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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。

圖1：國產石墨電阻溫度關系曲線

圖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

圖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

圖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

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

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