RU2160704C2 - High-strength graphitized material - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacture of structural materials for metallurgy and manufacture of semiconductors. SUBSTANCE: 62.3% of non-calcined slate-like resinous coke of small fraction at size of particles of 0,02 to 0 mm (80%) and 0.09 to 0.02 remainder is mixed with 37 mass-% of coal-tar pitch and 0.7 mass-% of organic surface active agent. Temperature of mixing ranges from 120 to 130 C. Mixture is molded under pressure of up to 3.5 MPa, after which it is cooled and crushed. Blanks are compacted from powder thus obtained; density of these blanks ranges from 1.08 to 1.15 g/cu.cm; then blanks are calcined at temperature of 800 to 1300 C and are graphitized at temperature of 2500 to 3000 C. Density of graphitized material ranges from 1670 to 1750 kg/cu. m; compressive strength is equal to 74.0 to 78.0 MPa and bending strength is equal to 45.0 to 52.6 MPa. EFFECT: enhanced efficiency. 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к получению высокопрочных углеродных материалов, используемых в полупроводниковой технике при электроэрозионной обработке металлов, в качестве кристаллизаторов при разливке цветных металлов и их сплавов, электродов-инструментов, применяемых при электроимпульсной обработке штампов, пресс-форм для разливки сталей. The invention relates to the production of high-strength carbon materials used in semiconductor technology for electrical discharge machining of metals, as molds for casting non-ferrous metals and their alloys, tool electrodes used in electrical pulse processing of dies, molds for steel casting.

Известен углеродный наполнитель для получения графита, содержащий мелкую фракцию с размером частиц 0,03-0 мм в количестве 25-40 мас.%. Углеродная шихта состоит из прокаленного нефтяного кокса КНПС-СМ или КНПС-КМ. Используется для производства электродов и нагревателей, реакторного и тигельного графита. Технология производства данного графита включает в себя пропитку пеком обожженных заготовок и их дальнейшую графитацию (патент RU N 2051091, кл. C 01 B 31/04, 1993). Known carbon filler for producing graphite containing a fine fraction with a particle size of 0.03-0 mm in an amount of 25-40 wt.%. The carbon charge consists of calcined petroleum coke KNPS-SM or KNPS-KM. Used for the production of electrodes and heaters, reactor and crucible graphite. The production technology of this graphite includes impregnation of fired preforms with pitch and their further graphitization (patent RU N 2051091, class C 01 B 31/04, 1993).

Известен высокопрочный материал, изготовленный на основе нефтяного непрокаленного кокса марки КНПС-СМ или КНПС-КМ. При получении материала дозирование компонентов ведут по рецепту 61 мас.% нефтяного непрокаленного кокса размолотого (содержание фракции - 0,09 мм не менее 85%, фракции 0,3-0,8 мм не более 1%), каменноугольного пока 39 мас.% с добавкой поверхностно-активного вещества ООППГ в количестве 0,7 мас.%. Технологическая схема производства данного типа графита включает в себя сушку и дробление кокса, тонкий его помол, дозирование компонентов, смешение массы, формование, тонкий помол формованной массы, прессование заготовок, их обжиг и графитацию (ТУ 48-20-51-84, зарегистрованы в ГОССтандарте 26.10.84, N 2495547). Known high-strength material made on the basis of non-calcined petroleum coke brand KNPS-SM or KNPS-KM. Upon receipt of the material, the components are dosed according to the recipe 61 wt.% Non-calcined petroleum coke milled (the content of the fraction is 0.09 mm is not less than 85%, the fraction 0.3-0.8 mm is not more than 1%), coal while 39 wt.% with the addition of the surfactant OOPPG in an amount of 0.7 wt.%. The technological scheme for the production of this type of graphite includes drying and crushing of coke, finely grinding it, dosing components, mixing the mass, molding, fine grinding the molded mass, pressing the blanks, burning them and graphitizing (TU 48-20-51-84, registered in GOSS standard 26.10.84, N 2495547).

