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Strangpressform
Die Erfindung betrifft eine Strangpressform, bestehend aus einer im wesentlichen rechteckigen Ein- trittsöffnung und einer mit letzterer durch Wandungen verbundenen ebenfalls im wesentlichen rechtecki- gen, aber längenmässig anders dimensionierten Austrittsöffnung, zur unter Hindurchpressen erfolgenden
Herstellung eines im Querschnittrechteckigen, bezüglich der durch die beiden parallelen Seitenpaare des
Rechteckes gegebenen Richtungen anisotropen Stranges aus einem unter Druckeinwirkung sich anisotrop orientierenden Material, insbesondere zur Herstellung von ungetrockneten Kohlenstoffmaterialformkör- pern mit übereinander liegenden, im wesentlichen zueinander parallelen Lamellenschichten, aus einem
Gemisch aus einem Bindemittel und im wesentlichen plättchenförmigen Kohlenstoffteilchen.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass eine Abmessung der Eintrittsöffnung der mit ihr korrespondierenden par- allelen Abmessung der Austrittsöffnung im wesentlichen gleich ist-entsprechen zwei im wesentlichen parallelen Wandungen -, während die andere Abmessung der Eintrittsöffnung etwa um das zwei-bis fünf- fache grösser ist als die mit ihr korrespondierende parallele Abmessung der Austrittsöffnung - entsprechend zwei konvergierenden Wandungen.
Die erfindungsgemässe Strangpressform ist in verschiedenen Ausführungsformen in den beigefügten Zeichnungen gezeigt und vorzugsweise zur Erzeugung von ungetrockneten Kohlenstoffsträngen durch Strangpressen geeignet, die nach ihrer Graphitierung viele erwünschte Eigenschaften haben. Zu diesen gehören eine maximale Masshaltigkeit und eine minimale Empfindlichkeit gegenüber der Beschädigung durch Hochtemperaturstrahlung in einer Richtung bei Verwendung in Atomreaktoren.
Diese Stränge werden aus einer Charge hergestellt, die aus Graphit, Koks- oder Kohlenstoffteilchen in einem geeigneten Bindemittel, beispielsweise Pech, besteht. Beispiele von Kohlenstoffmaterialien, die mit einem Bindemittel wie Pech mittels der erfindungsgemässen Form zu Strängen mit den gewünschten Eigenschaften gepresst werden können, sind feingemahlener". Nadelkoks", wie er in der USA-Patentschrift Nr. 2, 775, 549 geoffenbart ist, ferner Garschaumgraphit od. dgl.
Diese Kohlenstoffteilchen sind im wesentlichen plättchenförmig. Beim Strangpressen durch die erfindungsgemässe Form erhalten diese Plättchen bevorzugt eine solche Orientierung, dass sie Lamellen bilden, die in ubereinanderliegenden Ebenen angeordnet sind, von denen ein hoher Prozentsatz parallel zueinander und annähernd senkrecht zu den parallelen Wandungen der Form gerichtet ist.
Wenn diese bevorzugte Orientierung oder Ausrichtung der Lamellen oder Plättchen in einem ungetrockneten Strang erhalten wird, entsprechen nach dem Trocknen und Graphitieren dieses Stranges seine physikalischen Eigenschaften, beispielsweise der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient, der spezifische elektrische Widerstand usw., in der Richtung von drei zueinander rechtwinkeligen Achsen, die den beiden Querschnittseiten und der Länge eines Rechteckprofilstabes entsprechen, annähernd der anisotropen Charakteristik eines einzigen Graphitkristalls. Diese Wirkungen und ihre Bedeutung gehen klarer aus Fig. 10 der Zeichnungen und den nachstehenden Beispielen hervor.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen besser verständlich. In diesen zeigt Fig. l eine erfindungsgemässe Form in einer Vorderansicht, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. l, Fig. 3 eine
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Fig. 5,6 und 7 zeigen in Fig. 2 entsprechenden Darstellungen verschiedene abgeänderte Ausführungsformen der Form nach Fig. 1. Fig. 8 zeigt in einer Vorderansicht eine Ausführungsform einer Form, in der die kleinere Abmessung des Stranges beim Durchtritt durch die Form weiter verringert wird, während die grössere Abmessung konstant bleibt, während dies in der Form nach Fig. l umgekehrt ist. Fig. 9 zeigt diese z abgeänderte Form in einem Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 8 und Fig. 10 zeigt schaubildlich einen
Teil eines Neutronenreaktors mit erfindungsgemäss hergestellten Strängen.
