Добыча графита открытым способом

Добыча графита: описание, свойства, применение

Графит — распространенный природный минерал, относящийся к классу самородных элементов. Он представляет собой один из аллотропных вариантов углерода. Как правило, он встречается в природе в виде отдельных чешуистых образований, скоплений или пластин, отличающихся как размером, так и содержанием графита.

В современной минералогии принято различать месторождения кристаллического графита, образовавшегося в результате вулканической деятельности, и месторождения скрытокристаллического графита, возникшего в результате метаморфизма угля.

Свойства

К физическим свойствам этого минерала относятся:

• высокая электропроводность;
• низкие показатели твердости;
• в зависимости от вида теплопроводимость этого материала колеблется от 98 до 358 Вт;
• высокая теплоемкость.

Что же касается химических свойств графита, то он:

• не подвержен растворению в неокисляющихся кислотах;
• в условиях продолжительного воздействия высокой температуры вступает в реакцию с кислородом, сгорая в виде углекислого газа;
• способен образовывать химические соединения с щелочными металлами, а также солями.

Важно: физические и химические свойства этого минерала способны заметно изменяться в процессе обработки. По этой причине были классифицированы на основе физико-химических различий отдельные марки графита.

Структура и виды

Структурно этот минерал представляет собой вещество, в котором все атомы углерода имеют ковалентные связи с тремя остальными окружающими их углеродными атомами.

Современная наука различает два основных природных вида графита: гексагональный α-графит и ромбоэдрический β-графит. При этом нужно отметить, что в чистом виде β-графит никогда не встречается, что объясняется тем, что он является метастабильной фазой.

Искусственный синтез

Есть ряд способов, позволяющих получить путем синтезирования несколько видов искусственного графита:

• ачесоновский получается путем нагрева до температуры в 2800 градусов смеси кокса и пека;
• рекристаллизованный представляет собой результат температурной и механической обработки особой смеси, состоящей из кокса, песка, природного графита, а также карбидообразующих элементов;
• пиролитический — это результат вакуумного пиролиза газообразных углеводородных соединений при температуре около 1500 градусов с дальнейшим нагревом полученного пироуглерода до 3000 градусов при давлении в 50 Мпа;
• доменный получается в процессе медленного охлаждения огромной массы чугунного сплава;
• рабидный — это результат термического разложения карбидов.

Переработка

Промышленная переработка графита позволяет получить не только разные марки графита, но и готовые графитные изделия. Товарные виды этого минерала производятся путем запуска процесса обогащения графитсодержащих руд. Исходя из степени очистки, полученный графитовый концентрат будет классифицирован на марки, использующиеся в промышленности, а также по сферам использования.

Переработка в терморасширенный графит

Сперва кристаллический графит проходит процесс окисления. Этот процесс заключается во внедрении молекул и ионов азотной или серной кислоты в межслойное пространство кристаллической решетки перерабатываемого минерала. После окисления графит проходит мойку и последующую сушку для удаления остатков воды. На следующем этапе минерал проходит термическую обработку при температуре в 1000 градусов и с высокой скоростью нагрева. За счет очень быстрого нагрева минерала запускается процесс выделения газов и разложение молекул серной кислоты, внедренных в межслойное пространство кристаллической решетки минерала.

Выделение газообразных веществ помогает создать избыточное расклинивающее давление в 400 атмосфер в межкристаллическом пространстве. В итоге образуется терморасширенный графит, имеющий высокую удельную поверхность и низкую насыпную плотность. В случае использования серной кислоты при создании этого искусственного минерала в готовом материале остается определенное остаточное количество серы. На следующем этапе готовый терморасширенный графит прокатывается, в некоторых случаях дополнительно армируется и прессуется с добавлением специальных присадок для получения готовых изделий.

Для получения различных марок искусственного графита

В процессе производства синтетического графита зачастую применяется нефтяной кокс, выступающий в качестве структурного наполнителя, а также каменноугольный пек, использующийся в роли связующего вещества. В конструкционных видах искусственного минерала применяется в качестве специальной добавки сажа и графит природного происхождения. Также в качестве связующего компонента вместо пека могут использоваться различные искусственные смолы (фурановые, фенольные и так далее).

Процесс производства синтетического графита состоит из следующих технологических промышленных этапов:

• кокс подготавливается к производственному процессу, он проходит предварительное измельчение путем дробления, прокалывается, а также рассеивается по отдельным фракциям;
• подготавливается связующее вещество;
• приготавливается углеродистая масса;
• формируются зеленые необожженные заготовки в глухую матрицу;
• заготовки проходят обжиг;
• осуществляется процесс графитации ранее обожженных заготовок;
• на завершающем этапе заготовки проходят механическую обработку для получения формы готового изделия.

