СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАФИТИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1995 года по МПК C01B31/04 

Изобретение относится к производству графитированной продукции, в частности к способам получения графитированных электродов, и может быть использовано в электродной промышленности.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ изготовления графитированных электродов, включающий дозирование наполнителя и связующего, перемешивание компонентов, прессование, обжиг и графитацию, отличающийся применением в качестве связующего анизотропно коксующегося каменноугольного пека с низким содержанием золы (0,2 об.), нерастворимых в хинолине веществ не более 5,0 нерастворимых в толуоле веществ не менее 20 и температурой размягчения 80 120^оС (К-S).

К недостаткам данного способа следует отнести получение графитированных изделий с высокими значениями коэффициента термического расширения в перпендикулярном оси прессования направлении (2,3 3,8 ˙ 10^-6, 1/град), а также большое выделение вредных веществ при обжиге из связующего каменноугольного пека, в том числе канцерогенных (3,4-бензпирена до 4,2 мкг-г).

Целью изобретения является повышение теплопроводности и термостойкости изделий и снижение количества выделяемых при термообработке смолистых веществ и 3,4-бензпирена.

Цель достигается посредством использования в известном способе изготовления графитированных электродов в качестве связующего нефтяного пека плотностью 1240-1260 кг/м³, выходом летучих веществ 46,0 58,0 и температурой размягчения 85 120^оС.

Нефтяной пек является продуктом термообработки остатков переработки нефти и ее составляющих. В зависимости от условий термообработки могут быть получены нефтяные пеки, имеющие различные качественные показатели.

Установлено, что изготовление графитированной продукции на основе нефтяного пека, имеющего плотность 1240 1260 кг/м³, выход летучих веществ 46,0 58,0 и температуру размягчения 85 120^оС, позволит улучшить термостойкость изделий, за счет снижения коэффициента термического расширения перпендикулярно оси прессования и повышения теплопроводности, что особенно важно для работы электродов на больших плотностях тока в мощных электросталеплавильных печах.

Для оценки стойкости материалов к термическому удару используют критерий Кинджери:
R где R критерий термостойкости;
σ_p предел прочности на разрыве, кгс/см²;
λ коэффициент теплопроводности, Вт/м^оС;
Е модуль упругости, кгс/см²;
α коэффициент линейного расширения, 1/^оС.

Из приведенной формулы следует, что для повышения термостойкости материала необходимо повышение его механической прочности при разрыве и снижение модуля упругости и коэффициента термического расширения.

Следовательно, теплопроводность и КТР являются важными показателями для оценки возможности применения искусственного графита в технике, так как во многом определяют устойчивость материала к тепловому удару.

Сравнение КТР материалов обычно проводят по величине объемного КТР
α_объемн= + α_⊥ Для материалов, изготовленных методом прошивного прессования из игольчатого кокса вследствие поликристаллической структуры графита, базисное расположение которой находится вдоль оси прессования, всегда меньше. Следовательно, определяющим фактором для α_объемнследует считать α_⊥ и тогда снижение α_⊥ для графитированного материала приводит к увеличению его термоустойчивости при эксплуатации.

Кроме того, при обжиге изделий на нефтяном пеке по сравнению с изделиями на каменноугольном пеке снижается выделение смолистых веществ на 20 отн. и 3,4-бензпирена в десятки раз.

Следовательно, при изготовлении графитированной продукции на основе нефтяного пека улучшаются условия труда.

П р и м е р 1. Способ получения графитированных изделий с использованием нефтяного пека, имеющего следующие характеристики:
Температура размяг- чения, ^оС 125
Выход летучих веществ, 46,0
Пикнометрическая плотность, кг/м³ 1260
Содержание 3,4-бензпи- рена, 0,14
В смеситель объемом 3 л загружают импортный игольчатый кокс и нефтяной пек и перемешивают при температуре соответствующей вязкости пека около 40,0 Па˙с в течение 45 мин. Полученную массу формуют продавливанием через мундштук диаметром 60 мм.