Da die Formen nach Fig. l und 8 analoge Teile haben, sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszahlen versehen, denen für die Form nach Fig. 8 und 9 der Buchstabe" a" nachgesetzt wird.
Der in Fig. 10 gezeigte Teil eines Neutronenreaktors zeigt Stränge 20 im geformten, aber nicht ge- trockneten Zustand, deren Lamellen 22 in mehreren übereinanderliegenden, im wesentlichen zueinan- der parallelen Ebenen liegen. Die Stränge 20 dieses Reaktors sind auch zueinander richtig angeordnet. In jedem Strang sind zylindrische Löcher 21 zur Aufnahme von Brennstoffelementen ausgebildet. Es versteht sich, dass die Stränge vor ihrem Einsetzen in den Reaktor graphitiert werden, wobei ihre vorstehend für i den ungetrocknetenZustand beschriebene Orientierung aufrechterhalten bleibt. Unter diesen Bedingungen sind der lineare, thermische Ausdehnungskoeffizient und der spezifische elektrische Widerstand dergraphi- tierten Stränge oder Stäbe in der Richtung X wesentlich höher als in der Richtung Y oder Z.
Dadurch wer-
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AbsackenBeseitigung der Schäden oder die Herabsetzung derselben in der Richtung X ist viel kritischer oder wichti- ger als in der horizontalen Richtung (Z) oder der Längsrichtung (Y) der Stäbe, weil der Unterbau des Re- aktors auch bei Schäden in der Richtung Z oder Y im wesentlichen fest und mechanisch intakt bleibt, während ein Absacken in der Richtung X bald zu Betriebsstörungen und Beschädigungen führt.
Die allgemein mit 1 bezeichnete Form, welche die vorgenannte Orientierung bewirkt, hat eine im wesentlichen rechteckige Eintrittsöffnung 2 und eine im wesentlichen rechteckige Austrittsöffnung 3, die eine korrespondierende, im wesentlichen gleiche Abmessung (Seitenlänge) besitzen. Beispielsweise hal- ben sie im wesentlichen die gleiche Breite. Die Form hat zwei im wesentlichen parallele Wandungen 4 und 5, die einen Abstand voneinander haben, welcher der Breite entspricht, sowie zwei konvergierende Wandungen 6 und 7, zwischen denen das aus plättchenförmigen Kohlenstoffteilchen und Bindemittel bestehende Gemisch zusammengedrückt wird, wenn es in der Form von der Eintrittsöffnung 2 zu der Austrittsöffnung 3 wandert.
Die Wandungen 6 und 7 sollen vorzugsweise kontinuierlich konvergieren, im allgemeinen mit einer kontinuierlich abnehmenden Schräge oder Krümmung, bis die gewünschten Abmessungen des rechteckigen Strangquerschnitts erreicht sind, wonach diese Wandungen ebenfalls im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Bei Verwendung der Form nach Fig. l oder der Form nach Fig. 8 bleibt eine Abmessung der Masse daher im wesentlichen konstant, während die andere Abmessung der Masse von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung der Form wesentlich verringert wird. Die sich verän- dernde Abmessung der Masse kann manchmal grössersein als die gleichbleibende Abmessung, beispielsweise bei Verwendung der Formen nach Fig. 1-7, oder aber kleiner sein als die konstante Abmessung, beispielsweise wenn die Form nach Fig. 8 oder 9 verwendet wird.
