DE2054716A1

DE2054716A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Pressen von Kohlenstoff und/oder Graphitzusammen Setzungen

Info

Publication number: DE2054716A1
Application number: DE19702054716
Authority: DE
Inventors: Leslie Harrisville Louiston N.Y. Juel (V.St.A.). P
Original assignee: SGL Carbon Corp
Current assignee: SGL Carbon Corp
Priority date: 1969-11-07
Filing date: 1970-11-06
Publication date: 1971-07-08
Also published as: CA928913A; GB1324029A; FR2069122A5; US3676535A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Pressen von Kohlenstoff und/oder von Graphitzusammensetzungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um ein extrudierbares Material oder eine Zusammensetzung während der Extrusion einer hohen Arbeitsbelastung auszusetzen. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren, um die Orientierung von nadeiförmigen Teilchen in einem extrudierbaren oder preßbaren Material oder eine Zusammensetzung zu kontrollieren, um so die Eigenschaften des extrudierten Produktes zu regulieren. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Produktion und Herstellung von Kohlenstoff- und Graphitprodukten und eine Speialvorrichtung, die zur Durchführung einer der Produktions- und Herstellungsstufen, d.h. der Extrusionsstufe, besonders nützlich ist.

Bei den bekannten oder üblichen Extrusionsarten von grünen Kohlenstoffkörpern wie Elektroden aus Mischungen von Kohlenetoff- und/oder Graphitteilohen und einem Bindemittel wie Peoh wird die Mieohung im wesentlichen einer kontinuierlichen Verkleinerung bzw. Verminderung bzw.

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Reduktion in einer sich τerjungenden form oder in einem formsystem unterworfen, das direkt mit dem Sehlammzylinder der Presse verbanden ist. Bei der Herstellung bestimmter Graphitelektroden für Stahlhochöfen and bei der Herstellung anderer Graphitprodukte wie von Anoden für SalzelektroIyβen und Graphit für Kernreaktoren sind ein hoher Prozentgehalt der Kohlenstoff- und/oder Graphitteilchen, die bei den Mischungen verwendet werden, häufig acicular oder nadeiförmig geformt. Extrudiert man in einem bekannten formsystem, so ist das Reduktionsyerhältnis, d.h. das Verhältnis der Querschnittsfläche der Sehlammkammer zu der Querschnittsfläche des zu extradierenden Produktes häufig so groS, daf im wesentlichen alle nadelartigen Teilchen am Ende so angeordnet sind, daß ihre Achsen parallel zu der des Produktes liegen. Dies führt zu einem Graphitprodukt, mit einen relativ hohen thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) in der Richtung bzw. den Sichtungen senkrecht su der Extrusionsriehtung im Vergleich mit der parallelen Richtung und als folge davon au einem Graphitprodukt, das bei der bestimmten Verwendung, bei der es eingesetzt wird, keine optimale Wirkung zeigt, wie beispielsweise Graphitelektroden in einem modernen ultrahochleistungsfähigen elektrischen Stahlofen, bei dem der thermische Schock und die thermischen Beanspruchungsbedingungen besondere hoch sind.

Um die Ausrichtung oder Orientierung der nadeiförmigen feilohen in der fertigen Graphitelektrode se weit zu kontrollleren, wie ea erforderlich oder gewünscht ist, wenn man tint bekannt· Extrusionspresse verwendet, die ansatzweise arbeitet und mit einer einsigen konvergierenden bzw. sich verjüngenden form verbunden 1st, müßte der Grad der Redaktion während der Extrusion oder, in anderen Worten, das Verhältnis der Querschnittflache dee SchlammiylInders der Presse sa der Qmerschnlttfläohe des Produktes so klein sein, besonder· im falle von Elektroden mit großem Durohmesser, daß aus einer Charge,

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die man in der Presse füllt, nur ein und ein kleiner Teil einer Form extrudiert werden könnte. Dies würde bedeuten, daß der Extrusionsvorgang wesentlich häufiger unterbrochen werden müßte, als wenn man eine konvergierende Form mit hohem Reduktionsgrad anwendet, und daß mindestens jede zweite extrudierte Elektrode sogenannte gemischte Ansätze enthielte (batch interface), die dadurch gebildet werden, daß man zwei aufeinanderfolgende Ansätze oder Chargen in die Presse gibt. Solche Mischchargen verursachen oft beim Verarbeiten Probleme, besonders wenn der Reduktionsgrad während der Extrusion gering ist, da sie dazu neigen, während des nachfolgenden Verarbeitens vorhanden zu bleiben, und da sie potentielle schwache Bereiche bzw. Weichbereiche und Spannungsanhäufung bzw. Druckansammlung geben.

Eine übliche Extrusionspresse mit einem großen Schlammzylinder erlaubt wegen der großen Querschnittsfläche, die durch die Querschnittsfläche der Elektrode, die extrudiert wird, bedingt ist, die Extrusion von mehr als einer Elektrode aus einer gegebenen Charge und vermindert somit die Probleme, die durch vermischte Ansätze zwischen den Chargen auftreten. Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß der Freiheitsgrad über die Kornorientierungskontrolle in dem extrudierten Produkt vermindert wird, da ein hoher Reduktionsgrad im wesentlichen zu einer vollständigen axialen Anordnung der Teilchen führt.

