DE202011109452U1

DE202011109452U1 - Graphitelektrode

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Publication number: DE202011109452U1
Application number: DE201120109452
Authority: DE
Original assignee: Graftech International Holdings Inc
Current assignee: Graftech International Holdings Inc
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2021-12-23

Abstract

Monolithische Graphitelektrode, umfassend eine erste und zweite Endposition und einen nicht terminalen Körperabschnitt, eine erste Zone, die sich an der ersten Endposition der Elektrode befindet, und eine zweite Zone, die sich am nicht terminalen Körperabschnitt der Elektrode befindet, wobei die erste Zone eine Kohlenstofffaserkonzentration aufweist, die größer als eine Kohlenstofffaserkonzentration in der zweiten Zone ist, wobei die Faserkonzentration in der ersten Zone ausreicht, um die Festigkeit der Elektrode an der ersten Endposition zu erhöhen, und die Faserkonzentration im nicht terminalen Köperabschnitt nicht ausreicht, um die Festigkeit der Elektrode des nicht terminalen Körperabschnitts der Elektrode zu erhöhen.

Description

HINTERGRUND
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Graphitelektrode, die dadurch, dass Zonen mit unterschiedlichen Merkmalen vorgesehen sind, verbesserte Eigenschaften zeigt, und ein Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Graphitelektrode. Insbesondere betrifft die Offenbarung eine Graphitelektrode mit einer oder mehreren Zonen, die sich in Bezug auf Festigkeit, elektrische Merkmale, Zusammensetzung usw. messbar von anderen Zonen der Elektrode unterscheiden.
STAND DER TECHNIK
Graphitelektroden werden in der Stahlindustrie zum Schmelzen von Metallen und anderen Bestandteilen zur Stahlherstellung in elektrothermischen Öfen verwendet. Die zum Schmelzen von Metallen benötigte Wärme wird durch Leiten von Strom durch mehrere, üblicherweise drei, Elektroden und Bilden eines Bogens zwischen den Elektroden und dem Metall erzeugt. Es werden häufig elektrische Ströme über 100.000 Ampere verwendet. Die sich ergebende hohe Temperatur lässt die Metalle und andere Inhaltsstoffe schmelzen. Im Allgemeinen liegen die Elektroden, die in Stahlöfen verwendet werden, in Form von Elektrodensäulen vor, bei denen es sich um eine Reihe von einzelnen Elektroden handelt, die miteinander zu einer einzigen Säule verbunden werden. Auf diese Weise können, wenn Elektroden im Laufe des thermischen Verfahrens verbraucht sind, Austauschelektroden in die Säule aufgenommen werden, um die Länge der Säule aufrechtzuerhalten, die sich in den Ofen hinein erstreckt.
Im Allgemeinen werden Elektroden zu Säulen über einen Stift (manchmal als Nippel bezeichnet) kombiniert, der dahingehend funktioniert, dass er die Enden von benachbarten Elektroden verbindet. Typischerweise übernimmt der Stift die Form von gegenüberliegenden Außengewindeabschnitten, wobei mindestens ein Ende der Elektroden Innengewindeabschnitte umfasst, die mit dem Außengewindeabschnitt des Stifts zusammenpassen. Wenn daher jeder der gegenüberliegenden Außengewindeabschnitte eines Stifts mit einem Innengewindeabschnitt in den Enden von zwei Elektroden verknüpft wird, werden diese Elektroden zu einer Elektrodensäule miteinander verbunden. Im Allgemeinen werden die verbundenen Enden der benachbarten Elektroden und der Stift dazwischen im Stand der Technik als Gelenk (oder genauer als Stiftgelenk) bezeichnet.
Alternativ können die Elektroden mit einem Gewindevorsprung oder Zapfen, der in ein Ende eingearbeitet ist, und einer Gewindemuffe, die in das andere Ende eingearbeitet ist, ausgebildet sein, so dass die Elektroden durch Verknüpfen des Zapfens der einen Elektrode mit der Muffe einer zweiten Elektrode verbunden werden können und so eine Elektrodensäule bilden. Die verbundenen Enden von zwei benachbarten Elektroden in einer solchen Ausführungsform werden auch auf dem Fachgebiet als stiftloses Gelenk bezeichnet. Bei der Herstellung einer Ausführungsform einer stiftlosen Elektrode können die Gewinde des Gelenks so genannte „blockierte” Gewinde umfassen, die in der Industrie auch als „vollständig festsitzende” Gewinde bezeichnet werden, die oft Verwendung finden. Bei blockierten Gewinden befinden sich die beiden Gewindeflanken eines der Elemente (wie beispielsweise dem Einsteckzapfen) mit beiden Gewindeflanken des anderen Elements (wie beispielsweise der aufnehmenden Muffe) in Kontakt. Andererseits kontaktiert bei „nicht blockierten” oder „entblockten” Gewinden, die in der Industrie als „festsitzende” oder „teilweise festsitzende” Gewinde bezeichnet werden, nur eine Gewindeflanke jedes Elements die Gewinde des anderen Elements, und diese werden im Allgemeinen in Stiftgelenken verwendet.
