Гранулированный синтетический графит

Гранулированный синтетический графит — углеродный материал искусственного происхождения с содержанием углерода от 90 до 99 % и более, выпускаемый в форме цилиндрических или сферических гранул определённого размера. Основная сфера применения — науглероживание расплавов стали и чугуна в индукционных и электродуговых печах. Помимо чёрной металлургии, гранулят востребован в производстве углеграфитовых материалов, графитопластов, антифрикционных композиций и смазочных составов.

Графит: структура и общие свойства

Графит — одна из аллотропных модификаций углерода наряду с алмазом, фуллеренами и карбином. Его кристаллическая структура — слоистая, гексагональная. Внутри каждого слоя атомы углерода образуют плоские шестиугольные кольца, связанные прочными ковалентными (sp²) связями. Межслоевое взаимодействие значительно слабее (ван-дер-ваальсовы силы), что определяет ключевые свойства материала: лёгкое расслаивание, низкий коэффициент трения, электропроводность вдоль слоёв, способность выступать твёрдой смазкой.

Именно слоистое строение обеспечивает антифрикционные характеристики графита: слои легко скользят относительно друг друга, создавая эффект самосмазывания. Четвёртый валентный электрон каждого атома углерода делокализован и свободно перемещается между слоями, обеспечивая электропроводность. По совокупности свойств — термостойкость, химическая инертность, электро- и теплопроводность — графит является одним из наиболее универсальных технических материалов.

Чем гранулированный графит отличается от порошкового

Гранулированная форма отличается от графитового порошка размером частиц и оформленной геометрией. Типичный размер гранул — от 1 до 15 мм (порошок — менее 1 мм). Различие в гранулометрии существенно влияет на поведение материала в металлургическом процессе.

Гранулированная форма обеспечивает равномерное распределение по зеркалу расплава, снижает потери от окисления и позволяет точнее дозировать науглероживатель. Поэтому для сталеплавильного и чугунолитейного производства гранулы, как правило, предпочтительнее порошка.

Свойства синтетического графита в гранулах

Синтетический (искусственный) графит получают высокотемпературной обработкой углеродного сырья (графитация при 2400–3000 °C), в результате которой формируется трёхмерноупорядоченная кристаллическая структура. По сравнению с природным графитом, искусственный отличается более высоким содержанием углерода, меньшей зольностью и лучшей однородностью по составу.

Физические характеристики графита

Ниже приведены общие физические свойства графита, характерные для искусственных разновидностей.

Графит химически инертен по отношению к большинству кислот (кроме сильных окислителей), органических растворителей и расплавов цветных металлов. На воздухе при нагреве свыше 350–400 °C начинает заметно окисляться с образованием CO₂. В вакууме или инертной среде (аргон, азот) сохраняет структуру и свойства вплоть до температур, близких к сублимации.

Химический состав гранулированного графита-науглероживателя

Качество гранулированного графита как науглероживателя определяется прежде всего содержанием углерода и уровнем вредных примесей — серы, золы, влаги. Ниже приведены ориентировочные диапазоны, характерные для промышленных партий.

Содержание серы — один из наиболее критичных параметров. Сера при кристаллизации стали выделяется в виде сульфида железа (FeS), образующего легкоплавкие эвтектики по границам зёрен. Это приводит к горячеломкости — склонности к растрескиванию при горячей деформации. Для производства ответственных марок стали и высокопрочного чугуна следует выбирать науглероживатели с содержанием серы не более 0,05–0,1 %.

Сырьё и получение гранулированного искусственного графита

Основным сырьём для гранулированного графита служат отходы графитового и электродного производства — огарки и бой графитированных электродов, обломки доменных блоков, отходы механической обработки графитовых изделий. Эти материалы уже прошли графитацию при 2400–3000 °C, то есть содержание углерода в них изначально высокое.

Этапы производства

Технологический процесс получения гранулированного графита включает несколько последовательных операций.

