Влияние температурного поля печи на показатели термически расширенного графита Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Серiя: Технiчнi науки p-ISSN: 2225-6733; 2519-271Х

МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО

УДК 621.785.72 doi: 10.31498/2225-6733.36.2018.142514

© Маслов В.А.1, Пустовалов Ю.П.2, Трофимова Л.А.3, Дан Л.А.4

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПЕЧИ НА ПОКАЗАТЕЛИ ТЕРМИЧЕСКИ РАСШИРЕННОГО ГРАФИТА

Предложена новая методика исследования динамики движения частиц материала в гравитационно-падающем слое с использованием пьезоэлектрического и электроконтактного датчиков. Это позволяет определять скорость витания частиц железографитовых отходов, магнитного графита, а также соединений интерка-лированного графита и получить обобщенные кривые по результатам термического расширения графита.

Ключевые слова: соединения интеркалированного графита, железографитовые отходы, магнитный графит, нагрев, реактор, термографенит, витание.

Маслов В. О., Пустовалов Ю.П., Трофмова Л. О., Дан Л. О. Вплив температурного поля печi на показники термiчно розширеного графту. Метою цгег роботи була розробка новог методики визначення швидкост1 витання часток в залежнос-т1 в1д температурного поля печ1. Проведено пор1вняльне досл1дження швидкостей руху частинок графту магнитного, з'еднань ттеркальованого графту 7 термографемта в гравтацтно-падаючому шар1 в реактор¡. Для електропров1дних частинок був розроблений електроконтактний датчик. При потраплянн на датчик частинок граф1ту, з'еднань ттеркальованого графту 7 термографемта контакт замикався 7 ф1ксувався швидкод1ючим самописцем. Для неелектропров1дних частинок був розроблений п'езоелектричний датчик, який ф1ксував момент динам1чного торкання частинок. Р1зниця м1ж двома ¡мпульсами дозволяла визначити час руху частинок. В1дстань м1ж положеннями датчика, в1днесена до часу, дае швидюсть руху частинок. Визначено умови, при яких частки оброблюваних матер1ал1в дося-гають швидкост1 витання. При рус частинок сполук ттеркальованого граф1та в високотемпературмй зон в1дбуваеться гх терм1чне розширення з р1зким збыьшен-ням обсягу частинок 7 утворенням термографемта. Виявлено, що до температури 250°С не в1дбуваеться терм1чного розширення з'еднань ттеркальованого графту. Найбыьш ттенсивно температурний фактор проявляеться в ттервал1 температур 400^600°С. В ттервал1 температур 800^1000°С терм1чне розширення з'еднань ттеркальованого графту завершуеться. Проведен7 досл1дження в ттервал1 температур 300^1000°С показали ¡стотне зниження швидкост1 витання часток термографемта з 0,8 м/с (для з'еднань ттеркальованого графту) до 0,35 м/с (термографемта). При цьому насипна щтьмсть матер1алу знижуеться з 200 кг/м3 (для з'еднань Iнтеркальованого графиту) до 6 кг/м3 для термографемта. Ключовi слова: сполуки ттеркал1рованого граф1ту, нагр1в, реактор, термографе-нт, витання.

1 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, maslov V o@pstu.edu

2 научный сотрудник, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

3 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, trofmova. pstu@,smail. сот

4 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, trofimova. pstu@,smail. сот

