CN1977566B - 阳-阴电极接头 - Google Patents
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Abstract
一种石墨电极接头(10)，其中阳插脚(20)具有插脚因数，这种插脚因数限定为阳插脚长度与电极直径之比，至少约为0.60。
Description
技术领域
本发明涉及用于连接石墨电极的阳插脚，尤其涉及用于石墨电极的阳-阴接头。更具体地来讲，本发明涉及阳-阴电极接头的独特设计以及电极，该接头从这些电极形成。
背景技术
石墨电极用在钢铁工业中以熔化金属和其它成分，这些金属和其它成分用于在电热熔炉中形成钢铁。熔化金属所需的热量通过使电流穿过一个或多个通常是三个电极并在电极与金属之间形成电弧来产生。通常使用超过100,000安培的电流。所产生的高温熔化金属和其它成分。一般来讲，用在钢炉中的每个电极包括电极列，即连接起来以形成单列的一系列单独的电极。由于电极在热处理期间耗尽，所以按照这种方式可将置换电极连接到列中以保持伸进熔炉中的列的长度。
从常规上来讲，通过销(有时称为接管)将电极连接到列中，这种销起到将邻接电极的端部连接的作用。典型地来讲，这种销采取对置阳螺纹部分或插脚的形式，且电极的至少一个端部包括阴螺纹部分，这些阴螺纹部分每个与销的阳螺纹部分紧密配合。因此，当销的对置阳螺纹部分中的每一个拧入两个电极的端部中的阴螺纹部分内时，这些电极就连接到电极列中。邻接电极的连接在一起的端部以及它们之间的销在本领域中一般称为接头。
或者，过去曾经提出过在形成电极时将阳螺纹凸出或插脚制在一端中且将阴螺纹承座制在另一端中，以可以通过将一个电极的阳插脚拧入另一个电极的阴承座中来将这些电极连接并因此而形成电极列。这个实施例中的两个邻接电极的连接在一起的端部在本领域中一般称为阳-阴接头。
在电极和接头(实际上是整个电极列)所经受的极端热应力下，必须小心地使机械/热因数如强度、热膨胀抗裂性达到平衡，以避免电极列或单独的电极的损坏或毁坏。例如，电极的纵向(即沿着电极/电极列的长度)热膨胀，尤其是以不同于销的速度的热膨胀，可迫使接头分离，这样就降低电极列在传导电流时的有效性。销的超过电极的热膨胀的横向(即横过电极/电极列的直径)热膨胀可能是所希望得到的，以在销和电极之间形成紧密的连接；不过，如果销的横向热膨胀大大超过电极的热膨胀，那么就可能会导致对电极的损害和接头的分离。而且，这样也会导致电极列的有效性的降低，或者甚至导致电极列的毁坏，如果这种损害很严重以至于电极列在接头部分停止工作的话。因此，对电极的以纵向和横向方向的热膨胀均进行控制极为重要。
因此，如果能够从电极/电极列系统中将销取消的话，就可以降低对不同的系统部件(即销和电极)的热膨胀进行平衡的需求。现有技术中对取消这种销已做过尝试，其中使用了螺纹电极端部或其它电极配合装置。但这种技术在工业上不大受到认同，因为认为在不使用销时，接头的强度不足以保持电极列的完整性。
因此，所希望的是一种阳-阴电极接头，这种阳-阴电极接头具有足够的强度和完整性以允许将销取消，而并不极大地降低电极的性能。而且还非常希望在并不使用大量的昂贵材料时实现这些特性。
发明内容
本发明的一个方面是提供用于石墨电极的阳-阴接头。
本发明的另一个方面是提供用于石墨电极的阳-阴接头，这种接头设计用于在与现有技术中的阳-阴石墨电极接头相比时，能够更好地耐受使用中的电极列上的热和机械应力。
本发明的再一个方面是提供用于石墨电极的阳-阴接头，这种接头产生具有改进的强度和稳定性的电极列接头。
本发明的再一个方面是石墨电极接头，与现有技术中使用销的常规石墨电极接头相比，这种接头具有改进的梢头(stub)抗损失性，这种梢头损失限定为电极列的损失部分，这个部分位于从弧尖(arc tip)到最接近于弧尖的接头，有时也包括这个接头。
