超硬材料網

　　1、改性石墨與石墨改性的意義

　　碳作為一種耐火材料元素，顯示出了優異的抗渣性及良好的抗熱震性。這兩大優勢奠定了含碳耐火材料（制品和澆注料）牢固地技術市場基礎。實踐證明，離開了碳 元素，耐火材料作為高溫、高蝕、高熱震的地位明顯衰退。因此，石墨（準確地說是碳元素）改性是拯救耐火材料“三高”的基本出路。這就是石墨改性的根本目的 和整體意義。

　　改性石墨是基于上述基本原則，竭盡技術之所能，保留碳元素在“三高”環境的運行之中，始終處于不衰竭的狀態。

　　國內外學術界、產業界對石墨改性是基于含碳澆注料對石墨的憎水性及分散性的障礙而展開的。這是明顯的石墨引入澆注料的工藝性應用性技術的開發。這項應用性 技術的研發歷時近20年，真可謂百花齊放。但是石墨及碳材料的易氧化這一結構性技術難題無法涉及，更談不上突破。所以，石墨改性只能在曲折中運行。到目前 為止，國內外沿著石墨改性這條純工藝性技術路線研發的產品無法實現商品化，因而也就失去了商品的使用價值的屬性。石墨改性的研發過程，揭示了一個真實的理 論秘密。即傳統的抗氧化劑理論的不徹底性。這種不徹底性傷透了學術界、產業界的心，但從來沒被人們懷疑過。

　　含碳澆注料的興起、低碳和超低碳含碳制品的出現，使得傳統的抗氧化劑的生命力越來越脆弱。含碳澆注料由于工藝的特殊性，給抗氧化劑的引入加大了難度。另一 方面，低碳和超低碳的碳含量的最低化，使得抗氧化劑的作用最低化，甚至失去其有限的作用。這就不得不迫使人們從理論上進行突破。理論上的突破，必然會給技 術開發帶來光明。改性石墨對理論的突破，起源于石墨和碳材料的本質結構，即視活性節點的現狀進行改性。對于含碳澆注料用碳源輔之以工藝性技術的配套。對于 含碳制品而言，只需在活性節點上進行主攻。

　　2、我們研究開發的改性石墨性能與介紹

　　2.1改性石墨按碳源分為三類

　　石墨碳源。這是基于傳統觀念，認定石墨是最優良抗氧化碳源而開發的。從資源的綜合利用以及經濟的合理性著手，將碳含量90％左右的鱗片石墨進行改性，重點 解決現行的普碳型（8％～14％碳含量）鎂碳制品的使用壽命，在同等工藝的冶煉條件下，采用等碳制品的改性鎂碳磚，其渣線部位使用壽命提高 50％～100％。此類石墨碳源也可以在8％的低碳鎂碳制品上使用（均為渣線部位）。

　　石墨碳源與非石墨碳源的有機組合。重點解決8％碳含量的低碳鎂碳磚和超低碳鎂碳磚的碳源問題。同時，為含碳澆注料提供親水性，分散均勻性以及烘烤時的透氣性優異的碳源問題。

　　 純非石墨碳源。改性石墨的理論和技術也適用于100％非石墨碳源。這個領域首當其沖的是納米碳的改性。這對具有高分散性領域的含碳制品及含碳澆注料具有應用價值。

　　2.2改性石墨應用實例

　　改性石墨的初級產品在LF／VD150噸精煉爐渣線部位，80噸轉爐精煉滬渣線部位，100噸電爐精煉爐渣線部位、15噸電爐渣線部位，大型魚雷罐渣線部 位均批量使用過，其使用壽命視冶煉工藝的苛刻化程度而論，均達提高50％～100％。值得一提的是，改性石墨在連鑄三大件的整體塞棒上使用多年。至于鐵溝 澆注料的使用就不容置疑。

　　2.3、改性石墨理論和技術的延伸

　　2.3.1、鋁—碳化硅—碳（鋁—碳化硅）復合材料的改性。重點解決高強度、高抗氧化性鐵溝料的復合型材料。同時為高溫結構陶瓷提供高強度、高抗氧化復合材料。

　　2.3.2、酚醛樹脂的改性。改性分兩條技術路線進行。一條是以改性納米碳為技術支撐進行。另一條是以有機碳的改性為技術支點進行。只有改性酚醛樹脂的問 世，才會使含碳制品的低碳化或三大件的最佳含碳量得以實現。尤其是三大件的成型工藝的強化得以實現。目前暫不具備對三大件工藝強化改造。總之，改性酚醛樹 脂的推廣應用之日，就是含碳改性耐火材料進入嶄新的歷史時期。目前，市場也有納米改性酚醛樹脂，但它不是嚴格意義上的改性酚醛樹脂。就像樹脂改性鱗片石墨 一樣，并不是本文所推進的改性石墨。

