Способ изготовления легковесных изделий

 

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКОВЕСНЫХ ИЗДЕЛИЙ путем обработки исходного порошка вспучивакхцим реагентом , помещения его в замкнутую газопроницаемую форму с последукщим нагревом, отличающийся тем, что, с целью получения изделий из графита с повьшенными механическими характеристиками, нагрев проводят со скоростью 10-1000 с/с до 1200-2500°С. (Л

COOS СОЕ)ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

09) (И) 3Ш С 04 В 35/54

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Й AB7QPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21 ) 3271197 /29-33 (22) 30.03.81 (46) 15.11.83. Бюл. Р 42 (72) Л.С.Малей, А.С.Фиалксв и М.М.Малей (71) Всесоюзный научно»исследовательский и проектно-технологический институт электроугольных иэделий (53) 666.764.4(088.8) (56) 1. Патент Великобритании

)) 2011351 кл. С 04 В 35/54, 1979.

2. Патент Японии Р 54-33789, кл. С 01 В 31/04, 1979.

3. Патент Япойии 9 54"25913, кл. С 01 В 31/04, 1979.

4. Патент Австрии )) 306615, кл. С 04 В 21/00, опублик. 1973 (прототип), (54 ) (57 ) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКО

ВЕСНЫХ ИЗДЕЛИЙ путем обработки исходного порошка вспучивающим реагентом, помещения его в замкнутую газопроницаемую форму с последукщим нагревом, отличающийся тем, что, с целью получения изделий из графита с повышенными механическими характеристиками, нагрев проводят со скоростью 10-1000 С/с до

1200-2500 С.

1054ЗМ

Изобретение относится к химической технологии, в частности к процессу изготовления графитовых иэделий на основе порошка вспученного графита, и может быть использовано в химической и электроугольной промышленности при изготовлении высокопористых графитовых теплоизоляционных материалов и Фильтров.

Известен способ изготовления графитовых изделий с использова- 4 О нием вспученного графита, согласно которому для получения графитовых иэделий с повышенной упругостью частицы вспученного графита, расширение которого по оси С превы- j5 шает 10 раз, формуют под давлением в пресс-форме, сушат и подвергают нагреву до 500-2000 С. Для повышения характеристик изделия в вариантах способа во вспученный графит ;и вводят борную кислоту, волокна асбеста, углеродные волокна (1 ).

Недостатками известного способа являются многостадийность технологического процесса, необходимость применения прессового оборудования для Формования изделий. При изготовлении низкоплотных изделий зачастую происходит их разрушение ввиду упругих последствий в отформованной заготовке. Для обеспечения возможности эксплуатации низкоплотнсго изделия его необходимо дополнительно пропитывать упрочняющим составом, что приводит к возрастанию плотности изделия. Изготовление фасонпых изделий практически невозможно из-за их разрушения после снятия давления формования, Известен способ изготовления комбинированного графитового материала 4Î на основе вспученного графита, в котором исходный порошок гранулированного графита обрабатывают водным раствором фосфита алюминия, вызывающим набухание частиц графита, сушат и нагревают до увеличения объема более чем в 20 раз. Полученный вспученный графит помещают в пресс-форму и формуют иэделие 2 1.

5Î

Недостатками этого способа являются необходимость выполнения отдельной операции формования и трудность изготоВления низкоплотных иэделий из-за их разрушения после формования под воздействием упругих сил сжатых частиц графита.

Известен также способ получения графитового материала, обладающе"o упругостью, на основе набухшего графитового порошка. В соответствии с данным способом исходный графитовый порошок обрабатывают реагентами, вызывающими набухание и окисление частиц (iTMblBBIoT их избыток, полученйую MBc."

ry высушивают и подвергают прямому прессованию при нагреве в течение всего прессования. Для улучшения характеристик готового продукта в графит вводят борную кислОту, которая может быть добавлена либо в состав вызывающего набухание реагента, либо введена в виде раствора отдельно. Степень вспучивания частиц исходного графитового порошка должна быть не менее 5-400 раз, что обеспечивается управляемым процессом первичной обработки графита реагентами.

