Получение углеродных материалов сырьевые материалы реферат

Обновлено: 07.07.2024

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.

Почти в то же время в России и несколько позже, в 1961 г., в Японии были получены УВ на основе полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. Характеристики первых углеродных волокон на основе ПАН были невысоки, но постепенно технология совершенствовалась и уже через 10 лет (к 1970 г.) были получены углеродные волокна на основе ПАН-волокон с пределом прочности 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа. Тогда же была показана возможность получения углеродных волокон по этой технологии с еще более высокими механическими характеристиками: модулем упругости до 800 ГПа и пределом прочности более 3 ГПа. УВ на основе нефтяных пеков были получены в 1970 г. также в Японии.

УВ обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры, представленные на рис. 1. После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %. Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения УВ могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.

УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которые отличаются высокой абляционной стойкостью. УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300—350°С. Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2Ч10−3 до 106 ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др. Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300—1500 мІ/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью. Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5—1 ГПа и модуль 20—70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 ГПа и модуль 200—450 ГПа. Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/смі) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жесткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

Характеристика этапов технологии производства углеродных материалов. Особенности ассортимента получаемой продукции, процесс смешивания компонентов и прессование, получение заготовок. Сущность обжига и графитации, области применения углеродных материалов.

Рубрика	Химия
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	20.11.2016
Размер файла	28,7 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Факультет нефтегазохимии и полимерных материалов

Кафедра химической технологии углеродных материалов

Выполнила: студентка 3 курса, группы П-36

Курченко Мария Юрьевна

Содержание

1. Основные этапы технологии производства углеродных материалов (классическая керамическая технология электродного производства). Ассортимент получаемой продукции

2. Смешивание компонентов, прессование. Получение зеленых заготовок

3. Температурная обработка и получение углеродных материалов. Обжиг и графитация

4. Области применения углеродных материалов

Изготовление углеродных и графитовых материалов происходит по технологиям, основанным на классических технологиях производства керамики. Исходные материалы - нефтяной кокс, пековый кокс, технический углерод или графит, имеющие определенный гранулометрический состав, смешиваются при повышенных температурах с термопластическими вяжущими веществами. В качестве последних рассматриваются пек каменноугольный или нефтяной и искусственные смолы. Специальные свойства материалам придаются с помощью добавок минерального или металлического порошка. Так, например, при производстве угольных щёток для низковольтных двигателей добавляется медный порошок.

Производство углеродных и графитовых материалов включает следующие этапы:

· Подготовка и смешивание сырья

· при необходимости, импрегнирование, очистка, нанесение покрытий

В заключение процесса изготовления, для получения специализированных свойств, материалы импрегнируют искусственной смолой, пеком или металлами. Импрегнирование искусственной смолой делает пористые структуры, возникшие в результате пиролиза вяжущих веществ, непроницаемыми для жидкостей и газов. Импрегнирование металлами повышает твёрдость и прочность материалов до показателя 2 - 5.

· Обработка в готовое изделие

Классы искусственно созданных углеродных материалов постоянно расширяются, так как появляются новые отрасли в науке и промышленности, следовательно, конструкторы и технологи предъявляют более жесткие требования к данным материалам.

Развитие авиации и освоение космоса способствовало созданию углеродных волокон, состоящих практически из чистого углерода, обладающих относительно высокой прочностью, хемостойкостью, теплопроводностью и низкой плотностью.

Был создан принципиально новый класс конструкционных материалов - углепластиков --путем введения углеродных волокон в полимерные материалы. Они представляют собой композиционные материалы на основе полимерной матрицы, армированной непрерывными или дискретными углеродными волокнами. Углепластики TENAX квалифицированы для использования в авиалайнерах. Модель лыж от Audi предназначена для того, чтобы оптимизировать маневренность и скорость. Для этого при изготовлении был использован передовой материал - углепластик, благодаря которому лыжи длинной 170 см имеют вес 1550 г, отличающийся от других моделей на целых 200 г.

Углеродные конструкционные материалы (УКМ) отличаются от известных материалов более высокой удельной прочностью и жесткостью. Однако полимерные матрицы обладают низкой термостойкостью.

В последнее время в различных отраслях все чаще используются углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ), содержащие углерод, как в виде наполнителя, так и в виде матричного материала. В УУКМ высокая температурная стойкость сочетается с малой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, стойкостью к тепловому удару. Эти материалы длительно работоспособны при высоких температурах. УУКМ может быть получен либо осаждением пироуглерода на углеродный волокнистый наполнитель, либо поочередно многократной пропиткой углепластика полимерным связующим и высокотемпературной обработкой. УУКМ применяются в авиаcтроении и автомобилестроении: тормозные диски.