Auch sind viele der bekannten Pressen der Kipp- bzw. Schwenkart und mit ihnen ist eine vertikale Stampfvorrichtung verbunden. Um in dem Bndprodukt eine hohe Dichte zu erhalten, ist ein Stampfdruck, der höher ist als der Extrusionsdruck, günstig. In solchen Fällen ist, um die Mischung einzusetzen, ein separater Mechanismus für den hohen Stampfdruck erforderlich, sonst wäre das Stampfen auf den normalen Extrusionsdruck des einfachen Formsystems beschränkt,da,wenn dieser Druck Über-

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schritten würde, wenn sich der Preßzylinder in der vertikalen Richtung befindet, die zum Einfüllen und Stampfen erforderlich ist, das Material anfangen würde zu extrudieren.

Verschiedene Versuche wurden gemacht, um Extrusionsmethoden und Vorrichtungen zu entwerfen, die einige der Ziele und Aufgaben der vorliegenden Erfindung erfüllen, wie die Kontrolle des transversalen zu dem parallelen oder longitudinalen (T/L) Verhältnis der CTE der hergestellten Körper, und in der US-Patentschrift 3 350 485 wird ein Versuch dieser Art beschrieben. Appendix VI (Seiten 167 - 172) von "Technical Documentary Report No. WADD TR 61-72, Band XLII*¹ beschreibt eine andere verwandte Entwicklung. Jedoch unterscheiden sich die Techniken und Lösungen, die in diesen Druckschriften offenbart werden, wesentlich von den Methoden und Vorrichtungen» die in der vorliegenden Erfindung entwickelt und verwendet werden.

Ein weiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, Mittel und Verfahren zu sohaffen, um extrudierbare Materialien, während sie extrudiert werden, einer hohen Arbeitsbelastung bzw. einem hohen Bearbeitungsgrad bzw. einem hohen Verformungsgrad (high degree of working) auszusetzen. Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, Mittel und ein Verfahren zum Extrudieren von Mischungen aus Kohlenstoff- und/oder Graphitteilchen und Bindemitteln zu schaffen, wobei die Mischung größerer Beanspruchung und besserer Konsolidierung bzw. Verdichtung unterworfen wird, als es im allgemeinen bei den bekannten Bxtrusionsverfahren üblich ist, und wobei die^ Struktur des kohlenstoffhaltigen (d.h. des gebackenen biw. getrockneten Kohlenstoffs oder Graphits) Stocks bcw. Gut·, der aus der Mischung hergestellt wurde, verbessert ist. Bin anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß man erhöhte Drucke beim Extrudieren derartiger Xohlenstoffmiechangen verwenden kann im Gegensatz zu denen, die bei den bekann-

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ten Formsystemen eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren, um die Orientierung der acicularen bzw. nadelfönnigen !Teilchen in einer Zusammensetzung während ihrer Extrusion zu kontrollieren, wodurch die Eigenschaften des extrudierten Produktes kontrolliert werden.

Ein weiteres und mehr spezifisches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, um die Orientierung von Koke- und/oder Graphitteilchen und einem Bindemittel in einer kohlenstoffhaltigen Mischung während der Extrusion zu kontrollieren, wodurch die gewünschten Eigenschaften in dem Endprodukt beeinflußt werden. Dieses letztere Ziel der vorliegenden Erfindung ist besonders anwendbar bei der Aufarbeitung von Koke- und/oder Graphitteilchen von hoher Qualität, d.h. zu Teilchen, von denen ein großer Teil eine nadelartige Struktur besitzt.

Die Erfindung hat sich ebenfalls die Aufgabe gestellt, die zuvor erwähnten Ziele zu erreichen, wenn man bekannte Schlammkammern mit ihrer Füllung verwendet, und ebenfalls, wenn man gewünschtenfalls auch noch kippartige Fressen, die mit einer Stampfvorrichtung verbunden sind, einsetzt.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß, wenn man eine kohlenstoffhaltige Mischung, die nadelartige Koks- und/oder Graphitteilchen und ein Bindemittel für Kohlenstoff enthält, in üblicher longitudinalerRiohtung durch eine Formpresse der vorliegenden Erfindung verarbeitet wird, die Anordnung der Teilchen im wesentlichen so geändert werden kann, daß das Verhältnis des transversalen zu dem longitudinalen durchschnittlichen Koeffizienten der thermischen Expansion des extrudierten Stocks nach dem Brennen baw. Backen und Graphitisieren vermindert wird im Vergleich zu dem, das für

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— ο —

eine axiale Anordnung charakteristisch ist. Graphitkörper mit solchen verminderten (T/L) CTE-Verhältnissen oder mit kontrollierten thermischen Expansionseigenschaften können mit Vorteil für Kernreaktοranwendnngen, wie es beispielsweise in der zuvor erwähnten US-Patentschrift 5 350 485 diskutiert ist, eingesetzt werden; sie können ebenfalls mit Vorteil als thermische Elektroden in elektrischen Stahlhochöfen und bei anderen Anwendungsbereichen eingesetzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde auch gefunden, daß kohlenstoffhaltiger Stock mit im allgemein verbesserter Struktur und typisch mit höherer Stärke, bedingt hauptsächlich durch die stärkere Beanspruchung der Mischung und die höheren Drucke, die beim Extrudieren eingesetzt werden, hergestellt werden kann, wenn man die erfindungsgemäßen Verfahrenstechniken und Vorrichtungen verwendet, selbst wenn die verwendete Form nicht spezifisch entwickelt wurde, um eine Änderung in den CTE-Eigenschaften zu bewirken, und selbst wenn wenig oder keine der Koks- und/oder Graphitteilehen, die in der Mischung verwendet werden, die verarbeitet werden soll, der "nadelartigen^M Art sind.

