CN1024269C - 电刷石墨化方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种石墨化电刷的方法及装置。将需石墨化的电刷挤紧在一起形成一水平串列，电刷的相邻端面相互连接，在石墨化区中用电流加热，后在冷却区中冷却。将电刷在石墨化炉入口处逐个加入串列中，而将已石墨化的电刷在炉的出口处逐个从串列中取出。为确保炉内所需的串列处理，串列在炉中至少在冷却区的一部分要通过一碳质颗粒材料衬层，在所述颗粒材料衬层之外要通过一保护性气体气氛，并且至少在炉电极之间的石墨化区内保持自支撑。

Description

此发明涉及一种电刷石墨化方法，将这些电刷的相邻端面相互连接，并挤靠在一起形成一水平串列，让该串列从一石墨化炉中通过，在炉中的一石 墨化区中由一电源来加热，然后在一冷却区中被冷却。随着所述串列从石墨化炉中通过，在炉的入口处不断地补充电刷，逐个地添加到串列中去，而在炉的出口处却不断地减短，即将电刷逐个从串列中取出。此发明还涉及用以实现该方法的装置。

将需要石墨化的已预热的电刷排成一串列，其中电刷的相邻端面相互连接，并且通过一装置产生纵向流经串列部分的电流来将所述串列加热到石墨化所要求的温度。为了确保该石墨化过程能够连续地进行，让该串列以步进方式从一石墨化炉中通过，并且在每次步进之后将需要石墨化的电刷在炉的入口处添加到串列中，而同时将一已石墨化的电刷在炉的出口处从串列中取出。专门用于相邻端面相挤靠的电刷的连续石墨化的石墨化炉具有一水平的炉膛轴向，尽管这要求水平移动的串列要有适当的支撑。为此，已知的办法是用碳质颗粒材料如焦碳或烟灰来填充石墨化炉，这可以为电刷串列提供必要的支撑，并且还可避免在炉中出现氧化气氛。但是采用这种颗粒材料具有一缺点，即必须将其同需经石墨化的电刷一起在石墨化区内加热，从而需要更多的能量的缺点。此外，碳质颗粒材料温度上升会使其电导率提高，以致可能会出现与串列平行传导的漏电流。

为了避免所述缺点，已经提出（奥地利专利说明书389，506及相应的美国专利4，956，849）不用碳质颗粒材料来填充石墨化炉，在石墨化炉内造成一种保护性气体气氛，并沿轴向充分挤紧串列以实现其自支撑。尽管这项措施可避免用碳质颗粒材料填充炉子时所具有的缺点，但必须在串列上施加可观的挤紧力以求实现串列的自支撑，并且所需的挤紧力的大小将取决于串列的长度，而且当一新电刷加入到串列中和一已石墨化的电刷从串列中取出时必须保持这种挤压力，从而额外增加了结构上的费用。

此发明的目的就是为电刷石墨化提供一种方法，在前述方法的基础上进行了改进，其优点是：能够利用在保护性气体气氛下进行石墨化，又能避免按照上述方法所需的费用。

根据本发明的方法，其中从石墨化炉中通过的串列至少在冷却区的一部分从一碳质颗粒材料衬层上通过，而在所述颗粒材料衬层之外在所述炉子中从一保护性气体气氛中通过，该串列至少在炉内电极之间的石墨化区内保持自支撑。

由于石墨化炉部分地充有碳质颗粒材料，所述颗粒材料可有意识地用来支撑端面相接的电刷的水平串列，使得实现串列自支撑所需的轴向挤紧力的大小得以显著降低。结果，使施加挤紧力所需的费用得以减少，并且对于预定的轴向承载而言有可能提高串列的长度。由于颗粒材料装在石墨化炉的冷却区中，就可以避免那些与将这种颗粒材料放在石墨化区中有关的缺点，即这种颗粒材料同需经石墨化的电刷一起加热并有可能出现与串列平行流动的漏电流。这是由于在炉子的石墨化区有保护性气体气氛，使得既利用了由采用颗粒材料所带来的优点又利用了由采用保护性气体气氛所带来的优点，而它们的缺点都得以避免。

