СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕГРАФИТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2005 года по МПК B22F3/12 C04B35/83 

Описание патента на изобретение RU2259258C1

Изобретение относится к области получения углеграфитовых материалов и может быть использовано в технологии ядерного топлива и порошковой металлургии.

В настоящее время углеграфитовые материалы нашли применение в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах (ВТГР), в которых тепловыделяющие элементы (твэлы) выполнены в виде углеграфитовой матрицы, содержащей микротвэлы (МТ). МТ представляет собой керн ядерного топлива диаметром 0,2-0,5 мм, покрытый оболочками и пироуглерода и карбида кремния.

После предварительного смешивания МТ, графитового порошка и связующего (каменноугольный пек, фенолформальдегидная смола и др.), заготовки твэлов прессуют и далее подвергают термообработке, в процессе которой происходит полимеризация связующего, карбонизация связующего за счет пиролиза с выделением твердого коксового остатка и газообразных продуктов пиролиза (фенол, оксид углерода, водород и др.). Последней стадией термообработки является нагрев до 1800°С для окончательного удаления газообразных продуктов.

В процессе получения углеграфитовых изделий на стадии карбонизации происходит уплотнение заготовок с соответствующим уменьшением их размеров. Так, для получения цилиндрических углеграфитовых изделий диаметром 12,5 мм и высотой 50 мм используют пресс-формы с внутренним диаметром 12,8-12,9 мм, а прессование по высоте заготовок проводят до размера 51-52 мм. При этом извлечение заготовок из пресс-формы происходит со значительными усилиями, т.к. при извлечении заготовок связующее находится в твердом состоянии и вся заготовка обладает упругим последействием. Усилие извлечения заготовки составляет 10-15 МПа, что может приводить к «запоминанию» этих нагрузок заготовками и искривлению заготовок на стадиях полимеризации и карбонизации.

Упругое последействие боковой поверхности цилиндрических изделий объясняется тем, что в процессе прессования давление действует со стороны верхнего и нижнего оснований, а высота заготовки уменьшается в два раза. Вследствие перераспределения напряжений сжатия и возникают напряжения растяжения на боковой поверхности заготовок.

Искривление заготовок можно компенсировать путем нанесения на полученную заготовку дополнительного слоя из зерен кокса с последующей термообработкой до 2000°С (патент ФРГ №3435863 от 29.04.84 г., МКИ G 21 C 3/22, 21/04). Недостаток способа заключается в сложности дополнительной технологической операции.

Наиболее близким по технической сущности к решаемой задаче является способ получения углеграфитовых изделий путем проведения всех процессов термообработки (полимеризации, карбонизации, высокотемпературной обработки) в пресс-формах под давлением (заявка на патент ФРГ №19837969 от 21.08.98 г., МКМ G 21 C 21/00). Недостаток способа заключается в сложности аппаратурного оформления, что обуславливает невозможность применения способа при массовом выпуске изделий.

В основу настоящего изобретения положена задача упрощения технологических операций при получении углеграфитовых изделий.

Согласно изобретению задача решается тем, что смешивают порошок графита со связующим, прессуют, проводят полимеризацию, карбонизацию связующего, высокотемпературную обработку и извлечение заготовок из пресс-формы, при этом извлечение заготовок из пресс-формы проводят перед операцией карбонизации, причем в процессе полимеризации давление прессования снижают до нуля, после чего поднимают температуру до значения на 40-50°С ниже температуры начала карбонизации. Кроме того, полимеризацию проводят в температурном интервале 70-130°С, а давление прессования снимают во время окончания полимеризации при температуре 130°С, и проводят дальнейший подъем температуры до 190-200°С. Предложенный способ отличается от известного последовательностью операций, а также новым признаком операции полимеризации.

Авторы изобретения на основании выполненных исследований нашли, что при использовании в качестве связующего фенолформальдегидной смолы процесс ее полимеризации происходит в температурном интервале 70-130°С. При снятии давления прессования (обычно 10 МПа) в момент окончания полимеризации (130°С) и дальнейшем подъеме температуры до значения 190-200°С (на 40-50°С ниже температуры начала карбонизации 240°С) происходит уменьшение диаметра изделия на 0,07-0,09 мм по сравнению с внутренним диаметром пресс-формы. Таким образом, извлечение изделия из пресс-формы происходит без всяких усилий, что обеспечивает сохранность цилиндрической формы образца на последующих стадиях термообработки.

