采用冷等靜壓機來制造各向同性石墨在國內已有30 來年的歷史,發展到今天,無論是生產規模,還是產品的工藝、質量和應用,都已達到了較高的水平。目前,冷等靜壓各向同性石墨的應用范圍已滲透到當代高新技術各個領域中,如原子能反應堆、火箭噴咀、連續鑄鋼、電火花、加工、半導體用器具等制造業中。本文就國內冷等靜壓各向同性石墨的發展、生產企業及產品性能作以綜述。

  1  主要生產企業概況

  1. 1  吉林炭素集團有限責任公司

  該公司前身是吉林炭素廠,是我國第一個五年計劃期間156 項重點工程之一,也是我國興建的一個炭素生產基地。1955 年建成投產,結束了我國炭素產品依賴進口的歷史,經過40 多年的經營擴展和幾次重大技術改造,成為我國最大的綜合性炭素生產企業。采用冷等靜壓技術來開發尖端新型石墨,該公司是國內炭石墨行業中最早的企業。遠在70年代初,就購置了工作缸Φ100 mm ×600 mm 的小型冷等靜壓機,為原子能工業用石墨進行了工藝研究。通過多年大量實驗,特別是選擇與確定最佳成型工藝, 取得了豐富的經驗, 并在此基礎上,1975 年增購了一臺中型冷等靜壓機(工作缸Φ500 mm ×2 200 mm) 。該機結構特點和主要性能如下:框架為疊板式,由厚度為40 mm 15MnV 鋼板13 層疊合而成。上缸體為雙層套筒,配合為過盈熱裝,材質為33 CrNiMn 經鍛制加工而成。高壓、超高壓系統是由高壓泵和超高壓泵(600 MPa) 及操縱截止閥、壓力表、管路等零部件構成。另外還附有電烘箱、真空泵、濾油機等。壓機設計壓力、試驗壓力、最高使用壓力分別為300 , 250 , 200 MPa ; 缸體為Φ500 mm ×2 280mm ,框架主體總高度為5 596 mm ,主缸體與整機質量為12 t 52 t 。80 年代初,該公司高、精、尖產品TSJ - 9 型石墨的研制成功就取決于采用中型冷等靜壓機的效果。該石墨先是采用擠壓法,后再經等靜壓的雙次成型工藝,這不僅保持了原來的結構形態,使制品體積密度從1. 70 g/ cm3 提高到1. 80 g/ cm3 ,而且焙燒成品率提高到90 %以上。采用冷等靜壓工藝所得的各向同性石墨經用戶試驗,完全達到設計的要求。80 年代中期,水平連鑄是煉鋼工業的新技術,它所用的連鑄機關鍵部件之一就是石墨結晶器,簡稱連鑄石墨。這種產品美、法、德、日等國都采用冷等靜壓技術制造,對它的質量要求很高,必須具有很高的密度與強度,較好的導熱性與抗熱震性能,結構均一,使用壽命長,當時國內無法滿足,全部依靠進口。1986 9 月該公司開始承擔水平連鑄專用石墨的攻關,經過4 年的努力,采用冷等靜壓與高壓浸漬等工藝, 研制出高密度、高強度、較好導熱系數的連鑄石墨。應用效果達到了具有世界先進水平的德國EK432 型連鑄石墨的水平, 1991 3 28 日該成果通過了部級鑒定[1 ] 。此外,該公司還拓寬了冷等靜壓工藝的應用,開發了軍用石墨喉襯、人造骨用石墨基體、冶煉冶金用石墨坩堝等,并且都取得了令人滿意的效果。