In Anbetracht der extremen thermischen Beanspruchung, der die Elektrode und das Gelenk (und tatsächlich die Elektrodensäule als Ganzes) unterliegen, müssen mechanische/thermische Faktoren, wie beispielsweise Festigkeit, Wärmeausdehnung und Rissbeständigkeit, sorgfältig ausgeglichen werden, um einen Schaden oder eine Zerstörung der Elektrodensäule oder einzelner Elektroden zu vermeiden. Zum Beispiel kann die longitudinale (d. h. entlang der Länge der Elektrode/Elektrodensäule) Wärmeausdehnung der Elektroden, insbesondere bei einer anderen Rate als beim Stift, das Gelenk auseinanderdrücken, wodurch die Wirksamkeit der Elektrodensäule beim Leiten des elektrischen Stroms verringert wird. Ein bestimmter Betrag einer transversalen (d. h. entlang des Durchmessers der Elektrode/Elektrodensäule) Wärmeausdehnung der Elektrode über der des Stifts kann erwünscht sein, um eine feste Verbindung zwischen dem Stift und der Elektrode auszubilden; wenn allerdings die transversale Wärmeausdehnung der Elektrode die des Stifts stark übersteigt, kann dies zu einem Schaden der Elektrode oder einem Abreißen des Gelenks führen. Dies kann wiederum zu einer verringerten Wirksamkeit der Elektrodensäule oder sogar zu einer Zerstörung der Säule führen, wenn der Schaden so ernst ist, dass die Elektrodensäule am Gelenkabschnitt bricht.
Darüber hinaus ist eine andere Wirkung der thermischen und mechanischen Beanspruchung, der eine Elektrodensäule ausgesetzt ist, das buchstäbliche Lösen der Elektroden, die das Gelenk bilden, (oder der Elektroden und Stifte, die das Gelenk bilden) aufgrund von Vibrationen und anderen Beanspruchungen. Dieses Lösen kann die Wirksamkeit der Elektrodensäule dadurch verringern, dass der elektrische Kontakt zwischen benachbarten Elektroden abnimmt. Im schlimmsten Fall kann ein Lösen zu einem Verlust der Elektrodensäule unterhalb des beeinträchtigten Gelenks führen.
Daher wird eine Graphitelektrode gewünscht, die besser in der Lage ist, den thermischen und mechanischen Beanspruchungen, denen sie in einem Elektrolichtbogenofen ausgesetzt ist, im Vergleich zu auf dem Fachgebiet herkömmlichen Graphitelektroden zu widerstehen. Es ist auch sehr wünschenswert, diese Vorteile unter Beibehaltung der kommerziellen Ausführbarkeit der Herstellung der vorliegenden Graphitelektroden zu erzielen.
KURZE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Graphitelektrode mit ausgeprägten Zonen zur Verfügung zu stellen, wobei mindestens eine Zone einen messbaren Unterschied im Vergleich zu anderen Zonen derselben Elektrode aufweist.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Graphitelektrode zur Verfügung zu stellen, die mindestens eine Zone mit einem messbaren Unterschied im Vergleich zu anderen Zonen derselben Elektrode aufweist, wobei sich diese mindestens eine Zone an einem Endabschnitt der Graphitelektrode befindet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Graphitelektrode zur Verfügung zu stellen, die mindestens eine Zone mit einem messbaren Unterschied im Vergleich zu anderen Zonen derselben Elektrode aufweist, wobei diese mindestens eine Zone an einem äußeren Abschnitt der Graphitelektrode angeordnet ist.
Gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Graphitelektrode zur Verfügung gestellt, die mindestens eine Zone mit einem messbaren Unterschied im Vergleich zu anderen Zonen derselben Elektrode aufweist, wobei ein solcher messbarer Unterschied den Fasergehalt in dieser mindestens einen Zone bildet.
Diese und weitere Aspekte, die dem Fachmann bei Durchsicht der nachfolgenden Beschreibung offenbart werden, können dadurch erzielt werden, dass ein Carbongegenstand mit einer ersten Zone und einer zweiten Zone zur Verfügung gestellt wird, wobei die erste Zone aus einem ersten Gemischaufbau gebildet ist und die zweite Zone aus einem zweiten Gemischaufbau gebildet ist und der erste und zweite Mischaufbau mindestens einen Unterschied aufweisen, der aus der Gruppe bestehend aus den Unterschieden in Bezug auf das Vorliegen eines bestimmten Materials, eine Konzentration eines bestimmten Materials, die Größe eines bestimmten Materials und Kombinationen davon ausgewählt ist. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Offenbarung einen Carbongegenstand mit einer ersten Zone und einer zweiten Zone, wobei die erste Zone eine Kohlenstofffaserkonzentration aufweist, die über einer Kohlenstofffaserkonzentration in der zweiten Zone liegt, und wobei die erste Zone von einem äußeren Abschnitt oder einem Endabschnitt des Gegenstands mindestens einen aufweist, wobei vorteilhafterweise die Kohlenstofffaserkonzentration in der zweiten Zone mindestens etwa 20% unter der Kohlenstofffaserkonzentration in der zweiten Zone liegt. Es kann wahlweise eine dritte Zone enthalten sein, wobei die dritte Zone gegenüber der ersten Zone angeordnet und aus weitgehend demselben Gemischaufbau wie der erste Gemischaufbau aufgebaut sein kann.
