Способ изготовления тонкозернистого графита

 

Использование: изобретение относится к электродной подотрасли промышленности и может быть использовано при производстве конструкционного графита. Задачей изобретения является расширение сырьевой базы производства конструкционных мелко- и тонкозернистых графитов. Сущность изобретения: способ включает приготовление композиции, содержащей фильтровую пыль, каменноугольный пек и естественный графит, окисление композиции в воздушной среде, получение пресс-порошка, прессование заготовок, карбонизацию и графитизацию. Способ позволяет на 100% заменить кокс на фильтровке пылевидные отходы. 2 з. п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к электродной отрасли промышленности и может быть использовано при производстве конструкционного графита.

Известен способ получения графита большой прочности по которому композиционный материал нагревают до 200^oC, охлаждают, смешивают с термореактивной смолой 15-30% и отвердителем, прессуют, обжигают и графитируют [1] Однако этот способ не позволяет использовать отходы производства.

Известен способ изготовления среднезернистого графита с использованием в массе наполнителя следующих компонентов, мас.

Кокс 69-71 Пек 19-21 Коксовая фильтровая пыль 10 в т.ч. содержание тонкого помола (фракция (-0,09) мм) в конце до 30-35% [2] Увеличение содержания в массе наполнителя фильтровой коксовой пыли приводит к образованию брака по трещинам при термообработке на обжиге. Кроме того, этот способ не позволяет получить мелкозернистый графит.

Наиболее близкий к предлагаемому техническому решению является способ изготовления мелкозернистого графита, по которому компоненты шихты, мас.

Нефтяной кокс 65 Каменноугольный пек 30 Естественный графит 10 смешивают, охлаждают, дробят и изготавливают пресс-порошок, прессуют заготовки, обжигают, пропитывают каменноугольным пеком и графитируют [3] При использовании в шихте вместе с коксом пылевидных отходов электродного производства (фильтровой пыли) резко возрастает брак по трещинам.

В основу изобретения положена задача изготовления мелкозернистого графита на основе использования в шихте вместо кокса-наполнителя тонкодисперсной фильтровой пыли. Фильтровая пыль, которая собирается в электрофильтрах, представляет собой тонкодисперсный порошок кокса с содержанием фракции 0,09 до 99% Она не используется в производстве тонкозернистого графита, является отходами производства и вывозится в отвалы, загрязняя окружающую среду.

Решение указанной задачи в способе изготовления тонкозернистого графита, включающей приготовление композиции, содержащей графит, каменноугольный пек и мелкодисперсный углеродный наполнитель, ее измельчение, прессование заготовок, карбонизацию и графитацию, обеспечивается тем, что в качестве мелкодисперсного углеродного наполнителя используют фильтровую углеродную пыль и перед измельчением композицию окисляют путем нагрева в воздушной среде.

Способ в лучшем варианте реализуется следующим образом.

Компоненты массы дозируют в следующих количествах, мас.

Фильтровая пыль 63
Каменноугольный пек 32
Естественный графит 5
и смешивают.

Из полученной массы формуют заготовки, которые окисляют путем нагрева в воздушной среде до температуры 220^oC со скоростью нагрева 33-40^oС/час. После этого сформованные заготовки дробят, размалывают и из полученного таким образом пресс-порошка прессуют заготовки и проводят их высокотемпературную обработку (обжиг и графитацию).

Масса из фильтровой пыли и связующего с добавлением естественного графита предварительно окисленная по предлагаемому способу (с максимальной хемосорбцией кислорода), становится пригодной для производства высококачественного тонкозернистого графита.

Введение в шихту фильтровой пыли без операции окисления массы в неформованном виде или в сформованных из нее заготовок не позволяет получить тонкозернистый графит высокого качества, т. к. различная глубина диффузии кислорода в заготовку в процессе обжига обусловливает неоднородность окисления пека по глубине заготовки. Последнее приводит к появлению разноплотности по объему заготовки. В связи с тем, что температура плавления пека после окисления существенно повышается, а в заготовке имеются области как с окисленным пеком, так и с неокисленным, то изменяются условия деструкции пека в различных областях заготовки, что и приводит к появлению разноплотности и, как следствие, к браку по трещинам на стадии обжига заготовок и прессования.

Приведенное содержание компонентов шихты является оптимальным. Уменьшение содержания связующего и, следовательно, повышение содержания фильтровой пыли приводит к неполному смачиванию сухих компонентов шихты, недостаточности связей на границе связующее наполнитель, и, как следствие, к снижению физико-механических характеристик, а также к появлению трещин заготовок на стадии прессования. Увеличение же содержания связующего делает массу "жидкой", что затрудняет проникновение воздуха в процессе предварительного окисления как массы в неотформованном виде, так и сформованных из нее заготовок.

Таким образом, способ согласно изобретению позволяет полностью заменить нефтяной кокс на фильтровую пыль.

Описанный режим окисления массы является наиболее оптимальным применительно к проведению этой операции на монолитных отформованных заготовках. Предварительное формование массы, так называемый нудель-процесс, как известно, улучшает контакты зерен наполнителя со связующим, что позволяет получить пресс-порошок высокого качества и высокие физико-механические свойства графита. Отступления от режима нежелательны. При скорости нагрева выше 40^oC/час центральная область отформованной окисляемой заготовки сильно отстает по температуре от периферийных областей, что приводит к неравномерности окисления пека по объему к появлению разноплотности заготовок по объему в процессе обжига и, как следствие, к трещинам или снижению прочностных свойств. При скорости нагрева менее 33^oC/час увеличивается время процесса окисления, что нерационально. К тому же увеличиваются потери легкокипящих фракций пека, т. е. масса "подсушивается". В результате ухудшается прессуемость пресс-порошка. При сильном "высушивании" массы формование из пресс-порошка заготовок может оказаться вообще невозможным, так как происходит расслоение или растрескивание заготовок при прессовании.

