‏الاستخدامات والاقتصاديات للغرافيت :

‏بما ان الكربون والغرافيت يجمعان بين المقاومة الكيميائية وبين عدد من الخواص الفيزيائية المرغوبة في المواد البنيانية للمصانع الكيميائية ، لذلك يعتبران من اوسع المواد اللامعدنية استخداماً في هذا المجال . فهما يقاومان الاجهاد الحراري بشكل جيد ، ويتميز الغرافيت بموصلية حرارية عالية (الصورة 1-1). هذا الجمع ، اضافة الى امكانية التشغيل الجيدة ، يجعل من الغرافيت ، والغرافيت الكتيم الخيار ‏الافضل لكثير من اصناف المعدات الكيميائية .

 الصورة 1 ‏- 1 ‏. الموصلية الحرارية لمواد البناء الشائعة.

يصنع الغرافيت الكتيم ( او الكربون الكتيم ) بتشريب الغرافيت القاعدي المسامي الى حد ما ( او الكربون ، اذا اردنا انتاج الكربون الكتيم ) بالراتينج التركيبي . وتستخدم في التشريب دورة ضغط فراغي لإكمال اختراق الراتينج . والراتينج الذي ‏يستخدم عادة هو من النموذج الفينولي ، الذي يتبلمر بالمعالجة عند درجات حرارة مرتفعة في محمّات موصدة تسخن بالبخار .

‏المقاومة الكيميائية للغرافيت الكتيم والمواد الكربونية الكتيمة ، التي تنتج بهذه ‏الطريقة ، تشبه عمليا مثيلتها في الخامات الاصلية . وينصح باستخدام المواد الغرافيتية عند درجات حرارة جسم المادة حتى 170 مئوية . كما ينصح باستخدام الغرافيت بصورة عملية مع كل الاحماض المعدنية ، والمحاليل الملحية ، والمواد القلوية ، والمركبات العضوية عند درجة حرارة الغليان . يستثنى من ذلك وجود حالات الاكسدة الشديدة ، كما في وجود حمض الكبريت بتركيز اعلى من 95 ‏% ، وحمض الازوت ، وحمض الكروم المركز ، والبروم ، والفلور ، واليود . تستخدم في ملاطات ربط الغرافيت راتينجات مماثلة للراتينجات التي تنتج مادة كتيمة . والمفاصل الثابتة شبه الملحومة تتشكل بمقاومة التآكل وبقوة تكافئ قوة المادة الاساسية او اقوى منها .

‏يشيع كثيراً في تطبيقات المعالجة الكيميائية استخدام الكربون والغرافيت على شكل اجر او كتل كبيرة او صفائح . تصنع قوالب القطعة المفردة روتينيا بقطر يصل حتى 170 ‏سم وطول حتى 200 ‏سم . وتبين الصورة 2 ‏- 1 ‏البناء الكتلي الكبير النموذجي للكربون والغرافيت . نموذج مبنى كوخ الكونسيت Quonset-hut هو حجرة من الفرانيت لحرق الفسفور مع الاكسجين لتشكيل P₂O₅، الذي يميأ بعدئذ في مبنى الكربون الذي يشبه صومعة الحبوب لتشكيل حمض الفسفور ويستخدم مبنى مماثل لبطانات مركزات حمض الكبريت والمرسبات الالكتروستاتية حيث يكون الاستقرار البعدي هاما . ونصادف بطانة الصهاريج من اجر الكربون في مغاطس تنظيف المعادن ٠ ‏والتنظيف ٠ ‏والاعمال الختامية ‏، وخصوصاً عند التعرض لحمض ‏الهيدروفلور ، وفي هضم الصخور الفوسفاتية بحمض الكبريت في تصنيع المخصبات ( الاسمدة ) الفوسفاتية.

‏الغرافيت من الصنف المقولب اكثر اهمية من مواد البناء الكربونية والغرافيتية بالنسبة للصناعة الكيميائية . فالغرافيت بصفاته المطواعة في التصنيع الآلي ، اضافة ‏الى توفر بحجوم واشكال كثيرة ، مسمح ببناء سلسلة كاملة من معدات المعالجة ، بما فيها المبادلات الحرارية ، والمضخات ، والصمامات ، والانابيب ، والوصلات ، والابراج ، واجهزه الامتزاز . وقدرة الغرافيت العالية في توصيل الحرارة ‏مهمة خصوصاً في تطبيقات التبادل الحراري صورة 8 ‏- 4 ‏. والمعدات القياسية الاكثر شيوعاً هي المبادلات الحرارية القوقعية والانبوية shell and tube ، التي تظهر في الصورة 8-6 ‏، والتي تتراوح حجما الى وحدات يصل سطح انتقال الحرارة فها الى 1400 ‏م2 . وتتراوح ضغوط التشغيل حتى 700 ‏Kpag‏ وضغط البخار حتى 350 kpag ‏. ويستخدم الغرانيت الكتيم ايضا في المبادلات الحرارية اللوحة والكتلية ، والمبردات الشلالية cascade coolers ، ومضخات الطرد المركزي .

‏كما يستخدم في منافث الصواريخ ، وحوافي الاجنحة المتقدمة والمخاريط الأمامية في سفن العودة بسبب خفة وزنه ومتانته الآلية الجيدة عند درجات الحرارة العالية جدا .

