真空爐維修配件石墨加熱元件在真空爐中的應用研究
真空爐維修配件石墨加熱元件在真空爐中的應用研究
基于石墨材料的諸多優良特性,詳細分析了真空熱處理爐內石墨加熱元件的各種結構形式,以及設計、使用中的一些注意事項,為石墨加熱元件在真空爐行業的推廣使用提供參考。
真空爐維修配件石墨具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱沖擊能力強等特性。常溫下，石墨的強度比金屬差，但是其機械強度在2500℃以下隨溫度的上升而提高，在1700～1800℃時佳，竟然超過所有的氧化物和金屬。真空爐維修配件石墨材料熔點高，蒸氣壓低，真空爐內的氣氛會含有低濃度的碳，將與殘存氣體中的O2和H2O蒸氣分子產生反應，產生凈化效果，即使在低真空度下，也能使被處理工件獲得光亮的表面狀態，大大簡化了真空系統，降低了成本，這是任何金屬電熱體所無法比擬的。由于真空爐維修配件石墨具有上述一系列的優良特性，做為真空電阻爐的加熱元件，越來越受到熱處理行業的歡迎，在高溫電阻爐方面日益廣泛的應用。各種石墨加熱元件的結構形式單根棒狀簡單的單相電熱體，電流從兩端直接導入石墨棒。真空爐維修配件為了增大發熱量，可以將石墨棒制成空心，由于不需要對部分加熱，因此可有效地利用電能。簡單的單相電熱體由于受到石墨坯料的限制，不可能將接頭部分與工作部分作成整體，可分成幾部分制作，再用螺母把這幾部分聯接起來。
(1)嚴格的真空密封：眾歷周知，金屬零件進行真空熱處理均在密閉的真空爐內進行，因此，獲得和維持爐子原定的漏氣率，保證真空爐的工作真空度，對確保零件真空熱處理的質量有著非常重要的意義。所以真空熱處理爐的一個關鍵問題，就是要有可靠的真空密封結構。為了保證真空爐的真空性能，在真空熱處理爐結構設計中必須道循一個基本原則，就是爐體要采用氣密焊接，同時在爐體上盡量少開或者不開孔，少采用或者避免采用動密封結構，以盡量減少真空泄漏的機會。安裝在真空爐體上的部件、附件等如水冷電極、熱電偶導出裝置也都必須設計密封結構。
(2)大部分加熱與隔熱材料只能在真空狀態下使用：真空熱處理爐的加熱與隔熱襯料是在真空與高溫下工作的，因而對這些材料提出了耐高溫，蒸汽壓低，輻射效果好，導熱系數小等要求。對抗氧化性能要求不高。所以，真空熱處理爐廣泛采用了鉭、鎢、鉬和石墨等作加熱與隔熱構料。這些材料在大氣狀態下極易氧化，因此，常規熱處理爐不能采用這些加熱與隔熱材料。
(3)水冷裝置，真空熱處理爐的爐殼、爐蓋、電熱元件導別處置(水冷電極)、中間真空隔熱門等部件，均在真空、受熱狀態下工作。在這種極為不利的條件下工作，必須保證各部件的結構不變形、不損壞，真空密封圈不過熱、不燒毀。因此，各部件應該根據不同的情況設置水冷裝置，以保證真空熱處理爐能夠正常運行并有足夠的使用壽命。
(4)采用低電壓大電流：在真空容器內，當真空空度為幾托一lxlo-1托的范圍內時，真空容器內的通電導體在較高的電壓下，會產生輝光放電現象。在真空熱處理爐內，嚴重的會產生弧光放電，燒毀電熱元件、隔熱層等，造成重大事故和損失。因此，真空熱處理爐的電熱元件的工作電壓，一般都不超過80一100伏。同時在電熱元件結構設計時要采取有效措施，如盡量避免有尖端的部件，電極間的間距不能太小窄，以防止輝光放電或者弧光放電的發生。
