СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОЗЕРНИСТОГО ГРАФИТА Российский патент 1996 года по МПК C04B35/52 C01B31/04 

Изобретение относится к электродной отрасли промышленности и может быть использовано при производстве конструкционного графита.

Известен способ получения графита большой прочности по которому композиционный материал нагревают до 200^oC, охлаждают, смешивают с термореактивной смолой 15-30% и отвердителем, прессуют, обжигают и графитируют [1]
Однако этот способ не позволяет использовать отходы производства.

Известен способ изготовления среднезернистого графита с использованием в массе наполнителя следующих компонентов, мас.

Кокс 69-71
Пек 19-21
Коксовая фильтровая пыль 10
в т.ч. содержание тонкого помола (фракция (-0,09) мм) в конце до 30-35% [2]
Увеличение содержания в массе наполнителя фильтровой коксовой пыли приводит к образованию брака по трещинам при термообработке на обжиге. Кроме того, этот способ не позволяет получить мелкозернистый графит.

Наиболее близкий к предлагаемому техническому решению является способ изготовления мелкозернистого графита, по которому компоненты шихты, мас.

Нефтяной кокс 65
Каменноугольный пек 30
Естественный графит 10
смешивают, охлаждают, дробят и изготавливают пресс-порошок, прессуют заготовки, обжигают, пропитывают каменноугольным пеком и графитируют [3]
При использовании в шихте вместе с коксом пылевидных отходов электродного производства (фильтровой пыли) резко возрастает брак по трещинам.

В основу изобретения положена задача изготовления мелкозернистого графита на основе использования в шихте вместо кокса-наполнителя тонкодисперсной фильтровой пыли. Фильтровая пыль, которая собирается в электрофильтрах, представляет собой тонкодисперсный порошок кокса с содержанием фракции 0,09 до 99% Она не используется в производстве тонкозернистого графита, является отходами производства и вывозится в отвалы, загрязняя окружающую среду.

Решение указанной задачи в способе изготовления тонкозернистого графита, включающей приготовление композиции, содержащей графит, каменноугольный пек и мелкодисперсный углеродный наполнитель, ее измельчение, прессование заготовок, карбонизацию и графитацию, обеспечивается тем, что в качестве мелкодисперсного углеродного наполнителя используют фильтровую углеродную пыль и перед измельчением композицию окисляют путем нагрева в воздушной среде.

Способ в лучшем варианте реализуется следующим образом.

Компоненты массы дозируют в следующих количествах, мас.

Фильтровая пыль 63
Каменноугольный пек 32
Естественный графит 5
и смешивают.

Из полученной массы формуют заготовки, которые окисляют путем нагрева в воздушной среде до температуры 220^oC со скоростью нагрева 33-40^oС/час. После этого сформованные заготовки дробят, размалывают и из полученного таким образом пресс-порошка прессуют заготовки и проводят их высокотемпературную обработку (обжиг и графитацию).

Масса из фильтровой пыли и связующего с добавлением естественного графита предварительно окисленная по предлагаемому способу (с максимальной хемосорбцией кислорода), становится пригодной для производства высококачественного тонкозернистого графита.

Введение в шихту фильтровой пыли без операции окисления массы в неформованном виде или в сформованных из нее заготовок не позволяет получить тонкозернистый графит высокого качества, т. к. различная глубина диффузии кислорода в заготовку в процессе обжига обусловливает неоднородность окисления пека по глубине заготовки. Последнее приводит к появлению разноплотности по объему заготовки. В связи с тем, что температура плавления пека после окисления существенно повышается, а в заготовке имеются области как с окисленным пеком, так и с неокисленным, то изменяются условия деструкции пека в различных областях заготовки, что и приводит к появлению разноплотности и, как следствие, к браку по трещинам на стадии обжига заготовок и прессования.

Приведенное содержание компонентов шихты является оптимальным. Уменьшение содержания связующего и, следовательно, повышение содержания фильтровой пыли приводит к неполному смачиванию сухих компонентов шихты, недостаточности связей на границе связующее наполнитель, и, как следствие, к снижению физико-механических характеристик, а также к появлению трещин заготовок на стадии прессования. Увеличение же содержания связующего делает массу "жидкой", что затрудняет проникновение воздуха в процессе предварительного окисления как массы в неотформованном виде, так и сформованных из нее заготовок.

Таким образом, способ согласно изобретению позволяет полностью заменить нефтяной кокс на фильтровую пыль.

Описанный режим окисления массы является наиболее оптимальным применительно к проведению этой операции на монолитных отформованных заготовках. Предварительное формование массы, так называемый нудель-процесс, как известно, улучшает контакты зерен наполнителя со связующим, что позволяет получить пресс-порошок высокого качества и высокие физико-механические свойства графита. Отступления от режима нежелательны. При скорости нагрева выше 40^oC/час центральная область отформованной окисляемой заготовки сильно отстает по температуре от периферийных областей, что приводит к неравномерности окисления пека по объему к появлению разноплотности заготовок по объему в процессе обжига и, как следствие, к трещинам или снижению прочностных свойств. При скорости нагрева менее 33^oC/час увеличивается время процесса окисления, что нерационально. К тому же увеличиваются потери легкокипящих фракций пека, т. е. масса "подсушивается". В результате ухудшается прессуемость пресс-порошка. При сильном "высушивании" массы формование из пресс-порошка заготовок может оказаться вообще невозможным, так как происходит расслоение или растрескивание заготовок при прессовании.

При окислении массы в виде кусков 50-100 мм в поперечнике, полученных, например, в результате предварительного дробления заготовки, можно ускорить окисление массы до 55^oC/час и более.