在炉子的冷却区铺设碳质颗粒材料还可以用来改善串列的冷却，例如，在冷却区中串列首先通过一装有颗粒材料的区段，在接近出口处串列通过一带有保护性气体气氛的区段。这个措施的作用是：串列通过了石墨化区之后，热量首先因热传导而不是像在保持性气体气氛中那样因辐射从串列中散发出来。在刚过了石墨化区之后出现的高温下，通过颗粒材料的热传导将不及热辐射，以致冷却作用如所需的那样被减弱，直至电刷温度降低到一个低得足以在保护性气体气氛中较快地冷却而不会对已石墨化的电刷的质量有不良影响的水平。尽管在较低的温度范围内由热传导造成的热量散失比由热辐射造成的热量散失更有效，在一般情况下已石墨化的电刷是在这个范围之上的某个温度下被从炉中取出的。

为了有助于自支撑串列的处理，可将电刷在相接端面上用轴向柱销或螺栓连接起来，使得相邻电刷之间的径向错位得以有效地避免。串列中电刷相接端面之间这样连接不仅可以进一步降低挤紧串列所需的轴向压力使之移动到颗粒材料之外时能够自支撑，而且还可以在有电刷要加入串列和从串列中取出时使串列至少部分地解除所述轴向压力。当串列在两个或顶多三个电刷长度上自支撑时即可获得这一结果。

除了采用相接端面上的电刷连接装置之外，或者取而代之，在轴向压力已解除且必须避免串列的下过度下垂或崩塌时，支撑串列的该通常自支撑部分是可能的。必须确保当轴向力再度施加在已下垂 的串列上时电刷能被推回形成一笔直的串列。若电刷被推得距离相应于直串列的位置只差一点儿，既使没有用于轴向连接电刷的装置也能获得所需的效果，并且在这种情况下就没有必要装设可升降有用于支撑炉中串列的该通常自支撑部分的支撑装置，尽管这种装置也可以装设。而只要确保串列的该通常自支撑部分的电刷由至少一个支撑物来支撑就足够了，这个支撑物设置在串列的该通常自支撑部分的下面，并与所述部分构成一足以使串列的该自支撑部分通过该支撑物时作无摩擦运动的间隙。在这种情况下，降低作用于串列上的轴向压力只有使电刷在遇到该支撑物之前略微向下偏移的作用。该间隔仅用来使自支撑串列作无摩擦运动。

可以理解，支撑物的性质和数量取决于串列处于自支撑状态时通过的通道长度;该通道主要跨越在电极触点之间以确保电流的正常流动。也可以用电极来支撑串列，并且电极触点之间的距离对于选择电极触点之间支撑串列的装置有决定性的重要意义。如果电极触点之间的距离不超过两个电刷的总长度，就有可能以某种特别适用的方式来支撑串列，因为在这种情况下在由电极支撑的电刷之间顶多只支撑一个电刷就足够了。

所采用的任何连接柱销或螺栓都不会对串列中电流的流动造成有害影响，因为电刷外层的电流传导对于达到所需的电流值就足够了。但柱销或螺栓不应对串列材料的整体性产生有害影响。因此，建议用由碳纤维增强的碳构成的轴向柱销成螺栓来连接串列中相邻的电刷，碳纤维可确保所述碳具有所需的强度特性。由于电刷轴向连接装置通常设置得靠近凹槽，这些凹槽形成在由电刷材料制成的石墨电极上，可容纳相应的电极基座，在石墨电极上采用容纳柱销或螺栓的销孔作为轴向连接装置就不会造成材料的损耗。

这种方法可以用一台设有石墨化区的石墨化炉来实现，石墨化区内装有至少两个用来支撑电刷串列的电极。在串列通过炉子的方向上，石墨化区后面接有冷却区。炉子还设有输送机，用来输送串列，包括分别设置在石墨化炉前后的两个挤紧头，它们可用来将串列挤紧在其间，并可以沿炉的轴向调整。这种构造据知是与那些装有保护性气体气氛的炉子相关的，当串列通过炉中所述的保护性气体气氛时，该串列在其中是自支撑的。如果这种石墨化炉至少在冷却区的一部分有碳质颗粒材料衬层，而在所述颗粒材料衬层之外尤其是在石墨化区内有保护性气体气氛，在这种石墨化炉上所需的串列处理就易于得到保证，因为在冷却区内串列是由颗粒材料衬层额外支撑的，当串列自支撑且暴露于保护性气体气氛时石墨化得以进行。因此，用于轴向挤紧串列的挤紧头就可以重量比较轻而且不太昂贵，尤其是当串列中电刷在它们相接端面用轴向柱销或螺栓相连接时，这些柱销或螺栓构成了有效的连接因此既使挤紧力比较弱，电刷的径向错位也能可靠地消除。

