我國(guó)冷等靜壓各向同性石墨的發(fā)展與性能

我國(guó)冷等靜壓各向同性石墨的發(fā)展與性能(2010/09/2614:10)用冷等靜壓機(jī)來制造各向同性石墨在國(guó)內(nèi)已有30來年的歷史,發(fā)展到今天,無論是生產(chǎn)規(guī)模,還是產(chǎn)品的工藝、質(zhì)量和應(yīng)用,都已達(dá)到了較高的水平。目前,冷等靜壓各向同性石墨的應(yīng)用范圍已滲透到當(dāng)代高新技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域中,如原子能反應(yīng)堆、火箭噴咀、連續(xù)鑄鋼、電火花、加工、半導(dǎo)體用器具等制造業(yè)中。本文就國(guó)內(nèi)冷等靜壓各向同性石墨的發(fā)展、生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品性能作以綜述。

1主要生產(chǎn)企業(yè)概況

1.1吉林炭素集團(tuán)有限責(zé)任公司

該公司前身是吉林炭素廠,是我國(guó)“第一個(gè)五年計(jì)劃”期間156項(xiàng)重點(diǎn)工程之一,也是我國(guó)興建的一個(gè)炭素生產(chǎn)基地。1955年建成投產(chǎn),結(jié)束了我國(guó)炭素產(chǎn)品依賴進(jìn)口的歷史,經(jīng)過40多年的經(jīng)營(yíng)擴(kuò)展和幾次重大技術(shù)改造,成為我國(guó)最大的綜合性炭素生產(chǎn)企業(yè)。采用冷等靜壓技術(shù)來開發(fā)尖端新型石墨,該公司是國(guó)內(nèi)炭石墨行業(yè)中最早的企業(yè)。遠(yuǎn)在70年代初,就購(gòu)置了工作缸Φ100mm×600mm的小型冷等靜壓機(jī),為原子能工業(yè)用石墨進(jìn)行了工藝研究。通過多年大量實(shí)驗(yàn),特別是選擇與確定最佳成型工藝,取得了豐富的經(jīng)驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上,于1975年增購(gòu)了一臺(tái)中型冷等靜壓機(jī)(工作缸Φ500mm×2200mm)。該機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要性能如下:框架為疊板式,由厚度為40mm的15MnV鋼板13層疊合而成。上缸體為雙層套筒,配合為過盈熱裝,材質(zhì)為33CrNiMn經(jīng)鍛制加工而成。高壓、超高壓系統(tǒng)是由高壓泵和超高壓泵(600MPa)及操縱截止閥、壓力表、管路等零部件構(gòu)成。另外還附有電烘箱、真空泵、濾油機(jī)等。壓機(jī)設(shè)計(jì)壓力、試驗(yàn)壓力、最高使用壓力分別為300,250,200MPa;缸體為Φ500mm×2280mm,框架主體總高度為5596mm,主缸體與整機(jī)質(zhì)量為12t與52t。80年代初,該公司高、精、尖產(chǎn)品TSJ-9型石墨的研制成功就取決于采用中型冷等靜壓機(jī)的效果。該石墨先是采用擠壓法,后再經(jīng)等靜壓的雙次成型工藝,這不僅保持了原來的結(jié)構(gòu)形態(tài),使制品體積密度從1.70g/cm3提高到1.80g/cm3,而且焙燒成品率提高到90%以上。采用冷等靜壓工藝所得的各向同性石墨經(jīng)用戶試驗(yàn),完全達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。80年代中期,水平連鑄是煉鋼工業(yè)的新技術(shù),它所用的連鑄機(jī)關(guān)鍵部件之一就是石墨結(jié)晶器,簡(jiǎn)稱連鑄石墨。這種產(chǎn)品美、法、德、日等國(guó)都采用冷等靜壓技術(shù)制造,對(duì)它的質(zhì)量要求很高,必須具有很高的密度與強(qiáng)度,較好的導(dǎo)熱性與抗熱震性能,結(jié)構(gòu)均一,使用壽命長(zhǎng),當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)無法滿足,全部依靠進(jìn)口。1986年9月該公司開始承擔(dān)水平連鑄專用石墨的攻關(guān),經(jīng)過4年的努力,采用冷等靜壓與高壓浸漬等工藝,研制出高密度、高強(qiáng)度、較好導(dǎo)熱系數(shù)的連鑄石墨。應(yīng)用效果達(dá)到了具有世界先進(jìn)水平的德國(guó)EK432型連鑄石墨的水平,1991年3月28日該成果通過了部級(jí)鑒定[1]。此外,該公司還拓寬了冷等靜壓工藝的應(yīng)用,開發(fā)了軍用石墨喉襯、人造骨用石墨基體、冶煉冶金用石墨坩堝等,并且都取得了令人滿意的效果。