技术人员在仔细阅读了以下的描述之后会明白的这些方面和其它方面可通过提供用于阳-阴电极接头的石墨电极来实现，该电极具有阳插脚，该插脚的阳插脚长度与电极直径之比至少约0.60。在本申请的优选实施例中，当阳插脚长度与电极直径之比约为0.60时，阳插脚的直径与阳插脚的长度之比不应大于阳插脚长度与电极直径之比的2.5倍。阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之比实际上应随着阳插脚长度与电极直径之比而变化，以使阳插脚长度与电极直径之比0.60每大于0.01，阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之比应减少约0.016。
本发明中的石墨电极在阳插脚长度与电极直径之比约为0.85或小于0.85时，还应优选阳锥度与阳插脚长度和电极直径之比之间的比率至少约为15，阳锥度比用度表示。而且，阳锥度与阳插脚长度与电极直径之比之间的比率随着阳插脚长度与电极直径之比而变化，以使阳插脚长度与电极直径之比0.85每小于0.01，阳锥度与阳插脚长度和电极直径之比之间的比率应提高约1.25。
本发明还包括从本发明中的石墨电极和另一种石墨电极形成的电极接头，另一种电极接头具有阴螺纹承座，其中阳螺纹插脚与阴承座接合以形成接头。
本发明还包括准备本发明中的石墨电极的方法，这种方法包括将焦炭和沥青粘结剂混合以形成备料混料；将备料混料挤压以形成生料；将生料烘烤以形成碳化备料；通过将碳化备料保持在至少约2500℃的温度来将碳化备料石墨化，以形成石墨化备料；加工石墨化备料以形成8插脚，这种阳插脚的阳插脚长度与石墨化备料的直径之比至少约0.60。
应理解前面的总体性描述和下面的详细描述均提供本发明的实施例并且意在提供对权利要求所主张的本发明的性质和特征的理解框架的总体概述。所包括的附图提供对本发明的进一步理解、结合在本说明书中并构成本说明书的一部分。这些附图示出了本发明的不同实施例并且与说明一起描述本发明的原则和操作方法。
附图说明
图1是根据本发明的阳-阴石墨电极接头的局部截面侧视图。
图2是石墨电极的局部截面侧视图，该石墨电极具有用于在图1中示出的阳-阴石墨电极接头的阳插脚。
图3是阴承座的局部截面侧视图，该阴承座用于在图1中示出的阳-阴石墨电极接头。
具体实施方式
石墨电极可通过先将微粒部分结合在备料混料中来制造，微粒部分包括煅烧焦炭、沥青或者中间相沥青或PAN基碳纤维。更具体地来讲，将粉碎过的、依尺寸分类的和研磨过的煅烧石油焦炭与煤焦油沥青混料混合以形成混料。按照物件的最终用途来选择煅烧焦炭的微粒尺寸并且在本领域的技术范围之内。一般来讲，混料中使用平均直径可达25毫米(mm)的微粒。优选微粒部分包括小微粒尺寸填料，这种填料包括焦炭粉末。可结合在小微粒尺寸填料中的其它添加剂包括抑制膨胀(这种膨胀由硫从其粘合剂的释放所导致，粘合剂具有碳，碳在焦炭微粒中)的氧化铁、焦炭粉末和油或者便于混料的挤出的其它润滑剂。
最优选地，碳纤维(当使用时)的重量水平为占煅烧焦炭重量的约0.5至约6％，或者占总混合组分(不包括粘合剂)重量的约0.4至5.5％。优选纤维的平均直径为约6至约15微米，长度优选为约4mm至约25mm且最优选小于约32mm。用于本发明的方法中的碳纤维优选具有至少约150,000psi的抗张强度。最有利的是，将碳纤维以束的形式加入备料混料中，每个束包含从约2000至约20,000个纤维。
优选在微粒部分与沥青的混合开始之后将纤维加入。在更优选的实施例中，实际上在至少约一半混合周期完成之后将纤维加入，最优选的是在混合周期的3/4完成之后将纤维加入。例如，如果微粒部分与沥青的混合花费两个小时(即混合周期是两个小时)，那么应在混合之后的一个小时甚至90分钟将纤维加入。在混合开始之后将纤维加入有助于保持纤维的长度(纤维长度有可能在混合期间减少)，进而保持包括纤维的有利效果，这些有利效果被认为与纤维的长度有着直接的联系。
如在前面所注意到的那样，微粒部分可包括小微粒尺寸填料(本说明书中所使用的小是与煅烧焦炭的微粒尺寸相比并且与常规上所使用的填料相比，煅烧焦炭通常具有直径，以使煅烧焦炭的大部分穿过25mm的网筛但不能够穿过0.25mm的网筛)。更具体地来讲，小微粒尺寸填料包括至少约75％的焦炭粉末，意思是指焦炭具有直径，以使至少约70％以及有利地多达90％的焦炭穿过200泰勒(Tyler)的网筛，相当于74微米。
