Processo produttivo e principali utilizzi della grafite pressata isostaticamente

Informazioni sulla grafite isostatica

La grafite isostatica è un nuovo tipo di materiale di grafite sviluppato negli anni '60, che presenta una serie di proprietà eccellenti. Ad esempio, la grafite isostatica ha una buona resistenza al calore. In atmosfera inerte la sua resistenza meccanica non solo non diminuisce all'aumentare della temperatura, ma aumenta, raggiungendo il valore massimo intorno ai 2500°C; rispetto alla grafite ordinaria, la struttura Fine e densa e buona uniformità; basso coefficiente di dilatazione termica, ottima resistenza agli shock termici; isotropo; forte resistenza alla corrosione chimica, buona conduttività termica ed elettrica; eccellenti prestazioni di lavorazione.

È proprio per questa serie di eccellenti proprietà che la grafite isostatica è ampiamente utilizzata nei campi della metallurgia, della chimica, dell'industria elettrica, aerospaziale e dell'energia atomica e, con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, il campo di applicazione è ancora in espansione.

La grafite isostatica richiede materie prime strutturalmente isotrope, che devono essere macinate in polveri più fini. È necessaria la tecnologia di pressatura isostatica a freddo. Il ciclo di cottura è molto lungo. Per raggiungere la densità target sono necessari più cicli di impregnazione e cottura. e il periodo di grafitizzazione è molto più lungo di quello della grafite ordinaria.

Le materie prime per la produzione di grafite isostatica includono aggregato e legante. L'aggregato è solitamente costituito da coke di petrolio e coke di pece, ma viene utilizzato anche coke di pece macinato. Ad esempio, la grafite isostatica della serie AXF della società americana POCO viene prodotta utilizzando coke di pece macinato Gilsonite coke.

Informazioni sul processo di produzione

Le prestazioni della grafite isostatica sono fortemente influenzate dalle materie prime e la selezione delle materie prime è l'anello chiave per produrre il prodotto finale desiderato. Le caratteristiche e l'uniformità delle materie prime devono essere rigorosamente controllate prima dell'alimentazione.

Diversamente dal normale stampaggio per estrusione e dallo stampaggio per compressione, la grafite isostatica è formata mediante la tecnologia di pressatura isostatica a freddo. Riempire la polvere compressa della materia prima nello stampo di gomma e rendere la polvere compressa densa attraverso vibrazioni elettromagnetiche ad alta frequenza, aspirare dopo la sigillatura, scaricare l'aria tra le particelle di polvere e metterla in un contenitore ad alta pressione riempito con mezzi liquidi come acqua o olio. Pressurizzare a 100-200 MPa e pressare in prodotti cilindrici o rettangolari.

Secondo il principio di Pascal, la pressione viene applicata allo stampo in gomma attraverso un mezzo liquido come l'acqua e la pressione è uguale in tutte le direzioni. In questo modo le particelle di polvere pressata non sono orientate nella direzione di riempimento nello stampo, ma vengono compresse in una disposizione irregolare. Pertanto, sebbene la grafite sia anisotropa nelle proprietà cristallografiche, nel suo insieme la grafite isostatica è isotropa.

I prodotti formati presentano oltre a cilindri e rettangoli anche forme come botti e crogioli.

La pressa isostatica viene utilizzata principalmente nell'industria della metallurgia delle polveri. A causa delle esigenze dei settori di fascia alta come quello aerospaziale, nucleare, del carburo cementato e dei prodotti elettromagnetici ad alta tensione, la tecnologia di pressatura isostatica si è sviluppata molto rapidamente. Ha la capacità di produrre presse isostatiche a freddo con un diametro interno del cilindro di lavoro di 3000 mm, un'altezza di 5000 mm e una pressione di esercizio massima di 600 MPa.

Allo stato attuale, la dimensione massima della pressa isostatica a freddo utilizzata nell’industria del carbonio per produrre grafite isostatica è Φ2150mm×4700 mm e la pressione di esercizio massima è 180MPa.

A causa della struttura fine della grafite isostatica, il processo di tostatura deve essere particolarmente lento e la temperatura nel forno deve essere molto uniforme, soprattutto nella fase di temperatura in cui le sostanze volatili della pece vengono scaricate rapidamente, il processo di riscaldamento deve essere eseguito con attenzione e la velocità di riscaldamento non può superare 1°C/h. La differenza di temperatura nel forno deve essere inferiore a 20°C e questo processo richiede circa 1 o 2 mesi.