1.2上海碳素廠

上海碳素廠(于2000年8月1日被吉林炭素集團(tuán)兼并)重視并采用冷等靜壓機(jī)來研制各向同性石墨是在70年代末,當(dāng)時(shí),國(guó)家科委為開發(fā)大規(guī)模集成電路,急需大硅單晶的單晶爐配套用石墨發(fā)熱元件。該廠為完成此任務(wù),于1978年在中科院上海硅酸鹽研究所冷等靜壓機(jī)上初探了成型工藝,研制出細(xì)結(jié)構(gòu)、高純、致密的各向同性石墨。1979年后又利用上海鋼鐵研究所的冷等靜壓機(jī)進(jìn)行較大規(guī)格的各向同性石墨的成型研究。數(shù)年的科學(xué)實(shí)驗(yàn),全面掌握了冷等靜壓成型等工藝,研制出Φ340mm×500mm大單晶爐配套用石墨發(fā)熱元件,經(jīng)19家廠、院使用,質(zhì)量?jī)?yōu)異,可與美、日同類產(chǎn)品相媲美。1983年國(guó)家科委、上?？莆馁Y160萬元,委托上海市重型機(jī)器廠設(shè)計(jì)與制造當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)炭石墨行業(yè)中最大的冷等靜壓機(jī),1985年5月該機(jī)在上海碳素廠安裝、試車成功。該機(jī)工作缸內(nèi)徑為800mm,高為2000mm,從此該廠可以大批量生產(chǎn)大規(guī)格、高純、致密的各向同性石墨,除滿足國(guó)內(nèi)配套需要外,還有少量出口[2。該廠針對(duì)電火花用石墨模壓規(guī)格較小,對(duì)大型模具需要粘接的不足,又開發(fā)出特大規(guī)格電火花用各向同性石墨,使電火花加工不僅無需粘結(jié),而且不用再考慮石墨材料的方向,均可使成模達(dá)到理想要求,從而促進(jìn)了我國(guó)電加工成模技的進(jìn)步。10多年來,該廠冷等靜壓各向同性石墨的科研與生產(chǎn)也取得了新的進(jìn)步。產(chǎn)品已形成了系列,已有SIFC-320、SIFB-550等7種型號(hào)的各向同性石墨供用戶選擇,產(chǎn)品的性能達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平,應(yīng)用領(lǐng)域也有拓展,已從單晶爐用加熱器、隔熱屏、電火花加工,發(fā)展到連續(xù)鑄造用結(jié)晶器、反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料等。

