Способ получения графита и композитов на его основе из водяной суспензии частиц углеродосодержащих материалов и устройство для его осуществления

Способ получения графита и композитов на его основе из водяной суспензии частиц углеродосодержащих материалов и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к областям химической промышленности, в которых с помощью используемых там технологий обеспечивается получение графита из содержащего углерод сырья, а также включающих в свой состав добавки других соединений композитов на его основе, предназначенных для удовлетворения, в случае их применения по прямому назначению, соответствующих нужд существующих химических и электротехнических отраслей производства.

В настоящее время искусственно синтезируемый графит получают, используя достаточно сложную и многоэтапную технологию.

Последняя включает в себя операции нагрева кокса и пека до температуры 2800°С. Из полученных при осуществлении этой операции газообразных углеводородов при температуре 1400-1500°С в условиях вакуума формируют пироуглерод. Из последнего при температурах, равных 2500-3000°С, и давлении 50 МПа в конечном итоге и синтезируется необходимый для удовлетворения соответствующих нужд промышленного производства так называемый "электрографит".

См. статья «Графит» в Интернете:

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B8%D1%82

Как видно из описания, указанная известная методика получения графита связана с необходимостью привлечения для ее выполнения существенных затрат, необходимых для ее реализации материальных и финансовых ресурсов.

Известен также способ получения графита, в соответствии с которым прошедший операции по измельчению и прокалке кокс смешивают с каменноугольным пеком в заданной технологией пропорции. Полученную смесь подвергают термоваккуумной обработке при давлении 80-320 гПа и температуре 280-320°С в течение 1-10 часов.

Затем сформированную таким образом коксопековую композицию размалывают и формируют из нее пресс-порошок, из которого и осуществляют прессование самих заготовок. В последующем полученные указанным выше образом заготовки обжигают при 1000-1300°С и графитируют при 2600-3000°С. Полученный в итоге всего этого тонкозернистый графит имеет прочность на сжатие 80-120 МПа, плотность - 1,75÷1,85 г/см³ (см. патент RU 2257341; С01В 31/04; опубликован 27.07.2005 г. "Способ получения тонкозернистого графита" - далее прототип).

Однако получение графита и в соответствии с этим, указанным выше способом - прототипом, также связано с необходимостью привлечения в ходе его осуществления недопустимо высоких материальных и финансовых затрат.

Это обстоятельство обуславливается прежде всего тем, что обработка исходного сырьевого материала осуществляется при высоких температурах и в течение длительных промежутков времени, а также при давлении в используемой для осуществления этого процесса емкости, значительно отличающемся от атмосферного.

Таким образом, из приведенного выше описания известного способа - прототипа можно выявить наличие следующих, характеризующих особенности его выполнения, существенных технических признаков.

Во-первых, перед началом осуществления процесса обработки, исходное сырье, содержащее углерод, в данном случае это кокс, закладывают во внутреннюю полость емкости, изолированную от окружающей ее среды.

Во-вторых, на такое обрабатываемое сырье в процессе выполнения его преобразования в необходимый конечный продукт воздействуют специально создаваемым для этого физическим полем. Наложение его осуществляется на используемый сырьевой материал непосредственно в самой зоне его переработки.

В качестве же такого, генерируемого для выполнения этой цели внешнего физического поля в известном способе прототипе применяется температурное.

Как очевидно следует из описания особенностей выполнения указанного выше известного способа получения графита, используемое для его осуществления устройство содержит в своем составе емкость, во внутреннюю полость которой осуществляется загрузка содержащего углерод исходного перерабатываемого сырья.

Кроме того, для формирования внешнего воздействующего на сырье, физического поля, в данном случае температурного, в состав такого рода устройства должны входить нагревательные рабочие элементы, при помощи которых и обеспечивается генерация последнего.

В процессе осуществления рабочего цикла указанные выше элементы устройства должны быть связаны с внешним источником их питания, обеспечивающим подачу к ним необходимой для из функционирования электрической энергии.

Однако применения только одного этого набора из указанных выше технических признаков, используемых для выполнения синтеза графита, а также участвующего в ходе выполнения этого известного способа устройства, оказывается недостаточным для осуществления радикального снижения привлекаемых для его реализации и расходуемых в ходе получения такого конечного продукта материальных и финансовых ресурсов.

