DE1155386B

DE1155386B - Verfahren zur Herstellung von Kohle- und Graphitkoerpern

Info

Publication number: DE1155386B
Application number: DEG32697A
Authority: DE
Inventors: Bruce L Bailey; Berch Y Karogoz; Paul Peller
Original assignee: GREAT LAKES CORBON CORP
Current assignee: GREAT LAKES CORBON CORP
Priority date: 1960-08-05
Filing date: 1961-07-12
Publication date: 1963-10-03
Also published as: SE302427B; CH436091A; GB917097A; US3275488A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohle- und Graphitkörpern, deren Abmessungen erheblich größer und deren Formen sehr viel verwickelter sein können als diejenigen, die mit den bisherigen Extrusions- oder Formgebungseinrichtungen hergestellt werden können.

Das Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung kohlenstoffhaltiger Körper umfaßt folgende Verfahrensstufen:

a) Formung kohlenstoffhaltiger Mischungen in die erwünschten »grünen« Körper mit den richtigen Abmessungen;

b) Überziehen einer Oberfläche von mindestens einem dieser Körper, die miteinander verbunden werden sollen, mit einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel;

c) Verbindung der beiden Körper mit Hilfe des Bindemittels an ihrer Trennfläche;

d) Umgeben der hergestellten Verbindungsstelle mit den beiden Stücken, die miteinander verbunden werden sollen, mit einem Tragband, welches dazu dient, ein Entweichen des Bindemittels zu verhindern, und

e) Erwärmung der Stücke in einem Brennofen.

Für Kohle- oder Graphitkörper größerer Abmessungen als den gewöhnlichen Abmessungen bestehen, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Einige dieser Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise im Flugzeugbau und in der Industrie, die sich mit der atomaren Kerntechnik befassen, erfordern hohe Festigkeit bei verhältnismäßig hohen Temperaturen.

So besteht beispielsweise bei einem in der Flugzeugindustrie häufig auftretenden Verfahren zur Herstellung von Honigwaben-Fachwerkkonstruktionen für Flugzeug- und Geschoßteile ein Schlüsselfaktor in der Möglichkeit der Verwendung eines Graphitbettes beim Zusammenlöten dieser Bauteile, die mit extrem kleinen Toleranzen hergestellt werden. Da einige dieser Bauteile sehr große Abmessungen besitzen, müssen naturgemäß auch die Abmessungen der Graphitplatten oder Graphitlager sehr groß sein und vor allen Dingen beträchtlich größer als die Dimensionen von Graphitkörpern, die mit den vorhandenen oder üblichen Formgebungs- oder Extrusionseinrichtungen hergestellt werden.

Eine andere Anwendungsmöglichkeit, bei welcher ein zusammengesetzter Kohlenstoff- oder Graphitkörper großer Abmessung erforderlich ist, tritt bei Kernreaktoren auf. So hat man z. B. vorgeschlagen, vier Quadranten aus Graphit miteinander zu verbinden, um einen einzigen Zylinder zu bilden, und dann mehrere solche Zylinder miteinander zu verkitten Verfahren zur Herstellung von Kohle-
und Graphitkörpern

Anmelder:

Great Lakes Corbon Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Patentanwalt,
Berlin 33, Auguste-Viktoria-Str. 65

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. August 1960 (Nr. 47 628)

Bruce L. Bailey, Lewiston, N. Y.,

Berch Y. Karogoz, Buffalo, N. Y.,

und Paul Peller, Albany, N. Y. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

und sie in vertikaler Richtung zusammenzufügen, um einen Reaktorkern mit dem erforderlichen Enddurchmesser und mit der erforderlichen Endhöhe herstellen zu können.

Ein Ergebnis dieser starken Nachfrage nach großen Kohle- und Graphitkörpern besteht darin, daß man der Technik des Aufbaus derartiger großer Körper durch Zusammenkitten kleinerer Kohlekörper, die dann gebrannt oder graphitiert werden, eine außerordentlich große Aufmerksamkeit schenkte.

Ein solches Verfahren zum Zusammenkleben vorher gebrannter oder graphitierter Kohlekörper bietet jedoch verschiedene Nachteile. So erfordert ein derartiges Verfahren vor allen Dingen sehr viel Zeit und Arbeitsaufwand. Auch die sich ergebende Verbindung ist gegen Oxydation sehr viel empfindlicher als die miteinander zu verbindenden Teile selbst.

Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, daß das Problem der Herstellung großer Körper darin zu suchen ist, daß man die Teilstücke miteinander verklebt oder auf andere Weise verbindet, solange sie sich im »grünen« Zustand befinden, aber nachdem sie bereits extrudiert oder gegossen worden sind, worauf dann allerdings ein anschließender Brennvorgang folgen kann, der die betreffenden Körper endgültig und bleibend miteinander verbindet.