1.3東新電碳股份有限公司

東新電碳服份有限公司是電炭行業(yè)中最早從事冷等靜壓技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的企業(yè)。70年代末,該公司縱觀國(guó)內(nèi)冷等靜壓技術(shù)在炭素硬質(zhì)合金方面的發(fā)展,為使企業(yè)上臺(tái)階,發(fā)展新產(chǎn)品,推動(dòng)電炭行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,購(gòu)置了一臺(tái)上海大隆機(jī)器廠制造的TY2-3型冷等靜壓機(jī)。該機(jī)工作缸內(nèi)徑為200mm,高為1000mm,壓力為360MPa,工作介質(zhì)為1∶1的混合煤油和變壓器油,外形尺寸為Φ800mm×2095mm,質(zhì)量1592kg。用該機(jī)對(duì)冷等靜壓成型工藝進(jìn)行了大量試驗(yàn),取得了較為滿意的結(jié)果。該公司于80年代中期,委托德陽第二重型機(jī)器廠,按電炭工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)與制造了一臺(tái)大型冷等靜壓機(jī),該機(jī)工作缸內(nèi)徑為800mm,高1600mm,最大工作壓力為250MPa,總高度5.3m,總重87t,作缸體是采用34CrNi3Mo高強(qiáng)度合金鋼制作芯筒,外表面用截面為4mm×1mm、材料為65Mn高強(qiáng)度扁鋼絲。上下端蓋是浮動(dòng)式的,框架是由2根立柱和上下半圓梁拼合后,用圓柱銷定位的。整個(gè)壓機(jī)的操作分手動(dòng)及分段聯(lián)動(dòng),另外可采用多種壓制工藝和三種泄壓速度。該壓機(jī)為公司成功地研制了較大規(guī)格的高質(zhì)量電火花用石墨、連鑄石墨、機(jī)械用炭,冶金、化工用石墨等產(chǎn)品。該公司在利用冷等靜壓技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品的同時(shí),為避免冷等靜壓機(jī)液體的污染,對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),取得了較好的效果,并因此獲得了專利[3]。改進(jìn)的實(shí)質(zhì)就是在壓機(jī)主缸內(nèi)腔底部,安設(shè)了由鋼環(huán)、鋼盤和彈性膠袋組成的隔離裝置,使高壓液體僅能充入到膠袋內(nèi),將壓力再傳遞到上部液體(已被隔離),實(shí)施壓型。泄壓后,只有充入膠袋內(nèi)不受污染的液體回到液壓系統(tǒng),保護(hù)了液壓系統(tǒng)免遭污染。1.4成都化工炭素總廠

成都化工炭素總廠自1991年轉(zhuǎn)為全過程生產(chǎn)炭素制品,炭素制品(主要是電極)的年產(chǎn)量超過萬噸,成為西南地區(qū)最大的炭素制品生產(chǎn)基地。90年代中期,該廠為增強(qiáng)新產(chǎn)品的開發(fā)實(shí)力,從四川雅安川西機(jī)器廠購(gòu)置了一臺(tái)缸徑為Φ830mm、高為1500mm的大型冷等靜壓機(jī),并于1995年安裝、調(diào)試、投入生產(chǎn)。所生產(chǎn)出的各向同性石墨產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)異,而且焙燒的成品率高,領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。

1.5哈爾濱電碳研究所

哈爾濱電碳研究所于80年代中期開始從事冷等靜壓技術(shù)應(yīng)用的探索。冷等靜壓機(jī)是由北京703所轉(zhuǎn)讓,該機(jī)工作缸內(nèi)徑為Φ400mm、高為1500mm。該所通過大量的工藝試驗(yàn),也獲得了成功,如新產(chǎn)品電火花加工用T401各向同性石墨就是采用冷等靜壓技術(shù)制成的。該石墨與國(guó)內(nèi)兄弟廠電火花石墨電極相比,其電極損耗低,加工速度、加工精度等工藝指標(biāo)都較高,而且加工穩(wěn)定性較好。因此該產(chǎn)品已于1987年9月通過了專家鑒定。

1.6蘭州炭素有限公司

蘭州炭素有限公司于1987年初開始進(jìn)行冷等靜壓與普通冷模壓的對(duì)比研究,模壓是在200t油壓機(jī)上進(jìn)行,而冷等靜壓是借用北京鋼鐵研究總院工作缸內(nèi)徑為Φ500mm、高為1460mm、工作壓力為300MPa的6000t冷等靜壓機(jī)上進(jìn)行。對(duì)比研究結(jié)果,冷等靜壓成型制品密度高達(dá)1.95g/cm3,而模壓制品密度為1.87g/cm3,異向度也低于模壓制品,從而確認(rèn)了冷等靜壓技術(shù)的優(yōu)異性,不久后,該廠購(gòu)置了四川省雅安川西機(jī)器廠生產(chǎn)的LDZ-300MPa型的冷等靜壓機(jī),該機(jī)重為6000t,工作壓力為300MPa,工作缸內(nèi)徑為Φ500mm、高為1500mm,使用的壓油為30#機(jī)油。

