与钢渣中的铁钙锰等氧化物作用或与钢水中的铁反应而被消耗 ； 氧化消耗 ：电极与炼钢过程中的氧气、水汽反应而产生的消耗 ； 非正常消耗：机械、人为的折断，接头脱扣、扣内严重氧化以及接头膨胀将电极胀裂等。 影响电极消耗的因素： 1) 电阻率：电流相同时 ,电阻率越大，电极温度越高，氧化速度也越快，电极消耗速度增加。 2) 电极的石墨化 程度 ：电极的石
5、墨化程度越高，抗氧化性越好，电极消耗就较小 3) 体积密度：石墨电极的机械强度、弹性模量、热导率随体积密度的提高而增大，电阻率、气孔率随之增加而减小，随着电极体积密度的提高，电极消耗减少。 4) 机械强度：一般来说，随抗压强度的增加，抗热应力的能力强，所以电极消耗下降，但是抗压强度太高时，热膨胀系数会增高。 5) 接头质量：接头是电极的薄弱环节，它比电极本体更容易损坏，常会出现电极丝底断裂，接头中间断裂和接头松动 脱落。 6. 简述制备高密度高纯度各向同性石墨材料的主要技术途径。 答： 制备高纯度石墨 :制备工艺与普通石墨大体相同，但必须选用灰分低于 0.15%的原料， 多数采用模压和等静压成
6、型，石墨化程度高，并在石墨化过程中通入卤素气体，以降低 杂质含量。 高密度各向同性石墨制造工艺基本上可分为一元系和二元系： 一元系：原料用单一的骨料，如硬质球状沥青焦，沥青中间相球体，特殊处理的石油 焦 二元系：用细粒骨料 +粘结剂，如菲焦 +沥青粘结剂 为了达到高密度各向同性在工艺上采取如下措施： （ 1） 采用热处理时收缩率大的骨材，各向同性骨材，添加炭黑，采用炭化收率高的粘结剂，也可用加压炭化或在粘结剂中加入硫或者硝基化合物，以促进缩合 （ 2） 在一元系法时，尽可能使用细颗粒，如 150m 一下，使粒度配比适宜以达到最大填充密度。 （ 3） 采用等静压成型或摩擦冲击成型 （ 4） 石墨
7、化时使制品在高温下长时间保温或在高温下通入卤素气体以降低杂质含量 7. 简述影响石油焦质量的主要因素。 （ 1） 灰分：石油焦中的灰分杂质主要来源于原油中的盐类杂质。生产一般 炭素制品的石油焦要求灰分不高于 0.5%，生产高纯制品的石油焦要求灰分不高于 0.15% （ 2） 硫分：石油焦中的硫来源于原油，存在形式可以分为有机硫和无机硫两种，硫是有害元素， 1800时大量逸出，出现晶胀、气胀开裂 （ 3） 挥发分：挥发分的含量是石油焦焦化成熟程度的标志，它与碳素制品的最终质量虽然没有直接关系，但是对煅烧操作影响很大 （ 4） 真密度：石油焦在 1300温度下煅烧后的真密度大小，可作为其石墨化难易
8、程度的表征。一般认为，石油焦煅烧后真密度越大，则越容易石墨化 8. 简述煤沥青在炭石墨材料生产过程中的功能和作用。 答： 主要用作 粘结剂、浸渍剂。 煤沥青粘结剂在炭材料生产中的作用主要有两个方面 : (l)煤沥青呈液态时使炭质骨料及粉料润湿、粘合及混捏成可塑性糊料 ,糊料加压成型及冷却后粘结剂沥青硬化 ,将骨料及粉料固结成生坯。 (2)生坯在高温下焙烧 ,此时粘结剂煤沥青参加炭化反应生成粘结焦并形成良好的固态结合 ,使制品获得固定的几何形状。 煤沥青浸渍剂在炭材料生产中，以液态形式进入气孔，填充颗粒间的空隙以及粘结剂挥发留下的气孔，从而达到降低材料气孔率、提升材料强度的目的。有时为了达到良好
