Proceso de producción y principales usos del grafito prensado isostáticamente.

Acerca del grafito isostático

El grafito isostático es un nuevo tipo de material de grafito desarrollado en la década de 1960, que tiene una serie de excelentes propiedades. Por ejemplo, el grafito isostático tiene buena resistencia al calor. En atmósfera inerte, su resistencia mecánica no sólo no disminuye a medida que aumenta la temperatura, sino que aumenta, alcanzando el valor más alto en torno a los 2500°C; en comparación con el grafito ordinario, la estructura es fina y densa, y tiene buena uniformidad; bajo coeficiente de expansión térmica, excelente resistencia al choque térmico; isotrópico; fuerte resistencia a la corrosión química, buena conductividad térmica y eléctrica; Excelente rendimiento de mecanizado.

Es precisamente debido a esta serie de excelentes propiedades que el grafito isostático se usa ampliamente en los campos de la metalurgia, la química, las industrias eléctrica, aeroespacial y de energía atómica y, con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, el campo de aplicación aún se está expandiendo.

El grafito isostático requiere materias primas estructuralmente isotrópicas, que deben molerse hasta obtener polvos más finos. Se requiere tecnología de prensado isostático en frío. El ciclo de cocción es muy largo. Para lograr la densidad deseada, se requieren múltiples ciclos de impregnación y cocción. , y el período de grafitización es mucho más largo que el del grafito ordinario.

Las materias primas para producir grafito isostático incluyen agregados y aglutinantes. El agregado suele estar hecho de coque de petróleo y coque de brea, y también se utiliza coque de brea molida. Por ejemplo, el grafito isostático de la serie AXF de la empresa estadounidense POCO se produce utilizando coque de brea molido y coque de gilsonita.

Sobre el proceso de producción

El rendimiento del grafito isostático se ve muy afectado por las materias primas, y la selección de las materias primas es el vínculo clave para producir el producto final deseado. Las características y uniformidad de las materias primas deben controlarse estrictamente antes de la alimentación.

A diferencia del moldeo por extrusión y el moldeo por compresión ordinarios, el grafito isostático se forma mediante tecnología de prensado isostático en frío. Llene el polvo comprimido de la materia prima en el molde de caucho y haga que el polvo comprimido se dense mediante vibración electromagnética de alta frecuencia, aspire después del sellado, descargue el aire entre las partículas de polvo y colóquelo en un recipiente de alta presión lleno de medios líquidos como agua o aceite. Presurizar a 100-200 MPa y presionar para obtener productos cilíndricos o rectangulares.

Según el principio de Pascal, la presión se aplica al molde de caucho a través de un medio líquido como el agua, y la presión es igual en todas las direcciones. De este modo, las partículas de polvo prensadas no están orientadas en el molde en la dirección de llenado, sino que se comprimen de forma irregular. Por lo tanto, aunque el grafito es anisotrópico en propiedades cristalográficas, en su conjunto, el grafito isostático es isotrópico.

Además de cilindros y rectángulos, los productos moldeados también tienen formas como barriles y crisoles.

La máquina prensadora isostática se utiliza principalmente en la industria de pulvimetalurgia. Debido a las necesidades de industrias de alto nivel como la aeroespacial, la nuclear, la de carburo cementado y la electromagnética de alto voltaje, la tecnología de prensado isostático se ha desarrollado muy rápidamente. Tiene la capacidad de fabricar prensas isostáticas en frío con un diámetro interior del cilindro de trabajo de 3000 mm, una altura de 5000 mm y una presión máxima de trabajo de 600 MPa.

En la actualidad, el tamaño máximo de la prensa isostática en frío utilizada en la industria del carbono para producir grafito isostático es Φ2150 mm×4700 mm y la presión máxima de trabajo es 180 MPa.

Debido a la estructura fina del grafito isostático, se requiere que el proceso de tostado sea particularmente lento y la temperatura en el horno debe ser muy uniforme, especialmente en la etapa de temperatura cuando los volátiles de la brea se descargan rápidamente, el proceso de calentamiento debe realizarse con cuidado y la velocidad de calentamiento no puede exceder 1°C/h. Se requiere que la diferencia de temperatura en el horno sea inferior a 20 °C y este proceso dura entre 1 y 2 meses.

