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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Pin zum Verbinden von Kohleelektroden
und ein Verfahren zur Herstellung des Pins gemäß der Erfindung. Spezieller
betrifft die Erfindung einen Pin zum Verbinden von Kohleelektroden,
wie Graphitelektroden, der durch Verarbeitung eines Gemischs aus
kalziniertem Koks, Pech und Kohlefasern, die von Mesophasenpech
abstammen, gebildet wird.
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Kohleelektroden,
besonders Graphitelektroden, werden in der Stahlindustrie verwendet,
um die Metalle und anderen Bestandteile, die verwendet werden, um
Stahl in elektrothermischen Schmelzöfen zu bilden, zu schmelzen.
Die Wärme,
die zum Schmelzen von Metallen erforderlich ist, wird dadurch erzeugt,
dass Strom durch eine Vielzahl an Elektroden, üblicherweise drei, geleitet
und ein Lichtbogen zwischen den Elektroden und dem Metall gebildet
wird. Stromstärken
höher als
100.000 Ampere werden oft verwendet. Die resultierende hohe Temperatur
schmilzt die Metalle und anderen Bestandteile. Im Allgemeinen bestehen
die Elektroden, die in Stahlschmelzöfen verwendet werden, jeweils
aus Elektrodensäulen,
das heißt,
einer Reihe einzelner Elektroden, die verbunden sind, um eine einzige
Säule zu
bilden. Auf diese Weise können,
wenn Elektroden während
des thermischen Verfahrens aufgebraucht werden, Ersatzelektroden
mit der Säule
verbunden werden, um die Länge
der Säule,
die sich in den Schmelzofen erstreckt, aufrechtzuerhalten.
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Im
Allgemeinen werden Elektroden über
einen Pin (manchmal als Nippel bezeichnet), der dazu fungiert, die
Enden benachbarter Elektroden zu verbinden, zu Säulen verbunden. Typischerweise
weist der Pin die Form gegenüberliegender
Außengewindeteile
auf, wobei mindestens ein Ende der Elektroden Innengewindeteile
umfasst, die geeignet sind, mit den Außengewindeteilen des Pins zusammenzupassen.
Somit werden, wenn jeder der gegenüberliegenden Außengewindeteile
eines Pins in die Innengewindeteile in die Enden von zwei Elektroden
eingeschraubt wird, diese Elektroden zu einer Elektrodensäule verbunden.
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Üblicherweise
werden die verbundenen Enden der aneinanderstoßenden Elektroden und der Pin
dazwischen im Fachgebiet als Verbindung bezeichnet.
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In
Anbetracht der extremen thermischen Beanspruchung, der die Verbindung
(und tatsächlich
die Elektrodensäule
als Ganzes) ausgesetzt ist, müssen
mechanische Faktoren, wie thermische Ausdehnung, sorgfältig abgestimmt
werden, um eine Beschädigung
oder Zerstörung
der Elektrodensäule
oder einzelnen Elektroden zu vermeiden. Zum Beispiel kann eine longitudinale
thermische Ausdehnung des Pins (d.h. entlang der Länge des
Pins/der Elektrode/der Elektrodensäule), besonders bei einer größeren Geschwindigkeit
als der der Elektroden, die Verbindung auseinanderzwingen, wobei
die Effektivität
der Elektrodensäule
verringert wird. Eine bestimmte Menge transversaler thermischer
Ausdehnung des Pins (d.h. quer über
den Durchmesser des Pins/der Elektrode/der Elektrodensäule) höher als
die der Elektroden kann wünschenswert
sein, um eine feste Verbindung zwischen Pin und Elektrode zu bilden;
falls jedoch die transversale thermische Ausdehnung des Pins die
der Elektrode sehr übersteigt,
kann eine Beschädigung
an der Elektrode in Form von Rissbildung oder Spaltung resultieren.
Wiederum kann dies zu einer verringerten Effektivität der Elektrodensäule oder
sogar zur Zerstörung
der Säule
führen,
falls die Beschädigung
so schwerwiegend ist, dass eine Verbindung misslingt. Somit ist
eine Kontrolle der thermischen Ausdehnung eines Pins, sowohl in
longitudinalen als auch transversalen Richtungen, von höchster Bedeutung.