Для получения композиционных материалов

На сегодняшний день современная промышленность изготавливает антифрикционные углеродистые материалы таких марок, как:

• обожженные антифрикционные материалы марки АО;
• графитированные и антифрикционные материалы марки АГ;
• материалы с баббитовой, оловянной и свинцовой пропиткой;
• графитопластовые материалы марок АФГМ, АФГ-80ВС, 7В-2А, КВ, КМ, АМС.

Подобные материалы изготавливаются из неятного кокса, не проходящего процедуру прокаливания, а также угольного пека с добавлением графита природного происхождения. С целью повышения плотности материала используют методику его пропитки металлами.

Применение

На сегодняшний день графит чаще всего применяется для следующих целей:

• в процессе изготовления плавильных тиглей, что объясняется высокой стойкостью минерала к сверхвысоким температурам;
• при изготовлении нагревательных элементов, так как минерал имеет отличную теплопроводность и стойкость к агрессивным жидкостям;
• при изготовлении алюминиевых сплавов;
• в качестве одного из компонентов твердых смазок;
• в качестве наполнителя для пластмасс;
• как замедлитель нейронов в ядерной промышленности;
• при изготовлении искусственных алмазов;
• для изготовления карандашей;
• в качестве тепловой защиты носовой части космических и баллистических ракет;
• при производстве самых разных элементов электрических и механических машин и инструментов;
• в пищевой промышленности.

В пищевой промышленности использование графита допускается только после его тщательной обработки, что обусловлено санитарными требованиями.

Источник

Информмация

В промышленности используется два вида графита – натуральный и искусственно синтезированный. Их производство значительно отличается по технологии, а также используемым материалам.

ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА НАТУРАЛЬНОГО ГРАФИТА

МИНЕРАЛ ГРАФИТ ВСТРЕЧАЕТСЯ В ПРИРОДЕ В РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ:

• Чешуйчатом (в виде отдельных рассеянных чешуек);
• Листовом (так называемый кристаллический чешуйчатый материал);
• Скрытокристалическом (используют также термин аморфный графит).

Все природные виды минерала не являются чистыми и содержат различное количество примесей. При производстве графита проводят специальные анализы, позволяющие определить процент и содержания.

В ГРАФИТОВОЙ РУДЕ МОГУТ СОДЕРЖАТЬСЯ:

• Ографиченный углерод (собственно графит);
• Летучие добавки (газы, в том числе непревращенный углерод, а также вода);
• Зола (минералы-спутники).

СОДЕРЖАНИЕ ГРАФИТА В РАЗНЫХ ВИДАХ РУД РАЗЛИЧАЕТСЯ:

• В чешуйчатых, как правило, доля минерала составляет 2-15%;
• В плотнокристаллических – от 35-40% и выше.

В случаях, когда содержание углерода колеблется в пределах 20-40%, технология производства графита включает в себя обогащение руд. Для этого применяется рудоразборка или флотация.

Рудоразобрка – это процесс отбора кусков руды или примесей из разбираемой массы. Проводится при производстве графита из скрытокристаллических руд. Они размалываются, после чего разбираются.

ОБОГАЩАЮТ ГРАФИТ И ПРИ ПОМОЩИ ФЛОТАЦИИ:

• Пенной (наиболее распространенный вариант);
• Масляной (в России ее применяют с начала XX века).

ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ИСКУССТВЕННОГО ГРАФИТА

Помимо натурального минерала, широкое применение нашел также искусственный графит. Он отличается невысокой кристалличностью, а также чистотой.

РАЗНОВИДНОСТИ ИСКУССТВЕННОГО ГРАФИТА:

• Доменный (при его изготовлении используют отходы доменного производства);
• Коксовый (производят из нефтяного кокса);
• Реторный (получают при добыче из угля светильного газа);
• Ачесоновский (добываю в электропечах при перекристаллизации антрацита).

НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ИСКУССТВЕННОГО ГРАФИТА

Используемое для производства графита сырье (кокс, пек) готовят: дробят, прокалывают, размалывают. Далее из него и связующего создают углеродную массу. Ее подвергают обжигу, во время которого происходит карбонизация, и отдельные частицы углеродных материалов связываются в монолитное тело. Последнее подвергают кристаллизации (также этот процесс называют графитацией). Нередко полученный графит пропитывают разными видами синтетических смол (фенольных, фурановых) или пеком – это позволяет уменьшить пористость материала. После пропитки повторяют обжиг и графитацию. Таких циклов может быть до пяти.

ДРУГИЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ГРАФИТА

При использовании для производства графита пиролиза, углероды, имеющие газообразную форму, подвергают данному процессу. Образовавшийся углерод осаждают на графитовую подложку. Часть осадков имеет упорядоченную кристаллическую структуру. Полученный материал называют пирографитом.

Рекристаллизированный графит производят из смеси пека, кокса, карбидообразующих элементов с высокой температурой плавления и природного минерала (его доля составляет до 20%). Такую смесь подогревают в пресс-формах из графита. Температура нагрева должна превышать на 100-150 градусов температуру плавления смеси углерода и карбида. При этом играет роль время нагрева (оно исчисляется десятками минут) и давление (40-50 МПа).

Источник

Графит. Виды и применение. Свойства и происхождение. Особенности

Графит – это самородный минерал на основе углерода, имеющий слоистую структуру. Представляет собой кристаллы различного размера с чешуйчатой структурой. Имеет темно-серый цвет с характерным металлическим блеском. В своем большинстве встречается в виде небольших включений, добыча и переработка которых нецелесообразна в экономическом плане. Однако существуют и большие месторождения. В них присутствует практически чистый минерал с небольшими примесями глины.

Добыча графита

Графитовые залежи располагаются в тех же местах, что и пирита, граната. Его можно найти в кварцевых жилах, мраморе. Минерал образовывается в результате воздействия высоких температур на вулканические и магматические породы. Также он формируется в результате пиролиза каменного угля.

Добыча графита осуществляется открытым и шахтным способом. Экономически оправданным является разработка месторождений, руда которых содержит его в количестве не менее 30%. Процесс добычи весьма похож на технологию работы с углем. В залежах графита пробуриваются отверстия, в которые закладывается взрывчатка.

Взорванная руда доставляется на поверхность, где измельчается. Она замешивается с водой и нефтью, что позволяет отделить графит от примесей. Его частицы прилипают к пузырькам воздуха, образовываемыми при перемешивании массы, и всплывают. Минерал снимается как пенка, после чего циклы очистки повторяются 4-5 раз, чтобы довести концентрацию графита до 90-96%.

Завершающим технологическим процессом является сушка графита. В результате добычи и очистки образовывается мелко дисперсионный красящий порошок. Чтобы сделать из него графитовое изделие, он смешивается с глиной с добавлением воды. В зависимости от того какая добавка используется, зависит конечная прочность и свойства изделия.

Готовая масса спрессовывается, и после сушки формируется в готовые изделия, к примеру, грифели простых карандашей. Та как они за счет присутствия воды получаются мягкими, то для увеличения жесткости обжигаются при температуре выше 1000°C. По результатам обработки изделие приобретает окончательную твердость. Однако это сопровождается появлением ломкости.

Свойства графита

Минерал обладает рядом важных качеств, которые делают его очень востребованным в промышленном производстве. К его основным параметрам можно отнести:

• Токопроводность.
• Мягкость.
• Отвердевание при воздействии высоких температур.
• Стойкость к плавке.
• Устойчивость к трению.

При пропускании через графит электрического тока происходит его нагревание. При этом материал в таких условиях не перегорает. Теплопроводность графита стала причиной его применения для изготовления щеток для двигателей, сердцевин батареек, контактов для электротранспорта.

Существует больше десяти видов графита, используемых в промышленности. Все они способны передавать электрический ток. Минимальное значение проводимости в интервале 300-1300 К. Лучшим проводником из графитов является рекристаллизованный.

В чистом виде минерал имеет твердость 1 по шкале Мооса. Это очень низкий показатель. Именно по этой причине для увеличения его твердости выполняется смешивание с глиной и запекание.

Низкая твердость стала причиной использования графитового порошка в качестве смазочного материала для трущихся деталей. Он добавляется в солидол. Графитная смазка превосходит все остальные по эффективности работы. К тому же она превышает обычные аналоги по термостойкости.

Графит становится более твердым при обжиге, даже без добавления в его состав глины. Однако его механическая прочность в таком виде слишком низкая. После обжига материал становится ломким. Включение глины компенсирует это свойство минерала.

Минерал не расплавляется при воздействии высоких температур. За счет этого он пользуется спросом для изготовления контактов для передачи больших токов. В условиях отсутствия воздуха возможен разогрев графита до предельных температур, при которых сталь просто превращается в жидкость. Такой же мощный подогрев в воздушной среде приводит к выгоранию материала. Чтобы его расплавить, требуется создать температуру порядка 3890°C.

