Способ получения фольги из расширенного графита и установка для его осуществления

 

Изобретение относится к производству углеродных материалов, в частности к технологии получения графитовой фольги с регулируемым распределением плотности. Способ получения графитовой фольги заключается в подаче частиц расширенного графита в потоке газа-носителя при расходе расширенного графита 0,1-0,5 кг на 1 м³ газа, воздействии на расширенный графит колебаниями с частотой 5-10 Гц и двухкратной прокатке уплотненного колебаниями слоя расширенного графита с промежуточным отжигом. Установка для получения графитовой фольги содержит последовательно установленные камеру для расширения графита со средством для удаления газов и поддержания в камере атмосферного давления, днище камеры выполнено с возможностью вертикального перемещения, в нем имеются параллельные прорези, днище подсоединено к вибратору низкочастотных колебаний и размещено над горизонтально расположенным ленточным транспортером, второй ленточный транспортер по отношению к первому под углом 5-15^o, печь для отжига и вала для прокатки, причем днище камеры выполнено плоским с загнутыми вверх краями с радиусом закругления 1,0≅R≅50 мм или имеет другую более сложную конфигурацию. Повышается однородность и прочность фольги, упрощается способ и установка, возможно получение фольги с распределением плотности. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к производству углеродных материалов, в частности к технологии получения графитовой фольги, используемой в атомной и химической промышленности, теплоэнергетике и т.д.

Известен способ получения графитовой фольги из расширенного графита со степенью расширения, по меньшей мере, 80 раз, заключающийся в подаче расширенного графита на движущуюся ленту и двухстадийной прокатке с промежуточным отжигом. В результате получают фольгу с плотностью 0,08-2,19 г/см³ и прочностью на разрыв 1,76-22,5 МПа [1]. Недостатком способа является недостаточная прочность и однородность фольги при плотности 1,1-1,3 г/см³.

Известен способ получения графитовой фольги, заключающийся в предварительной обработке исходного графита парами боросодержащего соединения при 1700-3000^oC, последующей химической обработке графита окислительной смесью, термообработке окисленного графита и прокатке расширенного графита. В результате получают графитовую фольгу, содержащую примесь бора и имеющую повышенную прочность [2] . Недостатком способа является энергоемкость и неэкономичность процесса. Кроме того, фольга имеет недостаточную однородность.

Известен способ получения графитовой фольги, заключающийся в обработке природного графита окислительным раствором с редокс-потенциалом раствора 1,1-1,8 В, дальнейшей термообработке окисленного графитового при температуре не менее 700^oC в камере нагрева при распылении его в потоке газа-носителя с последующей подачей потока в камеру разрежения и двухкратной прокатке с промежуточным отжимом. В результате получают фольгу с плотностью 0,5-1,4 г/см³ и прочностью 3-11 МПа [3]. Недостатком способа является его малая производительность, а также невозможность получения графитовой фольги с регулируемой плотностью по длине и ширине.

Известен способ получения фольги из расширенного графита и установка для его осуществления, являющимися наиболее близкими решениями. Способ заключается в подаче частиц расширенного графита в камеру с одновременным ориентированием их посредством передачи им колебательного движения в направлении перемещения частиц с частотой 25-50 Гц и ускорением вибрации 1,2-3,5 g. При формировании плотного слоя частиц из расширенного графита (мата) частицы подвергают уплотнению посредством колебательного движения и пульсирующего давления в направлении, перпендикулярном движению, затем мат подвергают двухстадийной прокатке с промежуточным отжимом при 900^oC. Полученная фольга имеет прочность на разрыв 3,7-4,0 МПа [4]. Установка содержит камеру для расширенного графита, имеющую сквозные каналы и снабженную вибратором, вибропресс для формирования мата с выходным отверстием, ленточный транспортер, валы для прокатки мата, печь для отжига и вторую пару валов для прокатки и получения фольги нужной толщины и плотности [4].

Указанные способ и установка имеют существенные недостатки: способ очень сложен в аппаратурном оформлении в связи с операцией формирования мата; высокая температура отжига приводит к выгоранию материала и накладывает ограничения на выбор материалов для изготовления движущихся частей установки. Способ не позволяет получать фольгу с высокой прочностью и однородностью. Установка имеет недостаточную производительность и не позволяет получать фольгу шириной более 50 мм. Кроме того, установка требует больших энергозатрат, что удорожает производство фольги.

Задачей изобретения является упрощение процесса и установки, повышение производительности способа, повышение однородности и прочности фольги из расширенного графита, а также получение фольги с определенным распределением плотности.

