PRZEMYSŁOWE ZASTOSOWANIA GRAFITU

Grafit to alotropowa odmiana węgla o charakterystycznej heksagonalnej budowie kryształów, której konsekwencją jest jedna z najwyższych znanych w przyrodzie wytrzymałości i unikalne właściwości fizyczne. Materiały grafitowe stosowane w przemyśle nigdy nie posiadają w pełni wykształconej struktury, raczej są formą przejściową pomiędzy węglem amorficznym a kryształem grafitu. Ich właściwości, a przez to jakość są ściśle skorelowane ze stopniem grafityzacji, strukturą wewnętrzną i zawartością zanieczyszczeń, która nie przekracza 10ppm w najlepszych grafitach.

Grafit – powszechna i znana substancja choćby z wkładów ołówkowych, zyskał ogromne znaczenie w technice. Posiada wiele form i zastosowań przemysłowych, niejednokrotnie o kluczowym znaczeniu w budowie maszyn. Dla tych celów możemy sklasyfikować trzy najbardziej znane rodzaje grafitów. Grafit naturalny, który jest wynikiem metamorfizmu skał bogatych w związki organiczne podobnie jak węgiel kamienny, z tym że proces ten przebiegał w znacznie dłuższym czasie geologicznym. Złoża grafitu występują w dużym rozproszeniu, zarówno w formie amorficznej (grafit czarny) jak i w formie krystalicznej jako grafit płatkowy (srebrzysty) o charakterystycznej łuskowej strukturze.

Grafit syntetyczny wytwarzany jest w procesie przemysłowym, jako różnego rodzaju wyroby kształtowane z materiałów o wysokiej zawartości węgla, jak koks naftowy i antracyt. Surowiec wejściowy jest mielony a następnie formowany i spiekany w pożądane kształty, które po impregnacji są grafityzowane w wysokich temperaturach, powyżej 2500°C.

Grafit ekspandowany – miękki i elastyczny materiał wytworzony przez eksfoliację kryształów grafitu interkalowanego atomami siarki lub fluoru. W wyniku prasowania wyekspandowanej masy, uzyskuje się materiały w formie profili, przędzy lub foli, które dziedziczą wysoką odporność grafitu a zarazem uzyskują giętkość i elastyczność podobną do elastomerów i materiałów włóknistych.

Unikalne właściwości grafitu

Grafit łączy w sobie zarówno cechy materiałów ceramicznych jak i pewne właściwości metali, przy tym posiada właściwości smarne i niezwykłą wręcz odporność na zużycie i wpływy środowiska zewnętrznego.

Wysoka przewodność cieplna grafitu plasuje go na poziomie większości metali, przekracza przewodność żelaza i stali a ustępuje miedzi i aluminium. Dobre przewodnictwo grafitu wpływa na jego wysoką odporność termiczną oraz zabezpiecza przed uszkodzeniem lub przegrzaniem w aplikacjach dynamicznych, jako elementy uszczelniające, łożyskujące, ślizgowe.

Niska reaktywność i odporność na większość czynników chemicznych. Grafit jest chemicznie stabilny w normalnych warunkach oraz odporny na większość kwasów i alkaliów, poza silnie utleniającymi jak woda królewska i ciekły tlen. Natomiast w temperaturach powyżej 450°C, grafit może reagować z tlenem lub parą wodną z otoczenia a także może rozpuszczać się w niektórych ciekłych metalach oraz tworzyć węgliki. Grafit nie topi się jak większość ciał stałych w wysokich temperaturach, lecz ulega sublimacji. W atmosferze redukcyjnej może z powodzeniem pracować do 2500°C.

Ogniotrwałość i odporność na szoki cieplne. Ogniotrwałość materiałów zwykle określa się następującym empirycznym wzorem:

R=(Przewodność cieplna * wytrzymałość mechaniczna) / (Wsp. rozszerzalności * Moduł Younga)

W przypadku grafitu połączenie dobrej przewodności cieplnej z wytrzymałością mechaniczną, plasuje go bardzo wysoko wśród najlepszych materiałów ogniotrwałych. Dodatkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej grafitu w stosunku do innych materiałów wysokotemperaturowych sprawia, iż jest on wyjątkowo odporny na szoki cieplne.

