Графит стержневой для изготовления тиглей

Графит (C) — одна из аллотропных модификаций углерода, термодинамически стабильная в условиях земной коры. Материал имеет слоистую гексагональную кристаллическую решётку, характерный тёмно-серый цвет и металлический блеск. Плотность природного графита составляет 2,09–2,23 г/см³. Твёрдость по шкале Мооса — 1–2. Графит химически инертен ко многим кислотам, щелочам и расплавам солей, проводит электрический ток и тепло, выдерживает термоудары. Именно сочетание огнеупорности, теплопроводности и химической стойкости делает графит основным материалом для производства плавильных тиглей, теплообменников и другой технологической оснастки.

Типы, марки и общие технические требования к промышленному графиту установлены ГОСТ 17022-81. Стандарт распространяется на графит, получаемый из графитовых руд и отходов металлургического производства. Графит стержневой для изготовления тиглей поставляется в виде заготовок цилиндрической и прямоугольной формы, из которых формируют тигли необходимых размеров и конфигурации.

Физические свойства графита для тигельного производства

Для изготовления тиглей применяют два основных типа графита: природный кристаллический (тигельный) и искусственный конструкционный (мелкозернистый). Их свойства существенно различаются, что определяет область применения каждого типа.

Природный кристаллический графит

Природный графит, используемый для огнеупорных изделий, представляет собой обогащённый кристаллический материал. Его основные физические характеристики:

Графит анизотропен: теплопроводность и электропроводность вдоль базисных плоскостей значительно выше, чем в перпендикулярном направлении. Коэффициент теплового расширения при температурах до ~400 °C может быть отрицательным в направлении базисных плоскостей, то есть материал при нагреве слегка сжимается.

Химическая стойкость и окисляемость

Графит устойчив к большинству кислот (кроме сильных окислителей — концентрированной азотной, хромовой кислоты), растворов щелочей и солей. Не растворяется в органических растворителях. Однако при нагреве на воздухе графит окисляется: заметное окисление начинается при температурах порядка 400–500 °C, а горение — при 580–680 °C. В вакууме и инертной атмосфере (аргон, азот, гелий) графит стабилен до температур свыше 2000 °C. Это принципиально важно для выбора условий эксплуатации тиглей: при работе на воздухе рабочая температура ограничена, тогда как в вакуумных и индукционных печах с защитной атмосферой графитовые тигли служат значительно дольше.

Графит тигельный марок ГТ-1, ГТ-2, ГТ-3 по ГОСТ 4596-75

Тигельный графит регламентируется ГОСТ 4596-75 «Графит тигельный. Технические условия». Стандарт распространяется на обогащённый кристаллический графит, полученный обогащением графитсодержащих руд или смеси руд и графитсодержащих отходов металлургического производства. Материал предназначен для изготовления огнеупорных графито-керамических изделий.

В зависимости от физико-химического состава графит подразделяют на три марки: ГТ-1, ГТ-2 и ГТ-3 (классификация по ГОСТ 17022-81).

Физико-химические показатели графита тигельного

Для графита, полученного из смеси природных руд и графитсодержащих отходов металлургического производства, в обозначении марки добавляется буква «С» (например, ГТ-1С). В графите всех марок не допускается наличие посторонних примесей. По соглашению изготовителя с потребителем допускается поставка графита марки ГТ-3 с зольностью до 11 %.

Зольность и её влияние на качество тиглей

Зольность — ключевой параметр тигельного графита. Зола представляет собой остаток минеральных примесей (оксиды кремния, алюминия, железа, кальция и др.) после полного сгорания углеродной составляющей. Чем ниже зольность, тем выше содержание углерода и тем чище расплав при плавке.

Марка ГТ-1 с зольностью до 7 % применяется для ответственных плавок, где предъявляются повышенные требования к чистоте металла — например, при работе с драгоценными и химически активными цветными металлами. Марка ГТ-3 (зольность до 10 %) используется для менее ответственных операций — плавки латуни, бронзы, алюминиевых сплавов.

Содержание оксида железа (Fe₂O₃) не более 1,6 % для всех марок предотвращает каталитическое ускорение окисления графита при повышенных температурах. Низкие значения влаги и летучих веществ (не более 1,0 % и 1,5 % соответственно) исключают образование пузырей и пористости в стенках тигля при нагреве.

Графитовые стержни МПГ для тиглей и технологической оснастки

Мелкозернистый плотный графит серии МПГ (мелкозернистый плотный графит) — это искусственный конструкционный материал на основе коксо-пековых композиций, получаемый методом холодного прессования графитового порошка из малозольного нефтяного кокса. После прессования заготовки проходят обжиг при 800–1200 °C, пекопропитку и графитацию при 2400–3000 °C.