КО. Maslov, Y.P. Pustovalov, L.Q. Trofimova, L.Q. Dan. The influence of the temperature field of the oven on the properties of thermally expanded graphite. The purpose of this work was the development of a new method for determining the particles soaring flight velocity as a function offurnace temperature field. A comparative study of graphite magnetic particles motion velocities, intercalated graphite compounds and thermografenite in a gravitational-falling layer in a reactor has been made. An electro-contact sensor has been developed for electrically conductive particles. When the graphite particles, intercalated graphite and thermographite compounds hit the sensor, the contact closes and is fixed by a high-speed recorder. For non-conductive particles, a piezoelectric sensor has been developed. It fixed the moment of the particles dynamic tan-gency. The difference between two pulses made it possible to determine the time of the particles motion. The distance between the sensor positions that is relative to time gives the particles velocity. The conditions under which the particles of the processed materials reach the whirling velocity have been determined. When intercalated graphite compounds particles move in the high-temperature zone, their thermal expansion occurs with a sharp increase in the volume of the particles and thermografenite formation. It has been found that the thermal expansion of intercalated graphite compounds does not practically occur below 250°C. The most intense temperature factor is manifested in the temperature range 400^600°C. In the temperature range 800^1000°C, the thermal expansion of intercalated graphite compounds is completed. Investigations carried out in the temperature range 300^1000°C showed a significant decrease in thermografenite particles soaring flight velocity from 0,8 m/s (for intercalated graphite compounds) to 0,35 m/s (thermografenite). At the same time, the bulk density of the material decreases from 200 kg/m3 for intercalated graphite compounds to 6 kg/m3 for thermografenite. Keywords: intercalated graphite compounds, Fe-C waste, magnetic graphite, heating, reactor, thermografenite, soaring flight.

Постановка проблемы. Графит представляет собой универсальное вещество с многоплановыми свойствами. Он находит широкое применение в различных отраслях промышленности [1, 2]. Весьма интересным являются соединения интеркалированного графита (СИГ), которые после высокотемпературной обработки позволяют получить термически расширенный графит. Проблемным является именно получение термически расширенного графита не только из чистого графита, но и из железографитовых отходов металлургического производства.

Анализ последних исследований и публикаций. Важной стадией получения термогра-фенита (термически расширенного графита) является термообработка соединений интеркали-рованного графита [3]. Анализ существующих методов термообработки СИГ с целью получения термически расширенного графита показывает, что в настоящее время применяется термообработка в стационарном потоке и во взвешенном состоянии [2].

При термообработке в стационарном состоянии высушенный СИГ засыпают тонким слоем в поддоны, которые помещаются в предварительно нагретую печь до температуры 800^1200°С. Для повышения производительности процесса термообработки используется движущаяся лента [4].

В работах [5, 6] приведены результаты изучения влияния различных методов термообработки природного графита, обработанного серной кислотой. Термообработка бисульфатного комплекса осуществлялась в псевдоожиженном слое при температуре предварительного нагрева воздуха или азота до 350^950°С в лабораторной и опытной печи. Полученная объемная плотность термографенита составила для лабораторной печи 2,5^3 кг/м3, а для опытной печи -7^12 кг/м3. Процесс образования первых частиц термографенита наблюдался через 25 с после загрузки и заканчивался за 80 с.

В работе [6] описана установка получения термографенита в восходящем потоке воздуха в режиме пневмотранспорта. Печь представляет вертикальную трубу из поликристаллического графита, покрытого карбидом кремния. В нижнюю часть вводится газовый или мазутный факел с температурой не ниже 1000°С. Время пребывания графита в печи - 0,25^0,5 мин. Объемная масса термографенита составила 0,5^1 кг/м3.

Проведенный анализ показывает, что общее время пребывания графита в печи составляет 30^60 мин для плотного слоя, 1^5 мин для псевдоожиженного слоя и 0,25^0,50 мин для восходящего потока.

Авторами [7] предложено получение термографенита в гравитационно-падающем слое, где обработка ведется в противотоке в течение нескольких секунд. В этой же работе исследовано получение магнитного термографенита из дисперсных железографитовых отходов металлургии.

Осуществление процесса в гравитационно-падающем слое требует рассмотрения не только процесса термического расширения, но и динамики движения частиц обрабатываемого материала и готового продукта в реакторе.

Цель статьи - разработка новой методики определения основного параметра обработки дисперсного материала в гравитационно-падающем слое - скорости витания частиц в зависимости от температурного поля печи.

Изложение основного материала. В связи с тем, что процесс расширения СИГ осуществляется в гравитационно-падающем слое, весьма важным параметром является динамика движения частиц, что в пределе достигает скорости витания частиц. От этого параметра будет зависеть высота реактора для получения термографенита. Поэтому было проведено сравнительное исследование скоростей витания частиц графита магнитного, полученного из дисперсных железографитовых отходов, СИГ и термографенита в воздухе.

