RU2493099C2 - Способ получения графита и композитов на его основе из водяной суспензии частиц углеродосодержащих материалов и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано в химической промышленности и в электротехнике. Во внутренней полости емкости 3 размещают водяную суспензию, содержащую, об.%: частицы кокса 4 с размерами 1-8 мкм - 50-70%; остальное - вода. В суспензию дополнительно вводят частицы окиси алюминия и/или окиси кремния с такими же размерами в количестве 1-10 об.%. На суспензию воздействуют переменным вращающимся магнитным полем напряженностью 5×10⁴÷1×10⁶ А/м и частотой 40-70 Гц, которое формируют рабочие элементы 1, выполненные в виде состыкованных между собой пластин из магнитопроводящего материала, образующих замкнутый прямоугольный контур. В теле составляющих контур отдельных деталей размещены три обмотки-катушки 2, каждая из которых соединена с соответствующей фазой внешнего трехфазного источника электрического питания. На верхнем торце емкости 3 установлена изолирующая крышка 8. На дне емкости 3 проложен заглушенный с торца патрубок 6, в стенках которого выполнены отверстия перфорации 7 для подачи в придонные слои струй сжатого воздуха под избыточным давлением 0,1÷0,6 кгс/см², создающих «кипящий слой». Время обработки 6-20 минут. Изобретение позволяет получать различные композиционные материалы из дешевого и доступного сырья, снизить затраты, упростить конструкцию устройства и процесс за счет сокращения количества стадий. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 6 пр.

Description

Изобретение относится к областям химической промышленности, в которых с помощью используемых там технологий обеспечивается получение графита из содержащего углерод сырья, а также включающих в свой состав добавки других соединений композитов на его основе, предназначенных для удовлетворения, в случае их применения по прямому назначению, соответствующих нужд существующих химических и электротехнических отраслей производства.

В настоящее время искусственно синтезируемый графит получают, используя достаточно сложную и многоэтапную технологию.

Последняя включает в себя операции нагрева кокса и пека до температуры 2800°С. Из полученных при осуществлении этой операции газообразных углеводородов при температуре 1400-1500°С в условиях вакуума формируют пироуглерод. Из последнего при температурах, равных 2500-3000°С, и давлении 50 МПа в конечном итоге и синтезируется необходимый для удовлетворения соответствующих нужд промышленного производства так называемый "электрографит".

См. статья «Графит» в Интернете:

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B8%D1%82

Как видно из описания, указанная известная методика получения графита связана с необходимостью привлечения для ее выполнения существенных затрат, необходимых для ее реализации материальных и финансовых ресурсов.

Известен также способ получения графита, в соответствии с которым прошедший операции по измельчению и прокалке кокс смешивают с каменноугольным пеком в заданной технологией пропорции. Полученную смесь подвергают термоваккуумной обработке при давлении 80-320 гПа и температуре 280-320°С в течение 1-10 часов.

Затем сформированную таким образом коксопековую композицию размалывают и формируют из нее пресс-порошок, из которого и осуществляют прессование самих заготовок. В последующем полученные указанным выше образом заготовки обжигают при 1000-1300°С и графитируют при 2600-3000°С. Полученный в итоге всего этого тонкозернистый графит имеет прочность на сжатие 80-120 МПа, плотность - 1,75÷1,85 г/см³ (см. патент RU 2257341; С01В 31/04; опубликован 27.07.2005 г. "Способ получения тонкозернистого графита" - далее прототип).

Однако получение графита и в соответствии с этим, указанным выше способом - прототипом, также связано с необходимостью привлечения в ходе его осуществления недопустимо высоких материальных и финансовых затрат.

Это обстоятельство обуславливается прежде всего тем, что обработка исходного сырьевого материала осуществляется при высоких температурах и в течение длительных промежутков времени, а также при давлении в используемой для осуществления этого процесса емкости, значительно отличающемся от атмосферного.

Таким образом, из приведенного выше описания известного способа - прототипа можно выявить наличие следующих, характеризующих особенности его выполнения, существенных технических признаков.

Во-первых, перед началом осуществления процесса обработки, исходное сырье, содержащее углерод, в данном случае это кокс, закладывают во внутреннюю полость емкости, изолированную от окружающей ее среды.

Во-вторых, на такое обрабатываемое сырье в процессе выполнения его преобразования в необходимый конечный продукт воздействуют специально создаваемым для этого физическим полем. Наложение его осуществляется на используемый сырьевой материал непосредственно в самой зоне его переработки.

В качестве же такого, генерируемого для выполнения этой цели внешнего физического поля в известном способе прототипе применяется температурное.

Как очевидно следует из описания особенностей выполнения указанного выше известного способа получения графита, используемое для его осуществления устройство содержит в своем составе емкость, во внутреннюю полость которой осуществляется загрузка содержащего углерод исходного перерабатываемого сырья.

Кроме того, для формирования внешнего воздействующего на сырье, физического поля, в данном случае температурного, в состав такого рода устройства должны входить нагревательные рабочие элементы, при помощи которых и обеспечивается генерация последнего.

В процессе осуществления рабочего цикла указанные выше элементы устройства должны быть связаны с внешним источником их питания, обеспечивающим подачу к ним необходимой для из функционирования электрической энергии.

Однако применения только одного этого набора из указанных выше технических признаков, используемых для выполнения синтеза графита, а также участвующего в ходе выполнения этого известного способа устройства, оказывается недостаточным для осуществления радикального снижения привлекаемых для его реализации и расходуемых в ходе получения такого конечного продукта материальных и финансовых ресурсов.

Целью предлагаемого изобретения является существенное сокращение затрат, необходимых для осуществления процесса получения графита из исходного сырьевого материала, а также формирование предпосылок для синтеза целого ряда композитных материалов на основе последнего с резко отличающимися от последнего техническими характеристиками.

Достижение указанной выше цели в предлагаемом способе и устройстве обеспечивается за счет наличия действия следующих факторов.

Предлагаемый способ включает в себя размещение исходного углеродосодержащего сырья, в качестве которого используется кокс, во внутренней полости емкости. Внутренний объем этой емкости изолирован от окружающей среды. При выполнении предлагаемого способа на размещенное в емкости сырье воздействуют генерируемым для осуществления его преобразования в конечный продукт физическим полем. Формирование последнего выполняется непосредственно в зоне его влияния на исходную сырьевую массу.

Используемое при осуществлении предлагаемого способа устройство состоит из следующих элементов. Прежде всего, оно содержит емкость для размещения в ней обрабатываемой сырьевой массы. В состав его также входят рабочие элементы, обеспечивающие формирование воздействующего на составляющие сырье частицы физического поля. Указанные выше рабочие элементы подключаются к внешнему источнику электрического питания.

Новым в предлагаемом способе является то, что в качестве объекта для проведения такого преобразования, выступает водяная суспензия, полученная из частиц кокса с размерами от 1 мкм до 8 мкм. Объем этих частиц, определяемый относительно всего объема полости, которая ими заполняется, составляет величину в 50-70% от всей величины последнего. В качестве же преобразующего сырьевую массу физического поля используется переменное вращающееся магнитное. Напряженность последнего, замеренная в самой зоне обработки, составляет 5×10⁴÷1×10⁶ А/м, а частота 40-70 Гц. При осуществлении же обработки, сама эта емкость с загруженным в нее обрабатываемым сырьем выполняет функции замыкающего соединительного звена для генерируемого применяемой магнитной системой и создаваемого в ней потока.

Помимо всего изложенного выше в состав содержащей частицы кокса водяной суспензии могут дополнительно вводиться частицы окиси кремния, или частицы окиси алюминия, или те и другие вместе. Частицы указанных выше соединений имеют те же габаритные размеры, что и коксовые, а их содержание относительно объема самой суспензии равняется величине от 1% до 10% у каждого их вида.

При выполнении предлагаемого способа еще дополнительно в толщу получаемого в процессе обработки донного осадка производится подача струй сжатого воздуха под избыточным давлением, равным 0,1÷0,6 кгс/см², создающих в этой области так называемый "кипящий слой".

Новым для предлагаемого устройства же является то, что его рабочие элементы выполнены в виде состыкованных между собой пластин из магнитопроводящего материала. Такие элементы образуют в процессе их монтажа замкнутый прямоугольный контур. В теле же составляющих этот контур отдельных деталей размещены три обмотки - катушки. Каждая из них соединена с соответствующей фазой внешнего трехфазного источника электрического питания. В одном же из входящих в состав контура элементов выполнен сквозной паз, габариты которого обеспечивают размещение в нем содержащей водяную суспензию емкости.

Кроме всего этого, на верхней части емкости на ее торце, устанавливается крышка, изолирующая внутренний объем последней от прямой его связи с окружающей внешней средой. На дне этой емкости проложен заглушенный с торцевой части патрубок, в стенках которого выполнены отверстия перфорации. С их помощью обеспечивается вывод в окружающие его придонные слои обрабатываемого сырья струй подаваемого через них сжатого воздуха. Внутренняя полость такого патрубка сообщается с полостью внешней, подающей объемы последнего под избыточным давлением магистрали.