Количество вводимой борной кислоты достигает 3-15Ъ от массы вспученного графита, Ввиду того, что нагрев заготовки в момент прессования дости""àåò высоких (до 2000 С и выше ) температур, в готовом продукте присутствует карбид бора ° Полученный гибкий графитовый материал имеет плотность 1,7 — 2,2 г/смз, предел прочности при растяжении (б 16-45 МПа, модуль упругости 500-1000 MIIa u удельное электрическое сопротивление. (О, 5-5, 0 ) 10 Ом см СЗ ).

Недостатками данного способа являются необходимость применения мощ— ного прессового оборудования горячего прессования, а также высокая плотность получаемого продукта.

При снижении плотности иэделия его механические характеристики резко снижаются, что не позволяет получить изделие с плотностью меньше единицы при удовлетворительной прочности, а также сòàáèëèçèðîâàòü егo размеры и форму, Наиболее близким к изобретению является способ изготовления легковесных изделий путем обработки исходного порошка вспучивающим агентом, помещения его в замкнутую газопроницаемую форму и нагрева. За счет использования замкнутых Форм изделия oc>îðìëÿþòñÿ вследствие эффекта самоуплотнения порошков при Hp-греве С4 3.

Однако ни температура, ни скорости нагрева по данному способу не позволяют получить прочных легковесных иэделий из графита, Только для графитовых порошков повышение скорости нагрева приводит к положительным результатам и только в случае осуществления процесса их термического вспучивания. !

При повышении скорости нагрева хотя бы до 1-5 град./c при нагреве в замкнутой форме керамзитовой смеси происходит резкое снижение теплопроводности образующегося самосвяэанного керамзита, который теряет пластичность и подвергается хрупкому разрушению. Возникшие в готовом иэделии термические напряжения превышают его предел прочности

1054332 при растяжении и изделие растрескивается. удовлетворительные результаты получаются при скоростях нагрева не выше 10-50 град./мин, целью изобретения является получение изделий из графита с повышенными механическими характеристикаМН»

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовле-.

10 ния легковесных изделий путем обработки исходного порошка вспучиваю,щим реагентом, помещения его в замкнутую газопроницаемую форму с последующим нагревом, нагрев проводят 35 со скоростью 10-1000» С/с до 1200

2500 С.

В случае формования изделий из термически вспученного графита заметное возрастание механических ха- 2О рактеристик изделия наблюдается только начиная со скорости нагре ва 10 град./с, при скорости нагрева

10 град/с прочность изделия на изгиб достигает 5,8 MIIa, при скорости 25

400 град/c — 7,2 МПа, а при скорости около 1000 град./с — 8,1 МПа, Таким образом, в технически достижимых пределах скорости нагрева удается увеличить механические характеристики изделия более чем н

1,3 раза без усложнения процесса формования и использования какихнибудь дополнительных упрочнителей.

Сущность предложенного способа изготовления иэделий на основе вспученного графита заключается в использовании внутреннего давления, развивающегося в форме при вспучивании графитовых частиц. В процессе свободного вспучивания в открытом 4О объемЕ объем порошка увеличивается в 20-70 раз, в закрытой форме сохраНяется постоянным, однако происходит самоуплотнение частиц. Самоуплотнение порошка происходит по всему его 45 объему. При этом полученное изделие имеет изотропные свойства, пристенные эффекты отсутствуют. Так как в операции совмещены два процесса увеличение размера частиц и их вза- 50 имная упаковка в постоянном объеме, необходимое для связывания частиц давление резко снижается. B свои очередь изменение формы частиц при вспучивании, их подвижность и пластичность способствуют прочному сцеплению. Весьма важным фактором является то, что упругие напряжения в готовом изделии в условиях предложенного способа направлены внутрь, т.е. и сторону противоположную приложенному при формснании давлению. Благодаря этому отформованное иэделие даже при плотности 0,1

0,3 г/см не разрушается после извлечения из формы.