Для этого был разработан комплексный датчик. Для электропроводных материалов (в данном случае графита) использовался электроконтактный датчик. При попадании частицы графита или термографенита на датчик контакт замыкался и фиксировался быстродействующим самописцем. Для неэлектропроводных материалов (оксидов железа) использовался пьезоэлектрический датчик. Частицы исходного материала подавались порционно из бункера в вертикальный реактор, где переводились в разобщенное состояние. Начиналось свободное движение частиц, при этом скорость увеличивалась за счет гравитации до скорости витания. При ударе частиц о пьезоэлектрический датчик образовывалась ЭДС, которая после усилителя подавалась на быстродействующий самописец, фиксировавший момент динамического касания частиц. Таких датчиков устанавливалось два. Разность между двумя импульсами позволяла определить время движения частиц между этими двумя датчиками. Расстояние между датчиками, отнесенное ко времени, дает скорость движения частиц. Погрешность измерения времени при использовании быстродействующего самописца составляла 0,01 с.

Верхний датчик был расположен на входе в печь, а нижний датчик перемещали вдоль оси реактора и устанавливали на различном расстоянии от верхнего датчика. Перемещая нижний датчик относительно верхнего и измеряя время движения частиц между датчиками, получили зависимость пути, проходимого частицами, от времени движения Н = L (т). Линейный участок полученной зависимости свидетельствовал о достижении постоянной скорости, т.е. скорости витания. Продифференцировав зависимость Н = L (т) по времени получили зависимость скорости движения от времени или от высоты. Полученные таким образом экспериментальные зависимости позволяют определить время пребывания частиц в реакторе, а, следовательно, время так называемого термошокового нагрева.

На основании дисперсных железографитовых отходов были проведены сравнительные исследования скорости витания графита магнитного и интеркалированного графита.

Результаты исследования (рис. 1) показали, что скорость витания частиц магнитного графита различной крупности существенно отличается. Наиболее мелкие частицы (+0,05 -0,063 мм) имели скорость витания 0,78 м/с. Из рисунка 1 следует, что с укрупнением частиц до (+0,315 -0,4 мм) их скорость витания увеличивается до 1,59 м/с. Дальнейший рост размера частиц до (+0,63 -1,0 мм) и более приводит к некоторому уменьшению скорости витания.

Характерным является тот факт, что насыпная плотность графита магнитного весьма существенно зависела от дисперсности. Частицы менее -0,05 мм имеют максимальную насыпную плотность 2060 кг/м3, что обусловлено весьма высоким содержанием оксидных частиц 90-96% и малым содержанием графитовых частиц. С ростом размера частиц их число увеличивается. Результатом этого является уменьшение насыпной плотности. Так для частиц размером более 0,2 мм насыпная плотность составляет менее 400 кг/м3; для частиц размером более 0,315 мм, соответственно, - менее 300 кг/м3.

Серiя: Технiчнi науки p-ISSN: 2225-6733; 2519-271Х

1,6

1,2

« Л

0,8 о ' а о и О

0,4

0

0+0,063-0,1 ■+0,16-02+0,315-0,4+0,63-1 Размер частиц, мм

Рис. 1 - Скорость витания частиц графита магнитного в зависимости от дисперсности

После проведения над этим графитом окислительной обработки и получения СИГ были проведены исследования скорости витания и насыпной плотности. Результаты исследований на двух узких фракциях: -0,5 мм и (-2,0+1,0) мм показали, что на определенном расстоянии от дозатора ансамбль частиц достигает скорости витания (рис. 2). Для данных частиц это расстояние составляет 0,35 м. То есть на расстоянии более 0,35 м от начала движения частицы начинают двигаться с постоянной скоростью - скоростью витания. Для частиц СИГ фракции -0,5 мм скорость витания составила 0,91 м/с, а для частиц фракции (-2,0+1,0) мм - 1,25 м/с. На основании результатов исследования были получены уравнения движения СИГ при температуре 20°С:

h -0.5 = -0,287 + 0,91т, м,

h

(-2,0 + 1,0)

= -0,73 + 1,25т, м,

где h - путь, проходимый частицей СИГ, м; т - время движения, с.