Целью предлагаемого изобретения является существенное сокращение затрат, необходимых для осуществления процесса получения графита из исходного сырьевого материала, а также формирование предпосылок для синтеза целого ряда композитных материалов на основе последнего с резко отличающимися от последнего техническими характеристиками.

Достижение указанной выше цели в предлагаемом способе и устройстве обеспечивается за счет наличия действия следующих факторов.

Предлагаемый способ включает в себя размещение исходного углеродосодержащего сырья, в качестве которого используется кокс, во внутренней полости емкости. Внутренний объем этой емкости изолирован от окружающей среды. При выполнении предлагаемого способа на размещенное в емкости сырье воздействуют генерируемым для осуществления его преобразования в конечный продукт физическим полем. Формирование последнего выполняется непосредственно в зоне его влияния на исходную сырьевую массу.

Используемое при осуществлении предлагаемого способа устройство состоит из следующих элементов. Прежде всего, оно содержит емкость для размещения в ней обрабатываемой сырьевой массы. В состав его также входят рабочие элементы, обеспечивающие формирование воздействующего на составляющие сырье частицы физического поля. Указанные выше рабочие элементы подключаются к внешнему источнику электрического питания.

Новым в предлагаемом способе является то, что в качестве объекта для проведения такого преобразования, выступает водяная суспензия, полученная из частиц кокса с размерами от 1 мкм до 8 мкм. Объем этих частиц, определяемый относительно всего объема полости, которая ими заполняется, составляет величину в 50-70% от всей величины последнего. В качестве же преобразующего сырьевую массу физического поля используется переменное вращающееся магнитное. Напряженность последнего, замеренная в самой зоне обработки, составляет 5×10⁴÷1×10⁶ А/м, а частота 40-70 Гц. При осуществлении же обработки, сама эта емкость с загруженным в нее обрабатываемым сырьем выполняет функции замыкающего соединительного звена для генерируемого применяемой магнитной системой и создаваемого в ней потока.

Помимо всего изложенного выше в состав содержащей частицы кокса водяной суспензии могут дополнительно вводиться частицы окиси кремния, или частицы окиси алюминия, или те и другие вместе. Частицы указанных выше соединений имеют те же габаритные размеры, что и коксовые, а их содержание относительно объема самой суспензии равняется величине от 1% до 10% у каждого их вида.

При выполнении предлагаемого способа еще дополнительно в толщу получаемого в процессе обработки донного осадка производится подача струй сжатого воздуха под избыточным давлением, равным 0,1÷0,6 кгс/см², создающих в этой области так называемый "кипящий слой".

Новым для предлагаемого устройства же является то, что его рабочие элементы выполнены в виде состыкованных между собой пластин из магнитопроводящего материала. Такие элементы образуют в процессе их монтажа замкнутый прямоугольный контур. В теле же составляющих этот контур отдельных деталей размещены три обмотки - катушки. Каждая из них соединена с соответствующей фазой внешнего трехфазного источника электрического питания. В одном же из входящих в состав контура элементов выполнен сквозной паз, габариты которого обеспечивают размещение в нем содержащей водяную суспензию емкости.

Кроме всего этого, на верхней части емкости на ее торце, устанавливается крышка, изолирующая внутренний объем последней от прямой его связи с окружающей внешней средой. На дне этой емкости проложен заглушенный с торцевой части патрубок, в стенках которого выполнены отверстия перфорации. С их помощью обеспечивается вывод в окружающие его придонные слои обрабатываемого сырья струй подаваемого через них сжатого воздуха. Внутренняя полость такого патрубка сообщается с полостью внешней, подающей объемы последнего под избыточным давлением магистрали.

При использовании всего набора перечисленных выше особенностей выполнения предлагаемого способа, а также и в конструкции используемого при его проведении устройства, характер протекания процесса обработки в ходу ее осуществления, претерпевает следующие изменения.

На начальных этапах выполнения этого процесса проводиться подготовка исходной сырьевой массы, используемой для получения графита и композитов, содержащих в качестве основы последний.

