- 熔點與升華
- 理論熔點：3650℃（實際使用中因雜質(zhì)存在會降低）
- 升華起始點：常壓下>3300℃開始明顯升華（真空環(huán)境降至2800℃）
- 對比優(yōu)勢：遠超金屬電極（鎢熔點3422℃但高溫強度驟降，鉬僅2623℃）
- 強度反常現(xiàn)象
- 獨特性能：在2000~2500℃區(qū)間，抗壓強度較室溫提升15~25%
- 機理：高溫下晶格振動能抑制微裂紋擴展（與金屬高溫軟化機制相反）
- 應用：電弧爐電極在1600℃電弧沖擊下仍保持結構完整
二、熱物理性能演化
| 性能參數(shù) | 室溫值 | 2000℃時變化趨勢 | 工程意義 |
|---|---|---|---|
| 導熱系數(shù) | 80~150 W/(m·K) | 下降至室溫的60% | 高溫散熱效率仍優(yōu)于不銹鋼 |
| 熱膨脹系數(shù) | 1~4×10??/K | 基本保持穩(wěn)定 | 高溫裝配間隙設計容差小 |
| 比熱容 | 710 J/(kg·K) | 上升至1200 J/(kg·K) | 熱慣性大，溫度波動平緩 |
注：高定向熱解石墨（HOPG）在特定方向導熱系數(shù)可達2000 W/(m·K)，接近金剛石
三、高溫環(huán)境失效機制
1. 氧化腐蝕（最大威脅）
- 氧化閾值：
- 干燥空氣：450℃開始明顯氧化（生成CO/CO?）
- 水蒸氣環(huán)境：350℃即加速氧化（C + H?O → CO + H?）
- 失重速率：600℃時達0.5 mg/(cm2·h)，1600℃真空環(huán)境可忽略
- 防護方案：
- SiC涂層：抗氧化至1650℃（4H-SiC涂層厚度≥200μm）
- ZrB?-SiC復合涂層：抗2000℃極端氧化
2. 高溫蠕變
- 石墨化程度低的材料在>1800℃/10MPa下出現(xiàn)蠕變
- 等靜壓石墨（IG-110）在2500℃/5MPa負荷下，100小時變形<0.1%
3. 熱震破壞
- 抗熱震因子：R=σ(1?ν)αER=αEσ(1?ν)?（σ-強度，ν-泊松比，α-熱膨脹系數(shù)，E-模量）
- 石墨的R值高達4000 W/m（氧化鋁僅240 W/m）
- 實例：可承受2000℃→室溫水淬的劇烈溫變
四、材料改性提升路徑
- 超高溫強化（＞3000℃）
- 形成TaC-C共晶相，抑制石墨升華
- 真空環(huán)境使用溫度提升至3200℃
- 層間剪切強度提升3倍
- 2800℃強度保留率＞85%
- 碳纖維增強石墨（C/C復合材料）：
- 摻雜碳化鉭（TaC 5wt%)：
- 抗氧化升級涂層體系適用溫度壽命指標（空氣中）SiC+莫來石≤1450℃＞500小時HfB?-SiC1800℃100小時Ir/Re雙層膜2000℃真空＞50小時
五、典型高溫應用性能對比
| 應用場景 | 溫度 | 關鍵性能要求 | 石墨解決方案 |
|---|---|---|---|
| 光伏單晶爐 | 1600℃氬氣 | 低灰分(<5ppm) | 等靜壓高純石墨(IG-430U) |
| 磁約束核聚變 | 3000℃瞬態(tài) | 抗中子輻照腫脹 | 熱解石墨內(nèi)襯 |
| 高超音速飛行 | 2300℃氣動 | 抗燒蝕+結構強度 | C/C復合材料鼻錐 |
| 鋁電解槽 | 950℃熔鹽 | 抗冰晶石腐蝕 | 無煙煤基石墨陽極 |
六、使用邊界條件控制
- 氣氛管理優(yōu)先級：圖表代碼
- 溫度均勻性要求：
- ＞2000℃時溫差需＜50℃/cm，防止熱應力開裂
- 解決方案：采用梯度密度設計（芯部1.75g/cm3→表面1.90g/cm3）
