Помощь студентам в учебе
Исследование по формированию пористой структуры графита для силицирования
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 9
ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ГРАФИТОВ ДЛЯ
СИЛИЦРОВАНИЯ И ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ХАРАКТЕР ПОРИСТОСТИ И ПРОЦЕСС СИЛИЦИРОВАНИЯ ГРАФИТА 11
1.1 Общая характеристика пористости графита, методы исследования
пористой структуры графита 11
1.2 Влияние технологических параметров изготовления графита на
формирование его пористой структуры 16
1.2.1 Влияние свойств нефтяных, пековых коксов и других углеродных
материалов на пористость графита 17
1.2.2 Влияние свойств каменноугольного пека и его количества на
формирование пористой структуры графита 24
1.2.3 Влияние температуры и скорости термообработки в процессе обжига и
графитации на формирование пористой структуры графита 26
1.2.4 Влияние гранулометрического состава кокса и давления прессования на
формирование пористой структуры графита для силицирования 28
1.3 Влияние пористости графита на процесс силицирования и свойства
силицированных графитов 30
1.4 Процессы взаимодействия жидкого кремния с углеродом 33
1.5 Влияние свойств графита на основе различных наполнителей и свойств
пека на процесс силицирования 35
1.6 Влияние температуры и времени силицирования на степень силицирования
графитов с различной пористостью 37
1.7 Способы регулирования пористой структуры графита 39
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 46
2.1 Объекты исследования 46
2.2 Методы исследования 46
2.2.1 Метод определения среднего диаметра пор в образцах углеграфитовых
материалов на ртутном порозиметре AutoPoreIV9500 46
2.2.2 Определение предела прочности при сжатии образцов графита 48
2.2.3 Определение действительной плотности образцов графита 49
2.2.4 Определение предела прочности при изгибе образцов графита 49
2.2.5 Определение кажущейся плотности образцов графита 50
2.2.6 Определение содержания карбида кремния и свободного кремния в
образцах силицированного графита 51
2.2.7 Определение привеса образцов после силицирования 51
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 52
3.1 Определение физико-механических показателей графита марки ПРОГ-2400
для силицирования 52
3.2 Исследование пористой структуры промышленного графита для
силицирования марки ПРОГ-2400 56
3.3 Результаты исследования свойств силицированных графитов 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 72
ВВЕДЕНИЕ 9
ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ГРАФИТОВ ДЛЯ
СИЛИЦРОВАНИЯ И ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ХАРАКТЕР ПОРИСТОСТИ И ПРОЦЕСС СИЛИЦИРОВАНИЯ ГРАФИТА 11
1.1 Общая характеристика пористости графита, методы исследования
пористой структуры графита 11
1.2 Влияние технологических параметров изготовления графита на
формирование его пористой структуры 16
1.2.1 Влияние свойств нефтяных, пековых коксов и других углеродных
материалов на пористость графита 17
1.2.2 Влияние свойств каменноугольного пека и его количества на
формирование пористой структуры графита 24
1.2.3 Влияние температуры и скорости термообработки в процессе обжига и
графитации на формирование пористой структуры графита 26
1.2.4 Влияние гранулометрического состава кокса и давления прессования на
формирование пористой структуры графита для силицирования 28
1.3 Влияние пористости графита на процесс силицирования и свойства
силицированных графитов 30
1.4 Процессы взаимодействия жидкого кремния с углеродом 33
1.5 Влияние свойств графита на основе различных наполнителей и свойств
пека на процесс силицирования 35
1.6 Влияние температуры и времени силицирования на степень силицирования
графитов с различной пористостью 37
1.7 Способы регулирования пористой структуры графита 39
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 46
2.1 Объекты исследования 46
2.2 Методы исследования 46
2.2.1 Метод определения среднего диаметра пор в образцах углеграфитовых
материалов на ртутном порозиметре AutoPoreIV9500 46
2.2.2 Определение предела прочности при сжатии образцов графита 48
2.2.3 Определение действительной плотности образцов графита 49
2.2.4 Определение предела прочности при изгибе образцов графита 49
2.2.5 Определение кажущейся плотности образцов графита 50
2.2.6 Определение содержания карбида кремния и свободного кремния в
образцах силицированного графита 51
2.2.7 Определение привеса образцов после силицирования 51
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 52
3.1 Определение физико-механических показателей графита марки ПРОГ-2400
для силицирования 52
3.2 Исследование пористой структуры промышленного графита для
силицирования марки ПРОГ-2400 56
3.3 Результаты исследования свойств силицированных графитов 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 72
Силицированные графиты являются одним из классов углеродных конструкционных материалов, которые получают пропиткой графитов с различной пористой структурой расплавленным кремнием.
