Малозольный графит

Графит — одна из аллотропных модификаций углерода, обладающая слоистой гексагональной кристаллической структурой. В природе этот минерал формируется в результате метаморфизма углеродсодержащих пород или кристаллизации из магматических расплавов. Искусственный (синтетический) графит получают высокотемпературной обработкой углеродного сырья — нефтяного кокса и каменноугольного пека — при температурах 2400–3000 °C.

Одной из ключевых характеристик графитовых материалов является зольность — массовая доля минеральных примесей, остающихся после полного сжигания образца. Чем ниже зольность, тем чище материал и тем шире его применение в ответственных технологических процессах. Малозольный графит — это материал с пониженным содержанием минеральных примесей, что обеспечивает его пригодность для металлургии, электротехники, химической промышленности и производства полупроводников.

Физико-химические свойства графита

Графит характеризуется рядом свойств, определяющих его промышленную ценность. Слоистая структура, в которой атомы углерода образуют плоские шестиугольные сетки, обеспечивает выраженную анизотропию физических характеристик — свойства существенно различаются вдоль и поперёк базисных плоскостей.

Термические характеристики графита

При нормальном атмосферном давлении графит не плавится в обычном понимании: при температурах порядка 3600–3900 °C он переходит непосредственно из твёрдого состояния в газообразное (сублимация). Истинное плавление графита возможно только при повышенном давлении (порядка 100 бар и выше). Температура кипения оценивается в ~4200 °C. В инертной среде (аргон, азот) или вакууме графит сохраняет конструкционную стабильность при температурах свыше 2000 °C, что делает его незаменимым в высокотемпературных процессах.

Важная особенность: в окислительной атмосфере (на воздухе) заметное окисление графита начинается уже при 400–500 °C. Для работы при более высоких температурах требуется защитная (инертная) среда или вакуум.

Теплопроводность и электропроводность

Теплопроводность графита варьируется в широком диапазоне — от 100 до 354 Вт/(м·К) — в зависимости от марки, плотности, направления теплового потока относительно базисных плоскостей и температуры. Для сравнения: теплопроводность чистой меди составляет около 394 Вт/(м·К), алюминия — около 236 Вт/(м·К). Таким образом, теплопроводность обычных марок конструкционного графита уступает меди, но в ряде марок приближается к алюминию.

Графит хорошо проводит электрический ток. Электропроводность повышается с ростом температуры — в отличие от большинства металлов. Удельное электрическое сопротивление конструкционных марок составляет 8–13 мкОм·м.

Механические свойства

Графит относительно мягок (твёрдость 1 по шкале Мооса), плотность составляет 1,5–1,9 г/см³ в зависимости от марки и способа формования. Характерная особенность конструкционного графита — рост прочности при повышении температуры: предел прочности на сжатие и изгиб увеличивается вплоть до ~2400 °C (примерно в 2 раза по сравнению с комнатной температурой), после чего начинает снижаться. Это резко отличает графит от большинства конструкционных материалов.

Зольность графита: понятие и значение

Зольность — это массовая доля (в процентах) негорючих минеральных примесей, определяемая по методике, регламентированной ГОСТ 17818.4-90. При полном сжигании образца графита в окислительной среде углерод выгорает, а минеральные компоненты остаются в виде золы.

Типичные примеси в графите: оксиды кремния (SiO₂), алюминия (Al₂O₃), железа (Fe₂O₃), кальция (CaO), магния (MgO), а также следовые количества меди, никеля, кобальта, свинца, серы, мышьяка. Перечень контролируемых примесей и методы их определения установлены серией стандартов ГОСТ 17818.

Для ответственных применений — плавки полупроводниковых и редких металлов, работы с веществами особой чистоты, синтеза алмазов — необходим материал с минимальным содержанием примесей. Именно поэтому малозольные и особо чистые марки графита востребованы в наукоёмких отраслях.