In der vorliegenden Offenbarung ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines Carbongegenstands, wie beispielsweise oben beschrieben, vorgesehen, wobei das Gemisch umfasst: Kombinieren eines ersten Gemischaufbaus und eines zweiten Gemischaufbaus in segregierter Weise, wobei sich der erste Gemischaufbau vom zweiten Gemischaufbau auf wenigstens eine Weise unterscheidet; Ausbilden eines Rohlings und Karbonisieren des Rohlings. Das Ausbilden kann mindestens eine Koextrusion oder Heißpressung umfassen; beim Heißpressen umfasst die Kombination das Einbauen eines Separators in eine Form und das Entfernen des Separators vor einer Druckanwendung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Bei bestimmten Ausführungsformen werden Graphitelektroden hergestellt, indem zuerst eine Partikelfraktion, die kalzinierten Koks, Pech und wahlweise Kohlenstofffasern umfasst, zu einer Stammmischung kombiniert wird. Mesophasenpech oder PAN auf der Grundlage von Kohlenstofffasern sind zwei Beispiele für geeignete Kohlenstofffaserarten. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die obigen Kohlenstofffaserarten beschränkt. Andere Faserarten, wie beispielsweise Baumwolle, Rayon oder aus Biomasse stammende Kohlenstofffasern, können verwendet werden. Darüber hinaus können die Kohlenstofffasern graphitiert sein oder auch nicht. Insbesondere wird zerkleinertes, gesiebtes und gemahlenes, kalziniertes Koks mit einem Kohle-Teerpech-Bindemittel gemischt, um die Mischung zu bilden. Im Allgemeinen werden bei Graphitelektroden zur Verwendung bei der Herstellung von Stahl Partikel bis zu etwa 25 Millimeter (mm) als mittlerer Durchmesser in der Mischung verwendet. Die Partikelfraktion umfasst vorzugsweise einen Füllstoff mit kleiner Partikelgröße, der Kokspulver aufweist. Andere Zusätze, die in den Füllstoff mit der kleinen Partikelgröße eingearbeitet werden können, umfassen Eisenoxide, um das Aufblähen zu hemmen (das durch die Freisetzung von Schwefel aus der Bindung mit Kohlenstoff in den Kokspartikeln hervorgerufen wird), Kokspulver und Öle oder andere Schmiermittel, um die Extrusion der Mischung zu erleichtern.
Nach dem Mischen der Partikelfraktion, des Pechbindemittels usw., wird der Körper durch Extrusion durch eine Düse gebildet (oder ausgeformt) oder in Formen ausgeformt, um einen sogenannten Rohling auszubilden. Die Ausformung wird, ob sie durch Extrusion oder Formen erfolgt, bei einer Temperatur durchgeführt, die nahe dem Erweichungspunkt des Pechs liegt, üblicherweise bei etwa 100°C oder mehr. Die Düse oder Form kann den Gegenstand in einer weitgehenden Endform und Größe ausbilden, obwohl eine Bearbeitung des fertiggestellten Gegenstands üblicherweise notwendig ist, allermindestens um einen Aufbau, wie beispielsweise Gewinde, vorzusehen. Die Größe des Rohlings kann variieren; für Elektroden kann der Durchmesser zwischen etwa 220 mm und 800 mm variieren.
Nach der Extrusion wird der Rohling durch Backen bei einer Temperatur zwischen etwa 700°C und etwa 1100°C, besonders bevorzugt zwischen etwa 800°C und etwa 1000°C, wärmebehandelt, um das Pechbindemittel an festen Pechkoks zu karbonisieren, um dem Gegenstand eine dauerhafte Form, hohe mechanische Festigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und einen vergleichsweise niedrigen elektrischen Widerstand zu verleihen und so ein karbonisiertes Grundmaterial auszubilden. Der Rohling wird unter relativem Luftabschluss gebacken, um eine Oxidation zu vermeiden. Das Backen sollte bei einer Rate von etwa 1°C bis etwa 5°C Anstieg pro Stunde auf die Endtemperatur durchgeführt werden. Nach dem Backen kann das karbonisierte Grundmaterial ein- oder mehrmals mit Kohleteer oder Petrolpech oder anderen Pech- oder Harzarten, die in der Industrie bekannt sind, imprägniert werden, um zusätzlichen Koks in allen offenen Poren des Grundmaterials abzulagern. An jede Imprägnierung schließt sich dann ein zusätzlicher Backschritt an.