9、的效果可进行多次浸渍。 9. 煤沥青的粘度随温度的变化有那些 特点。 答： 不同软化点煤沥青在相同的粘度范围内具有相似的温度敏感性，随温度上升而粘度迅速降低。 沥青粘度与温度的关系服从以下阿累尼乌斯方程式 =Aexp(E/RT) 式中： 粘度； A 回归常数； R 气体常数； T 绝对温度； E 粘流活化能。 （书上 P44 还有一个公式，打不出来，请自行补充） 沥青粘度与温度的这种指数关系是由于粘性流动活化能条件改变的缘故。当提高加热温度时，沥青连续不断地转变为新的形态，沥青从原来的玻璃态转变为流动液态过程中，显然发生了结构变化，这与分子间的结合键变弱和分子外层结构桥 键断裂有关 煤沥青充分
10、熔融液化后，煤沥青体系呈牛顿型流变特征，但随着热处理进行，其显示出粘弹性。不同的沥青虽然其流变性能不同，但其总体趋势却是相似的，即固态煤沥青熔融呈液态，经过中间相阶段再逐渐固化成焦。 【下面这段可以看看，和题目关系不大】 (1) 煤沥青熔融软化阶段（室温 200）。此阶段煤沥青粘度随温度升高急剧下降，粘度曲线呈近似直线垂直变化。煤沥青聚合物由玻璃体逐渐转变成液体，熔融软化导致粘度急剧变化。此温度区间对应着粘结剂沥青的熔化、混捏、成型和焙烧前期阶段。 (2) 煤沥青流体稳态阶段（ 200 500）。此阶段煤沥青呈很好流变性的液态状态，其粘度基本保持恒定（约 100m Pa s）。煤沥青经过熔融状
11、态后，随着温度升高，会发生热解缩聚反应，并进入中间相阶段。由于升温速率非常缓慢，导致煤沥青分子的热分解和热缩聚反应比较温和，稠环芳烃分子逐渐长大和定向排列，同时这些平面状稠环芳烃分子的平行定向排列有利于降低煤沥青体系的剪切应力，从而从整体上保持煤沥青体系的粘度恒定。 (3) 煤沥青的固化成焦阶段（ 500以后）。此阶段伴随着煤沥青体系粘度的急剧上升。随着温度升高，煤沥青热缩聚反应逐渐占主导 地位，温度升至 500左右，煤沥青固化并生成半焦或炭材料。 10. 简述影响罐式煅烧炉火道温度的主要因素。 答： 煅烧炉火道温度受很多因素制约，一般来说主要有以下几个因素： 1)燃料燃烧的影响 原料煅烧时产
12、生的挥发分是热源的主要部分。因此要充分利用并严格控制挥发分。若挥发分不足，需用煤气进行补充，否则温度将会下降，影响煅烧质量；如果挥发分过多，要关闭煤气阀门，调整挥发分拉板，控制其给入量，否则挥发分过高导致温度过高，会烧坏炉体。因此生产中需严格控制原料配比、挥发分和煤气的用量，及时进行调整。 2)空气质量的影响 空气是燃料 燃烧必备的条件，只有空气用量得当，燃料才能充分燃烧，煅烧炉的火道才能达到高温。空气量不足时，燃烧不充分，火道温度下降，同时还会在进入蓄火室或烟道以后继续燃烧，损坏设备；空气过剩，会把火道内热量带走，火道温度降低，煅烧质量下降。 3)负压的影响 以每组炉室顶部负压在 4998P
13、a，罐内负压接近于 0 最为理想。 负压过大，火道内空气流量大，热损失大；负压过小，挥发分将难以抽出，预热空气也将供给不足，燃烧不充分。因此，在煅烧炉的生产中，只有很好地掌握煤气、空气、和挥发分的供给量与负压的相互关系，并严格执行生产技术操作规 范，才能保证恒定的煅烧温度，提高原料的煅烧质量。 11. 简述影响回转窑煅烧温度的主要工艺因素。 答： （ 1） 煅烧带的长度和位置对于煅烧作业有很重要的意义，因为它与物料烧损有关，也与保护窑头与煅烧的最高温度有关。 （ 2）燃烧量和空气量的合理配比是保证回转窑煅烧温度的关键。 （ 3）给料量均匀，稳定和连续才能保证煅烧质量。 （ 4）回转窑正常生产时
