СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПЛОТНЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ УГЛЕГРАФИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК C01B31/04 C04B35/52 

Изобретение относится к области производства конструкционных углеродных материалов и может быть использовано при изготовлении любых обожженных и графитированных материалов с матрицей на основе среднетемпературного пека, пека с повышенной и высокой температурой размягчения, с наполнителем любого гранулометрического состава, по технологии как горячего, так и холодного прессования. В частности, изобретение может использоваться при производстве электродов, анодов, катодных и боковых блоков, графитов для атомной, электротермической и термической техники, химической и теплообменной аппаратуры, а также для различных изделий спецтехники.

Известен способ получения изделий из углеродных материалов, включающий приготовление пресс-массы путем перемешивания наполнителя (кокса) со связующим (пеком) в нагретом состоянии (до температуры размягчения связующего), прессование заготовок и их обжиг (Патент ФРГ №887940, кл. 12h, 2/C 5 С 3/12, 1953).

Этот способ отвечает общепринятой технологии, при которой разогрев пресс-массы при ее перемешивании производят до удвоенной температуры размягчения связующего, при которой обеспечивается текучесть связующего и его адгезия с наполнителем, т.е. образование связующего углерода (Чалых Е.Ф. Обжиг электродов. М., “Металлургия”, 1981, с.81).

Недостатком этого способа является отсутствие в нем специальных операций, направленных на исключение неоднородности плотности по сечению изделия, а также на исключение вероятности образования трещин, раковин и пустот в отформованных изделиях при их обжиге.

Известен способ получения изделий из углеродных материалов, в котором для уменьшения поверхностного натяжения термопластичных пеков и улучшения распределения углеродных частичек в объеме изделия поверхность углеродных частичек при приготовлении пресс-массы обрабатывают поверхностно-активными веществами, например олеиновой кислотой (Фиалков А.С. Углерод. Межслоевые соединения и композиты на его основе. М., Аспект-пресс.1997 г., с.149-154).

Этот способ способствует получению однородной по плотности структуры углеродного материала, но не устраняет вероятности образования трещин и других внутренних и внешних дефектов изделий.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения высокоплотного мелкозернистого углеграфитового материала, включающий подготовку уплотненного порошкообразного кокса-наполнителя путем его смешивания при нагревании с расплавленным каменноугольным пеком, охлаждения и измельчения; прессование из полученного порошка изделий, их термообработку и графитацию (Патент РФ №2006462, кл. С 01 В 31/04, 1994 г.).

Недостатками этого способа являются: сложная многооперационная технологическая схема его осуществления, включающая обжиг полученных изделий, пропитку их каменноугольным пеком под давлением и повторный обжиг изделий, что повышает стоимость получаемого продукта.

Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков аналога и прототипа, получение плотного высокопрочного мелкозернистого углеграфитового конструкционного материала при стабильном высоком выходе годных заготовок.

Указанная техническая задача изобретения решается тем, что в известном способе получения высокоплотных мелкозернистых углеграфитовых материалов, включающем подготовку порошкообразного кокса-наполнителя путем измельчения нефтяного кокса, смешивания его с каменноугольным пеком, охлаждения полученной смеси и ее измельчения, последующее прессование изделий, их обжиг и графитацию, при подготовке порошкообразного кокса-наполнителя используют сырой или прокаленный нефтяной кокс, его измельчение ведут до крупности 90 мкм с содержанием фракции 20-50 мкм не менее 60-65%, кокс и пек берут в отношении 5,0:2,0, полученную смесь нагревают до 1100-1300°С, измельчение охлажденной смеси проводят до крупности не более 90 мкм, а подготовленный таким образом уплотненный кокс-наполнитель используют при приготовлении пресс-массы для изделий.

Дополнительно техническая задача решается также тем, что при получении уплотненного кокса-наполнителя операции смешивания его с каменноугольным пеком в отношении 5,0:2,0, нагрева смеси, охлаждения и измельчения охлажденной смеси повторяют дважды.