  1. 2  上海碳素廠

  上海碳素廠(2000 8 1 日被吉林炭素集團兼并) 重視并采用冷等靜壓機來研制各向同性石墨是在70 年代末,當時,國家科委為開發大規模集成電路,急需大硅單晶的單晶爐配套用石墨發熱元件。該廠為完成此任務,1978 年在中科院上海硅酸鹽研究所冷等靜壓機上初探了成型工藝, 研制出細結構、高純、致密的各向同性石墨。1979 年后又利用上海鋼鐵研究所的冷等靜壓機進行較大規格的各向同性石墨的成型研究。數年的科學實驗,全面掌握了冷等靜壓成型等工藝,研制出Φ340 mm ×500 mm 大單晶爐配套用石墨發熱元件,19 家廠、院使用,質量優異,可與美、日同類產品相媲美。1983 年國家科委、上??莆馁Y160 萬元,委托上海市重型機器廠設計與制造當時國內炭石墨行業中最大的冷等靜壓機,1985 5 月該機在上海碳素廠安裝、試車成功。該機工作缸內徑為800 mm ,高為2 000 mm ,從此該廠可以大批量生產大規格、高純、致密的各向同性石墨,除滿足國內配套需要外,還有少量出口[2 。該廠針對電火花用石墨模壓規格較小,對大型模具需要粘接的不足,又開發出特大規格電火花用各向同性石墨,使電火花加工不僅無需粘結,而且不用再考慮石墨材料的方向,均可使成模達到理想要求,從而促進了我國電加工成模技的進步。10 多年來,該廠冷等靜壓各向同性石墨的科研與生產也取得了新的進步。產品已形成了系列,已有SIFC - 320 、SIFB - 550 7 種型號的各向同性石墨供用戶選擇,產品的性能達到了國內先進水平,應用領域也有拓展,已從單晶爐用加熱器、隔熱屏、電火花加工,發展到連續鑄造用結晶器、反應堆結構材料等。

  1. 3  東新電碳股份有限公司

  東新電碳服份有限公司是電炭行業中最早從事冷等靜壓技術開發與應用的企業。70 年代末,該公司縱觀國內冷等靜壓技術在炭素硬質合金方面的發展,為使企業上臺階,發展新產品,推動電炭行業的技術進步,購置了一臺上海大隆機器廠制造的TY2 - 3 型冷等靜壓機。該機工作缸內徑為200 mm ,高為1 000 mm ,壓力為360 MPa ,工作介質為1∶1 的混合煤油和變壓器油,外形尺寸為Φ800 mm ×2 095 mm ,質量1 592 kg 。用該機對冷等靜壓成型工藝進行了大量試驗,取得了較為滿意的結果。該公司于80 年代中期,委托德陽第二重型機器廠,按電炭工藝特點設計與制造了一臺大型冷等靜壓機,該機工作缸內徑為800 mm ,1 600mm ,最大工作壓力為250 MPa ,總高度5. 3 m ,總重87 t ,作缸體是采用34CrNi3Mo 高強度合金鋼制作芯筒,外表面用截面為4 mm ×1 mm、材料為65 Mn 高強度扁鋼絲。上下端蓋是浮動式的,框架是由2 根立柱和上下半圓梁拼合后,用圓柱銷定位的。整個壓機的操作分手動及分段聯動,另外可采用多種壓制工藝和三種泄壓速度。該壓機為公司成功地研制了較大規格的高質量電火花用石墨、連鑄石墨、機械用炭,冶金、化工用石墨等產品。該公司在利用冷等靜壓技術開發新產品的同時,為避免冷等靜壓機液體的污染,對液壓系統進行了改進, 取得了較好的效果, 并因此獲得了專利[3 ] 。改進的實質就是在壓機主缸內腔底部,安設了由鋼環、鋼盤和彈性膠袋組成的隔離裝置,使高壓液體僅能充入到膠袋內,將壓力再傳遞到上部液體(已被隔離) ,實施壓型。泄壓后,只有充入膠袋內不受污染的液體回到液壓系統,保護了液壓系統免遭污染。