14、，窑内始终保持负压，负压过大或过小对窑内温度控制和煅烧质量不利。 12. 简述物料粉碎过程中粒度的变化规律。 答： 当一块单独的固体物料在受到突然打击粉碎之后，将产生数量较少的大颗粒和为数 很多的小颗粒，也有少量中间粒度的颗粒。若继续增加打击的能量，则大颗粒将变为较小粒度和较多数目，而小颗粒数目大大增加，但粒度不再变小。这是因为大块物料内部有或多或少的脆弱面，在受力时，首先沿着这些脆弱面碎裂。当物料粒度较小时，这些脆弱面减少，小颗粒受力后往往不碎裂，仅表现为受剪切而出现一些微粒。因此小颗粒的粒度由物料的性质决定，而大颗粒的粒度则与粉碎过程有密切关系。 如用球磨机粉碎煤，最初的粒度分布显示一个单
15、峰，相当于较粗颗粒的破碎特征。随着粉碎过程的进行，该峰逐渐减小，并在一定粒度时产生第二个峰，过 程一直进行到第一个峰完全消失为止。第二个峰表征了被碎物质的特征，可称为持久峰型，而第一个峰称为暂时峰型。 13. 物料粉碎作业有哪几种方式，各有什么特点？ 答： 在粉碎操作中，有间歇粉碎、开路粉碎和闭路粉碎三种流程； 1) 间歇粉碎是将一定量的被碎料加到粉碎机内，并关闭排料口，粉碎机不断运转，直至全部被碎料达到所要求的粒度为止，然后排出全部碎成料。一般用于处理量不大而粒度要求较细的粉碎作业； 2) 来路粉碎是将被碎料不断加入，碎成料连续排出。被碎料一次通过粉碎机（又称无筛分连续粉碎），碎成料控制在一
16、定粒度下。开路粉碎操作简单，一 般用于破碎，如煅前料的预碎等； 3) 闭路粉碎是使被碎料经粉碎机一次粉碎后，被粉碎后的颗粒由运载流体（空气或水）夹带而强行离开，再由机械分离设备进行处理，取出粒度合乎要求的部分，把较粗的不合格颗粒返回粉碎机再行粉碎。闭路粉碎是一种循环连续作业，它严格遵守“不做过粉碎”的原则。 三种流程的比较： 粉碎流程 加料 出料 粒度分布 生产能力 机件磨损 适用范围 设备费 间歇 方便 不方便 广 小 大 磨粉 小 开路 方便 方便 广 中 大 破碎 小 闭路 方便 方便 窄 大 小 细碎、磨粉 大 14. 简述物料粒度分析 的方法及特点。 答： 根据物料粗细不同，常用的粒
17、度分析方法有以下几种： 1) 筛分分析：利用筛孔大小不同的一套筛子进行粒度分析，对于力度小于 100mm，而大于0.043mm 的物料，一般采用筛分分析测定粒度组成。筛分法设备简单，且易于操作。一般干筛至 100 m，再细的可用湿筛。近代用光刻电镀技术制造的微目筛能更精确地测到 10 m 的细粒。该法的缺点是受颗粒形状影响很大。 2) 水力沉降分析：该法是利用不同尺寸的颗粒在水中的沉降速度不同而分成若干级别。它不同于筛分法，因为筛分测得的是几何尺寸，水力沉降分析法测得的是具有相同沉降 速度的当量球径。此法适用于 50 m 以上粒度范围的测定。 3) 显微镜分析：主要用来测定微细物料，可以直观测
18、颗粒尺寸和形状，常用于检查特殊产品或校正分析结果，其最佳测量范围为 0.520 m 之间。 15. 炭素生产的固体原料中大颗粒、中颗粒和细粉各起什么作用，如何影响生产工艺和产品性能？ 答： 大颗粒：在生制品中起骨架作用。适当提高大颗粒的尺寸和数量，有利于改善制品的抗热震性和降低线膨胀系数，可以减少焙烧的废品率，但大颗粒过多，则制品的孔隙率增加，使制品体积密度和机械强度下降。 中颗粒：填充大颗粒间的空隙。大颗粒 49%， 细粉 51%，中颗粒 25%时堆积密度最大。 细粉料：填充大颗粒、中颗粒间的间隙。适当的增加细粉的使用比例，有利于提高制品的体积密度，减少孔隙率，增加机械强度，产品加工后表面光