309 690/263

Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, daß zunächst eine geeignete Mischung kohlenstoffhaltiger Teilchen und Bindemittel beispielsweise durch Extrusion in die gewünschten »grünen« Körper mit den richtigen Dimensionen gebracht werden, daß hierauf eine Oberfläche von mindestens einem dieser Körper, die miteinander verbunden werden sollen, mit einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel überzogen wird, daß die beiden Körper dann mit Hilfe des Bindemittels an ihrer Trennfläche miteinander verbunden werden und die so hergestellte Verbindungsstelle an den beiden Stücken, die miteinander verbunden werden sollen, mit einem Tragband umgeben wird, um ein Entweichen des Bindemittels zu verhindern, und dann schließlich die Stücke in einem Brennofen erwärmt werden. Weitere Einzelheiten des neuen Verfahrens werden in der nun folgenden Beschreibung näher erläutert werden.

Es ist gefunden worden, daß bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung der endgültige große Körper nicht nur die erforderliche hohe Festigkeit bei relativ hoher Temperatur besitzt, sondern auch für alle vorkommenden praktischen Verwendungszwecke ein einziges kontinuierliches Stück ist, und daß er im allgemeinen insbesondere bei höheren Temperaturen fester ist als ein ähnlicher Körper, der durch Zusammenkleben vorher gebrannter oder graphitierter Stücke hergestellt ist.

Die folgenden Ausführungsbeispiele werden das Wesen der Erfindung noch deutlicher machen und auch deren technische Lehren klar erläutern.

Beispiel 1

Es wurde eine Mischung hergestellt aus 100 Teilen Kohleteilchen, von denen wenigstens 80% eine Teilchengröße zwischen 10 Maschen je Flächeneinheit und 325 Maschen je Flächeneinheit hatten, und aus 30 Teilchen Steinkohlenteerpech. Diese Mischung wurde dann in die Stücke fertiggestalteter »grüner« Blöcke durch Extrusion durch eine Düse von 60,96 cm Breite und 76,2 cm Höhe geformt. Nach erfolgter Abkühlung wurden die entsprechenden Flächen der extrudierten Stücke oder Blöcke dieser Mischung mit den gleichen Abmessungen und der gleichen Ausrichtung, von denen jedes 228,6 cm lang war, angestrichen bzw. mit einem Bindemittel oder Zement überzogen. Dieses bestand aus ungefähr 65 Teilen Steinkohlenteer und 35 Teilen Steinkohlenteerpech, wobei ein Mindestspalt oder eine Bindemitteldicke von annähernd 3,17 mm verblieb, wenn die Flächen der Blöcke aneinandergerückt wurden. Mit der gleichen Ausrichtung ist übrigens gemeint, daß die Stücke jeweils mit der Extrusionsrichtung in der gleichen Richtung lagen.

Die Verbindungsstelle wurde rings um ihren gesamten Umfang mit einem Streifen aus Klebeband von 10,16 cm Breite umwickelt und die so miteinander verbundenen Körper auf den Boden eines üblichen Brennofens gelegt. Der durchschnittliche Wert des Bruchmoduls der Verbindung betrug nach dem Brennen bei etwa 900° C 112 kg/cm² und nach der Graphitierung 88 kg/cm².

Beispiel 2

Es wurde eine Mischung hergestellt aus 100 Teilen Kohleteilchen, von denen mindestens 80% eine Teilchengröße zwischen 12,7 Maschen je Flächeneinheit und 325 Maschen je Flächeneinheit hatten, sowie 25 Teilen Steinkohlenteer. Diese Mischung wurde extrudiert, miteinander in Verbindung gebracht und wie bei dem Beispiel 1 gebrannt. Es ergab sich eine Verbindung mit einem Bruchmodul nach dem Brennen von 77 kg/cm² und nach dem Graphitieren von 67 kg/cm².

Beispiel 3

Eine extrudierbare Mischung wurde aus 50 Teilen

ίο Kohlenstoff und 50 Teilen pulverisierter Kohle hergestellt, bei der mindestens 80% eine Teilchengröße zwischen 10 Maschen je Flächeneinheit und 325 Maschen je Flächeneinheit hatten, sowie 36 Teilen Teer. Diese Mischung wurde extrudiert und in die gewünschten Dimensionen wie in Beispiel 1 gebracht, worauf die aneinander anstoßenden Flächen mit einem Teerbindemittel verbunden wurden. Nach dem Brennen hatte der durchschnittliche Bruchmodul der Verbindungsstelle einen Wert von 77 kg/cm².

zo Die Festigkeiten der Verbindungsstellen verschiedener anderer zusammengesetzter Stücke wurden ebenfalls bestimmt. In vielen Fällen war die Festigkeit des gebrannten Grundblockes selbst geringer als die Festigkeit der Verbindung nach Beendigung des Brennvorgangs, mit anderen Worten, der Bruch erfolgte immer außerhalb der Ebene der Verbindungsstelle.

