Предварительное и окончательное дробление в производстве углеграфитовых материалов: комплексный анализ для академической работы

В мире передовых технологий, где требования к материалам постоянно растут, углеграфитовые материалы (УГМ) занимают особое место благодаря своим уникальным свойствам. Способные выдерживать температуры до 3000°C в инертных средах и обладающие исключительной прочностью при нагреве, УГМ являются незаменимыми компонентами в авиации, атомной энергетике, металлургии и химической промышленности. Однако путь от сырых углеродных наполнителей до высокотехнологичных изделий лежит через ряд сложных технологических этапов, среди которых процессы дробления и измельчения занимают поистине критическое положение.

Именно на этих начальных стадиях закладывается фундамент будущих свойств материала. Гранулометрический состав, форма частиц и их распределение по размерам, формируемые в процессе дробления, оказывают прямое и зачастую необратимое влияние на плотность, пористость, механическую прочность, электро- и теплопроводность конечного продукта. Недооценка или некорректная оптимизация этих параметров может привести к снижению эксплуатационных характеристик, увеличению брака и росту производственных затрат, а ведь именно стабильность характеристик является ключевым фактором успеха в высокотехнологичных отраслях.

Настоящий реферат призван стать всесторонним руководством по процессам предварительного и окончательного дробления в технологии углеграфитовых материалов. Мы подробно рассмотрим не только теоретические основы и аппаратурное оформление этих стадий, но и углубимся в нюансы влияния гранулометрического состава и формы частиц на микроструктуру и макросвойства готовых изделий. Цель работы — предоставить студентам и аспирантам технических специальностей исчерпывающую информацию, необходимую для глубокого понимания и дальнейшего совершенствования технологий производства УГМ.

Углеграфитовые материалы: свойства, классификация и применение

Определение и основные виды углеграфитовых материалов

Углеграфитовые материалы (УГМ) представляют собой обширный класс инженерных материалов, чья уникальность коренится в кристаллической структуре углерода. По своей сути, УГМ — это технические композиты, созданные на основе природного или синтетического графита, а также высокотемпературные углеуглепластики, способные сохранять структурную целостность и функциональность при экстремальных температурах, порой достигающих 3000°C в условиях отсутствия кислорода или в восстановительных средах.

Сырьевой базис для производства УГМ разнообразен и включает как искусственные, так и природные углеродные наполнители. Среди искусственных выделяются каменноугольный, нефтяной и сланцевый коксы, а также технический углерод (сажа), получаемые из продуктов переработки углеводородного сырья. Природные источники представлены графитом и антрацитом. В качестве связующих веществ, обеспечивающих когезию частиц наполнителя и формирование монолитной структуры, традиционно используются каменноугольный и нефтяной пеки, а также различные синтетические смолы. От выбора конкретного типа сырья и его качества напрямую зависят свойства конечного продукта, равно как и от технологических нюансов его изготовления, включая степень упорядочения кристаллов графита.

Уникальные свойства и их детализация

Феноменальные свойства углеграфитовых материалов объясняются уникальной структурой графита, состоящей из слоев атомов углерода, объединенных прочными ковалентными связями внутри слоев и более слабыми ван-дер-ваальсовыми силами между слоями. Это придает УГМ ряд выдающихся характеристик:

• Жаростойкость: Графит не разлагается и не плавится при нагревании в вакууме или инертном газе, сохраняя стабильность до 3000°C. Процесс сублимации начинается лишь при температуре около 3800°C, что делает его одним из самых жаростойких материалов.
• Прочность при повышенных температурах: Уникальная особенность УГМ заключается в том, что их прочность не только не снижается, но и возрастает при повышении температуры. Пиковые значения прочности достигаются в диапазоне 2400–2600°C, увеличиваясь в 1,5–2,5 раза по сравнению с комнатной температурой. Например, прочность на растяжение пиролитического графита может достигать 550 МПа при 2700°C вдоль оси «ba».
• Окислительная стойкость: В то время как на воздухе графит начинает окисляться при температурах выше 400°C (с CO₂ — при 500°C, с H₂O — при 800°C), в агрессивных неокислительных средах и в инертных газах его стойкость значительно возрастает, делая его идеальным для высокотемпературных химических процессов.
• Модуль упругости: Некоторые УГМ демонстрируют чрезвычайно высокий модуль упругости, достигающий 800 ГПа. Например, стеклоуглерод имеет модуль упругости 25–35 ГПа, а для пирографита он может достигать 330 ГПа параллельно оси осаждения, что указывает на высокую жесткость материала.
• Плотность: Истинная плотность графита составляет 2,23–2,25 г/см³. Плотность графитированных материалов варьируется от 1,6 до 2,25 г/см³, что отражает различия в пористости и структуре.
• Электро- и теплопроводность: Удельное электрическое сопротивление УГМ при комнатной температуре находится в диапазоне от 7 до 20 Ом·мм²/м. Теплопроводность графитированных материалов значительно превосходит неграфитированные, достигая сотен Вт/(м·К) (например, для пирографита параллельно оси осаждения — 330 Вт/(м·К)).

Одной из наиболее характерных черт УГМ является анизотропия свойств. Это означает, что их характеристики (такие как теплопроводность, электрическое сопротивление, механическая прочность) могут значительно различаться в зависимости от направления измерения. Эта анизотропия обусловлена слоистой структурой графита и ориентацией графитовых частиц в объеме материала, которая, в свою очередь, формируется в процессе прессования и последующей термической обработки. Например, электропроводность графита параллельно слоям на два-три порядка выше, чем перпендикулярно им.

