Глава 22. Углеграфитовые материалы

Исходным сырьем для получения углеграфитовых материалов служит природный графит или искусственный (пирографит), получаемый путем прокаливания каменноугольного пека или нефтяного кокса. Графит – это единственный конструкционный неметаллический материал, обладающий высокой теплопроводностью при достаточно большой инертности к действию многих агрессивных сред. Его характеризуют высокая термическая стойкость при резких перепадах температур, низкое омическое сопротивление. Графит имеет хорошие механические свойства, он податлив механической обработке на обычных токарных, фрезерных, сверлильных станках.

Теплопроводность графита выше теплопроводности многих металлов и сплавов. В частности, его теплопроводность выше теплопроводности свинца и хромоникелевых сталей в 3 – 5 раз. Поэтому он нашел широкое применение как конструкционный материал для изготовления различной теплообменной аппаратуры, предназначенной для эксплуатации в условиях воздействия таких агрессивных сред, как серная кислота определенных концентраций, соляная и плавиковые кислоты и т.п., для которых непригодны известные и экономически доступные металлы и сплавы. Графитовые блочные и кожухо - блочные теплообменники, теплообменные элементы погружного типа и других конструкций успешно эксплуатируют в различных отраслях промышленности

Графит применяют и в качестве штучных футеровочных материалов для защиты оборудования в особо агрессивных условиях эксплуатации (например, экстракторов в производстве фосфорной кислоты).

Наряду с достоинствами графит обладает и недостатками, которые следует учитывать при конструировании из него изделий. К ним относятся низкий модуль упругости и хрупкость, незначительная прочность при растяжении и изгибе.

Серьезным недостатком графита является пористость, делающая его проницаемым не только для газов, но и для жидких сред. Этот недостаток устраняют либо путем пропитки готовых изделий веществами, закрывающими поры без существенного изменения свойств самого графита, либо созданием композиций из графита и синтетических смол, изделия из которых получают методами прессования или литья.

22.1. Пропитанный графит

Изделия из графита, предназначенные для пропитки получают формованием из искусственного графита и каменноугольной смолы с последующей термической обработкой при 2400 – 2500⁰С без доступа воздуха в течение 50 ч. Полученные заготовки в виде блоков легко обрабатываются на металлорежущих станках, что позволяет придать им необходимую форму и размеры. Для пропитки выбирают лаки или смолы, химически стойкие к заданной среде. Чаще всего – это бакелитовый лак, фенолоформальдегидные, фуриловые и др. смолы. Пропитку осуществляют в автоклаве, чередую давление и вакуум. По окончании пропитки проводят процессе термической обработки изделия при температуре 120 – 130⁰для поликонденсации смол. В настоящее время в производстве изделий используют фуриловую смолу ФЛ –2 (70%), совмещенную с фенолоформальдегидной (30%). Такие изделия обладают высокой стойкостью в минеральных кислотах (за исключением азотной), в щелочах различной концентрации, хлорорганических средах и в некоторых растворителях. Температура эксплуатации 150 – 170⁰.

Физико-механические характеристики пропитанного графита следующие:

Плотность, г/cм³ 1,80 – 1,85

Разрушающее напряжение, МПа

при сжатии 70 – 100

при растяжении 12,5 – 20

при статическом изгибе 20,0 – 38,0

Удельная ударная вязкость, дж/м² 1200 – 1600

Удельное электрическое сопротивление, ом·м (10 ÷ 16) 10^-6

Теплостойкость, ⁰С 170

Термостойкость Воспринимает любые

температурные колебания в

пределах теплостойкости

Теплопроводность, вт/(м град) 93 – 116,3

Водопоглощение, г/дм² 0,07 – 0,15

Проницаемость для воздуха при толщине 10 мм Непроницаем до 0,5 МПа

Для получения более теплостойкого графита (до 300 – 350⁰С) в качестве пропиточных веществ используют расплавленные минеральные соли, жидкое силикатное стекло или кремнийорганические смолы. Разработан также метод закрытия пор графита путем отложения в них чистого графита. Это достигается разложением углеводородных соединений при высоких температурах на твердый углерод, который уплотняет графит. Такой материал носит название «пироуглерод», «пирографит». Изделия из него весьма дорогие.

22.2. Композиции на основе графита и синтетических смол

В настоящее время применяют два способа получения композиций на основе графита и синтетических смол: 1) прессование при повышенном давлении и термообработке и 2) холодное литье, не требующее прессования и термообработки. Материалы полученные первым способом называют «графитопластами», а вторым – «графитолитами».

Из графитопластов наиболее распространенным является материал, где связующим является фенолоформальдегидная смола, который получил название «антегмит». Антегмит марки АТМ-1 выпускается в виде труб различных диаметров и длины, а также в виде футеровочных плиток. Химическая стойкость антегмита АТМ-1 практически такая же как у пропитанного графита, но теплопроводность его в три раза ниже.

Физико-механические характеристики антегмита АТМ-1 следующие:

Плотность, г/см³ 1,8

Разрушающее напряжение при 18 – 20⁰С, в МПа

при растяжении 18 – 22

при статическом изгибе 40 – 50

при сжатии 100 – 120

Удельная ударная вязкость, дж/м² 2720 – 3500

Теплостойкость, ⁰С:

в присутствии воздуха 170

в инертном газе 170

Теплопроводность, вт/(м град) 35 – 41

Теплоемкость, кдж/(кг град) 0,75

Коэффициент термического линейного

расширения, град^-1 0,8510^-5

Удельное электросопротивление, ом·м (50 ÷ 60) 10^-6

Проницаемость для воздуха при

толщине 5 мм Непроницаем

до 0,5 МПа

Коэффициент трения скольжения без смазки 0,12

Обрабатываемость на станках Легко обрабатывается режущим и абразивным инструментом

Графитолиты –представляют собой композиции с хорошими литейными свойствами, состоящие из графитового порошка, синтетической смолы и отвердителя, позволяющего производить отверждение готового изделия при комнатной температуре (не ниже 10⁰С). Из поликонденсационных смол для таких композиций чаще всего берут фенолоформальдегидную ВИАМ –Б, фуриловую ФЛ – 2 и эпоксидные смолы. Графитолиты имеют плотность 1,4 – 1,45 г/см³, разрушающее напряжение на сжатие 65 – 80 МПа, на изгиб 12,5 – 30,0 МПа.

Химическая стойкость графитолитов примерно такая же как и рассмотренных выше графитовых материалов. Температура их эксплуатации – до 170⁰С.