گرافیت (2)

 

در ادامه در مورد این کاربردها، صحبت خواهیم کرد.

تولید مداد

این کاربرد، اولین استفاده از گرافیت می باشد که به سال 1564 بر می گردد. مدارهای گرافیتی معمولی مداد سربی (lead pencil) نامیده می شوند که این اسم، بسیار بی مسمی است. زیرا این مدادها حاوی سرب نیستند. در واقع منشأ این نامگذاری به دوره ی روم باز می گردد. در این زمان، هیچ گرافیتی وجود نداشته است. در طی این زمان، افراد برای نوشتن از قطعاتی از جنس بامبو استفاده می کردند. ابتدا خطوطی بر روی این بامبوها حکاکی می شد و سپس این خطوط با رنگ پر می شد. این وسیله پنسیلوس (pencillus) نامیده می شد. در طی سال های اولیه از استفاده از این ماده در انگلیس، قطعات کوچکی از جنس گرافیت بریده می شد و به داخل چوب وارد می شد. اما یک چنین گرافیتی، در سایر کشورها مانند آلمان و فرانسه یافت نمی شد. در طی قرن 19 ام، ناپلئون در فرانسه با انگلیسی ها جنگید و دیگر مداد از آنها نخرید. از این رو، فرانسوی ها به فکر ساخت مداد افتادند. آنها گرافیت را با رس مخلوط کرده و پس از شکل دهی در قالب، در دمای 1000 درجه ی سانتیگراد، پخت کردند. بعدها آنها فهمیدند که اضافه کردن مقادیر مختلف رس، موجب تغییر در میزان نرم بودن مداد دارد. این روش تا به امروز، مورد استفاده قرار می گیرد. گرافیت مورد استفاده در ساخت مداد، در حدود 50 تا 60 % کل می باشد.
ویژگی ها: در زمان لمس کردن گرافیت با دست، می تواند میزان نرم بودن و یا میزان FC مربوط به گرافیت را تشخیص داد. هر چه میزان سیاه کردن دست بیشتر باشد، یعنی مداد نرم تر است. در واقع این مسئله بوسیله ی میزان رس موجود در این مخلوط تعیین می شود. البته میزان نرم بودن مداد نیز باید در گستره ی مشخص و استانداردی باشد.
از آنجایی که گرافیت در هنگام سوختن، موجب تشکیل خاکستر می شود، در هنگام تولید مداد در کوره، باید به مسئله ی میزان خاکستر موجود در گرافیت اولیه، دقت کرد. میزان خاکستر کم، به معنای میزان FC بالاتر می باشد. برای تولید مدادهای با کیفیت بالا، این صنعت از گرافیتی استفاده می کند که میزان FC برابر با 98 % دارد. علاوه بر این، خاکستر نباید در کوره ی پخت مداد، ذوب شود زیرا این مسئله موجب می شود تا مداد ها به هم بچسبند.
کربن غیر گرافیتی، در هنگام سوختن، تبخیر می شود و این میزان از کربن، به عنوان میزان پرت (LOI) در نظر گرفته می شود. وقتی قالب مدادها، می سوزد، این اتلاف موجب می شود تا مداد شکل خود را از دست دهد و از این رو، میزان LOI باید حداقل باشد.
میزان حلالیت گرافیت مداد در آب و مواد نفتی باید پایین باشد زیرا وقتی مداد به صورت اتفاقی با این مواد تماس پیدا کرد، موجب آسیب دیدن آنها نشود.
هموژن بودن مخلوط مورد استفاده برای تولید مداد، نیز یک مورد بسیار مهم می باشد. گرافیت باید تا حد ممکنه ریز باشد. در واقع ذرات موجود باید اندازه ای کمتر از 50 میکرون، داشته باشند.