Марки малозольного графита по ГОСТ 17022-81

Основным стандартом, классифицирующим графит по типам, маркам и общим техническим требованиям, является ГОСТ 17022-81. В зависимости от минералогического типа и вида потребления этот стандарт выделяет несколько групп. К малозольным относятся следующие:

Графит специальный малозольный ГСМ-1 и ГСМ-2

Технические условия на графит специальный малозольный регламентирует ГОСТ 18191-78. Марки ГСМ-1 и ГСМ-2 — это кристаллический природный графит, прошедший глубокую химическую очистку. По классификации ГОСТ 17022-81 он относится к кристаллическому типу.

Ключевые характеристики:

• ГСМ-1 — зольность не более 0,1 %, содержание углерода не менее 99,9 %;
• ГСМ-2 — зольность не более 0,5 %, содержание углерода не менее 99,5 %.

Особенность марок ГСМ — отсутствие летучих веществ, в том числе остатков флотореагентов (ксантогенаты, аэрофлоты), что критически важно для процессов синтеза алмазов и производства изделий специального назначения — экранов, труб, плит, деталей ядерных реакторов.

Конструкционный малозольный графит марок ГМЗ

Графит марок ГМЗ (ГМЗ, ГМЗ-0, ГМЗ-А) относится к искусственному конструкционному графиту. ГМЗ и ГМЗ-0 — среднезернистые (размер зерна 2–4 мм), ГМЗ-А — крупнозернистый.

Характерные свойства конструкционного графита ГМЗ:

• плотность — около 1,55–1,70 г/см³;
• прочность на сжатие — до 35 МПа;
• зольность — не более 0,3–0,5 % (для особо чистых модификаций — значительно ниже);
• удельное электросопротивление — 8–11 мкОм·м;
• рабочая температура — до 2000 °C в вакуумных и инертных печах, до 2300 °C в нейтральных средах.

Из графита ГМЗ изготавливают тигли, нагреватели (как замена вольфрамовых и молибденовых), трубы, экраны, подставки для экранов, защитные блоки и чехлы для термопар, плитки для футеровки химической аппаратуры, чугунных и шлаковых желобов.

Мелкозернистый малозольный графит марок МГ и АРВ

Марки МГ (МГ-0, МГ-1, МГ-2) и АРВ (АРВ-1, АРВ-2, АРВ-У) отличаются мелкозернистой структурой и пониженной зольностью. Они применяются в процессах, чувствительных к загрязнению: при выращивании кристаллов, плавке полупроводниковых и редких металлов, изготовлении фасонных изделий сложной геометрии.

Мелкозернистая структура обеспечивает более высокую однородность свойств, лучшую обрабатываемость и более гладкую поверхность изделий по сравнению с крупнозернистыми марками.

Электродный графит ГЭ

Марки ГЭ (ГЭ-1, ГЭ-2, ГЭ-3, ГЭ-4) — это элементный электродный графит, предназначенный для производства электродов, фасонных изделий и тиглей. По ГОСТ 17022-81 этот графит относится к кристаллическому типу и используется в химических источниках тока и электрохимических процессах.

Графит особой чистоты (ОСЧ)

Для наиболее ответственных применений выпускаются модификации графита особой чистоты (ОСЧ). Марки ГМЗ-ОСЧ, ППГ-ОСЧ, ЗОПГ-ОСЧ подразделяются на классы чистоты ОСЧ-7-2 и ОСЧ-7-3, где суммарное содержание примесей не превышает 5·10⁻³ % и 6,2·10⁻⁴ % соответственно. Такой графит применяется в качестве технологической оснастки при получении полупроводниковых материалов и веществ, не вступающих в химическое взаимодействие с углеродом.

Области применения малозольного графита в промышленности

Металлургия и литейное производство

Малозольный графит широко используется для изготовления плавильных тиглей, предназначенных для работы с цветными и драгоценными металлами, сталью, чугуном. Низкое содержание примесей исключает загрязнение расплава. Графитовые тигли стойки к термоудару и химическому воздействию расплавленных металлов.

Также из малозольного графита производят футеровочные элементы — плитки и блоки для чугунных и шлаковых желобов, ложки и стопора для разливки металлов.