Nach dem Backen wird dann das karbonisierte Grundmaterial graphitiert. Die Graphitierung erfolgt durch Wärmebehandlung bei einer Endtemperatur von zwischen etwa 2500°C bis etwa 3400°C über einen Zeitraum, der ausreicht, um zu bewirken, dass die Kohlenstoffatome im Koks und Pechkoksbindemittel von einem kaum geordneten Zustand in den kristallinen Graphitaufbau überführt werden. Vorteilhafterweise wird die Graphitierung durchgeführt, indem das karbonisierte Grundmaterial bei einer Temperatur von mindestens etwa 2700°C, und besonders bevorzugt bei einer Temperatur von zwischen etwa 2700°C und etwa 3200°C, gehalten wird. Bei diesen hohen Temperaturen werden andere Elemente als Kohlenstoff verflüchtigt und als Dämpfe ausgeleitet. Die Zeit, die für das Beibehalten auf der Graphitierungstemperatur mittels des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung erforderlich ist, liegt nicht über etwa 18 Stunden, tatsächlich nicht über etwa 12 Stunden. Vorzugsweise erfolgt eine Graphitierung für etwa 1,5 bis etwa 8 Stunden. Sobald die Graphitierung abgeschlossen ist, kann der fertiggestellte Gegenstand zugeschnitten werden und dann bearbeitet oder sonst wie zu seiner Endkonfiguration ausgebildet werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Bildung einer Graphitelektrode dadurch erzielt werden, dass das Widerstandserwärmen der Mischung aus Partikelfraktion, Pechbindemittel usw. in einem Heißpressschritt angewendet wird. Während des Heißpressschritts wird ein Widerstandserwärmen durch Anwenden von mechanischem Druck („Heißpressen”) begleitet, um die Dichte und Karbonisation der Mischung zu erhöhen. Wahlweise kann nach dem Heißpressen die Vorform-Elektrode oder ein solcher Stift einem oder mehreren Verdichtungsschritten unterworfen werden, die eine karbonisierbare Kohle verwenden, um die Dichte der Vorform vor dem Graphitierungsschritt weiter zu erhöhen.
Während der Heißpressstufe wird das Heißpress-Grundmaterialgemisch oder eine solche Mischung heißgepresst, um einen Vorformkörper zu erzeugen, wie beispielsweise eine Vorformelektrode oder einen solchen Stift. Beim Heißpressverfahren wird das Heißpressgemisch auf eine ausreichende Temperatur erwärmt, um mindestens einen Teil des Grundmaterials zu schmelzen. Dieser Heizschritt umfasst das Anlegen eines elektrischen Stroms an das Heißpressgemisch, so dass in dem Gemisch Wärme erzeugt wird. Während des Erwärmens des Heißpressgemischs wird das Gemisch mit einem Druck beaufschlagt, um eine Vorformelektrode oder einen solchen Stift zu bilden, die/der mindestens teilweise karbonisiert ist.
In einer Ausführungsform wird ein hydraulischer Heißpressenaufbau, der zur Widerstandserwärmung und hydraulischen Komprimierung eines Heißpressgemischs geeignet ist (d. h. das trockene gemischte Grundmaterial oder wahlweise das durch Erwärmung erweichte Grundmaterial oder die Rohlingelektrode oder ein solcher Stift), zur Herstellung eines Vorformkohlenstoffkörpers, wie beispielsweis einer Vorformelektrode oder eines solchen Stifts, verwendet. Ein beispielhafter hydraulischer Heißpressenaufbau umfasst eine hydraulische Presse mit einer integral angeordneten Heißpressenform, wobei die Form eine Öffnung aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie das Heißpressengemisch aufnimmt und die gewünschte Vorform ausformt. Vorzugsweise ist die Heißpressenform so ausgebildet, dass sie die ungefähren Abmessungen des gewünschten graphitierten Kohlenstoffkörpers, wie beispielsweise eines Graphitstifts oder einer solchen Elektrode, hat. Darüber hinaus ist die Heißpressenform vorzugsweise in einem wärmeisolierten Gehäuse enthalten. Das Heißpressgemisch wird durch hydraulische Kolben mit Druck beaufschlagt, und zwar vorzugsweise so, dass ein gleichförmiger Druck entlang des Gemischs erzielt wird. Die Druckbeaufschlagung erfolgt auch vorzugsweise in einer Formrichtung senkrecht zur Längsachse der Vorform, um so einen longitudinal bevorzugten Kohlenstoffkörper zu erhalten, d. h. mit einer kristallinen Struktur, die so ausgerichtet ist, dass die größte Zugfestigkeit entlang der Längsachse des Körper vorgesehen ist. In einer bevorzugten Konfiguration wird die Heißpressform so ausgerichtet, dass die Vorform mit ihrer Längsachse in einer horizontalen Ebene ausgeformt wird. Das Heißpressgemisch wird dann mit Druck durch obere und/oder untere vertikale Hydraulikkolben beaufschlagt, die einfach- oder doppelwirkend sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Enden der Heißpressformen Endplatten aus rostfreiem Stahl, die in elektrischem Kontakt mit dem Heißpressgemisch stehen. Ein Widerstandserwärmungssystem legt über diese Endplatten einen elektrischen Strom an das Heißpressgemisch an. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform haben die Kolben und die Heißpressform jeweils eine Siliziumcarbidoberflächenauskleidung und sind beide elektrisch gegenüber dem Rahmen des hydraulischen Heißpressaufbaus isoliert. Das Widerstandserwärmungssystem umfasst eine Quelle aus elektrischer Leistung zum Vorsehen eines hohen Stroms bei niedriger Spannung, wie beispielsweise eine Gleichstromversorgung. Hohe Wechselströme werden auch in Betracht gezogen. Die Gleichstrom- oder Wechselstromversorgung ist elektrisch mit den Endplatten aus rostfreiem Stahl verbunden. Die Konstruktion des hydraulischen Heißpressenaufbaus erfolgt derart, dass alle Teile des Heißpressgemischs in der Heißpressformöffnung einem weitgehend gleichförmigen Stromfluss unterworfen werden. Das Widerstandserwärmen und Druckformen des Heißpressgemischs unter Strom- und Druckbedingungen, die über das ganze Heißpressgemisch im Allgemeinen gleichförmig sind, führen zu weitgehend gleichförmigen Merkmalen über die ganze Vorformelektrode oder einen solchen Stift hinweg und führen weiter zu einer signifikanten Verringerung der Risse oder anderen Ungleichmäßigkeiten, die während der Verwendung zu einem Bruch führen können. Vorzugsweise sieht eine programmierte Anwendung des Stroms und Drucks unter anderem Heißpressgemischtemperaturen, Drücke, Heizraten und Druckerzeugungsraten in Übereinstimmung mit einem gewünschten Backverfahren vor, wobei die Berechnungen auf einer bestimmten Grundmaterialkinetik beruhen. Besonders bevorzugt sieht ein programmierbares Kontrollsystem, das mit dem hydraulischen Heißpressenaufbau integral ist, eine solche programmierte Anwendung von Strom und Druck vor.