دیرگدازها

مواد دیرگداز در واقع مواد هستند که در برابر حرارت مقاوم می باشند و نقطه ی ذوب آنها معمولا کمتر از 1580 درجه ی سانتیگراد، نیست. عملکرد آستر دیرگداز یک کوره نه تنها مقاومت در برابر دمای بالاست، بلکه همچنین این آستر، در برابر نوسانات دمایی، نفوذ مذاب و گازهای خورنده نیز مقاومت می کند. این ماده همچنین نباید به صورت شیمیایی با مواد موجود در کوره، واکنش دهد. عمر مفید آسترهای دیرگداز، به عنوان یک پارامتر حیاتی در بهره وری یک کوره و اقتصاد آن، تلقی می شود. علت این مسئله، این است که هر بار تعویض این آسترها، نیازمند متوقف شدن خط تولید است. دیرگدازهای گرافیتی از بیش از 200 سال پیش، مورد استفاده قرار گرفته اند. البته استفاده ی با تکنولوژی بالا از این دیرگدازها، در حدود 40 تا 50 سال پیش، شروع شده است. رویه ی کنونی، در واقع ترکیب ویژگی های خاص گرافیت با سایر مواد دیرگداز می باشد. وقتی گرافیت مد نظر می باشد، خواصی مانند دمای ذوب، مقاومت به شوک حرارتی، رسانایی گرمایی در دماهای بالا، افزایش استحکام با افزایش دما و خنثی بودن شیمیایی این ماده، مد نظر است. در 4 نوع دیرگداز زیر، از گرافیت، استفاده می شود:

آجرهای گرافیتی

در زمان های قدیم، آجرهای دیرگداز گرافیتی، با مخلوط کردن گرافیت با خاک نسوز پلاستیک، تولید می شدند. این آجرها، دیگر، مورد استفاده قرار نمی گیرند. در تولید انها هر دو نوع گرافیت فلسی شکل و آمورف، قابل استفاده می باشند. برای تولید آجرهای با کیفیت بالا، از گرافیت حاوی 70-80 % FC استفاده می شود. البته برای تولید آجرهای با کیفیت بهتر، استفاده از گرافیت با FC بین 90-98 % نیز متداول می باشد.

آجرهای گرافیتی- منیزیایی

این آجرها هم اکنون به طور قابل توجهی، جایگزین آجرهای منیزیا- کرمیتی می شوند. همانگونه که از اسم آنها قابل پیش بینی است، این آجرها، محتوی منیزیا و گرافیت می باشند. این آجرها، ابتدا در آمریکا و در دهه ی 1960 تولید شده اند. پیشرفت این آجرها، با پیشرفت های ایجاد شده در زمینه ی تکنولوژی فولاد مانند تولید کنورتورهای اکسیژن، کوره های قوس الکتریکی آب گرد (EAF) و ملاقه های تصفیه ی فولاد، همراه بوده است.
مقادیر بیشتر گرافیت، موجب می شود تا میزان ریخته گری افزایش یابد و در نتیجه تعداد سیکل های حرارتی که آجر با آن رو برو می شود، بیشتر می شود. این مسئله موجب می شود تا نیاز به تعویض آجر باشد. به هر حال، میزان گرافیت بیشتر در این آجرها، ممکن است منجر به کاهش دیرگدازی ماده می شود. علت این مسئله، این است که گرافیت دیرگدازی خوبی ندارد. در کنورتورهای اکسیژن، میزان گرافیت مورد استفاده، عموما در حدود 20 % است. در EAF های آب گرد، این میزان به 15 الی 20 % می رسد و برای ملاقه های ذوب ریزی، میزان گرافیت در حدود 10 % است. وقتی تعداد سیکل های حرارتی افزایش یابد، مقاومت به شوک حرارتی یک معیار مهم تلقی می شود. از این رو، تکنولوژی آب گرد یا در واقع خنک سازی با آب، برای انتقال حرارت از دیواره ی کوره به سیستم خنک سازی، مورد استفاده قرار می گیرد. رسانایی ایجاد شده به دلیل وجود گرافیت در این آجرها، موجب می شود تا کوره ها، در دماهای بالاتری حتی در حدود 2000 درجه ی سانتیگراد، کار کنند.
با توجه به ویژگی های گرافیت، صنعت ترجیح می دهد تا از گرافیت فلسی مانند دانه ریز استفاده کند (با دانه هایی بین 150 تا 710 میکرون). این دانه ها باید به طور یکنواخت در داخل زمینه پخش شوند. از لحاظ شیمیایی، گرافیت باید حاوی خاکسترهای پایین (کمتر از 10 %) و FC بین 87 تا 90 % باشد. این در حالی است که سیلیس، آلومینا و آهن، از جمله مواد زائد محسوب می شوند. خاکستر در دمای 1100 درجه ی سانتیگراد ذوب می شود. این دما بسیار کمتر از دمای کوره می باشد اما از آنجایی که کیفیت گرافیت مورد استفاده به نسبت پایین است، در نتیجه میزان خاکستر موجود باید کمتر از 10 % باشد. سیلیس، آلومینا و آهن، با منیزیا واکنش می دهد و ترکیبات با دمای ذوب پایین تولید می کند.

