СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОГО ГРАФИТА Российский патент 2005 года по МПК C01B31/04 C04B35/52 

Изобретение относится к технологии производства искусственных графитовых материалов и может быть использовано при изготовлении любых обожженных и графитированных материалов с матрицей на основе каменноугольного пека с мелкозернистым и среднезернистым наполнителем по технологии прессования через мундштук. В частности, изобретение может использоваться при производстве крупногабаритных заготовок для изготовления фасонных изделий, применяемых в атомной, электротермической и термической технике, в химической и теплообменной аппаратуре, а также для изготовления различных изделий спецтехники.

Распространен способ получения конструкционных графитов с высокими показателями плотности и прочности путем многократных пропиток обожженных заготовок каменноугольным пеком или другими импрегнантами. Основой для пропитки служат заготовки, полученные путем прессования горячей коксопековой массы или холодного порошка [1]. Основными недостатками этого способа являются высокие затраты и длительный цикл производства. Помимо этого, массы для горячего прессования должны содержать частички наполнителя крупностью в несколько миллиметров (зерно), а производство порошковых материалов сопровождается большими потерями по браку при обжиге.

Известен способ изготовления порошковых материалов с обработкой порошка олеиновой кислотой в количестве 0,2-0,5% от веса наполнителя для повышения ее пластичности [2]. В другом известном способе предлагается производить модификацию связующего карбамидоформальдегидным олигомером в количестве до 20% [3]. Указанные способы не нашли применения в практике из-за технической сложности обработки порошка малым количеством пластификатора и изменения химического состава готового материала [3].

Наиболее равномерные по свойствам материала заготовки получают прессованием порошков и коксопековой массы в изостатах, позволяющих применить объемное сжатие прессуемого тела равной силой [4]. В российском производстве углеродной продукции метод пока не применяется из-за высокой стоимости гидростатов и необходимости создания специального обжигового оборудования. Недостатком способа изостатического прессования является ограничение размеров прессуемых заготовок. Известна максимальная длина получаемых заготовок - 1250 мм. Сложность технологического процесса получения конструкционных графитов с высоким уровнем свойств при удовлетворительных выходах годного на технологических переделах в значительной степени объясняется различиями в формировании микро- и макроструктуры материала из кокса наполнителя и кокса, получаемого при нагреве связующего [5].

Технология горячего прессования коксопековых масс в связи с указанным требует для получения высокой прочности и плотности многократных пропиток.

Существенным недостатком искусственных графитов, полученных путем холодного прессования порошков, является их пониженная теплопроводность и высокий модуль упругости, что приводит к снижению их термостойкости, оцениваемой, например, по критерию Кинжери:

, где

σ - прочность;

λ - теплопроводность;

Е - модуль упругости;

α - коэффициент термического расширения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является известный способ получения углеграфитовых материалов, включающий прокаливание смеси кокса наполнителя с каменноугольным пеком, измельчение прокаленного материала, смешивание полученного порошка с пеком, прессование заготовок из горячей коксопековой массы, их обжиг и графитацию [6]. Недостатком способа является его сложность, вызванная многооперационностью. В частности, в этом способе после получения смеси наполнителя с каменноугольным пеком из нее штампуют куличи, которые затем обжигают в туннельной печи, после этого дробят, измельчают и перемешивают [6].

Технической задачей изобретения является устранение недостатков известных способов аналогов и прототипа, повышение качества получаемых высокоплотных термостойких мелкозернистых и среднезернистых графитов и изделий из них, повышение выходов годных заготовок, снижение затрат на производство.

Решение технической задачи достигается тем, что в известном способе получения углеграфитовых материалов, включающем прокаливание смеси кокса наполнителя с каменноугольным пеком, измельчение прокаленного материала, смешивание полученного порошка с пеком, прессование заготовок из горячей коксопековой массы, их обжиг и графитацию, перед прокаливанием исходный кокс-наполнитель пропитывают каменноугольным пеком, прокаливание ведут при температуре 1100°С, а измельчение - до крупности не более 1,25 мм с содержанием частиц не более 0,07 мм не менее 50% и прессование ведут путем экструзии через мундштук или в пресс-форме.

Решение указанной технической задачи достигается также тем, что при получении мелкозернистых углеграфитовых материалов прокаленный материал измельчают до порошка, содержащего частицы крупностью до 0,5 мм.

Решение технической задачи достигается еще и тем, что после обжига заготовки пропитывают каменноугольным пеком и обжигают повторно.

Сущность изобретения заключается в следующем. Исходный кокс-наполнитель пропитывают пеком и в этом виде прокаливают с целью стабилизации его свойств, что позволяет полностью устранить или снизить его способность к усадкам при обжиге в составе обжигаемых заготовок, что приводит к их разрушению. Для обеспечения возможности получения длинномерных заготовок уплотненный путем пропитки кокс-наполнитель после прокаливания измельчают до порошка, содержащего зерна размером до 0,5 мм или до 1,25 мм, что позволяет прессовать длинномерные заготовки путем экструзии горячей массы через мундштук. Полученный таким способом материал обладает сочетанием наилучших свойств материалов, получаемых путем горячего и холодного прессования, что обеспечивает его более высокую термостойкость.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Высокоплотные мелкозернистые углеграфитовые заготовки длиной 1200 мм и сечением 280*280 мм изготавливали путем приготовления пресс-массы из измельченного (крупность менее 0,5 мм) пропитанного и прокаленного нефтяного кокса и каменноугольного пека. Доля пека в пресс-массе составляла 21%. Нагретую до 80 °С пресс-массу прессовали через мундштук и на выходе из мундштука отрезали заготовки длиной 1200 мм. Заготовки обжигали и графитировали по обычной технологии. Полученные заготовки имели плотность 1,78 г/см³, прочность на сжатие - 51,3 МПа, прочность на изгиб - 26,4 МПа. При механической обработке заготовок для получения фасонных изделий брака не выявлено.