При использовании всего набора перечисленных выше особенностей выполнения предлагаемого способа, а также и в конструкции используемого при его проведении устройства, характер протекания процесса обработки в ходу ее осуществления, претерпевает следующие изменения.

На начальных этапах выполнения этого процесса проводиться подготовка исходной сырьевой массы, используемой для получения графита и композитов, содержащих в качестве основы последний.

Эта масса перед самым началом его осуществления проходит через операцию так называемого "ультратонкого помола".

Указанное выше измельчение применяемого кускового и зернистого материалов, а именно кокса, песка и глины, может быть выполнена с помощью любых известных на настоящее время технологий, например, с использованием для этого обыкновенных шаровых мельниц. После его завершения, полученная масса исходного материала превращается в мелкодисперсную пыль с входящими в ее состав частицами, имеющими габариты от 1 мкм до 8 мкм.

Прошедшая через помол масса частиц кокса, глины и песка затем просушивается в жарочном шкафу при температурах 120°С-150°С в течение 30-50 минут. При этом этап предварительной подготовки сырья к последующей его обработке можно считать законченным.

Полученная из кусков кокса, зерен глины и песка пылевидная масса затем помещается во внутреннюю полость емкости 3. Эта закладываемая в емкость 3 сырьевая масса впоследствии перемешивается с заполняющей ее внутреннюю полость водой, формируя при этом водяную суспензию с заданным технологией составом входящих в нее этих компонентов.

В итоге всего этого внутри последней и формируется устойчивая, густая, "грязеобразная" вязкая, водяная взвесь (исходя из принципа -"поменьше воды, побольше пыли").

В состав ее, как уже указывалось ранее, включены мельчайшие частицы каменноугольного кокса, а также необходимые для формирования композитов добавки - такие же по размерам частицы глины и песка. Содержание таких добавок в объеме получаемой суспензии, как тех, так и других, составляет 1-10%.

В случае необходимости получения изделий, содержащих только один графит, указанные выше добавки могут в ее составе отсутствовать и вовсе.

Операция перемешивания указанных выше компонентов в объеме емкости 3 может осуществляться при помощи любых известных технических приемов, например при помощи вводимой в емкость механической лопастной мешалки. После получения грязеобразной водяной суспензии емкость 3 закрывается крышкой 8 и устанавливается в сквозной паз "Б" генератора магнитного потока (см. фиг.1).

Перфорированный патрубок 6, используемый для подачи в емкость 3 сжатого воздуха после завершения операции ее установки в генератор, подсоединяется к подающей его внешней магистрали.

По окончании выполнения всех этих указанных выше переходов, все обмотки катушки 2 используемого генератора подключаются к соответствующим фазам внешнего источника питания (на чертеже не показан). Так как они размещены в окнах, выполненных непосредственно в объеме магнитопроводящих рабочих элементов 1 (на чертеже не показаны), то генерируемые ими отдельные магнитные потоки с помощью последних объединяются в единый суммарный.

Таким образом, в контуре создается общее магнитное поле, сформированное с помощью этих трех отдельных составляющих, полученных в зонах установки каждой из указанных выше обмоток катушек 2.

В силу того что подаваемый для их питания переменный ток в каждой отдельной из используемых для этого фаз внешнего источника имеет угловые сдвиги составляющих его синусоидальных волн относительно таких же соседних, то сформированное таким образом суммарное магнитное поле получается не только переменным, но и осуществляющим вращение в окружающей его пространственной области.

Следует еще обратить внимание и на то, что образующийся в контуре генератора при его включении суммарный магнитный поток будет стремиться замкнуть разорванные пазом "Б" его половины, как бы соединяя их в единое целое (т.е. сформировать своеобразную замкнутую "петлю").

В процессе осуществления этого он неизбежно производит "проскок" через внутреннюю полость емкости 3, заполненную частицами 4 обрабатываемой сырьевой массы.

Последняя выполняет в ходе осуществления такого рода его перехода из одной половины контура в другую роль замыкающего соединительного звена в применяемой для выполнения обработки этой искусственно созданной магнитной системы.

То есть она становится своеобразной "ступенькой", с опорой на которую этот переход между рабочими элементами 1 такого рода генератора и становится осуществимым с минимально обеспечиваемыми потерями энергии.

Все перечисленное выше позволяет получить максимальную величину степени концентрации силовых линий генерируемого в устройстве магнитного поля непосредственно в зоне проведения процесса получения из сырьевых частиц 4 конечного продукта их переработки - гранул 5, состоящих из графита и введенных в состав суспензии дополнительных добавок.

Соответственно, сформированный в этой же области результирующий вектор суммарного магнитного потока совершает там колебательные угловые перемещения, осуществляя при этом перенос зоны своего влияния на окружающие его частицы "сырья 4 по всем трем пространственным координатам (x; y; z).

К тому же в процессе этого последний меняет не только направление воздействия, но и саму свою величину (с заданной частотой 40-70 Гц).

Если соединить при помощи кривых линий точки нахождения конца оббегающего участки окружающего пространственного объема этого вектора, в течение заранее выбранного определенного временного промежутка, то получим фигуру, по очертанию наиболее близкую к трехмерному "эллипсоиду" (см. зону "Д" на фиг.1).

Сужение его переднего и заднего концов определяется увеличением магнитного сопротивления, неизбежно появляющегося ввиду возникновения монтажных зазоров "а" в момент установки емкости 3 в генератор.

Так как этот результирующий вектор совершает весь этот набор из указанных выше действий в заполненной обрабатываемой средой внутренней полости емкости 3, то на находящиеся там частицы сырья 4, а также и на молекулы углеродосодержащих газов - окиси углерода, метана, обрушивается целая серия периодически повторяющихся (40-70 Гц) "толчков" и "ударов". Под их влиянием неизбежно активируются составляющие и входящие в состав исходных компонентов атомы их молекул, электроны которых переходят на более высокие орбиты относительно его ядра.

При этом разрываются ранее возникшие ковалентные молекулярные связи, и в зоне обработки появляются ионы, формирующиеся из числа ранее входящих в состав исходных молекул элементов.

В самих же мелкодисперсных сырьевых частицах, благодаря появлению этих активированных внешним энергетическим воздействием свободных ионов, происходит перестройка исходной кристаллической решетки. Этому в не малой степени способствует и подвод извне в область протекания такого рода преобразований дополнительного "строительного материала" - ионов углерода.

Последние выполняют функции своеобразного "связующего", соединяющего между собой микроцентры появившихся в сырьевой массе и возникших там кристалликов графита.

Соединенные ионами углерода такого рода миникристаллы в процессе продолжающегося их объединения, протекающего в области обработки, преобразуются в "зародыши" требуемого конечного продукта.

Входящие же в состав исходной водяной суспензии частицы окиси кремния и окиси алюминия, в условиях подвода к ним все новых и новых порций активированных ранее ионов углерода, восстанавливаются с получением элементарных соединений из алюминия и кремния.

Протекающие при этом реакции можно представить в виде:

SiO₂+C⁺⁴Si⁺⁴+CO₂↑;

Al₂O₃+С⁺⁴+О^-2→2Al⁺³+2CO₂↑;

O²→O^-2+O^-2;

Эти вновь полученные из их соединений элементы, так как они окружены со всех сторон кристалликами образующегося в этой же зоне графита, встраиваются непосредственно в его создающуюся там кристаллическую решетку.

При этом они образуют в ней достаточно крепкие соединительные связи, надежно соединяющие их с основной массой входящих в нее и определяющих ее форму атомов углерода.

Так как полученные с применением указанного выше мощного энергетического воздействия такого рода "зародыши" из кристалликов графита с полученными в них "включениями" обладают достаточно высокой объемной плотностью (2,1-2,4 г/см³), то они оседают под действием сил гравитации, попадая при этом на дно емкости 3.

Перемещаясь в вертикальном направлении "зародыши" вновь полученного этого материала, захватывают по дороге мелкие частицы 4 окружающей их сырьевой массы, обзаводясь своеобразной "шубой", состоящей из прилипших к их поверхности последних. Попадая затем в самую нижнюю часть полости емкости 3, они создают там искусственно сформированный за счет действия перечисленных выше факторов "придонный слой". Как только в толщу последнего начинают поступать струи подаваемого под избыточным давлением (0,1÷0,6 кгс/см²) сжатого воздуха, то входящие в него составляющие под действием последних начинают совершать в толще окружающих их слоев сырья интенсивные колебательные перемещения. При этом там создается так называемый "кипящий слой".

Все указанные же выше процессы, обусловленные воздействием переменного вращающегося магнитного поля на входящие в "придонный слой" соединения протекают и в этой области точно так же, как и в остальных объемах обрабатываемой в устройстве сырьевой суспензии.