Электротехника и электрометаллургия

Графитовые электроды — одно из основных направлений потребления. В электродуговых печах графит для электродов обеспечивает стабильную дугу при высоких токах. Малозольные марки предпочтительны там, где примеси в электродном материале могут загрязнить выплавляемый металл.

Графитовые нагреватели из марок ГМЗ и ЗОПГ используются в вакуумных и инертных электропечах при температурах до 2000 °C, заменяя более дорогие вольфрамовые и молибденовые элементы.

Химическая промышленность

Химическая стойкость графита к кислотам, щелочам и солевым растворам позволяет применять его в футеровке химических реакторов, теплообменников, насосного оборудования. Из малозольного графита изготавливают уплотнительные кольца, фитинги, прокладки для работы в агрессивных средах.

Полупроводниковая промышленность и производство особо чистых веществ

Графит особой чистоты (ОСЧ) служит технологической оснасткой при выращивании монокристаллов кремния и полупроводниковых соединений. Тигли, подставки, экраны и нагреватели из особо чистого графита обеспечивают отсутствие загрязнения расплава посторонними элементами.

Синтез алмазов

Графит марок ГСМ-1 и ГСМ-2 используется в качестве углеродного сырья при промышленном синтезе искусственных алмазов. Минимальная зольность и отсутствие летучих веществ — обязательные условия для получения качественных алмазных кристаллов.

Антифрикционные и уплотнительные изделия

Из малозольного графита изготавливают подшипники скольжения, уплотнительные кольца и торцевые уплотнения для работы без смазки или в условиях высоких температур. Слоистая структура графита обеспечивает низкий коэффициент трения.

Формы поставки малозольного графита

Малозольный графит поставляется в различных формах в зависимости от области применения:

• порошок (различных фракций) — для литейных смесей, смазок, производства изделий методом прессования;
• цилиндрические заготовки (диаметром до 450 мм, длиной до 1800 мм) — для последующей механической обработки;
• блоки (типичный размер до 400×400×1800 мм) — для футеровки, нагревателей, крупных деталей;
• готовые изделия — тигли, электроды, трубы, кольца, фасонные детали по чертежам заказчика.

Графит марок ГСМ-1 и ГСМ-2 поставляется в порошкообразном виде, упакованным в полиэтиленовые мешки массой не более 30 кг.

Нормативная документация на малозольный графит

Основные стандарты, регламентирующие качество малозольного графита:

• ГОСТ 17022-81 — «Графит. Типы, марки и общие технические требования» — базовый стандарт, определяющий классификацию графита по минералогическому типу и виду потребления;
• ГОСТ 18191-78 — «Графит специальный малозольный. Технические условия» — стандарт на марки ГСМ-1 и ГСМ-2;
• серия ГОСТ 17818 — методы испытаний графита (определение зольности, влаги, гранулометрического состава, содержания железа, меди, серы, никеля, кобальта, свинца и других примесей).

Методы отбора и подготовки проб для испытаний регламентирует ГОСТ 17817-78.

Хранение и транспортирование

Графит хранят в закрытых складских помещениях в заводской упаковке. Материал не токсичен, не горюч при обычных условиях, не требует особых условий хранения. При транспортировке допускаются все виды крытого транспорта в соответствии с действующими правилами перевозки грузов.

Критерии выбора марки графита для конкретных задач

При выборе марки малозольного графита для производственных нужд инженеру-технологу следует учитывать ряд параметров:

• требуемую чистоту материала (допустимая зольность и содержание конкретных примесей);
• рабочую температуру и характер среды (вакуум, инертный газ, окислительная атмосфера);
• механические нагрузки (прочность на сжатие, изгиб);
• размер зерна (влияет на обрабатываемость, качество поверхности, однородность свойств);
• анизотропию свойств (зависит от способа формования заготовки);
• совместимость с расплавами и реагентами (графит не взаимодействует со многими металлами, но реагирует с рядом карбидообразующих элементов при высоких температурах).

Для уточнения характеристик, подбора марки под конкретную технологическую задачу и согласования условий поставки свяжитесь с нашими специалистами.