Области применения углеграфитовых материалов

Широкий спектр уникальных свойств делает УГМ незаменимыми в самых разных отраслях промышленности. Их применение можно классифицировать по основным функциональным областям:

• Электродные изделия: Наиболее массовое применение. Используются в металлургии (электродуговые печи для производства стали, ферросплавов, цветных металлов), химической промышленности (производство хлора, каустической соды, карбида кальция, фосфора, искусственных абразивов). Высокая электропроводность и жаростойкость делают их идеальными для этих целей.
• Огнеупорные изделия: Применяются для оснастки и футеровки высокотемпературных электронагревательных печей, тиглей для плавки металлов и выращивания монокристаллов полупроводников (особенно стеклоуглерод как особо чистый материал).
• Химически стойкие изделия: Благодаря устойчивости к агрессивным средам УГМ используются для изготовления химической аппаратуры, теплообменников, абсорберов.
• Электроугольные изделия: Компоненты для электродвигателей, генераторов, токосъемников.
• Антифрикционные изделия: Благодаря слоистой структуре, обеспечивающей легкое скольжение слоев, УГМ применяются в качестве подшипников скольжения, уплотнений, графитовых щеток в авиатехнике и других механизмах, работающих в экстремальных условиях.
• Графитированные блоки и детали для атомной энергетики: Используются в качестве замедлителей и отражателей нейтронов в активной зоне ядерных реакторов благодаря низкому сечению захвата нейтронов и высокой термостабильности.
• Углеродные волокна и углепластики: Основа для высокопрочных, легких композиционных материалов, применяемых в авиастроении, автомобилестроении, спортивной индустрии.
• Углеродные наноматериалы: Включая углеродные нанотрубки и графен, открывающие новые горизонты в электронике, медицине и материаловедении.

Разнообразие и адаптивность УГМ позволяют им оставаться на переднем крае инноваций, постоянно расширяя границы возможного в материаловедении.

Общая технология производства углеграфитовых материалов и критическая роль дробления

Принципиальная схема производства углеграфитовых изделий

Технология получения углеродных изделий, разработанная ещё в конце XIX века (1876–1877 гг.), представляет собой сложный многоступенчатый процесс, в основе которого лежит преобразование смеси твердых углеродных частиц со связующим веществом в монолитные изделия под воздействием высоких температур.

Классическая схема включает в себя следующие этапы:

1. Измельчение исходных углеродных материалов: Сырье, такое как кокс или антрацит, поступает в виде крупных кусков и требует механической обработки для достижения необходимого гранулометрического состава.
2. Смешивание со связующим веществом: Измельченные наполнители тщательно смешиваются с каменноугольным или нефтяным пеком, а также синтетическими смолами, образуя однородную формовочную массу.
3. Прессование (формование): Полученная масса формуется в заготовки желаемой формы и размера под давлением.
4. Обжиг заготовок: Сформованные изделия подвергаются термической обработке в защитной среде при температурах до 1000–1300°C. На этом этапе связующее карбонизуется, образуя коксовый каркас и придавая изделиям прочность.
5. Графитация: Завершающий этап для производства графитированных материалов, при котором обожженные заготовки нагреваются до температур 2400–3000°C. Происходит упорядочение кристаллической структуры углерода, превращая аморфный углерод в графит.

Более полная технологическая схема, характерная, например, для производства графитированных электродов, включает дополнительные, но не менее важные шаги:

• Подготовка сырья: Включает прокаливание кокса, предварительное дробление до определенной крупности, рассев на фракции и точное дозирование.
• Смешивание: Помимо собственно смешивания наполнителя со связующим, иногда применяется дополнительная обработка смеси на вальцах или бегунах. Это обеспечивает интенсивное перемешивание, гомогенизацию и получение пластичной, однородной пасты, что критически важно для последующих операций формования и качества конечного продукта.
• Формование: Может осуществляться как прессованием, так и виброформованием.
• Обжиг: Проводится в защитной среде.
• Пропитка: Для повышения плотности и прочности материала изделия после обжига пропитываются связующими (пеками или смолами) с последующим повторным обжигом.
• Графитация: Заключительная высокотемпературная обработка.
• Механическая обработка: Придание изделиям окончательной формы и размеров.

Значение прокаливания и предварительного дробления

Прежде чем сырье, такое как каменноугольный или нефтяной кокс, сможет быть эффективно использовано в производстве УГМ, оно проходит важные стадии предварительной подготовки, включая прокаливание и предварительное дробление. Эти операции не являются второстепенными; напротив, они критически важны для стабилизации свойств исходного сырья и обеспечения высокого качества конечного продукта.

Прокаливание кокса — это термическая обработка, направленная на:

• Удаление летучих веществ и влаги: Кокс, поступающий с коксохимических или нефтеперерабатывающих заводов, содержит значительное количество летучих компонентов и влаги. Их удаление предотвращает образование газовых включений и трещин в изделиях на более поздних стадиях.
• Увеличение истинной плотности: Прокаливание способствует уплотнению структуры кокса.
• Повышение механической прочности: Материал становится более твердым и устойчивым к механическим воздействиям.
• Увеличение электропроводности: Удаление примесей и структурные изменения улучшают электропроводящие свойства.
• Снижение вторичной усадки: Важный параметр, предотвращающий деформацию и растрескивание изделий в процессе обжига и графитации.
• Гомогенизация структуры: Прокаливание способствует выравниванию структурных характеристик кокса, что обеспечивает стабильность свойств конечного продукта.

