小烯导读
碳，是生命之源，是地球上一切有机体生物的骨架元素，是构成人体最重要的元素。传统工业用炭（Carbon in Traditional Industries）主要以电极、炭黑、电刷的形式被用作冶金、橡胶轮胎、电动机械等领域。
碳，生命之源，
它是地球上一切有机体生物的骨架元素，
是构成人体最重要的元素。
【碳材料发展史】
传统工业用炭
Carbon in Traditional Industries
主要以电极、炭黑、电刷的形式被用作冶金、橡胶轮胎、电动机械等领域。
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焦炭炼铁
焦炭一种固体燃料，质硬、多孔、发热量高、用煤高温干馏而成，多用于炼铁。焦碳通常按用途分为冶金焦（包括高炉焦、铸造焦和铁合金焦等）、气化焦和电石用焦等。
应用
针对从17世纪到18世纪木炭资源缺乏的实际情况，提出了新炭材料资源即利用煤的要求，有数代先驱者开始了煤炭炼铁的实验。
焦炭的生产在18世纪末取得较大进步，蜂巢式焦炉替代了以前生产木炭式的窑，焦炭的质量取得了决定性的改善。
最初焦炭的使用仅限于生产生铁，1783年H.Cort和P.Onions独立地研究用焦炭把生铁炼成钢，而发明了搅拌（Paddling）型炉并应用。这是一种将反射炉中熔融的铁水用铁棒不断搅拌，让碳及其它杂质燃烧逸出，把生铁完全变成柔韧钢锭的方法。
H.Cort把小块煅钢放在带槽的压延机加工，得到了典型的具有纤维状组织、耐腐蚀的优质锻造钢。这项发明使Cort成为近代压延机之父。此外，这种方法提供的钢是液态的，把钢水倒入铸模就可以成为铸钢。这就给铁冶金工业所有的工序带来影响。
针对从17世纪到18世纪木炭资源缺乏的实际情况，提出了新炭材料资源即利用煤的要求，有数代先驱者开始了煤炭炼铁的实验。
产品分类
气化焦
是专用于生产煤气的焦碳。主要用于固态排渣焦碳的固定床煤气发生炉内，作为气化原料，生产以CO和H2为可燃成分的煤气。
电石焦
电石用焦是在生产电石的电弧炉中作导电体和发热体用的焦碳。电石用焦加入电弧炉中，在电弧热和电阻热的高温（1800-2200℃）作用下，和石灰发生复杂的反应，生成熔融状态的炭化钙（电石）。
铁合金焦
铁合金焦是用于矿热炉冶炼铁合金的焦碳。铁合金焦在矿热炉中作为固态还原剂参与还原反应，反应主要在炉子中下部的高温区进行。以冶炼归铁合金为例，其反应式为SiO2（液）+2C（固）=Si（液）+2CO（气），随着反应的进行，焦碳中的固定碳不断消耗，主要以CO形式从炉顶逸出。焦碳灰粉中的三氧化二铝（Al2O3）、氧化铁（Fe2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)和五氧化二磷(P2O5)等，部分或大部分被还原出来，进入合金中；未参加反应的部分进入炉渣。焦碳中的硫和硅生成硫化硅和二硫化硅后挥发掉。冶炼不同品种的铁合金，对焦碳质量的要求不一，生产硅铁合金时对焦碳质量要求最高，所以能满足硅铁合金生产的铁合金焦，一般也能满足其他铁合金生产的要求。
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石墨电极
石墨电极，主要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。
电炉炼钢用电极
电炉炼钢用电极不但用于电弧而且也在炉外精炼的LF（Ladle Furnace）使用。当初的LF是单纯对钢脱氧时温度下降而进行温度补偿设置的。LF具有温度补偿，又可向钢包中添加还原剂，使钢种扩大，质量改善，合格率上升，也是实现连铸配合不可缺少的设备。
电极的使用环境
电弧炉中使用的炼钢用电极的作用是让铁屑和电极间产生电弧。炉内温度超过1500 ℃，弧端温度在3500℃以上，因此作为电极材料不但要具有导电性，还要具有在高温下不熔融变形，保持一定的机械强度。人造石墨电极因符合上述条件而成为唯一的实用材料。
电极消耗分正常的连续消耗和异常的不连续消耗，后者是脱落或折损消耗。
电极前端部因产生电弧局部加热而受到很大的热应力，产生掉块。另外在追加铁屑，再通电时的急冷急热，大电流通过时电极内部的温度差，由此产生的径向环应力和剪切应力使电极产生裂纹，在电极前端部的连接处，常发生脱落或掉块折损。