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Es
hat Literaturhinweise auf die Verwendung von auf Mesophasenpech
basierenden Kohlefasern gegeben, um die spezifischen Eigenschaften
von Massengraphitprodukten, wie Elektroden, zu verbessern. Zum Beispiel
beschreibt Singer im
US-Patent
4,005,183 die Herstellung von auf Mesophasenpech basierenden
Fasern und erkärt,
dass diese Fasern aufgrund ihres geringen elektrischen Widerstands
als Füllstoff
bei der Herstellung von Graphitelektroden eingesetzt werden können. Im
Britischen Patent 1,526,809 an
Lewis und Singer werden 50 bis 80 Gew.-% Kohlefasern zu 20 bis 50
Gew.-% Pechbindemittel zugesetzt und dann extrudiert, wobei ein
Kohleprodukt gebildet wird, das graphitiert werden kann. Der resultierende
Gegenstand zeigt eine relativ geringe longitudinale thermische Ausdehnung.
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Im
US-Patent 4,998,709 versuchen
Griffin et al., die Probleme, die durch eine übermäßige longitudinale thermische
Ausdehnung der Elektrodenpins verursacht werden, dadurch anzugehen,
dass ein Graphitnippel (d.h. Pin) mit auf Mesophasenpech basierenden
Kohlefasern, die in dem Extrusionsgemisch eingeschlossen sind, hergestellt
wird. Die Kohlefasern, die von Griffin et al. verwendet werden,
weisen einen größeren Young-Modul
als 379 × 10
6 kPa (55 × 10
6 Pfund
pro Quadratzoll (psi)) auf und sind im Gemisch zu etwa 8 bis 20
Gewichtsprozent vorhanden. Das Gemisch wird extrudiert, gebacken
und dann für
etwa 5 bis 14 Tage graphitiert, um den Nippel herzustellen. Obgleich
Nippel, die durch das Verfahren von Griffin et al. hergestellt werden,
eine Abnahme im Koeffizienten der thermischen Ausdehnung (CTE) in
der longitudinalen Richtung zeigen, zeigen sie auch eine unerwünschte Zunahme
im CTE in der transversalen Richtung, eine Zunahme im elektrischen
Widerstand und eine Abnahme im Bruchmodul. Außerdem ist die Graphitierungszeit
gegenüber Zeiten,
die für
eine großtechnische
Herstellung vorteilhaft wären, äußerst lang.
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EP-A-0 453 073 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von Graphitnippeln, die zum Verbinden
von Graphitelektroden geeignet sind, aus einem Extrusionsgemisch,
das kalzinierten Koks und ein Bindemittel umfasst, wobei dem Extrusionsgemisch
vor der Extrusion Kohlefasern zugegeben werden.
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In
US-A-4,819,307 sind
ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodensubstrats, wobei das
Verfahren die Schritte Kneten eines Rohmaterialgemischs, das 30
bis 60 Gew.-% kurze Kohlefasern, 20 bis 50 Gew.-% Phenolharzbindemittel
und 20 bis 50 Gew.-% eines Formungszusatzstoffs umfasst, Extrudieren
des so gekneteten Rohmaterialgemischs und nach Pressformen des so
extrudierten Materials durch Walzen oder Stanzen Kalzinieren des
so pressgeformten Materials in einer inerten Atmosphäre und/oder
unter vermindertem Druck umfasst, und das Elektrodensubstrat, das
durch das vorstehend erwähnte
Verfahren hergestellt wird, offenbart.