К искусственно созданным углеродным материалам относятся: технический углерод (сажа), углеродные сорбенты и синтетические алмазы.

2. Смешивание компонентов, прессование. Получение зеленых заготовок

3. Температурная обработка и получение углеродных материалов. Обжиг и графитация

Известно, что подавляющее большинство методов получения углеродных материалов базируется на химических реакциях разложения твердых (смолы), жидких (пеки) или газообразных (углеводороды) углеродсодержащих соединений. В отличие от них разрабатываемый нами метод контролируемой деструкции основан на реакциях замещения.

Часть образцов, обожженных до 1100 С, подвергали дальнейшей обработке при температурах 1800, 2100 и 2400 °С. Таким образом перекрывался весь диапазон температур обработки углеродного материала с фиксацией характерных точек конца коксообразования (1100°С), начальной стадии графитации (1800-2100 °С) и конца графитации для графитирующихся веществ (2400 °С). Высокая скорость нагрева лабораторных образцов по сравнению с имеющей место при получении углеродных материалов, безусловно, приводила к увеличению потери массы и некоторому изменению хода усадок, что должно было отразиться на абсолютных значениях величин пористости и плотности лабораторных образцов. Однако общая картина динамики развития пористости должна была при этом достаточно полно отражать истинное положение вещей.

В последнее время внимание исследователей привлекают углеродные материалы, являющиеся эффективными сорбентами компонентов из газовых и жидкостных потоков, носителями катализаторов и сами проявляющие ката1штические свойства. Особое место среди таких материалов занимают материалы, полученные на основе углеродных нановолокон (УНВ) или нанотрубок. Анализ научно-технической литературы свидетельствует, что исследования, проводимые в этом направлении, практически не затрагивают вопросов влияния условий получения углеродных материалов на их физико-химические и эксплуатационные характеристики, а полученные результаты носят фрагментарный характер. При этом в качестве источника углерода в этих разработках рассматриваются преимущественно углеводороды.

Таким образом, реакционная способность углеродного материала существенно зависит от его кристаллической структуры и возрастает с ростом размеров кристаллитов при температурах выше 2600-270Q °С. Полученные данные позволяют обосновать выбор оптимальных температур обработки для получения углеродных материалов с минимальной реакционной способностью и заданной кристаллической структурой. При этом температура обработки не должна превышать температуру, при которой наблюдается резкое возрастание размеров кристаллитов.

4. Области применения углеродных материалов

Углеродные сорбенты применяют в различных технологических процессах обезвреживания газовых и сточных выбросов, в медицине, хроматографии.

Быстро возрастают масштабы использования углеродных молекулярных сит (УМС) в процессах так называемой короткоцикловой безнагревной адсорбции, в которых адсорбция компонентов осуществляется при более высоком давлении, чем их десорбция. Сейчас УМС применяются для осушки газов, разделения воздуха на О2 и N2 , очистки молекулярного водорода от примесей СО и углеводородов.

В отличие от цеолитов (неорганических молекулярных сит) УМС слабо чувствительны к адсорбции паров воды, которая снижает адсорбционную емкость цеолитов в процессе их использования. Перспективно использование углеродных сорбентов для хранения газообразных и жидких веществ, а также для аккумулирования энергии. В баллонах с адсорбентом возрастает адсорбционная емкость единицы объема и появляется возможность снизить давление без уменьшения емкости баллона. Применение адсорбентов в тепловых машинах и аккумуляторах позволит экономить энергию и создавать компактные и экологически безопасные нагревающие и охлаждающие устройства.

Для различных областей применения требуются углеродные сорбенты со специфическим комплексом свойств: определенной пористой структурой, специфическим составом поверхностных функциональных групп требуемой формы, прочностью, степенью чистоты. Для адсорбционной очистки жидкостей и извлечения ценных металлов из растворов, важное значение имеет такой показатель, как гидрофильность (способность к смачиванию водой) поверхности углеродного сорбента. Чистота сорбента (например, количество зольной части) не играет существенной роли в процессах очистки загрязненных стоков и газовых выбросов. Однако для сорбционного извлечения благородных металлов, например, золота, регламентируется количество минеральных примесей в сорбенте. Размер пор, прочность и форма углеродного сорбента имеют решающее значение при его использовании в качестве пористой мембраны. Для сорбентов, используемых в хроматографических целях, важен состав поверхностных функциональных групп.