Die Formen, die man verwendet, um die zuvor erwähnten erfindungsgemäßen Aufgaben zu lösen, sind dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens drei Arbeitsbereiche aufweisen (wobei die Arbeitsbereiche bzw. Teile vorzugsweise koaxial angeordnet sind). Diese Arbeitsteile baw. Arbeitsbereiche enthalten eine erste konvergierende baw. sich verjüngende Sektion, dann eine divergierende Sektion und dann eine zweite konvergierende bzw. sich verjüngende Sektion. Unter»»Arbeite"-Bereioh biw. Sektion versteht man einen Bereich bzw. eine Sektion, die verschiedene Querschnitte innerhalb ihrer Länge beeltat in Gegensatz au einer Sektion, die in wesentlichen die gleiche Querschnitteflache aufweist. Das Material, das duroh eine solche Arbeitssektion geleitet wird, erleidet externe und innere Spannungen,

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die sich hauptsächlich in der Größe und der Richtung unterscheiden, verglichen mit einem Material, das durch eine Sektion mit im wesentlichen gleicher Querschnittsfläche geleitet wird.

Vorzugsweise sind die Reduktionsverhältnisse der Querschnittsflächen in jede der konvergierenden Sektionen zwischen ungefähr 1,25 "bis 1 und ungefähr 15 bis 1, und das Expansionsverhältnis der Querschnittsflächen in der divergierenden Sektion liegt zwischen ungefähr 1bis1,25 und ungefähr 1bis15. Bei der Herstellung der zylindrischen Produkte sind die Sektionen jeweils vorzugsweise auch dadurch gekennzeichnet, daß sie weiche innere Konturen besitzen und so geformt und entwickelt sind, daß der Querschnitt an jedem Ort der Sektionen kreisförmig ist. (Es wird jedoch später beschrieben werden, daß der Stock, der extrudiert wird, nicht an jeder Stelle einen kreisförmigen Querschnitt besitzen muß.) Es können auch Regionen oder Sektionen von im wesentlichen konstanten Querschnitten (d.h. eine im wesentlichen kreisförmige Sektion) vor oder nach einer oder mehreren Arbeitssektionen liegen, obgleich diese !Forderung von der speziellen Pormkontur innerhalb jeder Sektion abhängt und ebenfalls von der besonders spezifischen Aufgabe, die zu dem Zeitpunkt gelöst werden soll.

Die Dimensionen und Konturen der Arbeitssektionen der Form werden so eingestellt, daß die gewünschte verbesserte Struktur und die gewünschten verbesserten physikalischen Eigenschaften erhalten werden. Enthält die verwendete Mischung !Teilchen der "nadelartigen¹¹ Art, so sind diese Teilchen im wesentlichen parallel mit ihren Achsen zu der Achse des Extrusionsaylinders angeordnet, wenn sie aus der ersten konvergierenden Sektion austreten, welche direkt mit dem geraden zylindrischen Paß oder Schlammtopf der Extrusionspresse verbunden ist. Aus dieser Sektion tritt das

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-β- 2 O 5 /. 7.1 6

Material in den divergierenden Teil oder in die ^MBlas^M-(bubble)-Sektion des Formsystems, wo die individuellen Körnchen oder nadelartigen Teilchen gezwungen werden, eine solche Lage einzunehmen, daß ihre Achsen dazu neigen, in einer Ebene orientiert zu sein, die senkrecht zu der Axis oder Richtung der Extrusion steht. Das Material bewegt sich dann in die zweite konvergierende Sektion, wo die Bndorientierung der körnigen oder nadelartigen Teilchen erreicht wird, so daß im Durchschnitt der Neigungswinkel der Achsen der nadeiförmigen Teilchen, die als Ausgangsmaterial verwendet wurden, mit der Extrusionsaxis in solchem Zusammenhang stehen, daß die gewünschten CTE-Eigenschaften in dem Endprodukt erreicht werden. Wird eine Verminderung in de« T/l CTE-Verhältnis erwünscht, dann ist es nötig, daß das Reduktionsverhältnis der Querschnittsflächen des Stocks, der durch die zweite konvergierende Sektion durchgeht, geringer ist als das Redaktionsverhältnis in der ersten konvergierenden Sektion. Vorzugsweise wird in solchen Fällen das Querschnittsflächen-Reduktionsverhältnis in der ersten konvergierenden Sektion ungefähr 1,25 betragen und ungefähr 12mal so groß sein wie das Querschnittsflächen-Reduktionsverhältnis in der zweiten konvergierenden Sektion.

Die Querschnittsfläche, auf die die erste Sektion konvergiert bzw. sich verjüngt, wird im allgemeinen gleich oder geringer sein als die am Ende des Gesamtformsystems, so daß ein Stampfdruck verwendet werden kann, der höher iet als der, den man üblicherweise beim direkten Extrudieren durch ein einfaches Forssystea mit einer einfachen konvergierenden Sektion verwendet. Die Querschnittefläohe der divergierenden oder ^NBlasen^M-Sektion beträgt mit dem größten Durohmesser Mindestens ungefähr das 1,2-fache der Querschnittsfläche des Produktes am Ausgang der letzten konvergierenden Sektion, damit gewährleistet wird, daß die Form richtig funktioniert. Die

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Konturen der inneren Oberflächen der verschiedenen Sektionen des Formsystems sind variabel, aber im allgemeinen enthalten sie glatte Oberflächen, die allmählich kontinuierlich abnehmen oder zunehmen, abhängig, ob eine konvergierende oder divergierende Sektion vorliegt. Meistens wird die Querschnittsform des Materials, das extrudiert wird, an jedem Ort kreisförmig sein. Jedoch kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, daß die konvergierenden und/oder divergierenden Sektionen andere geometrische Konfigurationen besitzen oder möglich machen, um rechteckige, hexagonale oder ringförmige Querschnittsformen zu ergeben.