Однако на настоящий момент производство нефтяного кокса марки КНПС-СМ и КНПС-КМ прекращено. Предложенное техническое решение позволяет использовать недефицитное, более дешевое сырье - кокс сланцевый смоляной, получая высокопрочный углеродный материал более высокого качества. However, at present, the production of petroleum coke of the KNPS-SM and KNPS-KM brands has been discontinued. The proposed technical solution allows the use of non-scarce, cheaper raw materials - tar coke, producing high-strength carbon material of higher quality.

Предложенный высокопрочный углеродный материал включает кокс сланцевый смоляной непрокаленный измельченный до фракции размером частиц 0,02 мм в количестве не менее 80 мас.%. The proposed high-strength carbon material includes coke shale tar non-calcined crushed to a fraction of a particle size of 0.02 mm in an amount of not less than 80 wt.%.

Реализация способа становится возможной вследствие усовершенствования размольных агрегатов и внедрения прибора, контролирующего стабильность получения фракции 0,02-0 мм (светового или сканирующего электронного микроскопов). Благодаря применению кокса нефтяного непрокаленного марки КНПС-СМ и КНПС-КМ, получается повышенная прочность готового материала. Увеличение прочности материала. Увеличение прочности материала, полученного на основе смоляного сланцевого кокса, достигается за счет уменьшения размера его частиц. Интенсивное измельчение этого кокса снижает неоднородность по размерам частиц, что повышает его прочность. Повышение дисперсности частиц смоляного сланцевого кокса снижает их дефектность. Микроскопические исследования смоляного сланцевого кокса показывают, что он имеет неоднородную микроструктуру с характерным волокнистым строением с повышенной степенью анизотропии отдельных фрагментов и сферолитовыми включениями. The implementation of the method becomes possible due to the improvement of grinding units and the introduction of a device that monitors the stability of obtaining a fraction of 0.02-0 mm (light or scanning electron microscopes). Thanks to the use of non-calcined petroleum coke grade KNPS-SM and KNPS-KM, increased strength of the finished material is obtained. Increased material strength. An increase in the strength of the material obtained on the basis of tar shale coke is achieved by reducing the size of its particles. Intensive grinding of this coke reduces the heterogeneity in particle size, which increases its strength. Increasing the dispersion of tar shale coke particles reduces their defectiveness. Microscopic studies of tar shale coke show that it has an inhomogeneous microstructure with a characteristic fibrous structure with an increased degree of anisotropy of individual fragments and spherulitic inclusions.

Размер частиц 0,02 мм определен практическими возможностями размольных агрегатов. Процент частиц 0,02 мм не менее 80 мас.% определен так же, как оптимальный, исходя из технических возможностей оборудования. Достижение более высокого процента мелкой фракции требует дополнительных энергозатрат, что, в свою очередь, удорожает процесс производства. Более низкий процент мелкой фракции не дает необходимого увеличения качественных характеристик. The particle size of 0.02 mm is determined by the practical capabilities of grinding units. The percentage of particles of 0.02 mm of not less than 80 wt.% Is defined as optimal, based on the technical capabilities of the equipment. Achieving a higher percentage of the fine fraction requires additional energy costs, which, in turn, increases the cost of the production process. A lower percentage of fines does not provide the necessary increase in quality characteristics.

Пример 1. Example 1

Кокс смоляной сланцевый непрокаленный по техническим условиям ЕЕ-1300642 ТУ 8:94 подвергается сушке и последующему дроблению до кусков с размером менее 6 мм. Далее куски кокса измельчают на вибромельнице до достижения дисперсности по содержанию фракции размером 0,02 мм в количестве не менее 80 мас. %, 0,02-0,09 мм - остальное. Размер частиц определяют на сканирующем электронном или световом микроскопах. Shale tar coke, non-calcined according to the technical specifications EE-1300642 TU 8:94, is dried and subsequently crushed to pieces with a size of less than 6 mm. Next, pieces of coke are crushed in a vibratory mill to achieve dispersion in the content of fractions of 0.02 mm in an amount of at least 80 wt. %, 0.02-0.09 mm - the rest. Particle size is determined by scanning electron or light microscopes.

