关于“碳”与“炭”规范用法的讨论

者按 “碳”与“炭”是与不少学科都有关的常用字,长期以来使用十分混乱,加之此二字的跨多学科(行业)性,给规范化工作带来困难。本刊曾于1999年第4期,及2001年第4期刊登过一部分讨论如何规范化的文章。本期我们特再次约请几位专家进行书面讨论,谈谈他们的意见,供读者分析、比较。全国科技名词委将进行专题研究,力争拿出比较可行的规范化意见,改变“无所遵循”的混乱状况。欢迎有关读者提出宝贵意见。     

利用固体电解质定氧电池测定Fe-Nb熔体中铌的活度的研究

利用下列组装的固体电解质定氧电池: Mo|Mo,MoO_2‖ZrO_2(MgO)‖[Nb],NbO_2|Mo ZrO_2金属陶瓷,Mo对Fe-Nb熔体中Nb的活度在三个温度下(1823、1853及1873K)进行研究。在净化的氩气气氛下,将固态NbO_2细粉撒布在含铌铁液之上,以取得[Nb]与[O]的反应迅速达到平衡。有时不加任何固体料,使熔体中形成的脱氧产物自己上浮,此脱氧产物热力学证明是NbO_2。对测定的a_0实验数据进行加工处理,求出下列结果: 1.脱氧反应的自由能 [Nb] [O]=NbO_2(s); △G°=-89710 28.27T 2.Nb在铁液中的溶解自由能 Nb_((s))=[Nb]_％; △G=-32090 7.9T; γ°_(1873)=1.60 Nb_((l))=[Nb]_％; △G°=-38520 10.24T; γ°_(1873)=0.92 3.Nb本身的活度相互作用系数 当[Nb]含量大约低于0.2时,脱氧产物和其它合金元素如Al、Cr、V等相似,形成了复合氧化物如FeO·NbO_2。后者的生成自由能估计为:随着熔体中[Nb]含量的继续下降,对生成其它脱氧产物的可能性,本文也进行了讨论。     