Vorzugsweise wird das Bindemittel auf jeder Oberfläche oder Seite der miteinander zu verbindenden »grünen« Körper aufgebracht. In manchen Fällen kann es jedoch zweckmäßig oder wünschenswert sein, das Bindemittel lediglich auf eine der miteinander zu verbindenden Flächen aufzubringen. Häufig haben die Flächen oder Seiten der miteinander zu verbindenden grünen Körper die gleiche Länge und die gleiche Breite, d. h., sie sind eben dementsprechend dimensioniert. Bei manchen Endprodukten, insbesondere bei denen mit wirklich komplizierter Raumform, kann dies jedoch nicht der Fall sein.

Das Bindemittel wird im allgemeinen bei einer Temperatur von etwa 130° C aufgebracht, wobei sich die miteinander zu verbindenden Körper etwa auf Raumtemperatur befinden. Im allgemeinen wird eine ausreichende Menge von Bindemitteln angewendet, um einen Mindestspalt oder eine Bindemitteldicke von annähernd 3,17 mm frei zu lassen, wenn die Flächen der Blöcke aneinandergerückt werden. Die praktisch maximal erreichte Breite des Spaltes oder die Dicke der Verbindungsstelle beträgt ungefähr 6,35 mm. Nachdem nun die Blöcke miteinander verbunden worden sind und jeglicher Überschuß an Bindemittel oder Klebstoff entfernt worden ist, wurde ein breiter Streifen (etwa 10,16 cm breit) eines Tragbandes oder eines Klebestreifens aus Gewebe rings um die Verbindungsstelle herumgewickelt, um ein Herauslaufen des Bindemittels vor dem Erreichen des Siedepunktes des Bindemittels zu verhindern. Es kann natürlich jedes geeignete feste Tragband verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Tragbandes besteht dieses aus einem Material, welches in starkem Umfang mit Kohlenstoff versehen ist oder während des nachfolgenden Brennvorganges verdampft. Man kann aber auch ein Tragband aus einer dünnen Stahl- oder Aluminiumfolie herstellen, insbesondere dann, wenn die miteinander zu verbindenden Flächen die gleiche Länge und die gleiche Breite haben. Die miteinander zu verbindenden Blöcke werden dann mechanisch festgelegt und

blockiert, um zu verhindern, daß sie sich bei der Handhabung gegeneinander verschieben. Die miteinander verbundenen Stücke werden dann in einen Brennofen gebracht, und der zusammengesetzte Körper wird dann gebrannt oder mit Wärme behandelt und in der üblichen Weise auch noch weiter behandelt.

Zur Erzielung optimaler Verschmelzungsergebnisse sollten die miteinander zu verbindenden Blöcke und Stücke ähnlich in ihrer Zusammensetzung und ihren physikalischen Eigenschaften sein, obwohl wegen des hohen Grades der innigen Verschmelzung die zwischen dem nach dem Verfahren nach der Erfindung miteinander zu verbindenden Körpern im Vergleich zu den gebrannten oder graphitierten Körpern sehr viel größere Spielräume in den Eigenschaften dieser Körper zugelassen werden können als bei Anwendung der Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik.

Ein besonders geeignetes und bevorzugtes Binde- oder Klebemittel besteht aus einer Mischung von annähernd 35 % Steinkohlenteerpech und 65% Grudekoks-Nebenproduktteer mit einem spezifischen Gewicht von 1,22. Die Gewichtsprozente dieser Mischung können zwischen etwa 15 und etwa 85% Steinkohlenteerpech und zwischen etwa 85 und etwa 15% Steinkohlenteer schwanken. Das Bindemittel kann aus irgendeinem geeigneten praktisch flüssigen oder leicht zu verflüssigenden kohlenstoffhaltigen Material bestehen. Es kann aus feinverteilter Kokskohle bestehen, die teilweise in einem aromatischen Lösungsmittel, wie Anthrazenöl oder Kreosot, aufgelöst ist, und die Mischungen können eine so hohe Viskosität haben, daß sie wie eine Paste oder eine Farbe aufgetragen werden können. Das Bindemittel kann ein fester Körper sein, wenn es verflüssigt werden soll, oder es kann am Anfang in flüssiger Form vorliegen, solange es noch nicht so flüssig ist, daß es nicht in der Verbindungsstelle zurückgehalten werden kann. Vorzugsweise sollte das Bindemittel auch mit dem Binder in der extrudierbaren Mischung praktisch mischbar sein. Das Bindemittel sollte auch kohlenstoffhaltig sein, d. h. Kohlenstoff enthalten, und wenn es in fester Form vorliegt, soll es bis unter seiner Zersetzungstemperatur verflüssigbar sein. Beim Gegenstand der Erfindung können geeignete spezifische Bindemittel verwendet werden, die in hohem Maße verdampfbar sind, wie Kokskohle, Steinkohlenteer, Phenol-Formaldehyd-Harze, polymerisierbare Kunstharze sowohl thermohärtender Art als auch thermoplastischer Art, hydrierte Kohle, Asphalt, schwere Steinkohlenteer-Destillationsprodukte und geeignete Kombinationen dieser Substanzen.

