Получение углеграфитовых материалов

Для производства всех видов углеграфитовых материалов применяют искусственные и естественные материалы, в которых главной составной частью является углерод.

К естественным материалам относятся антрациты и натуральные графиты. Основную же массу углеродистых материалов (преобладающую по своему количественному применению и фактическому значению) составляют искусственно приготовленные материалы. Различные формы углерода получают чаще всего разложением органических веществ. Они могут образовываться из газовых и жидких фаз, а также разложением твердых соединений. Примером образования из газовой фазы могут служить некоторые сорта сажи, из жидкой – нефтяные коксы. Исходные материалы и способы их переработки оказывают решающее влияние на свойства сырьевых материалов.

Графиты, или, точнее, графитовые материалы, разделяются на две большие группы: явнокристаллические и скрытокристаллические. Внутри каждой группы они разбиваются на отдельные виды в зависимости от взаимного расположения кристаллов.

К явнокристаллическим графитам относятся чешуйчатые и плотно кристаллические натуральные графиты, а также доменный графит, который выкристаллизовывается из чугуна во время его охлаждения. Они состоят из кристаллов со средним размером больше 1 мкм, т.е. видимых невооруженным глазом. Чешуйчатые графиты состоят из отдельных кристаллов или параллельных сростков, имеющих форму пластинок или листочков. Чешуйки графита в разных месторождениях могут отличаться по величине и отношению ширины к толщине. Эти различия сказываются на технических свойствах. Наиболее ценны тонкие чешуйки, так как их порошки наиболее пластичны.

Скрытокристаллические графиты иногда называются аморфными. Они состоят из кристаллов, имеющих размер 10 –10-6 см, т.е. в плотной массе неразличимы под микроскопом. Средний размер кристаллов у типичных представителей скрытокристаллических графитов 0,01–0,1 мкм.

Для производства искусственного графита используют нефтяной кокс (наполнитель) и каменноугольный пек (связующее). Кокс дробят до небольших кусков, прокаливают, измельчают и рассеивают на определенные фракции. Пек и измельченный кокс в определенном соотношении смешивают в обогреваемых смесильных машинах. Далее для придания изделию определенных размеров, формы и плотности приготовленную массу подвергают прессованию. Заготовки прессуют на продавливающих прессах или в пресс-формах, обжигают, а затем графитируют при температуре 2400– 3000°С. Режим обжига выбирают в зависимости от заданных свойств конечного продукта. Так, для получения более плотных и прочных графитированных материалов обожженные заготовки пропитывают один или несколько раз пеком в автоклавах, после чего каждый раз вновь обжигают.

Структура графита определяется характером структуры исходного угля и температурой графитации: чем плотнее структура и выше температура, тем крупнее кристаллы в искусственном графите. Ориентировка кристаллов та же, какой она была в исходном угле.

В промышленности натуральные графиты получают из природных руд. Для превращения графитовой руды в товарные сорта графитовых материалов ее подвергают обработке. Скрытокристаллические графиты обогащают рудоразборкой и измельчают, иногда к ним применяют обогащение по методу избирательного измельчения. Этим путем можно получить концентраты с зольностью около 3%. Руды явнокристаллических графитов обогащают методом флотации. Они обогащаются сравнительно хорошо и дают концентраты с зольностью 5–10%. Главными показателями качества

промышленных марок графита служат зольность и гранулометрический состав. Их достаточно только в том случае, если речь идет о графите определенного месторождения и способа изготовления, так как при одинаковом их значении графиты разного происхождения могут значительно отличаться по другим свойствам.

Особое место среди углеграфитовых материалов занимает пиролитический графит. По ряду своих свойств он значительно превосходит обычный поликристаллический графит. Например, у него разница в значениях теплопроводности в различных направлениях достигает 2000. Известно два способа получения пирографита: карбонизацией, т.е. пиролитическим разложением углеродосодержащих материалов в конденсированной фазе, и осаждением углерода, т.е. гомогенным или гетерогенным разложением углеводородных газов и паров.

Для получения пирографита используют бензол, толуол, метан, природный газ и т.д. Температуры пиролиза и давление в печи колеблются от нескольких сотен градусов до 2500–3000°С и от атмосферного давления до 10-6 мм рт. ст.