При трении графитовые изделия начинают оставлять после себя след на боле твердых поверхностях. Благодаря этому качеству материал и применяется для изготовления простых карандашей. Из него делают их сердцевины.

Материал обладает хорошей теплопроводностью порядка 100 до 354,1 Вт/(м·К). Нужно отметить, что этот показатель сильно зависит от вида графита. Ввиду особой кристаллической решетки построения молекул графита, он обладает разной токопроводностью в зависимости от направления передачи электричества. В обычных условиях по этому свойству минерал практически приравнивается к металлу. При перпендикулярном направлении передачи скорость продвижения электричества замедляется в сотни раз.

Весьма необычным является то, что он сжимается при нагреве, а не расширяется как металлы, жидкости, дерево и т.д. Самый твердый материал алмаз образовывается в результате сильного давления на графит. Однако сам исходный минерал настолько мягкий, что его легко поцарапать ногтем. Отличительным качеством графита является тактильное ощущение жирности на его поверхности. За счет этой скользкости он может использоваться как для смазки трущихся деталей без добавления нефтепродуктов. Это особенно ценно для механизмов, работающих в условиях повышенных температур.

Виды природного графита

Свойства минерала отличаются, в зависимости из того, из какого сырья он образовался.

Различают следующие виды природных графитов:

• Тигельный.
• Литейный кристаллический.
• Аккумуляторный.
• Для изготовления пишущих грифелей.
• Элементарный.

Тигельный отличается высокой стойкостью к повышенным температурам. Он нормально переносит резкие колебания температуры. Материал отлично передает тепло. Из него делают огнеупорные изделия.

Литейный используется для изготовления форм для отлива металлов. У него малый коэффициент расширения. Он не теряет прочность при повышении температуры.

Аккумуляторный имеет подходящие качества для изготовления на его основе стержней, которые используются в батарейках, аккумуляторах и прочих изделиях, задействованных в накоплении электрической энергии. Он не заменим при изготовлении литий-ионных АКБ.

Где используется графит

Область потребления графита очень община. Из него делают разные изделия в таких областях:

• Машиностроение.
• Химпромышленность.
• Металлургия.
• Изготовление стройматериалов.
• Атомная энергетика.
• Медицина.
• Производство электрооборудования в частности накопителей заряда.

Большие графитовые стержни применяются в качестве замедлителя нейтронов. Путем их погружения, возможно остановить работу ядерного реактора. Графитовые изделия имеют большую сферу использования в металлургии. Они применяются для изготовления тиглей для плавки металла. Также их них изготавливают формы для заливки стали. Минерал используется для насыщения железа углеродом. Это важный компонент для повышения твердости металлов. Графитовым порошком посыпаются литейные формы. В этом случае он применяется в качестве разделителя, препятствующего прилипанию металла к ним.

Существенная часть добываемого графита используется в сфере машиностроения. Из него делают скользящие контакты для электромоторов, генераторов. Также нашли широкое применение подшипники из графита. На его основе делают электростатическое покрытие, нагревательные элементы, электроды. С повышением популярности литий-ионных аккумуляторов, потребление графита увеличилось, так как он используется для их производства.

Искусственный графит

Образование графита в природе является долгим процессом, который сопровождается воздействием высоких температур. Сделать минерал со схожей кристаллической решеткой на основе углерода можно и искусственно. Такие технологии получили распространение.

Разделяют следующие виды искусственного графита:

• Ачесоновский.
• Рекристаллизованный.
• Пиролитический.
• Доменный.
• Карбидный.

В отдельных случаях его производство искусственным способом является экономически целесообразно, так как фактические физические и химические качества такого материала могут быть уникальными, подходящими для конкретных способов применения. Так, ачесоновский графит производится путем нагрева кокса и пека, смешанных в строгой пропорции, до температуры 2800°C. Это один из самых бюджетных и простых методов получения минерала искусственным путем.

Рекристаллизованный способ производства подразумевает механическую обработку смеси кокса, пека, природного графита и специальных карбидообразующий добавок под воздействием высокой температуры. В результате кристаллическая структура включений минерала перестраивает прочие компоненты под себя.

Пиролитическим способом производят так называемый электро-графит, используемый в сфере электроники. Его получают методом пиролиза углеродов в газообразном состоянии в условиях вакуума при воздействии температуры 1,5 тыс. градусов. Это продолжается до образования пироуглерода, который для формирования графита доводится до температуры 3 тыс. градусов под давлением не менее 50 МПа.

Доменный образовывается в результате медленного охлаждения объемных масс чугуна. В результате длительного температурного воздействия образуются большие графитовые включения. Карбидный получают в результате разложения карбидов под воздействием высоких температур.

Источник