Предварительное дробление тесно связано с прокаливанием. Кокс поступает в виде крупных кусков (от 25 до 200 мм), которые не подходят для эффективной и равномерной термической обработки в существующих печах прокаливания. Цель предварительного дробления — уменьшить эти крупные куски до более мелких фракций (50–70 мм). Это обеспечивает равномерный нагрев, оптимальное удаление летучих веществ и эффективную гомогенизацию кокса в процессе прокаливания. В результате предварительного дробления неизбежно образуется значительное количество мелких частиц (менее 25 мм), которые впоследствии будут использованы на стадии окончательного измельчения.

Влияние дробления на качество и свойства конечного продукта

Роль дробления выходит далеко за рамки простой подготовки сырья. Это ключевой этап, от которого напрямую зависит формирование всей совокупности физико-механических и эксплуатационных свойств получаемых материалов.

Гранулометрический состав сырья — то есть распределение частиц по размерам — является одним из важнейших факторов. Он влияет на:

• Эффективность прессования: Оптимальный гранулометрический состав обеспечивает максимальную плотность упаковки частиц в формовочной массе. Это уменьшает количество пустот, улучшает уплотнение под давлением и, как следствие, повышает плотность и прочность сырых и обожженных изделий. Тонкое измельчение, в частности, позволяет достичь более высокой однородности размера частиц и увеличить насыпную плотность.
• Плотность изделий: Чем плотнее упакованы частицы наполнителя, тем выше плотность готового материала. Это, в свою очередь, коррелирует с более высокими значениями прочности и меньшей пористостью.
• Однородность: Правильно подобранный гранулометрический состав способствует равномерному распределению связующего вещества между частицами наполнителя, предотвращая образование неоднородностей и дефектов в структуре.
• Механические свойства: Однородная и плотная структура, сформированная благодаря оптимальному гранулометрическому составу, обеспечивает высокие показатели прочности на сжатие, изгиб, растяжение, а также ударную вязкость. Например, увеличение размера частиц цемента свыше 30 мкм приводит к снижению прочностных характеристик.

Таким образом, дробление — это не просто механическая операция, а стратегически важный технологический процесс, который закладывает основу для достижения требуемых характеристик углеграфитовых материалов, влияя на их микроструктуру и, в конечном итоге, на эксплуатационные свойства.

Предварительное дробление сырья: цели, методы, оборудование и технико-экономические показатели

Цели и задачи предварительного дробления

Предварительное дробление — это первый, но крайне важный этап в технологической цепочке производства углеграфитовых материалов. Необходимость в этой операции обусловлена тем, что исходное сырье, будь то пековый, нефтяной или каменноугольный кокс, поставляется на предприятия в виде крупных кусков. Эти куски, размером от 25 до 200 мм и более, абсолютно непригодны для непосредственного использования в последующих стадиях, в частности для прокаливания в печах.

Основная цель предварительного дробления — обеспечить уменьшение этих крупных кусков сырья до более мелких, технологически приемлемых фракций, обычно в диапазоне 50–70 мм. Достижение такой крупности позволяет решить несколько критически важных задач:

1. Оптимизация прокаливания: Более мелкие куски сырья обеспечивают равномерный и эффективный процесс прокаливания. Это облегчает удаление летучих веществ и влаги, а также способствует более глубокой гомогенизации структуры кокса, что критически важно для стабилизации его свойств. Равномерность прокаливания напрямую влияет на истинную плотность, механическую прочность и электропроводность прокаленного кокса, а также снижает его вторичную усадку при дальнейшем обжиге.
2. Эффективность транспортировки и хранения: Измельченный материал легче транспортировать и хранить, он занимает меньше объема и более удобен для последующей дозировки и подачи на следующий этап — окончательное измельчение.
3. Подготовка к дальнейшей обработке: Предварительное дробление является связующим звеном между получением сырья и тонким измельчением. Оно позволяет снять основную нагрузку с более дорогих и высокоточных измельчительных аппаратов, предназначенных для окончательного помола.

Важной особенностью этой стадии является то, что при предварительном дроблении, помимо целевых фракций, неизбежно образуются частицы размером менее 25 мм. Их количество может составлять 30% и даже более от общей массы. Эти мелкие фракции не являются отходом, а направляются на последующие стадии окончательного измельчения и классификации, где они будут доведены до требуемого гранулометрического состава.

Типы оборудования для предварительного дробления и их характеристики

Выбор оборудования для предварительного дробления зависит от характеристик исходного сырья, требуемой производительности и степени измельчения. Наиболее распространенными типами дробилок для этой стадии являются щековые, зубчатые и валковые.