除了采用相连端面上的电刷连接装置之外，或者说在某些情况下还可代替这种装置，有可能装设这样的装置：可用来支撑已弯曲的串列，并在石墨化区内电极之间与未弯曲线的串列构成一间隙，以致当串列被挤紧头松开时电刷串列的任何弯曲都被限制在当挤紧力再度施加时电刷将被推回到相应于直串列的位置那样的水平。

串列的支撑应当与串列中几个电刷的瞬时位置无关。为做到这一点，支撑物应由两根杆构成，它们在串列通道相对的两侧并与之平行地延伸，并且在断面内将串列置于中央，不然的话这种方式也可以用由可容纳电刷的V形凹槽构成的支撑物来实现。

用来部分填充石墨化炉冷却区的碳质颗粒材料衬层可根据需要用来控制电刷的冷却速率，例如，当在邻近石墨化区处冷却区有一部分装有这种颗粒材料并且后面接着有一具有保护性气体气氛的冷却区部分的时候。在比较高的温度下，与在保护性气体气氛中的热辐射率相比，碳质颗粒材料会降低热量散失的速率，从而可以制成质量较高的石墨化电刷。只有在电刷已冷却到某个温度水平之后，当它们在保护性气体气氛中以较高速率冷却时，电刷才不会被损坏。因此，必须根据所需的冷却过程来确定冷却区中颗粒材料衬层的长度。

图1为一示意性的纵部面图，表示此发明所述的石墨化炉。

图2为沿图1中线Ⅱ-Ⅱ所取的放大横剖面图。

图3为沿图Ⅰ中线Ⅲ-Ⅲ所取的剖面图。

图4为一侧视图，以更大的尺度表示弯曲时可 用来支撑通常自支撑电刷串列部分的装置的设计方案。

图5为沿图4中线D-D所取的剖面图。

图6为一侧视图，表示串列中两个相接的电刷，它们在其间的接缝处分开，并在相接端面之间有柱销连接件来连接。

图7为一纵剖面图，表示对图1作了改动的石墨化炉的冷却区。

现在将参照附图更详细地说明本发明的方法。

参照图1，将需要石墨化的电刷2沿轴向挤紧形成一水平串列1，串列从石墨化炉中通过，炉中在串列1行进方向上沿预定的轴向通道依次相接的是：电极4与电极组件5之间的预热区3、电极组件5与7之间的石墨化区6、冷却区8。石墨化炉在预热区3和石墨化区6内有保护性气体气氛，而在冷却区8内有由诸如焦炭或烟灰之类的碳质颗粒材料9构成的衬层，用于有效地支撑串列1。

串列1中的电刷2以步进方式通过石墨化炉，为此，首先用两端的挤紧头沿轴向挤紧在一起，挤紧头设置在炉外，分别靠近其入口11和其出口12。为清楚起见，只表示了靠近入口11的挤紧头10。由所述挤紧头施加在串列1上的轴向压力足以使串列处于自支撑状态以步进方式在电极4和7之间移动，使得当串列在预热区3、在石墨化区6中的支撑串列的电极5和7之间移动时不需要径向支撑。

在串列移动中任何两次步进之间，电刷2在炉的入口11处加入串列1中，而一个电刷在炉的出口12处从串列中取出。希望能够做到这一点而不保持串列在支撑串列的电极之间移动时确保其自支撑所需的轴向压力。为此，设置了附加的支撑装置13用来支撑处于自支撑状态的串列1，这种装置可在电刷加入串列或从串列中取出时防止串列过度下垂或崩塌。在图4和5所示的实施例中，所述支撑装置13由两根杆14构成，它们在串列1通道相对的两侧并与之平行地延伸，并且当串列1是直的时在其下形成一间隙，如剖面图所示。当轴向压力已降低时，串列1中的电刷2得到支撑，并因杆14而被置于剖面中央，以使串列的过度下垂得以避免。实际上已经发现，串列1的下垂将使电刷2向下偏移，使之在电刷相邻端面之间形成一楔形缝隙，再度沿轴向挤紧串列1的结果就是使电刷2返回到串列再度变直且可无摩擦地通过杆14那样的位置。用实线表示的杆14可以是空心的或实心的，并且显然必须能够耐受所遇到的温度，为此最好用碳制成，还可选用碳纤维来增强。有可能采用由V形沟槽构成的支撑物13来容纳电刷2以代替杆14，如图5中的剖面所示。在石墨化炉之外，电刷2最好用可升降的支撑物15来支撑，比如说，可用同步机构来进行升降。