Отличия в выполнении такого рода процессов будет состоять лишь в том, что в условиях формируемого там "кипящего слоя" значительно возрастает количество подаваемых к "зародышам" появившихся там новых "строительных" элементов (ионов углерода; восстановленных с помощью первого атомов кремния и алюминия). Ионы же углерода, как указывалось ранее, генерируются из состава входящего в частицы кокса его соединений, а также из объемов подаваемого в зону обработки газов - окиси углерода, метана, входящих в состав используемого сжатого воздуха.

Все перечисленное выше позволяет существенно интенсифицировать процесс получения графита, а также композитов на его основе, из применяемого исходного сырья, а также создает условия для протекания формирования его в виде имеющих габаритные размеры от 3,5 до 14 мм достаточно крупных гранул.

Последнее обстоятельство становиться возможным в силу того, что подаваемые в область формирования конечного продукта в больших количествах ионы углерода "связывают" между собой мелкие "зародышевые" центры формирования новых структур, выполняя при этом роль объединяющего последние в единый "монолит" строительного раствора. В объем последнего плотно внедряются и восстановленные из содержащих их оксидов атомы добавок - алюминия и кремния, "навечно" застревая в его теле.

"Приклеенные" указанным выше образом одна к другой частицы полученных в этой области композитов на основе графита, в процессе продолжения обработки и преобразуются в гранулы 5, имеющие указанные выше габариты (3,5-14,0 мм).

Эти гранулы 5 накапливаются в придонной области 3, образуя там по окончании процесса обработки саму массу получаемого с помощью последней конечного продукта.

Осаждаемая же в этой области емкости 3 так называемая пустая порода, входившая ранее в состав частиц кокса и содержащая элементы - кальций, магний, кремний, превращается в крупнокусковые габаритные отходы, размещаемые в слое гранул 5. Габариты этих кусков существенно превышают размеры последних и составляют величину от 20 до 40 мм.

Вследствие наличия указанного выше фактора они легко отделяются от общей массы полученного конечного продукта при помощи обыкновенных калибровочных сит.

Преимущественное же формирование композитов на основе графита, в процессе выполнения мощного энергетического воздействия на обрабатываемую сырьевую массу, объясняется прежде всего тем, что только указанный выше перечень из такого рода материалов имеет кристаллическую структуру входящих в состав последних решеток, которые обладают минимально возможным значением своей внутренней энергии в условиях складывающегося в зоне обработки энергетического равновесия, из всего возможного набора варианта синтеза из присутствующих там соединений.

Следует обратить внимание еще и на то обстоятельство, что получаемая в результате проведения такого рода обработки кристаллическая структура, которая может состоять как из чистого графита, так и полученных композитов с включением алюминия и кремния в эту его основу, имеет несколько необычную пространственную конфигурацию. Образующие ее атомы углерода формируют объемные "короткие" шестигранники, которые представляют собой как бы отрезки, стыкуемые своими основаниями с соседними расположенными рядом. Такого рода "стыковка" осуществляется под определенным пространственным углом, формируемым взаимным пересечением их продольных осей симметрии. Соединяясь указанным выше образом, шестигранники создают пространственную цилиндрическую спираль, участок одного из ее витков изображен на фиг.3.

Рядом расположенные отдельные спирали входят в состав включающего их в достаточно большом количестве "жгута" той же формы. Из них и создается весь формируемый монолит получаемого указанным выше образом этого конечного продукта.

Вводимые в состав графита добавки - алюминия и кремния, приводят к уменьшению диаметра получаемой спирали из чистого графита, а также увеличивают количество получаемых витков по всей ее длине.

Т.е. спиральные цепочки, включающие в свой состав указанные выше элементы, приобретают более сильную "закрутку". Сформированные на их основе "пружинки" с уменьшенным диаметром и увеличенным числом витков приобретают большую "жесткость" и "упругость" - т.е. имеют более высокие прочностные показатели в процессе выполнения соответствующих механических испытаний.

Аномальное строение этой получаемой кристаллической структуры обеспечивает условия для возникновения еще одного, очень неожиданного эффекта.

Удельное объемное сопротивление ρ в указанных выше материалах изменяется под нагрузкой по нелинейному закону (см. график на фиг.2).

В процессе увеличения последнего на получаемой измерением ρ кривой во всех случаях, появляются два четко выделяющихся на этом графике "горба", после второго из которых график плавно спускается вниз и практически переходит в параллельную оси ординат линию.

Такой тип получаемого при измерении величины ρ графика сохраняются как в случае проведения испытаний для структур на основе "чистого" графита без введения в его состав каких-либо добавок, так полученных на его основе композитов (с Al или Si; или Al+Si). В случае наличия в составе полученной "спиралеобразной" кристаллической структуры указанных выше элементов, формирующиеся на графике функции ρ=f(U) "горбы" становятся более ярко выраженными. Таким образом, введением в состав исходной сырьевой массы на основе частиц кокса мелких зерен из глины и песка - в количествах от 1% до 10%, можно осуществлять регулировку как величины получаемых показателей механической прочности и твердости, так и характера изменения функции ρ=f(U), где ρ - удельное объемное сопротивление; a U - значение прикладываемого к образцу из полученного композита напряжения нагрузки.

Такой вид зависимости ρ=f(U) позволяет предполагать, что использование указанных выше композитов становится возможным для заполнения рабочей полости в ограничителях предельной нагрузки (ОПН), и они могут применяться в них как основной функциональный материал.

Увеличение же прочностных показателей последних обуславливает создания ряда предпосылок для их применения в качестве основы для формирования тяжелонагруженных элементов устройств, работающих в условиях интенсивного износа (например, в подшипниках скольжения).

Концентрацией вводимых в суспензию из графита указанных выше добавок можно обеспечить регулировку получаемых в процессе обработки как прочностных, так и электрических параметров самого вырабатываемого конечного продукта в достаточно широком диапазоне этого рода показателей. Элементы, формирующиеся в процессе ее выполнения из составляющих эти добавки соединения, прочно встраиваются в получающуюся спиралеобразующую кристаллическую структуру, сохраняя там одно и то же крепко зафиксированное «вечное» положение. Вводимые в состав графитовой решетки указанные выше добавки в зависимости от предъявляемых требований к получаемому на конечных этапах переработки композитному материалу могут применяться как порознь, так и обе разом (Al, Si).

Целесообразность же применения для проведения переработки используемой сырьевой массы именно в виде грязеобразной вязкой водной суспензии объясняется следующими соображениями. Во-первых, использование ее позволяет компактно разместить на достаточно близких расстояниях все участвующие в протекании процесса формирования спиралеобразной кристаллической решетки и обеспечивающие ее интенсивный рост компоненты, как частицы кокса, так и дополнительно вводимые в сырьевую массу добавки. Т.е. вода обеспечивает их плотный охват. При этом все эти указанные соединения за счет тщательного выполнения операции предварительного перемешивания всегда оказываются более или менее равномерно распределенными по всем зонам используемого объема полости самой емкости, в т.ч. и в ее рабочей.

Во вторых, суммарное магнитное сопротивление такой искусственно созданной вязкой субстанции значительно меньше того, что возникло бы если бы сырьевую смесь формировали бы прямо в столбе заполняющего емкость 3 воздуха.

Снижение же магнитного сопротивления облегчает проведение процесса переработки исходного сырья в необходимые конечные продукты, уменьшая затраты необходимой для этого применяемой электрической энергии и сокращая само время этой обработки. Количество используемой для формирования вязкой суспензии умягченной воды невелико, ее употребляемый с этой целью объем составляет 30-50% от всего объема перерабатываемого продукта.

Применяемую для осуществления процесса умягченную воду получали при помощи обыкновенного, широко используемого лабораторного дистиллятора.

Следует обратить внимание еще и на то, что сама предложенная обработка выполняется при комнатных температурах (14-32°C) и с использованием диапазона давлений, лишь незначительно отличающихся от атмосферного (выше на 0,1÷0,6 кгс/см² исходного).

Выход конечного продукта из используемой сырьевой массы находиться в пределах 58-64% в зависимости от содержания в самом исходном сырье составляющих конечный продукт компонентов (коксового остатка; окиси кремния, окиси алюминия).

"Продувка" пузырями подаваемого со дна емкости 3 сжатого воздуха (барботаж с помощью последнего) из проложенного там подающего перфорированного патрубка 6, с одной стороны, поддерживает равномерность распределения составляющих вязкую взвесь компонентов во внутреннем объеме полости, а с другой стороны выполняет функцию поставки к участвующим в процессе синтеза "конечного продукта" соединениям необходимого строительного материала - ионов углерода.

И то, и другое обеспечивает создание условий для проведения процесса формирования композитов из взвеси в оптимально возможных и созданных специально с этой целью условиях.