Die Gesamtlänge des Formsystems wird durch praktische Erwägungen bestimmt, obgleich der Entwurf der divergierenden oder Blasensektion und die Geschwindigkeit, mit der das Material, das extrudiert wird, da durchgeleitet wird, so ausgewählt werden soll, daß das Material, das aus der ersten konvergierenden Sektion austritt, nicht zu schnell durch die Blasensektion läuft, um deren Funktion nicht unwirksam za machen.

Keine Ablenkbleche bzw. Spritzfangbleche bzw. Verteilerplatten noch irgendwelche andere Arten von Hindernissen werden in das Formsystem gegeben mit Ausnahme eventuell eines Doms im Falle, wenn ein Material mit einea kreisförmigen Querschnitt extrudiert werden soll, und die erhöhte Beanspruchung der Mischung und/oder die Kontrolle der Anordnung der Teilchen (und demzufolge das Erreichen der gewünschten Eigenschaften) werden im wesentlichen nur durch die Kräfte erreicht, denen die Mischung durch die innere Konfiguration des Formsystems, das verwendet wird, unterworfen wird, und durch dit verschiedenen Sektionen davon.

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Eine beispielahafte Ausführungsform einer bevorzugten Formkonstruktion ist im Querschnitt in Figur 1 gezeigt. Diese figur zeigt ebenfalls die inneren Konturen der verschiedenen wesentlichen Sektionen der Form als auch Hilfvorrichtungen und/oder Sektionen, die in der Form verwendet werden.

Die Figur 2 zeigt Sektionskonturen ähnlich denjenigen, wie sie in Figur 1 gezeigt werden, von Formen, die von der vorliegenden Erfindung umfaßt werden. Figur 2 ist jedoch eher eine eohematisehe als eine Querschnittsansicht.

In Figur 1 ist die erste konvergierende Sektion bei A gezeigt,

bei

die divergierende oder Blasensektion^B und die zweite konvergierende Sektion bei C· Es ist erkenntlich, daß in der Sektion A die Formkontur kontinuierlich abnimmt und daß der Querschnitt zu jedem Zeitpunkt entlang der Längsachse einen Kreis ergibt (obgleich die Querschnittsfläche wechselt)» Das gleiche Merkmal gilt auch für die Sektionen B und C mit der Ausnahme, daß in der Sektion B die Kontur kegelstumpfförmig (frustoconical) ist und daß eine allmähliche Expansion anstelle einer Reduktion bzw. Verkleinerung auftritt.

Es soll bemerkt werden, daß die Beschreibungen der Sektionen A, B und C sich mehr auf die Kontoren der Formaektionen beziehen als auf die physikalischen Teile des FormsyetemB, wobei die letzteren nunmehr in Verbindung mit den Bezugazeichen der Zeichnung erläutert werden sollen. Die Mischung, die extrudiert werden soll, wird in eine zylindrische Kammer oder in einen "Schlammzylinder" 1 einer bekannten hydraulischen mechanischen Fresse gegeben. Die Mischung wird dann durch die Sektion A getrieben, indea man Kolbenkopf 2 bewegt, der mit einem mechanisch oder hyärsulisch arbeitenden Druckkolben 2a verbunden let. (Bine derartige Vorrichtung bus Durchtreiben der Mischung in die Formeektionen der Extruaionsformen der vorliegenden Erfindung

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wird im allgemeinen gegenüber anderen Vorrichtungen, wie einem schneckenartigen Extruder, bevorzugt. Bs soll jedoch bemerkt werden, daß nur ein Teil des Schlammzylinders gezeigt wird und daß der Druckkolben 2a und der Kolbenkopf 2 mit dem Ende ihres Anschlages nahe in der Richtung der konvergierenden Sektion A liegen« Die Presse endet mit dem Plansch 1a,der mit dem Plansch 3a αβφτοην ergierend en Glieds durch eine Ringklammer 4 verbunden ist. Der Plansch 3b des Gliedes 3 i3t mit dem Plansch 5a des Einlaßendes des Glieds 5 durch die Ringklammer 6 verbunden. Das Glied 5» das die Sektion B enthält, enthält ebenfalls eine Sektion von im wesentlichen konstanter Querschnittsfläche, deh. eine zylindrische Sektion an ihrem Ausgangsende. Der Plansch 5b am Ausgangsende des Glieds 5 ist mit dem Plansch 7a, dem Einlaßende des Glieds 7, durch eine Ringklammer 8 verbunden. Das Glied 7 bezeichnet die Sektion G, die von ihrem Einlaßende zu einer Sektion 7c konvergiert, die im wesentlichen an ihrem Ausgangsende eine konstante QuerschnittSektion besitzt, d.h. eine zylindrische Sektion.

Bs soll Jedoch bemerkt werden, daß die Glieder, die in der Pig. 1 die Sektionen zusammen verbinden, in Bezug auf die Anzahl der Glieder und der Klammern, die verwendet werden, variiert werden können, um die gewünschte Anordnung der Gesamtvorrichtung zu erhalten, wobei der besondere Weg, wie die Glieder in der Fig. 1 zusammen verbunden sind, nur zu Illustrationszwecken dient.

Die innere Konfiguration der ±» Querschnitt in Pig. 1 gezeigten Form wird schematisch in Fig. 2 wiederholt, wo die Diaenaionen vollständiger und weiter illustriert werden und wo Winkel und Kurven diskutiert werden, die als repräsentativ für die vorliegende Erfindung betrachtet werden.