1. Щековые дробилки:
   • Принцип работы: Материал разрушается между двумя щеками — одной неподвижной и другой подвижной. Подвижная щека совершает возвратно-поступательные движения, сдавливая и истирая материал.
   • Конструктивные особенности: Состоят из прочного корпуса, двух щек (одна из которых приводится в движение эксцентриковым валом), маховиков и передаточного механизма.
   • Характеристики: Отличаются высокой производительностью, способностью перерабатывать крупные куски твердого и абразивного сырья. Они эффективны для грубого дробления, однако могут создавать значительное количество пластинчатых и игольчатых частиц, что не всегда желательно для последующих стадий.
   • Область применения: Широко используются для первичного дробления горных пород, руд, а также твердых видов кокса.
2. Зубчатые дробилки (зубчатые валковые дробилки):
   • Принцип работы: Материал разрушается между двумя или несколькими вращающимися валками, оснащенными зубьями или выступами. Зубья захватывают куски сырья и измельчают их путем раздавливания и раскалывания.
   • Конструктивные особенности: Состоят из корпуса и одного или двух валков с зубчатой или рифленой поверхностью. Валки могут вращаться с одинаковой или разной скоростью.
   • Характеристики: Менее чувствительны к влажности сырья, чем щековые дробилки, обеспечивают более равномерное дробление и меньшее образование пыли. Степень измельчения регулируется зазором между валками.
   • Область применения: Применяются для дробления материалов средней твердости и абразивности, например, для каменноугольного кокса.
3. Валковые дробилки (с гладкими вальцами):
   • Принцип работы: Материал проходит между двумя параллельными вращающимися валками. Измельчение происходит за счет сжатия и сдвига между поверхностями валков.
   • Конструктивные особенности: Состоят из двух или более гладких валков, которые вращаются навстречу друг другу. Зазор между валками определяет максимальный размер частиц на выходе.
   • Характеристики: Обеспечивают более бережное дробление, что может быть важно для некоторых типов кокса. Хорошо подходят для дробления хрупких материалов. Позволяют получить относительно узкий спектр распределения частиц по размерам.
   • Область применения: Могут использоваться для грубого дробления нефтяного кокса, а также для вторичного дробления различных углеродных материалов.

Тип дробилки	Принцип действия	Основные преимущества	Основные недостатки	Типичное сырье
Щековая	Сжатие и истирание	Высокая производительность, переработка крупных кусков	Образование пластинчатых частиц, пыли	Твердый кокс, руды, крупные куски пекового кокса
Зубчатая (валковая)	Раздавливание, раскалывание	Менее чувствительна к влажности, равномерное дробление	Ограниченная применимость для очень твердых материалов	Каменноугольный кокс, материалы средней твердости
Валковая (гладкие)	Сжатие и сдвиг	Бережное дробление, относительно узкий спектр частиц	Низкая производительность для очень крупных кусков	Нефтяной кокс, хрупкие углеродные материалы

Особенности работы и влияние на последующие стадии

Выбор и настройка оборудования для предварительного дробления оказывают значительное влияние на последующие стадии производства УГМ.

Влияние на однородность свойств после прокаливания:
Использование дробилок, которые обеспечивают более равномерное распределение по размерам и меньше переизмельчают материал (например, валковые дробилки), способствует более однородному прокаливанию. Если дробилка создает слишком много мелких фракций или слишком неоднородный продукт, то в печи прокаливания могут возникать перепады температур, что приводит к неполному удалению летучих веществ, неравномерной усадке и, как следствие, к неоднородности структуры и свойств прокаленного кокса. Гомогенизация структуры кокса после прокаливания — это ключевой фактор стабильности и структурной прочности конечного продукта. Неоднородность может проявляться в различиях истинной плотности, пористости и механической прочности различных партий прокаленного кокса.

Влияние на нагрузку окончательного измельчения:
Эффективность предварительного дробления напрямую влияет на нагрузку, которую будет испытывать оборудование для окончательного измельчения. Чем качественнее проведено предварительное дробление, тем меньше энергии и времени потребуется на тонкий помол, что снижает операционные затраты и увеличивает общую производительность. Очевидно, что снижение нагрузки на последующие этапы напрямую ведет к экономии ресурсов и повышению рентабельности производства.

Влияние на форму частиц:
Хотя для предварительного дробления форма частиц не является столь критичной, как для окончательного измельчения, некоторые особенности уже проявляются. Щековые дробилки, как правило, создают более остроугольные, пластинчатые или игольчатые частицы, в то время как валковые дробилки могут производить более кубовидные формы за счет сжатия. Это может иметь значение при дальнейшем прессовании, так как форма частиц влияет на их упаковку и ориентацию в объеме материала.

Таким образом, предварительное дробление — это не просто механическое измельчение, а стратегически важный этап, который требует внимательного подбора оборудования и оптимизации режимов работы для обеспечения высокого качества исходного сырья и бесперебойного протекания всех последующих технологических процессов.

Окончательное измельчение и классификация: технологии и аппараты

Цели и задачи окончательного измельчения

После стадии предварительного дробления и прокаливания твердые углеродистые материалы (коксы, антрациты) поступают на этап окончательного измельчения. Эта стадия играет решающую роль в формировании микроструктуры и, как следствие, макросвойств будущих углеграфитовых материалов.

Основная цель окончательного измельчения — получение углеродных материалов с заданным гранулометрическим составом. Требуемый размер частиц на этом этапе обычно составляет от 1 до 12 мм, но для некоторых высокотехнологичных материалов может потребоваться и более тонкий помол, вплоть до нескольких микрометров (мкм).

Достижение строго определенного гранулометрического состава позволяет решить ряд важнейших задач:

1. Оптимизация плотности упаковки: Как было упомянуто ранее, от распределения частиц по размерам напрямую зависит плотность формовочной массы и, соответственно, плотность готовых изделий. Окончательное измельчение позволяет создать оптимальную смесь частиц разного размера, что минимизирует пористость и улучшает уплотнение.
2. Повышение однородности: Тонкое измельчение обеспечивает более равномерное распределение частиц наполнителя в объеме связующего, что приводит к созданию однородной и беспористой структуры материала. Это особенно важно для графитовых электродов, где высокая однородность повышает их электропроводность и прочность.
3. Улучшение механических свойств: Чем меньше размер частиц наполнителя, тем больше площадь их контакта со связующим и тем прочнее связь между ними. Это способствует повышению общей прочности, твердости и износостойкости углеграфитовых материалов.
4. Контроль над пористостью: Размер и распределение пор в УГМ существенно влияют на их эксплуатационные характеристики. Окончательное измельчение позволяет контролировать эти параметры, что особенно важно для материалов, предназначенных, например, для атомной энергетики или химически стойких изделий.
5. Подготовка к формованию: Мелкодисперсные порошки легче смешиваются со связующим и более пластичны при формовании, что упрощает технологический процесс и повышает качество заготовок.