Пример 2. Высокоплотные среднезернистые углеграфитовые заготовки длиной 1200 мм и сечением 280*280 мм изготавливали путем приготовления пресс-массы из измельченного (крупность менее 1,25 мм) пропитанного и прокаленного нефтяного кокса и каменноугольного пека. Доля пека в пресс-массе составляла 18%. Нагретую до 85°С пресс-массу прессовали через мундштук и на выходе из мундштука отрезали заготовки длиной 1200 мм. Заготовки обжигали и графитировали по обычной технологии. Полученные заготовки имели плотность - 1,76 г/см³, прочность на сжатие - 47,6 МПа, прочность на изгиб - 21,2 МПа. При механической обработке заготовок для получения фасонных изделий брака не выявлено.

Пример 3. Высокоплотные мелкозернистые углеграфитовые заготовки длиной 1200 мм и сечением 280*280 мм изготавливали путем приготовления пресс-массы из измельченного (крупность менее 0,5 мм) пропитанного и прокаленного нефтяного кокса и каменноугольного пека. Доля пека в пресс-массе составляла 21%. Нагретую до 80°С пресс-массу прессовали через мундштук и на выходе из мундштука отрезали заготовки длиной 1200 мм. Заготовки обжигали, пропитывали каменноугольным пеком, снова обжигали, пропитывали вторично пеком и обжигали в третий раз, после чего графитировали по обычной технологии. Полученные заготовки имели плотность - 1,80 г/см³, прочность на сжатие - 70,4 МПа, прочность на изгиб - 32,6 МПа. При механической обработке заготовок для получения фасонных изделий брака не выявлено. Характеристики изделий, полученных по способу-прототипу, составляли: плотность - 1,65 г/см³, прочность на сжатие - 30,0 МПа, прочность на изгиб - 16 МПа. При механической обработке изделий выход брака составил 14%.

Таким образом, изготовление высокоплотных мелкозернистых и среднезернистых углеграфитовых изделий в соответствии с изобретением обеспечивает повышение их качества, минимизирует выход брака и себестоимость изделий.

Источники информации

1. B.C.Веселовский. Угольные и углеграфитовые конструкционные материалы. М. «Наука». 1966, с.106-112, 136-140, 184-196.

2. А.С. СССР №1189806, кл С 01 В 31/04, 1985 г.

3. Патент РФ №2145584, кл С 04 В 35/66, 2000 г.

4. Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. М. «Металлургия», 1972 г., 365 с.

5. Лобастов Н.А., Деев А.Н., Багров Г.Н, Мохова Н.С. О причинах различной прочности графитов на основе непрокаленного и прокаленного коксов. Сб. Конструкционные материалы на основе графита. М. Металлургия, 1972, №7, с.41-46.

6. А.с. СССР №1130928 (Кл. Н 01 R 43/12), 1982 г.

Изобретение предназначено для химической промышленности и спецтехники и может быть использовано при изготовлении крупногабаритных заготовок фасонных изделий для химической и теплообменной аппаратуры. Исходный кокс-наполнитель смешивают с каменноугольным пеком и пропитывают им, прокаливают при 1100°С и измельчают до крупности не более 1,25 мм с содержанием частиц не более 0,07 мм не менее 50%. При получении мелкозернистых материалов измельчение ведут до порошка с частицами крупностью до 0,5 мм. Полученный порошок снова смешивают с пеком, прессуют заготовки из горячей коксопековой массы путем экструзии через мундштук или в пресс-форме. Проводят обжиг и графитацию заготовок. После обжига и графитации заготовки можно повторно пропитывать каменноугольным пеком и подвергнуть повторному обжигу. Плотность полученного материала 1,65-1,78 г/см³, прочность на сжатие 30,0-51,3 МПа, на изгиб - 16-26,4 МПа. При механической обработке полученных заготовок брак отсутствует. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ получения углеграфитовых материалов, включающий прокаливание смеси кокса-наполнителя с каменноугольным пеком, измельчение прокаленного материала, смешивание полученного порошка с пеком, прессование заготовок из горячей коксо-пековой массы, их обжиг и графитацию, отличающийся тем, что перед прокаливанием исходный кокс-наполнитель пропитывают каменноугольным пеком, прокаливание ведут при температуре 1100°С, а измельчение - до крупности не более 1,25 мм с содержанием частиц не более 0,07 мм не менее 50% и прессование ведут путем экструзии через мундштук или в пресс-форме.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при получении мелкозернистых углеграфитовых материалов прокаленный материал измельчают до порошка, содержащего частицы крупностью до 0,5 мм.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после обжига заготовки пропитывают каменноугольным пеком и обжигают повторно.