Смешивание компонентов, прессование. 
Получение зеленых заготовок

Важнейший показатель процесса прессования — пластичность. Пластичность — способность массы изменять свою форму под влиянием внешних сил (без образования трещин и разрывов) и сохранять свою форму после снятия нагрузки. Это свойство устанавливается субъективно на основе различных факторов, т. к. пластичность зависит от внешнего и внутреннего трения, упругости материала, адгезионных свойств, температуры и т. д. Пластичность может быть изменена и путем дополнительной обработки массы на бегунах и вальцах. При прессовании совмещаются две операции: формование, т. е. получение изделий определенной формы и размеров, и собственно прессования — уплотнение массы. Метод формования определяет анизотропию структуры, которая оказывает существенное влияние на формирование структуры и свойств технологических процессов спекания и графитации. При повышении давления в прессуемой массе уменьшается расстояние между частицами, образуется и увеличивается напряженная контактная поверхность между частицами и их конгломератами. Прочный блок образуется за счет капиллярных сил сцепления, сил сцепления адсорбционных пленок, а также сил молекулярного притяжения. Общим для всех методов прессования является то, что в определенных условиях под действием внешнего усилия материал подвергается пластической деформации, когда он течет подобно жидкости. Пластичность обусловлена внутренним трением связующего, его свойствами, трением зерен углеродистого материала и т. д. Поэтому качество получаемых формовок зависит от количества связующего, температуры и давления прессования, гранулометрического состава, формы зерен и других факторов. Стадии прессования. К ним относятся: уплотнение, дальнейшее уплотнение с локальной деформацией и разрушением частичек, уплотнение глобально разрушенных частичек, закупоривание воздуха. Максимальная плотность прессования определяется внешним и внутренним трением, упругим последействием после освобождения от давления, 56 способностью к разрушению частичек при прессовании и образовании при этом новых контактных поверхностей. Упругое последействие — необратимые изменения контактной поверхности, выражаемые в увеличении размеров формовок по высоте. Оно связано с освобождением сил упругости в прессуемой массе (за время более двух суток). Оно же является причиной растрескивания и расслаивания изделия. Упругое последействие растет с повышением давления прессования, температуры размягчения связующего, дисперсности порошка, скорости прессования. Избежать образования трещин можно при высокой степени однородности прессовки. При производстве углеграфитовых материалов используют два основных метода — прессование в пресс-форму и выдавливанием через мундштук (прошивное прессование). Наиболее распространен второй метод. Кроме того, применяют и метод уплотнения с использованием вибропрессования. Прессование в пресс-форму проводят холодным и горячим способами, а прессование через мундштук — только горячим способом. Холодное прессование используется для однородных тонкодисперсных порошков. Для так называемого «холодного» формования прессованием (при температуре 20—30 °С) готовят специально пресс-порошки — измельченную провальцованную и охлажденную массу. Это значит, что остуженная масса после смешивания вновь измельчается до размеров менее 200 мкм с целью равномерности заполнения всего объема прессформы и достижения однородности изделий. Гранулометрический состав в этом случае имеет определяющее значение. Холодному прессованию подвергают пресс-порошки — массы, охлаждаемые после вальцевания, а часто и после обработки на бегунах. В этом случае давление прессования составляет 120−250 МПа. Холодное прессование дает продукцию с пористостью до 20% и открытыми порами, что приводит к значительной газои водопроницаемости. Горячее прессование имеет ограниченное распространение и используется тогда, когда форма и размеры фасовок соответствуют форме и размерам товарной продукции (аноды для электролиза алюминия, блоки электролизеров и электропечей). Горячее прессование ведут при температуре 70−80 °С, если в качестве связующего используется каменноугольный пек с температурой размягчения около 70 °C. Если же температура размягчения пека выше, повышают и температуру массы. Массу загружают в предварительно разогретые пресс-формы. Прессование в пресс-форму. Данный способ используется для получения конструкционных материалов, щеток для электрических машин и пр., для которых необходима высокая плотность, тонкая однородная структура, полное отсутствие дефектов. К недостаткам способа следует отнести неравномерное распределение давления в прессуемой массе за счет потерь давления на трение о стенки пресс-формы и между частицами самой массы. Вследствие