При сохранении главного принципа предложенного способа (самсуплоткения частиц под действием нспучивающих усилий в вариантах процесса возможно регулирование плотности пслучае»»ого изделия с сохранением изстропнссти свойств. Так, Например, исходный набухший порошок может быть предварительно уплотнен, В этом случае и форме происходит "термическая" допрессовка изделия, в процессе который восстананлинается изотропная структура, а плотность изделия увеличивается на 5-40%. Исходный набухший порошок может быть предварительно подвергнут гранулированию и таблетированию. В этом случае нсзможно, изменяя упаковку исходного материала в форме, регулировать внутреннюю макроструктуру материала зделия. При

Fi сбхсдимсс :-» Bg(бслызегс снижения плотности готового изделия набухш»»й гсрсшок в форме перед нагревом можно расположить с образованием свободного объема. В момент нагрева сначала происходит свободное расширение частиц, а по заполнении формы начинается :»х углотнение. 1:ак показали эксперименты, реализация способа позволяет получать сложные фасонные изделия именно благодаря самозаполнению формы при нагреве. Регулирование плотности и других характеристик изделия возможно также за счет изменения степени набухания частиц исходного порошка, однако этот прием более сложен и менее точен.

Хорошие результаты получаются при использовании индукционного нагрева порошка н керамической форме.

Для порошков графита частота, обеспечивающая равномерный разогрев всей загрузки с достаточной скоростью, составляет 8-100 кГц и зависит от объема азагрузки формы. В качестве материала формы могут быть использованы »»ористые шамотные материалы, пористы » высоксглиноземистый жаростойкий бетон, корунд, углеродная ткань, а также самосвязанные карбиды. Несмотря i»а высокую эффективность индукционного нагрева, технически более прост метод прямого нагрева порошка пропусканием тока.

В этом случае в керала»ческую форму вводятся электроды пс оси наибольшей длины»»здел»»я. Возможно введение нескольких электродов с переключен»»е»» их в процессе нагрева ° Многоэлектродные формы целесообразно использовать для изготовления иэделий сложной кон фигурации .

Во всех вариантах осуществления процесса важную роль играет удаление из формы образующихся газообразных продуктов. Необходимость их удаления определяется больши».и данлени1054332

БНИИПИ Заказ 9026/29

Тираж 6 22 Пс>дг и сное

Филиал ППП "Патент",г.у><город,ул.Проектная,4 л мн г а э с> в B ф О <) ие, ч т с;o,"< e? T и р и в е сти «< 1)аз<)у«>ели;о послед" ей, налич Ie газон в порошке затрудняет взаимну>о упаковку частиц, способ ствует обр аэо-., вакию внутренних пустот и каналов.

По указанным причинам осуществление

5 процесса нагрева в вакууме обеспечивает возможность повышения скорости нагрева порошка без значительного увеличения газового давления в форме и,,кроме того, позволяет применять формь« c:и".екьшей гаэопроницаемостью. Прин>«мая во вни->>ание высокие температуры нагрева, применение вакуума снижает тепловые потери и удельный расход электроэнергии. 5

Заметное улучшение качества готовых изделий достигается уже при небольших ра:«режениях в камере нагрева, капри. .Iep 1 . 10 " — 1 1 0 MM pT.