Подобные исследования были проведены и на других фракциях частиц СИГ. В качестве примера на рис. 3 представлены результаты исследования на одной пробе СИГ. Полученные результаты показывают, что с увеличением дисперсного состава СИГ снижается насыпная плотность, а именно, с 330 кг/м3 для фракции -0,05 мм до 174 кг/м3 для фракции +2,0-2,5 мм. Скорость витания для трех фракций составляет примерно 0,9 м/с. Лишь для фракции +1,0-2,0 мм обнаружено резкое увеличение скорости витания до 1,2 м/с, что обусловлено, очевидно, парусностью частиц или наличием значительного силикатного вкрапления. Учитывая этот факт, высоту реактора необходимо рассчитывать из условия максимальной скорости витания СИГ - 1,2 м/с.

Учитывая этот факт, высоту реактора необходимо рассчитывать из условия максимальной скорости витания СИГ - 1,2 м/с.

Определение скорости витания термографенита, полученного при различном расширении, было проведено по ранее приведенной методике с использованием электроконтактного метода. В качестве исходного материала были использованы образцы термографенита, полученного при различных температурах вспучивания.

Полученные результаты исследования (рис. 4) показывают, что в пределах установки в гравитационно-падающем слое частицы термографенита достигают скорости витания во всем температурном интервале.

Из рисунка следует, что скорость витания и насыпная плотность частиц СИГ и частиц термографенита в исследованном температурном интервале (400^950°С) в установке на изо-

2

скоростном участке следующие: 400°С - 0,57 м/с и 47,2 кг/м3; 50°С, соответственно, - 0,43 м/с и 22,2 кг/м3; 950°С - 0,33 м/с и 6 кг/м3. Для удобства восприятия данные по насыпной плотности в зависимости от температуры вспучивания на графике приведены в полулогарифмических координатах.

1,3

1,1

я —

§ 0,9

ст «

X

о *

К

В 0,7

л

н

^

С

0,5

0,3 Ь 0,5

0,7 0,9 1,1 1,3 Время движения, с

1,5

Рис. 2 - Динамика движения СИГ в гравитационно-падающем слое. Размер частиц: • - (-0,5) мм; о - (-2,0+1,0) мм

1,2

о

1,1

«

К К ей

н к и

Л

н о о

Л

о и

о

0,9

1

0,8 -----

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Дисперсность СИГ, мм

Рис. 3 - Скорость витания частиц СИГ в зависимости от дисперсности

0,8

о

и

Н «

К X й н к ю л н о о а о

И

О

0,7 •

0,6

0,5 -

0,4

0,3

6

¡3

о ° & °

и

О «

¡5 «

к о

¡3 к

(3 с

а 3

Ь 8

Н то

<3 X

я

0

0

200 400 600 800 1000

Температура вспучивания СИГ, град.С

Рис. 4 - Скорость витания и насыпная плотность термографенита в зависимости от температуры вспучивания

Проведенные исследования позволили построить обобщенные кривые по результатам термического расширения (рис. 5). Полученные результаты показывают, что до температуры 250°С практически не происходит расширение СИГ. Наиболее интенсивно температурный фактор ощущается в интервале температур 400^600°С. В интервале температур 800^1000°С дополнительного расширения практически не происходит. При полном расширении объемная плотность материала снижается с 335 кг/м3 до 6 кг/м3, т. е. степень расширения составляет 56.

1

5 0,8 8 Н о

¡г «

Я *

Я И

ч

Л

£ 0,2

0,6

0,4

0,5

1 1,5 2

Время движения, с

2,5

Рис. 5 - Динамика движения термографенита, полученного при температуре: • -400°С; о - 500°С; А - 600°С; * - 950°С; □ - исходный СИГ

Выводы

1. Предложена новая методика исследования динамики движения частиц материала в гравитационно-падающем слое с использованием пьезоэлектрического и электроконтактного методов, что позволяет определять скорость витания частиц обрабатываемого материала.

5

4

3

2

1

0

2. Выполнены исследования скорости витания частиц магнитного графита и СИГ в гравитационно-падающем слое, что позволяет рассчитать высоту реактора из условий фракционного состава исходного материала.