結論：石墨的高溫性能本質(zhì)源于其碳sp2雜化鍵的穩(wěn)定性，在惰性環(huán)境中是可穩(wěn)定使用至3000℃的結構材料。實際應用需根據(jù)溫度上限（是否＞1800℃）、氣氛組成（氧化/還原）、力學負荷（靜/動態(tài)）三要素匹配材料等級與防護方案，尤其在半導體、核能、航天等領域，建議采用熱解石墨或C/C復合材料突破性能極限。
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耐高溫性能的核心優(yōu)勢。材料特性石墨的熔點高達 3850±50℃，沸點 4250℃，超高溫下重量損失和熱膨脹系數(shù)極小。溫度升高時，石墨強度反而增加（2000℃時強度翻倍），確保高溫下結構穩(wěn)定性。自潤滑與耐磨性。石墨軸承無需額外潤滑，減少高溫下潤滑劑失效風險，延長使用壽命。鱗片結構降低摩擦系數(shù)，高速運轉時磨損率顯著低于金屬軸承。化學穩(wěn)定性。耐酸、堿、有機溶劑腐蝕，適用于化工、食品等對清潔度要求高的領域。
應用場景與選型建議。極端高溫環(huán)境（≥500℃）優(yōu)先選擇電化石墨級軸承，并確保在真空或保護氣氛下使用，以發(fā)揮其1000℃的耐溫潛力。典型應用：火箭發(fā)動機、核反應堆、高溫真空爐等。中高溫工業(yè)場景（350-500℃）選用炭素級或金屬石墨級軸承，平衡成本與性能。典型應用：石油化工泵、鋼鐵冶煉設備、陶瓷窯爐等。高速重載條件。需綜合評估耐磨性，可考慮復合材料軸承（如石墨-陶瓷復合），兼顧耐溫與承載能力。
]]>不同石墨電極所需的石墨化溫度：生產(chǎn)普通功率石墨電極時，產(chǎn)品應到達的石墨化溫度為2500℃左右,生產(chǎn)高功率石墨電極(電阻率為6~7 m0m)時,產(chǎn)品應到達的石墨化溫度為 2600~2800℃，而生成超高功率石墨電極(電阻率為4.5~6um)時,產(chǎn)品應到達的石墨化溫度為2800~3000℃。
碳材料的石墨化過程實際上是一個溫度控制過程，按溫度特性劃分，大致可以分為3個階段:重復焙燒階段。室溫至1250℃為重復焙燒階段。經(jīng)過1250℃左右焙燒的炭壞具有一定的熱電性能和耐熱沖擊性能，采用較快的升溫速率，使焙燒品在石墨化初期完成預熱過渡階段，炭壞結構不會發(fā)生很大的變化，制品本身也不會產(chǎn)生裂紋。
嚴控升溫階段。1250~1800℃為升溫重點控制階段。在此石墨化關鍵溫度區(qū)間內(nèi)，炭坯的物理結構和化學組成發(fā)生了很大的變化，無定形碳的亂層結構有逐漸向石晶體結構轉變的趨勢，同時伴隨著無定形碳微晶結構邊緣結合的不穩(wěn)定低分子烴類和雜質(zhì)元素集團不斷地分解逸出，并產(chǎn)生結構缺陷,也促使熱應力相對集中,極易產(chǎn)生裂紋廢品。為減緩熱應力的作用，防止熱應力過于集中，避免炭坯產(chǎn)生裂紋，同時也為了保持一定的保溫時間，應該嚴格控制此階段的升溫速率。
自由升溫階段。1800℃至石墨化最高溫度為自由升溫階段。在此溫度區(qū)間，碳材料的石晶體結構雛形已經(jīng)基本形成，繼續(xù)升溫，促使其石墨化度進一步提高。石墨晶體的完善程度主要取決于最高溫度，保溫時間的影響已經(jīng)很小，此階段升溫速率可以加快。
]]>方法1：冷壓安裝（適用于過盈量較小的情況）涂抹潤滑劑：在軸承套內(nèi)孔和軸表面均勻涂抹石墨潤滑脂或酒精，減少摩擦。定位壓套：將壓套（直徑略小于軸承套外徑）套在軸上，確保壓套端面與軸承套端面對齊。均勻施壓：使用液壓壓機緩慢施加壓力，壓力方向需與軸中心線一致，避免偏斜。監(jiān)控壓力：根據(jù)軸承套材質(zhì)和尺寸，控制壓力在安全范圍內(nèi)（通常參考制造商提供的壓力曲線）。檢查間隙：安裝后用塞尺檢查軸承套與軸承座之間的間隙，確保符合設計要求。