Марки МПГ-6, МПГ-7 и МПГ-8 производятся по нескольким техническим условиям: ТУ 48-20-51-84 (базовый), ТУ 48-4807-297-00, ТУ 1915-109-081-2004. Подробнее о свойствах и формах поставки графита МПГ-7 — на отдельной странице каталога.

Характеристики графита МПГ-6, МПГ-7, МПГ-8

Рабочие температуры и среды эксплуатации

Изделия из графита МПГ работают:

• в вакууме — до 2000 °C;
• в защитной атмосфере (аргон, азот) — до 2500 °C;
• на воздухе — длительно не более 250–300 °C (ограничение из-за окисления).

Тигли из МПГ используют преимущественно в вакуумных и индукционных печах для плавки полупроводниковых материалов, драгоценных металлов и химически активных цветных металлов. Мелкозернистая структура обеспечивает минимальную газопроницаемость стенок тигля и позволяет обрабатывать изделия до высокой чистоты поверхности.

Состав шихтовой смеси для графито-шамотных тиглей

Тигли для плавки металлов изготавливают не только из чистого графита, но и из графито-глиняных (графито-шамотных) смесей. Такие тигли дешевле цельнографитовых и применяются для плавки цветных металлов в пламенных, газовых и электрических печах.

Компоненты шихты

Типичная шихтовая смесь для графито-шамотного тигля включает:

Соотношение компонентов подбирается индивидуально в зависимости от назначения тигля и характеристик выплавляемого металла. Для плавки меди и медных сплавов часть графита допускается заменять коксом или ретортным графитом — это снижает стоимость при сохранении приемлемых огнеупорных свойств.

Требования к структуре графита в шихте

Для изготовления тигельной массы применяют графит с пластинчатой или мелкочешуйчатой структурой. Пластинчатые чешуйки при формовании ориентируются вдоль стенок тигля, создавая плотный, малопроницаемый барьер. Крупнозернистый (зернистый) графит для этих целей не используют: его рыхлая структура не обеспечивает достаточной плотности и газонепроницаемости стенок.

Остаток на сетке № 0,2 (размер частиц более 0,2 мм) для тигельного графита по ГОСТ 4596-75 должен составлять не менее 75 %. Это означает, что основная масса графита — крупночешуйчатая фракция, необходимая для формирования плотной структуры тигля.

Применение графитовых стержней и тиглей

Плавка цветных и драгоценных металлов

Графитовые тигли — основной тип ёмкостей для плавки цветных металлов и их сплавов: меди, латуни, бронзы, алюминия, цинка, свинца, олова, а также золота, серебра, платины. Графит не вступает в реакцию с большинством расплавленных металлов при рабочих температурах 700–1500 °C (для графито-шамотных тиглей) и до 2000 °C в вакууме (для тиглей из МПГ).

Графито-шамотные тигли рассчитаны на многократное использование. Число плавок зависит от зольности графита, состава шихты, температурного режима и агрессивности расплава. Тигли из мелкозернистого графита МПГ обеспечивают более высокую чистоту расплава и применяются для ответственных операций.

Работа с полупроводниковыми материалами

Графит марок МПГ-6, МПГ-7, МПГ-8 востребован в полупроводниковой промышленности для изготовления тиглей, лодочек и контейнеров, в которых ведётся расплавление и кристаллизация полупроводниковых материалов (кремний, германий и др.). Низкая зольность исходного сырья (нефтяной кокс с содержанием золы не более 0,02 %) и высокотемпературная графитация обеспечивают минимальное загрязнение расплава примесями.

Другие области применения графитовых стержней

Помимо тигельного производства, графитовые стержни находят применение:

• в атомной энергетике — в качестве замедлителей нейтронов (реакторный графит);
• в электротехнике — для изготовления электродов, токосъёмных щёток;
• в химической промышленности — теплообменники, насосы, арматура, устойчивые к агрессивным средам;
• в металлургии — кристаллизаторы для непрерывной разливки, конструкционные элементы печного оборудования;
• в машиностроении — антифрикционные детали, уплотнения, подшипники скольжения.

Типы тиглей по способу нагрева и материалу

Тигли для индукционных печей

Графитовые тигли наиболее широко используются с индукционными печами, где нагрев происходит за счёт вихревых токов, наводимых в электропроводном материале тигля или непосредственно в расплаве. Графит, обладая хорошей электропроводностью, эффективно разогревается в переменном электромагнитном поле. Тигли из графита МПГ и графито-шамотные тигли для индукционных печей поставляются в стандартных типоразмерах от нескольких десятков граммов до нескольких сотен килограммов вместимости расплава.

Тигли для вакуумных и электродуговых печей

В вакуумных печах применяются тигли из чистого конструкционного графита (МПГ, ГМЗ и другие марки). Отсутствие кислорода исключает окисление графита, и рабочая температура может достигать 2000 °C и выше. Тигли из МПГ для вакуумных печей изготавливаются механической обработкой графитовых заготовок на станках с ЧПУ по чертежам заказчика.