19、洁度也较高，但是粉料过多时，则易于导致在焙烧及石墨化过程中产生裂纹，使制品的废品率增加。此外，粉料比例的增加，相应粘结剂用量增加，当粘结剂用量超过一定数量后，就会导致制品孔隙率增加，而机械强度降低。 16. 简述如何保证混捏质量？ 答： 为了得到结构均匀并具有一定塑形的糊料，并使糊料质量稳定，必须控制以下四个方面以保证混捏质量。 混捏温度 ： 混捏温度过低，沥青粘度增大，流动性变差，沥青对干料的浸润性不好，造成混捏不均，甚至夹干料，导致糊料塑形变差，不适宜成型，造成生块结构不均、疏松；随着温度的提高，糊料塑形变好，但温度过高，沥青发生氧化反应，轻馏分分解挥发，糊料老化，也不利于混捏成型。 混捏
20、 时间 ：混捏时间过短，则糊料混捏不均，沥青对干料浸润渗透不够，甚至会出现夹干现象，糊料塑形变差；适当延长混捏时间，可以是糊料混捏更均匀，塑形变好，但时间过长，对其均匀程度提高甚微，反而使干料组成发生变化，粘结剂氧化程度加深，混捏质量变差。 干料的性质：干 料表面粗糙，气孔多，则粘结剂能很好的粘附在 颗粒表面，糊料的塑性好；干料颗粒组成相差越大，则混合均匀性、密实性越高。 粘结剂的 用量与 性质：粘结剂用量过少，则 糊料发干，干料颗粒表面不能形成均匀涂布沥青薄膜，糊料的塑性变差；随着其用量的增大，糊料的流动性变好，均匀性提高，糊料塑性变 好，但 过多则会使生 坯 弯曲变形 ，焙烧 废品 率增大
21、 。 17. 简述沥青改性的方法及特点。 答： 国内改质沥青生产方法主要采用高温热聚法 (间歇加压式、连续常压式和常压间歇式 )和闪蒸法二种工艺。 改质沥青作为粘结剂的特点 ： 结焦残炭值高，焙烧时可 生成更多的粘结焦，制品的机械强度高。 软化点高，夏天运输和远距离运输问题易于解决。 混捏成型过程中沥青逸出的烟气较少，可减轻环境污染。 沥青熔化温度、混捏温度高于中温沥青。 改质沥青含有较多的树脂和次生 QI，具有较高的热稳定性，有利于提高炭和石墨制品的质量。 18. 什么是颗粒的自然取向性？举例说明在炭素材料生产中如何利用颗粒的自然倾向性？ 答： 一切可以自由移动的颗粒都具有以其较宽，较平的一
22、面垂直于作用力的方向的性能，也就是说颗粒能自然地处于力矩最小的位置，这称为颗粒的自然取向性。 举例：糊料 及压粉的颗粒都不是球形的，在成型时的塑形变形中，它的延伸方向与自然取向是一致的，造成结构上的向异性。因此，不同的成型方法所得到生制品内颗粒排列方向与各向异性比也是不同的。挤压成型法制得的生制品，其颗粒沿平行于挤压力方向排列，各向异性比大；模压成型制得的生制品，其颗粒垂直于模压力方向排列，各向异性较小；而等静压成型的生制品在结构上各向同性。 19. 简述凉料的目的及控制凉料程度的方法。 答： 经过混捏好的糊料，一般温度达到 130 到 140 C，并含有一定数量的气体。凉料的目的是使糊料均匀
23、地冷却到一定的温度，并充分排出夹在 糊料中的烟气。目前多数挤压机配备了圆盘式凉料级。比较先进的有圆筒式凉料机。 控制凉料程度的方法：糊料要凉到什么程度再加入挤压机料室，需视粘结剂用量，混捏出锅温度及糊料的塑性状态等情况而定。如粘结剂用量大，糊料的温度比较高，凉料时间应该长一些。反之，则凉料时间就短一些。凉料温度的高低及凉料的均匀程度对压型的成品率有很大关系。 20. 简述影响挤压制品质量的因素。 答： 1.糊料 塑性。糊料 塑性 的好坏直接影响着挤压制品的成品率。塑性 好 的糊料易于成型，且糊料间粘结力强，糊料与模壁间摩擦力小，如上所述，可在较小挤压压 力下把生制品挤出，其弹性后效小，产品不易