(5)自動化程度高：真空熱處理爐的自動化程度之所以較高，是因為金屬工件的加熱、冷卻等操作，需要十幾個甚至幾十個動作來完成。這些動作內在真空熱處理爐內進行，操作人員無法接近。同時，有些動作如加熱保溫結束后，金屬工件進行淬火工序須六、六個動作并且要在15秒鐘以內完成。在這樣迅速的條件來完成許多動作，是很容易造成操作人員的緊張而構成誤操作。因此，只有較高的目動化才能準確、及時按程序協調動。
等靜壓石墨是上世紀60年代發展起來的一種新型石墨材料，具有一系列優異的性能。譬如，等靜壓石墨的耐熱性好，在惰性氣氛下，隨著溫度的升高其機械強度不但不降低，反而升高，在2500℃左右時達到較高值; 與普通石墨相比，結構精細致密，而且均勻性好; 熱膨脹系數很低，具有優異的抗熱震性能; 各向同性; 耐化學腐蝕性強，導熱性能和導電性能良好; 具有優異的機械加工性能。
正是由于具有這一系列的優異性能，等靜壓石墨在冶金、化學、電氣、航空宇宙及原子能工業等領域得到廣泛應用，而且，隨著科學技術的發展，應用領域還在不斷擴大。
等靜壓石墨的生產工藝
等靜壓石墨的生產工藝流程如圖1所示。很顯然，等靜壓石墨的生產工藝與石墨電極不同。
等靜壓石墨需要結構上各向同性的原料，需要將原料磨制成更細的粉末，需要應用冷等靜壓成型技術，焙燒周期非常長，為了達到目標密度，需要多次的浸漬—焙燒循環，石墨化的周期也要比普通石墨長得多。
生產等靜壓石墨的另外一種方法是用中間相炭微球為原料。首先將中間相炭微球在較高溫度下進行氧化穩定化處理，然后等靜壓成型，再進一步焙燒和石墨化，本文不介紹這種方法。
1.1 原料
生產等靜壓石墨的原料包括骨料和黏結劑。骨料通常是用石油焦和瀝青焦，也有用地瀝青焦的，比如美國POCO公司的AXF系列等靜壓石墨，就是用地瀝青焦Gilsonite coke生產的。
為了根據不同的用途進行產品性能的調整，也有用炭黑、人造石墨做添加劑的情況。一般情況下石油焦和瀝青焦需要 在1200～1400℃下進行煅燒，去除水分及揮發分后才能使用。
但是為了提高制品的機械性能和結構致密性，也有直接用生焦做原料生產等靜壓石墨的。生焦的特點是含有揮發分，具有自燒結性，與黏結劑焦同步膨脹和收縮。黏結劑通常使用煤瀝青，根據各個企業不同的設備條件和工藝要求，使用的 煤瀝青軟化點從50℃到250℃的都有。
等靜壓石墨的性能受原料的影響極大，對原料的精選是能否生產出所需要的較終產品的關鍵環節。投料前必須對原料特性和均勻性進行嚴格檢查。
1.2 磨粉
等靜壓石墨的骨料粒度通常要求達到20um以下。目前,較精細的等靜壓石墨，較大顆粒直徑為1μm，是非常細的。
要把骨料焦炭磨制成這么細的粉末，需要用到超微粉碎機。磨制平均粒度為10～20μm的粉末需要使用立式輥磨機，而磨制平均粒度小于10μm的粉末就需要使用氣流磨粉機。
1.3 混捏
將磨制好的粉末和煤瀝青黏結劑按比例投入到加熱式混捏機中進行混捏，使粉末焦粒表面均勻附著一層瀝青。混捏完畢后，取出糊料，使其冷卻。
與石墨電極生產相比，生產等靜壓石墨混捏時瀝青量要多一些，溫度要高一些，時間要長一些。
1.4 二次磨粉
糊料經過破碎、磨粉，并且篩分成幾十至幾百微米粒度的顆粒后混合均勻，用作壓型原料，叫做壓粉。二次磨粉的設備通常是使用立式輥磨機或球磨機。
1.5 成型