Если же масса в виде кусков не подвергалась предварительно прессованию, то и в этом случае скорость окисления можно ускорить до 55^oC/час, но при хороших выходах годного свойства графита несколько снижаются. Это можно видеть на результатах опытов, приведенных в примере 3.

Таким образом, благодаря предлагаемому способу в совокупности признаков появляется возможность получить высококачественный тонкозернистый графит при полной замене дефицитного сырья (нефтяного кокса) отходами производства (фильтровой пылью).

Пример 1 (прототип).

В промышленную смесильную машину дозировали компоненты следующего состава, мас.

Нефтяной кокс 65
Каменноугольный пек 30
Естественный графит 5
содержание тонкого помола в коксе (размер зерен менее 0,09 мм) до 75%
Смешивание массы производили при температуре 120-130^oC в течение 2-х часов. Затем эту массу подавали на пресс и прошивным (экструзионным) прессованием получали заготовки диаметром 200 мм и длиной 1700 мм. Заготовки охлаждали в естественных условиях, затем их дробили и размалывали в пресс-порошок. Пресс-порошок прессовали холодным методом в глухую матрицу. Давление прессования составляло 55,0 МПа. Полученные заготовки обжигали, пропитывали каменноугольным пеком и графитировали.

Пример 2.

В промышленную смесильную машину дозировали компоненты в следующем соотношении, мас. для 1-го варианта фильтровая пыль 63,0; каменноугольный пек 32,0; естественный графит 5,0; для 2-го варианта соответственно 53,0; 42,0; 5,0; для 3-го варианта 68,0; 27,0; 5,0.

Смешивание массы производили при температуре 120-130^oC в течение 2-х часов. Затем массу экструзионным способом прессовали в заготовки диаметром 200 мм и длиной 1700 мм. Заготовки по 1 варианту нагревали до температуры 220^oС в токе воздуха по следующему режиму (см. табл. 1).

Заготовки по 2-му и 3-му вариантам нагревали до температуры 220^oC со скоростью 40^oC/час в токе воздуха и затем охлаждали. Далее заготовки дробили и размалывали в пресс-порошок. Пресс-порошок прессовали холодным методом в глухую матрицу. Давление прессования составляло 55,0 МПа. Полученные заготовки обжигали, пропитывали каменноугольным пеком и графитировали.

Пример 3
В смесильную машину дозировали компоненты в оптимальном соотношении. Смешивание массы производили при температуре 120-130^oC в течение 2-х часов. Затем массу после охлаждения дробили на куски 50-100 мм в поперечнике, после чего проводили окисление массы при температуре 220^oC в токе воздуха при следующих режимах нагрева (см. табл. 2).

Далее куски массы дробили и мололи для получения пресс-порошка. Заготовки прессовали холодным способом при давлении 55 МПа. Заготовки обжигали, пропитывали каменноугольным пеком и графитировали.

Результаты испытаний образцов представлены в таблице 3.

Пример 4
В промышленную смесильную машину дозировали компоненты следующего состава, мас.

Фильтровая пыль 63
Каменноугольный пек 32
Естественный графит 5
Смешивание массы производили при температуре 120-130^oC в течение 2-х часов. Затем массу подавали на пресс и прошивным прессованием получали заготовки диаметром 200 мм и длиной 1700 мм. Заготовки охлаждали в естественных условиях. Далее заготовки дробили, размалывали в пресс-порошок. Пресс-порошок прессовали холодным методом в глухую матрицу. Давление прессования составляло 55,0 МПа. Полученные заготовки обжигали, пропитывали каменноугольным пеком и графитировали.

Характеристики опытных образов представлены в таблице 3.

Из анализа таблицы следует, что оптимальное количество наполнителя фильтровой пыли в композицию является 63% а связующего 32% Оптимальная скорость нагрева композиции при термоокислении составляет (33-40)^oC в час. В то же время представляется целесообразным перед окислением массы проводить ее формование, что способствует повышению физико-механических свойств.

Предлагаемый способ позволят получить материал с высокой плотностью, низкой пористостью, без образования трещин в заготовках на переделе обжига.

От обработки каждых 1000 тонн фильтровых пылей может быть получено с учетом выхода годного до 500 тонн тонкозернистого графита.

За счет использования отходов производства одновременно достигается социальный эффект, снижение загрязнения окружающей среды.

Использование: изобретение относится к электродной подотрасли промышленности и может быть использовано при производстве конструкционного графита. Задачей изобретения является расширение сырьевой базы производства конструкционных мелко- и тонкозернистых графитов. Сущность изобретения: способ включает приготовление композиции, содержащей фильтровую пыль, каменноугольный пек и естественный графит, окисление композиции в воздушной среде, получение пресс-порошка, прессование заготовок, карбонизацию и графитизацию. Способ позволяет на 100% заменить кокс на фильтровке пылевидные отходы. 2 з. п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ изготовления тонкозернистого графита, включающий приготовление композиции, содержащей графит, каменноугольный пек и мелкодисперсный углеродный наполнитель, ее измельчение, прессование заготовок, карбонизацию и графитацию, отличающийся тем, что в качестве мелкозернистого углеродного наполнителя используют фильтровую углеродную пыль и перед измельчением композицию окисляют путем нагрева в воздушной среде. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приготавливают композицию следующего состава, мас.

Естественный графит 5
Каменноугольный пек 32
Фильтровая углеродная пыль 63
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что окисление композиции проводят путем нагрева в воздушной среде до 220^oС со скоростью нагрева 33 40^oС/ч.