24、开裂。若 糊料 塑性不好，散渣，糊料间粘结性差，加压时，糊料与模壁间摩擦力大，必须加大挤压压力，使生制品弹性后效大，较易 出现 裂纹。 2.温度 制度。 A.下料 温度 要 选择适宜的下料温度。下料 温度 过低，糊料发硬，使挤压压力增 高 ；下料温度过高，糊料间粘结力减弱，易产生裂纹。 B.料室 温度 糊料下 到料室后，要经过捣固 、 预压和挤压三个阶段，糊料在料室中停留时间较长，所以会发生糊料和料室内壁间的热交换作用。若 料室 温度低于下料温度，表层糊料就把热量传给料室， 使 糊料本身温度降低 ，可塑性变 差。若 料室 温度太高，会使糊料表层温度升高，降低了表层糊料的粘结力，使裂纹废品率增多
25、。 C.模嘴 温度 合适 的模嘴温度 可 使生制品表面光滑，减少裂纹废品。模嘴 温度 过高，会使糊料表面变软，减小糊料间粘结力，容易产生 横 裂纹和生制品接头断裂。模嘴 温度 太低，会增大糊料和模壁间摩擦力，使糊料内外层压制速度相差太大，产生分层，并导致生制品表面出现 麻面 。 3.糊料 状况与预压。 糊料 内各部分的温差不应超过 4 ，糊料内的干料、油块。硬块 等 都应除去。 这样 才能使糊料在压型时 正常流动 ，保证生制品顺利压出 。 预压 能使糊料紧密，提高制品质量。 用同一配方 的糊料，经过预压和不经过预压所挤压出同规格生制品的物理机械性能有差别。 4.模嘴 的选择。 压制品 的成品率
26、及质量和模嘴的形状及尺寸有着密切的关系。 A.模嘴 出口的 尺寸 糊料 挤出模嘴后产生弹性后效 ， 生制品截面积有所增大，但生制品在焙烧和石墨化过程中又有所收缩，产品机械 加工时 也需要留有加工余量，因此，模嘴出口端内壁尺寸要比成品所要求的尺寸略大，一般应大 510%。 B.模嘴 的长度 挤压 直径或截面大 的 制品时，模嘴应当长一些，这不仅为了使 糊料 受挤压过程缓和一些，减少生制品中心部位 与表面 部位的质量差异，也是为了 使生制品经过直线定型段的时间长一些，使压出后制品的弹性后效小一些。 C.模嘴 变形部分的圆弧半径 圆弧 半径愈小，糊料通过挤压模嘴的阻力愈大。在 挤压 小直径制品时，由
27、于料室直径和模嘴口直径的比值大（ 即 挤压比大） ， 圆弧半径比较小，糊料通过模嘴的阻力大，所需挤压压力大。当 挤压 大直径制品时，挤压比小，圆弧半径大，变形部分长，糊料通过 模嘴阻力小，所需挤压压力小。但 若 圆弧半径过大，则将会失去挤压作用而影响制品的质量。 另外 ，制造模具时还应要求内壁表面光滑，模嘴结构 的 各部分 对称性 好，过渡部位圆滑，平整。 21. 简述焙烧过程的四个阶 段中制品发生的物理化学变化。 答： 1） 低温 预热阶段（ 明火 温度约 350 ，制品温度在 200 左右） 当 生制品加热到 200 时，粘结剂开始软化，生制品呈现塑性状态，但还没有发生明显的化学和物理化学