Для плавки тяжёлых и химически активных цветных металлов в вакуумных печах используют графит марки ГМЗ-МТ, для медных сплавов — ГМЗ-МГ. Данные марки характеризуются повышенной плотностью и механической прочностью при высоких температурах.

Конструкционный графит для изготовления тиглей

Конструкционный графит — это синтетический углеродный материал, формуемый, обжигаемый и подвергаемый графитации при температурах 2800–3000 °C. Результат — плотная кристаллическая структура с контролируемыми свойствами. Помимо марок МПГ, для тигельного производства применяют и другие конструкционные графиты.

Основные группы конструкционных графитов для тиглей

Выбор марки конструкционного графита для тигля определяется: рабочей температурой, средой (воздух, вакуум, инертный газ), типом расплавляемого металла, требованиями к чистоте расплава и ресурсом тигля.

Факторы, определяющие ресурс графитового тигля

Зольность графита

Чем ниже зольность материала тигля, тем меньше примесей переходит в расплав и тем медленнее разрушается стенка тигля. Минеральные примеси в золе (особенно оксиды железа) катализируют окисление углерода, ускоряя деградацию тигля.

Условия эксплуатации

Ресурс тигля зависит от:

• рабочей температуры и длительности выдержки;
• газовой среды (воздух, инертная атмосфера, вакуум);
• агрессивности расплава (некоторые металлы — алюминий, кремний при высоких температурах — могут взаимодействовать с углеродом, образуя карбиды);
• термоциклирования — резких перепадов температуры.

Графит обладает хорошей термостойкостью — выдерживает резкие перепады температур без образования трещин, что отличает его от большинства керамических огнеупоров. Однако при работе на воздухе стенки тигля постепенно выгорают, особенно в зоне зеркала расплава, где температура максимальна.

Защита графитовых тиглей от окисления

Для увеличения ресурса тиглей, работающих на воздухе или в среде с присутствием кислорода, применяют:

• антиоксидантные покрытия на основе карбида кремния (SiC), карбида бора (B₄C);
• глазурование наружной поверхности тигля;
• пропитку антиоксидантными составами (фосфаты, бораты);
• работу в восстановительной или нейтральной атмосфере.

Изготовление тиглей из графитовых стержней

Тигли из конструкционного графита

Тигли из стержневых заготовок МПГ, ГМЗ и аналогичных марок изготавливаются механической обработкой: точением, фрезерованием, сверлением. Мелкозернистая структура графита МПГ позволяет обрабатывать изделия до сверхвысокой чистоты поверхности и изготавливать тигли с толщиной стенки от 0,8 мм. Заготовки поставляются в виде цилиндров и прямоугольных блоков стандартных размеров.

Тигли из графито-шамотной шихты

Графито-шамотные тигли формируют из шихтовой смеси методами прессования или шликерного литья, с последующей сушкой и обжигом. Состав шихты индивидуально подбирается в соответствии с характеристиками выплавляемого металла. Стержневой графит для таких тиглей поставляется в виде порошка или чешуек заданного гранулометрического состава.

Нормативная документация на графитовые материалы

Стандарты и технические условия

Методы определения качества графита: зольность — ГОСТ 17818.4-90; влага — ГОСТ 17818.1-90; гранулометрический состав — ГОСТ 17818.2-90; летучие вещества — ГОСТ 17818.3-90; массовая доля железа — ГОСТ 17818.5-90; массовая доля углерода — ГОСТ 8295-73.

Формы поставки графитовых стержней и заготовок

Графит стержневой для изготовления тиглей поставляется в следующих формах:

• цилиндрические стержни (заготовки) различных диаметров и длин;
• прямоугольные блоки и плиты;
• порошок и чешуйки (для приготовления шихтовых смесей);
• готовые тигли, изготовленные по чертежам заказчика.

Типовые размеры заготовок МПГ: прямоугольники 220×220×110 мм, 220×110×110 мм, 180×140×100 мм, 165×105×105 мм; цилиндры ⌀125×150 мм, ⌀120×160 мм, ⌀100×160 мм. По запросу возможно изготовление заготовок и деталей нестандартных размеров.

Тигельный графит марок ГТ-1, ГТ-2, ГТ-3 поставляется в бумажных мешках по ГОСТ 2226, массой нетто не более 30 кг, или в мягких специализированных контейнерах типа МК. Подробнее о марке графит тигельный ГТ-1 — в соответствующем разделе каталога.

Рекомендации по выбору графита для тиглей

Подбор марки графита определяется конкретным технологическим процессом. Ниже приведены ориентировочные рекомендации:

При подборе марки графита под конкретный техпроцесс рекомендуется консультация со специалистом по углеродным материалам. Стоимость графитовых стержней и готовых тиглей зависит от марки, размера заготовки, объёма партии и рассчитывается по запросу.