Размер гранул подбирается под конкретный тип плавильного оборудования и технологический процесс. Типичные диаметры — от 1 до 10 мм, длина цилиндрических гранул — от 2 до 15 мм. По согласованию с заказчиком возможно изготовление гранул нестандартных фракций.

Почему искусственный графит чище природного

В процессе графитации при 2400–3000 °C происходит структурная перестройка углеродных атомов: мелкокристаллический аморфный углерод превращается в крупнокристаллический графит с трёхмерноупорядоченной решёткой. Одновременно большинство минеральных примесей улетучивается — их содержание в готовом графите значительно ниже, чем в исходном коксе или природном сырье. Именно поэтому искусственный графит обладает более высокой чистотой и предсказуемыми свойствами по сравнению с природным.

Науглероживание стали и чугуна гранулированным графитом

Главная область применения гранулированного графита — чёрная металлургия, где он выступает в роли науглероживателя (карбюризатора). Науглероживание — это введение углерода в расплав для корректировки химического состава металла до требуемых значений.

Зачем нужно науглероживание

Углерод — основной легирующий элемент стали и чугуна, определяющий их механические свойства: прочность, твёрдость, износостойкость. При выплавке металла из шихты (лома, чушек, возврата) фактическое содержание углерода может отличаться от целевого значения. Науглероживатель вводят для восполнения дефицита углерода и достижения заданного марочного состава.

Способы введения науглероживателя в расплав

Графитовые гранулы добавляют в расплав несколькими способами в зависимости от типа плавильного агрегата и стадии процесса. Наиболее распространены: загрузка на зеркало расплава (подача на поверхность жидкого металла), введение в шихту перед плавкой, вдувание в расплав инжекционным оборудованием. Гранулированная форма особенно удобна для загрузки на зеркало, поскольку гранулы не уносятся конвективными потоками и равномерно распределяются по поверхности.

Технологические особенности процесса

При введении графитовых гранул в расплав стали или чугуна углерод растворяется в жидком металле. Скорость усвоения зависит от нескольких факторов: температуры расплава, интенсивности перемешивания (электромагнитного или механического), размера фракции гранулята и степени его чистоты по углероду.

Крупные гранулы растворяются медленнее, но при этом потери от окисления (угар) ниже. Мелкие фракции усваиваются быстрее, но часть мелких частиц может окислиться, не успев раствориться в металле, или быть унесена восходящими газовыми потоками. Оптимальный размер фракции подбирают с учётом объёма расплава, типа печи и требуемой скорости науглероживания.

Вспенивание шлака графитовыми гранулами

Помимо науглероживания расплава, гранулированный графит применяется для вспенивания шлака в электродуговых сталеплавильных печах (ДСП). Графитовые гранулы, попадая в шлак, вступают в реакцию с оксидами железа (FeO), выделяя газообразный монооксид углерода (CO). Образующиеся пузырьки газа вспенивают шлаковый расплав.

Вспененный (пенистый) шлак выполняет несколько важных функций: экранирует электрические дуги, защищая футеровку стен печи от прямого излучения; снижает тепловые потери через свод; уменьшает шум; стабилизирует горение дуги и снижает удельный расход электроэнергии. По оценкам металлургических предприятий, эффективное шлакопенение позволяет сократить расход электроэнергии на 10–20 %.

Другие области применения синтетического графита в гранулах

Помимо чёрной металлургии, гранулированный искусственный графит находит применение в смежных отраслях промышленности.

Углеграфитовые материалы и изделия

Гранулят используется как исходное сырьё и наполнитель при производстве углеграфитовых конструкционных материалов. Из графитовых гранул прессуют заготовки (блоки), которые затем проходят обжиг и механическую обработку. Полученные изделия применяются в химической промышленности (теплообменники, реакторы, насосы для агрессивных сред), в электрометаллургии (электроды, футеровочные элементы) и в машиностроении (втулки, кольца, подшипники скольжения).

