催化石墨化（catalytic graphitization）是指在配料中添加某種具有催化作用的物質，促使焙燒品在較低的溫度下石墨化或在相同的溫度下提高石墨化程度。催化劑金屬或合金能夠熔解碳，且無序排列的碳熔解度達到飽和時，對於石墨來講，此時為過飽和，因此熔解的部分碳就趨向低能級的石墨結晶形態並沉積下來。這一過程的動力是有序排列的碳和無序排列的碳之間的自由能量差。
基本介紹
- 中文名：催化石墨化
- 外文名：catalytic graphitization
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 範圍：炭素
- 釋義：配料中添加某種有催化作用的物質
石墨的形成,用鐵及矽鐵做催化劑,合理選用催化劑,碳化物轉化理論,
石墨的形成
無定形碳→熔解碳→結晶碳（石墨）。
催化劑金屬或合金能夠熔解碳，且無序排列的碳熔解度達到飽和時，對於石墨來講，此時為過飽和，因此熔解的部分碳就趨向低能級的石墨結晶形態並沉積下來。這一過程的動力是有序排列的碳和無序排列的碳之間的自由能量差。
用鐵及矽鐵做催化劑
根據有些單位所做實驗結論，在混合時加入催化劑最多達20%時，可加快製品石墨化的速度，並可降低石墨化溫度。通常石墨化溫度要求達到2500-3000℃，當加進催化劑以後溫度僅1500℃ 就達到石墨化了。催化的原理如前所述：無定形碳→金屬熔解碳→結晶碳（石墨），其機理是基於多相催化反應的兩個基本理論活性中心理論和活化絡合物理論。
活性中心理論認為，催化劑固體表面是不均勻的，其凸出的部分和凹下的部分有很大的活性，為此稱凸凹部分為催化劑的活性中心，在這些具有高能量的活性中心，反應物在這裡優先被吸附並進行反應。
活化絡合物理論認為夕反應物分子被活性中心吸附後形成活化絡合物，相鄰活化絡合物間進行作用或活化絡合物與另一反應分子作用，從而生成反應產物。
當將催化劑活性中心原子“K” 加入反應物中，反應分子與活性中心形成了活化絡合物。由於活性中心原子對反應物分子進行吸附，使得反應物中間的化學鍵鬆弛和變形，促使化學鍵斷開，這樣反應物的一部分與一個活性中心原子的吸引發生鍵合，生成反應產物。
在電碳生產中採用催化石墨化是節約能源、縮短石墨化生產周期的一項有力措施。實驗證明用矽鐵比用鐵做催化劑效果好。矽鐵中矽的含量占25%催化效果最好，低於25%不利於催化作用，高於25%電阻率反而增加。這就是說矽鐵中含25%的矽是最佳的催化劑（助石墨化劑）。矽鐵的催化能力還與其顆粒的大小有關，粒度由75μ變小到50μ電阻率減小，但粒度不能過小，當小於50μ時電阻率反而增大。因為顆粒越細催化中心越小,速度越快，生產的小晶體也越多，這樣一來晶體界面就多，增大了電阻率。因為對於石墨化製品來講，電阻率的大小一方面與石墨化程度有關，另一方面與晶體的顆粒有關，所以，矽鐵顆粒的大小也是影響產品質量的因素之一。
矽鐵催化劑的催化過程鐵的熔點為1535℃，在這個溫度下鐵呈熔化狀態，當鐵里加進矽以後，熔點降低到1250℃左右。如果矽鐵里再熔進去碳，矽鐵被飽和並達到共晶結構，若含碳量約為1%時，熔點會更低，接近1100-1150℃。因為液態金屬有一定的流動性才能使其具有遷移作用。所以必須加熱到超過它本身的熔點溫度，通常加熱到1400℃左右熔進去碳。這是採用矽鐵比採用鐵做催化劑的好處之一。
當溫度達到1600℃時，熔融的矽鐵可熔解碳量達到熔解度極限約2%。石墨是碳的一種穩定形態，因此對於無定形碳來說，矽鐵將出現被飽和狀態。而對石墨來說，矽鐵則出現被過飽和狀態。所以，此時碳趨向於轉變為石墨而析出。石墨析出後無定形碳又熔解於欠飽和的熔融矽鐵中。石墨化過程就是無定形碳熔解於液態金屬，然後再轉變為石墨的一個連續的動力學過程。
在石墨化過程中矽可與碳體作用生成碳化矽。碳化矽有兩種晶形結構，即立方和六方晶形。X射線分析結果，確定有立方晶形存在，且六方晶形混在立方晶形之中，因六方晶形結構與石墨結構相似，所以碳化矽有促進石墨形成的作用。如果矽加多了就影響碳在金屬里的熔解度，熔解度下降會使石墨生長的速度趨於減小，不利於石墨化。矽對碳在液態鐵中擴散的影響還未搞清楚。所以，矽的存在及其多少對石墨化催化的影響有待進一步探討。
合理選用催化劑
在金屬催化劑中為什麼常採用鐵或矽鐵呢因為鐵的熔點溫度較低，為1535℃，矽鐵為1250℃左右，就是說在1250℃便開始起到催化作用，當溫度達到2000℃時鐵就以氣態形式跑掉，高於2240℃矽便以蒸氣形式逸出，就是說它們都不會留在制品中，所以矽鐵即能起到低溫石墨化又能達到除盡雜質的目的。
如果用釩做催化劑，雖然它的催化效果也很好，但因它的熔點溫度為1820±10℃,就是說此溫度以上才能熔化開始起催化作用。重要的是釩的沸點為3000℃，就是說釩在3000℃以上才能被趕掉，這在石墨化實際生產中是難以實現的，因此也就達不到催化石墨化的目的（降低石墨化溫度、加快石墨化速度）。因此不能用釩來做催化劑而採用鐵、矽鐵作催化劑。
碳化物轉化理論
有兩種看法：
第一種看法認為，各種金屬元素的觸媒作用主要表現在先與碳化合生成碳化物，然後再分解生成石墨。
第二種看法認為，碳化物分解的碳並不是石墨，而是易石墨化的碳。
氧化鐵與碳作用生成鐵及一氧化碳和二氧化碳。此處的鐵是新還原的鐵，比較活潑，易與碳結合生成中間化合物----碳化鐵，溫度進一步升高時，碳化鐵重新分解生成易石墨化的碳和鐵，易石墨化的碳進一步轉化成石墨，而鐵以氣體逸出。