　　2.3.3、石墨改性理論對其他耐火材料的影響

　　改性石墨改性理論的突破，隨之而來的改性技術及改性工藝開發，不僅為含碳材料的改性開創了一片新天地，而且為不含碳的耐火材料的結構型改性提供了科學依據 和技術支點。例如，在鋁—鉻復合材料中，可以解決三價鉻向六價鉻轉化的環保問題，讓優質的鉻質耐火材料重獲新生。在鋁—鋁鎂（鎂鋁）尖晶石復合材料中，改 性理論可以解決水泥工業氣蝕及掛渣皮等技術問題。

　　最后必須講明的是，材料科學的改性取決于材料結構的本質屬性，由于這一屬性而派生出來的技術路線是千差萬別的。但有一點必須明確的是，任何一條技術路線必 須與材料的使用狀況相適應。如含碳材料改性的技術路線必須與含碳制品、含碳澆注料在低溫處理、中溫處理及高溫千變萬化的物理化學過程相適應。尤其是在高溫 使用狀態下、在現代科技發展的有限條件下實現的“暗箱”操作，有用使用信息和數據無法取出。殘渣（磚）的檢測，只能是一種結果，而不是過程信息。也正是因 為如此，學術界、產業界所得到只能是千變萬化后的結果，而不是千變萬化的過程。過程是動態的，而結果是靜態的。這就是材料科學改性理論和技術開發的瓶頸之 一。為了突破這一瓶頸，改性石墨成功決竅之一就是把抽象理論思維與材料科學長期襲用的實驗科學有機地結合起來。從互補關系中去把握其活性節點修復之秘密。 然而，石墨改性的純工藝性技術路線，只能就事論事，只是實驗科學的追隨者，故此，突破科學的理論與技術的瓶頸希望不大。這就是改性石墨與石墨改性的差別所在。

　　3、改性石墨的理論基礎

　　含碳耐火材料使用范圍很廣。含碳耐火材料的使用狀況可以簡單地概括為，含碳耐火材料的理論，及其產品的發展，嚴重滯后于鋼鐵工藝急需的發展，以至于有礙于 冶煉工藝及其低碳鋼，超低碳鋼生產的發展。如何突破這一瓶頸。唯一的出路是對含碳耐火材料的碳源進行科學的改性，從而達到改變碳源的本性（先天不足），即 活性結點的致命弱點――抗氧化性。抗氧化性分為氣相，液相及固相。在通常的冶煉工藝條件下，液相氧化為重中之重，氣相氧化次之，固相氧化只是在高溫及真空 冶煉的鎂碳質才顯得特別突出。改性上述三相氧化的根本問題，在于保持含碳耐火材料在整個服役期間始終處于抗氧化、抗渣、抗熱震的良好狀態。這是含碳耐火材 料長壽的關鍵技術問題。

　　含碳耐火材料在高溫、高腐蝕的苛刻條件下使用，它在服役過程中，經受著高溫和極其復雜的物理化學過程，它具有物質和能量交換的開放體系特征。正是由于這一 特征決定著含碳耐火材料的消耗，即使用壽命。這一特征無論是線性的，還是非線性的數學模型都無法描述。含碳耐火材料的碳源的活性結點屬該物質的“基因”缺 陷，即先天不足，對“基因”缺陷的修復，涉及到宏觀、微觀、納觀、埃觀等領域的綜合性難題。

　　回顧一下改性石墨萌生、發展的過程，改性石墨的信息來源于石墨工業、炭素工業、含碳耐火材料工業、冶煉相關的冶金工業、無機鹽工業相關的無機化學工業、炭 素工業相關的煤化工工業、含碳材料相關的航天航空工業、材料防護及連接的相關工業、石油工業的綜合利用及其環境工業與燃燒科學相關的能源技術工業等等。思 維方式為系統論，系統關聯論。只有這樣一個龐大的開放式科學體系，才有可能敲開改性石墨之門，任何線性的非線性的思維方式都顯得蒼白無力。

　　依據上述科技信息量及抽象的思維方式，逐步領悟到了石墨改性，非石墨碳改性以及有機碳與無機碳組合改性的真締與決竅。并一舉解決了含碳耐火材料宏觀、微 觀、納觀、埃觀相互滲透的綜合性技術難題。在三相氧化的問題上，在通常的冶煉工藝條件下，液相氧化制約著宏觀、微觀兩大領域，在高溫真空冶煉條件下，納觀 與埃觀決定著鎂碳材料的命運。氣相氧化對超低碳材料非常敏感，因為含碳耐火材料的碳含量在由量變到質變的過程中，那怕是比較微弱氣相氧化也會使含碳耐火材 料的抗渣性及抗熱震以毀滅性打擊，直到會造成結構剝落，熱剝落等實難性隱患的發生發展以至于事故的發生。總之，含碳耐火材料在服役過程中所存在的物質和能 量的交換，以及由此而引起溶損，結構剝落、熱剝落等宏觀性災難，反復證實了含碳耐火材料自始至終是處于開放系統中。因為開放性系統太復雜、太龐大。建模的 可能性至少在科學發展的當代，是不可能的。因此，借助于抽象思維比較現實。