‏طورت مؤخرا نماذج جديدة من الغرافيت وتتميز بالمرونة وقابلية الانضغاط، ولا تحتوي مواد ربط ، او راتينجات ، او اضافات اخرى ، وتتميز بالخمول الكيميائي والزلاقة ، وهي صفات نموذجية بالنسبة للغرافيت النقي . يمكن صناعة هذه المواد على شكل صفائح او اشرطة ، وكذلك على شكل رقائق وزبد (رغوة‏) foam . وتشتمل الاستخدامات في حقل معدان المعالجة الكيميائية على التغليف واطواق منع التسرب ، والعزل الحراري عند درجات الحرارة العالية ، حيث يمكن استخدام هذه الخواص المتباينة لإظهار محاسن هذه المواد .

‏اما التطبيقات الكهربائية الحرارية : كما في انتاج الفولاذ في افران قوسية مكشوفة ، اضافا الى انتاج السبائك الحديدية والفسفور في افران قوسية مغمورة ‏، فتستهلك الجزء الاكبر من الألكترودات الكربونية والغرافيتية .

‏تصل اطوال ألكترودات الافران القوسية المكشوفة المصنوعة من الغرافيت الى 60 ‏سم عرضاً و 245 ‏سم طولاً ، اما الألكترودات الكربونية ونصف الكربونية (كربون + حشوه غرافيت) التي تستخدم في الافران القوسية المغمورة فتصل اطوالها النموذجية الى 140 ‏سم عرضا و 265 ‏سم طولاً .

وتتضمن تطبيقات التحلل الكهربائي أنودات لتحلل الأملاح المندمجة كهربائياً لإنتاج الألومنيوم ، والمغنزيوم ، ومعادن الصوديوم ، إضافة الى تحلل المحاليل الملحية المائية كهربائياً لإنتاج الكلور ، والصودا الكاوية ، والكلورات . وسنورد مخططات الإنتاج لهذه التطبيقات في فصول أخرى .

إن ازدياد متانة الكربون والغرافيت مع ارتفاع درجات الحرارة ، ومنعتهما ضد الإجهاد الحراري ، ومقاومتهما للتأثير التأكلي للخبث المنصهر ، وفشل معظم المعادن في ترطيبهما ، كلها صفات تدفع الى استخدامهما في الصناعات المعدنية ، كما في أسفل المناطق المائلة bosh zones في الأفران العالية ، وتبطين السطوح المقببة ، وأحواض التسرب runout trough ، والأطر ، والقوالب ، والبواتق . أما الاستخدامات الكهربائية والآلية فهي في الفراجين brushes ، والمقاومات ، ووسائل التلامس ، والأجزاء الألكترونية في الأنابيب ، وحلقات منع التسرب ، وكربونات التلحيم وأجهزة العرض السينمائي.

يتشكل الغرافيت الحراري بالتكسير الحراري لغاز هيدروكربوني كالميثان ، وترسبه على طبقة تحتيه substrate ، والراسب متباين الخواص الى حد بعيد ، أي أن الموصلية الحرارية ليست نفسها في كل الاتجاهات . فهي تساوي النحاس في المستوى xy وأكسيد الألومنيوم في الاتجاه z . ويمكن أن يترسب عند الكثافة النظرية وبشكل نقي جداً ، وتشمل استخداماته البواتق لمعالجة المعادن والخلائط مثل الجرمانيوم germanium وزرنيخيد الغاليوم gallium arsenide ، ومنافث الصواريخ ، وطلاء لجزيئات الوقود النووي .

نسبة الصلابة الى الوزن والمتانة الى الوزن في ألياف الكربون أكبر منها في المواد البنيانية الشائعة . انخفضت أسعار الألياف من 1200 دولاراً للكيلوغرام ، في عام 1965 ، الى أقل من 50 دولاراً للكيلوغرام عام 1981 . تستخدم المركبات الراتينجية في مباني الفضاء الجوي والفضاء ، حيث يكون توفير الوزن مهماً ، وفي سلع الألعاب الرياضية ذات الأداء العالي . تستخدم في تطبيقات الفضاء الجوي كل المركبات الكربونية التي تصنع بتحليل مادة الترابط الراتينجية resin matrix حرارياً ، وتستقصى بوصفها مواد احتكاك في المكابح .

الصورة 2-1 وحدة لإنتاج حمض الفسفور . بني البناء (الى اليمين) كلياً من غرافيت الأفران الكهربائية ، أما البرج (الى اليسار) فقد ركب من أحجار الكربون اللامتبلر .

يستخدم الغرافيت عالي النقاوة جداً في كثير من المفاعلات النووية كمهدئ وعاكس فالمهدئ يحتجز الوقود النووي في موضع و " يهدئ " أو يخفف من سرعة حركة النيوترونات الى سرعات يمكن فيها احتجازها ، وبهذا يمكن التفاعل السلسلي من الاستمرار . يحيط العاكس بالمهدئ ويبعثر النيوترونات الهاربة رجوعاً الى القلب ويستخدم الغرافيت أيضاً في بعض المفاعلات كمادة ربط matrix ليبعثر فيها الوقود النووي ويحتويه .

ويستخدم الغرافيت ذو النقاوة العالية أيضاً على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات semiconductors من أجل النمو البلوري المفرد .

الصورة 3-1 صورة مقطعية ، لمبادل حراري قوقعي وأنبوبي من الغرانيت الكتيم ، ممر أنبوبي واحد .