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GB-A-1 548 046 stellt
ein Verfahren zur Herstellung von Kohleelektroden bereit, wobei
das Verfahren die Schritte umfasst:
Mischen von 100 Gewichtsteilen
eines kohlenstoffhaltigen Materials und 0,5–10 Gewichtsteilen nicht schmelzbarer
Fasern, 1–25
mm lang und 5–15 μm im Durchmesser,
wobei die nicht schmelzbaren Fasern durch Oxidieren organischer
Fasern erhalten werden, um mindestens die Oberfläche davon nicht schmelzbar
zu machen;
Vereinigen des so gebildeten Gemischs mit 15–40 Gewichtsteilen
Bindemittel;
Kneten der gesamten Masse;
Formen der so
gekneteten Masse zu ungesinterten Kohleelektroden; und
Backen
der ungesinterten Kohleelektroden bei einer ausreichend hohen Temperatur,
um sie dadurch zu karburieren, wobei die gewünschten Kohleelektroden hergestellt
werden.
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Was
gewünscht
wird, ist deshalb ein Pin zum Verbinden von Kohleelektroden, wobei
der Pin einen verringerten CTE in der longitudinalen Richtung im
Vergleich zu im Fachgebiet herkömmlichen
Pins aufweist, ohne den transversalen CTE oder den Widerstand und
das Bruchmodul zu opfern. Besonders wünschenswert ist solch ein Pin,
der durch ein Verfahren hergestellt wird, das nicht 5 Tage Graphitierung
erfordert. Es ist auch höchst
wünschenswert,
diese Eigenschaftsvorteile zu erreichen, ohne hohe Mengen teurer
Materialien zu verwenden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
von Pins zum Verbinden von Kohleelektroden bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung von Pins zum Verbinden von Kohleelektroden bereitzustellen,
wobei die Pins einen verringerten longitudinalen Koeffizienten der
thermischen Ausdehnung im Vergleich zu im Fachgebiet herkömmlichen
Pins aufweisen.
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Es
ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung von Pins zum Verbinden von Kohleelektroden bereitzustellen,
wobei die Pins einen verringerten longitudinalen Koeffizienten der
thermischen Ausdehnung im Vergleich zu im Fachgebiet herkömmlichen
Pins ohne wesentlichen Verlust des transversalen CTE oder Widerstands
aufweisen, während
auch das Bruchmodul zunimmt.
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Es
ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung von Pins zum Verbinden von Kohleelektroden bereitzustellen,
wobei die Pins einen verringerten longitudinalen Koeffizienten der
thermischen Ausdehnung im Vergleich zu im Fachgebiet herkömmlichen
Pins aufweisen, wobei das Verfahren wesentlich kürzere Graphitierungszeiten
als 5 Tage erfordert.
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Diese
Aufgaben und andere, die dem Fachmann nach Durchsicht der folgenden
Beschreibung deutlich werden werden, können dadurch erfüllt werden,
dass ein Verfahren zur Herstellung von Pins zum Verbinden von Kohleelektroden
bereitgestellt wird, wobei das Verfahren (a) Vereinigen von kalziniertem
Koks, einem flüssigen
Pechbindemittel und Kohlefasern, die aus Mesophasenpech abstammen,
um ein Pingrundwerkstoffgemisch zu bilden; (b) Extrudieren des Pingrundwerkstoffgemischs
zur Formung eines rohen Pingrundwerkstoffs; (c) Backen des rohen
Pingrundwerkstoffs zur Formung eines carburierten Pingrundwerkstoffs;
und (d) Graphitieren des carburierten Pingrundwerkstoffs durch Erhitzen
auf eine Temperatur von mindestens etwa 2500°C und sein Halten bei dieser
Temperatur für
nicht mehr als etwa 18 Stunden einschließt;
wobei die Kohlefasern
in einem Anteil von etwa 0,5 bis etwa 6 Gewichtsteilen Kohlefasern
pro 100 Gewichtsteile kalziniertem Koks vorhanden sind.
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Bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung
sind die Kohlefasern vorzugsweise in einem Anteil von etwa 0,5 bis
etwa 5 Gewichtsteilen Kohlefasern pro 100 Gewichtsteile kalziniertem
Koks oder zu etwa 0,4 bis etwa 4,0 Gew.-% der gesamten Mischungsbestandteile
vorhanden, weisen nach Graphitierung einen Young-Modul von nicht
mehr als etwa 275 × 106 kPa (40 × 106 psi),
einen mittleren Durchmesser von etwa 6 bis etwa 15 μm (Mikron)
und eine Länge
von etwa 0,42 cm bis etwa 2,54 cm (etwa 1/6 Inch bis etwa 1 Inch)
auf. Äußerst vorteilhaft
werden die Kohlefasern dem Pingrundwerkstoffgemisch als Bündel zugesetzt,
wobei jedes Bündel etwa
2000 bis etwa 20.000 Fasern enthält.