28、变化，主要 排出 吸附水。这时 ， 由于制品体内的温差和压力差，粘结剂产生迁移。这阶段 的 升温速度要快一些。 （ 2） 粘结剂成焦 阶段（ 明火 温度 350800 ，制品温度 200700 ） 在 这阶段，粘结剂开始分解，排出大量挥发分，与此同时，分解产物进行缩聚，形成中间相 。 当 制品 温度达到 450500 时，形成半焦 。 再 进一步 加热，半焦 转变为粘结焦。为了 提高沥青析焦率，改善制品理化性能，该阶段必须均匀缓慢地升温。若 升温 过快，挥发分急剧排除，制品内外温差加大，引起热应力，就会导致制品裂纹的生成。此外 ， 在这阶段排 出 的大量挥发分充满着整个炉室，这些气体在炽热的制
29、品表面分解 ， 而产生固体碳 ， 沉积在制品的气孔和表面上 ， 提高了产焦虑，并使 制品 的 孔隙 封闭，强度提高。 （ 3） 高温 烧结阶段（ 明火 温度 8001100 ，制品温度 7001000 ） 制品 达到 700 以上，粘结剂焦化过程基本结束。为了 进一步 提高制品的理化性能，还要继续升温到 9001000 。这 时 ， 化学过程 逐渐 减弱，内外收缩逐渐减少，而真密度、强度 、导电性都增加。在 高温 烧结阶段 ， 升温速度可以提高一些，在达到最高温度后，还要保温1520h。 （ 4） 冷却 阶段 冷却 时， 降温 速度可以比升温速度稍快一些，但由于制品热导率的限制，制品内部降温速
30、度小于表面的降温速度 ， 从而从制品中心到表面形成大小不同的温度梯度及热应力梯度。若 热应力 过大，会引起内外收缩不均匀 而 产生裂纹 ， 所以降温也要有控制地进行。 22. 简述影响焙烧制品质量的因素。 答：焙烧制品的质量不仅与配料、混捏、压型等工序有关，而且受到焙烧工序的炉内气氛、压力、 升温制度、最终温度、填充料性质以及装炉方法等多种工艺因素的影响。 （ 1）焙烧体系中气氛的影响 ： 若填充料和炉室上部空间粘结剂分解生成的气体浓度低，则分解气体从生制品中向外扩散的速度快，促进了粘结剂分解反应的进行，使粘结剂的析焦量相应减少。同时，粘结剂氧化，有利于析焦量增加，但受氧侵入的生制品会形成硬壳
31、型废品。因此要使制品与氧气隔绝，如及时修补炉墙，保证填充料覆盖厚度等。 （ 2）压力的影响 ： 加压焙烧可以促进缩聚反应，既可以提高析焦量，又有利于中间相小球体的生成。同时加压焙烧必然是一个密闭系统，可以防止生 制品氧化，避免造成硬壳型裂纹。 （ 3）加热制度的影响 ： 升温速度较慢时，粘结剂有足够时间进行分解及缩聚，所以析焦量增加，增大制品的密度，减少裂纹产生，物理机械性能也有所提高。 （ 4） 填充料的影响 ： 填充料的吸附性越强，挥发分吸收越多，粘结剂的析焦量就越小，焙烧后失重就越大。 23. 简述加压焙烧的方法。为什么加压焙烧可以提高产品性能？ 答： （ 1）加压焙烧有多种形式，如气体
32、加压焙烧和气体压力与机械压力同时加压的焙烧。 （ 2）经过研究表明制品在一定压力下加热，可以大大缩短焙烧周期，即使以很高速度升温，也很少导致制品出现裂 纹。而且，加压焙烧有利于促进粘结剂的缩聚反应，可以提高粘结剂的析焦率。另外，加压焙烧避免了常压焙烧时生成的多角形气孔而产生应力集中的现象，有利于提高产品密度及强度。 24. 简述石墨化的目的和方法。 答： 目的： 1）提高制品的导电性和导热性； 2）提高制品的耐热冲击性和化学稳定性； 3）改善制品的润滑性； 4）排除杂质，提高制品的纯度。 方法：使用石墨化炉，按加热方式有直接加热炉和间接加热炉两种。 25. 简述石墨化过程的三个阶段中制品发生的