Стоимость углеродных сорбентов является лимитирующим фактором в их крупномасштабном использовании для охраны окружающей среды. Для очистки газовых выбросов и стоков стремятся применять достаточно дешевые порошкообразные сорбенты, получаемые из доступного и недорогого сырья (ископаемых твердых топлив, древесных отходов) с использованием интенсивных технологий совмещенного процесса пиролиза и активации в реакторе с псевдоожиженным слоем.

Свойства более высококачественных активированных углеродных сорбентов во многих случаях зависят от структуры исходных ПУМ, которая определяется условиями их получения. В качестве примера на рис. 2 приведены данные по влиянию активирующей обработки водяным паром ПУМ, полученных из бурого угля с использованием различных технологий пиролиза, на их сорбционные свойства. Как следует из приведенных данных, максимальной сорбционной способностью отличаются сорбенты, получаемые из бурого угля в условиях практического отсутствия кислорода в газовой фазе. К ним относятся ПУМ, получаемые пиролизом в псевдоожиженном каталитическом слое.

Твёрдые углегодистые материалы, используемые в производстве углеродных материалов, могут быть естественного происхождения (графиты, антрациты) и искусственного (коксы, технический углерод). В качестве связующего применяют каменноугольный пек, нефтяной пек и реже синтетические смолы. Использование графита при производстве углеродных материалов повышает их теплопроводность, электропроводимость, термостойкость. Введение графита в массы, подвергаемые прессованию, позволяет получить плотные изделия. Это объясняется повышением пластической массы. Антрациты – это каменные угли высокой степени метаморфизма и чем она выше, тем больше содержание в антраците углерода, выше его плотность, твёрдость, термическая стойкость и ниже пористость. Природный антрацит имеет недостаточную мех-ую прочность и термическую стойкость, даёт усадку при нагревании. Поэтому перед использованием его прокаливают. Коксы являются важнейшим видом сырья для производства углеродных материалов. Лучшие сорта нефтяного кокса с хорошей способностью к графитации получают из тяжёлых остатков малосернистых нефтей, которые содержат 60% ароматических соединений и небольшое количество асфальтенов.

Исходное сырье: 1. твердые углеродистые наполнители по важности: нефтяной кокс, пековый кокс, термоантрацит, естественный графит, возвраты производства (сажа)

2. связующие по важности: каменноугольный пек, нефтяной пек, синтетические смолы

Физико-химические процессы при смешивании наполнителя со связующим и обработке углеродной массы.

). При подаче в газогенератор воздуха в зоне горения происходит горение ТГИ с образованием СО и СО₂ по реакциям:

Образующийся диоксид углерода (СО₂) в восстановительной зоне восстанавливается новыми порциями углерода в оксид углерода СО:

Если вместе с воздухом в газогенератор подаётся водяной пар, то в этом случае образующийся газ содержит: оксид углерода и водород:

При взаимодействии СО и Н₂ может образовываться метан:

который подвергается термическому распаду СН₄ С+2Н₂-Q

Сочетание всех этих реакций и определяет состав образующегося газа, который изменяется по высоте газогенератора.

После окислительной и восстановительной зон, называемых вместе зоной газификации, выходят горячие газы при температуре 800 - 900 С. Они нагревают уголь, который подвергается пиролизу в вышележащей зоне. Эту зону принято называть зоной пиролиза, или зоной полукоксования. Выходящие из этой зоны газы подогревают уголь в зоне сушки. Вместе эти две зоны образуют зону подготовки топлива. Таким образом, при слоевой газификации сочетается термическая переработка топлива и собственно газификация полукокса и кокса, полученного в зоне подготовки топлива. Поэтому газ, отводимый из аппарата, содержит не только компоненты, образовавшиеся в процессе газификации, но и продукты пиролиза исходного твердого горючего ископаемого (газ пиролиза, пары смолы, водяной пар). При охлаждении отводимого из газогенератора газа происходит конденсация смолы и воды, которые далее необходимо очистить и подвергнуть переработке

Сырьем для производства углеграфитовых материалов служат как искусственные твердые углеродные наполнители: кокс (каменноугольный, нековый, нефтяной, сланцевый), технический углерод (сажа), так и природные: графит, антрацит. В качестве связующих материалов используются: каменноугольный и нефтяной пеки, синтетические смолы. Твердые углеро-диртые материалы должны обладать высоким содержанием углерода. Можно сказать, что они создают в значительной степени углеродный скелет получаемых на их основе углеграфитовых материалов.