不同于普通的擠壓成型和模壓成型，等靜壓石墨是采用冷等靜壓技術成型的(圖 2)。將原料壓粉填充到橡膠模具中，通過高頻電磁振動，使得壓粉得到密實，密封后進行抽真空，排出粉末顆粒間的空氣，放入裝有水或油等液體介質的高壓容器中，加壓到100～200 MPa，壓制成圓柱形或長方形的產品。
根據帕斯卡原理，壓力通過水等液體介質加到橡膠模具上，各個方向上的壓力是相等的。這樣，壓粉顆粒在模具中就不是按填充方向取向，而是按不規則排列方式被壓縮，因此，盡管石墨在晶體學特性上是各向異性的，但是從整體上看，等靜壓石墨卻是各向同性的。成型后的制品除了圓柱、長方形之外，還有圓筒、坩堝等形狀。
等靜壓成型機主要是用于粉末冶金工業。由于航空航天、核工業、硬質合金、高壓電磁等高端行業的需求，等靜壓技術發展非常快，已經具備制造工作缸內徑3000mm，高度5000 mm，較高工作壓力600MPa冷等靜壓機的能力。目前，炭素行業用于生產等靜壓石墨的冷等靜壓機較大規格是Φ2150mm×4700 mm，較高工作壓力180MPa。
1.6 焙燒
在焙燒過程中，骨料和黏結劑之間發生復雜的化學反應，黏結劑分解，釋放大量揮發分，同時進行縮聚反應。在低溫預熱階段，生制品因受熱而膨脹，在其后的升溫過程中，因縮聚反應而體積收縮。
生制品的體積越大，揮發分的釋放就越困難，而且生制品表面和內部易產生溫差，熱膨脹、收縮不均勻等現象，這些都有可能導致生制品出現裂紋。
等靜壓石墨由于結構細密，焙燒過程要求要特別緩慢，而且爐內溫度要非常均勻，尤其是在瀝青揮發分急劇排出的溫度階段，加熱過程要謹慎進行，升溫速度不能超過1℃/h，爐內溫差要求小于20℃，此工藝需要約1～2個月的時間。
1.7 浸漬
焙燒過程中，煤瀝青揮發分被排出。氣體排出和體積收縮時在制品中留下細微的氣孔，且幾乎都是開口氣孔。
為了提高制品的體積密度、機械強度、導電率、導熱率、抗化學反應性，可以用加壓浸漬法進行處理，即通過開口氣孔把煤瀝青浸漬到制品內部。
制品要先進行預熱，然后在浸漬罐中抽真空脫氣，再把熔化好的煤瀝青加入浸漬罐中，加壓使浸漬劑瀝青進入制品內部。通常，等靜壓石墨要經過多次的浸漬—焙燒循環。
1.8 石墨化
把焙燒后的制品加熱到約3 000℃，碳原子晶格有序排列，完成由炭向石墨的轉變，叫石墨化。
石墨化方法有艾奇遜法、內熱串接法、高頻感應法等。通常的艾奇遜法，制品從裝爐到出爐，大約需要1～1.5個月的時間。每爐可以處理幾噸到幾十噸的焙燒品。
石墨化后，制品的體積密度、導電率、導熱率及抗腐蝕性能得到很大程度的改善，機械加工性能也得到了改善。但是，石墨化會降低制品的抗折強度。
1.9 檢查
石墨化后，還需要對制品的密度、硬度、強度、電阻率、灰分等指標進行檢查，以判斷是否達到指標要求。
1.10 提純
等靜壓石墨在用于半導體、單晶硅、原子能等領域時，對純度的要求很高，必須用化學方法將雜質除去后，才能用于這些領域。
除去石墨中雜質的通常做法是，把石墨化制品放入鹵素氣體中加熱到約2 000℃，雜質就被鹵化成低沸點的鹵化物而揮發除掉。
幾乎所有的石墨化制品中的雜質元素均能用氯氣鹵化除掉。但是硼元素例外，它只能氟化除掉。用于提純的鹵素氣體有氯氣、氟氣，或者是能在高溫條件下分解產生這些氣體的鹵代烴，例如,四氯化碳(CCl4) ，二氯二氟甲烷 (CCl2F2) 。
