磨料磨具技术手册（七）

硅碳棒
硅碳棒是以碳化硅为主要原料制成的高温电热元件。在19世纪末合成了碳化硅以后，硅碳棒由德国人于1905年用合成法制成。1908年西门子公司制成了具有工业价植的硅碳棒，商品名称叫“西利特”。我国在1955年由沈阳铸造研究所、北京钢铁研究院、张店砂轮厂（第四砂轮厂前身），苏家屯砂轮厂（第一砂轮厂前身）、机电部电器研究院、冶金部洛阳耐火材料研究院等单位联合组成试验组，于1957年在第四砂轮厂研制成功了硅碳棒，并进行工业性批量生产。
硅碳棒是由高纯度绿碳化硅、碳等经高温硅化再结晶制成的高温电热元件，其碳化硅含量在98%以上，所以它具有与碳化硅基本相同的物理化学性质，与其他金属电热元件相比，它具有以下独特优点：
1． 耐酸性强，抗氧化能力强；
2． 表面负荷密度比金属电热元件大，升温快，热效率高；
3． 耐急热急冷性好，线膨胀系数小；
4． 热传导率高；
5． 使用温度高，寿命长，正常空气气氛中，棒体表面温度可达1600℃，连续使用寿命可达2000h以上；
6． 安装、更换方便；
7． 材料来源广。
由于其独特的优异性能，硅碳棒广泛应用于炉温在600—1500℃的各种电气窑中，为冶金、电子工业、窑业、化学工业、金属热处理、粉末冶金的烧结、陶瓷、科学试验等领域采用。硅碳棒还作为红外光源应用到仪器上，是理想的高温电热元件。
碳化硅包括绿碳化硅、黑碳化硅及回收碳化硅。
作为硅碳棒配料用的绿碳化硅及烧成时用的黑碳化硅，本质上与磨料用的碳化硅完全一样，国内未另立牌号，通常以经过酸碱洗处理的80#以细的绿碳化硅和24—60#的黑碳化硅进厂，使用时再按照一定比例配制成需要的粒度组成，有的厂家则是选用合格的碳化硅块，自行控制破碎方法和破碎程度，以获得最大的充填密度进行粒度级配。回收碳化硅是工厂为了降低生产成本，将硅碳棒烧成时炉内生成的碳化硅回收后破碎加工、水洗、磁选，以代替电阻炉炉料用的黑碳化硅。

成型的废品类型及产生的原因
一、裂纹
主要有横裂和纵裂，其原因主要有：
1．结合剂用量太少，成型温度过低，沥青软化点过高或坯料预压效果差等因素均可造成横裂纹。有时是一种因素所致，有时则是几种因素共同所致。出现这类废品，应首先从成型温度来找。如果确因结合剂用量太少所致，横裂纹很难克服。
2．模筒内坯料在截面上温度不均匀，使坯料在模筒内运动速度不一致会使制品出现纵裂纹。当出现这类废品时，应尽量调整模筒内各部位的温度，使它均匀，同时应降低成型压机的压力，减慢生坯出嘴速度。如果是因坯料中的硬料堵在模嘴或锥形部位造成的纵裂纹，应及时停车卸嘴挖出硬料。
3．坯料没暖好或暖的时间太长失去可塑性，模筒装料少且温度低，挤出速度又快，不但出现裂纹，有时还难以成型。
二、起泡]
起泡原因有以下几方面：
1．模嘴温度太高，挤出速度慢，制品表面容易起泡。
2．坯料中沥青含量太多，可造成制品表面起泡，可适当降低成型温度加以解决。
3．坯料中含有水分，或沥青熬制时间短，低温挥发物含量高，加之成型温度又偏高，每当这类废品出现时，可延长暖料时间，将水分或低温挥发物排除，然后成型。
三、麻面
是指生制品表面有连续不断的或较大面积的毛糙面和伤痕。
造成这类废品的和要原因是模嘴温度太低，或模嘴出口处表面不光滑所致，解决的办法是提高模嘴的温度，或卸下模嘴打光内表面。
四、变形
主要的指生制品扁圆，其次是指制品虽经再整形，扭曲变形还是超过要求。
造成这类废品的原因是，结合剂用量多，成型时温度太高而生坯出嘴时又没有得到及时的或足量的水冷却。
五、几何尺寸不符
主要是指制品外径超粗，内径大小和壁厚不均等。
这类废品的出现主要是操作人员的失误。

素烧
沥青作为硅碳棒生产用的结合剂，给成型工艺提供了诸多方便，但生产出来的生制品遇低温后的蠕变性和自身的机械强度达不到烧成工序的要求。所以，对生制品中的沥青要焦化处理后方能转入到烧成工序。这个焦化过程，行业上叫做素烧。选用的设备一般为倒焰窑。
经素烧后的制品，我们称它为素制品。由于沥青焦的作用，素制品的机械强度已有明显提高。为防止生制品在素烧过程中弯曲，变形，粘连和氧化，故在素烧时需加入充填料。