Смысл изобретения заключается в том, что в процессе полимеризации смолы происходит сжатие заготовки, в определенной степени аналогичное сжатию в процессе карбонизации.

Предлагаемый способ осуществляли в двух вариантах: смешивали порошок графита со связующим для дальнейшего получения углеграфитовых изделий и смешивали порошок графита со связующим и микротвэлами (МТ) для дальнейшего получения топливных компактов (аналогией твэлов).

Использовали графит марки МПГ-КС с размерами частиц 5-100 мкм, в качестве связующего - фенолформальдегидную смолу. МТ представляли собой сферы диаметром 0,7 мм, содержащие топливный керн диаметром 0,2 мм и четыре оболочки: пироуглерода плотностью 1,0 г/см3, пироуглерода плотностью 1,8 г/см3, карбида кремния плотностью 3,2 г/см3, пироуглерода плотностью 1,8 г/см3.

В табл. 1, 2 даны примеры получения углеграфитовых изделий и топливных компактов по предложенному способу (do - внутренний диаметр пресс-формы, d2 - диаметр заготовки, извлеченной из пресс-формы перед процессом карбонизации по предложенному способу, to, ро - соответственно температура и давление прессования, p1, t1, t2, р2, t3, р3 - соответственно температуры и давления в процессе полимеризации, t4 - температура окончания процесса по предложенному способу.

Таблица 1.
Режимы получения заготовок углеграфитовых изделий
do,
мм
to,
°С
ро,
МПа
t1,
°С
p1,
МПа
t2,
°С
р2,
МПа
t3,
°С
р3, МПаt4,
°С
d2,
мм
112,801001011071204190019012,73212,601001011071204200020012,52312,601001011001200220022012,59412,601001011071200180018012,58Таблица 2
Режимы получения заготовок топливных компактов
do,
мм
to,
°С
ро,
МПа
t1
°С
p1,
МПа
t2,
°С
р2,
МПа
t3,
°С
р3,
МПа
t4,
°С
d2,
мм
112,801001011071204130019012,72212,601001011071204130020012,51312,601001011001200130022012,59412,601001011071207130013012,59

Из данных табл. 1, 2 следует, что существенное уменьшение диаметра заготовок достигнуто при получении углеграфитовых изделий и компактов в примерах 1, 2, когда термообработка заготовок после температуры 130°С проходит без приложения давления в «заневоленном» состоянии.

Примеры №3,4 (табл. 1, 2) показывают, что повышение температуры выше 200°С или снижение ниже 190°С, а также снятие давления при 100°С или сохранение давления при 130°С не обеспечивают существенного уменьшения диаметра заготовок.

Партии заготовок, полученные по предложенному способу, в дальнейшем подвергали карбонизации и высокотемпературной обработке. Высокотемпературную обработку проводили при 1800°С. За критерий эффективности предложенного способа с упрощенным аппаратурным оформлением выбрана кривизна изделий. Выход годного по предложенному способу для углеграфитовых изделий и топливных компактов составил 100%. За критерий кривизны была принята разница высот цилиндрических компактов, измеренных в разных точках верхнего и нижнего оснований цилиндров, превышающая 0,2 мм (при номинальной высоте 50 мм).