這個提純方法充分利用了石墨在高溫下不與鹵素發生反應，且石墨多孔的獨有特性。
等靜壓石墨的主要用途
直拉單晶硅熱場和多晶硅鑄錠爐用加熱器
在直拉單晶硅熱場中，等靜壓石墨部件有坩堝、加熱器、電極、隔熱遮蔽板、籽晶夾持器、旋轉坩堝用的底座、各種圓板、熱反射板等約30種。
其中，80%的等靜壓石墨用于制造坩堝和加熱器等。 近年來，對單晶硅棒的直徑要求越來越大,300 mm晶片的生產日益成為主流。
與此相應，單晶爐加熱區的直徑大多為800 mm，爐內的石墨坩堝為了保 護放置其中的石英坩堝，直徑達到了860 mm，加熱器直徑約960～1000 mm，其他部件的直徑有的較大達到了1500 mm。
從2003年開始，人們對地球居住環境的保護意識逐漸增強， 人們越來越青睞不排放二氧化碳的自然能源。在這種趨勢下，太陽能電池的生產急增。
在太陽能電池多晶硅片的制造過程中，首先要將多晶硅碎塊熔鑄成多晶硅方錠。其中鑄錠爐的加熱器需要用等靜壓石墨來制作。
原子能工業
近年來，全球氣候變暖。人們認為化石燃料的使用所產生的二氧化碳正是導致這個問題的主要原因。較近幾年，雖然發展中國家的經濟成長取得了舉世矚目的成果，但是電力不足的問題卻深深地困擾著這些國家。
在這樣的情況下，人們的眼光轉向了能流密度遠遠高于太陽能電池和風力發電，且 不排放二氧化碳和硫氧化物的原子能發電。目前，全世界已投入使用的核反應堆大都以輕水反應堆為主。這種堆型的工作原理是利用核裂解時產生的熱能將冷水氣化為300℃的水蒸氣，推動渦輪機發電。但是，因水堆溫度較低，輕水反應堆的發電效率不是太高。
與此相比，高溫氣冷堆卻沒有這樣的問題。它以惰性氣體(氦氣)為冷卻劑，不僅堆芯出口溫度可達近1000℃，發電效率高，還適合制造氫氣。
可以說是電力供給和環境保護兩不誤。石墨適合作為這種高溫氣冷堆的堆芯材料，因為石墨不但耐高溫，而且吸收中子少，傳熱性好。核聚變的燃料及材料資源幾乎取之不盡，反應時釋放的能量也非常巨大。要使核聚變長期進行，就必須將等離子體維持在一定的溫度狀態。石墨正是核聚變等離子體維持不可或缺的重要材料。
核裂變堆( 高溫氣冷堆)
石墨是中子的慢化劑和優良的反射劑。其自身的許多優良特性，確立了它在核工業領域中的地位。石墨不但能夠滿足工業量產的需求，而且還具備了結構材料所要求的高機械強度和耐高溫的特點，因此石墨適合作為高溫氣冷堆的結構材料。
石墨用作慢化劑及反射劑的性質要求
( 1) 一般特性要求
對石墨的性質要求隨核反應堆的類型及設計構造不同而有所變化。核反應堆所需要的石墨材料均為大型材料。此外，大量生產時，要求石墨材料不僅品質穩定，純度高，而且要耐腐蝕，強度高。
( 2) 核石墨的特性及純度慢化劑用于核裂變反應堆，使核裂變產生的快中子減速為熱中子，提高中子和235U原子核碰撞的機會，從而提高裂變反應的幾率。
所以，要求慢化劑對中子有較大的散射截面和較小的吸收面。石墨對中子的慢化能力和反射能力僅次于重水，是除重水外較好的慢化劑。因此，它是高溫氣冷堆可使用的結構材料。
( 3) 輻照損傷引起的物理變化堆芯及周圍所用的石墨，在輻照狀態下會產生變形，熱導率降低，彈性模量增大，發生輻照蠕變等。因此，用于慢化劑的石墨必須對輻照蠕變及變形所產生的輻照應力有很強的耐受力。