В качестве основного сырья, используемого для получения графита, применяется каменноугольный кокс, имеющий следующие показатели:

содержание углерода - 97%

пористость кокса - 40%

плотность кокса - 1,94 г/см³

зольность - 3%

предел прочности при срезе - 12,2 МПа

теплота сгорания - 29,6 мДж/кг

выход летучих веществ - 0,8%

Получаемый с помощью обработки конечный продукт, в данном случае чистый графит, обладает следующими техническими характеристиками.

Его объемная плотность составляет 1,9-2,0 г/см³.

Объемная плотность полученных с применением такого графита композитных материалов, содержащих либо кремний, либо алюминий, либо тот и другой элемент вместе составляет от 2,1 до 2,4 г/см³.

Удельное объемное сопротивление ρ в случае получения чистого

графита, не содержащего никакие примеси - 17 нОм·м.

У композитных материалов это значение составляет 19-21 нОм·м.

Содержание графита в конечном продукте достигает значения (по содержанию углерода - 99,981%).

Практически то же самое значение имеют полученные конечные продукты на основе вводимых в суспензию добавок (с учетом включения в графит Si; Al) - 98,97%.

Значение твердости полученного в соответствии с предлагаемой обработкой графита HV=160 ед. Для композитов на его основе HV=180 ед. Переработка полученных в ходе переработки сырьевой массы гранул как чистого графита, так и композитов на его основе в электротехнические изделия может в дальнейшем осуществляться с помощью выполнения с ними операций прессования или экструдирования.

Время проведения обработки составляет обычно 6-20 мин (0,1-0,33 часа).

Далее выполнение предлагаемого способа иллюстрируется с помощью указанных ниже примеров:

Пример 1. Для получения гранул из одного только чистого графита использовались куски кокса, характеристики которого были указаны выше.

Перед началом осуществления процесса обработки проводилось измельчение кускового кокса, в ходе выполнения которого последние превращались в "пыль", состоящую из частиц с габаритными размерами 1-8 мкм. Для осуществления этой операции была использована шаровая мельница. Полученная по ее окончании сырьевая масса проходила "просушку" в жарочном шкафу при 120°С в течение 50 минут. По завершении и этого этапа она засыпалась в полость емкости 3 с вместимостью 5 литров. Объем засыпаемых туда такого рода частиц кокса составлял 60% относительно имеющегося у нее собственного внутреннего.

Полученная пылевидная масса затем заливалась соответствующим количеством умягченной воды - оставшаяся часть объема в 40%.

Полученная сырьевая двухкомпонентная сырьевая масса перемешивалась при помощи лопастной механической мешалки (на чертеже не показана). Этим самым обеспечивалось формирование в полости емкости 3 густой грязеобразной однородной водяной суспензии, содержащей в своем составе пылевидные частицы кокса и воду.

По окончании и этого этапа емкость 3 закрывалась крышкой 8 и проводился ее монтаж в установочный паз "Б" генератора магнитного поля (см. фиг.1).

После того как емкость 3 была помещена на свое "штатное" место, производилось подсоединение перфорированного патрубка 6 к внешней, подающей сжатый воздух магистрали.

До этого момента времени вытекание вязкой взвеси из полости емкости 3 через отверстия перфорации 7 и внутреннюю полость патрубка 6 наружу предотвращалась с помощью установленного в нижней части последнего обратного клапана (на чертеже не показан). Но даже и при его отсутствии, ввиду большой вязкости, полученной в емкости водяной суспензии, ее потери на такое "просачивание" имели бы величину незначительную.

Поэтому установка последнего в данной зоне не является условием обязательным.

После подключения сжатого воздуха, поступающего сначала в патрубок 6 под избыточным давлением, а потом через отверстия перфорации 7 и ко всему объему помещенной в емкость 3 вязкой водяной взвеси, производилась и подача питания на все три обмотки катушки 2 генератора магнитного поля, за счет соединения последних с соответствующими фазами внешнего источника снабжения их электрической энергией.

Замеренная при помощи датчика Холла и измерительного моста напряженность возникшего при этом в зоне обработки магнитного поля составила 1×10⁶ А/м. Частота магнитного поля соответствовала 70 Гц.

По истечении 6 минут (0,1 часа) с момента включения генератора в работу, вся заполняющая внутреннюю полость емкости 3 суспензия расслоилась на отдельные составляющие. Одна представляла собой чистый прозрачный слой воды, а вторая набор из крупногабаритных гранул графита 5 и кусков лежащих между ними отходов.

Габариты гранул полученного графита находились в пределах от 11 мм до 14 мм. Куски полученных отходов имели размеры от 20 до 40 мм.

Полученные гранулы графита 5 состояли из спиралевидных кристаллических структур, образованных атомами углерода. Выход этого конечного продукта относительно массы использованного для переработки сырьевой массы составил 68%.

Чистота полученного графита относительно содержащегося в ее составе углерода составила значение в 99,981%.

Объемная его плотность составила 2,0 г/см³. Удельное объемное сопротивление ρ соответствовало значению 17 нОм·м; показатели твердости полученных на дне емкости гранул составили HV 160 единиц.

Количество полученных в ходе обработки отходов соответствовала значению в 13,2%. Габариты полученных кусков из такого рода отходов находились в пределах 20-40 мм.

Сами отходы состояли из соединений Са; Mg; Si. Получаемый под нагрузкой график изменения значений удельного объемного сопротивления ρ=f(u) в зависимости от нагрузки U своими очертаниями соответствовал тому, что был приведен на фиг.2.

Пример 2. В соответствии со схемой уже указанной в примере 1, проводилась обработка полученной на основе того же самого материала, но с добавкой 1% частиц из окиси кремния, водяной вязкой суспензии.

Как и предыдущем случае, куски кокса, а также зерна песка, измельчались при помощи шаровой мельницы для получения из них мелких частиц с габаритными размерами 1-8 мкм.

Полученная их масса как тех, так и других соединений подсушивалась в жарочном шкафу при 150°С в течение 20 минут. По окончании этого этапа сформированная указанным выше образом сырьевая масса помещалась в полость емкости 3, при этом объем содержащих кокс частиц составлял 70% от объема последней, а окиси кремния, как уже указывалось, - 1%.

Затем к помещенному в полость 3 исходному сырью добавлялось необходимое для формирования суспензии количество воды - 29% от всего имеющегося объема емкости 3, и размешиванием его с частицами исходного материала готовилась последняя, используемая в дальнейшем для осуществления обработки. После завершения всех необходимых для выполнения обработки ее этапов, осуществлялась сама операция получения из указанной выше сырьевой массы необходимого конечного продукта.

Обработка выполнялась с подачей в придонную область емкости 3 сжатого воздуха под избыточным давлением 0,3 кгс/см². Пузырьки последнего проходили оттуда через все расположенные над патрубком 6 слои, составляющие толщу покрывающей его жидкой взвеси из указанных ранее компонентов.

Напряженность же магнитного поля в зоне обработки составила 5×10⁴ A/м при частоте его 40 Гц.

Время выполнения ее составило 15 минут (0,25 часа).

Выход конечного продукта относительно всей использованной массы исходного сырья составил 67,1%.

Объемная его плотность составила 2,12 г/см³. Размеры полученных по окончанию обработки гранул находились в пределах 3,5-7 мм. Удельное объемное сопротивление полученного конечного продукта ρ (композитного материала на основе графитовых спиралевидных структур с включением атомов кремния) было равным 17,63 нОм·м.

Полученные на дне емкости гранулы имели твердость HV 167 единиц.

Количество полученных в ходе обработки отходов составило 12,9%. Габариты полученных отходов составляли 25-35 мм.

График изменения функции - значение удельного объемного сопротивления в зависимости от величины прикладываемой нагрузки, соответствовал своими очертаниями тому, что приводится на фиг.2. «Горбы» на нем были выражены более «ярко», чем в случае проведения проверки этого же параметра, но при использовании материала, полученного в соответствии с данными примера 1.

Пример 3. В соответствии со схемами осуществления обработки, приведенными в примерах 1, 2, осуществлялась переработка сырьевой смеси, полученной измельчением кусков каменноугольного кокса с добавлением к ней 1% частиц с такими же габаритами, полученных измельчением комочков глины, (до размеров от 1 мкм до 8 мкм).

Полученная исходная смесь из последних подсушивалась в жарочном шкафу при температуре 135°С в течение 35 минут.

Затем указанная выше сырьевая масса загружалась во внутреннюю полость емкости 3, при этом ее содержание там составляло:

Частицы из кокса - 65%.

Частицы из окиси алюминия - 1%.

К этой сырьевой пылевидной массе добавлялась вода в количестве 34% (остальное до 100%). Полученная после тщательно выполненного перемешивания всех этих указанных выше компонентов вязкая грязеподобная водяная суспензия отправлялась на операцию переработки ее в необходимый конечный продукт.