этого появляется разноплотность, которая возрастает с увеличением высоты и уменьшается с увеличением сечения пресс-формы (градиент давления). В связи с этим соотношение высоты блока к диаметру выдерживают не более единицы. При больших соотношениях применяют двухстороннее прессование, вибрацию. По этой причине таким способом нельзя получать формовки сложной формы. На плотность и равномерность формовок оказывает влияние скорость прессования. Снижение скорости прессования (особенно тонкозернистых масс) способствует выравниванию плотности в формовках. Такой же эффект достигается при выдержке формовки при максимальном давлении. Величина давления подбирается опытным путем для каждого изделия. При этом учитывают усадку изделия при обжиге. Чем больше плотность, тем меньше усадка. Прессование осуществляется на гидравлических прессах под давлением 50−70 МПа с выдержкой при максимальном давлении в течение 30−60 с. После снятия давления формовки извлекают из пресс-форм и осторожно транспортируют на склад в специальных вагонетках, т. к. теплые формовки легко подвергаются деформации. Прессование выдавливанием (прошивное прессование) — наиболее распространенный и экономичный способ прессования. Этот процесс осуществляется в открытом с одной стороны цилиндре, заканчивающемся мундштуком, через который под давлением выдавливается прессуемая масса. Форма и размеры мундштука определяются сечением получаемых изделий. Данный метод позволяет получать изделия диаметром от 1−2 до 1200−1500 мм с различной длиной. Длина изделий ограничивается лишь условиями проведения последующих переделов: обжига и графитации. В контейнер загружается масса, которая под действием внешнего давления вначале подпрессовывается — уплотняется при закрытом отверстии мундштука. Подпрессовка не производится лишь при загрузке в контейнер предварительно утрамбованной массы или когда масса трамбуется непосредственно в контейнере. Затем масса выдавливается из контейнера через мундштук. При этом масса дополнительно уплотняется. Таким образом, процесс прессования состоит из двух операций: подпрессовки и собственно прессования (выдавливания). Если в контейнерах масса движется параллельными слоями, то в зоне мундштука происходит значительная ее передвижка, т. к. внешние слои массы проходят больший путь, чем внутренние слои. Эта передвижка тем больше, чем выше коэффициент обжатия, определяемый как отношение площадей сечения контейнера и мундштука. При выдавливании массы и передвижении ее из контейнера в полость мундштука анизотропические углеродистые частицы по наибольшему размеру располагаются параллельно оси мундштука. В отличие от изделий, полученных при прессовании в пресс-форму, изделия, спрессованные методом выдавливания, обладают незначительной разноплотностью. При увеличении коэффициента обжатия разноплотность изделий возрастает. Этим способом можно прессовать лишь горячие массы. Температура массы должна обеспечивать оптимальную ее пластичность, т. е. давать возможность сильно уплотнять массу при прессовании и получать достаточно прочные спрессованные изделия. Температура массы, поступающей на прессование, зависит от размеров получаемых изделий и температуры размягчения пека — связующего. При температуре размягчения пека около 75 °C для изделий средних размеров температура массы, подаваемой в контейнер пресса, должна быть 87−97 °С. При более высокой температуре из массы начинают выделяться газы, которые усложняют прессование и ухудшают качество изделий. Температура массы повышается, если используются пеки с повышенными температурами размягчения, а также при производстве мелких изделий. Давление прессования определяется качеством массы и температурным режимом (для изделий среднего размера 90−100 °С). Подпрессовка производится при закрытом мундштуке, составляющем не менее 75% от давления создаваемого прессом, и позволяет максимально уплотнить массу, т. е. давление прессования меньше, чем давление подпрессовки. В зависимости от диаметра изделий давление составляет 7,5−20 МПа. Скорость выдавливания максимальна для мелких изделий. Например, для изделий диаметром 6 мм скорость составляет до 1 м/с, для крупных изделий — 2−3 м/мин. Разнообразные конструкции прессов отличаются друг от друга вспомогательными устройствами, оснасткой и системой управления. В электродной и электроугольной промышленности используются в основном гидравлические прессы: вертикальный пресс с подвижным сто-59 лом для мелких изделий, вертикальный пресс с закрепленной прессформой, прессы с вращающимся столом. Прошивные прессы для прессования выдавливанием по конструкции аналогичны прессам для прессования в пресс-форму. Основное отличие заключается в том, что в одной из траверс вместо пресс-формы устанавливается контейнер с мундштуком.