Спрессованные образцы подвергают термообработке в промышленных условиях: обжигу в камерных печах по 360-часовому графику до температуры в теле заготовки 850^оС, графитации в печах Ачесона при температуре до 2700^оС. Графитированные заготовки подвергают испытаниям на соответствие требованиям ТУ 48-12-41-81 "Электроды графитированные специальные". Дополнительно для полученного графитированного материала определяют коэффициент термического расширения при 20-520^оС и теплопроводности при 200^оС.

П р и м е р 2. Способ получения графитированных изделий аналогичен примеру 1, но в качестве связующего используют нефтяной пек с характеристиками:
Температура размяг- чения, ^оС 85
Выход летучих веществ, 58,0
Пикнометрическая плотность, кг/м³ 1240
Содержание 3,4-бенз- пирена, 0,09
П р и м е р 3. При использовании в качестве связующего материала нефтяного пека с температурой размягчения 120^оС, выходом летучих веществ 49 пикнометрической плотностью 1250 кг/м³ и содержанием 3,4-бензпирена 0,14 графитированные изделия, изготовленные по предлагаемому способу, имеют следующие характеристики:
КТР || оси 0,45˙10^-6 1/^оС
оси 1,75˙1 1 С
теплопроводность ( λ) 133 Вт/м. град
Расчетная величина критерия термостойкости 23,6
Количество веществ, выделившихся при термообработке до 800^оС пекоуглеродных масс: Смолистые вещества, мг/т 250 3,4-Бензпирен, мкг/т 452
П р и м е р 4. Способ получения графитированных изделий, аналогичный примеру 1, но в качестве связующего использован нефтяной пек со следующими характеристиками: Температура размягче- ния, ^оС 71,5 Выход летучих веществ, 61,4
Пикнометрическая плотность, кг/м³ 1200
Содержание 3,4-бенз- пирена, 0,11
П р и м е р 5. Способ получения графитированных изделий аналогичный примеру 1, но в качестве связующего использован нефтяной пек со следующими характеристиками:
Температура размягче- ния, ^оС 130 Выход летучих веществ, 42
Пикнометрическая плотность, кг/м³ 1270
Содержание 3,4-бенз- пирена, 0,16
Графитированные изделия по примеру 4 имели брак в виде поперечных трещин вследствие невозможности достижения на существующем оборудовании необходимых температурных режимов изготовления пекоуглеродной массы.

П р и м е р 6. Способ получения графитированных изделий, аналогичный примеру 1, но в качестве связующего использован каменноугольный пек со следующими характеристиками:
Температура размяг- чения, ^оС 68,0
Выход летучих веществ, 56,9 Пикнометрическая плотность, кг/м³ 1310
Содержание 3,4-бенз- пирена, 1,56
Свойства графитированных изделий, изготовленных по предлагаемому и известным способам, приведены в таблице.

Из таблицы видно, что по сравнению с изделиями, изготовленными на основе других видов связующего, использование предлагаемого изобретения позволяет для графитированных изделий: снизить коэффициент термического расширения на 28-40% повысить теплопроводность на 7-41% и тем самым увеличить термостойкость материала на 43-109 отн.

Кроме того, выделение 3,4-бензпирена в воздух рабочих помещений при обжиге изделий уменьшится в десятки раз. Снижение выделения смолистых веществ составит около 20

Углеродный наполнитель смешивают с нефтяным пеком, обладающим плотностью 1250-1260 кг/см² выходом летучих 46,0-58,0% и температурой размягчения 85-12-°С. Полученную массу прессуют, обесобжигают и графируют. Полученные изделия обладают теплопроводностью 127-136 Вт/м.град, критерием термостойкости 16,3-23,8. 1 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАФИТИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий смешивание углеродного наполнителя со связующим, прессование из полученной массы изделий, их обжиг и графитацию, отличающийся тем, что, с целью повышения теплопроводности и термостойкости изделий и снижения количества выделяемых при термообработке смолистых веществ и 3,4-бензпирена, в качестве связующего используют нефтяной пек с плотностью 1240 1260 кг/м³, выходом летучих веществ 46,0 58,0% и температурой размягчения 85 120^oС.