Вуглеграфітових матеріалів

ВСТУП

Всі види вуглеграфітовихматеріалів виробляються на основі вуглецю. Асортимент виробів вельмичисленний, а кожен вид характеризується оригінальними властивостями.

Основну роль у створеннітакого різновиду виробів грають насамперед вуглецеві речовини,зустрічаються в різноманітних формах, а також їх складна технологічнапереробка.

Пояснення великимрізноманітності фізичних властивостей різних видів вуглецевих матеріалів слідшукати в різній угруповання окремих кристалів, а також в специфічностікристалічної решітки графіту. Властивості готового продукту залежать не тількивід молекулярної, але і від дисперсної структури. Тому в залежності від ступенядисперсності, вироби будуть володіти різними властивостями навіть при великомусхожості в молекулярному складі.

1. Структура кристалаГрафіту

Структура графіту складаєтьсяз безперервного ряду шарів паралельних підстав площині гексагональнопов'язаних атомів вуглецю. Структура графіту є типовим прикладомшаруватої решітки. Кожна сітка (шар) товщиною в один атом являє собоюодну молекулу, що простирається через весь кристал.

Рис. 1 Кристалічнаструктура графіту: а) модель графіту, б) взаємне розташування шарів вгексагональної структурі

Дві структури характернідля графіту: гексагональна і ромбоедрична. В обох структурах основнимелементом є плоска сітка. Розташовуючи ці плоскі сітки в тій чи іншійзакономірності, можна створити ту чи іншу структуру графіту. Відстань міжшарами як в одній, так і в інший ідеалізованої структурі однаково.Отже, обидві структурні різновиди графіту будуть відрізнятися один відодного тільки закономірністю послідовного розташування плоских сіток.

В одній і тій же масіможуть бути присутніми обидві структури графіту. Причому найбільш поширеноює гексагональна структура, яка міститься в будь-якому графітовомуречовині (більше 80%). При високій температурі (більше 200 0 С)ромбоедрична модифікація перетворюється в гексагональну, чим і пояснюється,що штучні графіти складаються майже повністю з гексагональноїмодифікації.

Розташування плоскихшарів в гексагональної структурі підпорядковано наступної закономірності: двасусідніх шару зміщені один по відношенню до іншого на 14,17 нм, але впротилежну сторону. Отже в шарах, розташованих через один шар,атоми вуглецю будуть розташовуватися строго один під іншим. Якщо один шарпозначити через "А", а інший через "В", то послідовністьупаковки можна представити символом АВАВАВ .... На рис. 1 показана проекція такоїупаковки шарів.

Елементарною осередкомгексагональної структури графіту є пряма призма, в основі якоїлежить правильний ромб. Теоретична щільність при даній модифікації дорівнює2265 кг/м 3 .

Інша ідеалізованаструктура графіту, ромбоедрична, також складається з плоских шестикутнихсіток і також кожен шар по відношенню до іншого зрушать на 14,17 нм. Однакзакономірність чергування шарів інша. Якщо в гексагональної структурі єшари "А" і "В" в двох різних положеннях, то вромбоедричної структурі ці шари мають три різних положення. За аналогією зпопереднім, ромбоедрична решітку можна представити пакувальним символомАВСАВС ... або в кожному третьому атомі шарі атоми вуглецю розташовуються точно підпершим. Обробка гарячими сильними кислотами призводить до перебудови атомнихшарів і придушенню ромбоедричної структури з утворенням гексагональної.

2. КЛАСИФІКАЦІЯ ІЗАСТОСУВАННЯ вуглеграфітових матеріалів

Ще в недалекому минулому впромисловості вироблялися в основному для електротермічних іелектролітичних процесів, а також дрібні вироби електротехнічногопризначення - Електроуглі різних типів. В останні роки в електродної та електровугільніпромисловості освоєно широкий асортимент нових видів виробів з вугілля та графітуі дуже розширилися області їх застосування, що зажадало чіткої класифікаціївиробів.

Всі види вуглеграфітовихматеріалів можна розділити на наступні сім класів: електродні вироби,вогнетривкі вироби, хімічно стійкі вироби, електровугільні вироби,антифрикційні вироби, графітовані блоки і деталі для атомної енергетики,електродні маси.