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Die Pom der Figuren 1 und 2 wird bei der Herstellung eine« zylindrischen Graphitproduktes mit einem Durchmesser τοη 61,0 ca (24 inches) verwendet. Der "Sehlammzylinder" hat einen Durchmesser τοη 122 em (48 inches) (Durchmesser D^). Beim Passieren durch die Sektion A, die eine Länge I₁ τοη ungefähr 76,2 cm (30 inches) besitzt, wird der Durchmesser des Stocke auf ungefähr 43,2 cm (17 inches) (D₂) vermindert. Das Qmereehnittsfläehen-Reduktlonsverhältnie dieser besonderen Form beträgt deshalb «ungefähr 8t 1, was ungefähr dem _ maximalen Beduktionsverhältnis biw· Verkl einerungsverhältnis ▼ entspricht, d.h. 1511# das bei der ersten konvergierenden Sektion verwendet wird· Die divergierende Sektion B hat einen durchschnittlichen Divergenswinkel von ungefähr 25° (Winkel X) in Besag auf die Formachse, and der dadurch extrudierte Stock ändert seinen Durchmesser von ungefähr 43*2 cm bei seinem Einlafi auf ein Maximum von ungefähr 91«4 cm (36 inches) (D,) (als Qaersehnittsflächen-Expaneionsverhältnis von ungefähr 1s3fi) fiber eine Länge L₂ von ungefähr 50,8 cm (20 inches). (Der Winkel X liegt im allgemeinen «wischen ungefähr 15° und ungefähr 45°·) Der maximale Durchmesser von 91»4 cm (36 inches) wird während einer Entfernung von L. von ungefähr 30,5 cm (12 inches) in eine Sektion von im wesentlichen φ gleichem Querschnitt erhalten, d.h. einem eylindrisoh geformten feil des Glied» 5 (FIg* 1) bei seinem Auegaageende, bevor der Stock in die konvergierende Sektion 0 eintritt» worin sein Durchmesser D₅ von 91,4 cm (36 inches) auf ungefähr 61,0 ca (24 inohes) (Dj mit einem durchschnittlichen Redaktienswinkel (T) von 11 In Besag auf die Axis der Form geändert wird, während einer linearen Entfernung L^ von ungefähr 76,2 cm (30 inches), wonach der Durchmesser des Stocks konstant während einer Länge L₅ von ungefähr 76,2 om la Olled 7c bleibt. (DIo Yerwtndung einer Sektion von ie wesentlichen gleichem Querschnitt, d.h. einem iylindrischen, nach der swelton konvergierenden Sektion ist eine b«vorsagte Ausführmagsform dor vorliegenden Erfindung.) Die kenvergieren-

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de Sektion C besitzt ein Querschnittsflächen-Reduktionsverhältnis von ungefähr 1,56:1, das sich dem minimalen Reduktionsverhältnis, das in dieser Sektion verwendet wird, nähert. Es soll bemerkt werden, daß bei diesem besonderen Formentwurf oder Formsystem das Querschnittsflächen-Reduktionsverhältnis in der ersten konvergierenden Sektion ungefähr das 7-Fache des Querschnittsfläehen-Reduktionsverhältnisses in der zweiten konvergierenden Sektion beträgt.

Es soll ebenfalls bemerkt werden, daß der Durchmesser (D«) des Stocks 43,2 cm (17 inches), der die erste konvergierende Sektion dieser besonderen Form verläßt, geringer ist als der Durchmesser (D.) des Stocks (61,0 cm) (24 inohes), der die zweite konvergierende Sektion verläßt. Aus zuvor diskutierten Gründen ist dies eine bevorzugte Beziehung bei den erfindungsgemäßen Formen, d.h. der Durchmesser des Stocks, der die zweite konvergierende Sektion verläßt, ist größer als der (typischerweise mindestens ungefähr um das 1,2-Fache größer) oder mindestens gleich dem Durchmesser des Stocks, der die erste konvergierende Zone verläßt.

Ein anderes Formsystem, das von der vorliegenden Erfindung umfaßt wird und das besonders für die Herstellung von Stock mit großem Durchmesser geeignet ist, ohne daß es erforderlich ist, einen größeren Schlammzylinder und größere Extrusionspressen zn verwenden, ist eins, bei dem der maximale Durchmesser des Stocke in der divergierenden oder Blasensektion (oder der davon auegeht, wenn die Höhe der Divergenz in der Blaaenaektion ausreichend groß ist) höher ist als der Durchmesser des SchlaauBsylinders 1. Beispielsweise kann das Foreaystem einen Einlaß mit einem Durchmesser von 152 ca (60 inches) besitzen, und der Durchmesser des Stocks kann von 152 oh (60 inehe·) (O₁) auf 104 cm (41 inches) (D₂) in der konvergierenden Sektion A wechseln (ein Querechnittefläehen-Reduktioneverhältnis von ungefähr 2,1 ti) und in der

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divergierenden Sektion B auf 170 cm (67 inches) (D-) wechseln (ein Querschnittsflächen-Expansionsverhältnis von ungefähr 1,012,7), und schließlich kann er in der konvergierenden Sektion C auf 114 cm (45 inches) (D.) weehseln

(ein Querschnitteflächen-Reduktionsverhältnis von ungefähr 2,2H).

In einem solchen Formsystem ist der durchschnittliche Konvergenzwinkel in der Sektion A im allgemeinen kleiner ale der der Sektion A der Figuren 1 und 2, wenn nicht die Länge L₁ stark vermindert wird. Die divergierenden und konvergierenden Winkel (x und y), die in den Sektionen B und C verwendet werden, können im wesentlichen gleich sein wie die der Figuren 1 und 2, aber sie werden auch von den Dimensionen L₂ und L. der Form und den angegebenen Wechseln der Durchmesser, d.h. von 104 cm auf 170 cm und dann auf 114 cm (41 inches zu 67 inches und dann auf 45 inches) abhängen und damit in Beziehung stehen.