石墨材料在高溫氣冷堆的使用現狀及今后的課題
高溫氣冷堆非常安全這一特征，使人們提出了模塊化高溫氣冷堆的設計理念。下一代超高溫核反應堆( UHTR) ，朝著高功率密度、高溫化方向邁進。
技術上的這些發展進步，對新一代石墨材料的特性提出了更高的要求，比如，更高的輻照損傷耐受力，產品均質化，物美價廉，長期供貨等。
美國在下一代核反應堆( NGNP)研發計劃中，把日本東洋炭素的IG－430和羅蘭石墨美國分公司的2020兩種牌號的等靜壓石墨作為備選的堆芯材料進行研究。這2種石墨的性能指標見表1。
核聚變反應堆
核聚變反應堆的工作原理是氫的同位素氘和氚的原子核在高溫下結合，形成氦原子和中子的同時，釋放出巨大的能量。
核聚變反應堆的研究開始于1950年，直到超高溫等離子體吸收材料的開發成功，才有了突飛猛進的發展。石墨用于核聚變反應堆的等離子體面對材料，很大程度上減少了等離 子體中的金屬雜質，并表現出良好的導熱性，因此極大地提高了等離子體的能量約束特性。
現在大型的核聚變反應堆JT－60U和JET的內壁幾乎都包覆了石墨。2007年10月，國際原子能機構發起由7個國家( 日本、EU、俄羅斯、美國、中國、韓國、印度) 聯手執行的國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)計劃。這個計劃預計于2016年在法國卡達拉什完成。
核聚變堆靠前壁材料的要求和問題點
等離子體的特性與核聚變裝置中等離子體的面對材料有關。如果等離子體中混有高原子序數Z的雜質時，一旦這些雜質被加熱為高價離子與電子結合，就會增加輻照損失。
因為輻射強度與原子序數的3～4次方成正比，原子序數越大，輻照損失越大，所以原子序數Z必須小。
一方面，從等離子體逃逸出的入射高能粒子、光、熱會強烈損傷面對等離子體靠前壁材料;
另一方面，石墨材料的升華、濺射及從中脫出的氣體等混入等離子體中成為雜質。
高能中子對面對材料產生的體損傷，以及高能離子產生的表面損傷等是對面對材料的新挑戰。離子體放電脈沖時，嵌入靠前壁的燃料粒子飛濺出來，進入等離子體中，并在壁和等離子體間來回循環。這個 過程對保持燃燒很有必要。
隨著核聚變裝置逐漸大型化，為了生成高溫等離子體，導熱性好、機械強度高的石墨材料被用做面對等離子體的靠前壁材料，且表現出了良好的放電脈沖效果。
此外，即使它們混入等離子體中，因原子序數低，引起的輻照損失小，所以能使高溫等離子體保持穩定。石墨邦，國內碳石墨全產業鏈電商平臺----www.shimobang.cn欲交流請加微信號：shimobang 但是，氫的同位素入射會導致石墨材料生成CH4氣體的消耗性化學飛濺現象以及輻射增強升華損耗現象(輻射增強升華是指等離子體粒子處于輻照環境下，即使當前溫度未達到石墨的正常熱升華溫度，石墨材料也會升華損耗的現象) 。
因此，采用石墨材料做等離子體的面對材料時，必須注意石墨的使用條件，特別是溫度。
核聚變堆用的石墨材料
日本原子能研究所正在研發的臨界等離子體裝置JT－60U的等離子體面對材料和偏濾器板就采用了石墨材料所做的部件。
其中，等離子體出口處的偏濾器板采用了一種具有高熱導率、高耐熱沖擊力、以炭纖維為原料的特殊C /C復合材料，熱負荷相對較低的靠前壁采用了各向同性石墨材料。
下一代核聚變裝置( ITER)