Похожие патенты RU2259258C1

название год авторы номер документа
Способ получения уранграфитового твэла 2022
  • Лысенко Евгений Константинович
  • Федин Олег Игоревич
  • Марушкин Дмитрий Валерьевич
  • Черкасов Александр Сергеевич
  • Чумак Леся Григорьевна
  • Дробязко Петр Владимирович
RU2787077C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕГРАФИТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ 2002
  • Исаков В.П.
  • Курбаков С.Д.
  • Киселев В.А.
RU2230380C2
УГЛЕГРАФИТОВЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ТВЭЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2005
  • Исаков Виктор Павлович
  • Денискин Валентин Петрович
  • Коноплев Евгений Егорович
  • Наливаев Владимир Иванович
  • Ермаков Николай Иванович
  • Дмитриев Александр Мефодьевич
  • Мусаэлян Роберт Николаевич
RU2314581C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2013
  • Денискин Валентин Петрович
  • Дмитриев Александр Мефодьевич
  • Исаков Виктор Павлович
  • Миреев Тимур Алданович
RU2539352C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2008
  • Селезнев Анатолий Николаевич
  • Афанасов Иван Михайлович
  • Свиридов Александр Афанасьевич
  • Сорокина Наталья Евгеньевна
  • Авдеев Виктор Васильевич
RU2377223C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАФИТОВОГО ПОКРЫТИЯ НА СФЕРИЧЕСКИХ МИКРОТВЭЛАХ 2022
  • Лысенко Евгений Константинович
  • Федин Олег Игоревич
  • Марушкин Дмитрий Валерьевич
  • Черкасов Александр Сергеевич
  • Чумак Леся Григорьевна
  • Кисляков Андрей Николаевич
RU2790857C1
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ УГЛЕГРАФИТОВЫЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2009
  • Сорокина Наталья Евгеньевна
  • Свиридов Александр Афанасьевич
  • Селезнев Анатолий Николаевич
  • Матвеев Андрей Трофимович
  • Авдеев Виктор Васильевич
  • Годунов Игорь Андреевич
  • Ионов Сергей Геннадьевич
RU2398738C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО СОРБЕНТА 1996
  • Леонов С.Б.
  • Зельберг Б.И.
  • Елшин В.В.
  • Дударев В.И.
  • Ознобихин Л.М.
  • Рандин О.И.
  • Ращенко А.Ф.
  • Петренко И.С.
RU2098176C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ГРАФИТИРОВАННОГО НАПОЛНИТЕЛЯ ПРИ СИЛИЦИРОВАНИИ ИЗДЕЛИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ 2011
  • Бубненков Игорь Анатольевич
  • Кошелев Юрий Иванович
  • Сорокин Олег Юрьевич
RU2475462C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТО-АРМИРОВАННОГО УГЛЕРОД-КАРБИДОКРЕМНИЕВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2006
  • Кулик Виктор Иванович
  • Нилов Алексей Сергеевич
  • Загашвили Юрий Владимирович
  • Кулик Алексей Викторович
  • Рамм Марк Спиридонович
RU2337083C2

Реферат патента 2005 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕГРАФИТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Изобретение относится к области получения углеграфитовых материалов и может быть использовано в порошковой металлургии, например, при получении топливных компактов. Способ получения углеграфитовых изделий включает смешивание порошка графита со связующим, прессование, полимеризацию и карбонизацию связующего, последующую высокотемпературную обработку заготовок и извлечение заготовок из пресс-формы. В качестве связующего используют фенолформальдегидную смолу. В процессе полимеризации давление прессования снижают до нуля, а после окончания процесса полимеризации температуру заготовок поднимают до значения на 40-50°С ниже температуры начала карбонизации, при этом извлечение заготовок из пресс-формы проводят перед операцией карбонизации. Техническим результатом изобретения является уменьшение брака изделий за счет предотвращения искривления изделий. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Формула изобретения RU 2 259 258 C1

1. Способ получения углеграфитовых изделий, включающий смешивание порошка графита со связующим, прессование, полимеризацию и карбонизацию связующего, дальнейшую высокотемпературную обработку заготовок и извлечение заготовок из пресс-формы, отличающийся тем, что в качестве связующего используют фенолформальдегидную смолу, в процессе полимеризации давление прессования снижают до нуля, а после окончания процесса полимеризации температуру заготовок поднимают до значения на 40-50°C ниже температуры начала карбонизации, при этом извлечение заготовок из пресс-формы проводят перед операцией карбонизации.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полимеризацию проводят в температурном интервале 70-130°C.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление прессования снимают во время окончания полимеризации при температуре130°C и проводят дальнейший подъем температуры до 190-200°C.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2005 года RU2259258C1

DE 19837989 A1, 02.03.2000.DE 3435863 A1, 03.04.1986.RU 2002119635 A1, 20.01.2004.SU 865789 A, 23.09.1981.SU 920345 A, 15.04.1982.SU 1522702 A1, 20.10.1999.

RU 2 259 258 C1

Авторы

Исаков В.П.

Чумак Л.Г.

Щетникова С.Т.

Даты

2005-08-27Публикация

2004-06-03Подача