Способ очистки графитовых изделий

Изобретение относится к химической промышленности. Графитовые изделия нагревают сначала до 2000°С, прекращают откачку и в зону, где они находятся, вводят пары четыреххлористого углерода класса ОСЧ до давления 50 Торр. Выдерживают 30 мин, откачивают реакционные продукты через азотную ловушку. Затем повышают температуру до 2100°С, прекращают откачку. Вводят хладон-12 до давления 30 Торр, выдерживают 30 мин и снова откачивают реакционные продукты через азотную ловушку. Затем осуществляют изотермическую выдержку при 2100°С в вакууме 2 часа, охлаждают изделия. Перед извлечением изделий вводят инертный газ. Изобретение позволяет повысить степень очистки изделий, снизить удельный расход галогенсодержащих газов, удельный расход электроэнергии и увеличить срок службы технологической оснастки.

 

Изобретение относится к области химии, а более конкретно к технологии глубокой очистки углеграфитовых изделий и материалов от содержащихся в них примесей.

Известен способ очистки графита, включающий нагрев изделий в вакууме до температуры 2300°С, проток хладона-12 с добавкой аргона при атмосферном давлении и охлаждение в вакууме или среде инертного газа [Авдеенко М.А., Ларионов В.В. Технология очистки графита до высокой степени чистоты. Цветные металлы, 1973, №2, с.48-50]. При реализации способа удается получать изделия класса ОСЧ 7-4.

Недостатком способа является значительное содержание остаточных примесей в очищенных изделиях. В настоящее время промышленность нуждается в графитовых изделиях класса ОСЧ 8-5.

Другим недостатком известного способа является расходование значительных объемов хладона-12, что может приводить к образованию озоновых дыр в верхних слоях атмосферы. Это связано с тем, что при проведении термохимической очистки в протоке реагентов при атмосферном давлении образовавшиеся летучие хлориды и фториды примесей выводятся из зоны очистки газовым потоком, для чего необходимо расходовать много газа.

Еще одним недостатком способа является использование относительно высокой температуры, что приводит к повышенному расходу электроэнергии и износу нагревателей.

Вышеприведенный способ наиболее близок по своей технической сущности к заявляемому способу, поэтому выбран в качестве прототипа.

Технический результат, полученный при осуществлении настоящего изобретения, выражается в возможности повышения химической чистоты графитовых изделий, снижения удельного расхода галогеносодержащих газов, увеличения срока службы технологической оснастки и снижения расхода электроэнергии.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе очистки графитовых изделий, включающем их нагрев, подачу хладона-12 и их охлаждение в вакууме, отличающийся тем, что нагрев сначала ведут до 2000°С, затем прекращают откачку и в зону, где находятся графитовые изделия, вводят пары четыреххлористого углерода класса ОСЧ до давления 50 Торр, далее после выдержки в течение 30 минут откачивают реакционные продукты через азотную ловушку, повышают температуру до 2100°С, прекращают откачку и вводят хладон-12 до давления 30 Торр в зону, где находятся графитовые изделия, выдерживают в течение 30 минут, после чего снова откачивают реакционные продукты через азотную ловушку, затем осуществляют изотермическую выдержку при 2100°С в вакууме в течение 2 часов, а после охлаждения в вакууме перед извлечением изделий вводят инертный газ.

Отличительными признаками предлагаемого способа от способа-прототипа являются: проведение процесса очистки графитовых изделий при низком давлении и эвакуация реакционных продуктов в азотную ловушку. При этом многократно снижается удельный расход галогеносодержащих газов, что улучшает экологическую безопасность технологии. Образовавшиеся летучие хлориды и фториды содержащихся в графите примесей конденсируются в жидкую, либо твердую фазу в объеме азотной ловушки. Далее, после размораживания ловушки реакционные продукты легко и экологически безопасно нейтрализуются щелочью. Использование паров четыреххлористого углерода класса ОСЧ позволяет при относительно низкой температуре очистить графит от большинства примесей, за исключением бора и кремния. Дальнейшее повышение температуры и ввод хладона-12 позволяют перевести бор и кремний в их летучие фториды и эвакуировать их в азотную ловушку.

Благодаря наличию этих признаков возможно получение изделий из графита класса ОСЧ 8-5.

При этом удельный расход хладона-12 намного ниже, чем при использовании известного способа. Несколько снижаются и затраты электроэнергии. Использование паров четыреххлористого углерода на первой стадии очистки позволяет одновременно с очисткой проводить пиролитическое уплотнение нагревателя, что компенсирует потери его массы от испарения в вакууме.

Большая часть хлоридов удаляется при низком давлении при температуре 2000°С. Длительность цикла свыше 30 минут нецелесообразна, так как введенный и не прореагировавший хлор активно участвует в процессах газового травления элементов теплоизоляции.

Пример.

Проводили очистку графитовых электродов диаметром 6 мм и длиной 200 мм. В вакуумную камеру с прогреваемым объемом 50 л в двух графитовых контейнерах загрузили 4300 электродов, размещенных вертикально. После откачки камеры до давления 6×10^-2 Торр включили нагрев и достигли температуры 2000°С. Контроль температуры проводили с помощью оптического пирометра. Затем перекрыли вентиль системы откачки. Далее в зону контейнеров ввели пары четыреххлористого углерода класса ОСЧ из барботера, термостатированного при 20°С, до достижения рабочего давления в камере 50 Торр. По истечении 30 минут открыли вентиль, соединяющий камеру с вакуумированной азотной ловушкой, для эвакуации реакционных продуктов. После их конденсации камеру вновь откачали, увеличили температуру до 2100°С, перекрыли вентиль системы откачки и ввели в рабочий объем хладон-12 из баллона до давления 30 Торр. Длительность цикла фторирования также составила 30 минут. Затем открыли вентиль, соединяющий камеру с вакуумированной азотной ловушкой, для улавливания реакционных продуктов. После их конденсации камеру вновь откачали и провели изотермическую выдержку в течение 2 часов. Затем в течение 1 часа плавно снизили ток нагрева и выключили нагрев.

Провели размораживание азотной ловушки с одновременной утилизацией продуктов реакции путем барботажа через емкость с тиосульфатом натрия.

После пассивного охлаждения печи в течение 20 часов в вакууме в вакуумную камеру напустили инертный газ, вскрыли камеру и провели отбор электродов для количественного атомно-эмиссионного спектрального анализа. Ниже приведены результаты анализа (в мас.%):

Al - 1.1×10^-6; В - 1.5×10^-6; Cu - 1.6×10^-6; Fe - 3×10^-6; Mg - 3×10^-6; Mn - 4×10^-6; Si - 3×10^-6; Ti - 3×10^-6; Са - 3×10^-6.

Способ очистки графитовых изделий, включающий их нагрев, подачу хладона-12 и их охлаждение в вакууме, отличающийся тем, что нагрев сначала ведут до температуры 2000°С, затем прекращают откачку и в зону, где находятся графитовые изделия, вводят пары четыреххлористого углерода класса ОСЧ до давления 50 Торр, далее после выдержки в течение 30 мин откачивают реакционные продукты через азотную ловушку, повышают температуру до 2100°С, прекращают откачку и вводят хладон-12 до давления 30 Торр, в зону, где находятся графитовые изделия, выдерживают в течение 30 мин, после чего снова откачивают реакционные продукты через азотную ловушку, затем осуществляют изотермическую выдержку при 2100°С в вакууме в течение 2 ч, а после охлаждения в вакууме перед извлечением изделий вводят инертный газ.