Welche Art der Form ausgewählt wird, kann von der Gestalt des gewünschten Produkts oder von andern Faktoren abhängig sein. Mit der Form nach Fig. l erhält man rechteckige Stränge, deren Querschnitt im wesentlichen die Form eines Rechtecks mit im wesentlichen gleichen Seiten bzw. eines Quadrats hat, während die Form nach Fig. 8 stark orientierte, rechteckige, stranggepresste Blöcke von ungleicher Seitenlänge erzeugt. Die zur Herstellung dieser Blöcke verwendeten Formen können gegebenenfalls so ausgebildet und bemessen sein, dass die Blöcke in ihrer Längsrichtung in eine Anzahl von Strängen von im wesentlichen quadratischem Querschnitt geschnitten werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform können in der Nähe der Eintrittsöffnung der Form ein oder mehrere blattförmige Stege vorgesehen sein. Dieser Steg oder diese Stege können vollständig hinter der Ein- trittsöffnung angeordnet sein, wie dies bei den in Fig. 1, 2,3, 7, 8 und 9 gezeigten Formen der Fall ist, oder der Steg kann sich gemäss Fig. 6 vor und hinter der Eintrittsöffnung erstrecken. Die Stege können in den Formen mit Hilfe von Flanschen 9 montiert sein, die gemäss Fig. l und 8 in Schlitzen in den parallelen Wandungen 4 und 5 der Form eingesetzt sind. Der Steg oder die Stege 8 können auch in einem eigenen Körper montiert sein, der sich in die Form erstreckt.
Der Steg oder die Stege 8 unterstützen zusammen mit der Krümmung der Wände 6 und 7 die Entstehung von Schubkräften in dem der Strangpressung unterworfenen Gemisch, während dieses an den Stegen vorbeigeht. Diese Kräfte trachten, die plättchenförmigen Teilchen des kohlenstoffhaltigen Gemisches in Ebenen zu orientieren, die sich im wesent-
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lichen parallel zu dem Steg und der Achse der Form und annähernd rechtwinkelig zu deren parallelen
Wandungen 4 und 5 erstrecken.
Die Formen können beispielsweise aus zwei Teilen bestehen, die mit geeigneten Mitteln miteinan- der verbunden werden können,. beispielsweise mit Schrauben 10, die in Gewindelöcher 11 geschraubt wer- den. In jedem der Teile können Ausnehmungen zur Aufnahme der'Köpfe 12 der Schrauben vorgesehen sein.
In der Nähe des Eintrittsendes der Form kann ein mit Löchern 14 versehener Flansch 13 vorgesehen sein, wenn die Form mit Schrauben und Muttern oder auf andere geeignete Weise mit einem Einfüh- rungskörper verbunden werden soll, durch den das zum Strangpressen bestimmte Gemisch der Eintritts- öffnung 2 der Form zugeführt wird.
In einem der Teile der Form kann eine Gewindeöffnung vorgesehen sein, in die eine Ösenschraube
15 geschraubt wird, welche das Anheben und Instellungbringen der Einrichtung erleichtert. Um den Ein- trittsteil der Form herum kann eine sich in der Umfangsrichtung erstreckende Heizkammer 16 vorgesehen sein, welche dazu beiträgt, dass die strangpressbare kohlenstoffhaltige Masse eine für die maximale Orien- tierung der Teilchen optimale Fliessfähigkeit erhält. In diesem Bereich kann Dampf oder ein anderes Wärmeübertragungsmittel verwendet werden.
Die Verwendung von einem Steg oder mehreren Stegen 8 und deren Anordnung und Gestalt sind hier nur beispielsweise dargestellt und hängen von den Eigenschaften des Strangpressgemisches sowie von den angewendeten Temperaturen und Drücken ab. Sie werden natürlich so gewählt, dass eine maximale Orien- tierung der Plättchen erzielt wird, soweit dies mit minimalen Gegendrücken, guten Produktionsleistun- gen und der Abwesenheit von Gleitebenen in den ungeirockneien Strängen vereinbar ist. Es versteht sich, dass in manchen Fällen klein Steg erforderlich ist und eine Form der beispielsweise in Fig. 5 gezeigten Art zur Erzielung des erforderlichen Orientierungsgrades genügt.
Dies ist in gewissem Grade auch von dem
Verjüngungsgrad der Form abhängig und dieser wieder in hohem Masse von dem Verhältnis zwischen den
Werten der kleiner werdenden Abmessung an der Eintritts-und und an der Austrittsöffnung der Form. Diese
Faktoren sind auch für die Verwendung eines Steges in einer Form der in Fig. 8 gezeigten Art von Bedeu- tung.