Перед формованием смесь, составленную из различных твердых компонентов и связующего, смешивают с целью приготовления однородной электродной массы. Прежде чем переходить к этапу смешивания, рассмотрим принципы составления рецептур: выбор сырья, подбор гранулометрического состава, выбор связующего. Выбор сырья. Наиболее жесткие требования к материалам предъявляются при производстве графитированных электродов. Применяются малозольные и плотные (низкопористые) углеродистые материалы — нефтяной и пековый кокс. Для получения сырья с высокой плотностью и стабильными свойствами из исходного материала готовят блоки (дробление смешение обжиг), затем эти блоки дробят и получают зерновой материал, который идет на производство графитированных электродов. В производстве угольных изделий (электроды для печей и др.) используются антрациты, обеспечивающие термостойкость, теплопровоность и механическую прочность изделий. Содержание антрацита в смеси составляет около 50%. Вторым компонентом смеси является тон-49 ко измельченный кокс. Для улучшения формуемости массы в смесь добавляют небольшое количество (до 2%) графита. Гранулометрический состав. В основе выбора гранулометрического состава лежит принцип максимальной плотности смеси. Оптимальный гранулометрический состав подбирается эмпирически, с помощью аппарата, позволяющего быстро определять насыпные массы для различных комбинаций сыпучих материалов дисперсностью от 25 мм до 0,1 мкм. Часто используют прерывистый гранулометрический состав — мелкие: крупным = 1: 10, средние фракции отсутствуют. Размер частиц используемого УМ зависит от его свойств и природы, например: антрацита — около 1 мм, графита — меньше 100 мкм. Чем крупнее зерна исходного сырья, тем больше необходимое количество связующего (до 18−25%). Выбор связующего. Общим требованием при выборе связующего является максимальное содержание свободного углерода (20−28%), т. к. это приводит к увеличению выхода кокса. Связующее должно пластифицировать формуемую массу. Для этого оно должно обладать высокими смачивающими свойствами и способностью глубоко внедряться в толщу коксовых зерен. Из опыта установлено: чем крупнее по размерам изделие, тем выше требуется температура размягчения связующего. Для регулирования температуры размягчения используют растворители. Для всех видов электроугольных изделий общим требованием является низкая зольность. При производстве металлографитных щеток в смесь добавляют металл: медь, свинец, олово, серебро. Металлы добавляют в виде тонко измельченных порошков. Основная функция металла — проводник тока. Электропроводность меди в 500 раз выше, чем у графита. Смешивание. Основная цель процесса — равномерное распределение компонентов в массе шихты. Вначале смешивают твердые сыпучие компоненты путем многократного пересыпания порошкообразных материалов в смесителях без добавления связующего, т. к. добавление связующее снижает подвижность частиц в смеси. Затем продолжается перемешивание со связующим. При этом массы должны быть нагреты выше температуры плавления связующего на 50−70 °С для увеличения подвижности и снижения вязкости. В этих условиях связующее обладает наилучшими смачивающими свойствами. При более высоких температурах усиливается окисление соединений, входящих в состав каменноугольного пека, и соответственно снижается пластичность массы. Смачивание поверхности зерен происходит за счет адгезии связующего, а также адсорбции его на поверхности зерен. Наибольшей сорбционной способностью обладают тяжелые высокомолекулярные соединения связующего материала. Количество сорбированного связующего зависит от удельной поверхности сыпучего материала. Так, шихта, составленная из пористого нефтяного кокса, сорбирует до 15% каменноугольного пека, введенного в шихту. Смачиваемость оказывает влияние на пластифицирующие способности связующего, а также способствует образованию коксовой связки твердых зерен при обжиге. Густые и вязкие массы смешивают двумя способами: делением; вминанием (без разрыва). Оценка качества смешивания — довольно сложная задача. Часто пользуются методом отбора проб с последующим анализом какой-либо наиболее важной характеристики (химический анализ, пластичность, плотность, цвет, электрические свойства и т. д.). В данном случае химический анализ малоэффективен и не дает информации, т. к. частицы перемешиваемых материалов имеют примерно одинаковый химический состав (сажа, графит, кокс). Поэтому для оценки качества смешивания за основу берут технологические характеристики, определяющие дальнейшие стадии переработки (например, прессование, формование и т. д.) или их эксплуатационные показатели (прочность, электропроводность, пористость и т. д.). Качество смешивания определяется во многом конструкцией смесителя. Все смесители по механизму перемешивания делят на три группы: механизмы, передающие частицы из одного объема массы в другой, — конвекционное смешение (мешалки с вращающимися лопастями и спиралями); механизмы, распределяющие частицы на вновь развитых поверхностях, — диффузионное смешение (барабаны с эксцентриком); механизмы, осаживающие определенные поверхности внутри смешиваемого объема, — срезающее смешение (архимедова спираль для передачи материала в центр бункера при одновременном опускании его по краям). В электродной и электроугольной промышленности основным смесительным агрегатом является двухлопастная смесительная машина с Z-образными лопастями (хотя иногда лучшие результаты дает смешивание в барабане с эксцентриком). Время, затраченное на процесс смешиванияния, неодинаково для различных композиций: набивная масса для алюминиевой промышленности — 45−50 мин. массы для щеток — 3−4 часа.51 Общие правила: 1) чем тоньше порошок, тем больше время смешивания; 2) время смешивания возрастает с увеличением температуры плавления связующего.

Твердые углеродные наполнители, как природные (графит, антрацит), так и искусственные (кокс, сажа) смешиваются со связующим (пеки, искусственные смолы). Эта смесь прессуется и получаются «зеленые» заготовки. углеродный прессование графитация обжиг Затем «зеленые» заготовки подвергаются обжигу (термической обработке без доступа воздуха). При этом связующее превращается в кокс, связывая углеродный наполнитель в единое. Таким образом, создается единое углеродистое тело, обладающее в свою очередь определенными свойствами. В процессе обжига спрессованные заготовки постепенно нагревают до 800 — 1100 °C, а затем постепенно охлаждают. В России в основном пользуются многокамерными сводовыми печами.