Wytrzymałość mechaniczna w wysokich temperaturach. W przeciwieństwie do innych wysokotemperaturowych materiałów konstrukcyjnych, wytrzymałość mechaniczna grafitu rośnie wraz ze wzrostem temperatury i podwaja swoją wartość w temperaturze 2400°C. Ta osobliwa cecha powoduje, że grafit jest często lepszym materiałem konstrukcyjnym w warunkach wysokich temperatur niż stopy na bazie trudnotopliwych metali. Ponadto grafit posiada relatywnie niską gęstość na poziomie 1,6 do 1,9g/cm3, dlatego jego wytrzymałość względna i efektywność w konstrukcjach może być jeszcze wyższa.

Przewodność elektryczna. Zdolność grafitu do przewodzenia prądu elektrycznego sprawia, iż obok wolframu, molibdenu i wanadowców jest on jedynym przewodnikiem wysokotemperaturowym o powszechnym zastosowaniu. Cecha ta w połączeniu z wysoką odpornością na zużycie powoduje szerokie zastosowanie grafitu w elektrotechnice, metalurgii i przemyśle maszynowym. Co ważne, przewodnictwo grafitu wzrasta wraz ze wzrostem temperatury w zakresie od 400 do 600°C, co jest jego osobliwą i kluczową cechą w zastosowaniu jako elektrody dużych mocy w piecach łukowych. Rezystywność grafitu można również kontrolować w procesie produkcyjnym stosując modyfikowane materiały wsadowe lub nasycając gotowe wyroby metalami.

Samo-smarowność i wysoka odporność na zużycie. Ze względu na łuskową budowę kryształów grafitu i łatwość odrywania się i przesuwania płaszczyzn, grafit pokrywa powierzchnie elementów roboczych maszyn cienkim filmem grafenowym. Powoduje to efekt smarowania laminarnego w każdych warunkach, nawet po wyschnięciu innych smarów, także w wysokich temperaturach. Strukturę łuskową grafit zachowuje nawet przy dużym pozornym zużyciu i przy największym rozdrobnieniu.

Grafit amorficzny i płatkowy

Grafit amorficzny jest to najbardziej powszechna i ekonomiczna odmiana grafitu naturalnego. Niestety jest on silnie zanieczyszczony, a jego struktura jest formą przejściową pomiędzy węglem amorficznym a grafitem. Tych wad jest pozbawiony grafit płatkowy, który jest odmianą grafitu naturalnego o wysoko uporządkowanej strukturze krystalicznej. Posiada charakterystyczny metaliczny połysk i często jest nazywany grafitem srebrzystym lub krystalicznym. Charakter budowy przestrzennej grafitu płatkowego powoduje łatwość zrywania wiązań pomiędzy sąsiednimi płaszczyznami i tworzenie struktury łuskowatej. Konsekwencją tej struktury jest wysoka anizotropia właściwości fizycznych grafitu. Twardość, wytrzymałość i przewodność w kierunku równoległym do osi krystalitów przewyższa wielokrotnie wartości w kierunku prostopadłym.

Podstawą klasyfikacji grafitów naturalnych jest zawartość węgla oraz granulacja. Większość gatunków występuje w postaci proszków, ale grafit płatkowy dostępny jest też w postaci ciekłych dyspersji, past i gotowych smarów. Wśród najważniejszych zastosowań grafitu należy wymienić:

Odlewnictwo – grafit płatkowy w postaci dyspersji i proszków wykorzystywany jest na powłoki odlewnicze, gdzie ponadto spełnia rolę pokrycia ogniotrwałego zabezpieczającego odlewy przed powstawaniem wad zewnętrznych i strupów. Grafit jest również świetnym dodatkiem do mas formierskich i rdzeniowych, zwiększa ich odporność termiczną, plastyczność i skłonność do wydzielania węgla błyszczącego.4