充填料
充填料又称烧料，亦称保护料。
一、充填物的作用
1．防止制品变形。充填料充满制品周围和中孔，阻止了制品因沥青软化时的体积膨胀和变形。同时充填于制品之间，防止制品软化粘连。
2．防止制品氧化。制品中的碳素，沥青及沥青焦在高温下均能与空气中的氧化发生氧化反应，由于充填料在制品周围，充填料的碳素首先与氧气反应，阻止了氧化反应的深入，保护了制品不被氧化。
3．进行热传递，使制品受热，沥青焦化，提高了制品的机械强度。
二、对充填料的要求
1．能耐高温。也就是在素烧的最大高温度下不熔化，不烧结，受热后不逸失，不发生较大的体积变化，保持原有的自然特性。
2．在整个素烧过程中不与制品，耐火筒及制品中挥发物发生化学反应。
3．具备一定的导热能力。
4．具有一定的粒度要求和一定的堆积密度。
行业中大都选用石英砂和冶金焦配制的混合物做为充填料。
使用过程中，少量冶金焦在高温下被空气中的氧气氧化，颗粒变小并残留下极少量灰分。故在每次使用前，需对充填料筛分，筛除细粉和杂质，并同时定量地补充新的冶金焦，使容重保持在1.8kg/L左右。对于大孔径的制品，为防止中孔内充填料的密度太大使制品在高温下收缩困难而造成开裂，可在充填料中适量加入部分木粉。根据制品的孔径大小和生产中的实际情况，这种充填料的容重掌握在1.4—1.6kg/L为宜。

素制品的废品类型及产生原因
素烧过程中，制品常见的废品类型有：起泡，氧化，裂纹，断棒，扁圆和变形等。
一、起泡
又分孤泡和串泡。
1．孤泡：制品装窑时表面有水珠或充填料中有大颗粒所致。
2．串泡：主要是制品间距离不够或充填料太湿，使制品之间充填料填充不实，造成悬料，制品受热软化膨胀所致。严重时还会出现制品粘连现象。
二、氧化
制品外围与上顶充填料的厚度不够，或匣钵有裂缝，充填料中冶金焦太少及放冷速度太慢所致。
三、裂纹
分小横裂纹和竖裂纹。
1．小横裂纹：多是成型时的陷形残缺经素烧后暴露。
2．竖裂纹：多出现在大孔径的制品上。主要是中孔的料比太重，太实，阻碍制品收缩所致。可在填入坯体中孔的填料中增加木粉，降低充填料的容重，这样虽然操作麻烦，但效果比较显著。木粉的添加量视制品的孔径大小定，木粉与填充料的体积比一般掌握在1：4—6的范围内。
四、断棒
多发生在竖装时的长规格制品上。
1．素烧时中期温度阶段升温太快，窑内上下温差太大，或温度长时间停滞或下降太大，制品上部结焦体积收缩，下部软化膨胀，上下部衔接处强度差，遇接力而断。
2．充填料中水分含量大，上部下部的充填密度不一致也会造成断棒。
3．由于生制品竖装于耐火筒内，装出窑困难，人为造成的断棒。
五、扁圆，变形（弯曲）
这类废品的产生主要是操作不细造成。如：整形后的漏检，大孔径制品装窑时充填料密度不均，平装时刮料不平，不实等。

烧成
烧成是硅碳棒制造工艺过程中最关键的工序，其目的是让坯体在高温中经受热化学反应，使原来是由工业原料和矿物原料组成的坯体最终变成具有预期性能的人工合成新材料——硅碳棒。在整个烧成过程中，高温固相，气相反庆是复杂的，电热过程也不稳定，因此，正确地选用和设计炉窑，科学地制订和执行送电烧成制度和装炉操作规程，是提高产量、质量、降低材料消耗，节约能源的必要保证。
国内烧成工艺最广泛使用的是卧式电阻炉，新型碳管炉虽有兴建，但还不成熟。
硅碳棒的烧成，通常是分两次在电阻炉内完成的。第一次是把素制品发热体埋于电阻炉炉芯两侧面的炉料之中，进行烧成。一次烧成的目的是为了使素制品中的碳经高温烧成，与炉料中的二氧化硅反应，生成碳化硅，靠新生的碳化硅把制品中原有的碳化硅链合在一起，形成一个全新整体。使制品达到发热体的理化性能，并为制品在二次烧成中达到合格产品奠定基础。一次烧成后的制品称为发热体，其两端套接上经素烧过的端部就成了硅碳棒的雏形，为使发热体与羰部管烧结牢固，它们之间的空隙内填充足量的以碳化硅为主要成分的粘接料，这项操作俗称接棒。接好的棒，再次埋入电阻炉的炉料中，进行二次烧成，二次烧成的目的是使发热体与端部烧结牢固，并达到最终产品的要求。

