Графитовый стержень¶

Графитовый стержень — это изделие цилиндрической или прямоугольной формы, изготовленное из графита (аллотропной модификации углерода) или композитов на его основе. Обладает высокой электропроводностью, термостойкостью, химической инертностью и низким коэффициентом трения. Применяется в качестве электрода в дуговых печах, токосъёмного элемента в электрических машинах, замедлителя нейтронов в ядерных реакторах, а также как расходный материал для письма и рисования (грифель карандаша).

¶История

Первое промышленное применение графитовых стержней связано с изобретением карандаша. В 1564 году в Англии (графство Камберленд) было открыто месторождение чистого графита, который распиливали на палочки и вставляли в деревянные оправы. Современный способ производства грифелей из смеси графита и глины с обжигом запатентовал французский учёный Никола-Жак Конте в 1795 году.

В середине XIX века графитовые стержни начали использовать в качестве электродов для дугового освещения. В 1880-х годах американский изобретатель Чарльз Браш усовершенствовал конструкцию дуговых ламп с графитовыми электродами. С развитием электросталеплавильного производства в начале XX века графитовые стержни стали ключевым элементом дуговых печей. В 1942 году в США под руководством Энрико Ферми был запущен первый ядерный реактор (Чикагская поленница-1), в котором графитовые стержни выполняли роль замедлителя нейтронов.

¶Классификация

Графитовые стержни классифицируют по нескольким признакам:

¶По назначению

• Электродные — для дуговых сталеплавильных печей (диаметр от 75 до 700 мм, длина до 2700 мм).
• Токосъёмные — для щёток электрических машин и пантографов.
• Замедляющие — для ядерных реакторов (высокая чистота, без примесей бора и кадмия).
• Грифельные — для карандашей (диаметр 0,5–5,6 мм).
• Специальные — для тиглей, нагревателей, форм литья.

¶По технологии изготовления

• Прессованные — из смеси графита и связующего (каменноугольный пек или синтетическая смола) с последующим обжигом и графитацией.
• Экструдированные — продавливание через фильеру с последующей термообработкой.
• Изостатически прессованные — под высоким равномерным давлением, обеспечивают изотропность свойств.

¶По степени графитации

• Аморфные — частично графитированные (до 2000 °C).
• Графитированные — полная термическая обработка (2500–3000 °C).
• Пиролитические — осаждение из газовой фазы (высокая плотность, анизотропия).

¶Устройство и характеристики

Графитовый стержень представляет собой монолитное тело, состоящее из кристаллитов графита, ориентированных в определённом направлении (анизотропия) или хаотично (изотропия). Основные физико-механические свойства:

Стержни для ядерных реакторов дополнительно характеризуются коэффициентом замедления нейтронов (до 0,9) и низким сечением захвата тепловых нейтронов (менее 0,004 барна).

¶Применение

¶Электрометаллургия

Графитовые стержни используются в качестве электродов в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). Через них пропускают ток силой до 150 кА для создания электрической дуги, плавящей металлолом. Расход электродов составляет 1,5–4 кг на тонну стали. В России крупнейшим производителем графитовых электродов является Челябинский электродный завод (ЧЭЗ).

¶Электротехника

В щёточно-коллекторных узлах электрических машин (двигатели, генераторы) графитовые стержни служат токосъёмными элементами. Они обеспечивают низкое переходное сопротивление и малый износ коллектора. В пантографах электропоездов и трамваев применяются угольно-графитовые вставки.

¶Ядерная энергетика

В реакторах типа РБМК (реактор большой мощности канальный) и некоторых других конструкциях графитовые стержни используются как замедлитель нейтронов. Они размещаются в кладке активной зоны и снижают энергию быстрых нейтронов до теплового уровня. В реакторах РБМК-1000 (например, Ленинградская АЭС) масса графитовой кладки достигает 1700 тонн. Стержни должны иметь высокую чистоту (содержание бора менее 0,5 ppm) для предотвращения паразитного поглощения нейтронов.

¶Карандашное производство

Грифели для карандашей изготавливаются из смеси графита, глины и связующих веществ. Соотношение графита и глины определяет твёрдость грифеля: от 9H (самый твёрдый) до 9B (самый мягкий). Диаметр стержня варьируется от 0,5 мм (механические карандаши) до 5,6 мм (столярные карандаши).

¶Прочие области

• Химическая промышленность — нагреватели в печах, тигли для плавки металлов, теплообменники.
• Металлообработка — электроды для электроэрозионной обработки.
• Медицина — в некоторых моделях дефибрилляторов (как одноразовые электроды).

¶Технология производства

Процесс изготовления графитовых стержней включает несколько этапов:

1. Подготовка шихты — смешивание кокса (нефтяного или пекового) с каменноугольным пеком (связующее).
2. Формование — прессование или экструзия через фильеру.
3. Обжиг — нагрев до 800–1200 °C в бескислородной среде для удаления летучих веществ и карбонизации связующего.
4. Пропитка — заполнение пор пеком (для повышения плотности).
5. Графитация — нагрев до 2500–3000 °C в электрической печи (процесс Ачесона). На этом этапе аморфный углерод переходит в кристаллическую форму графита.
6. Механическая обработка — точение, фрезерование, шлифовка до требуемых размеров.

Для получения стержней особой чистоты (ядерный графит) применяют дополнительную очистку от примесей (бор, ванадий, кадмий) путём обработки хлором или фтором при высоких температурах.

¶Интересные факты

• В 2019 году учёные из Токийского университета создали графитовый стержень толщиной в один атом (графеновая лента), используемый в наноэлектронике.
• В реакторе РБМК-1000 графитовые стержни-замедлители имеют диаметр 25 мм и длину 3,5 м. Они уложены в графитовую кладку с зазором 2 мм для компенсации теплового расширения.
• Самый длинный графитовый электрод (диаметр 700 мм, длина 2700 мм) весит около 2,5 тонн и используется в сверхмощных дуговых печах.
• В СССР в 1950-х годах разработали технологию получения графитовых стержней из антрацита (Челябинский электродный завод), что позволило отказаться от импорта дорогого нефтяного кокса.

¶Источники

• ГОСТ 4426-82 «Стержни графитовые для электротермических установок. Технические условия».
• ГОСТ 4404-78 «Графит для ядерных реакторов. Технические условия».
• Уманский Я. С. «Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия». — М.: Металлургия, 1982.
• Справочник «Углеродные материалы для электротермии» / под ред. В. С. Веселовского. — М.: Энергия, 1975.
• Материалы Челябинского электродного завода (ЧЭЗ), каталог продукции.