Этот процесс производится с подачей в придонную часть емкости 3 сжатого воздуха под избыточным давлением 0,6 кгс/см².

Напряженность магнитного поля в зоне обработки составляла 9,8×10⁴ А/м. Частота его соответствовала 50 Гц.

Время выполнения обработки было равным 12 минутам (0,2 часа).

По ее завершении в емкости 3 заполнявшая ее грязеподобная водяная взвесь расслоилась на две составляющие. Первую из них представлял столб прозрачной чистой воды, расположенный в ее самой верхней части, а вторую - гранулы конечного продукта 5 с размещенными между ними кусковыми отходами, лежащие в нижней.

Размер гранул полученного из графита и алюминия композитного материала составил 8-11 мм.

Выход конечного продукта относительно всей использованной массы исходного сырья составил 66,8%.

Объемная его плотность соответствовала значению 2,16 г/см³.

Удельное объемное сопротивление ρ полученного композита из графита и алюминия соответствовало значению 17,1 нОм·м.

Полученные на дне емкости 3 гранулы последнего имели твердость HV 166 единиц.

Количество полученных в ходе обработки отходов составило 13,3%. Габаритные размеры кусков последних были равны от 20 до 30 мм.

График, характеризующий изменение функции значения удельного объемного сопротивления ρ=f(u) в зависимости от величины прикладываемой к элементу из такого рода композита нагрузки U, соответствовал своими очертаниями тому, что изображен на фиг.2.

«Горбы» на нем были выражены более «ярко», чем в случае проведения проверки этого же параметра, но при использовании материала, полученного в соответствии с данными, указанными в примере 1.

Пример 4. В соответствии со схемами осуществления процесса переработки сырьевой массы в необходимый конечный продукт, приводимыми в примерах 1, 2, 3, к такого рода частицам из измельченного каменноугольного кокса добавлялись частицы глины (окиси алюминия Al₂O₃), обладающие точно такими же, что и частицы кокса, размерами 1-8 мкм.

Количество добавленных частиц окиси алюминия - Al₂O₃, соответствовало 10%.

Количество же частиц каменноугольного кокса составляло 48%.

При приготовлении же самой водяной суспензии использовались умягченная вода, количество которой достигало 42% (остальное, до 100%)

Полученная исходная сырьевая смесь еще до осуществления перемешивания с водой всех указанных здесь компонентов подсушивалась в жарочном шкафу при температуре 130°С в течение 40 минут.

Затем указанная выше смесь загружалась во внутреннюю полость емкости 3, и соответствующие ее компоненты тщательно размешивались в последней до получения в ней однородной грязеподобной вязкой водяной суспензии.

После окончания ее формирования, последняя отправлялась на операцию переработки ее в необходимый конечный продукт.

Этот процесс выполнялся при помощи барботируемого через составляющую взвесь слои жидкости пузырей сжатого воздуха, подаваемого со дна емкости 3 через патрубок 6 под избыточным давлением 0,4 кгс/см².

Напряженность магнитного поля в зоне обработки составляла 1,1×10⁵ А/м при частоте его 60 Гц.

Время проведения обработки составило 10 минут (0,166 часа). В результате ее выполнения на дне емкости 3 были сформированы конечные продукты в виде гранул 5.

Выход этих полученных в результате ее выполнения продуктов соответствовал значению 61,2%.

Размер полученных гранул из композитного материала, включающего в свой состав графит и алюминий и имеющий спиралевидную кристаллическую решетку, составлял 3,5-7 мм.

Полученная объемная плотность этого материала составила 2,34 г/см³.

Удельное объемное сопротивление ρ этого композитного материала составляло 17,98 нОм·м.

Твердость такого рода гранул составляла HV 176 единиц. Количество же сформировавшихся в ходе выполнения переработки сырьевой массы в конечный продукт отходов, содержащих Са, Mg, Si, составило 12,4%. Габаритные размеры состоящих из них кусков составили 25-35 мм.

График, характеризующий изменения функции, - по оси ординат величина удельного объемного сопротивления ρ; по оси абсцисс - величина нагрузки, прикладываемой к элементу, выполненному из такого рода композита, соответствовал тому, что был приведен на фиг.2.

«Горбы» на нем были выражены более «ярко», чем в случае проведения такого же рода измерений, этих же параметров, но для материала, полученного в соответствии с данными в примере 1.

Пример 5. В соответствии со схемами осуществления предлагаемого способа обработки, приводимыми в примерах 1, 2, 3, 4, перед началом ее осуществления готовилась сырьевая масса, состоящая из частиц каменноугольного кокса, с габаритными размерами от 1 мкм до 8 мкм. Содержание их в общей массе этой смеси составляло 60%.

К такого рода массе частиц добавлялись в количестве 10% частицы окиси кремния, имеющие такие же габариты и полученные размолом зерен песка, в состав которого они раньше и входили.

Полученная указанным выше образом сырьевая двухкомпонентная смесь подсушивалась в жарочном шкафу при температуре 140°С в течение 38 минут. После окончания «просушки» эта пылевидная масса закладывалась в полость емкости 3. В нее же вводилась умягченная вода, количество которой составляло 30% объема последней. Компоненты исходной смеси тщательно перемешивались с добавленным к ним объемом воды до получения вязкой однородной водяной суспензии.

По окончании ее приготовления, последняя отправлялась на операцию по выполнению ее переработки в необходимый конечный продукт.

Такого рода его переработка осуществлялась с подачей сквозь составляющие водяную суспензию слои жидкости сжатого воздуха, объемы которого выпускались под избыточным давлением 0,45 кгс/см из проложенного на дне емкости 3 патрубка 6.

Напряженность магнитного поля в зоне обработки составляла 1,8×10⁵ А/м при его частоте 50 Гц.

Время выполнения процесса переработки исходного сырья в конечный продукт составило 20 минут (0,333 часа).

В итоге ее осуществления на дне емкости был получен конечный продукт, имеющий форму гранул 5, покрытых сверху прозрачным слоем жидкости.

Выход указанного выше конечного продукта по завершении процесса переработки составил 64,3%.

Габаритные размеры полученных гранул 5 соответствовали 6-9 мм.

Полученная объемная плотность такого конечного продукта составила 2,38 г/см³.

Удельное объемное его сопротивление ρ такого композитного материала было равным 18,1 нОм·м.

Твердость полученных гранул составила HV 180 единиц.

Количество же сформировавшегося в ходе проведения процесса обработки исходной сырьевой массы в конечный продукт отходов, содержащих в своем составе соединения на основе Са; Mg; Si, составило 12,6%. Габаритные размеры составляющих эти отходы кусков находились в пределах 30-40 мм.

График, характеризующий изменение функции, - по оси ординат величина удельного объемного сопротивления ρ; по оси абсцисс - величина нагрузки, прикладываемой к элементу, выполненному с применением такого композита, соответствовал тому, что был приведен на фиг.2.

«Горбы» на нем были выражены более «ярко», чем в случае проведения этих же самых измерений, но с использованием материала, сформированного в соответствии с данными, приведенными в примере 1.

Пример 6. В соответствии со схемами выполнения обработки, указанными в примерах 1, 2, 3, 4, 5, перед началом ее осуществления проводилась подготовка используемой сырьевой массы. Последняя состояла из 57% частиц каменноугольного кокса с габаритными размерами от 1 мкм до 8 мкм.

К такого рода основе, сформированной на базе последних, добавлялись в количестве 6% частицы из окиси кремния, имеющие те же самые габариты, и полученные размолом зерен песка.

Кроме того, в качестве добавки в состав исходной сырьевой массы были использованы и 4% частиц окиси алюминия, полученные размолом кусочков глины.

Полученная перемешиванием всех этих трех соединений сырьевая масса затем подсушивалась в жарочном шкафу при 145°С в течение 32 минут.

После завершения указанного этапа такая пылевидная масса закладывалась в полость емкости 3. Туда же вводилась умягченная вода, количество которой составляло 33% от объема последней.

Все указанные компоненты этой смеси затем тщательно перемешивались с объемом добавленной к ним воды до получения в полости емкости 3 вязкой однородной водяной суспензии.

По окончании указанной выше операции, емкость 3 с загруженным в ее полость сырьевым продуктом отправлялась для осуществления переработки этой полученной сырьевой массы в сам необходимый конечный продукт.

Такого рода процесс осуществлялся с подачей сквозь толщу заполнявшей полость емкости 3 вязкой суспензии сжатого воздуха, объемы которого выпускались под избыточным давлением 0,55 кгс/см² из проложенного на дне емкости 3 патрубка 6.

Напряженность магнитного поля в зоне обработки составила 6,7×10⁵ А/м, а частота 55 Гц.

Время, необходимое для осуществления этого этапа, составило 14 минут (0,233 часа).

По завершении процесса обработки на дне емкости 3 был сформирован конечный продукт, имеющий конфигурацию гранул 5, которые были покрыты сверху слоем прозрачной жидкости.