由于在石墨化区6中特别希望避免附加的支撑装置13，为了至少避免轴向相接的电刷2的径向错位，建议用图6所示的那种柱销16或相应的螺栓来连接电刷6的相接端面。柱销16最好用碳纤维增强的碳材制成，并插入在电刷2端面上的盲销孔17内。由于已石墨化的电刷通常被有意识地用作石墨电极，这种电极的端面上加工有容纳电极基座的凹槽18，采用这种柱销或螺栓通常不会造成材料消耗，因为这种柱销或螺栓安装在电刷用作电极时加工有凹槽18的部分。柱销16之外电刷2之间的导电接触足以提供足够的电流，尤其是如果在电刷2相接端面上设有一种用电导率高于电刷2的材料制成的环状接触层的话。炉内设在炉子入口11附近的电极4可以用一在挤紧头10作用下抵在串列1后端面上的电极板来代替。电极组件5和7必须设计和安装得使串列1相对于这些电极组件能移动。为此，在电极组件5和7附近设有碳质颗粒材料衬层20，并且在电极组件7附近这种颗粒材料衬层可以由设在冷却区的颗粒材料衬层9来代替。颗粒材料衬层20仅设在串列1长度的一部分，并能确保电极21与串列1之间所需的接触，而不会对串列1相对于固定电极21的移动造成不良影响。衬层20在串列1行进方向上被一隔板22挡住，并且任何被串列1通过隔板22夹带的颗粒材料都被收集在其后的容器23中，使得其后有保护性气体气氛的石墨化区6中不会有颗粒材料。冷却区8中的颗粒材料衬层9和电极组件5附近的颗粒材料衬层20通过加料口24和25不断得到补充，使得被夹带的颗粒材料的流失得以补偿。用来收集已被夹带出冷却区8的颗粒材料的收集槽如26所示。

通过石墨化炉的串列1在电极4和5之间的预热区3被预热，并随后在石墨化区6内在电极组件5和7之间被加热到所需的石墨化温度。为了减小 热量损耗，炉体27在所述各区附近设有适当的隔热层28。另一方面，冷却区8通过炉体27的热量散失是需要的，因此，炉子在冷却区8附近设有颗粒材料衬层9的散热装置和冷却炉体27的装置29。冷却装置29由冷却管30构成，其中朋冷却液体流过，如图3中尤为清楚可见的那样。

当需要将一个要石墨化的电刷2加入到串列1的后端并将一个已石墨化的电刷2从串列1的前端取出时，挤紧头10从串列1上松开，于是串列1在冷却区由颗粒材料衬层9来支撑，在电极组件5附近由颗粒材料衬层20来支撑，而在串列1解除轴向压力之前当支撑物15与串列1相接触时在石墨化炉外由所述支撑物来支撑。尤其是如果电刷2在相接端面用柱销16或螺栓来相互连接，这样支撑串列就可使串列1的任何下垂保持在允许的范围之内，并确保当轴向压力再度施加时电刷2能再度成一直串列通过石墨化炉，使得在石墨化区中不需要用以支撑处于自支撑状态的串列的附加装置。否则就需要用支撑通常自支撑的串列1部分的附加装置13，主要是在石墨化区6中，并且这种附加支撑装置13应确保通常自支撑的串列部分的下垂被限制在允许的范围内，而在该区域自支撑串列1的移动又不会受到有害的影响。结果，在串列有电流通过的部分采用保护性气体气氛所带来的好处和在冷却区中采用颗粒材料衬层9所带来的好处就可得到利用，而在冷却区中采用保护性气体气氛所具有的缺点和在石墨化区中采用颗粒材料衬层所的缺点都得以避免。