3. Проведены комплексные исследования скорости витания и насыпной плотности получающегося термографенита в зависимости от температуры термошокового нагрева. На конечной температуре термошокового нагрева был получен термографенит с насыпной плотностью 5^6 кг/м3.

4. Проведенные исследования позволили простроить обобщенные кривые по результатам термического расширения в интервале температур 400^950°С. Полное термическое расширение СИГ в гравитационно-падающем слое достигается при высоте реактора 0,8 м.

Список использованных источников:

1. Уббеладе А.Р. Графит и его кристаллические соединения / А.Р. Уббеладе, Ф.А. Льюис. -М. : Мир, 1965. - 256 с.

2. Физико-химические свойства графита и его соединений / И.Г. Черныш [и др.]. - К. : Науко-ва думка, 1990. - 200 с.

3. Маслов В.А. Исследование процесса окисления дисперсных железографитовых отходов с целью получения соединений интеркалирования графита / В.А. Маслов, Ю.П. Пустовалов, Л.А. Трофимова, Л.А. Дан // Вестник Приазовского государственного технического университета. - Мариуполь, 2016. - Вып. 32. - С. 48-53. - (Серия: Технические науки).

4. А. с. 767023 СССР, МКИ С 01 В 31/04. Способ получения расширенного графита / А.Н. Антонов, В.А. Иванов, В.А. Тимонин, С.Д. Федосеев, Л.Ф. Макевнина, В.А. Рыбалов. -№ 2610959/23-26; заявл. 09.03.78; опубл. 30.09.80, Бюл. № 36.

5. Махорин К.Е. Вспучивание природного графита, обработанного серной кислотой / К.Е. Ма-хорин, А.П. Кожан, В.В. Веселов // Химическая технология. - 1985. - № 2. - C. 3-6.

6. Вспучивание графита в плотном и взвешенном слоях / К.Е. Махорин, А.П. Кожан, В.В. Веселов, В.Н. Александров // Химическая технология. - 1987. - № 2. - C. 43-49.

7. Возможность получения термографенита с магнитными свойствами из дисперсных железо-графитовых отходов металлургии / В.А. Маслов, Ю.П. Пустовалов, Л.А. Трофимова, Л.А. Дан // Вестник Приазовского государственного технического университета. - Мариуполь, 2017. - Вып. 34. - С. 24-30. - (Серия: Технические науки).

References:

1. Ubbelade A.R. Grafit i ego kristallicheskie soedineniya [Graphite and its crystalline compounds]. Moscow, Mir Publ., 1965. 256 p. (Rus.)

2. Chernysh I.G., Karpov I.I., Prihod'ko G.P., Shaj V.M. Fiziko-himicheskie svojstva grafita i ego soedinenij [Physical and chemical properties of graphite and its compounds]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1990. 200 p. (Rus.)

3. Maslov V.A., Pustovalov Yu.P., Trofimova L.A., Dan L.A. Issledovanie processa okisleniya dis-persnyh zhelezografitovyh othodov s cel'yu polucheniya soedinenij interkalirovaniya grafita [The study of oxidation process of dispersed Fe-C containing waste to obtain intercolation compounds of graphite]. Visnik Priazovs 'kogo derzhavnogo tekhnichnogo universitetu. Serija: Tekhnicheskie nauki - Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Technical Science, 2016, vol. 32, pp. 48-53. (Rus.)

4. Antonov A.N., Ivanov V.A., Timonin V.A., Fedoseev S.D., Makevnina L.F., Rybalov V.A. Sposob poluchenija rasshirennogo grafita [Method for obtaining expanded graphite]. Patent USSR, no. 767023, 1980. (Rus.)

5. Mahorin K.E., Kozhan A.P., Veselov V.V. Vspuchivanie prirodnogo grafita, obrabotannogo sernoj kislotoj [Extrusion of natural graphite treated with sulfuric acid]. Himicheskaja tehnologija - Chemical Technology, 1985, no. 2, pp. 3-6. (Rus.)

6. Mahorin K.E., Kozhan A.P., Veselov V.V., Aleksandrov V.N. Vspuchivanie grafita v plotnom i vzveshennom slojah [Graphite swelling in dense and suspended layers]. Himicheskaja tehnologija - Chemical Technology, 1987, no. 2, pp. 43-49. (Rus.)