Nach der Karbonisation während des Heißpressbetriebs wird das karbonisierte Grundmaterial dann graphitiert, wie zuvor erörtert. Wieder erfolgt eine Graphitierung durch Wärmebehandlung mit einer Endtemperatur von zwischen etwa 2500°C bis etwa 3400°C über einen Zeitraum, der ausreicht, um zu bewirken, dass die Kohlenstoffatome im Koks und Pechkoksbindemittel von einem kaum geordneten Zustand in den kristallinen Graphitaufbau übergehen. Vorteilhafterweise wird die Graphitierung durchgeführt, indem das karbonisierte Grundmaterial bei einer Temperatur von mindestens etwa 2700°C, und besonders vorteilhaft bei einer Temperatur von zwischen etwa 2700°C und etwa 3200°C, gehalten wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hat der Graphitgegenstand, ob es sich dabei um eine Graphitelektrode, einen Stift für Graphitelektroden oder einen Graphitblock handelt, mehrere Zonen, wobei mindestens eine Zone messbar von mindestens einer anderen Zone abgegrenzt ist. Unter Zone versteht man einen Bereich oder Abschnitt von Graphitelektrode, -stift oder -block. Unter messbar abgegrenzt versteht man, dass sich der Unterschied für das mindestens eine Merkmal messbar in der ersten Zone im Vergleich zur zweiten Zone des Endgegenstands unterscheidet. Nur beispielhaft kann dies in Bezug auf die Konzentration eines Materials bedeuten, dass sich die Konzentration eines bestimmten Materials von der ersten Zone zur zweiten Zone um mindestens etwa 20%, vorzugsweise mindestens etwa 25% und besonders bevorzugt mindestens etwa 50%, unterscheiden kann. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird dies durch unterschiedliche Mischaufbauten erzielt, das heißt Kombinationen unterschiedlicher Grundmaterialgemische oder -mischungen, wie ausführlicher nachfolgend beschrieben.
Zum Beispiel kann in bestimmten Ausführungsformen mindestens eine Zone der Graphitelektrode oder eines solchen Stifts Fasern umfassen, um die Festigkeit der Elektrode oder des Stifts in Bereichen mit hoher Beanspruchung zu verbessern. In einigen Ausführungsformen sind die Fasern Mesophase-Pech-Kohlenstofffasern oder Fasern, die von PAN (Polyacrylnitril) stammen. Die verwendeten Fasern sollten vorteilhaft ein Youngsches Modul (nach der Karbonisation) von etwa 15 × 10⁶ psi bis etwa 40 × 10⁶ psi aufweisen. Sie haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von etwa 6 bis etwa 15 Mikron, eine Zugfestigkeit von etwa 200 × 10³ psi bis etwa 400 × 10³ psi und haben durchschnittlich vorzugsweise eine Länge von etwa 4 mm bis etwa 32 mm. Geeignete Faserlängen umfassen eine mittlere Länge von etwa 6 mm oder weniger, etwa 12 mm oder weniger, etwa 18 mm oder weniger oder etwa 25 mm oder weniger. Es ist auch bevorzugt, dass die Kohlenstofffasern nicht länger als das größte Koksteilchen sind. Ganz besonders bevorzugt werden die Fasern der Mischung als Bündel zugegeben, die zwischen etwa 2000 und etwa 20.000 Fasern pro Bündel enthalten, und zwar kompaktiert bei Verwendung einer Leimung.