Эта масса перед самым началом его осуществления проходит через операцию так называемого "ультратонкого помола".

Указанное выше измельчение применяемого кускового и зернистого материалов, а именно кокса, песка и глины, может быть выполнена с помощью любых известных на настоящее время технологий, например, с использованием для этого обыкновенных шаровых мельниц. После его завершения, полученная масса исходного материала превращается в мелкодисперсную пыль с входящими в ее состав частицами, имеющими габариты от 1 мкм до 8 мкм.

Прошедшая через помол масса частиц кокса, глины и песка затем просушивается в жарочном шкафу при температурах 120°С-150°С в течение 30-50 минут. При этом этап предварительной подготовки сырья к последующей его обработке можно считать законченным.

Полученная из кусков кокса, зерен глины и песка пылевидная масса затем помещается во внутреннюю полость емкости 3. Эта закладываемая в емкость 3 сырьевая масса впоследствии перемешивается с заполняющей ее внутреннюю полость водой, формируя при этом водяную суспензию с заданным технологией составом входящих в нее этих компонентов.

В итоге всего этого внутри последней и формируется устойчивая, густая, "грязеобразная" вязкая, водяная взвесь (исходя из принципа -"поменьше воды, побольше пыли").

В состав ее, как уже указывалось ранее, включены мельчайшие частицы каменноугольного кокса, а также необходимые для формирования композитов добавки - такие же по размерам частицы глины и песка. Содержание таких добавок в объеме получаемой суспензии, как тех, так и других, составляет 1-10%.

В случае необходимости получения изделий, содержащих только один графит, указанные выше добавки могут в ее составе отсутствовать и вовсе.

Операция перемешивания указанных выше компонентов в объеме емкости 3 может осуществляться при помощи любых известных технических приемов, например при помощи вводимой в емкость механической лопастной мешалки. После получения грязеобразной водяной суспензии емкость 3 закрывается крышкой 8 и устанавливается в сквозной паз "Б" генератора магнитного потока (см. фиг.1).

Перфорированный патрубок 6, используемый для подачи в емкость 3 сжатого воздуха после завершения операции ее установки в генератор, подсоединяется к подающей его внешней магистрали.

По окончании выполнения всех этих указанных выше переходов, все обмотки катушки 2 используемого генератора подключаются к соответствующим фазам внешнего источника питания (на чертеже не показан). Так как они размещены в окнах, выполненных непосредственно в объеме магнитопроводящих рабочих элементов 1 (на чертеже не показаны), то генерируемые ими отдельные магнитные потоки с помощью последних объединяются в единый суммарный.

Таким образом, в контуре создается общее магнитное поле, сформированное с помощью этих трех отдельных составляющих, полученных в зонах установки каждой из указанных выше обмоток катушек 2.

В силу того что подаваемый для их питания переменный ток в каждой отдельной из используемых для этого фаз внешнего источника имеет угловые сдвиги составляющих его синусоидальных волн относительно таких же соседних, то сформированное таким образом суммарное магнитное поле получается не только переменным, но и осуществляющим вращение в окружающей его пространственной области.

Следует еще обратить внимание и на то, что образующийся в контуре генератора при его включении суммарный магнитный поток будет стремиться замкнуть разорванные пазом "Б" его половины, как бы соединяя их в единое целое (т.е. сформировать своеобразную замкнутую "петлю").

В процессе осуществления этого он неизбежно производит "проскок" через внутреннюю полость емкости 3, заполненную частицами 4 обрабатываемой сырьевой массы.

Последняя выполняет в ходе осуществления такого рода его перехода из одной половины контура в другую роль замыкающего соединительного звена в применяемой для выполнения обработки этой искусственно созданной магнитной системы.

То есть она становится своеобразной "ступенькой", с опорой на которую этот переход между рабочими элементами 1 такого рода генератора и становится осуществимым с минимально обеспечиваемыми потерями энергии.

Все перечисленное выше позволяет получить максимальную величину степени концентрации силовых линий генерируемого в устройстве магнитного поля непосредственно в зоне проведения процесса получения из сырьевых частиц 4 конечного продукта их переработки - гранул 5, состоящих из графита и введенных в состав суспензии дополнительных добавок.