方法2：熱裝（適用于過盈量較大的情況）加熱軸承座：使用感應加熱器或油浴加熱軸承座至指定溫度（通常比環(huán)境溫度高80-100℃，具體參考材料膨脹系數(shù)）避免局部過熱導致變形，可用溫度計實時監(jiān)測。快速安裝：加熱后立即將軸承套套入軸上，利用熱膨脹產(chǎn)生的間隙快速定位。安裝過程中保持軸承套與軸同心，避免傾斜。冷卻固定：自然冷卻至室溫，軸承座收縮后與軸承套形成緊密配合。冷卻過程中避免移動或敲擊部件。
]]>石墨化爐的準確測溫是尚未解決的難題，其原因是沒有找到合適的熱電偶來測量如此高的石墨化溫度(2000~3000℃)以及石墨化爐環(huán)境的復雜性。目前石墨化爐溫控制主要通過“開始功率”“上升功率”和全爐計劃消耗電量進行間接控制。有時為了試驗新的通電曲線，了解爐芯溫度分布及研究溫度與產(chǎn)品質(zhì)量的關系，可采用以下方式進行爐溫大概測定:1600℃以下可用鉑銠一鉑或者鉑銠一鉑銠熱電偶測定，1600℃以上可用光學高溫計或者光電高溫計測定,一般最大量程可達3200℃。由于石墨化爐內(nèi)煙氣較多，測溫時需要采取相應的措施，如采用空心石墨化管作為測溫孔道、用氮氣或者氬氣吹掃煙氣和對測溫儀器的某些部件進行水冷卻保護等。
]]>自潤滑性：解決潤滑與污染的矛盾。無油潤滑需求：屏蔽泵的電機轉子直接浸沒在輸送介質(zhì)中，若使用傳統(tǒng)潤滑油，會導致介質(zhì)污染（如化工、制藥、食品等行業(yè)的液體輸送）。石墨軸承通過石墨晶格內(nèi)碳原子的層狀結構實現(xiàn)自潤滑，無需額外潤滑劑，避免了介質(zhì)污染風險。降低摩擦與磨損：石墨層間易于滑動，形成潤滑膜，顯著降低軸承與軸之間的摩擦系數(shù)，延長使用壽命，減少維護成本。
密封性：杜絕泄漏風險。絕對密封要求：屏蔽泵用于輸送易燃易爆（如石油、天然氣）、有毒有害（如化工原料）或高純度介質(zhì)（如半導體行業(yè)），任何泄漏都可能引發(fā)安全事故或產(chǎn)品質(zhì)量問題。石墨軸承的精密加工和自潤滑特性減少了磨損顆粒的產(chǎn)生，配合屏蔽泵的無密封設計（如靜密封、屏蔽套），實現(xiàn)了零泄漏。
適應高壓環(huán)境：石墨軸承可承受高壓介質(zhì)的沖擊，保持結構穩(wěn)定性，進一步強化密封性能。耐腐蝕性：應對惡劣介質(zhì)環(huán)境?；瘜W惰性：石墨對大多數(shù)酸、堿、鹽及有機溶劑具有優(yōu)異的耐腐蝕性，適用于輸送腐蝕性介質(zhì)（如硫酸、鹽酸、氯堿等），避免了金屬軸承易腐蝕導致的失效問題。延長設備壽命：在腐蝕性環(huán)境中，石墨軸承的穩(wěn)定性顯著高于金屬軸承，減少了因腐蝕引發(fā)的停機維修頻率。
]]>石墨化爐的溫度必須達到 2200℃以上，因此導入爐內(nèi)的電流強度是很大的，大型石墨化爐通電后期的電流高達150kA以上,并且石墨化爐通電過程中電壓、電流、爐阻及功率都在相當大的范圍內(nèi)變化，這是一般供電設備所達不到的。例如16000kVA直流石墨化供電機組的整流變壓器采用66kV直降，27級有載調(diào)壓，變壓器二次電壓為145~38V,經(jīng)大電流開關可倒串并聯(lián)運行，串聯(lián)時直流電壓為340~90 V.采用雙反星形帶平衡電抗器的整流電路，輸出直流電壓為170~45V.輸出直流電流為125 kA。目前，國內(nèi)石墨化整流機組都向著大電流、低電壓、增大爐芯電流密度方面發(fā)展，以便縮短送電時間，節(jié)約電量和提高生產(chǎn)效率。