Задача решается способом получения фольги из расширенного графита, включающим подачу частиц расширенного графита в камеру, уплотнение частиц расширенного графита посредством передачи им колебательного движения в направлении, перпендикулярном направлению движения частиц и приложения давления, прокатку слоя из расширенного графита с промежуточным отжигом уплотненного слоя расширенного графита, в котором частицы расширенного графита подают в камеру в потоке газа-носителя при расходе расширенного графита 0,1-0,5 кг на 1 м³ газа-носителя и на выходе из камеры на частицы расширенного графита воздействуют колебаниями с частотой 5-10 Гц при поддержании давления в камере, близкого к атмосферному.

Задача решается также установкой для осуществления способа, содержащей последовательно установленные камеру для расширенного графита со средством воздействия на частицы расширенного графита колебаний, ленточный транспортер, валы для прокатки слоя расширенного графита и печь для отжига уплотненного слоя расширенного графита, в которой камера снабжена средством для удаления газов и поддержания в камере давления, близкого к атмосферному, днище камеры выполнено с возможностью вертикального перемещения, в нем выполнены параллельные прорези, днище подсоединено к вибратору низкочастотных колебаний и размещено над горизонтально расположенным ленточным транспортером, второй ленточный транспортер установлен по отношению к первому под углом 5-15^o; дополнительно днище камеры выполнено плоским с загнутыми вверх краями с радиусом закругления 1,0≅R±50 мм, прорези днища имеют прямоугольную форму при соотношении размеров сторон от 50 до 150.

Согласно изобретению, расход расширенного графита (РГ) составляет 0,1-0,5 кг на 1 м³ газа-носителя. Изменение расхода в ту или иную сторону нецелесообразно, так как уменьшение снижает производительность, а его увеличение приводит к неравномерному распределению частиц расширенного графита при формировании мата и неоднородности графитовой фольги.

В камере частицы расширенного графита отделяются от сопровождающих их газов путем отсоса газов через газонепроницаемую перегородку. Отсос ведется в режиме, предусматривающем поддержание в камере давления, близкого к атмосферному. Избыточное давление внутри камеры препятствует равномерному формированию слоя расширенного графита и приводит к неоднородности фольги. Кроме того, возможен неконтролируемый вынос частиц расширенного графита из камеры через прорези днища, что приводит к потерям расширенного графита и нарушает экологию рабочей зоны.

Пониженное давление, возникающее при очень активном отсосе газов также приводит к ухудшению условий формирования слоя расширенного графита, так как подсасывание воздуха из атмосферы разрыхляет мат, способствуя неоднородности фольги и снижению ее качества.

Подача расширенного графита в камеру в потоке газа позволяет поддерживать частицы расширенного графита в дезинтегрированном состоянии, препятствуют их сцеплению, улучшает их сыпучесть, что благоприятно влияет на равномерное распределение частиц расширенного графита в слое при формировании мата. Для поддержания такого состояния полезно также на стенки камеры дополнительно воздействовать УЗ колебаниями с частотой 20-28 кГц.

Расширенный графит после отделения избыточных газов попадает на днище камеры, в котором выполнены прорези. Через прорези расширенный графит поступает на горизонтальную транспортерную ленту и образует там слегка уплотненный равномерный слой с объемной плотностью, в 1,2-3,0 раза превышающей плотность исходного расширенного графита.

Для уплотнения и равномерного распределения частиц расширенного графита в слое на начальной стадии формирования мата на днище камеры накладывают колебания с частотой 5-10 Гц. Частота <5 Гц приводит к разрушению монолитности, непрерывности слоя расширенного графита, в слое возникают разрывы, что отрицательно сказывается на однородности и прочности фольги. Частота > 10 Гц также нецелесообразна, так как создает динамические воздушные потоки и приводит к неоднородности слоя расширенного графита по высоте и в дальнейшем к ухудшению свойств готового материала. Кроме того, она способствует измельчению частиц расширенного графита и появлению в воздухе рабочей зоны мелкодисперсной графитовой фольги.

Указанный диапазон частот (5-10 Гц) колебаний днища передает частицам расширенного графита скорость (с ускорением < 1 g), достаточную для псевдосжижения, которое необходимо для получения однородного слоя при формировании мата. Псевдосжижение способствует не только равномерному распределению частиц расширенного графита, но их уплотнению в 1,2-3,0 раза.

Установка имеет приспособление, позволяющее легко, удобно и просто регулировать высоту формируемого для прокатки слоя расширенного графита. Это возможно благодаря вертикальному перемещению нижней части камеры вместе с днищем на расстоянии от 0 до 150 мм. В днище выполнены параллельные прорези прямоугольной формы с соотношением размеров сторон 50-150. Именно такая геометрия прорезей в сочетании с низкочастотными колебаниями способствует равномерному распределению частиц расширенного графита на ленточном транспортере и формированию однородного мата.