电极从机械作用角度讲也是在过酷条件下使用。铁屑崩塌对电极的冲击很大，常常造成电极卡箍下链接接头最大径附近或孔底处折断。
熔解末期是超过1500℃的高温，吹氧精炼或流入的空气使炉内成为氧化性气氛，在这样环境下，电极侧部会连续消耗。
此外，电极端部会由于电弧热升华，会因与炉渣或熔钢接触而遭侵蚀。
今后的方向
1990年以来，日本直流电弧炉发展迅速，100吨以上的大型炉不断投产。
交流电弧炉为降低闪烁，增大有效功率，降低电极消耗，也在稳步地向追加电抗器的电弧炉转换。
这样的背景下，日本国内在实施了夜间操作的基本体制下生产率提高，对各种消耗要求进一步降低。这样一来，就要求电极能提高耐折损性和耐剥落性，抑制氧化。
抗氧化涂层石墨电极
表面涂覆一层抗氧化保护层（石墨电极抗氧化剂）的石墨电极。形成既能导电又耐高温氧化的保护层，降低炼钢时的电极消耗（19%~50%），延长电极的使用寿命（22%~60%），降低电极的电能消耗。
① 石墨电极单位消耗的较少，生产成本有一定的降低。
② 石墨电极所耗电能较少，节约单位炼钢电消耗量，节约了生产成本，节能。
③ 由于石墨电极换次数较少，就较少了操作工人劳动量和危险系数，提高了生产效率。
④ 石墨电极是低消耗和低污染产品，在节能减排环保提倡的今天，具有非常重要的社会意义。
这种技术在国内尚处于研究开发阶段，也有些国内厂家也开始生产。在日本等发达国家有得到比较广泛的应用。目前国内也出现了专门进口这种抗氧化保护涂层的公司。
产品分类
普通功率石墨电极
允许使用电流密度低于 17A/厘米2的石墨电极，主要用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。
高功率石墨电极
允许使用电流密度为18～25A/厘米2的石墨电极，主要用于炼钢的高功率电弧炉。
超高功率石墨电极
允许使用电流密度大于 25A/厘米2的石墨电极。主要用于超高功率炼钢电弧炉。
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碳刷
碳刷（Carbon brush）也叫电刷，作为一种滑动接触件，在许多电气设备中得到广泛的应用。碳刷在产品应用材质主要有石墨，浸脂石墨，金属（含铜，银）石墨。碳刷是电动机或发电机或其他旋转机械的固定部分和转动部分之间传递能量或信号的装置，它一般是纯碳加凝固剂制成，外型一般是方块，卡在金属支架上，里面有弹簧把它紧压在转轴上，电机转动的时候，将电能通过换相器输送给线圈，由于其主要成分是碳，称为碳刷，它是易磨损的。应定期维护更换，并清理积碳。
碳刷的功能
碳刷也被称作电刷，形状如下：
（碳刷形状的概念图）
碳刷是与电机或发电机的旋转部件既整流器（换向器）相接触、摩擦的同时发挥导电功能的炭素产品。使用时的功能如下图：
（碳刷功能的概念图）
其组装方式是将碳刷装入刷握（碳刷架）中，用弹簧压住，使碳刷与旋转的换向器保持接触。
在碳刷的刷体上装有铜制导线。用于电机时，电流经导线通过碳刷导入与其相摩擦接触的换向器表面。用于发电机，与此相反，电流从换向器流向碳刷。
要使碳刷与换向器保持稳定的摩擦接触，就需要在铜制的换向器接触面上生成稳定的氧化铜皮膜。为此，就有必要寻求碳刷材质、弹簧压力及电流密度等方面的最适合的条件。同时，电机的运转环境（温度、湿度、气氛、尘埃）以及碳刷通过换向器片时因换向作用而产生的火花的大小对氧化皮膜的产生状况也有很大的影响。
碳刷的材料
因为碳刷起着与转子（集电环）之间电流的传导作用，需要有良好的摩擦性能和导电性能。早期，碳刷的材质以石墨质为主，现在开发出了天然石墨质、人造石墨质、金属石墨质及树脂石墨质（石墨、金属和树脂的结合材质）等各种各样的材质。可以根据用途选定适合的材质。人造石墨质的碳刷主要适合于对换向性能要求高的用途；而金属石墨质的碳刷则适合于电流容量大的用途。
产品分类
金属石墨碳刷
该类碳刷的主要材料是电解铜和石墨。根据使用需要有时也采用银粉（精密仪器上用的，非常贵）、铝粉、铅粉等其他金属，这些碳刷里面又有含黏结剂和不含黏结剂之分。这类碳刷既有石墨的摩擦特性又有金属的高导电性，因此，适用于高负荷和换向要求不高的低电压电机（如汽车启动马达等）。其圆周速度不超过30米/秒。