Соответственно, сформированный в этой же области результирующий вектор суммарного магнитного потока совершает там колебательные угловые перемещения, осуществляя при этом перенос зоны своего влияния на окружающие его частицы "сырья 4 по всем трем пространственным координатам (x; y; z).

К тому же в процессе этого последний меняет не только направление воздействия, но и саму свою величину (с заданной частотой 40-70 Гц).

Если соединить при помощи кривых линий точки нахождения конца оббегающего участки окружающего пространственного объема этого вектора, в течение заранее выбранного определенного временного промежутка, то получим фигуру, по очертанию наиболее близкую к трехмерному "эллипсоиду" (см. зону "Д" на фиг.1).

Сужение его переднего и заднего концов определяется увеличением магнитного сопротивления, неизбежно появляющегося ввиду возникновения монтажных зазоров "а" в момент установки емкости 3 в генератор.

Так как этот результирующий вектор совершает весь этот набор из указанных выше действий в заполненной обрабатываемой средой внутренней полости емкости 3, то на находящиеся там частицы сырья 4, а также и на молекулы углеродосодержащих газов - окиси углерода, метана, обрушивается целая серия периодически повторяющихся (40-70 Гц) "толчков" и "ударов". Под их влиянием неизбежно активируются составляющие и входящие в состав исходных компонентов атомы их молекул, электроны которых переходят на более высокие орбиты относительно его ядра.

При этом разрываются ранее возникшие ковалентные молекулярные связи, и в зоне обработки появляются ионы, формирующиеся из числа ранее входящих в состав исходных молекул элементов.

В самих же мелкодисперсных сырьевых частицах, благодаря появлению этих активированных внешним энергетическим воздействием свободных ионов, происходит перестройка исходной кристаллической решетки. Этому в не малой степени способствует и подвод извне в область протекания такого рода преобразований дополнительного "строительного материала" - ионов углерода.

Последние выполняют функции своеобразного "связующего", соединяющего между собой микроцентры появившихся в сырьевой массе и возникших там кристалликов графита.

Соединенные ионами углерода такого рода миникристаллы в процессе продолжающегося их объединения, протекающего в области обработки, преобразуются в "зародыши" требуемого конечного продукта.

Входящие же в состав исходной водяной суспензии частицы окиси кремния и окиси алюминия, в условиях подвода к ним все новых и новых порций активированных ранее ионов углерода, восстанавливаются с получением элементарных соединений из алюминия и кремния.

Протекающие при этом реакции можно представить в виде:

SiO₂+C⁺⁴Si⁺⁴+CO₂↑;

Al₂O₃+С⁺⁴+О^-2→2Al⁺³+2CO₂↑;

O²→O^-2+O^-2;

Эти вновь полученные из их соединений элементы, так как они окружены со всех сторон кристалликами образующегося в этой же зоне графита, встраиваются непосредственно в его создающуюся там кристаллическую решетку.

При этом они образуют в ней достаточно крепкие соединительные связи, надежно соединяющие их с основной массой входящих в нее и определяющих ее форму атомов углерода.

Так как полученные с применением указанного выше мощного энергетического воздействия такого рода "зародыши" из кристалликов графита с полученными в них "включениями" обладают достаточно высокой объемной плотностью (2,1-2,4 г/см³), то они оседают под действием сил гравитации, попадая при этом на дно емкости 3.

Перемещаясь в вертикальном направлении "зародыши" вновь полученного этого материала, захватывают по дороге мелкие частицы 4 окружающей их сырьевой массы, обзаводясь своеобразной "шубой", состоящей из прилипших к их поверхности последних. Попадая затем в самую нижнюю часть полости емкости 3, они создают там искусственно сформированный за счет действия перечисленных выше факторов "придонный слой". Как только в толщу последнего начинают поступать струи подаваемого под избыточным давлением (0,1÷0,6 кгс/см²) сжатого воздуха, то входящие в него составляющие под действием последних начинают совершать в толще окружающих их слоев сырья интенсивные колебательные перемещения. При этом там создается так называемый "кипящий слой".

Все указанные же выше процессы, обусловленные воздействием переменного вращающегося магнитного поля на входящие в "придонный слой" соединения протекают и в этой области точно так же, как и в остальных объемах обрабатываемой в устройстве сырьевой суспензии.