等直径硅碳棒
等直径硅碳棒与粗端型硅碳棒相比，具有两大突出的优点：
第一，单位长度的发热部与羰部电阻比大，故使用中节电15%--20%。寿命普遍延长。
第二，制造过程中，能耗，物耗降低；改善了劳动环境。
等直径硅碳棒的生产工艺，国内基本上有两种。一种是羰部渗硅后与发热部熔接；另一种是直接在烧成后的发热体的端部位置上进行渗硅，称为一体型等直径硅碳棒。两种产品生产工艺的混料，成型，素烧及发热体在电阻炉上的烧成，基本上同于粗端部硅碳棒的生产工艺，不同之处，是端部的渗硅处理及发热体与端部的熔接。

素烧的设备与工装
硅碳棒生制品的素烧一般在窑炉中进行，生制品中的沥青结焦硬化温度在窑温900℃以上的温区。为了进一步提高制品的各项性能指标，需要再提高温度，使窑温达1250℃。这种窑炉与陶瓷行业的烧成炉窑基本相似，一般采用倒焰窑。

窑具的质量要求
1．足够的常温机械强度，使其在搬运中不致破损。
2．足够的高温荷重软化温度，要求比所装制品的高温荷重软化温度高100℃以上，使其在制品的烧成温度下不致软化。
3．足够的耐火度，要求比所装制品的耐火度高500℃以上。
4．良好的抵抗温度急变性，耐急冷急热性能。
5．良好的导热性能。

装出窑及制品处理用的设备
主要有提升机，振动筛，料仓，树脂砂轮切割机和装出窑用的运输车辆。
对用耐火筒竖装的操作方法，可用专用小车将装有制品的耐火筒运转到指定的地方，出窑时，拿掉耐火筒，填充料落入提升机的下料口被提升到料仓上部的筛网上，筛去细粉，具有合适粒度的料落入料仓。料仓上有不同高度的下料口，为不同高度的耐火筒装料用。
清理掉制品内，外表面粘附的填充料后，在树脂砂轮上切割成需要长度。为操作方使，提高工效，有的厂自制了割棒机。主要结构为，把两片树脂砂轮平行地安装，一片固定，另一片可以左右调整，以调整两片砂轮之间的距离。制品由两个拨轮不断地送入切割机，切割机拨轮又起固定制品的作用，切割好了的制品由另一侧出来，形成连续作业，使切割速度一致且准确，大大提高了工效。

通风除尘设备
硅碳棒生产过程中粉尘较大，特别是混料，成型工序，有害的沥青烟较多，所以，各生产工序应配备相应的通风除尘设备。为防止环境污染，还需想用除尘器，一般用脉冲除尘器。

渗碳用的设备
渗碳一般采用煮沥青的方法。加热沥青可以在槽、池、锅中进行。加热方式可采用煤或电。槽，池可用钢板制做，其规格尺寸可视硅碳棒的长度和生产能力而定，批量大，可做一个铁笼配用卷物机和单轨吊车工作。
为防止沥青在长期使用中，碳沉积后影响导热性而着火，除定期对槽，池底部进行清理外，有条件的单位，可安装温度控制仪与热电偶配合使用，温度可控制在180℃以下。

成品检验
硅碳棒的检查包括外观检查，几何尺寸检查和电气性能，红热均匀度，抗折强度的检验等项目。
寿命形式试验：寿命形式试验，又称快速老化试验。因硅碳棒的使用寿命较长，故一般采用快速老化的方法测定硅碳棒的电阻增长率来反映硅碳棒的寿命，该项指标虽在标准中没有列入，但它是检验硅碳棒寿命的一种方法，所用设备，仪器，仪表与高温电阻值的测定相同。