Днище может быть выполнено с плоским основанием и загнутыми вверх краями с радиусом закругления 1-50 мм. Такая конфигурация днища обеспечивает получение фольги с одинаковой плотностью по краям и в основной части графитовой ленты или получение фольги с повышенной плотностью по краям. Причем в зависимости от насыпной плотности расширенного графита радиус закругления может меняться от 1,0 до 50 мм.

В общем случае за счет конфигурации днища возможна регулировка профиля слоя расширенного графита и получение графитовой фольги с определенным распределением плотности и прочности по ширине. Вертикальным перемещением днище, осуществляемым в определенном режиме, можно регулировать высоту слоя расширенного графита по длине (в направлении перемещения транспортерной ленты) и получать фольгу с заданным распределением плотности по длине фольги.

Следующая стадия процесса формирования мата заключается в передвижении слегка уплотненного вибрацией слоя расширенного графита между двумя транспортерными лентами, установленными друг по отношению к другу под углом 5-15^o. Изменение величины угла в ту или иную сторону не рационально, т.к. его уменьшение снижает производительность установки, а увеличение приводит к неравномерному захвату расширенного графита, равномерность слоя нарушается, что в конечном итоге отрицательно влияет на однородность фольги. Далее мат проходит через отжиговую печь с температурой 400-500^oC, прокатывается между валами и скручивается в рулон.

На фиг. 1 представлена общая схема установки; на фиг. 2 - разрез камеры А-А; на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 2; на фиг. 4 - различные варианты сечения Б-Б фиг. 2.

Установка содержит последовательно установленные камеру 1 для расширенного графита, снабженную газопроницаемой перегородкой 2 для отсоса газа-носителя и патрубком 3 для подачи расширенного графита, подвижным днищем 4 с выполненными в нем щелевидными прорезями 5; камера снабжена приспособлением 6, позволяющим осуществлять перемещение ее нижней части вместе с днищем 4 по вертикали, а также средством (вибратором) 7 для передачи днищу 4 низкочастотных колебаний. Камера может быть также снабжена генератором УЗ-колебаний 8. Под днищем 4 камеры 1 горизонтально установлен ленточный транспортер 9 и второй ленточный транспортер 10 установлен сверху над транспортером 9 под углом 5-15^o, установка содержит печь 11 для отжига мата из уплотненного слоя расширенного графита, пару силовых валов 12 и блок намотки 13. Установка может содержать и несколько пар силовых валов для прокатки мата (например пара валов 14). Днище 4 камеры 1 может быть выполнено плоским с загнутыми вверх краями с радиусом закругления 1,0-50 мм или другой более сложной конфигурации от заданного распределения плотности графитовой фольги. В днище 4 имеются параллельные прорези 5 прямоугольной формы с соотношением размеров сторон 50-150.

Установка работает следующим образом: из печи для вспенивания окисленного графита (на фиг. 1 не показано) через патрубок 3 равномерно с производительностью 5-10 кг/час в камеру 1 подается расширенный графит со степенью расширения >100. Расширенный графит поступает в камеру 1 вместе с газом-носителем (воздухом). Расход воздуха составляет ≈1 м³ на 0,1-0,5 кг расширенного графита. В камере 1 частицы расширенного графита охлаждаются и планируют вниз, попадая на днище с щелями, вибрирующее с низкой частотой. Одновременно в камере 1 через перегородку 2 ведется отсос газов для поддержания внутри камеры 1 атмосферного давления. Расширенный графит через щелевидные прорези 5 днища 4 поступает на горизонтальную транспортерную ленту 9. Благодаря наложению низкочастотных колебаний от вибратора 7 частицам расширенного графита придается скорость, способствующая псевдосжижению расширенного графита и приводящая к получению слегка уплотненного и равномерного слоя расширенного графита. Расстояние между днищем 4 и транспортером 9 определяет высоту слоя РГ в процессе формирования мата; эта величина регулируется приспособлением 6, позволяющим поднимать или опускать днище 4 камеры 1, а также конфигурацией днища 4. Высота слоя задается в зависимости от объемной плотности РГ и заданной плотности графитовой фольги. Максимальная высота слоя определяется углом захвата частиц расширенного графита при прокатке и может составлять величину порядка 10-15 см.

Далее проводят следующую стадию формирования мата - слой расширенного графита прокатывают между двумя транспортерными лентами 9-10 и получают мат из плотного слоя расширенного графита толщиной от 0,5 мм до несколько мм и плотностью 0,05-0,5 г/см³. После этого мат протягивается через печь 11, где происходит отжиг при 450^oC с целью уменьшения содержания летучих примесей. Затем материал прокатывают между парой силовых валов 12 до нужной толщины 0,1 мм - 1,5 мм и плотности 0,1-1,5 г/см³. Готовую фольгу сматывают в рулон с помощью блока намотки 14.