Количество полученного переработкой такого сырья композита составило 66,4%.

Габаритные размеры сформированных гранул составили от 9 до 12 мм.

Полученная объемная плотность этого продукта составила 2,41 г/см³.

Удельное объемное его сопротивление ρ такого композитного материала составило 18,4 нОм·м.

Твердость полученных гранул соответствует HV 182 единицы.

Количество образовавшихся в ходе обработки отходов (шлаков), содержащих соединения Са; Mg; Si; было равно 12,8%. Габаритные же размеры составляющих их кусков соответствовали 20-40 мм.

График, характеризующий изменение функции ρ=f(u), по своим очертаниям соответствовал приведенному на фиг.2.

«Горбы» на нем как первый, так и второй имели ярко выраженную «крутизну», что отличало его от графика, сформированного при осуществлении замеров этого же параметра, но с использованием материала, полученного в соответствии с условиями, указанными в примере 1. Т.е. при построении кривой этой же функции в случае применения для выполнения указанных испытаний «чистого», не содержащего примеси графита.

Как наглядно показывают приводимые выше примеры, использование предложенного способа обработки позволяет обеспечить получение как гранул на основе «чистого» графита, так и композитов на его основе, в состав которых могут входить атомы кремния, алюминия как по отдельности, так и вместе.

Формирование всех этих указанных выше конечных продуктов осуществляется с применением вязкой водяной суспензии, образуемой смешиванием всех входящих в сырьевую массу этих отдельных компонентов. Все входящие в эту суспензию составляющие имеют форму частиц, габариты которых находятся в пределах 1 мкм - 8 мкм.

Эти получаемые обработкой конечные продукты обладают достаточно высокими качественными характеристиками и вследствие этого могут применяться в различных отраслях электротехнической промышленности и машиностроительного производства.

Выбор значений используемых в ходе обработки параметров магнитного поля, а также других технологических характеристик, проведен исходя из следующих соображений.

Размеры частиц исходного сырья 1 мкм - 8 мкм и указанные выше пределы их содержания в объеме используемой для приготовления суспензии сырьевой смеси - кокса от 50% до 70%, окиси кремния, окиси алюминия - от 1 до 10% каждого вида из числа указанных добавок, вода - остальное, до 100%, назначены исходя из необходимости формирования с их применением вязкой устойчивой «грязеобразной» водной суспензии.

Последняя не должна расслаиваться на отдельные составляющие за необходимый для полного завершения процесса временной промежуток.

Кроме того, заданное в указанных выше пределах содержание в суспензии такого рода составляющих ее компонентов обеспечивает формирование оптимальных условий для протекания преобразования кристаллической решетки кокса в графитовую и восстановления до элементарного состояния вводимых в нее оксидов кремния и алюминия.

Пределы же напряженности магнитного поля выбраны с учетом влияния на процесс следующих обстоятельств.

При применении значений напряженности последнего меньших чем 5×10⁴ А/м не удается обеспечить достижения условий для протекания структурной перестройки одной кристаллической решетки в другую.

Использование же величин напряженности магнитного поля больших чем 1×10⁶ А/м не позволяет обеспечить каких-либо дополнительных преимуществ в ходе проведения такого рода процесса обработки.

Но в то же время при этом значительно увеличиваются необходимые для ее выполнения затраты технологической энергии.

Границы диапазона используемых в ходе выполнения способа частот генерируемого магнитного поля выбраны исходя из следующего.

При частотах, меньших чем 40 Гц, не обеспечивается формирование спиралевидных структур из графита, содержащего добавки атомов кремния и алюминия, из используемых в качестве сырья находящихся в водяной суспензии частиц содержащих их компонентов.

Сам получаемый в процессе генерации переменного магнитного поля его результирующий вектор суммарного потока воздействует в этом случае на них с недостаточно высокой степенью интенсивности.

Т.е. он в окружающем его объеме взвешенных в слоях окружающей их жидкости частиц перемещается слишком вяло.

Наоборот, при значениях частот более высоких чем 70 Гц такой вектор движется настолько стремительно, что попадающие на траекторию его пространственного переноса сырьевые частицы не успевают вступить с ним во взаимодействие. Опять-таки и в этом случае не гарантируется создание оптимальных условий для формирования кристаллических структур из необходимого конечного продукта.

Назначение применяемого при обработке интервала времени от 6 до 20 минут (0,2-0,333 часа) проведено исходя из наличия возникновения в ходе осуществления процесса обработки следующих объективных факторов.

При значениях его, меньших чем 6 мин (0,1 часа), не успевают закончиться необходимые для формирования вырабатываемого конечного продукта структурные преобразования в частицах используемой для обработки сырьевой массы.

При использовании же значений временного интервала, больших чем 20 мин (0,333 часа), не обеспечивается получение какого-либо дополнительного положительного эффекта. В то же время применение больших, чем необходимые, временных интервалов неминуемо приводит к увеличению суммарных затрат, связанных с выполнением переработки исходного сырья в необходимый конечный продукт.

Исходя из таких же соображений проведено назначение величины избыточного давления в подаваемых в придонный слой объемах сжатого воздуха.

При величине избыточного его давления, меньших чем 0,1 кгс/см², снижаются количественные показатели относительно производительности процесса получения гранул графита и композитных материалов на его основе из исходной сырьевой смеси.

При величинах же его, больших чем 0,6 кгс/см², не удается обеспечить условия для дополнительной интенсификации процесса выработки конечного продукта.

В то же время при использовании значений избыточного давления, больших чем указанная выше величина, возрастают затраты необходимой для получения и подачи применяемых в ходе обработки объемов сжатого воздуха электрической энергии.

На последующих страницах описания к изобретению изложены принципы осуществления работы применяемого при выполнении предлагаемого способа устройства.

На приводимых чертежах изображены:

Фиг.1. Общий вид предлагаемого устройства.

Фиг.2. График, изображающий изменение величины удельного объемного сопротивления ρ в зависимости от величины прикладываемой к элементу электрической нагрузки U;

Т.е. функция ρ=f(U).

Фиг.3. Часть витка спирали, входящей в состав получаемой при формировании гранул графита и композитов на его основе спиралевидной решетки, из которых последние и составлены.

На фиг.1 в свою очередь обозначены:

Позицией 1 - рабочие элементы, изготовленные из магнитопроводящего материала, например из трансформаторного железа, с помощью которых формируется сам магнитный контур в применяемом генераторе.

Позицией 2 - обмотки - катушки, установленные непосредственно в теле рабочих элементов 1 и предназначенные для генерации магнитного потока.

Позицией 3 - емкость для размещения в ее полости водяной суспензии из частиц 4 обрабатываемого сырья.

Позицией 4 - частицы водной суспензии, полученные измельчением исходных кусков каменноугольного кокса, частиц глины и зерен песка на более мелкие составляющие, равномерно распределенные в окружающих их слоях жидкости, заполняющей внутреннюю полость емкости 3.

Позицией 5 - либо гранулы графита, либо гранулы полученного на его основе композита, содержащего или кремний, или алюминий, или и тот, и другой элементы вместе.

Позицией 6 - перфорированный патрубок, осуществляющий подачу сжатого воздуха под избыточным давлением в толщу лежащего на дне емкости 3 осадка.

Позицией 7 - сквозные отверстия перфорации в стенках патрубка 6, через которые и осуществляется выход струй подаваемого воздуха.

Позицией 8 - крышка, лежащая на стенках емкости 3 у ее верхней открытой части и изолирующая ее внутренний объем от прямого его соединения с окружающей емкость внешней средой.

Буквой «Б» - сквозной паз, предназначенный для проведения установки емкости 3 в генератор магнитного поля.

Буквами «а» - полученные в ходе осуществления монтажа корпуса емкости 3 в установочный паз «Б» воздушные зазоры.

Буквой «Д» - формируемая перемещением конца результирующего вектора магнитного потока пространственная фигура, размещенная во внутренней полости емкости 3.

Буквой «Р» - направление подачи и величина избыточного давления в объемах подаваемого к данному осадку сжатого воздуха. На фиг 2

Изображены:

ρ - величина объемного удельного сопротивления, значение которой откладывается на оси ординат

U - величина прикладываемой к элементу, выполненному из получаемого предлагаемым способом материала, электрической нагрузки, например - напряжения, величина которого отображается на оси абсцисс.

U₁; U₂; U₃; U₄ - значения величин нагрузки, при достижении которых выявляется изменения в очертаниях графика изменения функции ρ=f(U) - т.е. происходит формирование экстремумов («горбов»), а также происходит их исчезновение и переход полученной кривой на «плавный» участок ее последующего изменения.

Точки а, δ, с, g - отмечают начало появления каждого их этих участков на графике указанной выше функции

На фиг.3

Представлен один из составных криволинейных отрезков, образующих спиралевидную кристаллическую структуру, входящий в состав этих формирующих последнюю отдельных элементов.