В качестве связующих в процессе обжига применяются материалы, которые превращаются в прочный кокс, придавая изделиям необходимую прочность и однородность. Это одна из важнейших функций связующих материалов. Вторая заключается в том, что связующее, обволакивая частицы твердого наполнителя, пластифицирует формуемую массу, т.е. делает возможным ее прессование. Качественные характеристики изделий, а также эффективность производства во многом зависят от того, насколько правильно выбран вид связующего.

Наилучшими связующими материалами являются продукты., получаемые при коксовании угля в виде смолы и пека. Особо следует отметить применение искусственных смол в качестве связующих для некоторых видов изделий, главным образом, электрощеток и химической аппаратуры.

Рассмотрим более подробно сырьевые материалы, используемые для производства углеграфитовых материалов, начиная с природного графита. Кроме углерода графит, как материал, содержит примеси других компонентов, главным образом в виде минеральных веществ и влаги. Плотность графита составляет 2,23 - 2,25" г/см 3 . Плотность же графитированных материалов может колебаться в пределах 1,6 - 2,25 г/см 3 , их удельное электрическое сопротивление при комнатной температуре меняется от 7 до 20 ом-мм 2 /м.

К важнейшим свбйствам графита в технологии производства электродов и антифрикционных материалов относят жирность и пластичность. Жирность обратно пропорционально связана с коэффициентом -фения. Чем крупнее кристаллиты и чем совершеннее они ориентиррваны в одной плоскости, тем меньше коэффициент трения. Пластичность графита обусловлена его способностью прилипать к твердым поверхностям. Механическая прочность изделий из графита в значительной степени зависит от дисперсной структуры. Крупнокристаллические графиты очень мягки вследствие легкости расщепления по плоскостям спайки. Изделия из этих графитов имеют низкую механическую прочность и твердость. Все графитовые материалы классифицируются по дисперсной структуре, по скольку она определяет промышленное применение графитов.

Графиты разделяются на две большие группы:

Внутри каждой группы графитовые материалы разбиваются на отдельные виды в зависимости от взаимного расположения кристаллитов.

К явнокристаллическим относятся графиты, состоящие из кристаллитов со средней величиной больше Ю^м, т.е. видимых невооруженным глазом и под микроскопом. К явнокристаллическим графитам относятся чешуйчатые и шютнокристаллические натуральные графиты, а также доменный графит, который выкристаллизовывается из чугуна во время его охлаждения. Скрытокристаллические графиты иногда называются аморфными. Они состоят из кристаллитов, имеющих величину от 10" до 10" м.

В промышленности натуральные графиты получают из природных руд. Руды явнокристаллических графитов обогащают методом флотации. Они обогащаются сравнительно хорошо и дают концентраты с зольностью 5-10мас.%.

Главным показателем качества промышленных марок графита служат .зольность и гранулометрический состав. Если речь идет о графитах различных месторождений, то между собой они различаются и по другим свойствам.

Натуральные графиты содержат примесь минералов, не полностью удаленных из них при обогащении руд. Этими минералами являются силикаты и кальцит. Из силикатов наиболее постоянной примесью является слюда. Из примесей, вносимых при обогащении графитовых руд, следует упомянуть масло, металлическое и окисленное железо, попадающее в гра-, фит во время размола в мельницах. Эти примеси не оказывают заметного ., влияния на такие свойства графитовых материалов, как электропроводность и способность пластифицировать электродную массу, если их количество не превышает 10 мас.%. Однако они могут оказать отрицательное воздействие при производстве антифрикционных изделий.

При получении электродов введение графита в электродную массу улучшает ее пластичность, обеспечивает получение более плотных изделий. Введение графита даже в количестве 4-6 мас.% увеличивает электропроводность, теплопроводность, термостойкость электродов.

,, В .качестве огнеупорного материала графит применяется главным образом-вследствие большой термической и химической стойкости и хорошей теплопроводности.

Говоря о графите, нельзя не сказать несколько слов о расширенном графите, который в силу своих структурных особенностей способен прессоваться без связующего.

Основой для получения расширенного графита являются слоистые соединения графита, т.е. соединения внедрения. Возможность образования таких соединений обусловлена особой пространственной структурой кристаллитов графита. Наличие слоистой структуры дает возможность для проникновения различных реагентов между слоями плоских сеток.