Ea soll ebenfalls bemerkt werden, daß in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Reduktionsgrad in der zweiten konvergierenden Sektion C geringfügig den Reduktionsgrad (oder das Reduktionsverhältnis in der Querschnittsfläche) der ersten konvergierenden Sektion tiberschreitet. Eine Form dieser besonderen Konfiguration, die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt, sollte nicht verwendet werden, um die Orientierungsart der nadelartigen Teilchen, wie sie zuvor beschrieben wurde, zu bewirken.

Andere Formsysteme und Konfigurationen können ebenfalle zur Durchführung der vorliegenden Erfindung und ana Erreichen der verschiedenen erfindungsgemäßen Aufgaben verwendet werden. Die zuvor beschriebenen Formsysteme sollen daher die Formkonfigurationen und -dimensionen, die bei der

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vorliegenden Erfindung verwendet werden können, nicht beschränken.

Beispielsweise können erfindungsgemäße Formsysteme vorteilhaft immer dann verwendet werden, wenn extrudierbares Material einem hohen Belastungsgrad ausgesetzt wird. In den meisten Fällen jedoch wird die minimale Querschnittsfläche des Stocks, der aus der zweiten konvergierenden Sektion austritt, mindestens 38,7 cm (six square inches) betragen. Extrudierter Stock, beispielsweise kohlenstoffhaltig, mit

ρ einer Querschnittsfläche zwischen ungefähr 580,6 cm und

ungefähr 19 350 cm² (ungefähr 90 und ungefähr 3000 square inches) ist typisch für erfindungsgemäß hergestellte Produkte.

Es soll bemerkt werden, daß es im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt und daß es manchmal vorteilhaft sein kann, eine andere foragebende Zone nach der zweiten konvergierenden Sektion zu verwenden. Solch eine formgebende Zone könnte eine erste divergierende Sektion und dann eine konvergierende Sektion enthalten, die ähnliche Eigenschaften besitzen wie die zuvor beschriebenen Sektionen B und C. Diesen Sektionen könnte ebenfalls eine Sektion von im wesentlichen konstantem Querschnitt folgen.

Eigenschaften graphitisierter Produkte, die durch erfindungsgemäße Formen ("Blasen bzw. Bubble") extrudlert wurden, werden mit graphitisieren Produkten oder "Vergleiohsprodukten^M, die nach bekannten Verfahren extrudiert wurden (beispielsweise outer Verwendung einer "Standard¹* einfachen konvergierenden Sektion) verglichen, und die Werte sind in der folgenden Tabelle angegeben. In den Beispielen 1 bis 6 enthielt das Kohlenstoffaggregat 45 Teile an Partikeln, die eine Größe aufwiesen, die einem Sieb mit einer lichten Maschenweit· von 6,68 bis gerade unter 0,833 mm entsprachen (Tyler screen eise von 3 mesh bis unter 20 mesh), und

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55 feile eines mehlfein gemahlenen Produktes auf eine Feinheit ron 55 1> durch ein Sieb mit einer lichten Maeehenweite von 0,074 mm (200 mesh). In den Beispielen 7 and θ enthielten die Kohlenetoffaggregate 45 ^ Teilchen, die im Bereich τοη 1,27 ca (1/2 inch) bis gerade unter feilchen «it einer Größe, die einem Sieb mit einer lichten Haschenweite τοη 0,833 mm entsprachen (20 mesh Teile) und 55 feile mehlfein gemahlenes Produkt, das die gleiche Feinheit wie in den Beispielen 1 bis 6 besaß. In jedem der Beispiele 1 bis 8 wurden die Kohlenstoffaggregate mit der angegebenen Anis ah1 von Bindeteilen (Kohlenteerpech) mit einem Erweichungspunkt von ungefähr 110⁰C vermischt, und dann wurden sie bei dem angegebenen Druck extrudiert. (Andere Bindemittel für Kohlenstoff, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen ein Harse, Teer, Petroleumpeche und Rückstände. Mischungen von Bindemittel können ebenfalls verwendet werden.) Die extrudierten Produkte wurden dann gebacken b«w. gebrannt und graphitislert (auf ungefähr 260O⁰C) unter den in der Technik üblichen Bedingungen.

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Tabelle

CD NO OO

Beispiel
Fora

Dimensionen
von D₁-D₃-D₁₅-D.
cm '^24

(inches)

Querschnittsflächen-ReduktionsTerhältni s

Art des Kokses

Menge an Bindemittel (Teile pro 100 Teile Koks)

Extrasionsdruck

kg/cm²
()

Standard

D-D₂ 122-61 (48-24)

nadeiförmig A

25,6

112 (1600)

Eigenschaften des Graphits

Anscheinende Dichte (g/ml) 1,61

Elektrischer Widerstand in der Längsrichtung
(ohm-inch χ 1O⁵) 27

CTE ⁰C (20-100⁰C)

L χ 1O₇ 3,0

T x 10' 18,1

Verhältnis T/L 6,0

Biegefestigkeit kg/cm

(pei) Hr. der Proben 8

Blase

₁D-D-D 122-45,2-91,4-61 (48-17-36-24)

nadeiförmig A

25,6

169
(2400)

1,63

28

5,0

16,0

3,2

Standard

D-D₂

(48-24)

nadeiförmig B

26,2

84,5 (1200)

1,61

31

4,1 16,4

4,0

4 Blase

125-36,8-7672-61 (48-14,6-30-24)

D /D₂ D₃Zd₄

18

nadeiförmig B

26,2

98,4 (1400)