7. Maslov V.A., Pustovalov Yu.P., Trofimova L.A., Dan L.A. Vozmozhnost' poluchenija termografenita s magnitnymi svojstvami iz dispersnyh zhelezografitovyh othodov metallurgii [The

possibility of obtaining thermogranite with magnetic properties from dispersed iron-graphite waste metallurgy]. Visnik Priazovs kogo derzhavnogo tekhnichnogo universitetu. Serija: Tekhnicheskie nauki - Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Technical Science, 2017, vol. 34, pp. 24-30. (Rus.)

Рецензент: В.Б.Семакова

канд. техн. наук, доц., ГВУЗ «ПГТУ»

Статья поступила 09.02.2018

УДК 621.785:669.15-194.2 doi: 10.31498/2225-6733.36.2018.142515

© Ткаченко 1.Ф.1, Мiрошнiченко В.1.2, Гаврилова В.Г.3

КЕРУВАННЯ МОРФОЛОГИЮ ГРАФ1ТОВО1 ФАЗИ У ПРОМИСЛОВИХ С1РИХ ЧАВУНАХ З ЗАСТОСУВАННЯМ ТЕРМ1ЧНО1 ОБРОБКИ

На nidcmaei ратше отриманих теоретичних та експериментальних даних було до^джено вплив умов iзотермiчних витримок при нагрiваннi на морфологт гра-фтовог фази (ГФ) арих та високомщних перлтових промислових чавутв. Вста-новлено два варiанти впливу температури iзотермiчног витримки на морфологт ГФ: 1) часткове або повне розчинення iснуючих пластин ГФ з утворенням «розi-рваних»: пластин разом з укрупненими сферичними частинками ГФ, мережi тонких прошарюв ГФ по межах феритових зерен; 2) нарощування розмiрiв iснуючих видтень ГФ вздовж вах поверхонь пластин ГФ та на окремих локальних дшянках поверхонь графтових частинок сферичног морфологи. Показано суттеве тдви-щення спротиву ударному руйнуванню вах до^джених чавутв. Отримат резуль-тати пояснено одночасним розвитком процеав: розпаду цементиту перлiтовог матриц з подальшим видтенням нових дрiбних кристалiв ГФ у виглядi сферичних iзольованих частинок або на поверхнях iснуючих кристалiв ГФ, як на субстратi; коагуляцИ та сфероiдiзацiг iснуючих пластин ГФ; утворення зародюв феритових зерен на межах розподшу частинки ГФ/матриця.

Ключовi слова: арi та високомщш перлiтовi промисловi чавуни, iзотермiчна ви-тримка при нагрiваннi, морфологiя графтовог фази, спротив ударному руйнуванню.

Ткаченко И.Ф., Мирошниченко В.И., Гаврилова В.Г. Управление морфологией графитовой фазы в серых чугунах с применением термической обработки. Изучено влияние изотермических выдержек при нагреве на морфологию графитовой фазы (ГФ) в промышленных серых и высокопрочных чугунах. Выявлено два варианта такого влияния: 1) частичное растворение пластин ГФ с образованием «разорванных»: тонких пластин, содержащих отдельные крупные сферические частицы ГФ; «сетки» тонких прослоек ГФ на границах зерен феррита; 2) прирост: общей толщины существующих пластин ГФ или размеров исходных сферических частиц ГФ на отдельных локальных участках их поверхностей. Установлено значительное повышение ударной вязкости всех изученных чугунов.

Ключевые слова: промышленные серые и высокопрочные перлитные чугуны, изотермическая выдержка при нагреве, морфология графитовой фазы, ударная вязкость.

I.F. Tkachenko, V.I. Miroshnichenko, V.G. Gavrilova. Control of graphite phase morphology in gray cast irons by heat treatment. Based on the previously obtained theoreti-

1 д-р техн. наук, професор, ДВНЗ «Приазовський державний техтчний ушверситет», м. Марiуnоль

2 ст. викладач, ДВНЗ «Приазовський державний техтчний ушверситет», м. Марiуполь

3 канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Приазовський державний техтчний ушверситет», м. Марiуполь