Die Kohlenstofffasern sind vorzugsweise in einer der Zonen der Graphitelektrode oder eines solchen Stifts mit einem Gehalt von etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, besonders bevorzugt etwa 1,5% bis zu etwa 7,5%, noch weiter bevorzugt etwa 5,0% oder weniger enthalten. In anderen Zonen der Graphitelektrode, eines solchen Stifts oder Gegenstands liegen die Fasern allerdings mit einem Gehalt von mindestens etwa 20% weniger oder sogar etwa 25% weniger oder sogar noch weiter bevorzugt etwa 50% weniger vor; als solches bildet/bilden die Zone(n) mit Fasern eine ausgeprägte Zone/ausgeprägte Zonen in der Elektrode oder dem Stift. In der Tat hat in bestimmten Ausführungsformen mindestens eine andere Zone keine Fasern und ist daher im Vergleich zu einer Zone mit 1 Gew.-% Fasern oder mehr eine ausgeprägte Zone. Beispielhaft kann in Bezug auf eine Elektrode in einer ersten Zone der Elektrode, z. B. einem ersten Muffenbereich der Elektrode, die Faserkonzentration etwa 10% betragen. In einer zweiten Zone der Elektrode, z. B. einem zentralen Abschnitt der Elektrode, liegt die Faserkonzentration in der zweiten Zone nicht über etwa 8,0%. Diese Ausführungsform kann eine wahlweise dritte Zone der Elektrode umfassen, wobei die Faserkonzentration weitgehend dieselbe wie bei der ersten Zone ist. In dieser Ausführungsform kann die dritte Zone einen zweiten Muffenbereich umfassen, der gegenüber dem ersten Muffenbereich liegt.
In einer weiteren bestimmten Ausführungsform kann die Elektrode eine oder mehr Segmente aufweisen, die weitgehend frei von Kohlenstofffaser sind; was bedeutet, dass eine ungenügende Menge an Fasern vorliegt, um die gewünschte Eigenschaft der Elektrode zu beeinflussen. Es ist sogar noch weiter bevorzugt, dass das Elektrodensegment vollständig frei von Kohlenstofffasern ist. Die obigen Ausführungsformen können in jeder Kombination davon realisiert werden.
Es ist festgestellt worden, dass die Einschließung von Fasern in Graphitelektroden oder -stiften die Festigkeit einer Graphitelektrode oder eines solchen Stifts verbessern kann (siehe beispielsweise Kortovich u. a., in der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 2004/020185 , Singer, in US-Patent Nr. 4,005,183 , und Shao u. a., in US-Patent Nr. 6,280,663 , wobei deren Offenbarungen hier jeweils durch Bezugnahme als Ganzes aufgenommen werden). Allerdings ist auch festgestellt worden, dass das Einschließen von Fasern in Graphitelektroden oder -stiften in ausreichend signifikanten Gehalten unbezahlbar ist. Durch das Ermöglichen des Einschließens von Fasern nur in solche Bereiche der Graphitelektrode oder eines solchen Stifts, bei denen es sich um Bereiche mit hoher Beanspruchung, wie beispielsweise die Gewindebereiche, handelt, können die Vorteile des Einschließens von Fasern mit geringeren Kostenauswirkungen erhalten werden, wodurch die kommerzielle Realisierbarkeit des Gegenstands erhalten bleibt.
In anderen Ausführungsformen kann eine Zone des Graphitgegenstands Schwefel umfassen, um ein Aufblähen zu hemmen, während andere Zonen dieses nicht haben. Zum Beispiel wäre es nützlich, Schwefel in den Zonen einer Graphitelektrode oder eines solchen Stifts aufzunehmen, die die Gewindebereiche umfassen, aber nachteilig, Schwefel in das Innere eines Stifts oder einer Elektrode aufzunehmen, wo dies zu einem Aufspalten führen kann. Die Ausführung der vorliegenden Offenbarung kann verwendet werden, um eine Graphitelektrode oder einen solchen Stift derart zu „konstruieren”, dass Schwefel vorzugsweise in einer Zone enthalten ist, die die Gewindebereiche umfasst, aber nicht in einer Zone, die den inneren Abschnitt des Gegenstands bildet. In gleicher Weise können in noch anderen Ausführungsformen Vorteile durch die Steuerung der Teilchengröße von Koks in bestimmten Zonen gegenüber anderen oder in Gegenwart von Eisenoxid in bestimmten Zonen gegenüber anderen erhalten werden. Dies kann wieder unter Verwendung der vorliegenden Offenbarung erreicht werden.
In einer Ausführungsform sind in besonders nützlicher Weise, wenn der Körper durch Extrusion der Stammmischung durch eine Düse gebildet (oder geformt) wird, wie zuvor beschrieben, die ausgeprägten Zonen durch ein Koextrusionsverfahren gebildet. Bei der Koextrusion werden ausgeprägte Stammmischungen, wie beispielsweise eine erste Stammmischung, die mindestens 1 Gew.-% Fasern enthält, und eine zweite Stammmischung, die mindestens 25 Gew.-% weniger Fasern enthält, jeweils durch benachbarte Extrusionsrohre extrudiert, und dann zu einem einzigen Gegenstand zusammengeführt. Auf diese Weise werden zwei ausgeprägte Zonen in dem Gegenstand gebildet, zum Beispiel kann eine erste Zone mindestens 1 Gew.-% Fasern umfassen und eine zweite Zone kann mindestens etwa 25 Gew.-% weniger Fasern als die der ersten Zone umfassen. In einer anderen Ausführungsform beträgt der Unterschied in der Fasermenge mindestens etwa 50%; in einer weiteren Ausführungsform beträgt der Unterschied mindestens etwa 75%. Die Extrusionsrohre können in verschiedenen Anordnungen angeordnet sein, und zwar abhängig davon, wie der Benutzer die Anordnung der ausprägten Zonen wünscht. Zum Beispiel kann es im Fall von Fasern wünschenswert sein, eine Zone mit erhöhtem Fasergehalt (manchmal als Faserbeschickung bezeichnet) in einem äußeren Abschnitt der Graphitelektrode oder eines solchen Stifts für eine verbesserte Festigkeit zu haben, aber weniger wünschenswert sein, aus Kostengründen eine Zone mit erhöhter Faserbeschickung in einem inneren Abschnitt oder Kern der Graphitelektrode oder eines solchen Stifts zu haben. In diesem Fall kann der Gegenstand durch Koextrusion gebildet werden, wobei zwei Extrusionsrohre koaxial eines um das andere angeordnet sind.