Per migliorare la densità apparente, la resistenza meccanica, la conduttività elettrica, la conduttività termica e la reattività chimica del prodotto, è possibile trattarlo mediante impregnazione a pressione, ovvero la pece di catrame di carbone viene impregnata nel prodotto attraverso i pori aperti. Tipicamente, la grafite pressata isostaticamente subisce più cicli di impregnazione-calcinazione.

Quando il prodotto calcinato viene riscaldato a circa 3000°C, il reticolo dell'atomo di carbonio si dispone in modo ordinato e viene completata la trasformazione da carbonio a grafite, chiamata grafitizzazione.

Dopo la grafitizzazione, la densità apparente, la conduttività elettrica, la conduttività termica e la resistenza alla corrosione del prodotto risultano notevolmente migliorate e anche le prestazioni di lavorazione sono migliorate. Tuttavia, la grafitizzazione riduce la resistenza alla flessione dell'articolo.

Dopo la grafitizzazione, è inoltre necessario controllare la densità, la durezza, la resistenza, la resistività, il contenuto di ceneri e altri indicatori del prodotto per giudicare se gli indicatori soddisfano i requisiti.

Informazioni sugli usi principali

Quando la grafite isostatica viene utilizzata nei campi dei semiconduttori, del silicio monocristallino e dell'energia atomica, i requisiti di purezza sono molto elevati e le impurità devono essere rimosse con metodi chimici prima di poter essere utilizzate in questi campi.

Il modo usuale per rimuovere le impurità nella grafite è mettere il prodotto grafitizzato in un gas alogeno e riscaldarlo a circa 2000°C, e le impurità verranno alogenate in alogenuri bassobollenti, volatilizzate e rimosse.

Quasi tutti gli elementi impuri nei prodotti grafitizzati possono essere rimossi mediante alogenazione del cloro. L'eccezione è il boro, che può essere rimosso solo mediante fluorurazione.

Questo metodo di purificazione sfrutta appieno le caratteristiche uniche della grafite che non reagisce con gli alogeni alle alte temperature e che la grafite è porosa.

Nel campo termico del silicio monocristallino Czochralski, i componenti di grafite isostatica includono crogioli, riscaldatori, elettrodi, piastre schermanti per l'isolamento termico, supporti per cristalli di semi, basi per crogioli rotanti, vari dischi, piastre riflettenti il ​​calore, ecc. 30 tipi. Tra questi, l'80% della grafite isostatica viene utilizzata per realizzare crogioli e riscaldatori.

Negli ultimi anni, i requisiti di diametro per le barre di silicio monocristallino sono diventati sempre più grandi e la produzione di wafer da 300 mm è diventata sempre più diffusa. Di conseguenza, il diametro della zona di riscaldamento del forno monocristallino è per lo più di 800 mm. Per proteggere il crogiolo di quarzo posto all'interno del forno, il diametro del crogiolo di grafite raggiunge 860 mm. Il diametro del riscaldatore è di circa 960~1000 mm. Il diametro di altre parti può raggiungere fino a 1000 mm. 1500 mm.

Dal 2003, la consapevolezza delle persone sulla protezione dell'ambiente di vita della terra è gradualmente aumentata e le persone preferiscono sempre più fonti energetiche naturali che non emettono anidride carbonica. Secondo questa tendenza, la produzione di celle solari è aumentata rapidamente.

Nel processo di produzione dei wafer di silicio policristallino per celle solari, i frammenti di silicio policristallino devono essere prima fusi e fusi in lingotti quadrati di silicio policristallino. Il riscaldatore del forno per lingottiere deve essere realizzato in grafite pressata isostaticamente.

Negli ultimi anni il clima globale si è riscaldato. Si ritiene che l’anidride carbonica prodotta dall’uso di combustibili fossili sia una delle principali cause del problema. Negli ultimi anni, sebbene la crescita economica dei paesi in via di sviluppo abbia raggiunto risultati di fama mondiale, il problema della carenza di energia ha profondamente turbato questi paesi. In tali circostanze, l'attenzione della gente si è rivolta alla produzione di energia atomica, che ha una densità di flusso energetico molto più elevata di quella delle celle solari e dell'energia eolica e non emette anidride carbonica e ossidi di zolfo.