Пропитанный кремнием графит - эррозионно- и коррозионностойкий материал, в котором сочетаются уникальные свойства карбида кремния и графита. Карбид кремния придает силицированному графиту высокую жаропрочность и жаростойкость, а графит - высокую стойкость к многократным теплосменам.
Силицированный графит имеет низкую газопроницаемость и окисляемость, высокую стойкостью к воздействию агрессивных сред, имеет высокие антифрикционные свойства, стоек в расплавах цветных и черных металлов. Изделия из силицированного графита в 5... 10 раз более стойкие в расплавленном чугуне, алюминии, золоте, шлаке, чем изделия из других материалов.
Учитывая уникальные свойства, силицированные графиты применяются в черной и цветной металлургии, химическом машиностроении, в производстве огнеупорных футеровочных материалов, электротехнической и радиотехничской промышленности, производстве искусственных волокон, в атомной энергетике и ракетной технике.
Эффективность процесса силицирования графита зависит от характера пористой структуры материала. Для силицирования большое значение имеет не только суммарный объем пор, их конфигурация, но и распределение пор по размерам, и равномерность пористой структуры графита.
Анализ литературных данных показал, что чем больше размеры пор в графите, при одинаковом суммарном объеме пор, тем меньше внутренняя поверхность, на которой осаждается карбид кремния и тем меньше карбида кремния в составе материала. Пористость углеродного материала до пропитки его кремнием влияет не только на плотность и химический состав силицированного графита, но и на равномерность распределения этих показателей. При неравномерной пористости графита и неравномерном распределении пор по объему материала, часть графита остается не просилицированной, что приведет к браку в изделии.
На формирование пористой структуры графита влияет множество технологических параметров, таких как свойства нефтяных и пековых коксов, свойства каменноугольного пека и его количества, температура и скорость термообработки в процессе обжига и графитации, грансостав кокса и давление прессования. Так при одном и том же грансоставе наполнителя увеличение количества пека приводит к росту объема и крупности пор. Грансостав шихты в значительной степени влияет на размер пор и их количество. С уменьшением размера зерна кокса эффективный размер пор уменьшается.
С ростом температуры термообработки на стадии обжига и графитации общая и закрытая пористость уменьшаются, открытая пористость возрастает, что очень важно для силицирования.
Современное состояние разработок в области получения углеграфитовых материалов на основе карбида в РФ характеризуется значительным отставанием от уровня аналогичных разработок в развитых странах.
В литературе приводится информация о том, что наиболее эффективными размерами пор для силицирования являются поры 7...10 микрон. Однако эти исследования проводились с использованием в качестве наполнителя специального изотропного нефтяного кокса. В литературе нет информации какие же размеры пор являются наиболее эффективными для силицирования графитов на основе пекового кокса. В связи с этим проведение исследований по изучению пористой структуры графитов для силицирования, влияния пористой структуры на эффективность силицирования являются очень актуальными.
Цель работы - проведение исследований пористой структуры промышленной марки графита ПРОГ-2400 для силицирования.
Задачи:
- определение физико-механических свойств графитов для силицирования;
- исследование, методом ртутнойпорометрии, распределения пор по размерам, среднего диаметра пор графитов для силицирования;
- определение взаимосвязи поровой структуры графитов для силицирования и свойствами (плотностью и химическим составом) силицированных графитов;
- исследование влияния поровой структуры исходных графитов на выход годного силицированных графитов.
Пропитанный кремнием графит - эррозионно- и коррозионностойкий материал, в котором сочетаются уникальные свойства карбида кремния и графита. Карбид кремния придает силицированному графиту высокую жаропрочность и жаростойкость, а графит - высокую стойкость к многократным теплосменам.
Силицированный графит имеет низкую газопроницаемость и окисляемость, высокую стойкостью к воздействию агрессивных сред, имеет высокие антифрикционные свойства, стоек в расплавах цветных и черных металлов. Изделия из силицированного графита в 5... 10 раз более стойкие в расплавленном чугуне, алюминии, золоте, шлаке, чем изделия из других материалов.
