石墨質(zhì)粘土耐火制品是以天安石墨為原料，以粘土作結(jié)合劑制得的耐火材料。這類制品有石墨粘土坩堝、蒸餾罐、鑄鋼用塞頭磚、水口磚及盛鋼桶內(nèi)襯磚等。其中生產(chǎn)最多、應(yīng)用最廣 的是煉鋼和熔煉有色金屬的石墨粘土坩堝。

一、原料

1、天然石墨

天然石墨按其生產(chǎn)出狀態(tài)可分為鱗片狀石墨、微晶質(zhì)塊狀或土狀石墨兩種。天然石墨呈六角板狀結(jié)晶。土狀石墨亦是微小結(jié)晶的。

石墨不融化，在2100℃以下不產(chǎn)生塑性流動。常壓下約在3000℃發(fā)生升華。在氧化氛和高溫下易氧化燃燒掉，這是石墨作為耐火材料在使用上的一大障礙。石墨的氧化速度與其晶體結(jié)構(gòu)、粒度和灰分含量有關(guān)。鱗片狀石墨具有較強的抗氧化能力?；曳趾可俚妮^灰分含量多的易于氧化。這是由于石墨燃燒時灰分在其顆粒表面形成保護膜之故。

石墨不僅導熱性很強，而且由于石墨的層狀結(jié)構(gòu)使其許多性質(zhì)呈現(xiàn)顯著的各向異性，平行于層狀方向的熱導率比垂直于層狀方向的大。熱膨脹性也是如此，如線膨脹系數(shù)，平行于層狀方向的很小。

石墨的質(zhì)量通常以固定碳、揮發(fā)分、灰分的含量百分率和粒度等指標衡量?；曳趾慷鄷次劢饘佟⒔档椭破返哪突鸲?、導熱性、化學穩(wěn)定性質(zhì)。石墨的鱗片大，能增加坯料的塑性，促使坯體更加緊密而且不易燃燒。因此作為耐火材料的石墨，以鱗片結(jié)晶大和灰分含量少的為優(yōu)。

2、結(jié)合粘土

結(jié)合粘土的可塑性和結(jié)合力要足夠高，能粘結(jié)石墨粉和熟料成為塑性坯料；要求其耐火度和軟化溫度高，能在最高使用溫度下承受盛裝的熔融金屬而不變形；要能抵抗熔渣和金屬的侵蝕等。此外，結(jié)合粘土要易于燒結(jié)（燒結(jié)溫度范圍1150~1250℃），以使制品質(zhì)地致密，機械強度高。結(jié)合粘土在使用時應(yīng)粉碎成小于0.5mm的顆粒，此外還要求結(jié)合粘土要具有良好的遇水分散性。

3、熟料

該熟料要求耐火度要高、結(jié)構(gòu)致密、收縮小。生產(chǎn)中采用的熟料有黏土熟料、蠟石熟料或硅石熟料。熟料在使用前要粉碎至2mm或更細為宜。過大的熟料粒度會破壞石墨的鱗片狀排列。

為了提高坩堝的導熱性和耐火度，可加入少量的碳化硅。加入的碳化硅形成骨架，石墨作為填充基質(zhì)，以粘土結(jié)合，制品的機械強度也隨之增大。

二、生產(chǎn)工藝

依粘土性質(zhì)、石墨特性和坩堝用途不同，配料內(nèi)各成分的含量可以在以下范圍內(nèi)變動：粘土30%~40%，石墨35%~50%，熟料或硅石10%~30%。

煉鋼用坩堝，泥料中含石墨最好在40%~50%。若石墨數(shù)量過多，則會使鋼中增碳；減少石墨含量，則會降低坩堝壁的傳熱性，從而延長冶煉時間。

坯料的加工處理是石墨粘土坩堝生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。鱗片狀石墨具有滑動性，很難與別的顆?；旌?。必須仔細的進行干混后，再加水濕混合。按成型方法不同，加水量也不同，可塑泥料的水分為17%~18%；半干坯料為9%~10%。坯料可由攪拌機、擠泥機或輕輪碾機進行混合?？伤芘髁峡偟幕旌蠒r間約為30~40min；半干坯料為40~60min。

混好的坯料在困料室中閑置15~20天，坯料經(jīng)困置后，再經(jīng)擠泥機擠成泥段，送往成型供使用。半干成型坯料亦需經(jīng)再混合后使用。

大型石墨粘土坩堝多采用可塑法手工成型；小型坩堝可采用半十法機壓成型或等靜壓法成型。

在成型過程中由于鱗片狀石墨晶體的各向異性，它在坯料中的排列狀態(tài)對制品的性質(zhì)有顯著影響。通常制品成型受壓時，鱗片狀結(jié)晶在坯體中容易與壓制力成垂直方向排列，其結(jié)果沿結(jié)晶的層狀方向熱傳導性大，熱膨脹性小。在成型中若采用使鱗片狀石墨與坩堝側(cè)壁表面呈垂直排列的成型方法，則制品的熱導率增加。反之，如采用與側(cè)壁表面成平行排列的成型方法，則會制得抗渣性強，荷重軟化溫度高，耐熱沖擊和熱傳導率較前者小的制品。

成型后的濕坯經(jīng)修坯后送往干燥。由于石墨粘土坩堝的坯體在干燥時體積收縮大（尤其是可塑法成型的），干燥時必須十分小心緩慢的進行。通常在干燥室內(nèi)進行干燥。干燥溫度和干燥時間依制品尺寸大小和成型方法不同而異。

石墨粘土坩堝通常在倒焰窯內(nèi)燒成。燒成時為了防止石墨在高溫下氧化，必須將坯體裝在填滿炭粒的匣體中煅燒，或在坩堝表面涂一層由長石（或硼砂）、石英巖、粘土等配成的釉料，則坩堝可直接裝窯燒成。但窯內(nèi)氣氛仍不能是強氧化性的。在400~500℃以前為粘土脫水階段，升溫速度緩慢，以后可快速升溫。燒成溫度為1100~1150℃。在生產(chǎn)中的燒成經(jīng)驗是“小火穩(wěn)、中火快、大火要燒還原焰”。

為了防止出窯后的成品吸水，在制品表面上應(yīng)均勻涂抹一層防潮劑（瀝青防潮劑），便于保存。

石墨粘土坩堝制品要求具有一定的機械強度，能負荷熔煉的金屬重量，便于熔鑄操作，還應(yīng)有良好的導熱性、抗熱震性。

采用瀝青、焦油代替結(jié)合粘土、碳化硅代替熟料，制得的石墨坩堝，在國外也逐漸得到大量應(yīng)用。