2.1 ЕЛЕКТРОДНІ ВИРОБИ

Електродами називаютькінці струмопровідної проводки, які служать для введення струму в робочепростір різних приладів, печей, електролізерів.

Всі види електроднихматеріалів, які виробляє електродна промисловість, поділяються на чотиритипу: вугільні, коксові, графітові і графітовані.

До вугільним електродіввідносять такі, для виготовлення яких в якості основної сировини застосовуютьантрацит. Ці електроди характеризуються високою зольністю, високоюелектричним опором і низькою теплопровідністю.

Коксові електроди виготовляютьз малозольних коксів, вони характеризуються низькою зольністю (нижче 1%),високим електричним опором і малою теплопровідністю.

Графітові електродивиготовляють на основі природного і штучного графіту. Їх виробляютьнатомість вугільних.

графітованих електродіввиготовляють з малозольних коксів і піддають графітації, звідки івідбувається їх назва. Вони характеризуються низьким вмістом золи, володіютьвисокою теплопровідністю і електропровідністю.

Електродна продукція широкозастосовується у виробництві якісних сталей, алюмінію, штучнихабразивів, кольорових металів та ін Найбільшими споживачами єсталеплавильна, алюмінієва і хімічна промисловості.

У алюмінієвоїпромисловості при проведенні процесу електролізу оксиду алюмінію найважливішоюдеталлю електролізера є струмопровідна подини, яка повністювиготовляється з вугільних блоків. З таких же блоків викладаються бічністінки.

У хімічнійпромисловості графітові аноди головним чином застосовуються при електролізірозчину хлористого натрію.

2.2 вогнетривких виробів

Вуглецеві матеріалишироко застосовуються в будівництві самих різних типів печей, де вони зуспіхом замінюють застосовувалися раніше різні вогнетривкі матеріали. При високихтемпературах вуглецеві матеріали в силу їх специфічних властивостей тавідносної дешевизни незамінні при будівництві електричних печей іінших теплових агрегатів.

Найбільша кількістьвогнетривких вуглецевих матеріалів застосовується при будівництві доменнихпечей. Вуглецеві вогнетриви значно збільшують тривалість службипечі, забезпечують безпеку роботи, спрощують конструкцію печі і т.д.Переваги вуглецевих вогнетривів перед шамотнимі полягають у тому, що вонидобре протистоять агресивної дії рідкого чавуну і шлаків. Вугільніблоки мають більш високу теплопровідність, що покращує теплопередачу. Воникраще чинять опір стирання, ніж шамотна цегла.

Вугільні блокивиготовляють із застосуванням антрациту, за своїми характеристиками вони схожі звугільними електродами.

Серед дрібних фасоннихвогнетривких виробів слід назвати графітові човники для виробництва твердихсплавів, тиглі для плавки різних сплавів і т.д. До нових видів виробіввідносяться тиглі, човники та виливниці для плавки надчистих металів. Цівироби виготовляють з особливо чистих графітових матеріалів.

2.3 хімічно стійкіВИРОБИ

При невисокихтемпературах вуглеграфітових матеріалів вельми стійкі до впливубільшості хімічно агресивних речовин. Вони помітно руйнуються тількигарячими розчинами сильних окислювачів. Крім високої корозійної стійкості,графіт володіє іншими цінними властивостями: гарною теплопровідністю, малоюкоефіцієнтом теплового розширення і стійкістю до різких змін температури, атакож здатністю не адсорбувати накип і забруднення інших металевих інеметалевих речовин, які містяться в агресивних середовищах. Ці властивостіроблять графіт незамінним матеріалом для виготовлення різних деталей іапаратів хімічної промисловості.

Всі види вуглеграфітовихматеріалів достатньо міцні і добре обробляються різальним і шліфуютьінструментом, що дозволяє щільно приганяти деталі апаратури і навітьвиготовляти точні деталі.

Ці властивості роблять графітхорошим конст...руктивним матеріалом для виготовлення теплообмінної апаратури. ВНині холодильники і нагрівачі з графіту успішно застосовуються вбільшості виробництв з агресивними середовищами.

У промисловості широкозастосовуються хімічно стійкі вугільні і графітові плитки для футеровкирізних апаратів.