如从图7清楚可见，冷却区8可仅仅在接近石墨化区6的部分31设有颗粒材料衬层，使得已石墨化的电刷的冷却以所需的方式进行。在图7所示的实施例中，利用了这个事实：在比较高的温度下因通过颗粒材料衬层9的热传导造成的热量散失比因热辐射造成的热量散失要缓慢些，使得在温度高的区域中冷却速率保持在已石墨化的电刷的质量不致因这种冷却而损坏的范围之内。当温度已降至某个水平后，较快的冷却是允许的，而不会有损坏。这种较快的冷却是在冷却区8后继部分32内在保护性气体气氛中通过热辐射来进行。部分31和32由另一隔板22分隔开，后面接着是收集被夹带出的颗粒容器23。

Claims (16)

1、一种用于石墨化炉中石墨化电刷的方法，其中水平串列由石墨化区中供给的电流来加热，然后在一冷却区中被冷却。随着所述串列从加热区和冷却区中通过，在加热区之前不断地补充电刷，逐个地添加到串列中去，而在冷却区之后却不断地减短，即将电刷逐个从串列中取出。其特征在于：串列至少在冷却区的一部分从一碳质颗粒材料衬层上通过，而在所述颗粒材料衬层之外从一保护性气体气氛中通过，该串列至少在石墨化区内保持自支撑。

2、权利要求1所述的方法，其特征在于：

在所述冷却区中接近所述石墨化区的部分设有所述碳质颗粒材料衬层;

在所述冷却区中所述碳质颗粒材料衬层和所述出口之间有所述保护性气体气氛;以及

在所述冷却区中所述串列首先通过所述碳质颗粒材料衬层而后通过所述保护性气体气氛。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电刷在相接端面上用轴向延伸的连接装置来连接以构成所述串列。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述连接装置由柱销构成。

5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述连接装置由螺栓构成。

6、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述轴向延伸的连接装置用碳纤维增强的碳材制成。

7、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述串列中所述电刷的所述相接端面之间加有一层具有比所述电刷材料更高的电导率的材料。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：轴向压力施加在所述串列以实现所述串列的自支撑，以及

在所述新电刷加入所述串列之前并在一电刷从所述串列前端取出之前，串列被解除所述轴向压力。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于：当所述串列被解除所述轴向压力时在所述石墨化区中所述串列由支撑装置来支撑，以及

当所述串列在所述石墨化区内移动时在所述支撑装置附近所述串列由所述轴向压力来保持自支撑。

10、根据权利要求9所述的方法，其中当所述串列在所述石墨化区内移动并在所述电极触点之间保持自支撑时在所述支撑装置和所述串列之间有一间隙。

11、根据权利要求9所述的方法，其中当所述串列被解除了所述轴向压力时在所述电极触点之间所述串列由所述支撑装置来支撑。

12、根据权利要求1所述的方法，其中所述串列是由所述炉子电极来支撑的。

13、一种用于实施根据权利要求1至12中任何一个的方法的设备，包括：

一个石墨化炉，它有一个入口，一个出口，一个在所述入口和出口之间的石墨化区，一个在所述石墨化区和所述出口之间的冷却区，以及设置在两个沿所述石墨化区方向分开的电极触点处的炉电极装置，它用于支撑一个电刷串列，以及传输装置，用于传输串列，并且包括两个分别设置在石墨化炉前后的挤紧头以及适用于夹紧在它们的之间的串列，并且该装置沿炉的轴向是可调的，其特征在于：

所述石墨化炉至少在所述冷却区的一部分含有一碳质颗粒材料衬层以及在所述颗粒材料衬层之外并且特别是石墨化区中含有一保护性气体气氛。

14、根据权利要求13的设备，其特征是冷却区在邻近石墨化区的部分含有一个碳质颗粒材料衬层，而在后续部分含有保护性气体气氛。

15、根据权利要求13所述的设备，当用所述挤紧头为所述串列解除所述轴向压力时，其中：

所述炉子包括当所述串列被解除了所述轴向压力时在所述石墨化区内用来支撑所述串列的支撑装置，以及

所述支撑装置设置得可与所述石墨化区中保持自支撑的所述串列构成一间隙。

16、根据权利要求15所述的设备，其中所述支撑装置由两根在所述通道相对的两侧延伸并与之平行的杆构成。

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