Das Backen des rohen Pingrundwerkstoffs findet vorzugsweise bei einer
Temperatur von bis zu etwa 700 bis etwa 1000°C in einer nicht oxidierenden
oder reduzierenden Umgebung statt und die Graphitierung erfolgt
stärker
bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 2500 bis etwa 3400°C.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung
von Pins, wie es in Anspruch 9 beschrieben ist, und Pins zum Verbinden
von Elektroden, wie sie in Anspruch 16 bis 22 beschrieben sind.
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Wie
vorstehend erwähnt,
können
Pins zum Verbinden von Graphitelektroden dadurch hergestellt werden,
dass erst kalzinierter Koks, Pech und auf Mesophasenpech basierende
Kohlefasern zu einem Pingrundwerkstoffgemisch vereinigt werden.
Spezieller wird zerdrückter,
nach Größe geordneter
und gemahlener kalzinierter Petrolkoks mit einem Steinkohlenteerpechbindemittel
gemischt, um das Gemisch zu bilden. Die Teilchengröße des kalzinierten
Koks wird gemäß dem Endeinsatz
der Elektrode ausgewählt
und liegt innerhalb der Erfahrung im Fachgebiet. Im Allgemeinen
werden in Graphitelektroden zur Verwendung bei der Verarbeitung
von Stahl Teilchen mit bis zu etwa 25 Millimetern (mm) im mittleren
Durchmesser im Gemisch eingesetzt. Andere Bestandteile, die in geringen
Anteilen in das Gemisch aufgenommen werden können, schließen Eisenoxide,
um eine Aufblähung
(die durch eine Freisetzung von Schwefel aus seiner Bindung mit
Kohlenstoff im Inneren der Koksteilchen verursacht wird) zu verhindern,
und Öle
oder andere Gleitmittel ein, um die Extrusion des Gemischs zu erleichtern.
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Im
Gemisch sind auch auf Mesophasenpech basierende Kohlefasern eingeschlossen.
Solche Fasern werden aus Pech hergestellt, das mindestens teilweise
in einen Flüssigkristall-
oder sogenannten Mesophasenzustand umgewandelt worden ist. Die verwendeten
Fasern sollten vorteilhafterweise einen Young-Modul (nach Karburierung)
von etwa 103 × 106 kPa (15 × 106 psi)
bis etwa 275 × 106 kPa (40 × 106 psi)
aufweisen. Sie weisen vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von
etwa 6 bis etwa 15 μm
(Mikron) und eine Zugfestigkeit von etwa 1379 × 103 kPa
bis etwa 2758 × 103 kPa (etwa 200 × 103 psi
bis etwa 400 × 103 psi) auf und sind durchschnittlich etwa
0,42 cm bis etwa 2,54 cm (etwa 1/6 Inch bis etwa 1 Inch) lang. Äußerst vorteilhaft werden
die Fasern zum Gemisch als Bündel
zugegeben, die zwischen etwa 2000 und etwa 20.000 Fasern pro Bündel enthalten,
die unter Verwendung einer Faserschlichtung verdichtet sind.