Широке застосування знайшливуглеграфітових деталі для хімічної апаратури: форсунки і сопла длявпорскування з розпиленням рідин, пробкові крани, деталі для насосів татрубопроводів, фітинги, кільця Рашига для насадок ит.д. У промисловій практицізнаходять широке застосування пористі вуглеграфітових матеріалів. Найбільшийінтерес представляють вугільні фільтри.

2.4 електровугільніВИРОБИ

Це, в основному, різніе дрібні вироби електротехнічного призначення. Сюди відносять: щітки дляковзних контактів електричних машин, освітлювальні вугілля для дугових ламп -прожекторів, вугілля для спектрального аналізу та гальванічних елементів,зварювальні вугілля для зварювання та різання металів, вугільні опору - шайби ідиски для регуляторів напруги і вугільних реостатів, вироби дляелектровакуумної техніки. Щіткою називається зовнішній елемент ковзногоконтакту електричних машин. В даний час їх виготовляють із сумішікоксу, сажі, невеликих кількостей графіту і зв'язувальних речовин. Технологічнийпроцес їх отримання закінчується операцією випалу. Освітлювальні вугіллязастосовуються для різних цілей. Найбільшого поширення вони знайшли впрожекторних установках, в дугових лампах мікроскопів, осцилографів, всвітлокопіювальних приладах і при проведенні спектральних аналізів. Всіосвітлювальні вугілля використовують у дугових джерелах світла. При зближенні вугілля вВнаслідок короткого замикання виникає струм великої сили, внаслідок чого накінцях вугілля виділяється велика кількість тепла, на одному з них - катоді -з'являється розпечене катодне пляма, яка є джерелом потоку електронів.Прямують до анода електрони іонізують нейтральні молекули й атоми.Утворюється електрична дуга, один з видів проходження електричного струму вповітряному середовищі.

2.5 АнтифрикційніВИРОБИ

Добре відомо, щографіт має властивість самосмазиваемості, тобто здатністю в парі зметалом забезпечувати при терті малий знос і низький коефіцієнт тертя безподачі будь - якої додаткової змазки. Це властивість графіту і використаноу виробництві вуглеграфітових антифрикційних матеріалів. Поведінка графіту впроцесі тертя визначається властивостями його кристалів: легкої расщепляемостьпо площинах спайності і здатністю міцно прилипати до тертьовихповерхням. Міцна зв'язок графітової плівки з площинами тертяздійснюється за рахунок ненасичених зв'язків, що виникають при розщеплюваннікристаликів графіту. Вуглеграфітових матеріалів застосовуються як вкладишірадіальних і упорних підшипників, направляючих втулок, пластин, поршневихкілець, поршневих і радіальних ущільнень у різноманітних машинах, приладах імеханізмах. Переваги цих матеріалів полягає в їх здатності працюватибез змащення в умовах високих і низьких температур, а також при дуже високихшвидкостях, в агресивних середовищах і т.д.

3. Сировинні матеріали

Для виробництва всіхтипів вуглеграфітових матеріалів застосовують штучні та природніматеріали, в яких головною складовою частиною є вуглець.

До природним матеріаламвідносяться антрацити і натуральні графіти. Основну ж масу вуглецевихматеріалів (переважну за своїм кількісним застосуванню і фактичногозначенням) становлять штучно приготовані матеріали.

Різні форми вуглецювиходять розкладанням органічних речовин. Вони можуть утворюватися згазової або рідкої фази, а також розкладанням твердих сполук. З газовоїфази утворюються, наприклад, деякі сорти сажі, а з рідкої - нафтового коксу.Вихідні матеріали та способи переробки їх мають вирішальний вплив навластивості сировинних матеріалів.

Всі сировинні матеріали,застосовувані для виробництва вуглеграфітових матеріалів, можна розділити на двіосновні групи: тверді вуглецеві матеріали та речовини, що пов'язують.

3.1 твердого вуглецевогоМАТЕРІАЛИ

3.1.1 АНТРАЦИТ

Антрацит - основнийкомпонент вугільних електродів і вугільних блоків для кладки і футеровки печей,ванн та ін Використання антрациту в композиціях покращує експлуатаційнівластивості виробів, головним чином, термостійкість. У порівнянні з коксом,антрацит дає можливість отримувати більш міцні й електропровідні вироби.

Основні вимоги доякістю антрациту - висока електропровідність, механічна міцність,термічна стійкість, низька зольність і сірчистість.