  1. 4  成都化工炭素總廠

  成都化工炭素總廠自1991 年轉為全過程生產炭素制品,炭素制品(主要是電極) 的年產量超過萬噸,成為西南地區最大的炭素制品生產基地。90 年代中期,該廠為增強新產品的開發實力,從四川雅安川西機器廠購置了一臺缸徑為Φ830mm、高為1 500 mm 的大型冷等靜壓機, 并于1995 年安裝、調試、投入生產。所生產出的各向同性石墨產品質量優異,而且焙燒的成品率高,領先于國內。

  1. 5  哈爾濱電碳研究所

  哈爾濱電碳研究所于80 年代中期開始從事冷等靜壓技術應用的探索。冷等靜壓機是由北京703 所轉讓, 該機工作缸內徑為Φ400 mm、高為1 500 mm。該所通過大量的工藝試驗,也獲得了成功,如新產品電火花加工用T401 各向同性石墨就是采用冷等靜壓技術制成的。該石墨與國內兄弟廠電火花石墨電極相比,其電極損耗低,加工速度、加工精度等工藝指標都較高,而且加工穩定性較好。因此該產品已于1987 9 月通過了專家鑒定 。

  1. 6  蘭州炭素有限公司

  蘭州炭素有限公司于1987 年初開始進行冷等靜壓與普通冷模壓的對比研究,模壓是在200 t油壓機上進行,而冷等靜壓是借用北京鋼鐵研究總院工作缸內徑為Φ500 mm、高為1 460 mm、工作壓力為300 MPa 6 000 t 冷等靜壓機上進行。對比研究結果,冷等靜壓成型制品密度高達1. 95g/ cm3 ,而模壓制品密度為1. 87 g/ cm3 , 異向度也低于模壓制品, 從而確認了冷等靜壓技術的優異性, 不久后, 該廠購置了四川省雅安川西機器廠生產的LDZ - 300 MPa 型的冷等靜壓機, 該機重為6 000 t ,工作壓力為300 MPa ,工作缸內徑為Φ500 mm、高為1 500 mm ,使用的壓油為30 # 機油。

  1. 7  其他

  中國航空總公司四院四十三所為開展炭石墨制品在高、精、尖領域中的應用研究,也配置有2臺冷等靜壓機,一臺缸體內徑為Φ400 mm ,高為Φ800 mm , 另一臺內徑為Φ180 mm , 高為600mm。它們都是上海大隆機器廠設計與制造的。天津耐火材料廠也采用冷等靜壓技術開發了長壽牌石墨坩堝。上?;た倧S機修分廠也有冷等靜壓機用于研制炭石墨機械密封材料等。

  2  冷等靜壓各向同性石墨的性能

  冷等靜壓各向同性石墨的性能將按制造工藝(如粒度,壓力、焙燒后的浸漬等) 的不同與產品用途的要求而變動,對它的考核較為一致的是體積密度與抗壓強度。其他如肖氏硬度、抗折強度、電阻率、氣孔率、熱膨脹系數、導熱等性能由生產企業與用戶協商而定。目前國內的冷等靜壓各向同性石墨的體積密度都能達到高密要求,即在1. 80 g/ cm3 以上。吉林炭素集團公司研制開發的連鑄用各向同性石墨其密度的平均值達1. 85 g/ cm3 ,見表1 。其他各生產廠都能生產出體積密度高于1 . 80 g/ cm3 的各向同性石墨。而抗壓強度一般波動在60 80MPa ,哈爾濱電碳研究所開發的T401 型各向同性石墨抗壓強度已達110 MPa 。

  綜上所述,我國冷等靜壓各向同性石墨的發展是迅速的,到目前為止,我國無論是炭素行業,還是電炭行業的骨干企業都已擁有大型冷等靜壓機,都有冷等靜壓各向同性石墨的品種,它的生產工藝比較成熟,產品的應用也愈來愈廣,這不僅滿足了國民經濟發展的需要,也為企業自身的實力增強與獲得較多的科技成果、更高的經濟效益奠定了基礎。隨著我國科技事業的發展,深信冷等靜壓各向同性石墨的發展前景會更美好。