33、物理化学变化。 答：三个阶段。 26. 简述石墨化及催化石墨化机理。 答： （ 1） 石墨化机理 ： 1) 碳 化物转化机理：炭物质的石墨化首先通过与各种矿物质形成碳化物，然后再在高温下分解为金属蒸汽和石墨。这些矿物质在石墨化过程中起催化剂的作用。碳化物转化理论对分解石墨来说是正确的，但对非石墨质碳的石墨化来说，就不合实际了； 2) 再结晶理论： a) 炭素原料中存在极小的石墨晶体，在石墨化过程中，由于热的作用，这些晶体通过碳原子的唯一而焊接在一起成为较大的石墨晶体 b) 石墨化时有新晶体形成，新晶体在原晶体的接触界面上吸收外来碳原子而生成，且保持了原晶体的定向性 c) 石墨化度与晶体的生长有
34、关，主要取决于石墨化温度，维稳时间的影响有限 d) 石 墨化的难易与炭材料的结构性质有关 e) 石墨晶体的尺寸随温度升高而增大，只是数量上的变化而已 3) 微晶成长理论：石墨化原料的母体物质都是稠环芳烃化合物这些化合物在热的作用下，经过不同温度下连续发生的一系列热解反应，最终生成巨大的平面分子的聚集，即杂乱堆砌的六角碳网平面，即微晶 。 （ 2） 催化石墨化机理 ： 1) 不溶 -淀析机理：无定形碳溶解于有催化作用的添加物形成熔合物，通过熔合物内部的原子重排，碳从过饱和熔体中作为石墨晶体而析出 2) 碳化物形成 -分解机理：无定形碳与有催化作用的添加物形成碳化物，碳化物在更高的温度下分解，生成
35、石墨 和金属蒸汽。 27. 碳的同素异形体在结构上有什么差别？造成性质上各有什么特点？ P5-7 答： 碳有四种晶体，即金刚石，石墨，炔炭和富勒烯。金刚石是最典型的共价键晶体，每个碳原子通过 SP3 杂化轨道与相邻的 4 个碳原子形成共价键；石墨结构是由 SP2 杂化轨道形成的，呈六角平面网状结构，以平行于基面的方向堆砌；炔炭由 SP 杂化轨道形成方向相反，交角为180 度， 2 个未参与杂化的 2P 电子形成键，生成线性聚合物键； C60 的结构为 20 个正六角环和 12 个正五角环组成的笼状结构 ； 金刚石具有很高的硬度和很高的熔点，而且是电绝缘体，而石墨呈偏状结构，具有很好的润滑性和导
36、电性，炔炭熔点比石墨高，性质较为稳定，而富勒烯对称度高，比较稳定，不易导电。 28. 炭素材料的强度有什么特点？ P10 答：（ 1）炭素材料的强度具有各向异性，平行于层面方向的强度大，而垂直于层面方向的强度低。 （ 2）炭素材料的比强度在常温下属于中等，但在 2500以内，它的比强度随温度升高而增大。 29. 什么叫自润滑性？为什么石墨具有自润滑性？ P13 答： 自润滑性：由于晶体易于沿晶体层面剥离，在摩擦面上形成极薄的晶体膜，而使摩擦 系数显著降低的性质。 原因 :主要是因为石墨层之间结合力弱，易于相对滑动的缘故。当石墨在金属表面形成石墨薄层后，就成为石墨与石墨之间的摩擦。在水和空气存在
37、情况下，石墨工作面上吸附水和气体分子，增大了层面间距离，减弱了层间引力，另外，水和气体分子占据了石墨边缘自由键的位置，这两个因素都使石墨两摩擦面不易附着。 30. 炭素材料的电阻率与什么因素有关？为什么？ P17 答：（ 1）石墨化程度：石墨化程度高，层面排列近于平行，晶体缺陷少，有利于自由电子流动，所以电阻率低； （ 2） 测试温度：一方面石墨晶体受热时，在价带上的电子 激发跃到导带上，成为自由电子的数量多，电阻率减小；另一方面温度升高时，晶格点阵的热振动加剧，振幅增大，自由电子的流动阻力加大，电阻率加大； （ 3） 原料：沥青焦的煅烧后粉末电阻率高于石油焦，使用普通煅烧后（煅烧温度 120