Смешение массы производят по рецепту: кокс: - 62,3 мас.%, пек каменноугольный электродный 37 мас.%, по ГОСТу 10200-83 и допускается поверхностно-активное вещество ООППГ (олигооксиполипропиленгликоль) по ТУ 6-05-2035-87 в количестве 0,7 мас.%. Продолжительность смешивания массы 45 мин. Температура смешивания 120-130^oC. Смешивание проводят в смесительной машине СМ-2000. После смешения приготовленная масса выгружается и подвергается формованию при давлении до 3,5 МПа, охлаждается и дробится на молотковой дробилке, затем измельчается в вибрационной мельнице.The mass is mixed according to the recipe: coke: - 62.3 wt.%, Coal tar pitch 37 wt.%, According to GOST 10200-83 and surfactant OOPPG (oligooxypolypropylene glycol) is allowed according to TU 6-05-2035-87 in the amount 0.7 wt.%. Duration of mixing the mass of 45 minutes The mixing temperature is 120-130 ^o C. Mixing is carried out in a mixing machine SM-2000. After mixing, the cooked mass is unloaded and molded at a pressure of up to 3.5 MPa, cooled and crushed on a hammer mill, then crushed in a vibration mill.

Из полученного таким образом пресс-порошка в пресс-формах заданного размера прессуют заготовки с плотностью 1,08-1,15 г/см³. Удельное давление прессования подбирается, исходя из указанного интервала плотности заготовок. Обжиг заготовок осуществляют в кольцевых печах, время обжига 332 часа при температуре 800-1300^oC и графитируются при температуре 2500-3000^oC.From the thus obtained press powder in the molds of a given size, preforms with a density of 1.08-1.15 g / cm ^{3 are} pressed. The specific pressing pressure is selected based on the specified interval of the density of the workpieces. Firing blanks is carried out in ring furnaces, the firing time is 332 hours at a temperature of 800-1300 ^o C and graphitized at a temperature of 2500-3000 ^o C.

В таблице 1 приведены примеры конкретного исполнения. В примере 1 приведены данные, изложенные в формуле изобретения, в примерах 2, 3 - выходящие за границы изобретения, в примере 4 материал изготавливают по прототипу. Table 1 shows examples of specific performance. Example 1 shows the data set forth in the claims, in examples 2, 3 - beyond the scope of the invention, in example 4, the material is made according to the prototype.

В таблице 2 приведены физико-механические характеристики графита, полученного по примерам 1-4. Table 2 shows the physico-mechanical characteristics of graphite obtained in examples 1-4.

Как видно из таблицы 2, применение изобретения позволяет использовать в промышленном производстве высокопрочного графита в качестве основного сырья кокс сланцевый смоляной при предложенной определенной корректировке технологического процесса на стадии заготовительного передела. As can be seen from table 2, the application of the invention allows the use in the industrial production of high-strength graphite as the main raw material shale tar coke with the proposed specific adjustment of the technological process at the stage of procurement.

Графит, предложенный формулой изобретения, обладает более высокими физико-механическими характеристиками. Увеличивает прочность на сжатие на 5-6%, прочность на изгиб на 20-30%, при этом плотность графита остается на надлежащем уровне. The graphite proposed by the claims has higher physical and mechanical characteristics. Increases compressive strength by 5-6%, bending strength by 20-30%, while the density of graphite remains at the proper level.

Claims (1)

Высокопрочный графитированный материал, содержащий непрокаленный кокс, каменноугольный пек и органическую добавку, отличающийся тем, что материал содержит кокс сланцевый смоляной мелкой фракции с размерами частиц 0,02 - 0 мм и 0,02 - 0,09 мм при следующем соотношении указанных фракций:
0,02 - 0 мм - не менее 80,0 мас.%,
0,09 - 0,02 мм - остальное.High-strength graphitized material containing non-calcined coke, coal tar pitch and an organic additive, characterized in that the material contains shale coke fine resin with particle sizes of 0.02-0 mm and 0.02-0.09 mm in the following ratio of these fractions:
0.02 - 0 mm - not less than 80.0 wt.%,
0.09 - 0.02 mm - the rest.

Images