Графитопласты и антифрикционные композиции

Графитопласты — это композиционные материалы на основе графита и полимерного связующего. Гранулированный графит выступает наполнителем, обеспечивающим антифрикционные (самосмазывающие) свойства. Такие материалы работают без дополнительной жидкой смазки при повышенных температурах и в агрессивных средах: подшипники скольжения, уплотнительные кольца насосов, направляющие втулки.

Смазочные материалы и покрытия

Измельчённые графитовые гранулы добавляют в пастообразные и жидкие смазочные составы, замазки, антипригарные покрытия для литейных форм. Графитовая смазка устойчива к высоким температурам, не коксуется и сохраняет смазывающие свойства в условиях, где обычные минеральные масла непригодны. Применяется для рессор, резьбовых соединений, направляющих механизмов, работающих в высокотемпературных зонах.

Электротехническое производство

Графитовые гранулы служат сырьём для изготовления электротехнических изделий: угольных щёток электрических машин, контактных элементов токосъёмников, силовых реостатов. Высокая электропроводность и стойкость к электрической эрозии делают графит востребованным в этой области.

Критерии выбора графитового науглероживателя

При подборе гранулированного графита для конкретного металлургического процесса инженеру-технологу и специалисту по закупкам необходимо учитывать совокупность параметров.

Содержание азота — параметр, на который обращают внимание при выплавке сталей с повышенными требованиями к пластичности. Азот вызывает деформационное старение стали и снижение ударной вязкости. Графитовые науглероживатели, прошедшие полноценную графитацию, содержат минимальное количество азота по сравнению с коксовыми или антрацитовыми карбюризаторами.

Сравнение гранулированного графита с другими науглероживателями

На рынке представлено несколько типов углеродсодержащих материалов для науглероживания расплавов. Каждый из них имеет свои особенности.

Графитовый науглероживатель выигрывает у коксовых и антрацитовых аналогов по скорости растворения в расплаве, стабильности химического состава и низкому содержанию азота. Это особенно важно при электросталеплавке, где требования к чистоте металла наиболее жёсткие.

Формы поставки и упаковка графитовых гранул

Гранулированный синтетический графит поставляется в нескольких вариантах упаковки.

Каждая партия сопровождается сертификатом качества с указанием фактического содержания углерода, серы, золы, влаги и гранулометрического состава.

Хранение и транспортировка

Графит необходимо защищать от увлажнения. Повышение содержания влаги снижает эффективность науглероживания, ухудшает сыпучесть гранулята и может вызвать бурное газовыделение (выброс) при контакте с расплавом, что представляет опасность для персонала.

Рекомендуемые условия хранения: сухие крытые складские помещения, защита от атмосферных осадков и грунтовых вод, хранение на поддонах (не на полу). Графит не горюч при нормальных условиях, однако графитовая пыль во взвешенном состоянии может быть взрывоопасной. При работе с сыпучим графитом необходимо исключать источники открытого огня вблизи мест пылеобразования.

Транспортировка осуществляется всеми видами транспорта в герметичной влагозащитной упаковке. При перевозке навалом используют крытые железнодорожные вагоны или автомобильный транспорт с тентовым укрытием.

Техника безопасности при работе с графитовым гранулятом

Графит относится к веществам 4-го класса опасности (малоопасные). Тем не менее при работе с ним необходимо соблюдать требования промышленной безопасности. Графитовая пыль при высоких концентрациях в воздухе рабочей зоны оказывает раздражающее действие на дыхательные пути и слизистые оболочки. Предельно допустимая концентрация графитовой пыли регламентируется гигиеническими нормативами (ГН 2.2.5.3532-18).

При загрузке графита в плавильные печи, пересыпке и дроблении необходимо использовать средства индивидуальной защиты (респираторы, защитные очки) и обеспечивать приточно-вытяжную вентиляцию рабочих зон. При введении графита в расплав следует соблюдать установленный порядок загрузки и не превышать рекомендуемые разовые навески во избежание бурного газовыделения.