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Wie
erwähnt,
basieren die Kohlefasern, die im Gemisch einzuschließen sind,
auf Mesophasenpech. Mesophasenpech kann aus Rohstoffen wie schweren
aromatischen Erdölströmen, Ethylencrackerteeren, Steinkohlederivaten,
thermischen Erdölteeren,
flüssigen
Crackerrückständen und
druckbehandelten aromatischen Destillaten mit einem Siedebereich
von 340°C
bis etwa 525°C
hergestellt werden. Die Herstellung von Mesophasenpech ist zum Beispiel
im
US-Patent 4,017,327 von
Lewis et al. beschrieben. Typischerweise wird Mesophasenpech durch
Erhitzen des Rohstoffs in einer chemisch inerten Atmosphäre (wie
Stickstoff, Argon, Xenon, Helium oder dergleichen) auf eine Temperatur
von etwa 350°C
bis 500°C
gebildet. Ein chemisch inertes Gas kann unter Erhitzen durch den
Rohstoff hindurchperlen gelassen werden, um die Bildung von Mesophasenpech
zu erleichtern. Zur Herstellung von Kohlefasern sollte das Mesophasenpech
einen Erweichungspunkt, das heißt
den Punkt, bei dem das Mesophasenpech beginnt, sich zu Verformen,
von weniger als 400°C und üblicherweise
weniger als etwa 350°C
aufweisen. Falls das Pech einen höheren Erweichungspunkt aufweist,
ist die Bildung von Kohlefasern mit den gewünschten physikalischen Eigenschaften
schwierig.
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Sobald
das Mesophasenpech hergestellt ist, wird es durch bekannte Verfahren,
wie durch Schmelzspinnen, Zentrifugalspinnen, Blasspinnen oder andere
Verfahren, die dem Fachmann vertraut sein werden, zu Fäden des
gewünschten
Durchmessers versponnen. Das Spinnen erzeugt Kohlefasern, die zur
Verwendung beim Herstellen des Pins der vorliegenden Erfindung geeignet
sind. Die Fäden
werden dann bei einer Temperatur nicht höher als der Erweichungspunkt
des Pechs (aber üblicherweise über 250°C) für etwa 5
bis 60 Minuten wärmegehärtet, dann
bei äußerst hohen
Temperaturen in der Größenordnung
von bis zu etwa 1000°C und
höher und
in einigen Fällen
so hoch wie etwa 3000°C,
typischer etwa 1500°C
bis 1700°C
weiter behandelt, um die Fasern zu karburieren. Das Karburierungsverfahren
findet in einer inerten Atmosphäre,
wie Argongas, für
mindestens etwa 0,5 Minuten statt. Am häufigsten verwendet die Karburierung
Verweilzeiten zwischen etwa 1 und 25 Minuten. Die Fasern werden
dann in der Länge
geschnitten und zu Bündeln
geformt. Solche Fasern, die wie beschrieben gebündelt sind, sind im Handel
von der BP/Amoco Company in Alpharetta, Georgia und der Mitsubishi
Chemical Company in Tokyo, Japan erhältlich.
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Die
Kohlefasern sind im Gemisch in einem Anteil von etwa 0,5 bis etwa
6 Gewichtsteilen Kohlefasern pro 100 Gewichtsteile kalziniertem
Koks eingeschlossen. Am stärksten
bevorzugt sind die Fasern in einem Anteil von etwa 1,25 bis etwa
5 Gewichtsteilen Fasern pro 100 Gewichtsteile Koks vorhanden. Wurde
das Gemisch als Ganzes angeht, werden die Kohlefasern in einem Anteil
von etwa 1% bis weniger als etwa 5 Gew.-% aufgenommen.
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Nachdem
das Gemisch aus kalziniertem Koks, Pechbindemittel, Kohlefasern,
usw. hergestellt ist, wird der Pinkörper durch Extrusion durch
eine Düse
gebildet (oder geformt) oder in herkömmlichen Formungsformen geformt,
wobei das gebildet wird, was als roher Pingrundwerkstoff bezeichnet
wird. Das Formen, ob durch Extrusion oder Formgebung, wird bei einer
Temperatur in der Nähe
vom Erweichungspunkt des Pechs, üblicherweise
etwa 100°C
oder höher
durchgeführt.
Obgleich die Düse
oder Form den Pin in im Wesentlichen endgültiger Form und Größe bilden
kann, ist üblicherweise
eine maschinelle Bearbeitung des fertigen Pins nötig, allermindestens um Gewinde
bereitzustellen, die erforderlich sein können. Wie es offensichtlich
sein würde, werden
die Pins so dimensioniert, dass sie keinen größeren Durchmesser als den der
Elektroden, die zu einer Elektrodensäule zu verbinden sind, aufweisen.