碳刷
天然石墨是该类碳刷的主要原材料黏结剂采用沥青或树脂，经过烘焙或1000度烧结而成。这类电机有良好的润滑性能和集流性能。多数用于运行平稳的中小型直流电机和高速汽轮发电机集电环；电气石墨主要成分是碳黑、焦碳和石墨等各种碳素粉末材料组成，这类碳刷具有优异的换向性和自润滑性能，广泛用于各类交直流电机不但寿命长，而且对换向器的磨损小。
应用
在东洋炭素集团，我们提供完整系列的碳刷，包括用于一般工业用途、吸尘器、汽车、家电、电动工具、电力供应、微电机等的碳刷。
汽车电机用的碳刷如下图：
汽车上有很多电机，不同的电机需要使用与其性能相适应的碳刷。特别是近年来，基于便利性和舒适性的考虑，汽车上辅助类的电机越来越多，1台高级轿车所需要的碳刷甚至超过了100只。由于汽车电机的电源是由电池供给的12～24V低电压，为了尽量减少电损，通常使用电阻率较低的含铜的金属石墨质碳刷。
一般工业
直流电机
电力机车
风力发电
电力供应
起重机
真空吸尘器
家电
洗衣机
电动工具
圆盘磨床
微电机等
打印机
东洋炭素集团不断为应用于不同用途的碳刷实现最佳性能而进行研究。至今，我们已经成功地开发了一系列新产品，包括特殊涂层碳刷、带切断装置的碳刷、汽车燃油泵碳刷和碳盘，等等。
汽车燃油泵碳刷和碳盘
碳满足汽车燃油泵换向器所需的许多条件。东洋炭素已为换向器开发最佳的碳刷材料和低磨损的碳盘。我们可以提供理想的碳刷材料，以符合使用条件。
带切断装置的碳刷
在其使用寿命结束时，当弹簧压力降低，碳刷由于换流有产生更大火花的倾向。带切断装置的碳刷磨损时，迅速切断电流，以减少换向器损失。东洋炭素根据碳刷类型和应用提供切断设计。
特殊涂层碳刷
此碳刷表面有一层导电金属薄膜涂层。涂层可以减少与电阻和温度上升相关的损失，而且不影响碳刷的使用寿命和换向性能。这些碳刷用于小型高速真空吸尘器、电动工具电机等用途。
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活性炭
活性炭又称活性炭黑。是黑色粉末状或块状、颗粒状、蜂窝状的无定形碳，也有排列规整的晶体碳。活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢等元素。活性炭中除碳元素外，还包含两类掺和物：一类是化学结合的元素，主要是氧和氢，这些元素是由于未完全炭化而残留在炭中，或者在活化过程中，外来的非碳元素与活性炭表面化学结合，如用水蒸气活化时，活性炭表面被氧化或水蒸气氧化；另一类掺和物是灰分，它是活性炭的无机部分；灰分在活性碳中易造成二次污染。
应用
石化行业：
无碱脱臭（精制脱硫醇）—— 重催的精制装置；乙烯脱盐水（精制填料）——乙烯装置；催化剂载体（钯、铂、铑等）——苯乙烯、连续重整装置、水净化及污水处理——上水及下水的深度处理。
电力行业：
电厂水质处理及保护— —锅炉装置。
化工行业：
化工催化剂及载体、气体净化、溶剂回收、及油脂等的脱色、精制。
食品行业：
饮料、酒类、味精母液及食品的精制、脱色、提纯、除臭。
黄金行业：
黄金提取——适用炭浆法、堆浸法提金工艺；尾液回收——金矿的废物利用及环境保护。
环保行业：
用于污水处理、废气及有害气体的治理、气体净化。
相关行业：
香烟滤嘴、木地板防潮、吸味、汽车汽油蒸发污染控制，各种浸渍剂液的制备等，比如活性炭可以作为活性碳罐的填充物用来生产摩托车碳罐汽车碳罐等。
活性炭在初期主要应用是粉炭在糖业中逐步代替了原来的骨炭。在20世纪20年代的第一次世界大战中出现的颗粒大量应用于防毒面具。这是工业化学史上辉煌的一页。
历史事件
通过防毒面具应用的推动，活性炭历史进入了第二阶段，活性炭市场不断扩大，活性炭的吸附和催化功能在众多行业的精制、回收、合成上的应用陆续开发，美国等的活性炭厂陆续开设。在20世纪中叶不断拓展应用面的活性炭，被视为“万能吸附剂”。
1927年美国芝加哥自来水厂发生了广大居民难以接受的自来水恶臭事故，这是由于原水中的苯酚和消毒用的氯生成异臭所致。德国等地的自来水厂也发生了同样的事故，这些事故都是用活性炭来解决的。
对“碳”的研究也成为了
他们永不放弃的课题。
（待续……)
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