1.7河南省特種熱工爐材有限公司

河南省特種熱工爐材有限公司是近幾年快速發(fā)展的碳素行業(yè)新秀，于河南省鞏義市工業(yè)示范區(qū)朝陽東路，占地面積30000㎡，建筑面積15800㎡，綠化面積8000㎡，是一座集科研、生產(chǎn)、銷售、加工、服務(wù)為一體的花園式高科技企業(yè)。公司擁有一流的冷等靜壓成型設(shè)備、雙面壓壓機(jī)、高檔焙燒爐、浸漬爐、大型石墨化爐等生產(chǎn)工序配套設(shè)備，擁有國(guó)內(nèi)最大的等靜壓ICP1250，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)大規(guī)格冷等靜壓石墨的空白，目前已能大批生產(chǎn)直徑Φ650mm的大規(guī)格等靜壓石墨。該公司產(chǎn)品最大的優(yōu)勢(shì)就在于生產(chǎn)的等靜壓石墨長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到2200mm，在國(guó)內(nèi)的等靜壓石墨生產(chǎn)中獨(dú)此一家！

1.8其他

中國(guó)航空總公司四院四十三所為開展炭石墨制品在高、精、尖領(lǐng)域中的應(yīng)用研究,也配置有2臺(tái)冷等靜壓機(jī),一臺(tái)缸體內(nèi)徑為Φ400mm,高為Φ800mm,另一臺(tái)內(nèi)徑為Φ180mm,高為600mm。它們都是上海大隆機(jī)器廠設(shè)計(jì)與制造的。天津耐火材料廠也采用冷等靜壓技術(shù)開發(fā)了“長(zhǎng)壽牌”石墨坩堝。上?；た倧S機(jī)修分廠也有冷等靜壓機(jī)用于研制炭石墨機(jī)械密封材料等。

2冷等靜壓各向同性石墨的性能

冷等靜壓各向同性石墨的性能將按制造工藝(如粒度,壓力、焙燒后的浸漬等)的不同與產(chǎn)品用途的要求而變動(dòng),對(duì)它的考核較為一致的是體積密度與抗壓強(qiáng)度。其他如肖氏硬度、抗折強(qiáng)度、電阻率、氣孔率、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱等性能由生產(chǎn)企業(yè)與用戶協(xié)商而定。目前國(guó)內(nèi)的冷等靜壓各向同性石墨的體積密度都能達(dá)到高密要求,即在1.80g/cm3以上。吉林炭素集團(tuán)公司研制開發(fā)的連鑄用各向同性石墨其密度的平均值達(dá)1.85g/cm3,見表1。其他各生產(chǎn)廠都能生產(chǎn)出體積密度高于1.80g/cm3的各向同性石墨。而抗壓強(qiáng)度一般波動(dòng)在60～80MPa,哈爾濱電碳研究所開發(fā)的T401型各向同性石墨抗壓強(qiáng)度已達(dá)110MPa。河南熱工集團(tuán)生產(chǎn)的細(xì)結(jié)構(gòu)冷等靜壓石墨體密能達(dá)到1.81g/cm3以上。

綜上所述,我國(guó)冷等靜壓各向同性石墨的發(fā)展是迅速的,到目前為止,我國(guó)無論是炭素行業(yè),還是電炭行業(yè)的骨干企業(yè)都已擁有大型冷等靜壓機(jī),都有冷等靜壓各向同性石墨的品種,它的生產(chǎn)工藝比較成熟,產(chǎn)品的應(yīng)用也愈來愈廣,這不僅滿足了國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,也為企業(yè)自身的實(shí)力增強(qiáng)與獲得較多的科技成果、更高的經(jīng)濟(jì)效益奠定了基礎(chǔ)。隨著我國(guó)科技事業(yè)的發(fā)展,深信冷等靜壓各向同性石墨的發(fā)展前景會(huì)更美好。肖氏硬度：簡(jiǎn)稱HS。表示材料硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)。由英國(guó)人肖爾(AlbertF.Shore)首先提出。肖氏硬