Пример 1. Берут 500 кг природного графита с размером частиц основной фракции >0,2 мм, обрабатывают окислительной смесью на основе H₂SO₄ и HNO₃ гидролизуют, промывают и сушат. Далее проводят термообработку в потоке газа-носителя (воздуха) при 1000^oC и получают расширенный графит со степенью расширения 330 и насыпной плотностью 3 г/л. Сразу после термообработки расширенный графит в потоке газа-носителя с расходом 6 кг/час на 18 м³ воздуха (расход расширенного графита составляет 0,33 кг на 1 м³ воздуха) через патрубок 3 подают в камеру 1. Для поддержания в камере 1 давления ≈1 атм. газ-носитель отсасывают постоянно через пористую перегородку 2. Расширенный графит падает вниз камеры 1 на днище 4, на которое от вибратора 7 подают колебания с частотой 5 Гц. Прорези 5 днища 4 имеют прямоугольную форму с размерами сторон 600·12 мм (отношение размеров сторон 50). С 12-миллиметровых сторон прорези 5 края днища 4 загнуты вверх с радиусом закругления 1,0 мм. Частицы расширенного графита за счет вибрации слегка (≈1,2 раза) уплотняются и проваливаются через прорези 5 на ленточный транспортер 9 с образованием на транспортере 9 слегка уплотненного равномерного слоя расширенного графита с кажущейся плотностью 3,8 г/л. Высота слоя 10 см, по боковым краям 10,1 см. Транспортер 9 движется со скоростью 50 см/мин. Слой расширенного графита прокатывается между двумя транспортерными лентами 9-10, установленными по отношению друг друга под углом 10^o. После прокатки получают уплотненный слой расширенного графита (мат) толщиной 0,5 мм, плотностью 0,55 г/см³, который затем отжигают в печи 11 при температуре 400^oC и далее прокатывают вторично между силовыми валами 12. Полученную фольгу скручивают в рулон на блоке намотки 14. Графитовая фольга имеет плотность 1,0 г/см³, толщину 0,2 мм и прочность 7,7 МПа. Разброс значений по плотности и прочности ±5%. Производительность процесса 6 кг/час.

Результаты остальных опытов сведены в таблице.

Изобретение может быть использовано для получения фольги в различных областях техники: машиностроении, химической, атомной, аэрокосмической промышленности, теплоэнергетике и других отраслях промышленности в качестве защитных покрытий, прокладок и уплотнений, работающих при повышенных температурах и устойчивых к действию химических реагентов, тиглей, подложек для разлива цветных металлов и т.д.

Предлагаемое изобретение позволяет получить однородную графитовую фольгу с прочностью, в 1,5-2,5 раза превышающей прочность прототипа. Ширина фольги в несколько раз превышает ширину фольги по прототипу, что значительно расширяет сферы ее применения. Установка позволяет осуществлять процесс с высокой производительностью до 10 кг/час, что удешевляет стоимость графитовой фольги. Узел распределения расширенного графита не содержит сложных элементов, прост и надежен в эксплуатации, не требует больших затрат энергии и позволяет равномерно или по определенному закону (за счет конфигурации днища) распределять частицы расширенного графита и формировать слой нужной плотности и заданного профиля. Изменяя конфигурацию днища и перемещая его по вертикали, достаточно тонко можно регулировать высоту слоя расширенного графита и получать фольгу с заданным распределением плотности и прочности.

Формула изобретения

1. Способ получения фольги из расширенного графита, включающий подачу частиц расширенного графита в камеру, уплотнение частиц расширенного графита посредством передачи им колебательного движения в направлении, перпендикулярном направлению движения частиц и приложения давления, прокатку слоя из расширенного графита с промежуточным отжигом уплотненного слоя расширенного графита, отличающийся тем, что частицы расширенного графита подают в камеру в потоке газа-носителя при расходе расширенного графита 0,1 - 0,5 кг на 1 м³ газа, на выходе из камеры на частицы расширенного графита воздействуют колебаниями с частотой 5 - 10 Гц при поддержании давления в камере, близкого к атмосферному.

2. Установка для получения фольги из расширенного графита, включающая последовательно установленные камеру для расширенного графита со средством воздействия на частицы расширенного графита колебаниями, валы для прокатки слоя расширенного графита, печь для отжига уплотненного слоя расширенного графита, отличающаяся тем, что камера снабжена средством для удаления газов и поддержания в камере давления, близкого к атмосферному, днище камеры выполнено с возможностью вертикального перемещения, в нем выполнены параллельные прорези, днище подсоединено к вибратору низкочастотных колебаний и размещено над горизонтально расположенным ленточным транспортером, второй ленточный транспортер установлен по отношению к первому под углом 5 - 15^o.

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что днище камеры выполнено плоским с загнутыми вверх краями с радиусом закругления 1,0 ≅ R ≅ 50 мм.

4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что прорези днища имеют прямоугольную форму при соотношении размеров сторон 50 - 150.8

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5