小微粒尺寸填料还可包括至少约0.5％并可达约25％的其它添加剂，如抑制剂，这种抑制剂如氧化铁。而且，这种添加剂还应在微粒尺寸小于在常规上所使用的微粒尺寸时使用。例如，当包括氧化铁时，氧化铁微粒的平均直径应使微粒小于约10微米。可使用的另一种添加剂是石油焦炭粉末，这种石油焦炭粉末所具有的平均直径应使微粒小于约10微米，加入这种石油焦炭粉末以填充物件的孔隙度并因此而使对所使用的沥青粘合剂的量进行更好的控制。小微粒尺寸填料应包括至少约30％并可达50％甚至65％的微粒部分。
在微粒部分和沥青粘合剂等的混料制备好之后，通过穿过模具的挤出形成主体或者在常规的成形铸模中模制主体，以形成所称的生料。无论是通过挤出还是通过模制的成形均在接近于沥青的软化点进行，通常为约100℃或更高。模具或铸模可基本上形成最终形式和尺寸的物件，但通常还需要对产品物件的加工，以至少提供结构，如螺纹。生料的尺寸可以变化；对于电极来讲，直径可在约220mm与700mm之间变化。
在挤出之后，通过以介于约700℃与1100℃之间的温度烘烤生料来对生料进行加热处理，优选介于约800℃与1000℃之间，以将沥青粘合剂碳化成固态沥青焦炭，以提供物件的永久形式、高机械强度、良好的热导性和相当低的电阻，进而形成碳化备料。对生料在相对缺乏空气时进行烘烤以避免氧化。烘烤应在每小时约1℃至约5℃的温升直到最终温度的条件下进行。烘烤之后，可用煤焦油或石油沥青或本行业中已知的其它类型的沥青或树脂对碳化备料浸渍一次或多次，以淀积备料的任何开放孔隙中的额外焦炭。每次浸渍之后接着进行另外的烘烤步骤。
在烘烤之后，将碳化备料石墨化。石墨化通过加热处理进行，加热处理的最终温度在约2500℃至约3400℃之间，时间足以导致焦炭和沥青焦炭粘合剂中的碳原子从不良排序状态转变成石墨的晶状结构。有利的是，石墨化通过将碳化备料保持在至少约2700℃的温度来进行，更有利的是介于约2700℃与约3200℃的温度之间。除了碳之外的其它元素在这些高温下挥发并以蒸汽的形式逸出。利用本发明中的方法保持石墨化温度所需的时间不超过18个小时，实际上是不超过12个小时。优选石墨化时间约为1.5至约8小时。石墨化一旦完成，可将成品物件切割成一定的尺寸，然后进行加工或以其它形式形成其最终构造。
为了提供具有在熔炉中的改进的稳定性的阳-阴电极接头，必须形成阳插脚(和阴承座，通过延伸)的尺寸以使插脚会提供使用时所要求的强度。为了形成这种尺寸，必须达到平衡。更具体地来讲，现已发现阳插脚与电极直径之比(在本说明书中称为插脚因数)对优化阳-阳电极接头的性能是重要的。更明确地来讲，认为至少约0.60的插脚因数对于产生阳-阴电极接头是重要的，这种阳-阴电极接头具有改进的稳定性和可在商业上接受的性能。
其它接头特征的相互作用也可有助于电极接头的优化。例如，由阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之比所限定的因数比(在本说明书中称为插脚直径因数)可用于向接头提供进一步的增强。插脚直径因数应不大于具有约0.60的插脚因数的特别有效的接头的插脚因数2.5倍。最优选插脚直径因数实际上随着插脚因数而变化，以使当产生具有大于0.60的插脚因数的接头时，接头的插脚直径因数应小于梢头因数的2.5倍。更具体地来讲，相对于接头插脚因数0.60每大于0.01，最大插脚直径因数应减少约0.016。作为一个示例，当产生具有0.85的插脚因数的接头时，接头的阳插脚的插脚直径因数应小于接头的插脚因数约1.28倍。
在设计有效阳-阴接头中能够发挥作用的另一种接头特征在本说明书中称为锥度因数，这种锥度因数限定为阳插脚的锥度(用度表示，在图2中示出为命名为α的角)与插脚因数之比。当插脚因数为0.85时，有效阳-阴接头的锥度因数应至少约为15，且也应在接头随着不同的插脚因数产生时的变化而变化。例如，相对于接头插脚因数0.85每小于0.01，最小锥度因数应提高约1.25。作为一个示例，当产生具有0.60的插脚因数的接头时，接头的阳插脚的锥度因数应至少约为45。