Таким образом, окончательное измельчение — это не просто уменьшение размера, а тонкая настройка гранулометрического состава, напрямую влияющая на все ключевые свойства конечного углеграфитового продукта.

Основные типы измельчительного оборудования

Для достижения требуемого гранулометрического состава на стадии окончательного измельчения используется разнообразное оборудование, выбор которого определяется жесткостью материала, требуемой степенью измельчения, формой частиц и экономическими соображениями.

1. Валковые дробилки с гладкими вальцами:
   • Принцип работы: Измельчение происходит за счет сжатия и сдвига между двумя вращающимися гладкими вальцами.
   • Преимущества: Обеспечивают относительно узкий спектр распределения частиц по размерам, что позволяет получить однородный продукт. Разрушение происходит бережнее, чем при ударном воздействии.
   • Недостатки: Меньшая производительность по сравнению с другими типами для тонкого помола, износ валков.
   • Применение: Используются для получения материала класса 1–12 мм, особенно когда требуется контролируемая форма частиц.
2. Молотковые дробилки:
   • Принцип работы: Материал разрушается ударами быстро вращающихся молотков, закрепленных на роторе. Измельченные частицы проходят через сито.
   • Преимущества: Высокая производительность, возможность переработки широкого спектра материалов, простота конструкции.
   • Недостатки: Высокий уровень шума и вибрации, значительное образование пыли, широкий диапазон размеров частиц на выходе (как очень мелких, так и относительно крупных), что затрудняет контроль гранулометрического состава. Частицы имеют преимущественно округлую форму.
   • Применение: Реже используются для окончательного измельчения УГМ, но могут применяться для материалов, не требующих строгого контроля формы и узкого распределения частиц.
3. Шаровые мельницы:
   • Принцип работы: Барабан мельницы, заполненный мелющими телами (шарами из стали, керамики или других материалов), вращается, заставляя шары подниматься и падать, измельчая материал ударами и истиранием.
   • Преимущества: Являются наиболее распространенным типом оборудования для тонкого помола в промышленности. Позволяют достичь высокой степени измельчения, вплоть до 10 мкм и менее. Могут работать непрерывно, обеспечивая высокую производительность. Более половины всех углеродистых материалов измельчают именно на шаровых мельницах.
   • Недостатки: Высокие энергозатраты, значительный износ мелющих тел и футеровки, возможен перегрев материала.
   • Применение: Широко используются для получения тонких порошков углеродных материалов, особенно в горнорудной, химической и цементной промышленности.
4. Современные ударные мельницы:
   • Принцип работы: Измельчение происходит за счет высокоскоростных ударов ротора или между частицами самого материала в вихревом потоке.
   • Преимущества: Предназначены для ультратонкого помола (размер выходного материала 5–100 мкм), обеспечивают хорошее качество частиц (кубическая или картофелеобразная форма), обладают повышенной износостойкостью. Могут давать стабильное качество готового продукта.
   • Недостатки: Более сложная конструкция, высокая стоимость.
   • Применение: Успешно применяются для тонкого помола газокальцинированного и электрокальцинированного антрацита, графита.
5. Аппараты вихревого слоя (АВС):
   • Принцип работы: Измельчение происходит за счет интенсивного движения частиц в высокоскоростном вихревом потоке, создаваемом ферромагнитными элементами в переменном магнитном поле. Частицы сталкиваются друг с другом и с элементами, разрушаясь.
   • Преимущества: Высокая эффективность измельчения (например, измельчение графитовой смеси за 5–10 минут), малые энергозатраты по сравнению с традиционными мельницами, возможность получения ультратонких порошков.
   • Недостатки: Ограничения по производительности для очень крупных объемов.
   • Применение: Высокоэффективны для тонкого измельчения различных материалов, включая углеродные.
6. Планетарные мельницы:
   • Принцип работы: Мелющие стаканы с шарами вращаются как вокруг своей оси, так и вокруг центральной оси, создавая мощное центробежное ускорение. Это приводит к очень интенсивным ударным и истирающим воздействиям.
   • Преимущества: Обеспечивают сверхтонкое и быстрое измельчение, способны достигать наноразмерных материалов за считанные минуты (хотя для некоторых задач может потребоваться до 1 часа).
   • Недостатки: Ограниченная загрузка материала, возможен перегрев, высокая стоимость.
   • Применение: Применяются в лабораторных условиях и для производства небольших партий высокодисперсных материалов.

Тип мельницы	Принцип действия	Типичный размер частиц на выходе	Форма частиц	Преимущества	Недостатки
Валковая (гладкие)	Сжатие и сдвиг	1–12 мм	Вытянутая	Узкий спектр распределения, бережное дробление	Низкая производительность
Молотковая	Удар	Широкий диапазон	Округлая	Высокая производительность, простота	Широкое распределение, шум, пыль
Шаровая	Удар, истирание	< 10 мкм	Неопределенная	Высокая степень измельчения, универсальность	Высокие энергозатраты, износ, перегрев
Ударная (современная)	Высокоскоростной удар	5–100 мкм	Кубическая, картофелеобразная	Ультратонкий помол, стабильное качество	Сложная конструкция, высокая стоимость
Аппарат вихревого слоя	Столкновение частиц в вихре	Ультратонкий помол	Неопределенная	Высокая эффективность, малые энергозатраты	Ограниченная производительность
Планетарная	Интенсивный удар и истирание	Наноразмеры	Неопределенная	Сверхтонкое и быстрое измельчение	Ограниченная загрузка, высокая стоимость

Схемы дробления: открытый и замкнутый циклы

Для повышения эффективности измельчения и достижения требуемого гранулометрического состава применяются различные схемы дробления, наиболее распространенными из которых являются открытый и замкнутый циклы.