К веществам, способным внедряться между слоями углеродных сеток, относятся почти все щелочные металлы, галогены, хлориды металлов, сильные кислоты, некоторые оксиды и сульфиды металлов. В соединениях внедрения плоскости углеродных атомов чередуются с плоскостями внедренного реагента. Различают пять стадий внедрения, причем номер стадии определяет число углеродных слоев, разделяющих слои реагента (рис. 1.1).

Внедрение реагента изменяет структуру графита, увеличиваются межплоскостные расстояния соседних слоев. В соединениях I стадии они могут достигать 80 нм. Степень расширения возрастает с увеличением размеров внедряемых частиц.

По способу образования слоистые соединения внедрения делятся на:

- электролитические соединения внедрения, образующиеся в присутствии окислительных или восстановительных агентов.

Рис. 1.1. Стадии внедрения атомов реагента: сплошная линия — слой из углеродных атомов; штриховая - слой из атомов внедренного вещества

Соединения внедрения первой группы связаны с передачей электрона от реагента к углероду и наоборот. Слоистые соединения первой группы преимущественно малоустойчивы, разлагаются при длительном пребывании на воздухе, при действии воды и при нагревании.

Соединения внедрения второй группы образуются путем полного отрыва электрона от графита с помощью внешнего источника тока или окислителя. Эти соединения более устойчивы и не восстанавливаются в отсутствии источника электронов.

К реагентам второй группы относятся сильные кислоты и некоторые другие соединения: HF, Н^О₄, H₂S0₄, HNO₃, HC1O₄, H₂SeO₄, NH₃. Реакции, идущие в присутствии окислительных агентов и при отсутствий внешнего источника тока, называются реакциями химического окисления.

В качестве окислительных агентов могут выступать сильные окислители: К₂Сг₂О7, КМпСм, Мп0₂ и т.д.

Из слоистого соединения при восстановлении или водной промывке реагент удаляется не полностью. При этом образуются остаточные соединения. Из остаточных соединений реагент не может быть удален ни простым промыванием, ни катодным восстановлением. Разрушение их требует энергичного нагрева. При термической обработке (800 - 1200°С) остаточных соединений происходит деструкция материала, разрыв межплоскостных связей, постепенное удаление реагента.

Конечный продукт представляет собой порошок червеобразной формы с низкой насыпной плотностью до 3 кг/м 3 - терморасширенный графит (ТРГ). Образующиеся частицы способны к прессованию и прокату без связующего. При этом получают материалы с плотностью от 800 до 2160 кг/м 3 . Наиболее широко ТРГ используется в качестве тепловой изоляции и коррозионно-стойких уплотнений. Тепловая изоляция из ТРГ в виде фольги позволяет получить тепловые экраны вакуумных печей, которые обеспечивают высокое энергосбережение и экономию материалов за счет уменьшения габаритов печей. ТРГ может прессоваться совместно с металлическим упрочняющим каркасом, что позволяет получать прокладки и уплотнения, выдерживающие высокие давления газа. ТРГ в смеси с жаропрочной керамикой и связующим применяются для получения высокотемпературных уплотнений. Во всем мире производство ТРГ растет в связи с заменой им канцерогенных асбестовых уплотнений.

Кроме расширенного графита несомненный интерес представляет ультрадисперсный коллоидно-графитовый препарат (УКГП), который выпускается в виде суспензии природного или искусственного графита или сажи с размером частичек 0,25 - 4 мкм. Получение УКГП производится по следующей схеме. Просев чешуйчатого природного графита, термическое рафинирование (очистка от примесей) при 2500 ± 50°С, сушка в целях удаления влаги из графита, виброизмельчение, холодное и горячее окисление в смеси концентрированных серной и азотной кислот до образования межслоевых соединений с H₂SO4, затем промывка осадка на фильтре и обезвоживание этиловым спиртом. Полученный осадок разбавляют этиловым спиртом или ацетоном. Основное применение коллоидно-графитовых препаратов (КГП) - смазка матриц для горячей штамповки, ковки, прессования выдавливанием, чугунных форм для изготовления стеклянной тары. По адгезии к металлической поверхности и способности к образованию зеркальной поверхности коллоидный графит превосходит все остальные смазочные материалы. КГП применяется в качестве электропроводных покрытий стеклянных электронно-лучевых трубок и магнитных лент для звукозаписи.

Антрацит является основным компонентом угольных электродов и разнообразных угольных блоков для кладки и футеровки печей. Антрацит применяется в электродном производстве после длительной термообработ-.ки при температуре 2500°С в электрических печах в виде термоантрацита. Основные требования к качеству этого вида сырья - высокая электропроводность, механическая прочность, термическая стойкость, низкая зольность и сернистость. Некоторые сорта антрацитов используются в производстве искусственного графита.