　　4、改性石墨的基本狀況

　　改性石墨的起因是為了解決含碳耐火材料所面臨的三相氧化而生，多年的使用證明，改性石墨的基本定位是準確的、可靠的、生命力強的。然而石墨改性是國內外學 術界為了解決石墨在含碳澆注料中的親水性及其分散性而設定的。前者為對石墨的本性的改性，即“基因”修復改性，后者為引進石墨而進行的工藝性改性，后者不 涉及石墨本性的改性，即不能解決石墨所存在的三相氧化的改性問題。石墨改性無法進入市場。

　　改性石墨在修復“基因”的基礎上，一舉解決石墨的親水性及其在澆注料中的分散性問題。石墨的親水性及其分散性較非石墨碳的技術難度大，但并非解決不了。改 性石墨已經進入市場多年，經受住了使用價值與價值的雙重考驗，作為商品，它當之無愧。它的使用價值體現在對石墨或非石墨碳的“基因”修復上以及可操作的工 藝性上，即親水性與分散性上。

　　改性石墨既要為含碳澆注料，如鐵溝澆注料，低碳鋼包澆注料的迅猛發展提供優質碳源，又要為低碳或超低碳耐火制品提供優質碳源。雙管齊下，開創含碳耐材美好的明天。

　　國內外，尤其日本，正在致力于把納米碳引進低碳或超低碳鎂碳磚的科技創新活動。殊不知納米碳是遺傳“基因”最為豐富的一種碳源，要對這些“基因”進行修 復，決非易事。因為按照現行的抗氧化理論，并不具備有修復“基因”的功能。因此，修復“基因”的號角不會吹響。“基因”修復既要有理論依據，又要有由這一 理論產生出來的物質力量。二者缺一不可。總之，挑戰納米碳是要有實力的。這種實力來源于強大的理論思維。不能單純依賴于實驗科學。

　　5、改性石墨的使用

　　改性石墨的使用，分為含碳澆注料和低碳或超低碳鎂質制品，當然常規含碳制品向低碳化發展也不排斥在外。除了冶煉工藝的苛刻化要求外，低碳或超低碳制品的發展對節省碳資源和減排具有社會效應。

　　5.1含碳澆注料

　　含碳澆注料的性能指標與研發者所采用粒級配比，結合劑種類，分散劑與減水劑等助劑選用有關，當然與改性石墨的親水性及分散性也密不可分。一旦碳源確定，研發者會盡力減少水的加入量，以求獲得性能最佳的綜合指標。

　　含碳澆注料碳含量的模擬及加入量的參考值。含碳澆注料以球狀瀝青為碳源已經生產和應用多年，這段歷史不應一筆勾銷。改性石墨只是揚棄球狀瀝青易氧化不長壽 以及環境污染兩大缺陷。改性石墨碳含量的模擬或設定，是以球狀瀝青中溫揮發后殘留的碳量為據。改性石墨的加入量以4－5％為宜，略高于球狀瀝青的加入量。

　　鐵溝料在其使用溫度條件下，碳與耐火原料的化學穩定性狀態良好，因此，改性石墨的重點防護體系是在宏觀、微觀狀態下提供液相氧化的防護體系，確保含碳澆注料在服役期間的抗渣性優良以及抗熱震性的始終如一。

　　5. 2含碳制品

　　為了迎接潔凈鋼生產的挑戰，在世界范圍內，大力研發低碳鋼或超低碳鋼所急需的低碳鎂碳磚或超低碳鎂碳磚，以減輕碳對鋼的污染。

　　由于制品中碳含量的急劇下降，為了確保抗渣性及抗熱震性不衰竭，所以，增大碳的比表面積，以解決碳在制品中分散性均勻是一種慣性思維。由于此表面積的無限 增大，以至進入納米狀態，碳的“基因”會由量變到發生質變，即突變。“基因”突變會帶來三相氧化的巨變，尤其是高溫真空狀態下的巨變。“基因”修復是改性 石墨的核心技術，誰擁有這一核心技術，誰就有實力把含碳耐火材料推向一個新的頂峰。含碳制品的碳含量模擬和設定的基本原則是以不污染鋼的碳含量為前提。確 切的量以使用試驗為據加以確定。因為改性石墨的碳含量采用現行測試標準測不準，另外，由于改性石墨進行“基因”修復后，實際碳的消耗與非改性的碳的損耗是 有差別的。通過試用予以核準才具有使用價值。

　　6、總結

　　以上作為新產品的使用要領應該足夠。歡迎廣大客戶在試用或使用中進行針對性的溝通與交流。目的是共同把改性石墨推向國內外市場，為國內外鋼鐵工業的發展，盡耐火材料工作者應盡的一份力。同時，通過市場化動作，使改性石墨產業更加興旺發達。