Attualmente, la maggior parte dei reattori nucleari in uso nel mondo sono reattori ad acqua leggera. Il principio di funzionamento di questo tipo di reattore è quello di utilizzare l'energia termica generata durante la fissione nucleare per vaporizzare l'acqua fredda in vapore acqueo a 300°C, che aziona la turbina per generare elettricità. Tuttavia, a causa della bassa temperatura del reattore ad acqua, l'efficienza di generazione di energia del reattore ad acqua leggera non è molto elevata. Al contrario, i reattori raffreddati a gas ad alta temperatura non presentano tali problemi. Utilizza gas inerte (elio) come refrigerante. Non solo la temperatura in uscita dal nocciolo del reattore può raggiungere quasi 1000°C, ma ha un'elevata efficienza di generazione di energia, ma è anche adatto per produrre idrogeno. Si può dire che l’alimentazione elettrica e la tutela dell’ambiente sono entrambe equilibrate.

La grafite è adatta come materiale del nucleo di questo reattore raffreddato a gas ad alta temperatura perché non solo resiste alle alte temperature, ma assorbe anche meno neutroni e ha buone proprietà di trasferimento del calore.

La grafite è un moderatore di neutroni e un eccellente riflettore. Le sue numerose proprietà eccellenti hanno consolidato la sua posizione nell'industria nucleare. La grafite non solo può soddisfare le esigenze della produzione industriale di massa, ma ha anche le caratteristiche di elevata resistenza meccanica e resistenza alle alte temperature richieste dai materiali strutturali. Pertanto, la grafite è adatta come materiale strutturale per reattori raffreddati a gas ad alta temperatura.

La caratteristica molto sicura dei reattori raffreddati a gas ad alta temperatura ha portato le persone a proporre il concetto di progettazione di reattori modulari raffreddati a gas ad alta temperatura. La prossima generazione di reattori nucleari ad altissima temperatura (UHTR) si sta muovendo verso un’elevata densità di potenza e un’alta temperatura. Questi sviluppi tecnologici hanno presentato requisiti più elevati per le caratteristiche della nuova generazione di materiali in grafite, come una maggiore tolleranza ai danni da radiazioni, omogeneizzazione del prodotto, alta qualità e prezzo basso, fornitura a lungo termine, ecc.

Man mano che i dispositivi di fusione nucleare diventano gradualmente più grandi, al fine di generare plasma ad alta temperatura, materiali di grafite con buona conduttività termica ed elevata resistenza meccanica vengono utilizzati come materiale della prima parete rivolta verso il plasma e hanno mostrato buoni effetti di impulso di scarica. Inoltre, anche se vengono miscelati nel plasma, a causa del loro basso numero atomico, la perdita di radiazioni causata è piccola, quindi il plasma ad alta temperatura può essere mantenuto stabile. Tuttavia, l'incidenza degli isotopi di idrogeno farà sì che il materiale di grafite generi spruzzi chimici di gas CH4 e il fenomeno della perdita di sublimazione potenziata dalle radiazioni (la sublimazione potenziata dalle radiazioni significa che le particelle di plasma si trovano in un ambiente di irradiazione, anche se la temperatura attuale non raggiunge la normale sublimazione termica della temperatura della grafite, anche il materiale di grafite sublimerà e perderà). Pertanto, quando si utilizza materiale di grafite come materiale della superficie del plasma, è necessario prestare attenzione alle condizioni di utilizzo della grafite, in particolare alla temperatura.

Il materiale rivolto verso il plasma e la piastra divergente del dispositivo critico al plasma JT-60U sviluppato dall'Istituto giapponese di ricerca sull'energia atomica utilizzano componenti realizzati con materiali di grafite. Tra questi, la piastra deviatrice all'uscita del plasma utilizza uno speciale materiale composito C/C con elevata conduttività termica, elevata resistenza all'impatto termico e fibra di carbonio come materia prima. La prima parete con carico termico relativamente basso adotta vari materiali. Materiale di grafite isotropa.

In breve, l'industria mondiale dell'energia atomica sta attraversando vari sviluppi e cambiamenti. Nel campo dei reattori raffreddati a gas ad alta temperatura, stanno facendo progressi i reattori commerciali raffreddati a gas ad alta temperatura in Sud Africa e Cina. Nel campo dei reattori a fusione nucleare esistono reattori sperimentali. Mentre è in corso il progetto del reattore sperimentale termonucleare internazionale (ITER), è in corso anche la trasformazione del dispositivo giapponese JT-60.

La lavorazione con elettroerosione, che utilizza principalmente grafite o rame come elettrodi, è ampiamente utilizzata in campi di lavorazione come gli stampi metallici.