1. Открытый цикл:
   • Принцип работы: Материал проходит через измельчающую машину (дробилку или мельницу) только один раз. После измельчения весь продукт поступает на следующую стадию технологического процесса без разделения по крупности и возврата недоизмельченных частиц.
   • Преимущества: Простота процесса, меньшие инвестиционные затраты на оборудование, отсутствие необходимости в классификаторах.
   • Недостатки: Менее точный контроль над размером частиц, что может привести к неоднородности конечного продукта. Часть материала может быть переизмельчена, а часть — недоизмельчена, что снижает эффективность использования энергии. Выход целевой фракции ниже.
2. Замкнутый цикл:
   • Принцип работы: Измельченный материал после мельницы или дробилки направляется в классификатор (грохот или воздушный сепаратор). Частицы, соответствующие требуемому размеру, выводятся из цикла, а частицы, превышающие заданный размер (крупная фракция), возвращаются для повторного измельчения.
   • Преимущества:
     • Более однородный продукт: Обеспечивает строгий контроль над гранулометрическим составом, минимизируя как переизмельчение, так и наличие крупных частиц.
     • Высокая эффективность дробления: Мельница работает с максимальной производительностью, постоянно перерабатывая только те частицы, которые еще не достигли требуемой крупности.
     • Снижение удельного расхода энергии: За счет предотвращения переизмельчения и более эффективной работы.
     • Повышение производительности: За счет непрерывного возврата крупных частиц.
   • Недостатки: Более сложная технологическая схема, требующая дополнительных аппаратов (классификаторов) и систем управления, что увеличивает инвестиционные и эксплуатационные затраты.
   • Применение: Широко используется для производства высококачественных углеграфитовых материалов, где к гранулометрическому составу предъявляются строгие требования.

Классификаторы в замкнутом цикле:

• Грохочение (ситовая классификация): Процесс разделения сыпучих материалов на классы по крупности с помощью одного или нескольких сит. Используется для разделения относительно крупных фракций.
• Воздушные сепараторы: Применяются для более тонкой классификации, особенно для мелкодисперсных порошков. Принцип работы основан на разделении частиц в потоке воздуха: мелкие частицы уносятся потоком, а крупные оседают. Увеличение скорости потока воздуха позволяет получить меньшее количество мелких частиц в более узком гранулометрическом спектре.

Влияние типа измельчения на форму частиц

Форма частиц, полученных на стадии окончательного измельчения, является важным параметром, который впоследствии влияет на плотность упаковки, реологические свойства формовочной массы и анизотропию свойств готовых изделий.

• Валковые дробилки: Разрушение материала в валковых дробилках происходит преимущественно под действием сжатия и сдвига. Такое воздействие приводит к образованию частиц, которые имеют более вытянутую или пластинчатую форму. Эти частицы, в процессе прессования, имеют тенденцию ориентироваться своими наибольшими размерами параллельно направлению прессования, что может усиливать анизотропию свойств.
• Молотковые дробилки: Измельчение в молотковых дробилках происходит под воздействием ударной нагрузки. В результате образуются частицы, которые имеют более округлую, кубовидную или картофелеобразную форму. Такая форма частиц способствует более плотной и равномерной упаковке в формовочной массе и может снижать степень анизотропии в готовом продукте по сравнению с вытянутыми частицами. Современные ударные мельницы, предназначенные для ультратонкого помола, также обеспечивают хорошую кубическую или картофелеобразную форму частиц.

Выбор типа измельчительного оборудования, таким образом, должен учитывать не только требуемый гранулометрический состав, но и желаемую форму частиц, поскольку это напрямую отразится на микроструктуре и макросвойствах конечного углеграфитового материала.

Влияние параметров дробления на физико-механические и эксплуатационные свойства углеграфитовых материалов

Гранулометрический состав как ключевой фактор

Гранулометрический состав, или распределение частиц по размерам, является одним из наиболее фундаментальных параметров, определяющих качество размола и, как следствие, весь спектр свойств углеграфитовых материалов. Он влияет на макроскопические характеристики, такие как плотность, пористость, механическая прочность, а также на электро- и теплопроводность.

В основе выбора оптимального гранулометрического состава лежит принцип максимальной плотности смеси. Это означает, что идеальное распределение частиц должно обеспечивать наименьшее количество пустот между ними, что приводит к максимально плотной упаковке. Для достижения этого принципа часто используют смеси частиц разных размеров: крупные частицы создают основной объем, средние заполняют промежутки между крупными, а мелкие — между средними. Такой подход позволяет минимизировать объем пор и увеличить общую плотность формовочной массы.

Оптимальный гранулометрический состав, как правило, подбирается эмпирически для каждого конкретного типа углеграфитового материала и связующего. Например, для плотных огнеупоров рекомендуется следующее соотношение фракций:

• Крупная фракция: 60–65%
• Средняя фракция: 25–30%
• Мелкая фракция: ≈10%

Для бетонов же соотношение крупной и мелкой фракции должно быть примерно 7:3. В некоторых случаях применяют прерывистый гранулометрический состав, когда средние фракции отсутствуют, например, соотношение мелких к крупным частицам составляет 1:10. Этот подход может быть эффективен для достижения специфических свойств или для снижения расхода связующего.