Typischerweise weisen die Pins einen Durchmesser auf, der etwa 30%
bis etwa 60% des Durchmessers der Elektrode beträgt. Somit weisen die Pins für Elektroden,
deren Durchmesser zwischen etwa 38 und 76 cm (etwa 15 und 30 Inch)
variieren kann, einen Durchmesser von etwa 11,4 bis etwa 45,7 cm
(etwa 4,5 bis etwa 18 Inch) auf.
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Nach
Extrusion wird der rohe Pingrundwerkstoff durch Backen bei einer
Temperatur zwischen etwa 700°C
und etwa 1100°C,
stärker
bevorzugt zwischen etwa 800°C
und etwa 1000°C
wärmebehandelt,
um das Pechbindemittel zu festem Koks zu karburieren, wobei dem
Pin Formbeständigkeit,
hohe mechanische Festigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und verhältnismäßig geringer
elektrischer Widerstand gegeben wird. Der rohe Pingrundwerkstoff
wird in relativer Abwesenheit von Luft gebacken, um Oxidation zu
vermeiden. Das Backen sollte bei einer Rate von etwa 1°C bis etwa
5°C in der
Stunde bis zur Endtemperatur ausgeführt werden. Nach dem Backen
kann der Pin ein oder mehrere Male mit Steinkohlenteer oder Erdölpech oder
anderen in der Industrie bekannten Pecharten imprägniert werden,
um zusätzlichen
Pechkoks in irgendwelchen offenen Poren des Pins abzulagern. Jeder
Imprägnierung
folgt dann ein zusätzlicher
Backschritt.
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Nach
dem Backen wird der Pin, der in diesem Stadium als karburierter
Pingrundwerkstoff bezeichnet wird, dann graphitiert. Die Graphitierung
erfolgt durch Wärmebehandlung
bei einer Endtemperatur zwischen etwa 2500°C bis etwa 3400°C für eine Zeit,
die ausreicht, um zu veranlassen, dass die Kohlenstoffatome in dem
kalziniertem Koks und Pechkoksbindemittel aus einem schlecht geordneten
Zustand zur kristallinen Graphitstruktur umgewandelt werden. Vorteilhafterweise
wird die Graphitierung dadurch durchgeführt, dass der karburierte Pingrundwerkstoff
bei einer Temperatur von mindestens etwa 2700°C und noch vorteilhafter bei
einer Temperatur zwischen etwa 2700°C und etwa 3200°C gehalten
wird. Bei diesen hohen Temperaturen werden andere Elemente als Kohlenstoff
verflüchtigt
und entweichen als Dämpfe.
Die Zeit, die zur Aufrechterhaltung der Temperatur bei der Graphitierung
unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung erforderlich
ist, beträgt
nicht mehr als etwa 18 Stunden, in der Tat nicht mehr als etwa 12
Stunden. Vorzugsweise erfolgt die Graphitierung für etwa 1,5
bis etwa 8 Stunden.
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Wie
erwähnt
kann der fertige Pin, sobald die Graphitierung abgeschlossen ist,
zur Größe zugeschnitten
werden und dann maschinell bearbeitet oder auf andere Weise zu seiner
endgültigen
Bauform geformt werden. Typischerweise ist der Pin von der Mitte
zu einem der beiden Enden konisch, und dann werden Gewinde in eines
der beiden Enden des Pins gefräst,
um zu erlauben, dass sie mit den entsprechenden Gewinden in den
Enden der Kohleelektroden zusammenpassen, um die Elektrodensäule zu bilden.
In Anbetracht seiner Beschaffenheit erlaubt der Graphitpin eine
maschinelle Bearbeitung zu einem hohen Maß an Toleranz, wobei so eine
starke Verbindung zwischen Pin und Elektrode erlaubt wird.