38、01300）无烟煤生产的炭质电极其电阻率高于使用电煅烧无烟煤（煅烧温度 15002000）的同类产品； （ 4） 成品体积密度及孔隙率：在一定范围内，成品的体积密度较低或孔隙率较大会提高电阻率； （ 5） 成品的最终热处理温度：以石墨电极为例，焙烧半成品的电阻率与焙烧最终温度成反比例，石墨化后成品的电阻率与石墨化 最终温度成反比例，最终温度愈高得到的焙烧半成品或成品的电阻率愈低； 31. 为什么要生产超高功率的电极？它与普通石墨电极有何不同？ P28 答：（ 1）随着电炉炼钢的迅速发展，出现了大功率、高电压和短电弧的高功率和超高功率电炉，这类电路可使冶炼时间缩短 56%，每吨钢可节约电力 22
39、%以上，产量可相应增加 1.3 倍，与之相适应需要高功率和超高功率电极； （ 2）这种电极特点是电阻率低，允许电流负荷比普通电极高 25%40%；允许的电流密度大一倍以上；热膨胀系数小；抗折强度高；氧化损失小；具有良好“稳弧”性能。 32. 石油焦的石墨化性 优于沥青焦与同级石油针状焦的质量优于煤沥青针状焦这两件事有什么联系？ 答： 针状焦是制作石墨电极的原料，优于石油焦的石墨化性优于沥青焦，所以其针状焦的质量也更好。 33. 煤沥青萃取所得的各组分在炭素生产中起什么作用？为什么？ P43 答： 在研究煤沥青时，常以不同溶剂对煤沥青进行抽提，分为不同组分。由于所采用的溶剂不同，所得到的祖坟也是
40、不同的。经典的方法是用苯和石油醚作为溶剂，将煤沥青分离为、三种组分。近年来常用的方法则是以甲苯、喹啉做溶剂，的代价本不溶物（ TI）和喹啉不溶物（ QI）。 （ 1） 组分为既不溶于苯，又不 溶于石油醚的组分。组分的分子量在 800 以上。一般认为，组分没有粘性，石墨化性能较差，但组分又是煤沥青焦化后残炭的主体。因此，组分不宜过多或过少，炭素生产中一般要求煤沥青中组分的含量为 17%28%。 （ 2） 组分是溶于苯而不溶于石油醚的组分，也称沥青质。组分是煤沥青中主要粘结成分，有较好的石墨化性。在炭素生产中，他的含量直接影响碳素制品精密度、强度和电阻率。 一般用于炭素生产的煤沥青中组分含量应达到
41、 20%35%。 （ 3） 组分为溶于苯和石油醚的组分。它具有较好的流动性和浸润性，但粘结性不如组分，残炭率 低于和组分。组分主要起到改善沥青流变性的作用。组分增加，可以改善糊料塑性，易于成型，但含量过多，会降低沥青炭化后的析焦量。 （ 4） 甲苯不溶物与组分性质相近， （ 5） 喹啉不溶物是煤沥青中的惰性成分。原声 QI 会阻碍中间相的成长和发展，因此煤沥青中 QI 以较少为宜。 34. 焦炭的煅烧与最终生成的炭素制品质量之间有什么关系？ P48-52 答：焦炭煅烧质量的好坏会直接影响到最终生成的炭素制品质量的好坏。 煅烧是炭素制品生产的原料预处理工序， 煅烧能 排除原料中的水分和挥发分，使炭素原料的体积充分收缩，从而提高其物理化学性能和改善其工 艺性能。 如果原料的挥发分过高，则生制品在焙烧过程中，将会发生过大的收缩，以至变形，甚至导致生制品的断 裂。所以必须排除原料中的挥发分。在煅烧 温度下，原料本身体积逐渐收缩，从而提高了原料的真密度和机械强度，使得原料愈容易石墨化。 35. 煅烧过程中，焦炭发生了哪些变化？如何判断煅烧的质量？