1,61

34

8,7

14,5

1,7

, ⁶⁸?⁶ (975)

12

Tab ell β (Fort β et gang)

Beispiel
Form

Dimensionen
▼on D₁-D₃-D₃-D₄

cm
(inches)

Querschnittsflachen-Redaktionsverhältnis

Art des Kokses

Standard

102-50,8 (40-20)

nadelförmig C

Menge an Bindemittel (Teile pro 100 Teile Koks)

27,4

Extrusionsdruck

kg/cm² 112

(pei) (1600)

Eigenschaften des Graphits

Anscheinende Dichte

/ 1,57

Elektrischer Widerstand in der Längsriebtang

(ohm-inch χ 1Ο⁵)

CTB ⁰C (20-10O⁰C) I x KU T χ 10' Verhältnis T/L

Biegefestigkeit kgZem

Hr. der Proben

31

7,1

17,7

2,5

69,6 (990) 6
Hase

D₁-D₂-D₃-D₄

Standard

Blase D₁-D₂-D₃-D₄

102-30,5-76,2-50,8 152-114 152-104-170-114 (40-12-30-20) (60-45) (60-41-67-45)

11,1 2,25

nadelförmig
C

27,4

141
(2000)

1,59

31

8,5
16,0

1,9

56,2
(800)

₁
1,8

2,1

,2

nicht nadel- nicht nadelförmig förmig D D

22,7

7,03 (100)

1,67

18,2

21,7

1,2

58,4 (830)

22,7

24,6 (350)

1,67

36

16 23

1*4

66,8

(950)

25

Έθ soll bemerkt werden, daß in den Beispielen, bei denen nadelartiger Koks and erfindungsgemäße Formen verwendet wurden, die kleinere Querschnittsflächen-Reduktionsverhältnisse in der zweiten konvergierenden Sektion als in der ersten konvergierenden Sektion besaßen, d.h. die ⁿBla8en"-Formen der Beispiele 2, 4 und 6, die Ausrichtung der Teilchen erniedrigt wurde, ·ο daß das Verhältnis des transversalen zu dem longitudinalen durchschnittlichen KoeffiBienten der thermischen Expansion (T/L-Verhältnis) des Stocks nach dem Brennen und Graphitisieren verkleinert war im Vergleich mit dem, das für die axiale Ausrichtung charakteristisch ist (d.h. von dem, das man erhielt, wenn man eine "Standard^w-Extrusionsform verwendete wie in den Beispielen 1, 3 und 5)·

Im Falle des Beispiels β, bei dem ein nicht-nadelartiger Koks verwendet wurde,und eine Form, die ein größeres Querschnittsflächen-Reduktionsverhältnis in der zweiten konvergierenden Sektion als in der ersten konvergierenden Sektion besaß, wurde das T/L-Verhältnis des Stocks nach dem Brennen und Graphitisieren erhöht im Vergleich mit den charakteristischen Werten in der axialen Anordnung (Beispiel 7). Eine Form mit diesen besonderen Dimensionen (D₁-TB₂-D₃-D₄ wie 152-104-170-114 cm, d.h. 60-41-67-45 inches) ist daher zur Verminderung des T/L-Verhältnissee nicht geeignet. Wenn jedoch die Blasenformen der Beispiele 2, 4 und 6 verwendet werden, so kann eine solche Form eingesetzt werften, um die Teilchenorientierung zu kontrollieren; diese Formen sind geeignet, um das txtrudierbare Material, während es extrudiert wird, einer hohen Belastung auszusetzen} oder sie sind geeignet, ta "die Struktur des kohlenstoffhaltigen Stocks zu verbessern" auf solche Weise, daß dit Form es möglich macht, einen höheren Druck auf die kohlenstoffhaltige Mischung anzuwenden, wenn si· extrudiert wird, als wenn man «ine "Standard" oder bekannte Form verwendet, und

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dieses resultiert typischerweise in einem Produkt mit höherer Biegefestigkeit und niedriger elektrischer Widerstandsfähigkeit als bei einem "Standard"-Stockprodukt. Solch eine !Ora wird ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfaßt, da sie drei konvergierende, divergierende und konvergierende Sektionen in geeigneter Reihenfolge wie auch verschiedene andere vorher diskutierte Merkmale enthält.

Das erfindungsgemäße Formsystem wird auf gleiche Weise betrieben, wenn man mit üblichen bekannten Formen extrudiert. Wie zuvor angegeben, muß man jedoch Vorsicht walten lassen, um die Bedingungen so einzustellen, daß das Material in dem System gleichmäßig fließt und daß es nicht durch die Blasensektion durchrennt oder durchrinnt. Man muß auch besondere Vorsicht walten lassen, um die Betriebsvariablen, die die rheologischen Eigenschaften der Mischung bestimmen, genau su kontrollieren, um ein axial symmetrisches Flußschema durch das System zu gewährleisten,wie nacheinander folgende Chargen in das System eingefüllt werden. Eine Anzahl verschieden kontrollierter Heizschlangen müssen verwendet werden, die die verschiedenen Sektionen der Form umgeben, um diese Kontrolle zu erleichtern.

Die Mischung wird in die Sohlammkammer der Presse gefüllt und dann konsolidiert, indem man den Druckkolben in Gang bringt, bis das System gefüllt ist. (Um anzufangen, ist es nötig, das Ende des Ausgangs zu sperren, um zu bewirken, daß der Blasenteil des Formsystems vollkommen gefüllt ist.) Wenn die Form einmal gefüllt ist, kann die Extrusion auf übliche Weise vonstatten gehen.