Отличия в выполнении такого рода процессов будет состоять лишь в том, что в условиях формируемого там "кипящего слоя" значительно возрастает количество подаваемых к "зародышам" появившихся там новых "строительных" элементов (ионов углерода; восстановленных с помощью первого атомов кремния и алюминия). Ионы же углерода, как указывалось ранее, генерируются из состава входящего в частицы кокса его соединений, а также из объемов подаваемого в зону обработки газов - окиси углерода, метана, входящих в состав используемого сжатого воздуха.

Все перечисленное выше позволяет существенно интенсифицировать процесс получения графита, а также композитов на его основе, из применяемого исходного сырья, а также создает условия для протекания формирования его в виде имеющих габаритные размеры от 3,5 до 14 мм достаточно крупных гранул.

Последнее обстоятельство становиться возможным в силу того, что подаваемые в область формирования конечного продукта в больших количествах ионы углерода "связывают" между собой мелкие "зародышевые" центры формирования новых структур, выполняя при этом роль объединяющего последние в единый "монолит" строительного раствора. В объем последнего плотно внедряются и восстановленные из содержащих их оксидов атомы добавок - алюминия и кремния, "навечно" застревая в его теле.

"Приклеенные" указанным выше образом одна к другой частицы полученных в этой области композитов на основе графита, в процессе продолжения обработки и преобразуются в гранулы 5, имеющие указанные выше габариты (3,5-14,0 мм).

Эти гранулы 5 накапливаются в придонной области 3, образуя там по окончании процесса обработки саму массу получаемого с помощью последней конечного продукта.

Осаждаемая же в этой области емкости 3 так называемая пустая порода, входившая ранее в состав частиц кокса и содержащая элементы - кальций, магний, кремний, превращается в крупнокусковые габаритные отходы, размещаемые в слое гранул 5. Габариты этих кусков существенно превышают размеры последних и составляют величину от 20 до 40 мм.

Вследствие наличия указанного выше фактора они легко отделяются от общей массы полученного конечного продукта при помощи обыкновенных калибровочных сит.

Преимущественное же формирование композитов на основе графита, в процессе выполнения мощного энергетического воздействия на обрабатываемую сырьевую массу, объясняется прежде всего тем, что только указанный выше перечень из такого рода материалов имеет кристаллическую структуру входящих в состав последних решеток, которые обладают минимально возможным значением своей внутренней энергии в условиях складывающегося в зоне обработки энергетического равновесия, из всего возможного набора варианта синтеза из присутствующих там соединений.

Следует обратить внимание еще и на то обстоятельство, что получаемая в результате проведения такого рода обработки кристаллическая структура, которая может состоять как из чистого графита, так и полученных композитов с включением алюминия и кремния в эту его основу, имеет несколько необычную пространственную конфигурацию. Образующие ее атомы углерода формируют объемные "короткие" шестигранники, которые представляют собой как бы отрезки, стыкуемые своими основаниями с соседними расположенными рядом. Такого рода "стыковка" осуществляется под определенным пространственным углом, формируемым взаимным пересечением их продольных осей симметрии. Соединяясь указанным выше образом, шестигранники создают пространственную цилиндрическую спираль, участок одного из ее витков изображен на фиг.3.

Рядом расположенные отдельные спирали входят в состав включающего их в достаточно большом количестве "жгута" той же формы. Из них и создается весь формируемый монолит получаемого указанным выше образом этого конечного продукта.

Вводимые в состав графита добавки - алюминия и кремния, приводят к уменьшению диаметра получаемой спирали из чистого графита, а также увеличивают количество получаемых витков по всей ее длине.

Т.е. спиральные цепочки, включающие в свой состав указанные выше элементы, приобретают более сильную "закрутку". Сформированные на их основе "пружинки" с уменьшенным диаметром и увеличенным числом витков приобретают большую "жесткость" и "упругость" - т.е. имеют более высокие прочностные показатели в процессе выполнения соответствующих механических испытаний.

Аномальное строение этой получаемой кристаллической структуры обеспечивает условия для возникновения еще одного, очень неожиданного эффекта.

