碳質耐火材料

碳質耐火材料（carbon refractory）其主要特點是含固定炭80%以上，無燒結性和明顯燒結收縮有機結合劑熱解反應形成的碳網絡，使炭素顆粒和炭素基質結合。這類耐火材料包括以無煙煤或焦炭為主要成分的炭磚和經過石墨化得人造石墨質和半石墨質磚。

以碳質耐火材料為主要組分的耐火材料。品種有碳磚、石墨製品、浸漬碳質製品（或稱不透性碳質製品）、碳化硅碳質製品（或稱碳質碳化硅製品）、黏土結合碳質製品等。還可將碳質材料與高鋁質、鎂鋁尖晶石、鹼性材料配合，製成含碳的複合製品，稱含碳耐火材料。也可用碳質原料製成搗打料和耐火泥。其熱膨脹係數低、導熱性高、抗熱震性好、高温強度高、耐侵蝕性和抗渣性極好，質量輕，是優質的耐火材料。

常用焦炭、石墨或經過熱處理的無煙煤為原料，以焦油、瀝青和含碳較高的有機物以及黏土質耐火材料作為結合劑而製成。碳磚或碳塊可用作高爐爐底、爐缸、爐身下部的爐襯以及出鐵槽。石墨製品可用作化學工業的反應槽、貯槽和高壓釜的內襯。碳化硅石墨製品除用作高爐爐底、爐襯等之外，還可用作鑄錠用磚；也可製成熔鍊銅合金等用的坩堝。黏土石墨製品可用作坩堝、塞頭和水口磚。特殊石墨製品可作超硬合金和高熔點物質的熱壓壓模，以及等離子發生器和噴氣發動機構造材料。碳質不定形耐火材料，可與碳質內襯材料配合使用。這種材料的缺點是在高温下易氧化，故不宜在氧化氣氛下使用。

由於碳質和石墨質耐火材料全由單一的元素碳組成，故可通過晶體結構來區分它們。通常碳質耐火材料沒有邊界良好的晶體結構，可認為是無定形的，這依賴於最初所用的原材料和生產過程所能達到的温度。石墨結構是被熟知的，圖2顯示的是一種平面結構，這種平面結構是一種無限大的二維碳原子排列，上述碳原子位於一個巨大的、類似苯環分子結構的六邊形網絡中。正如所示的原子間距離為0.142nm那樣，平面中的碳-碳結合（共價鍵結合）作用是相當強的；而平面間距為0.304nm，平面間的結合力（範德華力）微弱。所以石墨具有層狀結構，並且由於成型處理時微晶排列導致石墨會出現鱗片剝落或微晶擇優取向，也就是平面結構會產生各向異性。

為了某種應用，石墨和碳也被與其它耐火材料混合使用以形成一種合適的複合材料。可看到添加碳的重要性，即加入碳後滲透深度減小從而損壞減輕，同樣在不燒磚的結合過程也可看到添加碳的重要性。另外，通過提高導熱率和降低熱膨脹改善了抗熱震性。在焦炭操作狀態下不燒磚內結合是基於以下原理:焦炭網絡與耐火材料粒子的粘附，同時還有焦炭網絡內的部分原子直接結合、負價結合和範德華力。滲透深度發生實質性變化：從數釐米變為數毫米，因而磚的損壞機理也出現重大變化。 ^[1] 

普遍存在的碳質和石墨質耐火材料有石墨、木炭、石油焦、焦油瀝青、人工石墨、煤焦炭、氣體媲燒的無煙煤、用電媛燒的無煙煤。焦油瀝清、石油瀝青和其它有機材料常被用作結合劑。把原材料準備好、磨碎、過篩、分類，根據設定的性能值進行混合配料；依據結合方式的不同把料加熱到接近160℃，與結合劑混合得到所謂的坯體料或坯體混合物，下一步成型混合物。使用真空振動設備、壓模成型機具、擠壓成型機具、等靜壓機和搗打設備把上述混合料成型為理想的形狀。經過所謂坯體成型後，下一步工序就是進行接近120℃的燒成處理。結合劑轉化為焦炭。採用與結合劑成分相似的填充劑浸漬填充，可以實現機體緻密和結合緊密的目的。進一步的燒成處理時，進入氣孔的填充劑也轉化成了焦炭。 ^[1] 

因為碳或石墨與熔融金屬之間的界面張力小，故大多數熔融材料不能潤濕碳和石墨。它們具有極好的抗熱震性能，同時當被加熱時它們的強度增加。2500℃時石墨的抗拉強度約是室温時抗拉強度的兩倍，它在室温時的抗拉強度是每平方英寸2000磅。有一個範圍，在這個範圍內碳和石墨的導電率、導熱率、低膨脹係數等性能從較好變為極好。它們的抗熱震性足夠滿足常規應用。儘管炭塊具有好的導熱率、抗熱震性能，但在高於40℃的氧化性氣氛下，它易於受到氧氣、水蒸汽的侵蝕，故它的使用受到限制。 ^[1] 

由於石墨和碳磚耐火材料的性能，還原性氣氛中應用它是一個強有力的一競爭者。高爐使用適當數量的碳磚和石墨磚，特別是在其爐缸部位；但碳磚和石墨磚也可應用於爐腰部位和其它地方，如出鐵口處。

隨着水冷爐壁的採用，料鍾內部也採用碳磚砌築。由於石墨具有良好的導電性，在電爐中它被用來製造產生電弧的電極。石墨很容易進行機加工，因而可被從其原材料加工成棒形、平板形、圓柱形等複雜形狀。為完成電爐温度下的還原處理，採用了含各種石墨添加劑的碳電極。在這些電爐中，特別是其底部採用碳磚來砌襯。碳磚也用來砌築生產磷酸的箱體內襯，這是因為碳磚對酸有很好的抵抗性。耐磨性好的石墨薄片也被用來作生產熔鑄剛玉磚的定形磚。

必須指出的是，並沒有碳質和石墨耐火材料的國際標準，其性能僅由製造商根據用户的要求來確定。 ^[1]