]]>選擇安裝工具。使用專用工具（如液壓壓裝機、加熱器）或軟質(zhì)工具（如銅錘、塑料錘），避免直接敲擊軸承。準備測量工具（如千分尺、塞尺）用于檢查間隙和垂直度。環(huán)境控制。保持安裝環(huán)境清潔，避免灰塵進入軸承內(nèi)部。若軸承需加熱安裝，確保加熱設備溫度均勻且可控。
冷安裝（適用于過盈量較小的情況）。步驟：將軸承套入軸或壓入軸承座，使用專用壓套或壓力機緩慢施壓，確保壓力均勻分布在軸承內(nèi)圈或外圈端面。避免單側受力導致軸承傾斜或變形。適用場景：軸承與軸或座的配合為過渡配合或小過盈配合（過盈量≤0.02mm）。熱安裝（適用于過盈量較大的情況）。步驟：加熱軸承：將軸承放入加熱器（如油浴、感應加熱器）中均勻加熱至80-100℃（溫度不宜過高，防止石墨氧化）。快速安裝：加熱后立即將軸承套入軸或壓入軸承座，利用熱膨脹減少安裝阻力。冷卻固定：待軸承自然冷卻后，檢查配合緊密度。注意事項：加熱溫度需嚴格控制，避免石墨材料性能下降。加熱時間不宜過長，防止軸承變形。
]]>內(nèi)串式石墨化爐是一種不用電阻料、電流直接通過由數(shù)根焙燒品縱向串接的電極柱所產(chǎn)生的高溫使其石墨化的電加熱爐，其關鍵技術為串接、加壓和通電。中型串接石墨化爐的供電裝置由一臺自耦調(diào)壓變壓器和一臺帶平衡電抗器的正反星形整流電路組成,輸出直流電壓可調(diào)范圍為30~200V,最大輸出直流電流為120kA，石墨化的焙燒品直徑為 300~600mm，通過焙燒品的電流密度為35~50A/cm3，通電時間為6~12h.最高溫度可達3000℃，每噸焙燒品石墨化電耗為3150kWh。
大型串接石墨化爐的變壓器、整流柜及開關等全部裝在可移動的臺車上，石墨化爐則固定在地面上，通過大電流水冷母線與需通電的石墨化爐連接，整流柜輸出功率為22000kVA直流輸出電壓為35~210V,最大輸出直流為120kA,石墨化的焙燒品直徑為400~600 mm，爐子全長 24.5 m，其中爐芯長 21 m。
“內(nèi)串”石墨化工藝具有如下特點:內(nèi)熱,“內(nèi)熱”是不用電阻料，電流沿焙燒電極的軸向通入電極，以電極本身作為發(fā)熱體直接加熱;串接，即將電極沿其軸線頭對頭地串聯(lián)起來;通電時間短,一般是10h左右;產(chǎn)品質(zhì)量均勻;電耗低;石墨化溫度高;石墨化程度高;工藝操作簡化，勞動條件得到改善。
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耐腐蝕性突出石墨對酸、堿、鹽及有機溶劑具有化學惰性，在化工行業(yè)的強腐蝕介質(zhì)中表現(xiàn)優(yōu)異。例如，在石油和天然氣領域，流體腐蝕性強且溫度極端，石墨軸承的使用壽命顯著長于金屬軸承，維護需求更低。導熱性與尺寸穩(wěn)定性石墨導熱性優(yōu)于鋼、鐵等金屬，導熱系數(shù)隨溫度升高而降低（極端高溫下轉為絕熱體），且線膨脹系數(shù)小。這一特性使其在溫度波動大的環(huán)境中仍能保持尺寸穩(wěn)定，適用于航空航天設備等對穩(wěn)定性要求極高的場景。
石墨軸承憑借耐高溫、自潤滑、耐腐蝕等特性，在特定工業(yè)領域具有不可替代性，但其強度低、脆性大等缺點需通過材料改良或場景適配加以解決。選型時需綜合考量工況溫度、載荷類型、潔凈度要求等因素，以實現(xiàn)性能與成本的平衡。
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