Удельное объемное сопротивление ρ в указанных выше материалах изменяется под нагрузкой по нелинейному закону (см. график на фиг.2).

В процессе увеличения последнего на получаемой измерением ρ кривой во всех случаях, появляются два четко выделяющихся на этом графике "горба", после второго из которых график плавно спускается вниз и практически переходит в параллельную оси ординат линию.

Такой тип получаемого при измерении величины ρ графика сохраняются как в случае проведения испытаний для структур на основе "чистого" графита без введения в его состав каких-либо добавок, так полученных на его основе композитов (с Al или Si; или Al+Si). В случае наличия в составе полученной "спиралеобразной" кристаллической структуры указанных выше элементов, формирующиеся на графике функции ρ=f(U) "горбы" становятся более ярко выраженными. Таким образом, введением в состав исходной сырьевой массы на основе частиц кокса мелких зерен из глины и песка - в количествах от 1% до 10%, можно осуществлять регулировку как величины получаемых показателей механической прочности и твердости, так и характера изменения функции ρ=f(U), где ρ - удельное объемное сопротивление; a U - значение прикладываемого к образцу из полученного композита напряжения нагрузки.

Такой вид зависимости ρ=f(U) позволяет предполагать, что использование указанных выше композитов становится возможным для заполнения рабочей полости в ограничителях предельной нагрузки (ОПН), и они могут применяться в них как основной функциональный материал.

Увеличение же прочностных показателей последних обуславливает создания ряда предпосылок для их применения в качестве основы для формирования тяжелонагруженных элементов устройств, работающих в условиях интенсивного износа (например, в подшипниках скольжения).

Концентрацией вводимых в суспензию из графита указанных выше добавок можно обеспечить регулировку получаемых в процессе обработки как прочностных, так и электрических параметров самого вырабатываемого конечного продукта в достаточно широком диапазоне этого рода показателей. Элементы, формирующиеся в процессе ее выполнения из составляющих эти добавки соединения, прочно встраиваются в получающуюся спиралеобразующую кристаллическую структуру, сохраняя там одно и то же крепко зафиксированное «вечное» положение. Вводимые в состав графитовой решетки указанные выше добавки в зависимости от предъявляемых требований к получаемому на конечных этапах переработки композитному материалу могут применяться как порознь, так и обе разом (Al, Si).

Целесообразность же применения для проведения переработки используемой сырьевой массы именно в виде грязеобразной вязкой водной суспензии объясняется следующими соображениями. Во-первых, использование ее позволяет компактно разместить на достаточно близких расстояниях все участвующие в протекании процесса формирования спиралеобразной кристаллической решетки и обеспечивающие ее интенсивный рост компоненты, как частицы кокса, так и дополнительно вводимые в сырьевую массу добавки. Т.е. вода обеспечивает их плотный охват. При этом все эти указанные соединения за счет тщательного выполнения операции предварительного перемешивания всегда оказываются более или менее равномерно распределенными по всем зонам используемого объема полости самой емкости, в т.ч. и в ее рабочей.

Во вторых, суммарное магнитное сопротивление такой искусственно созданной вязкой субстанции значительно меньше того, что возникло бы если бы сырьевую смесь формировали бы прямо в столбе заполняющего емкость 3 воздуха.

Снижение же магнитного сопротивления облегчает проведение процесса переработки исходного сырья в необходимые конечные продукты, уменьшая затраты необходимой для этого применяемой электрической энергии и сокращая само время этой обработки. Количество используемой для формирования вязкой суспензии умягченной воды невелико, ее употребляемый с этой целью объем составляет 30-50% от всего объема перерабатываемого продукта.

Применяемую для осуществления процесса умягченную воду получали при помощи обыкновенного, широко используемого лабораторного дистиллятора.

Следует обратить внимание еще и на то, что сама предложенная обработка выполняется при комнатных температурах (14-32°C) и с использованием диапазона давлений, лишь незначительно отличающихся от атмосферного (выше на 0,1÷0,6 кгс/см² исходного).

Выход конечного продукта из используемой сырьевой массы находиться в пределах 58-64% в зависимости от содержания в самом исходном сырье составляющих конечный продукт компонентов (коксового остатка; окиси кремния, окиси алюминия).