При нагріванні антрацитисхильні до розтріскування, причому чим швидше піднімається температура, тим різкішепроявляється розтріскування. При одній і тій же швидкості нагрівання руйнуванняантрациту тим більше, чим менше ступінь метаморфізму. Найбільшою термічноїстійкістю (тобто найменш руйнуються при тепловому ударі) володіють високометаморфізованих антрацити з щільністю органічної маси більш 1460 кг/м 3 .

Крім ступеняметаморфізму на термостійкість антрациту впливають структурні особливості.Макроскопічні антрацити литого будови з добре чи слабо вираженимраковістим зламом, як правило, виявляються термічно нестійкими.

Незважаючи на зовнішнюоднорідність, антрацит за своєю структурою є складним конгломератом.Тільки невелика частина зольних домішок розподілена рівномірно в углистомречовині, значна ж частина зольних домішок розподілена нерівномірно.Велика їх частина зосереджена в тонких прошарках і окремих включеннях.

У виробництвіелектродних та електровугільних виробів застосовуються донецькі антрацити, якіза своїми властивостями задовольняють вимоги промисловості. Для отриманнявиробів високої якості необхідно, щоб антрацит мав максимальневміст вуглецю при мінімальній кількості баласту у вигляді золи, сірки тавологи.

3.1.2 ГРАФІТ

Графіт застосовують ввиробництві більшості вуглеграфітових матеріалів. Роль, яку вони виконуютьв технології цих матеріалів, різна. При виробництві електродів введенняграфіту в масу покращує її пластичність, знижує внутрішнє тертя маси, атакож тертя об стінки контейнера і мундштука, що забезпечує отримання більшщільних виробів. У цьому випадку вводиться невелика кількість графіту (4 - 6%),але навіть така кількість впливає на збільшення електропровідності,теплопровідності і термостійкості електродів.

Головним показникомякості промислових марок графіту служать зольність і гранулометричнийсклад. Ці показники достатні тільки в тому випадку, якщо мова йде про графітіпевного родовища і способу виготовлення, так як при однаковому їхзначенні графіти різного походження можуть сильно відрізнятися за іншимивластивостям.

Натуральні графітимістять домішку мінералів, не повністю видалених при збагаченні руд. Цими мінераламиє силікати, кварц і кальцит. З домішок, що вносяться при збагаченніграфітових руд, слід назвати флотаційні реагенти - головним чином масло,металеве і окислене залізо, що потрапляє в графіт під час розмелювання вмлинах. Ці домішки помітно впливають на такі властивості графітових матеріалів,як електропровідність і здатність пластифікувати електродний масу.

3.1.3 КОКС

Кокс - один з найважливішихвидів сировини для електродного та електровугільного виробництва, особливо дляграфітових виробів та Електроуглі.

Виробляється два видималозольних коксів: нафтові і пекові. Перші отримують коксуванням нафтовихзалишків, другі - переробкою на кокс кам'яновугільного пеку.

Нафтові коксу виходятьпри коксуванні різних нафтових залишків. Властивості нафтових коксів залежатьголовним чином від виду вихідної сировини. Тому нафтового коксу розділяють породу нафтових залишків, з яких вони виходять, на дві групи: крекінгові іпіролізні. У межах кожної з цих груп доводиться розрізняти ще деякірізновиди, тому піроліз і крекінг виробляються різними способами ззастосуванням різної апаратури і різному температурному режимі, що вЗначною мірою впливає на властивості і склад отриманих зал...ишків.

Різна мікроструктурапіролізного і крекінговий коксів суттєво впливає на технологічні умовивиробництва виробів з цих коксів. Велика кількість закритих мікропор вкрекінговий коксі ускладнює пресування, веде а утворення у виробах тріщинпісля зняття навантаження.

В даний часвиробництво нафтових коксів здійснюється в основному двома способами:коксування в металевих обігріваються кубах і уповільнене коксування внеобогреваемих камерах.

Рис. 2 Принциповасхема установки сповільненого коксування: 1 - коксові камери; 2 -нагрівальна піч; 3 - ректифікаційна колона; 4 - холодильник -конденсатор; 5 - газосепаратор; I -фракцій.Апарат

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇЛІТЕРАТУРИ

1.

2.1972.

1979

4.