Способ получения мелкозернистых крупногабаритных графитированных заготовок Советский патент 1993 года по МПК C01B31/04 

Изобретение относится к технологии получения графитовых мелкозернистых крупногабаритных заготовок на основе нефтяного кокса и каменноугольного пека и мо- .жет быть использовано в электронной, металлургической промышленности и других отраслях техники в качестве конструкционных углеграфитовых материалов.

Задачей изобретения являются увеличение выхода годных обожженных заготовок и повышение плотности и прочности графита.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения графитовых мелкозернистых крупногабаритных заготовок на основе нефтяного кокса и каменноугольного

пека, включающем предварительный обжиг формованных заготовок с подъемом температуры подсводового пространства и последующей их пропиткой пеком, повторным обжигом при подъеме температуры подсво-, дового пространства до ее максимального значения и графитацию, предварительный обжиг ведут с четырьмя изотермическими выдержками: при 470-49Q°C, 630-650°C, 850-870°С и 1170-1200°С, в течение 10-12 час каждая, при этом скорость подъема температуры между ними поддерживается в предел ах 2,7-3,2; 3.2-3,6 и 1,8-2,2°С/ч соответственно.

Кроме то го, повторный обжиг пропитанных заготовок до максимальной температусо со

Јь 00 Јь СО

СА)

ры подсводового пространства ведут со скоростью 3,5-3,8°С/ч.

Достижение указанной цели при таком ведении режимов нагрева обусловлено тем, что углеродный материал в течение всего процесса обжига находится в сложном напряженном состоянии, при этом одновременно протекают разные по характеру химические и физические процессы (перемещение и .диффузия связующего и др.). Снижение термических напряжений, получение однородного и бездефектного материала требуют изменения графиков первичного и повторного обжигов.

По предложенному способу обжигу подвергают формованные заготовки, состоящие из прокаленного нефтяного кокса (ГОСТ 22898-78) и среднетемпературного каменноугольного пека (ГОСТ 10200-83), размерами: диаметром 300-600 и высотой 700-1000 мм. Прессование проводят в закрытой матрице или гидростатическим методом под давлением 400--1000. кгс/см2. Дисперсность пресс-порошка 40-100 мкм. Соотношение ингредиентов 80 и 20 мас.%. Формованные заготовки подвергают предварительной термообработке. -Скорость подъема температуры подсводового пространства до 470°С не регламентируется, так как произвольная скорость подъема температуры подсводового пространства до данной температуры не влияет на целостность углеродного материала, находящегося в упругопластическом состоянии.

Углеродный материал при температуре подсводового пространства 470-490°С находится в вязкопластическом состоянии, поэтому уменьшение температуры первой изотермической выдержки менее 470°С нецелесообразно, более 490°С нежелательно, так как материал начинает переходить в упругое состояние. Уменьшение времени первой изотермической выдержки менее 10 ч приводит к перепаду температурного градиента в объеме заготовки из-за низкого коэффициента теплопроводности материала. Время изотермической выдержки более 12 ч экономически невыгодна.

Вторая изотермическая выдержка при 630-650°С обуславливает наиболее полное протекание физико-химических процессов (выделение летучих, образование пор, превращение пека в полукокс) и обеспечивает спекание пека с наполнителем. Уменьшение температуры второй изотермической выдержки менее 630°С нецелесообразно, тзк как она оказывает влияние на формирование структуры материала и особенно общей пористости, а температуре более 650°С соответствует менее термоиалряженное состояние материала. Поэтому температуру выдержки более 650°С поднимать не следует. Уменьшение времени второй изотермической выдержки менее-10 ч согласно

термическим расчетам приведет к возрастанию термических напряжений и процессе образования внутренних трещин. Продолжительность выдержки более 12 ч экономически невыгодна.

Третья изотермическая выдержка при 850-870°С обусловлена окончательным удалением летучих из заготовки, образованием вторичного.углерода на поверхности заготовок и максимальной общей пористости. Эта

5 выдержка особенно важна, так как происходит превращение полукокса в кокс, образование слоев полициклических карбидных групп и рост плоских сеток. Уменьшение времени изотермической выдержки менее

0 Ю часов при 850-870°С приводит к неравномерности образования жесткого каркаса, сдвиговым деформациям и растрескиванию материала. Продолжительность выдержки более 12 ч экономически не выгодно. Умень5 шение температуры выдержки менее 850°С не выгодно, так как она оказывает влияние на образование кокса. Выдержку проводить при температуре более 870°С нецелесообразно, так как основная масса выделения

0 летучих ве цеств проходит до 870°С.

Продолжительность изотермической выдержки при 1170-1200°С менее 10 часов не обеспечивает выравнивание температурного поля в объеме заготовки и достаточно

5 полного завершения процесса усадки материала, влияющего на свойства графита. Продолжительность более 12 часов приведет к удлинению процесса обжига. Уменьшение температуры выдержки менее

0 1170°С не обеспечит высокую плотность материала, температуры более 1200°С нецелесообразна, так как все физико-химические процессы при карбонизации материала завершены.

5 Подъем температуры подсводового пространства между изотермическими выдержками (с 1 по 4) со скоростью менее 2,7; 3,2 и 1,8°С/ч согласно теоретическим исследованиям напряженно-деформированного со0 стояния материала увеличит время обжиг, а

более 3,2; 3,6 и 2.2°С/ч оказывает влияние

на формирование неоднородной структуры

материала и может привести к образованию

трещин.