"Продувка" пузырями подаваемого со дна емкости 3 сжатого воздуха (барботаж с помощью последнего) из проложенного там подающего перфорированного патрубка 6, с одной стороны, поддерживает равномерность распределения составляющих вязкую взвесь компонентов во внутреннем объеме полости, а с другой стороны выполняет функцию поставки к участвующим в процессе синтеза "конечного продукта" соединениям необходимого строительного материала - ионов углерода.

И то, и другое обеспечивает создание условий для проведения процесса формирования композитов из взвеси в оптимально возможных и созданных специально с этой целью условиях.

В качестве основного сырья, используемого для получения графита, применяется каменноугольный кокс, имеющий следующие показатели:

содержание углерода - 97%

пористость кокса - 40%

плотность кокса - 1,94 г/см³

зольность - 3%

предел прочности при срезе - 12,2 МПа

теплота сгорания - 29,6 мДж/кг

выход летучих веществ - 0,8%

Получаемый с помощью обработки конечный продукт, в данном случае чистый графит, обладает следующими техническими характеристиками.

Его объемная плотность составляет 1,9-2,0 г/см³.

Объемная плотность полученных с применением такого графита композитных материалов, содержащих либо кремний, либо алюминий, либо тот и другой элемент вместе составляет от 2,1 до 2,4 г/см³.

Удельное объемное сопротивление ρ в случае получения чистого

графита, не содержащего никакие примеси - 17 нОм·м.

У композитных материалов это значение составляет 19-21 нОм·м.

Содержание графита в конечном продукте достигает значения (по содержанию углерода - 99,981%).

Практически то же самое значение имеют полученные конечные продукты на основе вводимых в суспензию добавок (с учетом включения в графит Si; Al) - 98,97%.

Значение твердости полученного в соответствии с предлагаемой обработкой графита HV=160 ед. Для композитов на его основе HV=180 ед. Переработка полученных в ходе переработки сырьевой массы гранул как чистого графита, так и композитов на его основе в электротехнические изделия может в дальнейшем осуществляться с помощью выполнения с ними операций прессования или экструдирования.

Время проведения обработки составляет обычно 6-20 мин (0,1-0,33 часа).

Далее выполнение предлагаемого способа иллюстрируется с помощью указанных ниже примеров:

Пример 1. Для получения гранул из одного только чистого графита использовались куски кокса, характеристики которого были указаны выше.

Перед началом осуществления процесса обработки проводилось измельчение кускового кокса, в ходе выполнения которого последние превращались в "пыль", состоящую из частиц с габаритными размерами 1-8 мкм. Для осуществления этой операции была использована шаровая мельница. Полученная по ее окончании сырьевая масса проходила "просушку" в жарочном шкафу при 120°С в течение 50 минут. По завершении и этого этапа она засыпалась в полость емкости 3 с вместимостью 5 литров. Объем засыпаемых туда такого рода частиц кокса составлял 60% относительно имеющегося у нее собственного внутреннего.

Полученная пылевидная масса затем заливалась соответствующим количеством умягченной воды - оставшаяся часть объема в 40%.

Полученная сырьевая двухкомпонентная сырьевая масса перемешивалась при помощи лопастной механической мешалки (на чертеже не показана). Этим самым обеспечивалось формирование в полости емкости 3 густой грязеобразной однородной водяной суспензии, содержащей в своем составе пылевидные частицы кокса и воду.

По окончании и этого этапа емкость 3 закрывалась крышкой 8 и проводился ее монтаж в установочный паз "Б" генератора магнитного поля (см. фиг.1).

После того как емкость 3 была помещена на свое "штатное" место, производилось подсоединение перфорированного патрубка 6 к внешней, подающей сжатый воздух магистрали.

До этого момента времени вытекание вязкой взвеси из полости емкости 3 через отверстия перфорации 7 и внутреннюю полость патрубка 6 наружу предотвращалась с помощью установленного в нижней части последнего обратного клапана (на чертеже не показан). Но даже и при его отсутствии, ввиду большой вязкости, полученной в емкости водяной суспензии, ее потери на такое "просачивание" имели бы величину незначительную.