آجرهای آلومینا- گرافیتی

این آجرها که در واقع آجرهای گرافیته نامیده می شوند، دارای دیرگدازی بالا و مقاومت به شوک حرارتی فوق العاده می باشد. رسانایی گرمایی این ماده در دمای بالا، افزایش استحکام با افزایش دما، ترشوندگی پایین و خنثی بودن شیمیایی گرافیت، از جمله سایر ویژگی های این آجرها، می باشد. این نوع از آجرها، از دهه ی 1970 تاکنون متداول بوده اند. در این دهه، تکنولوژی ریخته گری پیوسته، ابداع شد. در این تکنولوژی، مذاب فلزی به صورت مستقیم و پیوسته از داخل ملاقه به داخل قالب آب گرد وارد می شود و عملکرد آلومینای گرافیته شده، کنترل این جریان است. تمام ویژگی های گرافیت در این آجرها، مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این، عدم ترشوندگی موجب می شود تا جریان به سادگی ایجاد شود. به هر حال، رسانایی گرمایی بالا موجب می شود تا این آجرها، به خوبی سرد شوند و از این رو، یک جریان یکنواخت ایجاد شود به نحوی که تبدیل مذاب به جامد، به خوبی انجام شود. از این رو، میزان گرافیت موجود در این آجرها، باید مشخص باشد. عموماً این آجرها، حاوی 8 تا 30 % گرافیت می باشند.
آجرهای آلومینایی گرافیته شده، با استفاده از اعمال فشار ایزواستاتیک بر روی مخلوطی از آلومینا و گرافیت فلسی شکل، تولید می شوند. البته می توان این آجرها، را با استفاده از روش اکسترود تحت خلأ نیز تولید کرد. به هر حال، در اولین فرایند، این فلس ها، مسطح می شوند و به صورت عمود بر جهت اعمال فشار، تبدیل می شوند. این حالت موجب می شود تا این گرافیت ها، سطح قابل توجهی از آجر را به خوب اختصاص دهند. این مسئله موجب می شود تا خنک سازی آجر نیز تسهیل شود. در این مورد، فلس های با اندازه ی کوچک، بیشتر ترجیح داده می شوند. البته در برخی کاربردها ، می توان از آجرهای آندالوزیت- گرافیتی، استفاده کرد.
پارامترهای مختلف مربوط به گرافیت مورد استفاده در این کاربرد، عبارتست از FC حداقل 85 % و اندازه ی ذرات بین 150 تا 500 میکرون. برخلاف آجرهای منیزیا کربنی، سیلیس، آلومینا و آهن در این مورد، مضر نیست. زیرا منیزیمی در این آجرها، وجود ندارد که با آنها واکنش دهد و تولید ترکیبات مذاب کند. به عبارت دیگر، 10 تا 20 % سیلیس در کل مخلوط مناسب می باشد. سیلیس با نیتروژن و کربن واکنش می دهد و ویسکرهای سیلیکون نیترید و سیلیکون کاربید تشکیل می شود. این ویسکرها، موجب تقویت پیوند مخلوط گرافیت و آلومینا می شود.
آجرهای زیرکونیا- گرافیتی
این آجرها، به طور گسترده در ریخته گری شمش، کاربرد دارند. زیرکونیا یک ماده ی با دیرگدازی بالاست و ماده ی قوی محسوب می شود. اما ابتدا باید این ماده را با افزون اکسیدهایی همچون منیزیم، کلسیم، اسکاندیم و یا ایتریم، پایدار کرد.