ITER裝置中的偏濾器位于等離子體出口處，承受了極高的粒子負荷以及等離子體破裂過程中所產生的極高的熱負荷。
為了及時有效地除去偏濾器承載的高熱負荷，ITER裝置的偏濾器部件采用了和JT－60U裝置具有相同熱導率的C /C復合材料。偏濾器部件的制造采用了冷卻水管和熱沉焊接的技術。此外，高原子序數Z的鎢，因濺射率低，傾向于用作面對等離子體材料。
其他核石墨(反應控制材料)
不管核反應堆中的核分裂物質是否增減，核反應堆必須設置控制棒以及時補償和調節原子反應堆中的中子數。高溫氣冷堆使用碳與B4C結合制成的圓柱體為控制棒。這要求石墨材料在所使用的溫度環境中必須保持穩定，而且能耐中子輻照。
總之，世界原子能工業正經歷著各種各樣的發展變化。在高溫氣冷堆領域，南非和中國的商用高溫氣冷堆正在推進中。在核聚變反應堆領域，有實驗反應堆。國際熱核聚變實驗反應堆( ITER)計劃開展的同時，日本的JT－60裝置改造也在先期進行中。
放電加工電極
主要以石墨或銅為電極的放電加工被廣泛用于金屬模具等加工領域。
對放電加工用石墨的形狀加工前工序要求: ①工具消耗少; ②加工速度快; ③ 加工面粗糙度好; ④無尖端突起等。
放電加工工序要求: ①放電加工速度快; ②電極長度消耗少; ③電極角損耗少; ④被加工物的加工面粗糙度好; ⑤被加工物的加工面凹凸少等。
放電加工用石墨電極與銅電極相比，有如下優點: ①比銅輕，易搬運，同形狀下，只有銅重量的1 / 5; ②易加工; ③切削加工不易產生應力及熱變形; ④熔點在3000℃以上，熱膨脹系數小，石墨電極很少因放電加工產生的熱量而變形。
但是，石墨電極也存在一些缺點，如①切削加工時易產生粉塵; ②易損耗等。
放電加工用石墨電極廠家都生產從低價格的粗加工用產品到精加工用的不同等級的產品。
較近，市場上出現了和傳統概念不相同的超微粒子放電加工用石墨電極。這種電極以降低石墨消耗為目標，其開發思路簡單來說就是: 電極消耗少→放電加工時從電極上脫落的石墨顆粒少→微粒子→顆粒間的結合強度高→瀝青骨料高效合理利用→調整制造參數，降低次品率及制造成本。至于超微粒子放電加工用石墨電極能否市場化，還要取決于石墨電極廠家的生產技術水平。
目前情況下，切削加工在金屬模具的深部及細部加工上還顯得有些束手無策。因為現有刀具的形狀和強度很難達到深部及細部加工的要求。
因此，開發了用于精加工的精密放電用石墨電極，以期充分利用石墨電極的諸多優點，這種石墨電極是用等靜壓石墨加工而成的。圖3比較了傳統石墨材料與等靜壓石墨材料的顯微結構。
有色金屬連鑄用石墨結晶器
由于可以實現鑄造工序的簡化、產品合格率的提高以及產品組織結構的均勻化等優點，用連鑄連軋方式生產有色金屬板、管、棒等已經非常普遍。 目前，生產大規格的純銅、青銅、黃銅、白銅主要采取連鑄的方法。其中，對產品質量起著至關重要影響的結晶器就是用等靜壓石墨材料制成的。
由于等靜壓石墨材料在熱傳導、熱穩定、自潤滑、抗浸潤及化學惰性等方面具有良好的性能，使之成為制作結晶器不可替代的材料。
其他用途
等靜壓石墨還用于制作金剛石工具和硬質合金的燒結模具，光纖拉絲機的熱場部件(加熱器、保溫筒等) ，真空熱處理爐的熱場部件(加熱器、承載框等) ，以及精密石墨熱交換器、機械密封部件、活塞環、軸承、火箭噴嘴等。