统一名词应考虑科学涵义及习惯用法——再论“碳”“炭”二词的用法

读本刊石磬“也谈碳与炭”^[1]一文,有所启迪。现就符合习惯用法及考虑科学涵义两方面,再论“碳”“炭”二词的用法,以作笔者1999年在本刊发表《关于“碳”“炭”二词的用法》^[2]一文的补充。一、问题的提出碳、炭二词用法的分歧在国内冶金工作者中是这样引起的：为了提高炼铁高炉炉缸的寿命,人们采用了含碳耐火砖;电炉炼钢及熔盐电解炼铝需用含碳电极,以导电;为了抗酸、抗碱、抗高温,许多炉内构件需用含碳纤维的制品。因此部分冶金学者认为既然是含碳物质,上列制品则应分别称为“碳砖”、“碳电极”及“碳纤维”。另有一部分冶金学者的意见是我国沿用“炭”字已有长久历史,上列用品应称为“炭砖”、“炭电极”及“炭纤维”。由此,“碳”、“炭”二词应用上引起争议,致使国内文献对“碳”、“炭”二词的应用比较混乱。例如1994年出版的《材料大辞典》^[3]中,carbon fiber为碳纤维,而activated carbon fiber则为活性炭纤维。carbon brick为碳砖,而activated carbon为活性炭。这里carbon译为“碳”还是“炭”,这个矛盾如何解决？究竟“碳”、“炭”二词有无不同？其差异何在？可否将碳、炭二词取消其中之一？这些都是待商榷决定的问题。二、碳是一种化学元素,碳=100%C化学元素C的中文命名为碳,即碳是100%C。碳有三个同素异形体,即无定形碳、石墨(六方晶系)及金刚石(立方晶系)。每个异形体有各自恒定的性质。无定形碳在空气中易燃,充作发热剂及还原剂,在密闭条件下通电加热到1500～2000℃,可得到石墨。石墨化程度随加热温度及时间而异。石墨能耐高温,在空气中难燃,但在2000℃以上则升华挥发,在氧气中也可燃烧。石墨能导电,导热性也高,又能抗酸性或碱性溶液的浸蚀。透明金刚石有五色灿烂的光彩,是最硬的物质。金刚石砂可制成切割金属的刀具。碳有3个同位素,其中¹⁴C考古学家用以测估文物的历史年代。三、从化学组成看“炭”的科学涵义燧人氏钻木取火,未完全燃烧的黑色遗留物,古人称之为木炭。考古学家证明,春秋时代国人已知冶铸青铜器皿、刀、剑的技术。用木炭供热熔化天然铜,或还原风化的含杂质的铜矿,得出青铜铸品。战国时代铁器出世。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”(carbonization)。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：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＋SiO₂,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。气体中含有尘埃,所以纤维内留有少量灰分无法去除。随着原料、造丝工艺及碳化条件(包括温度、碳化速度及环境)的不同,纤维所含的碳量在90～99%范围内波动。含碳纤维为符合习惯应称“炭纤维”。所织成的成品应称炭制品,如炭布、炭毯等。炭纤维中炭和碳的关系可由式(3)表达：炭=碳＋有机化合物(未碳化)及分解物＋无机物(灰分,来自环境)＋水分(吸自大气) (3)石墨化的炭纤维不吸水。由于高温,石墨化的炭纤维含未碳化的有机化合物及分解物也较少。由有机化合物经热解碳化的炭黑,其中炭、碳的关系也由式(3)表达。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plain carbon steel合金的译名。“素”意为“单纯”,说明只含碳而不含其他合金元素。研究碳原子结构关系的名词用“碳”,例如碳键、碳链、碳环等。为提高机械零件表面的耐磨性,采用渗碳法(cementation,carburizing)提高表面层的含碳量,再经淬火热处理提高硬度,从而增加其耐磨性。该方法采用粉状木炭(焦炭或无烟煤)覆盖需加硬的部分,在高温下加热一定时间,木炭中的碳原子扩散固溶于铁原子中成为奥氏体,但木炭中的无机物灰分则遗留在外(当然,木炭中的有机物及水分挥发逸散)。此物理过程称为渗碳而不能称为渗炭。转炉炼钢吹炼末期,钢液含碳较低。如欲炼高碳钢,则向钢包中钢液投入粉状木炭(焦炭或无烟煤),木炭中的碳溶入钢液,而其中的灰分则溶入熔渣。此物理过程称为增碳(recarburization)而不能称为增炭。又如炼钢过程是降低铁液中含碳的氧化过程。此化学反应称为脱碳(decarburization),因为是碳和氧的化学反应。至于有机化合物加热分解沉积成碳的碳化反应(过程)(carbonization)绝不能称为“炭”化,因为分解沉积的是碳。后者和未分解的原有机物,部分分解的新有机物,环境带入的无机灰分以及自空气吸入的水分,合并组成含碳物质,根据用字的习惯,此有杂质的含碳物质称为“炭物质”,例如炭黑,活性炭等等。六、高纯碳及原子级碳“金无足赤”,古有名言。自然界存在的天然金含银、铜,天然铜含锌、锡,最纯的天然石墨仍含3～4%灰分。但化学家经常在研究发明元素提纯的各种方法。例如光谱纯石墨电极是由光谱纯或高纯碳制得。所谓“高纯”系指高于“化学纯”的纯度,也即大于99.9999%C、小于1ppm杂质的C,因而称为碳。原料通常采用石油焦。近代发明碳60(C₆₀,富勒烯,fullerene),系由60～70碳原子组成的内空外呈球形的结构体。曾有学者建议称为碳的第4个同素异形体。但尚无定论。纳米碳管是由小于50纳米的,由1至几个碳原子自弯成管的碳结构体。它是由特殊方法,用高新技术和设备,在特殊条件(高温、无尘埃的真空或氩气)下制成。七、碳、炭二字应予分别选用在已发现的109种元素中,其中气态元素11种,如氢、氦、氮、氧、氯、氩等,均冠以“气”首。液态元素两种,即溴、汞,两字带有“氵”及“水”。固态元素分两类,即非金属固态元素10种,如硼、碳、硅、磷、硫、砷等,诸字均带有“石”旁;金属固态元素86种,即金、银、铜、铅、锌、铁等,诸字除金外,均带有“金”旁。非金属元素和金属元素主要的区别之一是：非金属氧化物与水化合成酸,其氧化物呈酸性;而金属氧化物与水化合成氢氧化物,其氧化物呈碱性。元素命名有这样的规律性、系统性是我国前辈化学家的创举,有利于学习化学。如果弃“碳”不用而只用“炭”,则破坏了化学命名的规律性。为一元素而伤大局,似无必要而且不妥。如果废“炭”而全部用“碳”,则忽略我国已沿用两千多年的“炭”字,又不符合汉字简化的意义,因而废弃“炭”字也属不宜。建议保持“碳”、“炭”根据前述含义具体情况,分别选用。八、结论根据化学组成,考虑我国国情,建议对“碳”、“炭”二词按下列原则分别选用。1.碳是一种元素,碳=100%C。凡涉及化学元素C的名词均用“碳”,例举如下：(1)碳的化合物,如碳化钙、碳酸钠等。(2)以碳命名的钢称碳钢(又名碳素钢)。(3)结构化学的名词,如碳键、碳链、碳环等。(4)参加物理过程的C,如渗碳、增碳等。(5)参加化学反应的C,如脱碳、碳化等。(6)99.9999%C,如光谱纯碳。(7)原子级C,如碳60、纳米碳管等。2.工业用含碳物质称炭物质。炭是多杂质含碳且以碳为主的混合物,其特点为：(1)含碳量不恒定。(2)杂质多种多样。(3)杂质含量不恒定,而且相当多,并在大范围内波动。(4)物理及化学性质不恒定。炭材料如：木炭、煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、炭纤维等。炭制品如：炭砖、炭电极、炭块、炭刷、炭纤维、炭布、炭毯等。3.“炭”、“碳”的区别可由下式表达：炭=碳(无定形碳或石墨)＋有机物＋无机物＋水分4.英文carbon一词根据上述原则,分别译为“碳”或“炭”,例如carbon dioxide二氧化碳,carbon black炭黑等。 ① 魏寿昆院士是冶金学名词审定委员会主任。     