Es versteht sich, dass die Formen zwar allgemein aus zwei Hauptteilen bestehen bzw. zusammenge- setzt sind, die Form jedoch auch aus einer einzigen Einrichtung bestehen kann, die eine Kammer mit der vorstehend beschriebenen geometrischen Form aufweist.
Die Tatsache, dass eine Abmessung der Form von der Eintritts- zur Austrittsöffnung im wesentlichen konstant bleibt, während die andere Abmessung beträchtlich kleiner wird, ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung und zur Erzielung der gewunschten bevorzugten Orientierung der plättchenförmigen Teil- chen in dem stranggepressten kohlenstoffhaltigen Gemisch erforderlich.
Die nachstehenden Beispiele dienen zur ausführlicheren Beschreibung des Erfindungsgegenstandes.
Beispiel 1: Aus einem Gemisch von etwa 37 Teilen Steinkohlenteerpech als Bindemittel und 100 Teilen"Nadelkoks"der in der USA-Patentschrift Nr. 2, 775, 549 beschriebenen Art wurde eine strangpressbare kohlenstoffhaltige Masse hergestellt. Die Nadelkoksteilchen hatten eine solche Grösse, dass wenigstens 55% durch ein Sieb mit Sieböffnungen von 0,074 mm Durchmesser und im wesentlichen alle Teilchen durch ein Sieb mit Sieböffnungen von 0, 833 mm Durchmesser hindurchgingen. Dieses strangpressfähige Gemisch wurde bei einer Temperatur von etwa 1600C gemischt, auf etwa 100 C abgekühlt und dann durch die in Fig. 2 gezeigte Form stranggepresst.
Nach dem Durchtritt durch die Form waren die plättchenartigen Kohlenstoffteilchen in mehreren übereinanderliegenden Ebenen angeordnet, von denen ein grosser Prozentsatz im wesentlichen parallel zueinander und annähernd senkrecht zu den parallelen Flächen der Form gerichtet war. Das Verhältnis zwischen der Höhe der Eintrittsöffnung dieser Form zu der Höhe der Austrittsöffnung der Form betrug etwa 2 : 1, so dass eine Abmessung des Strangpressgutes in die- sem Verhältnis verkleinert wurde, während die andere Abmessung im wesentlichen konstant blieb. Das ungetrocknete, stranggepresste Kohlenstoffprodukt hatte einen rechteckigen, im wesentlichen quadratischen Querschnitt und besass die vorstehend beschriebene Plättchenorientierung.
Dieser ungetrocknete Kohlenstoffstrang wurde in üblicher Weise getrocknet und graphitiert und konnte dann nach dem Fertigbearbeiten und Bohren in einen Atomreaktor eingesetzt und darin verwendet werden.
Beispiel 2 : Das Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt, doch wurden etwa 40 Teile Pech als Bindemittel und 100 Teile Nadelkoks der in Beispiel 1 beschriebenen Art verwendet. Es wurde ein ungetrockneter Kohlenstoffstrang erhalten, der nach dem Trocknen und Graphitieren einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Wärmedehnzahl (1/ C. 107) von 10, 4 in der Richtung Z, von 21, 4 in der Richtung X und von 8,2 in der Richtung Y, hatte, wie diese Richtungen in Fig. 10 angegeben sind.
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Daraus geht hervor, dass der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient in der Richtung der Strangpressachse und in der zur Strangpressachse rechtwinkeligen Breite sich wesentlich von demselben Koeffizienten in Richtung X bzw. in der Höhe des Stranges, rechtwinkelig zu den beiden andern Richtungen, unterscheidet.
Bei Beispiel 3 : Das Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei etwa 43 Teile Pech als Bindemittel und 100 Teile Nadelkoks von der in Beispiel 1 beschriebenen Art verwendet wurden. Es wurde ein ungetrockneter Kohlenstoffstrang erhalten, der nach dem Trocknen und Graphitieren einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 11 ; 0 in der Richtung Z, von 19,2 in der Richtung X und von 7, 1 in der Richtung Y hatte.