بوته

در مقایسه با کوره ها، بوته دارای اندازه ی بسیار کوچکتری است. این بوته ها در زمانی مزیت دارند که بخواهیم مقادیر اندکی از محصولات را ذوب کنیم و آلیاژسازی انجام دهیم. مهم ترین استفاده از بوته ها، در ریخته گری مذاب فولاد، آلیاژهای غیر آهنی و فلزات گران بها می باشد. عمر مفید بوته ها، به طور قابل توجهی به ماده ی مورد استفاده، وابسته می باشد. برای مثال، هر سیکل حرارتی برای ذوب یک فلز غیر آهنی، روزها طول می کشد و دما نیز در این مورد می تواند تا 1500 درجه افزایش یابد. بنابراین، بوته های مورد استفاده برای ذوب این فلزات به طور مکرر تحت شوک های حرارتی قرار می گیرد. پیش از جنگ جهانی اول، حتی بهترین بوته های گرافیتی تولیدی در ایالات متحده نیز تنها عمری 28 تا 30 سیکل حرارت دهی دارند. با استفاده از گرافیت های با کیفیت بهتر، این عمر مفید بهبود یافت و به 150 تا 200 سیکل رسید. دو نوع بوته ی گرافیتی وجود دارد. یکی بوته های با پیوند رسی و دیگری بوته های با پیوند سیلیکون کاربید. در اوایل دهه ی 1950، مصرف کننده ها ترجیح دادند تا از نوع دوم بیشتر استفاده کنند.
رسانایی گرمایی، مقاومت به شوک حرارتی، دمای ذوب بالا، عدم ترشوندگی، خنثی بودن شیمیایی و طبیعت خاکستر موجود در گرافیت، معیارهای مهم استفاده از گرافیت در تولید این بوته هاست. رسانایی گرمایی بالا موجب می شود تا بوته قادر باشد شوک های حرارتی را دفع کند. رسانایی گرافیت در صورتی بیشتر است که از گرافیت فلسی شکل استفاده شود. علت این مسئله، این است که فلس ها، موجب می شوند تا مساحت بالایی در معرض حرارت قرار گیرند. چیزی که از این مهم تر است، این است که در گرفیت، رسانایی گرمایی با افزایش دما، افزایش می یابد. دمای ذوب و استحکام بالاتر در دماهای بالاتر، موجب می شود تا انعطاف پذیری خوبی برای استفاده از مواد پیوند دهنده، ایجاد شود. عدم ترشوندگی نیز موجب می شود تا مذاب به سهولت از بوته خارج شود. خنثی بودن شیمیایی نیز موجب می شود تا بوته را بتوان برای ذوب مواد مختلف استفاده کرد.
ترکیب خاکستر علاوه و بر درصد آن، یک مورد حیاتی است. وجود مواد قلیایی با نقطه ی ذوب پایین، موجب می شود تا عمر مفید کوره پایین آید. اکسید آهن به سهولت با کربن موجود در آون، کاهش می یابد و موجب ایجاد ماده ای مذاب می شود. در واقع وجود آهن موجب تشکیل شیشه های آهن تیتاناتی می شود که این ماده موجب ایجاد جوش زدگی در بوته و در نتیجه، افزایش تخلخل می شود. وجود آلومینا و سیلیس نیز مضر می باشد. در هنگام ذوب این مواد، سیلیکات هایی تشکیل می شوند که موجب افزایش وزن مخصوص بوته می شود. در واقع این مسئله و تشکیل سایر فازها، موجب می شود تا بافت بوته تضعیف شود. دیرگدازی نیز در حضور فلاکس هایی مانند آهک، منیزیا و مواد قلیایی، کاهش می یابد. در واقع این مواد موجب تشکیل شیشه های ترد با دمای ذوب پایین می شود. از این رو، این مواد جزء ناخالصی های بسیار مضر، تلقی می شوند.
همانگونه که می دانید، اندازه ی فلس ها بسیار مهم می باشد. از این رو، باید مخلوطی از اندازه های متوسط تا درشت از فلس ها در گرافیت، وجود داشته باشد. ذرات با اندازه ی ریزتر، در زمینه توزیع می شوند و استحکام بوته را افزایش می دهد، در حالی ذرات درشت تر، موجب افزایش رسانایی گرمایی می شود. این مسئله به دلیل وجود مساحت سطحی بزرگتر ایجاد می شود.

بوته های با باند رسی

برای ساخت یک چنین بوته هایی، گرافیت (40 تا 50 %)، خاک رس پلاستیک (20-30 %) قراضه ی بوته (25 %) و ماسه (5 %) ابتدا با هم مخلوط می شود. این مخلوط سپس قالب گیری می شوند و بعد از خشک شدن، عملیات پخت در یک اتمسفر کاهشی، انجام می شود. گرافیت مورد استفاده برای این هدف، باید حاوی 90 % FC و اندازه ی فلس های بزرگتر از 150 میکرون باشد.