Сущность изобретения заключается в следующем. Получение уплотненного кокса-наполнителя путем смешивания с расплавленным каменноугольным пеком непрокаленного или прокаленного нефтяного кокса, измельченного до крупности 90 мкм, при которой содержание фракции 20-50 мкм составляет не менее 60-65%, а соотношение кокс:пек равно 5,0:2,0, и нагрева до 1100-1300°С обеспечивает заполнение пор кокса пеком и повышение плотности кокса. Вязкость каменноугольного пека в процессе нагрева до температуры 1100-1300°С значительно снижается, пек заполняет поры в частицах кокса, повышая его плотность. В процессе нагрева до этой температуры пек теряет летучие вещества и превращается в кокс, близкий по свойствам к нефтяному коксу. При соотношении кокс:пек, равном 5,0:2,0, обеспечивается максимальная пропитка исходного кокса пеком и получение высокоплотного кокса-наполнителя. Измельчение полученного кокса после его охлаждения до крупности 90 мкм и повторение операции пропитки кокса пеком при тех же режимных параметрах исключает получение некачественного наполнителя и гарантирует успешное решение технической задачи изобретения. Заявленные пределы соотношения кокс:пек, рекомендуемая тонкость измельчения исходного кокса и промежуточного продукта, а также предельные значения температуры прокалки пропитанного кокса получены опытным путем.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Для получения высокоплотного мелкозернистого углеграфитового материала кокс-наполнитель получали из нефтяного непрокаленного кокса, измельченного до крупности 90 мкм, причем содержание фракции 20-50 мкм в измельченном коксе составляло 62%. Измельченный нефтяной кокс пропитывали каменноугольным пеком путем нагрева смеси кокса и пека, содержащей 72% кокса и 28% пека (соотношение кокс:пек равно 5,0:2,0). Полученную массу охлаждали, измельчали до крупности 90 мкм и использовали в качестве кокса-наполнителя при приготовлении пресс-массы. Из приготовленной в соответствии с изобретением пресс-массы прессовали заготовки, обжигали их и подвергали графитации. Заготовки после обжига и графитации имели плотность 1,78 г/см³ и прочность при сжатии - 67,0 МПа. Трещин и других дефектов заготовки не имели.

Пример 2. Высокоплотный мелкозернистый углеграфитовый материал получали по технологии, аналогичной описанной в примере 1, но операцию подготовки кокса-наполнителя путем пропитки исходного кокса пеком повторяли дважды. Полученный кокс-наполнитель, измельченный до крупности 90 мкм, использовали для приготовления пресс-массы, из которой прессовали заготовки. После обжига и графитации заготовок они имели плотность 1,8 г/см³, прочность при сжатии - 72 МПа и не имели поверхностных дефектов в виде трещин.

Таким образом, способ согласно изобретению позволяет получать высокоплотные мелкозернистые углеграфитовые материалы высокого качества с нулевым выходом бракованных изделий.

Изобретение предназначено для химической промышленности и спецтехники и может быть использовано при изготовлении различных изделий и теплообменной аппаратуры. Приготавливают подготовленный кокс-наполнитель из сырого или прокаленного нефтяного кокса: измельчают до крупности 90 мкм с содержанием фракции 20-50 мкм не менее 60-65%, смешивают с каменноугольным пеком в отношении 5,0:2,0 соответственно, нагревают до 1100-1300°С, охлаждают, измельчают до крупности не более 90 мкм. Подготовленный уплотненный кокс-наполнитель используют при приготовлении пресс-массы для изделий. Прессуют изделия, обжигают и графитируют. Операции смешивания измельченного кокса с пеком в отношении 5,0:2,0, нагрева смеси, охлаждения и измельчения можно повторить дважды. Плотность изделий 1,78-1,80 г/см³, прочность при сжатии - 67,0-72,0 МПа, поверхностные дефекты отсутствуют. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения высокоплотных мелкозернистых углеграфитовых материалов, включающий подготовку порошкообразного кокса-наполнителя путем измельчения нефтяного кокса, смешивания его с каменноугольным пеком, охлаждения полученной смеси и ее измельчения; последующее прессование изделий, их обжиг и графитацию, отличающийся тем, что при подготовке порошкообразного кокса-наполнителя используют сырой или прокаленный нефтяной кокс, его измельчение ведут до крупности 90 мкм с содержанием фракции 20-50 мкм не менее 60-65%, кокс и пек берут в отношении 5,0:2,0, полученную смесь нагревают до 1100-1300°С, измельчение охлажденной смеси проводят до крупности не более 90 мкм, а подготовленный таким образом уплотненный кокс-наполнитель используют при приготовлении пресс-массы для изделий.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при получении уплотненного кокса-наполнителя операции смешивания его с каменноугольным пеком в отношении 5,0:2,0, нагрева смеси, охлаждения и измельчения охлажденной смеси повторяют дважды.