当使用至少约为0.60的插脚因数和、或前面所描述的接头插脚直径因数或锥度因数时，就产生了阳-阴接头，这种阳-阴接头能够在商业上接受，至少就接头强度和稳定性而言是这样。根据本发明所制造的典型的石墨电极接头示于图1至图3并用10表示。接头10包括第一电极100和第二电极110，第一电极100具有阳插脚20，第二电极110具有阴承座30。如图所示，阳插脚20和阴承座30配合以形成接头10，并进而将第一电极100和第二电极110连接到列中。通过适当地形成阳插脚20的尺寸(以及对应地形成阴承座30的尺寸)，就会提供改进的接头10。
熟练的技术人员会认识到，前面所描述的优化阳插脚也会适用于销连接的石墨电极。换言之，在销连接的石墨电极中，与阳-阴接头相反，销有效地具有两个阳插脚，这两个阳插脚以销的两个阳部分的形式。还可以以前面所描述的方式使这些阳插脚成比例，以按照类似于优化阳-阴接头机能的方式优化销连接接头的机能。
本申请中所参考的所有引用专利和公布中公开的内容均通过参考结合到本发明中。
前面的描述意在使本领域中熟练的技术人员能够实施本发明。并不意在详细描述熟练的工作人员在阅读了本说明书之后会明白的所有可能的变化和修改。不过，本说明书意在所有的这些变化和修改包括在由下面的权利要求所限定的本发明的范围之内。这些权利要求意在涵盖任何排列或序列中所表明的元件和步骤，这种排列或序列有效地满足本发明所设计的目的，除非在上下文中另有特别说明。
Claims (16)
1.一种用于阳-阴电极接头的石墨电极，包括阳插脚，所述石墨电极具有肩部部分，该肩部部分具有在阳插脚基部处比阳插脚的直径更大的直径，所述阳插脚具有至少0.60的阳插脚长度与电极直径之比，其中所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之比随着所述阳插脚长度与电极直径之比而变化，以使所述阳插脚长度与电极直径之比相对于0.60每提高0.01，所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之间的比率应减少约0.016。
2.如权利要求1所述的石墨电极，其特征在于：所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之比不大于所述阳插脚长度与电极直径之比的约2.5倍。
3.如权利要求1所述的石墨电极，其特征在于：对于具有0.85或小于0.85的阳插脚长度与电极直径之比的电极来讲，阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率至少为15。
4.如权利要求3所述的石墨电极，其特征在于：所述阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率随着所述阳插脚长度与电极直径之比而变化，以使所述阳插脚长度与电极直径之比相对于0.85每降低0.01，所述阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率应提高约1.25。
5.一种包括阳插脚和至少一个石墨电极的电极接头，所述石墨电极具有肩部部分，该肩部部分具有在阳插脚基部处比阳插脚的直径更大的直径，所述阳插脚具有至少0.60的阳插脚长度与电极直径之比，所述至少一个石墨电极包括阴螺纹承座，其中所述阳插脚与所述阴螺纹承座接合以形成所述接头，其中所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之比随着所述阳插脚长度与电极直径之比而变化，以使所述阳插脚长度与电极直径之比相对于0.60每提高0.01，所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之间的比率应减少约0.016。
6.如权利要求5所述的接头，其特征在于：所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之比不大于所述阳插脚长度与电极直径之比的约2.5倍。