Materiały ogniotrwałe – grafity wielkopłatkowe FG wykorzystuje się do produkcji: czarnych materiałów ogniotrwałych, tygli, retort, elementów wymurówek pieców. Dodatek grafitu uplastycznia masę i ułatwia formowanie, ponadto podnosi jakość wyrobów gotowych, podnosi ich ogniotrwałość, odporność chemiczną, znacznie redukuje tarcie i współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Smary specjalne – do produkcji smarów w postaci past i zawiesin koloidalnych stosuje się mikroproszki grafitowe MG. Grafit może być ekonomicznym ekwiwalentem dwusiarczku molibdenu i dodatkiem uszlachetniającym do smarów litowych, wapniowych czy mas bentonitowych, podnosząc ich trwałość w wysokich temperaturach. W większości zastosowań dodatek grafitu powoduje obniżenie współczynnika tarcia, szczególnie przy dużych obciążeniach i zmniejszenie zagrożenia w urządzeniach narażonych na udary i przegrzanie. Obecność grafitu w środkach smarnych gwarantuje utrzymanie właściwości smarnych w długim czasie eksploatacji, nawet po zużyciu i wyschnięciu innych komponentów smaru.

Powłoki antystatyczne – ze względu na dobre przewodnictwo elektryczne, grafit wykorzystuje się jako pasywator ładunków w powłokach antyelektrostatycznych. Jest sprawdzonym komponentem przy produkcji kurtyn przeciwwybuchowych, wykładzin i foli górniczych. Jest dodatkiem do posadzek, powłok przewodzących i antystatycznych.

Okładziny cierne i hamulcowe – do produkcji okładzin ciernych i hamulcowych stosuje się grafit drobnopłatkowy MG o średniej czystości. Dodatek grafitu do materiału ciernego zwiększa jego przewodność cieplną, odporność na ścieranie i szybkie zmiany temperatury. Pozytywnie wpływa na ich niezawodność i trwałość w dłuższym czasie.

Protektory przeciwzapalne – grafit modyfikowany EG o właściwościach ekspandujących dodaje się jako środek powodujący wzrost odporności ogniowej (antypiren) do różnego rodzaju izolacji, tworzyw i barier przeciwogniowych. Grafit stanowi dodatek od 2% do 10% w całej masie tworzywa w zależności od rodzaju i przeznaczenia. Dodatek antypirenu grafitowego obniża palność tworzyw na zasadzie połączenia efektów kilku zjawisk. W początkowej fazie grafit działa ekranując promieniowanie cieplne, nie pozwala na nadmierny wzrost temperatury, następnie grafit pęcznieje i tworzy powłokę izolacyjną, w końcu wyekspandowany grafit tworzy ogniotrwałą osłonę przed dostępem tlenu i płomieni do głębszych warstw materiału.

Grafit płatkowy wykorzystuje się także: do produkcji farb i powłok antykorozyjnych, do produkcji i impregnacji materiałów uszczelniających i izolacyjnych, do produkcji powłok i oddzielaczy kuźniczych, produkcji rdzeni bateryjnych, elektrod i akcesoriów elektrotechnicznych, przy wytwarzaniu kompozytów i plastików, węglików spiekanych, cermetali, materiałów wybuchowych i w technice laboratoryjnej.

Syntetyczny grafit prasowany

Grafit prasowany jest to syntetyczny materiał węglowy o strukturze kryptokrystalicznej, wytworzony w procesie wypalania i grafityzowania materiałów na bazie prekursorów węglowych. Typowym półproduktem z grafitu prasowanego są elementy w kształcie płyt, prętów, walców i dużych bloków o wadze do kilkuset kilogramów. Półprodukty grafitowe możemy sklasyfikować w trzech podstawowych kategoriach, są to:

Grafity prasowane przelotowo i zagęszczane wibracyjne o dużym ziarnie i wysokiej anizotropii, przeznaczone na elektrody i elementy konstrukcyjne. Jest to produkowany masowo, najszerzej stosowany rodzaj grafitu w przemyśle,
Grafity prasowane matrycowo, o strukturze drobnoziarnistej, ziarno na poziomie 10 - 100 μm. Materiał w miarę jednorodny, ale wykazujący pewną anizotropię w kierunku prasowania. Średni koszt wytwarzania i szerokie spektrum zastosowań,
Grafity izostatyczne o jednorodnej i izotropowej strukturze, o mikroziarnie na poziomie 2 do 20 μm. Mimo, iż są wytwarzane bardzo kosztową metodą CIP, są konieczne i wymagane w wielu nowoczesnych aplikacjach.