Антрациты относятся к наиболее метаморфизованным углям. Они имеют высокую плотность (1,4 - 1,7 г/см 3 ), более блестящи и прочны по сравнению с каменными углями. Содержание углерода в них достигает 92 — 97 мас.%, выход летучих веществ 2-8 мас.%. Антрациты разного происхождения значительно различаются по степени метаморфизма и по дисперсной структуре. Чем больше степень метаморфизма, тем меньший выход летучих дает антрацит при прокаливании, тем больше удельный все, твердость и ниже пористость.

В зависимости от степени слоистости антрациты делят на:

Со степенью метаморфизма и дисперсной структурой связаны важные технические свойства антрацитов - поведение их при измельчении и нагревании. При измельчении разрушение происходит прежде всего на отдельные образования, затем - на слабые структурные элементы. Очевидно, что форма зерен должна зависеть от степени измельчения.

При нагревании антрациты склонны к растрескиванию, причем чем быстрее поднимается температура, тем резче проявляется растрескивание. При одной и той же скорости нагревания разрушение антрацита тем больше, чем меньше степень его метаморфизма. Кроме степени метаморфизма антрацита, на его термостойкость влияют структурные особенности. Макроскопически однородные антрациты литого строения с раковистым изломом оказываются термически нестойкими. Антрациты же однородного сложения с крупнозернистым изломом отличаются более высокой термической стойкостью. Несмотря на внешнюю однородность, антрациты по своей структуре являются сложным конгломератом, так как зольные примеси распределены неравномерно. Большая часть их сосредоточена в тонких прослойках и отдельных включениях.

В производстве электродных и электроугольных изделий применяют донецкие антрациты, которые по своим свойствам удовлетворяют требованиям прочности.

Для получения электродных изделий высокого качества необходимо, чтобы антрацит имел максимальное содержание углерода при минимальном количестве золы, серы и влаги.

Зольность антрацитов составляет 4-6 мас.%. В составу золы содержатся оксиды кремния, алюминия, железа и незначительное количество щелочных и щелочноземельных элементов.

Одним из важнейших видов сырья для электродного и электроугольного производства являются малозольные коксы, зольность которых не превышает 1 мас.%. Сейчас в основном производят два вида малозольных коксов: нефтяные и пековые. Нефтяные коксы получают при коксовании различных нефтяных остатков, пековые - переработкой на кокс каменноугольного пека. Свойства нефтяных коксов зависят в основном от вида нефтяных остатков.

Нефтяные коксы разделяют на две большие группы: крекинговые и пиролизные. Крекинговые коксы получаются из остатков от переработки нефтепродуктов в крекинг-процессах, а пиролизные коксы - из остатков процессов пиролиза.

По характеру пространственного расположения и упорядочения кристаллитов в объеме материала каркаса выделяют две структуры нефтяных коксов: волокнистую (струйчатую, игольчатую), изображенную на рис. 3.26 и сферолитовую (сфероидальную, точечную), представленную на рис. 3.2а.

Рис. 3.2. Схематическое представление сферолитовой (а) и струйчатой (6) структур нефтяного кокса

Все нефтяные коксы имеют участки как волокнистой, так и сферолитовой структуры.

Игольчатый кокс по сравнению с коксом обычной волокнистой структуры имеет значительно более крупные волокна.

Регулируя соотношение коксов волокнистой и сферолитовой структуры, можно получить углеграфитовые материалы с различными физико-механическими свойствами.

Для получения коксов с волокнистой структурой используют сырье, содержащее парафиновые и высокомолекулярные ароматические углеводороды.

Структуру коксов до недавнего времени оценивали коэффициентом анизометрии - отношением длины частиц кокса к их ширине. В 1980 г. было предложено оценивать структуру коксов баллами в зависимости от дисперенести и ориентации структурных элементов. По этой классификации (табл. 1.1) все коксы разделены на 10 типов структур с соответствующим баллом. Метод балльной оценки заключается в сравнении исследуемого кокса, наблюдаемого в микроскоп, со структурой эталонных микрофотографий. В зарубежной практике применяется аналогичный метод оценки структуры коксов.

Классификация структур нефтяных коксов

Размер волокна, мкм

Изотропная (точечная), характеризуется однородной структурой

Весьма мелковолокнистая, характеризуется однородной структурой с существованием границ между структурными элементами

Читайте также: