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我国冷等静压各向同性石墨的发展与性能(2010/09/26 14:10)
用冷等静压机来制造各向同性石墨在国内已有30 来年的历史,发展到今天,无论是生产规模,还是产品的工艺、质量和应用,都已达到了较高的水平。目前,冷等静压各向同性石墨的应用范围已渗透到当代高新技术各个领域中,如原子能反应堆、火箭喷咀、连续铸钢、电火花、加工、半导体用器具等制造业中。本文就国内冷等静压各向同性石墨的发展、生产企业及产品性能作以综述。

　　1 　主要生产企业概况
　　1. 1 　吉林炭素集团有限责任公司
　　该公司前身是吉林炭素厂,是我国“第一个五年计划”期间156 项重点工程之一,也是我国兴建的一个炭素生产基地。1955 年建成投产,结束了我国炭素产品依赖进口的历史,经过40 多年的经营扩展和几次重大技术改造,成为我国最大的综合性炭素生产企业。采用冷等静压技术来开发尖端新型石墨,该公司是国内炭石墨行业中最早的企业。远在70年代初,就购置了工作缸Φ100 mm ×600 mm 的小型冷等静压机,为原子能工业用石墨进行了工艺研究。通过多年大量实验,特别是选择与确定最佳成型工艺, 取得了丰富的经验, 并在此基础上,于1975 年增购了一台
中型冷等静压机(工作缸Φ500 mm ×2 200 mm) 。该机结构特点和主要性能如下:框架为叠板式,由厚度为40 mm 的15MnV 钢板13 层叠合而成。上缸体为双层套筒,配合为过盈热装,材质为33 CrNiMn 经锻制加工而成。高压、超高压系统是由高压泵和超高压泵(600 MPa) 及操纵截止阀、压力表、管路等零部件构成。另外还附有电烘箱、真空泵、滤油机等。压机设计压力、试验压力、最高使用压力分别为300 , 250 , 200 MPa ; 缸体为Φ500 mm ×2 280mm ,框架主体总高度为5 596 mm ,主缸体与整机质量为12 t 与52 t 。
80 年代初,该公司高、精、尖产品TSJ - 9 型石墨的研制成功就取决于采用中型冷等静压机的效果。该石墨先是采用挤压法,后再经等静压的双次成型工艺,这不仅保持了原来的结构形态,使制品体积密度从1. 70 g/ cm3 提高到1. 80 g/ cm3 ,而且焙烧成品率提高到90 %以上。采用冷等静压工艺所得的各向同性石墨经用户试验,完全达到设计的要求。80 年代中期,水平连铸是炼钢工业的新技术,它所用的连铸机关键部件之一就是石墨结晶器,简称连铸石墨。这种产品美、法、德、日等国都采用冷等静压技术制造,对它的质量要求很高,必须具有很高的密度与强度,较好的导热性与抗热震性能,结构均一,使用寿命长,当时国内无法满足,全部依靠进口。1986 年9 月该公司开始承担水平连铸专用石墨的攻关,经过4 年的努力,采用冷等静压与高压浸渍等工艺, 研制出高密度、高强度、较好导热系数的连铸石墨。应用效果达到了具有世界先进水平的德国EK432 型连铸石墨的水平, 1991 年3 月28 日该成果通过了部级鉴定[1 ] 。此外,该公司还拓宽了冷等静压工艺的应用,开发了军用石墨喉衬、人造骨用石墨基体、冶炼冶金用石墨坩埚等,并且都取得了令人满意的效果。

　　1. 2 　上海碳素厂
　　上海碳素厂(于2000 年8 月1 日被吉林炭素集团兼并) 重视并采用冷等静压机来研制各向同性石墨是在70 年代末,当时,国家科委为开发大规模集成电路,急需大硅单晶的单晶炉配套用石墨发热元件。该厂为完成此任务,于1978 年在中科院上海硅酸盐研究所冷等静压机上初探了成型工艺, 研制出细结构、高纯、致密的各向同性石墨。1979 年后又利用上海钢铁研究所的冷等静压机进行较大规格的各向同性石墨的成型研究。数年的科学实验,全面掌握了冷等静压成型等工艺,研制出Φ340 mm ×500 mm 大单晶炉配套用石墨发热元件,经19 家厂、院使用,质量优异,可与美、日同类产品相媲美。1983 年国家科委、上海科委耗资160 万元,委托上海市重型机器厂设计与制造当时
国内炭石墨行业中最大的冷等静压机,1985 年5 月该机在上海碳素厂安装、试车成功。该机工作缸内径为800 mm ,高为2 000 mm ,从此该厂可以大批量生产大规格、高纯、致密的各向同性石墨,除满足国内配套需要外,还有少量出口[2 。该厂针对电火花用石墨模压规格较小,对大型模具需要粘接的不足,又开发出特大规格电火花用各向同性石墨,使电火花加工不仅无需粘结,而且不用再考虑石墨材料的方向,均可使成模达到理想要求,从而促进了我国电加工成模技的进步。10 多年来,该厂冷等静压各向同性石墨的科研与生产也取得了新的进步。产品已形成了系列,已有SIFC - 320 、SIFB - 550 等7 种型号的各向同性石墨供用户选择,产品的性能达到了国内先进水平,应用领域也有拓展,已从单晶炉用加热器、隔热屏、电火花加工,发展到连续铸造用结晶器、反应堆结构材料等。

　　1. 3 　东新电碳股份有限公司
　　东新电碳服份有限公司是电炭行业中最早从事冷等静压技术开发与应用的企业。70 年代末,该公司纵观国内冷等静压技术在炭素硬质合金方面的发展,为使企业上台阶,发展新产品,推动电炭行业的技术进步,购置了一台上海大隆机器厂制造的TY2 - 3 型冷等静压机。
该机工作缸内径为200 mm ,高为1 000 mm ,压力为360 MPa ,工作介质为1∶1 的混合煤油和变压器油,外形尺寸为Φ800 mm ×2 095 mm ,质量1 592 kg 。
用该机对冷等静压成型工艺进行了大量试验,取得了较为满意的结果。该公司于80 年代中期,委托德阳第二重型机器厂,按电炭工艺特点设计与制造了一台大型冷等静压机,
该机工作缸内径为800 mm ,高1 600mm ,最大工作压力为250 MPa ,总高度5. 3 m ,总重87 t ,作缸体是采用34CrNi3Mo 高强度合金钢制作芯筒,外表面用截面为4 mm ×1 mm、材料为65 Mn 高强度扁钢丝。上下端盖是浮动式的,框架是由2 根立柱和上下半圆梁拼合后,用圆柱销定位的。整个压机的操作分手动及分段联动,另外可采用多种压制工艺和三种泄压速度。
该压机为公司成功地研制了较大规格的高质量电火花用石墨、连铸石墨、机械用炭,冶金、化工用石墨等产品。该公司在利用冷等静压技术开发新产品的同时,为避免冷等静压机液体的污染,对液压系统进行了改进, 取得了较好的效果, 并因此获得了专利[3 ] 。改进的实质就是在压机主缸内腔底部,安设了由钢环、钢盘和弹性胶袋组成的隔离装置,使高压液体仅能充入到胶袋内,将压力再传递到上部液体(已被隔离) ,实施压型。泄压后,只有充入胶袋内不受污染的液体回到液压系统,保护了液压系统免遭污染。
1. 4 　成都化工炭素总厂

　　成都化工炭素总厂自1991 年转为全过程生产炭素制品,炭素制品(主要是电极) 的年产量超过万吨,成为西南地区最大的炭素制品生产基地。90 年代中期,该厂为增强新产品的开发实力,从四川雅安川西机器厂购置了一台缸径为Φ830mm、高为1 500 mm 的大型冷等静压机, 并于1995 年安装、调试、投入生产。所生产出的各向同性石墨产品质量优异,而且焙烧的成品率高,领先于国内。

　　1. 5 　哈尔滨电碳研究所

　　哈尔滨电碳研究所于80 年代中期开始从事冷等静压技术应用的探索。冷等静压机是由北京703 所转让, 该机工作缸内径为Φ400 mm、高为1 500 mm。该所通过大量的工艺试验,也获得了成功,如新产品电火花加工用T401 各向同性石墨就是采用冷等静压技术制成的。该石墨与国内兄弟厂电火花石墨电极相比,其电极损耗低,加工速度、加工精度等工艺指标都较高,而且加工稳定性较好。因此该产品已于1987 年9 月通过了专家鉴定 。

　　1. 6 　兰州炭素有限公司

　　兰州炭素有限公司于1987 年初开始进行冷等静压与普通冷模压的对比研究,模压是在200 t油压机上进行,而冷等静压是借用北京钢铁研究总院工作缸内径为Φ500 mm、高为1 460 mm、工作压力为300 MPa 的6 000 t 冷等静压机上进行。对比研究结果,冷等静压成型制品密度高达1. 95g/ cm3 ,而模压制品密度为1. 87 g/ cm3 , 异向度也低于模压制品, 从而确认了冷等静压技术的优异性, 不久后, 该厂购置了四川省雅安川西机器厂生产的LDZ - 300 MPa 型的冷等静压机, 该机重为6 000 t ,工作压力为300 MPa ,工作缸内径为Φ500 mm、高为1 500 mm ,使用的压油为30 # 机油。

　　1. 7 　河南省特种热工炉材有限公司

      河南省特种热工炉材有限公司是近几年快速发展的碳素行业新秀，于河南省巩义市工业示范区朝阳东路，占地面积30000㎡，建筑面积15800㎡，绿化面积8000㎡，是一座集科研、生产、销售、加工、服务为一体的花园式高科技企业。公司拥有一流的冷等静压成型设备、双面压压机、高档焙烧炉、浸渍炉、大型石墨化炉等生产工序配套设备，拥有国内最大的等静压ICP1250，填补了国内生产大规格冷等静压石墨的空白，目前已能大批生产直径Φ650 mm的大规格等静压石墨。该公司产品最大的优势就在于生产的等静压石墨长度已经达到2200 mm，在国内的等静压石墨生产中独此一家！

1. 8 　其他

　　中国航空总公司四院四十三所为开展炭石墨制品在高、精、尖领域中的应用研究,也配置有2台冷等静压机,一台缸体内径为Φ400 mm ,高为Φ800 mm , 另一台内径为Φ180 mm , 高为600mm。它们都是上海大隆机器厂设计与制造的。天津耐火材料厂也采用冷等静压技术开发了“长寿牌”石墨坩埚。上海化工总厂机修分厂也有冷等静压机用于研制炭石墨机械密封材料等。

　　2 　冷等静压各向同性石墨的性能

　　冷等静压各向同性石墨的性能将按制造工艺(如粒度,压力、焙烧后的浸渍等) 的不同与产品用途的要求而变动,对它的考核较为一致的是体积密度与抗压强度。其他如肖氏硬度、抗折强度、电阻率、气孔率、热膨胀系数、导热等性能由生产企业与用户协商而定。目前国内的冷等静压各向同性石墨的体积密度都能达到高密要求,即在1. 80 g/ cm3 以上。吉林炭素集团公司研制开发的连铸用各向同性石墨其密度的平均值达1. 85 g/ cm3 ,见表1 。其他各生产厂都能生产出体积密度高于1 . 80 g/ cm3 的各向同性石墨。而抗压强度一般波动在60 ～80MPa ,哈尔滨电碳研究所开发的T401 型各向同性石墨抗压强度已达110 MPa 。河南热工集团生产的细结构冷等静压石墨体密能达到1.81 g/ cm3以上。

　　综上所述,我国冷等静压各向同性石墨的发展是迅速的,到目前为止,我国无论是炭素行业,还是电炭行业的骨干企业都已拥有大型冷等静压机,都有冷等静压各向同性石墨的品种,它的生产工艺比较成熟,产品的应用也愈来愈广,这不仅满足了国民经济发展的需要,也为企业自身的实力增强与获得较多的科技成果、更高的经济效益奠定了基础。随着我国科技事业的发展,深信冷等静压各向同性石墨的发展前景会更美好。
肖氏硬度：简称HS。表示材料硬度的一种标准。由英国人肖尔(Albert F.Shore)首先提出。肖氏硬度试验是一种动态力试验，与布、洛、维等静态力试验法相比，准确度稍差，受测试时的垂直性，试样表面光洁度等因素的影响，数据分散性较大，其测试结果的比较只限于弹性模量相同的材料。它对试样的厚度和重量都有一定要求，不适于较薄和较小试样，但是它是一种轻便的手提式仪器，便于现场测试，其结构简单，便于操作，测试效率高。是指用肖氏硬度计测出的值的读数，它的单位是“度”，其描述方法分A、D两种，分别代表不同的硬度范围，90度以下的用肖氏A硬度计测试，并得出数据，90度及以上的用肖氏D硬度计测试并得出数据，