Wie zuvor angegeben, neigen die Teilchen dazu, sich in der Schlammkammer der Fresse mit ihren Achsen senkrecht zu der Achse des Zylinders oder der Bewegungsrichtung zu orientleren, wenn man eine Mischung, die nadelartige Teilchen und ein

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Bindemittel aas Kohlenteerpech enthält and Formen, die die zuvor beschriebenen Merkmale enthalten, verwendet. Wenn die Mischung durch die konvergierende Form läuft, ordnen eich die nadelartigen Teilchen mit ihren Längsachsen gesa einsam parallel und parallel zu der Axis der Form. Wenn die Mischung in den divergierenden Teil der Blasensektion eintritt, neigen die nadelartigen Teilchen dazu, sich mit ihren Achsen mehr oder weniger senkrecht zu der Axis des Formsystem· anzuordnen. Schließlich, wenn die Mischung durch die letzte konvergierende Zone durchgeht, wird der gewünschte Neigungswinkel der nadelartigen Teilohenachsen in Bezug auf die Formaxis durch den verwendeten Verkleinerungsgrad erreicht.

Daher ist es ein Hauptzweck von vielen der Formen, die durch die vorliegende Erfindung umfaßt werden, die Kontrolle der Kornorientierung während der Extrusion zu ermöglichen, was bedeutet, daß man den thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) eine charakteristische Eigenschaft in dem Endgraphitprodukt kontrollieren kann. Es soll betont werden, daß die Größe oder Stärke der GTE-Elektrode abhängt von den OTE-Eigenschaftendes Rohmaterials und daß das Verhältnis des transversalen zu dem longitudinalen CTE nicht nur von dem Rohmaterial, sondern ebenfalls von den spezifischen Dimensionen der verschiedenen Sektionen des Blasenformsystems abhängt.

Offensichtlich können die Eigenschaften des Endprodukts durch geeignete Wahl der Rohmaterialien und der Dimensionen der Form fast unbegrenzt variiert werden. Wenn im wesentlichen kugelförmige (anstelle von nadeiförmigen) Teilchen verwendet werden, so ist das entstehende Produkt im wesentlichen isotrop oder fast so, aber es ist dem Produkt, das auf bekannte Weise extrudiert wurde, tiberlegen, da die Mischung stärkerer Belastung unterworfen worden war.

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Es soll betont werden, daß die erfindungagemäßen formen ebenfalls verwendet werden können, um Stock alt einer größeren Quersehnittsfläche herzustellen als die irgendeines besonders geformten Sehlaauezylinders, der zur Verfügung steht, und daß man für solche Zwecke Formen mit oder ohne nadelartigen Teilchenmischungen verwenden kann·

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Claims

Pat entanspriich e

Verfahren zum Extrudieren eines extrudierbaren Materials, bei dem das Material, während es extrudiert wird, einer höheren Arbeitsbeanspruchung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man das Material durch eine formgebende Form leitet, die mindestens drei Sektionen bzw. !Teile enthält, und zwar eine erste, sich verjüngende,bzw. konvergierende Sektion, dann eine divergierende Sektion und dann eine zweite, sich verjüngende bzw. konvergierende Sektion.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das extrudierbare Material Koks- oder G-raphitteilchen oder eine Mischung davon und ein Bindemittel für Kohlenstoff enthält.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koks- oder Gräphitteilchen nadeiförmig sind und daß das Beduktionsverhältnis bzw. das Verkleinerungsverhältnis der Querschnittsflächen des ^terials, das die zweite konvergierende Zone betritt und verläßt, geringer ist als das Verkleinerungsverhältnis bzw. das Reduktionsverhältnis in der ersten konvergierenden Zone.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsflächen-Reduktionsverhältnis in der ersten konvergierenden Sektion zwischen ungefähr 1,25 und ungefähr 12mal so groß ist wie das Querschnittsflächen-Reduktionsverhältnis in der zweiten konvergierenden Sektion.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsverhältnisse der Querschnittsflächen in jeder der konvergierenden Sektionen zwischen ungefähr 1,25 bis 1 und ungefähr 15»0 bis 1 liegen und wobei das Expansionsverhältnis der Querschnittsflächen

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in der divergierenden Sektion zwischen ungefähr 1 bis 1,25 und ungefähr 1 bis 15 beträgt.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, nachdem es durch die divergierende Sektion geleitet wurde, anschließend bevor es durch die zweite konvergierende Sektion geleitet wird, durch eine Sektion geleitet wird, die im wesentlichen einen konstanten Querschnitt besitzt.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material durch eine Sektion mit einem im wesentlichen konstanten Querschnitt geleitet wird, nachdem es durch die zweite konvergierende Sektion geleitet wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung, nachdem sie durch die Sektion mit ia wesentlichen konstantem Querschnitt nach der zweiten konvergierenden Sektion geleitet wurde, durch eine andere formgebungszone geleitet wird, die erst eine divergierende Sektion und dann eine konvergierende Sektion enthält.
9· Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche Divergenxwinkel in der divergierenden Sektion zwischen ungefähr und ungefähr 45° liegt in Bezug auf die Formachse.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Materials, dts extrudiert wird, an jeder Stelle in jeder der Sektionen kreisförmig ist.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des

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Materials, das aus der ersten konvergierenden Sektion austritt, gleich ist oder geringer als die Querschnittsfläche ies Materials, das aus der zweiten konvergierenden Sektion austritt.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Querschnittsfläche des Materials, das aus der zweiten konvergierenden Sektion austritt, mindestens 38,7 cm" (six square inches) beträgt.

13· Eine formgebende Form für die Verwendung bei einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens drei Sektionen, eine erste konvergierende Sektion, dann eine divergierende Sektion und dann eine zweite konvergierende Sektion enthält.

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