Requisiti di pre-processo per la lavorazione della forma della grafite per la lavorazione con elettroerosione: ① basso consumo dell'utensile; ② velocità di elaborazione elevata; ③ buona rugosità della superficie lavorata; ④ nessuna sporgenza tagliente, ecc.

Requisiti per il processo di lavorazione con elettroerosione: ① Alta velocità di lavorazione con elettroerosione; ② Minor consumo di lunghezza dell'elettrodo; ③ Minore perdita di angolo dell'elettrodo; ④ Buona rugosità della superficie lavorata del pezzo; ⑤ Meno irregolarità della superficie lavorata del pezzo, ecc.

Rispetto agli elettrodi di rame, gli elettrodi di grafite per la lavorazione con elettroerosione presentano i seguenti vantaggi: ① Più leggeri del rame, facili da trasportare, solo 1/5 del peso del rame nella stessa forma; ② Facile da elaborare; ③ La lavorazione di taglio non è facile da produrre stress e deformazione termica; ④ Il punto di fusione è superiore a 3000°C, il coefficiente di dilatazione termica è piccolo e gli elettrodi di grafite vengono raramente deformati dal calore generato dalla lavorazione a scarica elettrica.

Tuttavia, gli elettrodi di grafite presentano anche alcuni svantaggi, come ① facile produzione di polvere durante il taglio; ② perdita facile, ecc.

I produttori di elettrodi di grafite per la lavorazione con elettroerosione producono diverse qualità di prodotti, dalla sgrossatura a basso costo alla finitura.

Recentemente sono comparsi sul mercato elettrodi di grafite per la lavorazione con elettroerosione di particelle ultrafini, diversi dal concetto tradizionale. Questo tipo di elettrodo mira a ridurre il consumo di grafite. La sua idea di sviluppo è semplicemente: minore consumo di elettrodi → meno particelle di grafite che cadono dall'elettrodo durante il processo di scarica elettrica → particelle fini → elevata forza di legame tra le particelle → uso efficiente e razionale dell'aggregato di asfalto → Regolare i parametri di produzione per ridurre il tasso di difetti e i costi di produzione.

Per quanto riguarda la commercializzazione degli elettrodi di grafite per la lavorazione con elettroerosione di particelle ultrafini, dipende anche dal livello della tecnologia di produzione dei produttori di elettrodi di grafite.

Nelle circostanze attuali, il processo di taglio è ancora in qualche modo indifeso nella lavorazione profonda e dettagliata degli stampi in metallo. Poiché la forma e la resistenza degli utensili da taglio esistenti sono difficili da soddisfare i requisiti di una lavorazione profonda e dettagliata. Pertanto, per la finitura, sono stati sviluppati elettrodi di grafite per scarica di precisione, che vengono lavorati da grafite pressata isostaticamente, per sfruttare appieno i numerosi vantaggi degli elettrodi di grafite.

A causa dei vantaggi della semplificazione del processo di fusione, del miglioramento del tasso di qualificazione del prodotto e dell'uniformità della struttura del prodotto, è diventato molto comune utilizzare la colata continua e la laminazione per produrre piastre, tubi, barre di metalli non ferrosi, ecc. Attualmente, la produzione su larga scala di rame puro, bronzo, ottone e rame bianco adotta principalmente la colata continua. Tra questi, il cristallizzatore, che svolge un ruolo fondamentale nella qualità del prodotto, è realizzato in grafite isostatica.

Poiché il materiale di grafite pressato isostaticamente ha buone proprietà in termini di conduzione del calore, stabilità termica, autolubrificazione, antibagnatura e inerzia chimica, è diventato un materiale insostituibile per la produzione di cristallizzatori.

La grafite isostatica viene utilizzata anche per realizzare utensili diamantati e stampi per sinterizzazione in carburo cementato, componenti del campo termico (riscaldatori, cilindri isolanti, ecc.) di macchine per trafilatura di fibre ottiche, componenti del campo termico (riscaldatori, telai di cuscinetti, ecc.) E scambiatori di calore in grafite di precisione, componenti di tenuta meccanica, fasce elastiche, cuscinetti, ugelli per razzi, ecc.

Nella produzione industriale odierna, la grafite è diventata un materiale chiave indispensabile, soprattutto nell'industria solare, nell'industria dei LED, nell'industria dei semiconduttori e nell'industria nucleare, la domanda di grafite è in forte aumento e i requisiti di qualità stanno diventando sempre più alti.