Буквами С - обозначены входящие в состав такой спирали атомы углерода.

Буквами Si - атомы кремния, размещенные на боковых гранях и в центре формирующих эту спираль пространственных шестигранников.

Буквами Al - атомы алюминия, размещение которых в полученный кристаллической решетке протекает таким же точно образом, что и атомов кремния.

Работа предлагаемого устройства, изображено на фиг.1, протекает следующим образом.

Перед включением магнитного генератора внутренняя полость емкости 3 заполняется вязкой водяной суспензией.

Указанная выше суспензия содержит частицы 4, полученные дробление кусков каменноугольного кокса, комочков глины и зерен песка.

Такого рода частицы при осуществлении обработки равномерно распределяются в толще слоев заполняющей полость емкости 3 объема используемой для создания суспензии жидкости.

Перед самым началом осуществления процесса обработки, для формирования исходной сырьевой смеси, лежащий на дне емкости многокомпонентный сырьевой осадок, подвергается перемешиванию с введенным в емкость 3 объемом воды, с помощью механической лопастной мешалки (на чертеже не показана). Длительность выполнения указанного выше этапа, определяется, прежде всего, наступлением момента формирования в последней устойчивой грязеобразной вязкой суспензии (она образуется по истечении 1-3 минут).

Затем емкость с заполняющим ее объем суспензией из частиц 4, закрывается изолирующей ее внутреннюю полость от окружающей среды крышкой 8.

Указанная крышка укладывается на стенки, расположенные в верхней части емкости, у ее открытого конца.

По завершении всех указанных выше этапов, емкость 3 устанавливается в сквозной паз «Б» контура магнитного генератора (см. фиг.1)

После окончания операции ее монтажа, полость размещенного в придонной части емкости 3 перфорированного патрубка 6 соединяется с полостью подающей сжатый воздух внешней магистрали. Такое соединение может быть выполнено, например, с помощью гибкого рукава и быстроразъемного узла крепления (на чертеже не показаны).

Этим самым обеспечивается возможность осуществления подачи под избыточным давлением в полость емкости 3 струй сжатого воздуха, проходящего туда через отверстия перфорации 7, выполненные в стенках патрубка 6 (см. фиг.1).

Одновременно с этим производится подключение всех трех обмоток катушек 2 к соответствующим фазам внешнего источника подачи переменного электрического тока (на чертеже не показан).

При поступлении последнего на указанные выше обмотки катушки 2, выполняющие роль соленоидов, в каждой из них начинает создаваться переменное магнитное поле.

Так как все они соединены между собой образующими единый контур магнитопроводящими элементами 1, в последующем в нем формируется за счет слияния таких индивидуальных полей уже одно, единое суммарное.

В силу того что электрический ток на обмотки катушки 2 подается переменный, то и получаемое в самом генераторе магнитное поле будет таким же. Благодаря же имеющимся угловым сдвигам в фазах применяемого в качестве подающих волновые синусоидальные импульсы этого внешнего источника питания, получаемое с помощью последних такое суммарное поле еще и как бы «вращается» в области осуществления своего воздействия.

Это вращение и обеспечивается с помощью непрерывно поступающего на каждую из трех обмоток катушек 2 питания, подводимого от отдельных фаз внешней обслуживающей эти нужды сети промышленного трехфазного тока (на чертеже не показаны).

Так как замкнутый прямоугольный контур генератора разорван выполненным в нем сквозным пазом «Б», то формируемый в его рабочих элементах 1 суммарный магнитный поток, появившийся в результате подключения последних к внешнему источнику питания, стремится замкнуть обе половины контура в единое целое.

Для этого созданный в контуре поток должен как бы «перепрыгнуть» и через область пространства, занимаемую сквозным пазом «Б».

На пути, пролегающим через зоны выполнения такого «прыжка», он неизбежно пересекается с внутренней полостью размещенной в этой области емкости 3.

Последняя в этом случае выполняет роль «опорной ступеньки», помогающей преодолеть разделяющее обе половины контура пустое пространство проходящему через этот его участок указанному выше потоку.

Т.е. емкость 3 с размещенной внутри ее суспензией из частиц 4 выполняет роль замыкающего соединительного звена для генерирующей переменное магнитное поле и созданной с этой целью системы.

В итоге всего этого непосредственно в лежащей на пути такого потока области, занимаемой объемом обрабатываемой суспензии, формируется магнитное поле с максимально достижимыми для этих условий параметрами его напряженности.

Соответственно, воздействие на частицы 4 сырьевого материала со стороны последнего будет осуществляться с максимально возможной интенсивностью, что и обеспечивает оптимальные условия для протекания их преобразования в необходимый конечный продукт.

Создаваемая на участке этого перехода магнитного потока зона, обозначенная буквой «Д» (см. фиг.1) сформирована за счет соединения с помощью кривых линий точек конечного нахождения конца результирующего вектора магнитного потока в момент осуществления его угловых колебательных перемещений во всех трех пространственных координатах.

Полученная при слиянии такого рода отдельных кривых зона «Д» представляет собой, в конечном итоге, пространственный эллипсоид, внутри которого собственно и осуществляется такого рода перемещения последнего.

Этот эллипсоид «Д» целиком размещается в объеме внутренней полости емкости 3, и все находящиеся там сырьевые частицы, а также заключенные в поднимающихся со дна пузырях объемы газа неизбежно оказываются расположенными непосредственно в зоне влияния последнего. Воздействие формируемого указанным выше образом результирующего вектора на обрабатываемые с его помощью компоненты протекает с периодически осуществляемой сменой его направления (40-70 Гц), а также и его величины.

Сплющенность получаемого в зоне обработки эллипсоида в передней и задней его частях определяется резким возрастанием суммарного магнитного сопротивления в местах возникновения монтажных промежутков «а» (см. фиг.1).

Таким образом, состоящие из углерода частицы кокса, окиси кремния, окиси алюминия в момент осуществления обработки проходят через целую серию «ударов» и «толчков». При этом последние наносятся со всех сторон и по всем возможным направлениям.

Под влиянием всего этого, электроны атомов, входящих в состав подвергнутых такого рода обработке компонентов, переходят с нижележащих орбит на более удаленные от их ядра.

Ранее созданные структурные связи, соединяющие молекулы, разрываются, и они разделяются на отдельные фрагменты (ионы). Эти фрагменты, за счет продолжающегося энергетического воздействия, проявляют высокую химическую активность.

Наличие последнего фактора обеспечивает последующую их перестройку в новую структуру, т.е. способствует их графитизации.

Кроме того, образующиеся в ходе протекания такого рода процессов и полученные в этой же области ионы углерода, кремния и алюминия соединяют такие вновь созданные графитовые «микроцентры» между собой, выстраивая спиралевидные кристаллические решетки - образования. Последние, формируя соответствующие «боковые» связи, объединяются в единый «жгут», собранный с привлечением указанных выше элементов (см. фиг.3).

Так как полученные из водной суспензии, содержащей частицы 4, вновь образованные соединения обладают более высокой плотностью (2,1-2,4 г/см³), то под действием сил гравитации они оседают на дно емкости 3.

Попавшие в ее придонную область вновь сформированные «зародыши» композита, состоящие из углерода, алюминия и кремния нацепляют на себя покрытие из более мелких составных частиц, захватывая их попутно из окружающих их тела слоев суспензии (т.е. как бы надевая на себя своеобразную «шубу», состоящую из последних).

Кроме того, определенная часть этих частиц (из числа наиболее крупных) опускается на дно емкости под влиянием тех же самых сил земного притяжения.

В итоге всего этого в самой нижней части емкости 3 формируется слой твердого осадка, состоящий из таких указанных выше компонентов.

Через слои последнего и проходят струи сжатого воздуха, подаваемого через отверстия перфорации 7 патрубка 6.

Так как подача их осуществляется под небольшим избыточным давлением, то находящиеся в зоне их воздействия составляющие этот донный осадок соединения начинают совершать колебательные перемещения, то подымаясь вверх, то снова опускаясь вниз.

Т.е. на дне емкости 3 образуется так называемый «кипящий слой».

В связи с тем, что все указанные выше процессы в составляющих его компонентах продолжают протекать все в том же порядке, то «омывающие» их со всех сторон и получаемые из молекул газа ионы углерода оказывают интенсивное воздействие на все участвующие в структурной перестройке элементы.

Т.е. подача их способствует разрастанию ранее полученных «зародышей» этих композитов.

Таким образом, сформированные в этой зоне указанным выше образом ионы углерода, кремния, алюминия выполняют функции своеобразного «связующего» раствора.

Последний и осуществляет объединение накапливаемых на дне емкости 3 мелких кристаллических структур в единый монолит - гранулы 5.

