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在化工、医药、石油、冶金、轻工、食物、纺织以及国防、电子、三废治理等国民经济很多领域,因为介质的强腐蚀性,要求诸多制作设备的资料,既要能防腐蚀,又要有杰出的传热功能,而石墨资料就成为理想的设备结构资料。
石墨分为天然石墨和人工石墨两种。人工石墨在焙烧过程中,因为有机物质分解成气体逸出,使石墨资料形成多孔性。为了扩大其在工业中的运用范围,采取一定措施,填塞石墨的空地,使其成为不透性石墨资料,之后在化工生产中得以广泛运用和开展。
1.国内外开展现状
英国的艾奇逊电极公司 (British Acheson Electrodes Ltd)早在1936年就成功研发了不透性石墨列管式换热器,在1947年成功研发了块孔式石墨换热器;日本碳素股份有限公司在二战后成功研发了压型不透性石墨换热器。从不透性石墨面世以来,国外运用的石墨换热器中,列管式换热器占绝大多数,并最先向规范化、系列化、大型化开展。
我国在20世纪50年代末期开始不透性石墨的运用研究,虽然起步较晚,但在石墨新设备的运用研究方面取得了可喜的成果。到现在为止我国的不透性石墨制列管式矩型块孔式、圆块孔式以及膜式吸收器、盐酸合成炉等都有系列化产品。别的,石墨制泵、阀门、管道、管件等已在化工生产中得到推广运用。
2.不透性石墨长处
①杰出的耐腐蚀性。例如由酚醛树脂浸渍的石墨,除强氧化性酸和强碱外,对大部分酸类都是稳定的;呋喃树脂浸渍的石墨有优良的耐酸性和耐碱性。
②优良的导热性,其导热系数比一般碳钢大两倍多。
③线胀系数小,耐温度急变性好。
④不污染介质,能确保产品纯洁度,无结垢现象。
⑤机械加工功能杰出,易于制成各种结构形状的设备及零部件口
⑥耐磨耗性好,质量轻。
⑦随工作温度的升高,它不变形,强度也不降低。
3.设备典型结构
石墨制化工设备的类型较多,功能各有特色,按不同的准则能够作出不同的分类,大体能够分为以下几类:换热器类、反响设备、吸收设备、塔器、泵、旋转机械、衬里设备等等。
注:a-石墨翅片管列管式换热器; b-圆块孔式石墨换热器; c-圆块式S形石墨换热器;d-小盖板块孔式石墨换热器。
注:e-列管式石墨降膜吸收器; f-石墨泡罩塔; g-规范型石墨填料塔;h-块孔式“三合一”石墨合成炉。
注:i-石墨液下泵;j-石墨喷射泵;
k-刮板式石墨薄膜干燥机。
4.设备设计特色
依据石墨资料的功能特色,在进行不透性石墨制化工设备(以下简称石墨设备)设计时,应注意以下几方面的特色:
①应尽量发挥石墨资料抗压强度高的特色。使石墨制元件处于承受压应力状况而防止或减小承受拉应力和弯曲应力;
②换热器的通道走向有必要契合石墨各向异性所带来的最佳导热方向。因为石墨制品垂直于挤压轴线方向的导热系数比平行于轴线方向小25%,所以设计传热元件时,应尽量使传热暖流的方向沿石墨挤压的轴线方向;
③作为加热设备,在选用树脂浸渍石墨、压型石墨及其胶结剂等与金属资料或其他资料相组合制作加热设备时,因为热膨胀系数的差异,引起过大的温度应力,应尽量减少用粘接结构。在进行列管式换热器的设计时,尤其要合理地选择资料和结构方式;
④设备的主要石墨零件,相同应尽量防止用带粘接缝的结构。因胶结剂与石墨资料的热膨胀系数不同,粘接缝在较高操作温度下,将产生温度应力,并且它在介质温度及时效的作用下,可能引起脆化,使零件断裂。现在,我国用于制作设备的人工石墨毛坯的最大尺度:方形截面为400mm X 400mm,圆柱截面一般为φ60Omm ,最大到达φ1800mm,而所需要的石墨零件往往超越石墨毛坯的最大尺度。这时,不可防止地需选用粘接结构。此时,石墨零件的胶合缝应紧密均匀,缝宽度一般不大于1mm;
⑤金属资料的连接件,如螺栓、双头螺栓,不宜直接拧在石墨元件上;
⑥零件的几许形状和设备结构不宜过于杂乱;
⑦石墨接收伸出设备外壁不宜太长,避免运输或运用中碰坏;
⑧应考虑设备吊装部位,一般不宜直接在不透性石墨构件上吊装;
⑨因为石墨资料的不均质性,强度核算时选用较大的安全系数,一般取9~10(前西德AD规范N2取9,日本一般取10,在基础资料及工艺确保条件均很好时,能够考虑选用n=9)。
5.加工制作工艺
不透性石墨设备及其元件的加工制作工艺,随设备的结构不同而异。不透性石墨的机械加工功能与铸铁相似,它比铸铁硬度小,一般选用金属切削工具或木匠工具就能进行加上。如进行车、刨、铣、钻、锯、磨等加工。因为石墨本身的强度较差、性脆。一般选用两次浸渍和两次加的方法,以进步其强度,确保加工精度。
不透性石墨设备的加工、制作,应履行《石墨制化工技术条件》(HG 2370)等相关规范,严格控制各施工环节,确保施工质量。
图一 不透性石墨零部件制作工艺流程
石墨资料质硬但性脆,极易碎裂。因而,石墨资料及其任何元件和制品,在任何搬运过程中,要做到轻搬轻放,严禁乱扔乱捧。在机械加工过程中,需要夹紧时,用力要均匀。防止部分受力过大。在机械加工和安装过程中。严禁用金锤敲打,在有必要敲打的场合,应选用包有橡皮的木槌敲打。
6.定论
尽管如此,我国石墨设备行业的总体水平还不高,因为当前制作石墨设备的主体资料绝大部分仍以电极石墨为主,浸演剂的品种亦不多。电极石墨内部组织颗粒粗大(粒径在6~10mm左右)。空地率高(一般在20%左右),机械功能差,导致石墨设备的功能和质量低下。因而,怎么开展化工专用石墨,进步石墨资料的机械物理功能,开发高功能浸渍剂新品种,改善石墨设备的加工制作工艺,然后进步石墨设备的功能和质量,是我们今后工作的方针和重点。
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