7.如权利要求5所述的接头，其特征在于：对于具有0.85或小于0.85的阳插脚长度与电极直径之比的第一电极来讲，阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率至少为15。
8.如权利要求7所述的接头，其特征在于：所述阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率随着所述阳插脚长度与电极直径之比而变化，以使所述阳插脚长度与电极直径之比相对于0.85每降低0.01，所述阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率应提高约1.25。
9.一种准备石墨电极的方法，所述石墨电极具有肩部部分，该肩部部分具有在阳插脚基部处比阳插脚的直径更大的直径，所述方法包括：
(a)将焦炭和沥青粘结剂混合以形成备料混料；
(b)将备料混料挤压以形成生料；
(c)将生料烘烤以形成碳化备料；
(d)通过将碳化备料保持在至少2500℃的温度来将碳化备料石墨化，以形成石墨化备料；
(e)加工石墨化备料以形成石墨电极和阳插脚，而所述阳插脚的阳插脚长度与石墨化备料的直径之比至少为0.60，其中所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之比随着所述阳插脚长度与电极直径之比而变化，以使所述阳插脚长度与电极直径之比相对于0.60每提高0.01，所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之间的比率应减少约0.016。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之比不大于所述阳插脚长度与电极直径之比的2.5倍。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：对于具有0.85或小于0.85的阳插脚长度与电极直径之比的电极来讲，阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率至少为15。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率随着所述阳插脚长度与电极直径之比而变化，以使所述阳插脚长度与电极直径之比相对于0.85每降低0.01，所述阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率应提高约1.25。
13.一种用于阳-阴电极接头的石墨电极，包括阳插脚，所述阳插脚具有至少0.60的阳插脚长度与电极直径之比，其中，所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之比随着所述阳插脚长度与电极直径之比而变化，以使所述阳插脚长度与电极直径之比相对于0.60每提高0.01，所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之间的比率应减少约0.016。
14.如权利要求13所述的石墨电极，其特征在于：对于具有0.85或小于0.85的阳插脚长度与电极直径之比的电极来讲，阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率至少为15。
15.如权利要求14所述的石墨电极，其特征在于：所述阳插脚在其基部的直径与阳插脚的长度之比不大于所述阳插脚长度与电极直径之比的约2.5倍。
16.如权利要求15所述的石墨电极，其特征在于：所述阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率随着所述阳插脚长度与电极直径之比而变化，以使所述阳插脚长度与电极直径之比相对于0.85每降低0.01，所述阳插脚的锥度与所述阳插脚长度和电极直径之比之间的比率应提高约1.25。
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