Таким образом, накопленные в толще донного осадка мелкие «зародыши» конечных продуктов разрастаются в более крупные, хорошо заметные даже невооруженным глазом. Т.е. они, в конечном итоге, склеиваются в гранулы 5 с габаритными размерами от 3,5 до 14 мм.

Особенности строения получаемой в ходе обработки указанных выше соединений кристаллической решетки - набор соединенных в единый жгут спиралей, предопределяет и получаемые их более высокие механические характеристики (также, как твердость НВ), а также нелинейность функции изменения удельного объемного сопротивления под нагрузкой ρ=f(U) - см. фиг.2, а также фиг.3.

На фиг.2 представлены имеющие место изменения функции удельного объемного сопротивления ρ (ось ординат) в зависимости от величины прикладываемой к элементу из такого композита нагрузки U (ось абсцисс). Рассматривая график можно условно выделить несколько наиболее характерных его участков.

На первом из них - отрезок U₁ на фиг.2, происходит плавное увеличение значения удельного объемного сопротивления, продолжающееся вплоть до появления на графике первого экстремума - точка а на конце отрезка U₁. На втором участке этой функции сначала формируется участок плавного спуска, который опять сменяется подъемом (точка 6 на конце отрезка U₂). Указанный подъем завершается в точке с (на конце отрезка U₃), и после этого по мере нарастания величины нагрузки эта кривая опускается к самому подножию второго крутого «горба». После этого ее очертания при увеличении нагрузки новым изменениям уже не подвержены (точка q на конце отрезка U₄).

Максимальное значение величина ρ имеет в точке с, конец отрезка U₃ (второй крутой «горб»).

Все указанные выше особенности формирования графика изменения величины ρ определяются, прежде всего, аномальным строением кристаллической структуры слоев получаемого материала (см. фиг.3)

При наличии добавок из кремния и алюминия к исходной сырьевой массе значения получаемых на графике функции экстремумов, как отмечалось ранее, возрастают в 3-4 раза.

Излишние объемы подаваемого в придонный слой сжатого воздуха, прорывающиеся через слои суспензии в верхнюю часть емкости 3, удаляются через остающиеся в процессе закрытия последней крышкой 8 кольцевые зазоры между нижней поверхностью этого элемента и плоскостью контактирующих с ней стенок (на чертеже отдельно не обозначены).

Величина их достаточно велика (0,01-0,03 мм) чтобы производить их выпуск непосредственно в наружную атмосферу.

Через эти же каналы осуществляется и удаление формирующихся в ходе проведения переработки сырья микрообъемов газа.

Процесс обработки с помощью предложенного устройства продолжается до тех пор, пока используемая вязкая грязеобразная суспензия не распадается на отдельные составляющие, одну из которых представляют накопленные на дне емкости 3 гранулы 5 конечного продукта, а вторую - слой прозрачной жидкости, закрывающий их сверху.

Т.е. до тех пор, пока все входящие в сырьевую массу частицы 4 не будут переработаны в конечный продукт.

По окончании процесса переработки, обмотки катушки 2 отсоединяются от внешнего источника питания, а патрубок 6 отключается от внешней, подающей сжатый воздух магистрали.

Емкость 3 с готовым конечным продуктом извлекается из установочного паза «Б» генератора. С нее снимается изолирующая крышка 8, из полости емкости 3 выливается полученный в ней слой прозрачной жидкости в предназначенный для сбора сосуд, а накопившиеся на ее дне гранулы конечного продукта 5 высыпаются в применяемую для их упаковки технологическую тару (на чертеже не показана). В последней они могут быть отправлены для осуществления других операций производства, в которых предусмотрено использование их по прямому назначению.

Отделение гранул композита 5 от полученных в ходе его формирования крупногабаритных кусковых отходов (Са; Si; Mg) осуществляется без каких-либо дополнительных сложностей с помощью обычного калибровочного сита.

После завершения всех указанных выше переходов, освобожденное от конечных продуктов переработки устройство вновь становится пригодным для выполнения последующего цикла получения в нем новых порций гранул композитных материалов на основе графита.

Применяемый для подачи энергии внешний источник электрического питания имеет в своем составе дополнительный блок управления (на чертеже не показан).

С помощью последнего осуществляется регулировка параметров подаваемого на обмотки катушки генератора переменного тока (силы тока, напряжения, частоты) и, следовательно, также технологических параметров создаваемого в зоне синтеза кристаллов композитного материала магнитного поля (на чертеже не показан).

Учитывая все изложенное выше, можно прийти к выводу, что применение предлагаемого способа получения композитных материалов на основе графита, а также предназначенного для его осуществления устройства позволяет многократно сократить необходимые для получения графита материальные затраты.

Такое снижение величины последних обеспечивается прежде всего тем, что выработка графита и композитных материалов на его основе не связана с необходимостью использования сложных многостадийных технологий с переходами, осуществляемыми в течение длительных промежутков времени при высокой температуре и давлении, либо значительно превышающим, либо значительно меньшим, чем атмосферное.

В предлагаемом способе и устройстве в качестве исходного сырья используются каменноугольный кокс, песок, глина, и сама переработка выполняется при комнатных температурах в диапазоне давлений, лишь незначительно отличающихся от атмосферного.

Получаемый же на финальном этапе ее выполнения конечный продукт обладает целым рядом технических характеристик, обеспечивающих создание условий для его последующего эффективного использования в целом ряде отраслей промышленного производства.

Осуществление предлагаемого способа, к тому же, не требует применения в процессе получения указанного выше конечного продукта мощного нагревательного оборудования и обеспечивающих функционирование последнего обслуживающих систем.

Сам предлагаемый процесс синтеза композитных материалов на основе графита протекает в течение коротких промежутков времени и обеспечивает достаточно высокий выход конечного продукта из используемой сырьевой массы.

Изготовление применяемого при выполнении предлагаемого способа устройства не связано с необходимостью привлечения существенных капитальных затрат и не требует использования при этом длительных сроков времени для подготовки производства.

Само же это предлагаемое устройство отличается высокой степенью простоты его конструктивного исполнения и вследствие этого имеет повышенную эксплуатационную надежность.

Claims (2)

1. Способ получения графита и композитов на его основе из водяной суспензии частиц углеродосодержащих материалов, а также других, необходимых для их формирования добавок, включающий размещение исходного углеродосодержащего сырья, в качестве которого используется кокс, во внутренней полости емкости, изолированной от окружающей ее среды, и воздействие на него генерируемым для его преобразования в конечный продукт физическим полем, которое осуществляется непосредственно в зоне его влияния, отличающийся тем, что в качестве объекта для проведения такого преобразования выступает водяная суспензия, полученная из частиц кокса с размерами от 1 мкм до 8 мкм; объем которых относительно всего объема полости, которую ими заполняют, составляет 50-70% от всей величины последнего, а остальное до 100% - вода, и в качестве физического поля используется переменное вращающееся магнитное, напряженность которого, замеренная в зоне обработки, составляет 5·10⁴÷1·10⁶ А/м, а частота 40-70 Гц; при этом сама емкость с загруженным в нее обрабатываемым сырьем выполняет функции замыкающего соединительного звена для генерируемого применяемой магнитной системой и создаваемого в ней потока, и, кроме того, в состав содержащей частицы кокса водяной суспензии дополнительно вводятся частицы окиси кремния, или частицы окиси алюминия, или и те, и другие вместе, с такими же размерами, с содержанием их относительно объема последней, равным от 1% до 10% по каждому из них виду, и в толщу получаемого в процессе выполнения обработки донного осадка производится подача струй сжатого воздуха под избыточным его давлением, равным 0,1÷0,6 кгс/см², создающих в этой области так называемый «кипящий слой», а само время обработки составляет от 6 до 20 мин.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее в своем составе емкость для размещения в ней обрабатываемой сырьевой массы, а также рабочие элементы, обеспечивающие формирование воздействующего на составляющие ее частицы физического поля, которые подключаются к внешнему источнику электрического питания, отличающееся тем, что эти рабочие элементы выполнены в виде состыкованных между собой пластин из магнитопроводящего материала, образующих в процессе их монтажа замкнутый прямоугольный контур, а в теле составляющих этот контур отдельных деталей размещены три обмотки-катушки, каждая из которых соединена с соответствующей фазой внешнего трехфазного источника электрического питания, и в одном из этих входящих в состав контура элементов выполнен сквозной паз, габариты которого обеспечивают размещение в нем содержащей водяную суспензию емкости, а верхняя часть емкости имеет установленную на ее торце крышку, изолирующую внутренний объем последней от прямой связи его с окружающей емкость внешней средой, и на ее дне проложен заглушенный с торцевой части патрубок, в стенках которого выполнены отверстия перфорации, обеспечивающие вывод в окружающие его придонные слои обрабатываемого сырья струй подаваемого через них сжатого воздуха, а внутренняя полость этого патрубка сообщается с полостью внешней, подающей объемы последнего под избыточным давлением магистрали.

Images