5 Для увеличения плотности и прочности графита пропитанные пеком заготовки подвергают повторному обжигу. Скорость подъема температуры подсводового пространства до ее максимального значения менее 3.5°С/ч увеличит время обжига, и

более 3,8°С/ч нецелесообразна, так как приведет к. неоднородным усадочным и фи- зто-химмческим процессам, протекающим в пеке из-за высокой скорости нагрева.

Предложенный способ получения гра- фитовых мелкозернистых крупногабаритных заготовок на основе нефтяного кокса и каменноугольного пека подтверждается следующими примерами конкретного исполнения.

Пример 1. Крупногабаритные углеродные заготовки изготавливали на основе нефтяного кокса (ГОСТ 22896-78. 80% массы) и среднетемпературного пека (ГОСТ 10200-83. 20%т массы) размером: диамет- ром 350 нм и высотой 890 мм, Прессование проводили с применением гидростата при Давлении Р 600 кгс/см . дисперсность пресс-порошка 90 мкм. Заготовки загружали в жаропрочный контейнер размером 1400x1400x1600 мм и пересыпали подсушенным каменноугольным коксом (ГОСТ 11255-75) с содержанием фракций +3.0 и 0,5 мм не более 10%. На дно контейнера насыпали слой засыпки 150 мм, на него верти- кяльно устанавливали заготовки, расстояние от стены контейнера и между готовками 50 мм. Поверх загруженных заготовок наносили слой засыпки 200 мм. Кон- тейнеры с заготовками загружали в обжиговую газовую камеру и подвергали предварительной термообработке. Обжиг проходил в среде летучих пека. Процесс обжига вели по следующему графику: до 480°С не регламентируется, при 480°С изотерми- ческая выдержка 11 ч, от 480 до 640°С подь- ем температуры подсводового пространства со скоростью 3°С/ч, при 640°С выдержка 11 ч, от 640 до 860°С - со скоростью 3,4°С/ч, при 860°С выдержка 11 ч. от 860°С до 1185°С - со скоростью 2°С/ч, при 1185°С выдержка 11 ч. Заготовки после обжига охлаждали и загружали в емкости с решетчатым дном, затем помещали в шахтный бак-нагреватель и нагревали до 275°С в течение 3,5 ч. Нагретые заготовки помеща- ли в автоклав, где создавали вакуум не более 130 мм рт.ст., после чего в автоклав подавали жидкий пек под давлением до 5,6 «1г./см2. Пропитанные заготовки подвергали повторному обжигу, который вели с подъ- емом температуры подсводового рмстранства со скоростью 3,6°С/ч. Охлаждали заготовки в течение 50 ч до температуры 55°С. После повторного обжига заготовки графитировали до 2800°С в среде хлора.

Примеры 2-5 выполнены в соответствии с примером 1 и отличаются размерами заготовок, скоростью подъема температуры подсводового пространства, продолжительностью изотермической выдержки.

Результаты по примерам представлены в таблице.

Как видно из таблицы, наиболее приемлемым вариантом способа получения графитовых мелкозернистых крупногабаритных заготовок является пример Nh 1, где выход годной продукции по сравнению с прототипом выше на 38%, а плотность, предел прочности на сжатие на 3 и 9% соответственно. Несмотря на то, что данные по примерам 2 и 4 близки по своим значениям к данным примерам 1, их не следует рекомендовать для исследования в технологии получения графитового материала, из-за удлинения продолжительности процесса обжига.

Увеличение выхода годных заготовок по описанному способу, а также увеличение уровня физико-механических показателей материала предопределяет экономический эффект при использовании указанного материала в технологии.

Формула изобретения

1.Способ получения мелкозернистых крупногабаритных грэфитированных заготовок, включающий предварительный обжиг сформованных на основе нефтяного кокса и каменноугольного пека заготовки путем их нагрева с изотермическими выдержками до конечного значения температуры и выдержкой при этом температуре, последующую пропитку их пеком, повторный обжиг при подъеме температуры подсводового пространства до tc максимального значения и графитацию, отличающийся тем, что нагрев ведут до 1170-1200°С с изотермическими выдержками при 470-490°С, 630-6 0°С,850-870°С и конечной температуре в течение 10-12 ч каждая и со скоростью подъема температуры подсводового пространства между выдержками 2,7-3,2°С/ч, 3,2-3,6°С и 1;8-2,2°С/ч соответственно.

2.Способ по п. 1.отличающийся тем. что повторный обжиг ведут со скоростью подъема температуры 3.5-3,8°С/ч.

Технологические параметр, «ыход годных заготовок и сяойетм графите

Сущность изобретения: при получении графитовых мелкозернистых крупногабаритных заготовок путем предварительного обжига формованных заготовок с последующей их пропиткой пеком, повторным обжигом и графитацией, предварительный обжиг ведут с четырьмя изотермическими выдержками при 470-490,630-650,850-870 и 1170- 1200°С в течение 10-412 часов каждая, при этом скорость подъема температуры под- сводового пространства между выдержками поддерживают в пределах 2,7-3,2; 3,2-3,6 и 1,8-2.2°С/ч соответственно. Подъем температуры подсводового пространства при повторном обжиге пропитанных заготовок до максимальных ее значений ведут со скоростью 3,5-3,8°С/час. При использовании данного способа получения графитовых мелкозернистых крупногабаритных заготовок выход годной продукции, плотность и предел прочности на сжатие повысился по сравнению с прототипом на 38, 3 и 9%, соответственно. 1 з.п.ф-лы, 1 табл. со с