Diese Beispiele zeigen einige der Abänderungen, die hinsichtlich der Anteile der verschiedenen Materialien usw. bei der Durchführung der Erfindung möglich sind.
Beispiel 4 : Das Verfahren nach Beispiel 2 wurde unter Verwendung der steglosen Strangpressform nach Fig. 5 wiederholt. Nach dem Trocknen und Graphitieren betrug der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des erhaltenen Stabes in der Richtung Z 19,7, in der Richtung X 33,6 und in der Richtung Y
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105)3, 52 in der Richtung X und 2,26 in des Richtung Y.
Beispiel 5 ; Das Beispiel 3 wurde unter Verwendung der in Fig. 5 gezeigten steglosen Strangpress- form wiederholt. Nach dem Trocknen und Graphitieren betrug der lineare thermische Ausdehnungskoeffi- zient des erhaltenen Stabes 20,0 in der Richtung Z, 35,5 in der Richtung X und 10, 2 in der Richtung Y.
Der spezifische elektrische Widerstand dieses Stabes betrug 2,51 in der Richtung Z, 3,37 in der Richtung
X und 2,77 in der Richtung Y.
Die Beispiele 4 und 5 zeigen, dass die gewünschte Orientierung nicht nur mit Formen erzielt wer- den kann, die Stege haben, sondern auch mit steglosen Formen.
Beispiel 6 : Aus einem Gemisch von etwa 40 Teilen Pech als Bindemittel und 100 Teilen"Na- delkoks"der in Beispiel 1 beschriebenen Art wurde eine strangpressbÅare kohlenstoffhaltige Masse herge- stellt. Diese Masse wurde nach dem Verfahren des Beispiels 1 stranggepresst, jedoch nicht mit einer erfindungsgemässen, sondern einer üblichen Strangpressform, die nicht zwei über die Länge der Form im wesentlichen parallele Wandungen besass, sondern so ausgebildet war, dass die Masse von allen vier Seiten zusammengedrückt wurde. Das heisst, dass die Masse sowohl zwischen den Seitenwänden als auch zwischen der oberen und unteren Wand zusammengedrückt und in ihrer Abmessung verkleinert wurde.
Es wur- de ein ungetrockneter Kohlenstoffstrang erhalten, der nach dem Trocknen und Graphitieren einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 29,5 in der Richtung Z, von 29,5 in der Richtung X und von
6,5 in der Richtung Y hatte. Aus diesem Beispiel geht hervor, dass die gewünschte bevorzugte Orientierung nicht erzielt wurde. Allgemein kann sie mit einer Strangpressform üblicher Art nicht erzielt werden.
Aus der vorhergehenden Beschreibung und den Beispielen geht hervor, dass im Rahmen des Erfindungsgedankens die Verfahrensbedingungen, Ausgangsmaterialien und Merkmale der Vorrichtung auf die verschiedenste Weise abgeändert werden können. Beispielsweise können an Stelle von Pech auch Harze oder geeignete Kohlenwasserstoffe als Bindemittel verwendet werden. Der Anteil des Bindemittels und die Grö- sse und Art der plättchenförmigen Kohlenstoffteilchen des Ausgangsmaterials können ebenfalls abgeändert werden. Beispielsweise kann Pech als Bindemittel in einer Menge von etwa 30 bis etwa 45 Teilen pro 100 Teile des Kohlenstoffes verwendet werden. Auch die angewendeten Drücke und Temperaturen können in einem weiten Bereich abgeändert werden.
Das Verhältnis zwischen den Werten der. kleinerwerdenden Abmessung an der Eintritts- und an derAustrittsstelle der Form kann beträchtlich variiert werden, beispielsweise von etwa 2 : 1 bis 5 : 1, ebenso das Profil der Form. Durch Verwendung eines Steges oder mehrerer Stege zusammen mit den vorgenannten veränderlichen Merkmalen und den möglichen Abänderungen wird die Herstellung der vorstehend beschriebenen Stränge mit den gewünschten Eigenschaften zur Verwendung in Neutronenreaktoren im Rahmen des hrtindungsgedankens ermöglicht.
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