In einer Koextrusionsausführungsform zur Herstellung einer Elektrode mit erhöhter Faserbeschickung in einem äußeren Abschnitt im Vergleich zum Kern der Elektrode wird eine erste Stammmischung mit mindestens 1 Gew.-% Fasern hergestellt und durch das äußere Extrusionsrohr einer Koextrusionsvorrichtung extrudiert, sowie eine zweite Stammmischung, die mit mindestens 25% weniger Faserbeschickung (oder noch weiter bevorzugt keinen Fasern) hergestellt und durch das zentrale Extrusionsrohr der Extrusionsvorrichtung extrudiert wird. Auf diese Weise hat der extrudierte Körper eine ausgeprägte Zone von mehr Fasern im äußeren Abschnitt und eine ausgeprägte Zone von weniger (oder keinen) Fasern im Kern oder in der inneren Zone.
In einer anderen Ausführungsform, die besonders nützlich ist, wenn der Körper durch Heißpressen gebildet (oder geformt) wird, werden mehrere Heißpress-Stammgemische in die Form eingebracht, wobei jeweils eine ausgeprägte Zone im Endkörper gebildet wird. Zum Beispiel wird im Fall der Faserbeschickung eine erste Heißpress-Stammmischung mit mindestens 1 Gew.-% Fasern und eine zweite Heißpress-Stammmischung mit mindestens 25% weniger Faserbeschickung oder gar keinen Fasern hergestellt. Diese beiden Heißpress-Stammmischungen können dann in die Heißpressform einer speziellen Reihenfolge, speziellen Bereichen und/oder Mengen zugeführt werden, um die gewünschten Zonen zu erzeugen. Als Beispiel kann es wünschenswert sein, eine höhere Faserbeschickung in den Bereichen einer Graphitelektrode oder von solchen Stiften zu haben, wo es Gewinde gibt, d. h. den Endpositionen oder Enden des Gegenstands, weil sie Bereiche mit hoher Beanspruchung sind, wo eine größere Festigkeit wünschenswert ist. In dieser Situation wird eine Heißpress-Stammmischung mit mindestens 1 Gew.-% Fasern zuerst der Form zugeführt, um einen ersten Endabschnitt des Gegenstands zu bilden; eine Heißpress-Stammmischung mit mindestens 25% weniger Faserbeschickung oder gar keinen Fasern wird als Nächstes in die Form gegeben, um den zentralen Abschnitt des Gegenstands zu bilden; eine Heißpress-Stammmischung mit mindestens 1 Gew.-% Fasern wird als Nächstes in die Form gegeben, um einen zweiten Endabschnitt des Gegenstands zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann ein Separator zwischen die Zonen in der Form vor der Anwendung von Wärme und Druck gegeben werden und dann entfernt werden, um unter Anwendung von Wärme und Druck einen einheitlichen Gegenstand zu bilden.
Auf diese Weise kann ein kastengünstiger Kohlenstoffgegenstand, wie beispielsweise eine Graphitelektrode oder ein solcher Stift, hergestellt werden, der ausgeprägte Bereiche oder Zonen mit Merkmalen hat, die sich von anderen Regionen oder Zonen unterscheiden, um einen Gegenstand zur Verfügung zu stellen, der den thermischen und mechanischen Beanspruchungen, denen er zum Beispiel in einem Elektrolichtbogenofen ausgesetzt ist, im Vergleich zu im Fachgebiet üblichen Gegenständen besser zu widerstehen, während die kommerzielle Realisierbarkeit der Herstellung der vorliegenden Graphitelektroden beibehalten wird.