Проведение нагрева в вакууме, а охлаждение при oриальнои давлении при aa-.слнекии после нагрева камеры нагрева азотом или арго IQM снижает продо>« <."..тельность IlpoLlecca ка 20

30 В а удельный расхОд энергии на р5

4 0-50-„;-, 1

П р и и е р 1. Исходный порошок термически очищеккогo,цо содержания минеральных примесей менее 0,5 мас.S графита Тайгинского месторождения

3 < просеивают через сетку 0071. Hpoceянкый порошок смешивают с равным по Обьеиу количеством смеси концентрированной азотной и серной кислот, взятых в соотношении 1:9. Порошок 35 выдерживают Ь «ислотной смеси при

-«ериоди:ес«ом переиешивании B тече-. ние 12 ч. Полученную густу«о массу

Отфильтровывают, про>.ь«вают дистиллирога".->Ой водой и высушивают в Яо течение 1 ч гри 105 С на возду):е.

Сухой мсiT. e?lи ал pacTHpai<>T В ступке, Пороше.< иась«па>от в перф<орированную стальную форму прямауголькогo сечения 10 .10 ° 100 мм. Размер отверстий перфорации боковой поверхности формы составляет ми. Форму сверху закрывают крышкой с резьбовым соединением и вносят в предварительно нагретую муфельную печь с температурой 1200оС. Через 2 ми«« вь«деле««ие летучих из формы пре«<ращается„ а ее температура составляет 1200 С, Форму охлаждают в токе азота.

Извлеченный иэ формы брусок графита не имеет внешних дефектов, полностью воспроизводит кокфигурациэ) внутренне"о объема формы, легко режется ножо>л. Измеренная кажущаяся плотность изделия 0,22 г/см, проч IocT>= Ha изгиб 5,8 МПа, прочность прк сжатии 60

2 2 МПа ко ф«?и>п ек <епл-:;? » Од-. (- .<)сТН 0,8 Вт/ (и -К / .

Методом прессования пре> варит:. льIIo вспученного порошка rpa.i>I«та в колодкой пресс-форме получают аналогичное изделие только при пло::— ности 1,2 кг/си-, Минимальная плотность иэделия аналогичной фор..>ы при формовакии под давлением соьместно с ка -per«OI составляет

0,63 г/смЭ. Иэделие сопоставимой плотности f, О, 26 г/смэ <«олучен э при э а. <рыван ии -пресс-фор>.>ь> пуансоном беэ прило» ния давления, т.е, прак тически в условиях предложенного

".пособа, При pac«pr?!THI«пресс- *ие образца в его верхней час -и..

H p и м " p 2. Порошок, графита,. подготовленный так же как в прииере 1, засыпают в выполненную газопроницаемую форму из легковесного шаиотного кирпича. Внутренний объем формы имеет размеры циликдра диаметром 40 мм при длине 150 им. Днище формы выполнено из графита„ верхняя крышка также иэ графита. Поверхкость форма« снаружи упрочнена путем намотки стеклоткани. Заполненную и закрытую форму помещают между подвижными токоподводами длл обраэова:->IIÿ надежного электрического контак.та. Температуру нагрева контролируIoT платиновой термопарой, введенной в форму через отверстие в боковой поверхности, Нагрев осуществляют прямым пропус«<аниеи переиe««нoгo тО«а. Помещенный в форму порошок разогрев;ют до 1400 С за 3,5 с, после чего нагрев прекращают. Извлеченное иэ формы изделие имеет плотность

0,-24 г/см, прочность п1)и изгибе

7,2 МПа, пр,l сжатии 14,7 I Ha. Поверх кость иэделия повторяет все дефекты фор.>ь«, сечение ке имеет пустот и раковин.

П р и и е р 3. Порошок графита, изготовленного так же как в примере 1, засыпают в мешочек из углеродкои ткани ТГН-2М. Мешочек зашивают углеродкой нитью и помещают между токоподводами печи графитации РС-100. Злектродами с><ииают мешочек до образования пластины..Время нагрева 1-2 с, температура нагрева 2000-2500 С ° После охлаждения изв лека>от полученную пластину и измеряют ее плотность, которая составляет 0,32 г/си, прочность на изгибе

8,1 >!Па.

Таким образом, данный способ позволяет увеличи:ь механическую прочность в 1,3 раза.