Para mejorar la densidad aparente, la resistencia mecánica, la conductividad eléctrica, la conductividad térmica y la reactividad química del producto, se puede tratar mediante impregnación a presión, es decir, la brea de alquitrán de hulla se impregna en el producto a través de los poros abiertos. Normalmente, el grafito prensado isostáticamente sufre múltiples ciclos de impregnación-calcinación.

Cuando el producto calcinado se calienta a aproximadamente 3000 °C, la red de átomos de carbono se dispone de manera ordenada y se completa la transformación de carbono en grafito, lo que se denomina grafitización.

Después de la grafitización, la densidad aparente, la conductividad eléctrica, la conductividad térmica y la resistencia a la corrosión del producto mejoran enormemente, y también mejora el rendimiento del mecanizado. Sin embargo, la grafitización reduce la resistencia a la flexión del artículo.

Después de la grafitización, también es necesario verificar la densidad, dureza, resistencia, resistividad, contenido de cenizas y otros indicadores del producto para juzgar si los indicadores cumplen con los requisitos.

Sobre los usos principales

Cuando el grafito isostático se utiliza en los campos de los semiconductores, el silicio monocristalino y la energía atómica, los requisitos de pureza son muy altos y las impurezas deben eliminarse mediante métodos químicos antes de poder utilizarse en estos campos.

La forma habitual de eliminar las impurezas del grafito es poner el producto grafitizado en un gas halógeno y calentarlo a aproximadamente 2000 °C, y las impurezas se halogenarán en haluros de bajo punto de ebullición y se volatilizarán y eliminarán.

Casi todas las impurezas de los productos grafitizados se pueden eliminar mediante halogenación con cloro. La excepción es el boro, que sólo puede eliminarse mediante fluoración.

Este método de purificación aprovecha al máximo las características únicas del grafito, que no reacciona con halógenos a altas temperaturas y que el grafito es poroso.

En el campo térmico del silicio monocristalino de Czochralski, los componentes del grafito isostático incluyen crisoles, calentadores, electrodos, placas protectoras de aislamiento térmico, soportes de cristales semilla, bases para crisoles giratorios, varios discos, placas reflectantes de calor, etc., 30 tipos. Entre ellos, el 80% del grafito isostático se utiliza para fabricar crisoles y calentadores.

En los últimos años, los requisitos de diámetro para las varillas de silicio monocristalino se han vuelto cada vez mayores, y la producción de obleas de 300 mm se ha vuelto cada vez más común. En consecuencia, el diámetro de la zona de calentamiento del horno monocristalino es mayoritariamente de 800 mm. Para proteger el crisol de cuarzo colocado dentro del horno, el diámetro del crisol de grafito alcanza los 860 mm. El diámetro del calentador es de aproximadamente 960~1000 mm. El diámetro de otras piezas puede alcanzar hasta 1000 mm. 1500 mm.

Desde 2003, la conciencia de la gente sobre la protección del entorno de vida de la Tierra ha aumentado gradualmente y la gente prefiere cada vez más las fuentes de energía naturales que no emiten dióxido de carbono. Bajo esta tendencia, la producción de células solares ha aumentado rápidamente.

En el proceso de fabricación de obleas de silicio policristalino para células solares, primero se deben fundir fragmentos de silicio policristalino y moldearlos en lingotes cuadrados de silicio policristalino. El calentador del horno de lingotes debe estar fabricado de grafito prensado isostáticamente.

En los últimos años, el clima global se ha calentado. Se cree que el dióxido de carbono producido por el uso de combustibles fósiles es uno de los principales contribuyentes al problema. En los últimos años, aunque el crecimiento económico de los países en desarrollo ha logrado resultados mundialmente reconocidos, el problema de la escasez de energía ha preocupado profundamente a estos países. En tales circunstancias, la atención de la gente se ha centrado en la generación de energía atómica, que tiene una densidad de flujo de energía mucho mayor que la de las células solares y la energía eólica, y no emite dióxido de carbono ni óxidos de azufre.