漫谈博士及科研工作

 改革开放以来,高等院校及科研院所大量培养博士研究生,成绩显著。笔者近年来对培养博士质量问题有所思考,今提出几点意见,聊供商榷。 一、博士学识是否渊博？答案不是、又是 博士是各大学及研究单位培养研究生的最高学位。各国培养博士的制度不同,而一个国家内不同学校的培养制度也不尽相同。有的大学毕业得学士后经硕士再读博士,也有的单位允许直读博士。读博士期间,有的需学生修几门高深的专业课,有的学校则不需要。但各国各单位都必须完成一项科研工作、即所谓的博士论文,证明学生经过培养,已具有独立进行科学研究工作的能力;并通过口试答辩及格后方能取得博士证书。     

顶吹气体射流冲击下熔池中液体流动的数学物理模型

本文将湍流运动方程和k—ε湍流双方程模型结合,提出了顶吹气体射流冲击下熔池中液体流动的数学模型,并采用Spalding等人提出的方法解这一非线性偏微分方程组。同时,还用激光测速方法得到实验测定的流场速度分布。在计算结果及实验数据的基础上,分析、研究了流场的性质和特点。 由于用k—ε湍流模型代替k—ι模型以及在边界条件及计算方法上的一些改进,使数学模型预报的结果比前人的相应结果更符合实际。而且,本文提出的数学模型适用于大气体流量射流冲击下液体流场的计算,这是对前人工作的一个突破。总之,我们的工作可以认为是Szekely和李有章等人相应研究的继续和深入。     

关于“碳”“炭”二词的用法

碳是化学元素Ｃ的中文名称，左旁“石”字表明碳是一种非金属元素。它有不定形碳、石墨及金刚石等同素异形体，各自有恒定的物理和化学性质。炭是概括的工业性名词，我国人民用炭这个字已有两千多年的历史。如煤炭、木炭、焦炭等。煤炭在古书中称为石炭，简称为煤。煤有不同种类。根据固定碳及挥发分含量的不同，有褐煤、硬煤（无烟煤）及烟煤。后者又分为气煤、肥煤、瘦煤及炼焦煤等。同类煤的化学成分及物理和化学性质随产地而异。同一产地同一煤层，而不同的采煤工作面，所采的煤的化学成分及物理和化学性质不尽相同。木炭随所用的木料及…     

