由于需 更高的温度铁矿才能还原成铁,国人又发明用煤炭筑土窑烧制焦炭,充作供热及还原剂。这 样,木炭、煤炭及焦炭三种燃不同,以及炭窑中由于火焰分布不均,温度不同等因素,所烧 成的木炭含碳量也不尽相同。 木炭中的灰分包含各种金属氧化物, 形成硅酸盐化合物或互溶 成为固溶体。 煤炭古称石炭,是古代植物遗体深埋地下,经长期的高温高压的煤化作用生成的。 煤炭灰分来源于植物本身全部的无机物质, 又含有沉积过程中由风力或流水搬运的矿物杂质, 因而煤炭的灰分可高达 40%。煤炭有多种多样。根据产地、煤层及采煤工作面的不同,煤炭 的化学组成在很大范围内波动。即使在同一采煤工作面,不同时间采得的煤块,其含碳量也 有差异。煤炭灰分尚含有MnO,V2O5,及微量的稀有金属氧化物。焦炭是由炼焦煤料经干 馏焦结(900~1050℃)炼制的可燃固体产物。炼焦煤料由 4 种烟煤,即气煤、肥煤、焦煤及瘦 煤配合而成。 焦炭是高炉炼铁必需的原料。 通过煤料配比可以提供高炉需要的低硫、 低灰分, 高发热值及高抗压强度的高质量焦炭。 以上对木炭、 煤炭及焦炭的化学涵义进行的分析可以 看出炭、 碳不能等同, 它们的区别可用下列式(1)表达: 材料的“炭”字已沿用两 千多年之久。那么,“炭”字从化学组成看,有哪些涵义呢?烧制木炭的原料是木材。 木材含有大量的高分子聚合的有机化合物,主要是纤维素及木质素,又含无机化合物灰分及水 分。有机化合物通过光化作用在大气中成长,而灰分则自土壤中吸取。炭窑中的还原气氛使 木材不能全部燃烧。有机化合物遇热分解成碳,即所谓的“碳化过程”(carb onization)。木材中的灰分全部留存于木炭中。同时木炭在储存期间又吸入大气 中的水分。木炭中含有H、O、N等元素说明木炭尚含有少量的能挥发的有机化合物。由以 上木炭的化学组成足以说明,木炭是以碳为主、含有多种不恒定成分的杂质的混合物。
同时,随着木材种类(软木或硬木)不同,同一树种,树枝和树干部位炭=碳(无定 形碳或石墨)+有机挥发分+无机灰分+水分(1)也即:炭=碳(C)+C,H,O,N,S等有机物+SiO 2,Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,MnO,TiO2,V2O3,SO3,P2O5 等无机物+ 水分(2)由上看出,炭是以碳为主并包含多杂质的混合物。多杂质的意思有二:一是杂质种类 多,有挥发性的有机化合物,有金属与非金属氧化物组成的灰分,又有水分;二是杂质的量相 当多,而且在大范围内波动。特别是灰分的杂质很难与独立存在的碳分离。因此,如果说炭 是黑色易燃的物体则不大准确。因为焦炭是银灰色,而有的煤炭呈金属光泽。木炭、煤炭及 焦炭是易燃物,是由于它们含有无定形碳。后者一经高温处理石墨化后,则变成耐高温而在空 气中难燃。所以易燃难燃不是碳的特性。
四、工业上含碳的制品应称炭制品根据碳、炭关系式,木炭、煤炭及焦炭可称为炭材料。 由炭材料制备的工业上含碳的制品应称为炭制品。 烧制含碳耐火砖的原料有无烟煤、 焦炭或 天然石墨(含有灰分)。配以沥青或无机黏合剂,经粉碎、混合、压型及烧制,烧成耐火砖,原 料中的灰分全部留在砖内,因窑内还原火焰温度不超过 1000℃,可能遗下一小部分挥发性的 有机物, 砖内的碳也停留为无定形碳,因此必须使砖冷到室温,方能从窑内搬出,否则红热的砖 取出后将自燃。在高炉炉缸使用过程中,砖中的碳将逐渐石墨化。此类含碳耐火砖由炭材料 制成,当然应称为炭砖。制备含碳电极的原料与炭砖相同,它们也应称为炭电极。电炉炼钢 所用的电极的石墨化程度应较高,而自焙炭电极则在向电炉内下降过程中逐步石墨化。电极 所含的灰分在电炉冶炼过程中熔化进入炉渣。含碳纤维主要由再生纤维、合成纤维、沥青纤 维等多种人造纤维经热解碳化制成。造丝和碳化通常在大气或隋性气体中进行。
五、 哪些名词用“碳”化学元素C(碳)和其他元素结合成碳化合物, 如碳化钙、 碳酸钠等。凡涉及元素C的化合物名词都用“碳”。以碳命名的钢称碳钢,又称碳 素钢。后者实际上是plaincarbonsteel合金的译名。“素”意 为“单纯”,说明只含碳而不含其他合金元素。