Actualmente, la mayoría de los reactores nucleares que se utilizan en todo el mundo son reactores de agua ligera. El principio de funcionamiento de este tipo de reactor es utilizar la energía térmica generada durante la fisión nuclear para vaporizar agua fría en vapor de agua a 300°C, lo que impulsa la turbina para generar electricidad. Sin embargo, debido a la baja temperatura del reactor de agua, la eficiencia de generación de energía del reactor de agua ligera no es muy alta. Por el contrario, los reactores refrigerados por gas a alta temperatura no presentan tales problemas. Utiliza gas inerte (helio) como refrigerante. La temperatura de salida del núcleo del reactor no sólo puede alcanzar casi 1.000 °C, sino que también tiene una alta eficiencia de generación de energía, sino que también es adecuado para producir hidrógeno. Se puede decir que tanto el suministro de energía como la protección del medio ambiente están equilibrados.

El grafito es adecuado como material central de este reactor refrigerado por gas de alta temperatura porque no sólo resiste altas temperaturas, sino que también absorbe menos neutrones y tiene buenas propiedades de transferencia de calor.

El grafito es un moderador de neutrones y un excelente reflector. Sus excelentes propiedades han establecido su posición en la industria nuclear. El grafito no solo puede satisfacer las necesidades de la producción industrial en masa, sino que también tiene las características de alta resistencia mecánica y resistencia a altas temperaturas que requieren los materiales estructurales. Por tanto, el grafito es adecuado como material estructural para reactores refrigerados por gas de alta temperatura.

La característica muy segura de los reactores refrigerados por gas de alta temperatura ha llevado a la gente a proponer el concepto de diseño de reactores modulares refrigerados por gas de alta temperatura. La próxima generación de reactores nucleares de temperatura ultraalta (UHTR) avanza hacia una alta densidad de potencia y alta temperatura. Estos desarrollos tecnológicos han planteado requisitos más elevados para las características de la nueva generación de materiales de grafito, como una mayor tolerancia al daño por radiación, homogeneización del producto, alta calidad y bajo precio, suministro a largo plazo, etc.

A medida que los dispositivos de fusión nuclear crecen gradualmente, para generar plasma de alta temperatura, se utilizan materiales de grafito con buena conductividad térmica y alta resistencia mecánica como primer material de pared frente al plasma, y ​​han mostrado buenos efectos de pulso de descarga. Además, incluso si se mezclan con el plasma, debido a su bajo número atómico, la pérdida de radiación causada es pequeña, por lo que el plasma a alta temperatura se puede mantener estable. Sin embargo, la incidencia de isótopos de hidrógeno hará que el material de grafito genere salpicaduras químicas de consumo de gas CH4 y el fenómeno de pérdida por sublimación mejorada por radiación (la sublimación mejorada por radiación significa que las partículas de plasma están en un ambiente de irradiación, incluso si la temperatura actual no alcanza la temperatura de sublimación térmica normal del grafito, el material de grafito también se sublimará y perderá). Por lo tanto, cuando se utiliza material de grafito como material de superficie de plasma, se debe prestar atención a las condiciones de uso del grafito, especialmente a la temperatura.

El material de revestimiento de plasma y la placa desviadora del dispositivo de plasma crítico JT-60U desarrollado por el Instituto de Investigación de Energía Atómica de Japón utilizan componentes hechos de materiales de grafito. Entre ellos, la placa desviadora en la salida de plasma utiliza un material compuesto C/C especial con alta conductividad térmica, alta resistencia al impacto térmico y fibra de carbono como materia prima. La primera pared con carga térmica relativamente baja adopta varios materiales. Material de grafito isotrópico.

En resumen, la industria mundial de la energía atómica está experimentando diversos desarrollos y cambios. En el campo de los reactores refrigerados por gas de alta temperatura, están avanzando los reactores comerciales refrigerados por gas de alta temperatura en Sudáfrica y China. En el campo de los reactores de fusión nuclear, existen reactores experimentales. Mientras se lleva a cabo el proyecto del Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER), también está en marcha la transformación del dispositivo japonés JT-60.

El mecanizado por descarga eléctrica, que utiliza principalmente grafito o cobre como electrodos, se utiliza ampliamente en campos de procesamiento como los moldes metálicos.