بوته های با باند سیلیکونی

سیلیکون کاربید در سال 1892 در آزمایشگاه تولید شد. این ماده در سال های بعدی، تجاری سازی شد. این ماده یکی از سخت ترین مواد شناخته شده می باشد. سختی این ماده در مقیاس موهس، در حدود 9 الی 10 است. برای تولید یک چنین بوته هایی، یک مخلوط از گرافیت (20-40%)، سیلیکون کاربید (40-60 %) و رس پلاستیک (به عنوان بایندر) خردایش یافته و بعد از عبور از جداکننده های معناطیسی، با آب مخلوط شده و شکل دهی می شود. این بوته های شکل دهی شده، برای 15 روز در داخل سایبان خشک می شوند و بعد از لعاب زنی، به مدت 5 الی 6 روز، در کوره پخت می شوند. گرافیت مورد استفاده برای این کاربرد، باید حاوی 80 % FC و اندازه ی ذراتی بزرگتر از 150 میکرون باشد.
قطعات مورد استفاده در ریخته گری
کل سیستم قالب گیری، ذوب فلزی، ریخته گری مذاب در قالب، انجماد فلز ریخته گری شده و همچنین فرایندهای متعاقب از جمله برس زنی و اتمام نمونه، ریخته گری نامیده می شود. قالب ها ممکن است از دو نوع باشند. یکی قالب های روی دائمی و قالب های ماسه ای. نوع آخر یعنی قالب های ماسه ای را با پوشش های گرافیتی، پوشش می دهند. البته این ماده به عنوان یک جداساز قالب از نمونه نیز عمل می کند.
یک قالب برای ریخته گری، با ماسه ی مرطوب ساخته می شود و این ماسه ها، با استفاده از رزین یا رس، به هم می پیوندد. بعد از کوبیده شدن ماسه با دست یا ماشین، آلیاژ مذاب یا فلز مذاب در داخل قالب وارد می شود. شرایط زیر باید برای تهیه ی یک قالب خوب، در نظر گرفته شود:
1. سطح داخلی دیواره ی قالب و سطح خارجی قالب داخلی، باید زبر نباشد تا بدین صورت نیاز به ماشین کاری و برس زنی متعاقب، به حداقل برسد.
2. دیواره های قالب باید تخلخل اندک داشته باشد تا بدین صورت، گازها بتواند به سادگی از قالب خارج شود. ولی این تخلخل نباید زیاد از حد نیز باشد. قالب داخلی باید نفوذ ناپذیر باشد تا بدین صورت، از نفوذ مذاب به داخل آن، جلوگیری شود.
3. ماسه ی مورد استفاده، نباید ذوب شود و نباید با فلز ریخته گری شده و در دمای ریخته گری، واکنش دهد.
گرافیت از لحاظ سنتی، به عنوان پوشش دیرگداز بر روی سطح داخلی قالب ها، مورد استفاده قرار می گرفته است. مقاومت به شوک حرارتی، دمای ذوب بالا، استحکام دما بالا، سطح لیز و صاف و خنثی بودن شیمیایی، از جمله معیارهای عملی برای استفاده از این ماده در سطح قالب می باشد.
مقاومت به شوک حرارتی، دمای ذوب بالا و استحکام دما بالای این ماده کمک می کند تا کارایی قالب افزایش یابد، حتی وقتی دمای ذوب فلز بالاست. سطح لیز و صیقلی، موجب می شود تا فلز به قالب نچسبد. بنابراین، قطعه ی ریخته گری شده، به آسانی از قالب جداسازی می شود. در این کاربرد، گرافیت ریز آمورف، ترجیح داده می شود. زیرا رسانایی گرمایی در این کاربرد مهم نیست و در واقع گرافیت ریزدانه، ارزان قیمت تر است. از این رو، از این نوع گرافیت، استفاده می شود.مقادیر اندکی کوارتز و میکا در این گرافیت، مطلوب است زیرا مقادیر اندک این ماده، موجب بهبود خاصیت پوشش می شود. صنایع از گرافیت هایی استفاده می کنند که میزان FC موجود در آن، در حدود 40 تا 70 % است.