镍锍选择性氧化热的力学及动力学

利用氧气吹炼镍锍直接得金属镍,其关键在于去锍保镍。本文利用选择性氧化原理,提出氧化转化温度的概念。热力学分析指出,去硫保镍的条件是: 1、镍锍熔体用O_2开吹的温度必须超过该组成硫、镍氧化的转化温度;对含硅20-25％的镍硫,其开吹温度不能低于1350-1400℃。 2、随着熔体中硫含量的减少,相应地硫、镍氧化的转化温度随之增高。吹炼操作必须迅速进行,以保证熔池温度上升的速度永远高于转化温度增高的速度。 硫、镍氧化的转化温度可用一步法按下列反应 [S] 2NiO_((s))=2[Ni] SO_2进行计算。 热力学分析又指出: 1.镍锍内含铜全部留在熔体之内,在吹炼过程中不被氧化。 2.镍锍中的铁最易被氧化,但当降低到0.8—1.0％后即不能被氧化而以残铁留在熔体之内。 3.镍铳含钴如小于1％也将留在熔体之内。 通过在卡尔多斜吹旋转炉进行的半工业吹炼实验,在采用上列热力学推论得出的去硫保镍条件下,硫能顺利地降到1—2％,充分地证明了理论成功地指导了实践,克服在初期探索性试验中遇到大量镍氧化的困难。在吹炼末期,由于熔体中硫的扩散速度减慢,熔池表面逐渐有NiO层累积。采用不吹氧空转还原,可进一步去硫而提高镍的回收率。镍的直接回收率大于90％,而总回收率大于95％。镍的主要损失来自高温下镍及其氧化物的挥发 熔     

固体电解质定氧电池的近况应用及展望

固体电解质定氧电池已广泛地在炼钢及其他工业应用。本文对定氧电池的最近进展、用途及今后展望作了总结性的评述。国内定氧电池的历史发展、测头试制和运用作了简略的讨论。作为控制炼钢操作、改进钢锭质量、节约铁合金消耗等的手段,对定氧电池在下列几方面的应用作了较多的讨论: 1.顶吹氧气转炉终点的控制; 2.半镇静钢及沸腾钢脱氧的控制; 3.连铸铝镇静钢余铝量的估计; 4.易切削钢硫化夹杂物形态的控制; 5.配合计算机定氧电池在炼钢的在线应用。 在本文的最后部分,对定氧电池的存在问题及误差来源,特别对固体电解质的电子导电及抗热震性以及提高低含氧量测定的准确度等问题进行讨论。此外,对测定其他元素例如氮、氢、硫及碳的电池也作了简单的介绍。     

CaC_2-CaF_2渣系对铁水脱砷的研究

采用CaC_2-CaF_2渣系作为脱砷剂,在实验室范围内进行了铁水还原脱砷的研究。 实验是在钼丝炉内,Ar气氛下,石墨坩埚中进行的。研究了温度、渣成份、渣量、初砷含量和铁水含si量等因素对脱神效率的影响。 通过热力学分析说明了在钢铁溶液中,只能还原脱砷而不能氧化脱砷;用CaO-CaF_2、CaC_2-CaF_2渣系对铁水同时脱硫脱磷脱砷是不可能的。     

Sm_(1+x)Ba_(2-x)Cu_3O_y固溶体

用X射线衍射及氧含量分析法测定了Sm_(1+x)Ba_(2-x)Cu_3O_y固溶区域为0≤x≤0.4。当x<0.25时,Sm_(1+x)Ba_(2-x)Cu_3O_y属正交晶系;x=0.25时,发生从正交到四方的相变;在整个固溶区域内,T_c随x的增加而下降,直至淬灭。同时探讨了Sm_(1+x)Ba_(2-x)Cu_3O_y化合物在不同的淬火温度、氧含量与晶体结构、超导电性的关系。