Учитывая уникальные свойства, силицированные графиты применяются в черной и цветной металлургии, химическом машиностроении, в производстве огнеупорных футеровочных материалов, электротехнической и радиотехничской промышленности, производстве искусственных волокон, в атомной энергетике и ракетной технике.
Эффективность процесса силицирования графита зависит от характера пористой структуры материала. Для силицирования большое значение имеет не только суммарный объем пор, их конфигурация, но и распределение пор по размерам, и равномерность пористой структуры графита.
Анализ литературных данных показал, что чем больше размеры пор в графите, при одинаковом суммарном объеме пор, тем меньше внутренняя поверхность, на которой осаждается карбид кремния и тем меньше карбида кремния в составе материала. Пористость углеродного материала до пропитки его кремнием влияет не только на плотность и химический состав силицированного графита, но и на равномерность распределения этих показателей. При неравномерной пористости графита и неравномерном распределении пор по объему материала, часть графита остается не просилицированной, что приведет к браку в изделии.
На формирование пористой структуры графита влияет множество технологических параметров, таких как свойства нефтяных и пековых коксов, свойства каменноугольного пека и его количества, температура и скорость термообработки в процессе обжига и графитации, грансостав кокса и давление прессования. Так при одном и том же грансоставе наполнителя увеличение количества пека приводит к росту объема и крупности пор. Грансостав шихты в значительной степени влияет на размер пор и их количество. С уменьшением размера зерна кокса эффективный размер пор уменьшается.
С ростом температуры термообработки на стадии обжига и графитации общая и закрытая пористость уменьшаются, открытая пористость возрастает, что очень важно для силицирования.
Современное состояние разработок в области получения углеграфитовых материалов на основе карбида в РФ характеризуется значительным отставанием от уровня аналогичных разработок в развитых странах.
В литературе приводится информация о том, что наиболее эффективными размерами пор для силицирования являются поры 7...10 микрон. Однако эти исследования проводились с использованием в качестве наполнителя специального изотропного нефтяного кокса. В литературе нет информации какие же размеры пор являются наиболее эффективными для силицирования графитов на основе пекового кокса. В связи с этим проведение исследований по изучению пористой структуры графитов для силицирования, влияния пористой структуры на эффективность силицирования являются очень актуальными.
Цель работы - проведение исследований пористой структуры промышленной марки графита ПРОГ-2400 для силицирования.
Задачи:
- определение физико-механических свойств графитов для силицирования;
- исследование, методом ртутнойпорометрии, распределения пор по размерам, среднего диаметра пор графитов для силицирования;
- определение взаимосвязи поровой структуры графитов для силицирования и свойствами (плотностью и химическим составом) силицированных графитов;
- исследование влияния поровой структуры исходных графитов на выход годного силицированных графитов.
Технология производства графитов разных марок для силицирования приводит к образованию пористой структуры. На формирование пористой структуры графита влияет множество технологических параметров, таких как свойства нефтяных и пековых коксов, свойства каменноугольного пека и его количества, температура и скорость термообработки в процессе обжига и графитации, грансостав кокса и давление прессования.
Для исследования пористой структуры применяются различные методы. Одним из основных методов оценки пористой структуры графитов является ртутнаяпорометрия.
Эффективность процесса объемного силицирования углеграфитовых изделий в большой степени зависит от характера пористой структуры материала, от величины общего объема пор, их размеров и конфигурации, равномерности распределения пор по объему и для каждой марки силицированного графита, исходный графит должен обладать определенным объемом и размерами пор.
В литературе приводится информация о том, что наиболее эффективными размерами пор для силицирования являются поры 7...10 микрон. Однако эти исследования проводились с использованием в качестве наполнителя специального изотропного нефтяного кокса. В литературе нет информации какие же размеры пор являются наиболее эффективными для силицирования графитов на основе пекового кокса.
Анализ физико-механических показателей графита ПРОГ-2400 0 350х1300 мм, кампании графитации № 175 показал, что все 10 заготовок имеют свойства в пределах требований к данной марке графита. Однако широкие пределы изменения свидетельствуют о неравномерности физико-механических показателей графита ПРОГ-2400 от заготовки к заготовке, а соответственно о нестабильности технологических параметров их изготовления.