1 ist eine Ansicht einer Elektrode gemäß der vorliegenden Beschreibung und zeigt die inneren Muffen an den Enden der Elektrode.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Elektrode 12 zwei (2) Endabschnitte 14, von denen jeder einen Abschnitt einer Elektrode aufweist, die üblicherweise als Endfläche bekannt ist. Wie in dem Ausschnitt in 1 gezeigt ist, umfasst jeder Abschnitt 14 eine Muffe 16. Die Muffe 16 weist Gewinde 18 auf. Die Gewinde 18 können als vollständig festsitzende Gewinde oder teilweise festsitzende Gewinde konstruiert sein. Wie weiter in 1 veranschaulicht, weist jeder Abschnitt 14 eine Kohlenstofffasermenge auf. Die Fasermenge im Abschnitt 14 reicht vorzugsweise aus, um die Festigkeit der Elektrode in diesem Abschnitt zu erhöhen. Außerdem umfasst die Elektrode 12 einen nicht terminalen oder zentralen Abschnitt 10. Die Kohlenstofffaserkonzentration im Abschnitt 10 entspricht mindestens einem, vorzugsweise beiden, Abschnitten 14. Vorzugsweise reicht die Fasermenge im Abschnitt 10 nicht aus, um die Festigkeit des Abschnitts 10 zu erhöhen. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Faserkonzentration im Abschnitt 10 minimal bzw. in Spuren vorliegen und weiterhin weitgehend frei von solchen Fasern sein. Die hier gezeigte Ausführungsform ist nicht auf bestimmte genaue Größen der Abschnitte 14 und/oder des Abschnitts 10 beschränkt. Die genauen Größen dieser Abschnitte 14, 14 und 10 können wie gewünscht variiert werden.
Die Offenbarungen aller angegebenen Patente und Veröffentlichungen, auf die in dieser Anmeldung Bezug genommen werden, sind hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen. Die obigen Prozentangaben im Hinblick auf die Konzentration sind Gewichtsprozente, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben.
Die obige Beschreibung soll den Fachmann in die Lage versetzen, die Offenbarung auszuführen. Es ist nicht beabsichtigt, alle möglichen Variationen und Modifikationen, die dem Fachmann beim Lesen der Beschreibung offensichtlich werden, im Detail anzugeben. Es ist allerdings beabsichtigt, dass all diese Modifikationen und Variationen im Umfang der Offenbarung, die durch die folgenden Ansprüche definiert wird, enthalten sind. Die Ansprüche sollen die angegebenen Elemente und Schritte in jeder Anordnung oder Folge abdecken, die wirksam ist, um die für die Offenbarung beabsichtigten Ziele zu erfüllen, wenn der Kontext nicht speziell Gegensätzliches angibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2004/020185 [0027]
US 4005183 [0027]
US 6280663 [0027]

Claims

Monolithische Graphitelektrode, umfassend eine erste und zweite Endposition und einen nicht terminalen Körperabschnitt, eine erste Zone, die sich an der ersten Endposition der Elektrode befindet, und eine zweite Zone, die sich am nicht terminalen Körperabschnitt der Elektrode befindet, wobei die erste Zone eine Kohlenstofffaserkonzentration aufweist, die größer als eine Kohlenstofffaserkonzentration in der zweiten Zone ist, wobei die Faserkonzentration in der ersten Zone ausreicht, um die Festigkeit der Elektrode an der ersten Endposition zu erhöhen, und die Faserkonzentration im nicht terminalen Köperabschnitt nicht ausreicht, um die Festigkeit der Elektrode des nicht terminalen Körperabschnitts der Elektrode zu erhöhen.
Elektrode nach Anspruch 1, weiter umfassend eine dritte Zone an der zweiten Endposition der Elektrode, wobei die dritte Zone eine Kohlenstofffaserkonzentration hat, die größer als eine Kohlenstofffaserkonzentration in der zweiten Zone ist, wobei die Faserkonzentration in der dritten Zone ausreicht, um die Festigkeit der Elektrode an der zweiten Endposition zu erhöhen.
Elektrode nach Anspruch 1, weiter umfassend eine dritte Zone an der zweiten Endposition der Elektrode, wobei die dritte Zone eine Kohlenstofffaserkonzentration aufweist, die ausreicht, um die Festigkeit der Elektrode an der zweiten Endposition zu erhöhen.
Elektrode nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Faserkonzentration in der ersten und dritten Zone 1 Gew.-% bis 10 Gew.-% umfasst.
Elektrode nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, wobei die Kohlenstofffaserkonzentration in der zweiten Zone mindestens 20% weniger als die Kohlenstofffaserkonzentration in der ersten oder dritten Zone umfasst.
Graphitelektrode, umfassend mindestens drei Zonen, wobei eine erste eine erste Muffe der Elektrode umfasst, eine zweite Zone einen zentralen Abschnitt der Elektrode aufweist und eine dritte Zone eine zweite Muffe der Elektrode beinhaltet, wobei die erste Zone eine Kohlenstofffaserkonzentration aufweist, die größer als eine Kohlenstofffaserkonzentration in der zweiten Zone ist, wobei die Faserkonzentration in der ersten Zone ausreicht, um die Festigkeit der Elektrode in der ersten Zone zu erhöhen, eine Faserkonzentration in der zweiten mindestens 20% weniger als in der ersten Zone ist.
Graphitelektrode nach Anspruch 6, wobei die Faserkonzentration in der zweiten eine ungenügende Menge umfasst, um die Festigkeit der Elektrode in der zweiten Zone zu erhöhen.
Graphitelektrode nach Anspruch 6 oder 7, weiter umfassend eine Kohlenstofffaserkonzentration in der dritten Zone, die ausreicht, um die Festigkeit der Elektrode in der dritten Zone zu erhöhen.