Zastosowania grafitu prasowanego

Coraz wyższe oczekiwania w stosunku do właściwości materiałów konstrukcyjnych maszyn i urządzeń, powodują ciągły wzrost zapotrzebowania na wysokiej jakości wyroby z węgla i grafitu. Materiały te spełniają wysokie kryteria wytrzymałościowe, ponadto są neutralne dla zdrowia i środowiska co czyni je tworzywem nowoczesnym a zarazem łatwym do zastosowania. Ponad połowę produkcji grafitu prasowanego zużywa się w formie elektrod w piecach łukowych EAF do topienia metalu. Jednak szybko wzrasta zużycie grafitu w wielu innych dziedzinach przemysłu, zarówno tradycyjnych, jak i najnowszych zastosowaniach. Są to:

elementy pieców próżniowych, wirniki i łopatki pomp próżniowych,
elementy maszyn wirujących pierścienie, łożyska i panewki,
elektrody do pieców przemysłowych, w metalurgii, chemii i galwanotechnice,
akcesoria odlewnicze, tygle, krystalizatory, formy odlewnicze,
elementy aparatury chemicznej, wymienniki ciepła i elementy przyrządów pomiarowych,
wysokotemperaturowe elementy grzewcze, matryce dla elektroniki,
elektrody wgłębne do EDM i komutatory maszyn elektrycznych,
rafinatory, wykładziny i anody do elektrolizy metali.

Dobór właściwego gatunku grafitu dla określonej aplikacji wiąże się ze specjalistyczną wiedzą w zakresie ich parametrów i struktury wewnętrznej. Nierzadko na przydatność grafitu, oprócz parametrów fizycznych, wpływają także czynniki związanie ze specyfiką procesu produkcyjnego, rodzajem użytego prekursora i impregnatów.

Grafit ekspandowany

Technologia produkcji tego materiału został opracowana stosunkowo niedawno, polega na rozbiciu kryształów grafitu na pojedyncze warstwy grafenowe i ponownym scaleniu go w homogeniczną strukturę, najczęściej w postaci foli. W procesie produkcyjnym stosuje się precyzyjne linie do walcowania, które gwarantują stabilność wymiarów i gęstości w całej masie, co w konsekwencji ma decydujący wpływ na jakość różnego rodzaju produktów końcowych.

Wyroby z grafitu elastycznego, jak płyty, uszczelki i szczeliwo dławnicowe, przeznaczone są do wykonywania uszczelnień technicznych o najwyższych parametrach, pracujących głownie w instalacjach energetycznych i przemysłowych pod ciśnieniem do 1000 barów. Grafit elastyczny również wykorzystuje się do produkcji innych uszczelnień, jak: taśmy uszczelniające, uszczelnienia spiralne i wielokrawędziowe, pierścienie dławnicowe typu GDR do armatury przemysłowej, uszczelki płaskie w połączeniach kołnierzowych, różnego rodzaju uszczelnienia formowane, a także uszczelki dla przemysłu motoryzacyjnego.

Odporność temperaturowa czystej foli grafitowej wynosi ponad 2000°C, z tego względu materiał ten wykorzystuje się również na elementy wysokotemperaturowe w piecach przemysłowych, kontakty elektryczne i elektrody grzejne w piecach próżniowych, jako elastyczny a zarazem przewodzący materiał ogniotrwały. Wielkość produkcji materiałów z grafitu elastycznego ciągle wzrasta i przekracza obecnie 200 tys ton rocznie. Stanowi to około 10% całego zużycia wyrobów grafitowych w przemyśle.