Поэтому установка последнего в данной зоне не является условием обязательным.

После подключения сжатого воздуха, поступающего сначала в патрубок 6 под избыточным давлением, а потом через отверстия перфорации 7 и ко всему объему помещенной в емкость 3 вязкой водяной взвеси, производилась и подача питания на все три обмотки катушки 2 генератора магнитного поля, за счет соединения последних с соответствующими фазами внешнего источника снабжения их электрической энергией.

Замеренная при помощи датчика Холла и измерительного моста напряженность возникшего при этом в зоне обработки магнитного поля составила 1×10⁶ А/м. Частота магнитного поля соответствовала 70 Гц.

По истечении 6 минут (0,1 часа) с момента включения генератора в работу, вся заполняющая внутреннюю полость емкости 3 суспензия расслоилась на отдельные составляющие. Одна представляла собой чистый прозрачный слой воды, а вторая набор из крупногабаритных гранул графита 5 и кусков лежащих между ними отходов.

Габариты гранул полученного графита находились в пределах от 11 мм до 14 мм. Куски полученных отходов имели размеры от 20 до 40 мм.

Полученные гранулы графита 5 состояли из спиралевидных кристаллических структур, образованных атомами углерода. Выход этого конечного продукта относительно массы использованного для переработки сырьевой массы составил 68%.

Чистота полученного графита относительно содержащегося в ее составе углерода составила значение в 99,981%.

Объемная его плотность составила 2,0 г/см³. Удельное объемное сопротивление ρ соответствовало значению 17 нОм·м; показатели твердости полученных на дне емкости гранул составили HV 160 единиц.

Количество полученных в ходе обработки отходов соответствовала значению в 13,2%. Габариты полученных кусков из такого рода отходов находились в пределах 20-40 мм.

Сами отходы состояли из соединений Са; Mg; Si. Получаемый под нагрузкой график изменения значений удельного объемного сопротивления ρ=f(u) в зависимости от нагрузки U своими очертаниями соответствовал тому, что был приведен на фиг.2.

Пример 2. В соответствии со схемой уже указанной в примере 1, проводилась обработка полученной на основе того же самого материала, но с добавкой 1% частиц из окиси кремния, водяной вязкой суспензии.

Как и предыдущем случае, куски кокса, а также зерна песка, измельчались при помощи шаровой мельницы для получения из них мелких частиц с габаритными размерами 1-8 мкм.

Полученная их масса как тех, так и других соединений подсушивалась в жарочном шкафу при 150°С в течение 20 минут. По окончании этого этапа сформированная указанным выше образом сырьевая масса помещалась в полость емкости 3, при этом объем содержащих кокс частиц составлял 70% от объема последней, а окиси кремния, как уже указывалось, - 1%.

Затем к помещенному в полость 3 исходному сырью добавлялось необходимое для формирования суспензии количество воды - 29% от всего имеющегося объема емкости 3, и размешиванием его с частицами исходного материала готовилась последняя, используемая в дальнейшем для осуществления обработки. После завершения всех необходимых для выполнения обработки ее этапов, осуществлялась сама операция получения из указанной выше сырьевой массы необходимого конечного продукта.

Обработка выполнялась с подачей в придонную область емкости 3 сжатого воздуха под избыточным давлением 0,3 кгс/см². Пузырьки последнего проходили оттуда через все расположенные над патрубком 6 слои, составляющие толщу покрывающей его жидкой взвеси из указанных ранее компонентов.

Напряженность же магнитного поля в зоне обработки составила 5×10⁴ A/м при частоте его 40 Гц.

Время выполнения ее составило 15 минут (0,25 часа).

Выход конечного продукта относительно всей использованной массы исходного сырья составил 67,1%.

Объемная его плотность составила 2,12 г/см³. Размеры полученных по окончанию обработки гранул находились в пределах 3,5-7 мм. Удельное объемное сопротивление полученного конечного продукта ρ (композитного материала на основе графитовых спиралевидных структур с включением атомов кремния) было равным 17,63 нОм·м.

Полученные на дне емкости гранулы имели твердость HV 167 единиц.

Количество полученных в ходе обработки отходов составило 12,9%. Габариты полученных отходов составляли 25-35 мм.