常见废品类型及改进措施
一、外观不合格
主要有残缺，裂纹，洞眼，温低等。
残缺也称麻残，表现为棒体表面有缺损，影响到使用或有损于产品的商品化，产生这类废品的原因，视其产生部位而定，如在发热部位而定。如在发热部上产生麻坑（多发生在散装法烧成的棒体上），则主要是硅化料中石英砂颗粒太大或混料不均匀，烧成时石英熔融侵蚀，蒸发的同时把碳化硅分解所致，此外，中后期使用功率过大，停炉温度太高也是极为关键的因素，解决的办法是控制石英砂的粒度在24#以细和在发热体上涂以用150#碳化硅，120#经细石墨粉和糊精配成的涂料，涂层厚度约为1mm左右。如在端头部位产生疏松状的残损，则因端部气孔率高，烧成时长时间处于低温阶段，表面被氧化，或端部素烧时已氧化所致。如棒体有打弧引起的气流冲刷棒残损，则可能是炉料中石英含量高，电炉送电（特别是中后期）功率高，以致电流过大，造成分流后打弧所致。应经常分析炉料中的各种成分含量，严格执行工艺配方和送电烧成的升温曲线。
裂纹：这种废品类型多发生在端部上。其表面形式为横裂，竖裂和不规则裂纹。
横裂，竖裂多是在成型时造成，经烧成后暴露；不规则裂纹多是素烧时温度低所致，端部添加金属硅的配方工艺，也不能排除硅化料中石英砂含量过高而引起的裂纹。
洞眼实际上是残缺的一种类型，表现形式为局部的不规则缺损和孔洞。这种废品产生的主要原因是配料，混料或成型过程中带入杂质，也包括原料本身含有杂质，经烧成后杂质被排除而形成不规则的缺损或孔洞。
温低：主要指硅碳棒烧成温度不够，使制品（主要是端部）结晶细小，端部与发热部未烧结，主要是烧成温度低或烧成时间短；如果是少量温低，则是个别部位（主要出现于两侧的上顶）保温料厚度不够，或棒体所处的炉底部位保温料下挖太深，使热量散失严重，造成温低。
二、几何尺寸不符
主要表现为径向尺寸，长度尺寸和弯曲。
直径不符，这种情况多出现在发热部直径上，尤其是直径8mm的小棒。原因一是成型时产量大、控制不严；二是素烧时，收缩，检查不一致。另外，对于标准中用百分数控制几何尺寸，计算结果精确到百分之一毫米，有一定的难度。
椭圆度超过标准规定，这种废品很少，多出现于空心的中规格的棒体上，原因，整形时没有整圆，或烧成时气流冲刷使棒体椭圆。
长度尺寸不符是由于素烧后的切割尺寸或配套粘接不精确。
弯曲，就是超过标准中规定的弯曲度，烧成温度低，烧成前段拖的时间长，可以造成发热体弯曲。装炉时，炉料铺的不平，不实，厚度不均，摆放不整齐，可造成发热体或二次棒烧成弯曲。
三、大电阻，小电阻
主要是硅碳棒的高温电阻值超出了规定的电阻范围，或大或小，这类废品产生的原因较多，在废品类型中占的比例较大，尤其是大电阻，所以在生产中应认真对待。
它主要以下几方面的因素或几个因素共同存在所致。
1．炉料纯度不够。炉料中含有较多的有害杂质，或装炉操作时带入杂质，都是产生大电阻的原因。尤其是炉料或炉芯料中含有较多的杂质时，其影响更为严重。
2．送电速率过快，特别是中后期升温快，使用功率高，将会使炉芯电阻偏大，必然引起前期升温慢，中后期升温快，其结果与送电速率快相类似，硅化料，保温料粒度太细，炉子透气性差，杂质排除不畅，结果使制品电阻大。
3．硅化料中硅碳比失调，即碳多硅少，或未加食盐，将会导致产品电阻大。硅量在一定范围内过量将产生小电阻。
4．其它方面的影响。制品密度不够，或发热体一次硅化不良，或因炉料中未加食盐等因素，都能出现大电阻废品。
四、制品内在质量达不到要求
红热不均。就是在高温下，棒体发热不均匀，也就是制品长度方向上电阻率不一致。其原因，制品密度不均匀，硅化料混料不均，棒中孔偏芯，炉芯密度不一致造成的发热不均以及残留杂质等。
端部电阻率高，超出了标准中规定的界限。端部电阻率高使端部电阻在整条棒中所占的比例大，造成使用中端部温度高，烧坏炉壁或接线卡具，同时耗能增加。
造成端部电阻大的原因：对于端部配方中加金属硅的生产工艺，是端部烧成温度过高；而对于不加金属硅的生产工艺来说，则是端部烧成温度低。接棒时棒体与套管之间有缝隙。生坯成型时密度小，结构疏松，颗粒细小，烧成温度低，也能造成硅碳棒使用时套管过热。
五、其它废品类型
除上述废品类型外，有一些则是一时难以发现的，如硅化不完善，它是产品的中间部分的残留碳由于没有完全硅化而保持素制品的颜色——黑色，故又称黑芯。黑芯严重可造成产品在使用时，因残碳氧化使产品电阻增大，直至影响到产品的使用寿命，由于这类废品在外观上难以判断，为了分析原因，可将废品棒砸断或从出炉断棒中观察分析。这类废品多因烧成温度偏低；硅化剂用量不足；硅化料的粒度过粗或过细；食盐加入量不足；送电升温度速度过快等原因造成。