Requisitos previos al proceso para el procesamiento de formas de grafito para mecanizado por descarga eléctrica: ① bajo consumo de herramientas; ② velocidad de procesamiento rápida; ③ buena rugosidad de la superficie mecanizada; ④ sin protuberancias afiladas, etc.

Requisitos para el proceso de mecanizado por descarga eléctrica: ① Velocidad rápida de mecanizado por descarga eléctrica; ② Menos consumo de longitud del electrodo; ③ Menos pérdida de ángulo del electrodo; ④ Buena rugosidad de la superficie mecanizada de la pieza de trabajo; ⑤ Menos irregularidades de la superficie mecanizada de la pieza de trabajo, etc.

En comparación con los electrodos de cobre, los electrodos de grafito para mecanizado por descarga eléctrica tienen las siguientes ventajas: ① Más livianos que el cobre, fáciles de transportar, solo 1/5 del peso del cobre en la misma forma; ② Fácil de procesar; ③ El procesamiento de corte no es fácil de producir tensión y deformación térmica; ④ El punto de fusión es superior a 3000 °C, el coeficiente de expansión térmica es pequeño y los electrodos de grafito rara vez se deforman por el calor generado por el mecanizado por descarga eléctrica.

Sin embargo, los electrodos de grafito también tienen algunas desventajas, como ① es fácil producir polvo durante el corte; ② pérdida fácil, etc.

Los fabricantes de electrodos de grafito para mecanizado por descarga eléctrica producen diferentes grados de productos, desde mecanizado en desbaste hasta acabado a bajo precio.

Recientemente han aparecido en el mercado electrodos de grafito para el mecanizado por descarga eléctrica de partículas ultrafinas, que se diferencian del concepto tradicional. Este tipo de electrodo tiene como objetivo reducir el consumo de grafito. Su idea de desarrollo es simple: menor consumo de electrodos → menos partículas de grafito que se desprenden del electrodo durante el procesamiento de descarga eléctrica → partículas finas → alta fuerza de unión entre partículas → uso eficiente y racional del agregado asfáltico → Ajustar los parámetros de fabricación para reducir la tasa de defectos y el costo de fabricación.

En cuanto a si se pueden comercializar electrodos de grafito para el mecanizado por descarga eléctrica de partículas ultrafinas, también depende del nivel de tecnología de producción de los fabricantes de electrodos de grafito.

En las circunstancias actuales, el proceso de corte todavía resulta algo impotente en el procesamiento profundo y detallado de moldes metálicos. Debido a que la forma y resistencia de las herramientas de corte existentes dificultan el cumplimiento de los requisitos de un procesamiento profundo y detallado. Por lo tanto, se desarrollaron electrodos de grafito para descarga de precisión, que se procesan a partir de grafito prensado isostáticamente, para el acabado con el fin de aprovechar al máximo las numerosas ventajas de los electrodos de grafito.

Debido a las ventajas de la simplificación del proceso de fundición, la mejora de la tasa de calificación del producto y la uniformidad de la estructura del producto, se ha vuelto muy común utilizar la fundición y laminación continua para producir placas, tubos, varillas, etc. de metales no ferrosos. En la actualidad, la producción a gran escala de cobre puro, bronce, latón y cobre blanco adopta principalmente la fundición continua. Entre ellos, el cristalizador, que desempeña un papel vital en la calidad del producto, está hecho de grafito isostático.

Debido a que el material de grafito prensado isostáticamente tiene buenas propiedades en términos de conducción de calor, estabilidad térmica, autolubricación, antihumectación e inercia química, se ha convertido en un material insustituible para fabricar cristalizadores.

El grafito isostático también se utiliza para fabricar herramientas de diamante y moldes de sinterización de carburo cementado, componentes de campo térmico (calentadores, cilindros de aislamiento, etc.) de máquinas trefiladoras de fibra óptica, componentes de campo térmico (calentadores, bastidores de cojinetes, etc.) e intercambiadores de calor de grafito de precisión, componentes de sellos mecánicos, anillos de pistón, cojinetes, boquillas de cohetes, etc.

En la producción industrial actual, el grafito se ha convertido en un material clave indispensable, especialmente en la industria solar, la industria LED, la industria de semiconductores y la industria nuclear, la demanda de grafito está aumentando considerablemente y los requisitos de calidad son cada vez más altos.