При окислении массы в виде кусков 50-100 мм в поперечнике, полученных, например, в результате предварительного дробления заготовки, можно ускорить окисление массы до 55^oC/час и более.

Если же масса в виде кусков не подвергалась предварительно прессованию, то и в этом случае скорость окисления можно ускорить до 55^oC/час, но при хороших выходах годного свойства графита несколько снижаются. Это можно видеть на результатах опытов, приведенных в примере 3.

Таким образом, благодаря предлагаемому способу в совокупности признаков появляется возможность получить высококачественный тонкозернистый графит при полной замене дефицитного сырья (нефтяного кокса) отходами производства (фильтровой пылью).

Пример 1 (прототип).

В промышленную смесильную машину дозировали компоненты следующего состава, мас.

Нефтяной кокс 65
Каменноугольный пек 30
Естественный графит 5
содержание тонкого помола в коксе (размер зерен менее 0,09 мм) до 75%
Смешивание массы производили при температуре 120-130^oC в течение 2-х часов. Затем эту массу подавали на пресс и прошивным (экструзионным) прессованием получали заготовки диаметром 200 мм и длиной 1700 мм. Заготовки охлаждали в естественных условиях, затем их дробили и размалывали в пресс-порошок. Пресс-порошок прессовали холодным методом в глухую матрицу. Давление прессования составляло 55,0 МПа. Полученные заготовки обжигали, пропитывали каменноугольным пеком и графитировали.

Пример 2.

В промышленную смесильную машину дозировали компоненты в следующем соотношении, мас. для 1-го варианта фильтровая пыль 63,0; каменноугольный пек 32,0; естественный графит 5,0; для 2-го варианта соответственно 53,0; 42,0; 5,0; для 3-го варианта 68,0; 27,0; 5,0.

Смешивание массы производили при температуре 120-130^oC в течение 2-х часов. Затем массу экструзионным способом прессовали в заготовки диаметром 200 мм и длиной 1700 мм. Заготовки по 1 варианту нагревали до температуры 220^oС в токе воздуха по следующему режиму (см. табл. 1).

Заготовки по 2-му и 3-му вариантам нагревали до температуры 220^oC со скоростью 40^oC/час в токе воздуха и затем охлаждали. Далее заготовки дробили и размалывали в пресс-порошок. Пресс-порошок прессовали холодным методом в глухую матрицу. Давление прессования составляло 55,0 МПа. Полученные заготовки обжигали, пропитывали каменноугольным пеком и графитировали.

Пример 3
В смесильную машину дозировали компоненты в оптимальном соотношении. Смешивание массы производили при температуре 120-130^oC в течение 2-х часов. Затем массу после охлаждения дробили на куски 50-100 мм в поперечнике, после чего проводили окисление массы при температуре 220^oC в токе воздуха при следующих режимах нагрева (см. табл. 2).

Далее куски массы дробили и мололи для получения пресс-порошка. Заготовки прессовали холодным способом при давлении 55 МПа. Заготовки обжигали, пропитывали каменноугольным пеком и графитировали.

Результаты испытаний образцов представлены в таблице 3.

Пример 4
В промышленную смесильную машину дозировали компоненты следующего состава, мас.

Фильтровая пыль 63
Каменноугольный пек 32
Естественный графит 5
Смешивание массы производили при температуре 120-130^oC в течение 2-х часов. Затем массу подавали на пресс и прошивным прессованием получали заготовки диаметром 200 мм и длиной 1700 мм. Заготовки охлаждали в естественных условиях. Далее заготовки дробили, размалывали в пресс-порошок. Пресс-порошок прессовали холодным методом в глухую матрицу. Давление прессования составляло 55,0 МПа. Полученные заготовки обжигали, пропитывали каменноугольным пеком и графитировали.

Характеристики опытных образов представлены в таблице 3.

Из анализа таблицы следует, что оптимальное количество наполнителя фильтровой пыли в композицию является 63% а связующего 32% Оптимальная скорость нагрева композиции при термоокислении составляет (33-40)^oC в час. В то же время представляется целесообразным перед окислением массы проводить ее формование, что способствует повышению физико-механических свойств.

Предлагаемый способ позволят получить материал с высокой плотностью, низкой пористостью, без образования трещин в заготовках на переделе обжига.

От обработки каждых 1000 тонн фильтровых пылей может быть получено с учетом выхода годного до 500 тонн тонкозернистого графита.

За счет использования отходов производства одновременно достигается социальный эффект, снижение загрязнения окружающей среды.

Формула изобретения

1. Способ изготовления тонкозернистого графита, включающий приготовление композиции, содержащей графит, каменноугольный пек и мелкодисперсный углеродный наполнитель, ее измельчение, прессование заготовок, карбонизацию и графитацию, отличающийся тем, что в качестве мелкозернистого углеродного наполнителя используют фильтровую углеродную пыль и перед измельчением композицию окисляют путем нагрева в воздушной среде.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приготавливают композицию следующего состава, мас.

Естественный графит 5
Каменноугольный пек 32
Фильтровая углеродная пыль 63
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что окисление композиции проводят путем нагрева в воздушной среде до 220^oС со скоростью нагрева 33 40^oС/ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2