Gelegentlich, aber in durchaus bevorzugter Anwendung, werden die miteinander verbundenen Stücke in den Brennofen so eingelegt, daß die Ebene der Verbindungsstelle horizontal liegt. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird vorzugsweise auch ein hydrostatischer Druck auf die Verbindungsstelle zwischen den Stücken des zusammengesetzten Körpers während des Brennvorgangs ausgeübt. Dabei werden hydrostatische Mindestdrücke von etwa 0,35 bis etwa 0,49 kg/cm² bevorzugt, man erzielt aber auch schon mit Drücken von 0,0703 kg/cm² eine gewisse Wirkung.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung erhält man eine außerordentlich feste Verbindung zwischen den miteinander zu vereinigenden Stücken. Falls es erwünscht sein sollte und insbesondere für besondere Anwendungszwecke kann der zusammengesetzte Körper auch nach dem Brennvorgang auf irgendeine übliche Weise graphitiert werden.

Das Verfahren nach der Erfindung zum festen Verbinden grüner Körper während des Brennvorgangs mit dem Ziel, kohlenstoffhaltige Körper großen Ausmaßes als Endprodukte zu erhalten, läßt sich selbstverständlich auch auf andere Körper als auf große Blöcke anwenden, also beispielsweise auf die Herstellung von Körpern mit komplizierten oder verwickelten Raumformen.

Die Erfindung ist keineswegs auf die speziellen hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens beschränkt, die lediglich als Beispiele zu werten sind. So können z. B. sowohl kohlenstoffhaltige Materialien als auch reine Graphite verwendet werden, und die Teilchengröße dieser Stoffe kann erheblich schwanken; ebenso kann die Art und der Zustand der zu vereinigenden Flächen völlig verschieden sein. Es kann sich um Flächen handeln, die durch Schnitte mit einem Diamanten entstanden sind, es können aufgerauhte Oberflächen sein, oder es kann sich um ineinandergreifende Flächen handeln oder um Flächen, die paarweise eine verschiedene Kornausrichtung besitzen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung von Kohle- und Graphitkörpern, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensstufen:

a) Formung kohlenstoffhaltiger Mischungen in die erwünschten »grünen« Körper mit den gewünschten Abmessungen;

d) Umgeben der hergestellten Verbindungsstelle der beiden Stücke, die miteinander verbunden werden sollen, mit einem Tragband, welches dazu dient, ein Entweichen des Bindemittels zu verhindern, und

e) Erwärmung der Stücke in einem Brennofen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Fläche eines jeden der beiden Körper, die miteinander verbunden werden sollen, mit dem kohlenstoffhaltigen Bindemittel bedeckt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß »grüne« Körper mit praktisch ähnlicher Zusammensetzung und ähnlichen physikalischen Eigenschaften verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel eine Mischung von ungefähr 85 bis ungefähr 15% Steinkohlenteerpech und ungefähr 15 bis ungefähr 85 % Steinkohlenteer verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel eine Mischung von etwa 35 % Steinkohlenteerpech und ungefähr 65 % Steinkohlenteer verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel, mit dem jede

Fläche überzogen wird, in einer Stärke von etwa 1,59 bis etwa 3,17 mm aufgetragen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder Unteransprächen, dadurch gekennzeichnet, daß ein karbonisierbares und verdampfbares Tragband verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder Unteransprächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stücke so in den Brennofen eingelegt werden, daß die Ebene der Verbindungsstelle horizontal liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel auf einer

Temperatur von ungefähr 130° C und die miteinander zu verbindenden Körper ungefähr auf Raumtemperatur gehalten werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder Unteransprächen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Verbindungsstelle zwischen den Stücken des zusammengesetzten Körpers während des Brennvorgangs ein hydrostatischer Druck von wenigstens 0,0703 kg/cm² ausgeübt wird.

11. Verfahren nach einem der Anspräche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander verbundenen Stücke nach der Erwärmung in dem Brennofen graphitiert werden.