Помимо общего распределения, важными параметрами являются d₅₀ (средний размер частиц, при котором 50% частиц имеют меньший размер, а 50% — больший) и ширина распределения частиц по размеру. Важно понимать, что материалы с одинаковым значением d₅₀ могут иметь совершенно различный гранулометрический состав (например, однородный или бимодальный), что подчеркивает необходимость учитывать не только средний размер, но и весь спектр распределения.

Как гранулометрический состав влияет на свойства УГМ:

• Плотность и пористость: Хорошо сбалансированная смесь мелких и крупных частиц создает оптимальную плотность упаковки, снижая количество необходимого связующего и увеличивая плотность отвержденного материала. И наоборот, неоднородный состав с большим количеством частиц одного размера увеличивает пористость. Пористость графитированных материалов обычно составляет 20–30%, обожженных — 14–25%, а у высокоплотных материалов она может быть снижена до 10–12%.
• Прочность: Оптимальная плотность упаковки и минимальная пористость напрямую коррелируют с высокой механической прочностью. Увеличение размера частиц наполнителя свыше оптимального значения может привести к снижению прочностных характеристик. Размеры зерна графита, как правило, определяются размерами частиц наполнителя, что критически влияет на внутреннюю структуру и прочностные характеристики.
• Тепло- и электропроводность: Эти свойства также зависят от плотности и структуры материала. Чем плотнее упаковка частиц и меньше пористость, тем выше тепло- и электропроводность. Однако зависимость электропроводности графитовой фольги от фракционного состава исходного графита может быть довольно слабой, но обычно наблюдается тенденция к увеличению электропроводности с увеличением размера частиц.
• Стабильность производства: Стабильность показателей гранулометрического состава исходных компонентов напрямую влияет на общий результат производства, обеспечивая повторяемость свойств и минимизируя брак.

Роль формы частиц и анизотропии

Форма частиц, полученных в результате измельчения, не менее важна, чем их размер, и оказывает значительное влияние на последующие этапы производства и свойства конечного продукта.

• Влияние на плотность упаковки:
  • Округлые частицы (молотковые дробилки): Измельчение под ударной нагрузкой в молотковых дробилках приводит к образованию частиц более округлой или кубовидной формы. Такие частицы, как правило, обеспечивают более высокую плотность упаковки в формовочной массе, поскольку они лучше скользят относительно друг друга и занимают меньший объем пустот.
  • Вытянутые/пластинчатые частицы (валковые дробилки): Разрушение под действием сжатия и сдвига в валковых дробилках чаще приводит к образованию вытянутых или пластинчатых частиц. Эти частицы могут затруднять плотную упаковку, создавая больший объем пустот, если не соблюдены оптимальные условия формования.
• Влияние на ориентацию частиц при прессовании и анизотропию свойств:
  • Анизотропия физических и механических свойств УГМ — это ключевая характеристика, которая проявляется в различии свойств (например, теплопроводности, электросопротивления, прочности) в разных направлениях. Она напрямую зависит от анизотропии исходных углеродистых веществ и условий формирования изделий.
  • В процессе прессования продолговатые и пластинчатые частицы, как правило, ориентируются своими наибольшими размерами параллельно направлению прессования. Это приводит к усилению анизотропии в готовом материале. Например, теплопроводность и электропроводность в направлении, параллельном слоям графита, могут быть на порядки выше, чем в перпендикулярном. Для пирографита модуль Юнга может достигать 330 ГПа параллельно оси осаждения, в то время как перпендикулярно он значительно ниже.
  • Округлые частицы, напротив, имеют меньшую тенденцию к упорядоченной ориентации, что может способствовать получению более изотропных материалов, если это является целью.

Таким образом, выбор типа дробилки и режимов измельчения должен учитывать не только желаемый размер частиц, но и их форму, поскольку это напрямую влияет на микроструктуру и, в конечном итоге, на анизотропию и эксплуатационные характеристики конечного продукта.

Влияние размера наполнителя на микроструктуру и макросвойства

Размер частиц наполнителя, особенно кокса, при изготовлении УГМ оказывает глубокое влияние на формирование как микроструктуры, так и макроскопических свойств получаемых материалов. Это влияние проявляется на нескольких уровнях:

• Формирование зерна графита: Размеры зерна графита в конечном продукте, как правило, определяются размерами частиц наполнителя, используемого в исходной смеси. Более мелкий наполнитель позволяет получать более мелкозернистые графитированные материалы, что может улучшать некоторые механические свойства.
• Взаимодействие на границе «наполнитель-связующее»: В полимерных композитах, к которым можно отнести и углеграфитовые материалы на стадии формования, размер и геометрия поверхности частиц наполнителя во многом определяют характер взаимодействия на границе «наполнитель-полимер». Чем меньше частицы, тем больше их удельная поверхность, что может увеличивать адгезию со связующим. Однако слишком мелкие частицы могут требовать больше связующего, что может влиять на усадку и пористость. Оптимальный диапазон размеров пор графитовой основы для силицирования методом пропитки составляет от 80 до 120 мкм, что указывает на важность контроля пористости, зависящей от размера наполнителя.
• Формирование структуры композита: От размера частиц наполнителя зависит и общая структура композита. Мелкодисперсные наполнители, при условии их равномерного распределения, способствуют созданию более гомогенной и плотной структуры. Крупные частицы могут выступать в качестве центров напряжений или способствовать образованию более крупных пор.
• Влияние на прочность: Как уже отмечалось, хорошо сбалансированная смесь мелких и крупных частиц способствует оптимальной плотности упаковки. Увеличение размера частиц цемента свыше 30 мкм приводит к снижению прочностных характеристик. Это правило справедливо и для углеграфитовых материалов, где размер наполнителя влияет на когезию и общую прочность.