Результаты исследования пористой структуры графита методом ртутной порометрии с определением распределения пор по размерам и среднего диаметра пор показали, что промышленный графит марки ПРОГ-2400 имеет неравномерную пористую структуру со средним диаметром пор от 3 до 21 микрон, отличающуюся большим содержанием пор менее 1 микрона (до 36 %) и
крупных пор более 100 микрон (до 20 %), отрицательно влияющих на
эффективность процесса силицирования и свойства силицированных графитов.
Результаты определения свойств силицированных графитов показали, что кажущаяся плотность всех 10 образцов соответствует требованиям технических условий и составляет 2,24...2,27 г/см3. По химическому анализу только 60 % образцов имеют содержание карбида кремния 22...23 %, что соответствуют требованиям по минимальному значению содержания карбида кремния не менее 22 %. Значения содержания карбида кремния 25 %, 27 % не достигнуты ни на одном образце.
Анализ физико-механических показателей и пористой структуры исходного графита ПРОГ-2400 показывает, что графит с кажущейся плотностью
1,65.. .1,70 г/см3 и неравномерной пористости графита с большим количеством пор менее 1 микрона и более 100 микрон не обеспечивает получение силицированных графитов с высоким содержанием карбида кремния.
Исследования пористой структуры графита ПРОГ-2400 необходимо продолжить в направлении получения статистических данных по другим кампаниям графитации, определения размеров пор наиболее влияющих на равномерность силицирования и корректирования технологических параметров изготовления графита ПРОГ -2400 (грансостава кокса, количества пека, условий прессования, термообработки) с целью получения более равномерной пористости с минимальным содержанием пор менее 1 микрона и более 100 микрон.
Для исследования пористой структуры применяются различные методы. Одним из основных методов оценки пористой структуры графитов является ртутнаяпорометрия.
Эффективность процесса объемного силицирования углеграфитовых изделий в большой степени зависит от характера пористой структуры материала, от величины общего объема пор, их размеров и конфигурации, равномерности распределения пор по объему и для каждой марки силицированного графита, исходный графит должен обладать определенным объемом и размерами пор.
В литературе приводится информация о том, что наиболее эффективными размерами пор для силицирования являются поры 7...10 микрон. Однако эти исследования проводились с использованием в качестве наполнителя специального изотропного нефтяного кокса. В литературе нет информации какие же размеры пор являются наиболее эффективными для силицирования графитов на основе пекового кокса.
Анализ физико-механических показателей графита ПРОГ-2400 0 350х1300 мм, кампании графитации № 175 показал, что все 10 заготовок имеют свойства в пределах требований к данной марке графита. Однако широкие пределы изменения свидетельствуют о неравномерности физико-механических показателей графита ПРОГ-2400 от заготовки к заготовке, а соответственно о нестабильности технологических параметров их изготовления.
Результаты исследования пористой структуры графита методом ртутной порометрии с определением распределения пор по размерам и среднего диаметра пор показали, что промышленный графит марки ПРОГ-2400 имеет неравномерную пористую структуру со средним диаметром пор от 3 до 21 микрон, отличающуюся большим содержанием пор менее 1 микрона (до 36 %) и
крупных пор более 100 микрон (до 20 %), отрицательно влияющих на
эффективность процесса силицирования и свойства силицированных графитов.
Результаты определения свойств силицированных графитов показали, что кажущаяся плотность всех 10 образцов соответствует требованиям технических условий и составляет 2,24...2,27 г/см3. По химическому анализу только 60 % образцов имеют содержание карбида кремния 22...23 %, что соответствуют требованиям по минимальному значению содержания карбида кремния не менее 22 %. Значения содержания карбида кремния 25 %, 27 % не достигнуты ни на одном образце.
Анализ физико-механических показателей и пористой структуры исходного графита ПРОГ-2400 показывает, что графит с кажущейся плотностью
1,65.. .1,70 г/см3 и неравномерной пористости графита с большим количеством пор менее 1 микрона и более 100 микрон не обеспечивает получение силицированных графитов с высоким содержанием карбида кремния.
Исследования пористой структуры графита ПРОГ-2400 необходимо продолжить в направлении получения статистических данных по другим кампаниям графитации, определения размеров пор наиболее влияющих на равномерность силицирования и корректирования технологических параметров изготовления графита ПРОГ -2400 (грансостава кокса, количества пека, условий прессования, термообработки) с целью получения более равномерной пористости с минимальным содержанием пор менее 1 микрона и более 100 микрон.