Таким образом, тщательный контроль и оптимизация размера частиц наполнителя на стадии дробления являются критически важными для достижения требуемой микроструктуры, эффективного взаимодействия между компонентами и, в конечном итоге, для обеспечения высоких физико-механических и эксплуатационных свойств углеграфитовых материалов.

Выводы и перспективы

В данном комплексном анализе мы подробно рассмотрели ключевую роль предварительного и окончательного дробления в технологии производства углеграфитовых материалов. Стало очевидно, что эти, казалось бы, базовые механические операции являются фундаментальными этапами, на которых формируются критически важные свойства конечного продукта.

Мы выяснили, что углеграфитовые материалы – это не просто уголь, а высокотехнологичные композиты, способные выдерживать экстремальные температуры, обладающие уникальной прочностью, электро- и теплопроводностью, а также выраженной анизотропией свойств. Их применение охватывает спектр от металлургических электродов до компонентов атомных реакторов и аэрокосмических конструкций.

Процесс производства УГМ представляет собой сложную многостадийную цепочку, где измельчение, смешивание, формование, обжиг и графитация тесно взаимосвязаны. Предварительное дробление сырья – кокса и антрацита – до фракций 50–70 мм является необходимой подготовкой для эффективного прокаливания, стабилизации свойств и гомогенизации материала. Оборудование, такое как щековые, зубчатые и валковые дробилки, подбирается исходя из характеристик сырья и требуемой производительности.

Окончательное измельчение и классификация, направленные на получение строго заданного гранулометрического состава (1–12 мм и тоньше), критически важны для формирования оптимальной плотности упаковки, снижения пористости и улучшения механических свойств. Здесь используются вальцовые, молотковые, шаровые, ударные и вихревые мельницы, каждая из которых имеет свои преимущества и особенности, включая влияние на форму частиц (округлые против вытянутых). Применение замкнутых циклов дробления с использованием грохотов и воздушных сепараторов позволяет достичь высокой однородности продукта и повысить эффективность процесса.

Мы детально проанализировали, как гранулометрический состав, выраженный не только показателем d₅₀, но и полным распределением частиц, напрямую влияет на плотность, пористость, прочность, тепло- и электропроводность УГМ. Было показано, что форма частиц, обусловленная типом измельчения, определяет плотность упаковки и степень анизотропии, проявляющейся в ориентации частиц при прессовании. Размер частиц наполнителя, в свою очередь, задает микроструктуру и характер взаимодействия на границе «наполнитель-связующее», формируя макросвойства композита.

В заключение, взаимосвязь между параметрами дробления (гранулометрический состав, форма частиц), выбором оборудования и конечными эксплуатационными свойствами углеграфитовых материалов является неоспоримой и критической. Оптимизация этих процессов не только повышает качество продукции, но и снижает производственные затраты. Разработка более точных систем контроля гранулометрического состава и формы частиц, а также создание инновационных УГМ с прецизионно контролируемыми характеристиками для удовлетворения растущих требований современной промышленности, являются неотложными задачами в данной области.

Список использованной литературы

1. Асеев А.А. Химические свойства углеграфических материалов. М.: Просвещение, 2013. 8 с.
2. Баранова Ю.В. Формирование структуры и свойства углеграфитовых материалов. М.: Просвещение, 2013. 51 с.
3. Внукова Н.Ю. Углеграфитовые материалы. М.: Просвещение, 2013. 42 с.
4. Глазатова С.А. Формирование структуры и свойства углеграфитовых материалов. М.: Просвещение, 2012. 74 с.
5. Деулина А.Д. Химические свойства углеграфических материалов. М.: ИНФРА – М, 2014. 15 с.
6. Исаев А.Н. Технология и оборудование электродных и электроугольных материалов. М.: Просвещение, 2014. 16 с.
7. Каратов С.В. Обжиг электродов. М.: Дрофа, 2012. 19 с.
8. Леонтьев А.В. Прокаливание продукции. М., 2014. 16 с.
9. Мустафина Р.Р. Химические свойства углеграфических материалов. М.: Дрофа, 2013. 72 с.
10. Ходырев А.П. Углеграфитовые материалы. СПб.: Питер, 2012. 16 с.
11. Портной К.И., Салибеков С.Е., Светлов И.Л., Чубаров В.М. Структура и свойства композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1979.
12. Туманов А.Т. Современные композиционные материалы и технологические процессы получения деталей авиационной техники. М.: ОНТИ, 1974.
13. Фиалков А.С. Углеграфитовые материалы. М., 1979.
14. Левашова А.И., Кравцов А.В. Химическая технология углеродных материалов: Учебное пособие. Томск: Издательство ТПУ, 2008.
15. Крутский Ю.Л. Производство углеграфитовых материалов. Электронно-библиотечная система Znanium, 2012.
16. Технология получения порошкообразных материалов из отработанных нефтепродуктов и гранитных изделий в строительной отрасли // Научные журналы Universum для публикации статей, 2022.
17. Костиков В.И., Самойлов В.М., Бейлина Н.Ю., Остронов Б.Г. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2004, т. XLVIII, № 5.
18. ГОСТ 17022-81 Графит. Типы, марки и общие технические требования.