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Die
in Einklang mit der vorliegenden Erfindung hergestellten Pins zeigen
eine wesentliche Verringerung im longitudinalen CTE im Vergleich
zu Pins, die ohne Kohlefasern hergestellt sind. Die Pins zeigen
eine Zunahme in der Biegefestigkeit (d.h. im Bruchmodul) und eine
Zunahme im Young-Modul, ohne eine gleichzeitige wesentliche Zunahme
im transversalen CTE oder spezifischen Widerstand, ohne die Anforderung
wirtschaftlich nachteiliger Graphitierungszeiten.
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Die
folgenden Beispiele werden vorgelegt, um die vorliegende Erfindung
weiter zu veranschaulichen und zu erläutern, und sollten in keinerlei
Beziehung als Beschränkung
gesehen werden. Sofern nichts anderes angegeben ist, sind alle Teile
und Prozente Gewichtsteile und -prozente und basieren auf dem Gewicht
des Produkts in dem besonderen Verarbeitungsstadium, das angegeben
ist.
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Beispiel I
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Ein
Versuch wurde unter Verwendung von Bündeln einer auf Mesophasenpech
basierenden Kohlefaser, die als Grade K 223-SE bezeichnet und von
der Mitsubishi Chemical Company in Tokyo, Japan erhalten wird, durchgeführt. Die
Fasern wiesen einen mittleren Durchmesser von 10 μm (Mikron),
einen Young-Modul von 207 × 106 kPa (30 × 106 psi)
und eine mittlere Zugfestigkeit von 2344 × 103 kPa
(340 × 103 psi) auf. Die Fasern wurden zu Bündeln von
etwa 12.000 Fasern mit einer Schlichtung verdichtet und auf Längen von
6,35 mm (1/4 Inch) zugeschnitten.
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Die
Faserbündel
wurden in einem Zylindermischer mit kalzinierten Koksteilchen und
Steinkohlenteerbindemittelpech gemischt. Das Gemisch enthielt 4,5
Gewichtsteile Kohlefasern pro 100 Gewichtsteile kalziniertem Koks
pro 32 Gewichtsteile Pech. Etwa 1 Gewichtsteil Eisenoxid wurde zugesetzt,
um Koksaufblähung zu
verhindern, und etwa 1 Gewichtsteil Öl wurde als Extrusionshilfsmittel
zugesetzt. Der Gewichtsprozentsatz Fasern im Gesamtgemisch betrug
3,2%.
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Die
Bestandteile wurden für
etwa 1 Stunde während
Erhitzens auf bis zu etwa 160°C
gemischt und dann bei etwa 110°C
zu einem Pingrundwerkstoff mit 317 mm Durchmesser extrudiert. Der
Pingrundwerkstoff wurde bei 800°C
bei einer Rate von 2°C/Stunde
in einer vor Luft geschützten
Atmosphäre
gebacken und dann mit Pech imprägniert
und erneut bei 800°C
gebacken, gefolgt von einer zweiten Imprägnierung und erneutem Backen.
Der karburierte Pingrundwerkstoff wurde dann in einem Graphitierungsofen
auf etwa 2700°C
erhitzt und für
etwa 5 Stunden über
etwa 2700°C
gehalten.
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Als
Kontrolle wurde Pingrundwerkstoff in der gleichen Weise mit den
gleichen Bestandteilen und Verarbeitungsparametern, aber ohne Zusatz
irgendwelcher Kohlefasern gebildet.
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Die
für den
Pingrundwerkstoff mit und ohne Fasern erhaltenen Graphiteigenschaften
sind in Tabelle I zusammengefasst. Tabelle I
| | Pingrundwerkstoff
mit Fasern (3,2%) | Pingrundwerkstoff
ohne Fasern |
| Longitudinaler
CTE/°C (von
30–110°C) | –1,8 × 10–7 | 0,8 × 10–7 |
| Transversaler
CTE/°C (von
30–110°C) | 18,9 × 10–7 | 18,8 × 10–7 |
| Biegefestigkeit
(MPa) | 24,9 | 22,3 |
| Young-Modul
(GPa) | 19,6 | 16,9 |
| Spezifischer
Widerstand (Mikroohmmeter) | 3,74 | 3,67 |
| Dichte
(g/ccm3) | 1,624 | 1,650 |
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Wie
gesehen werden kann, führte
der Zusatz von 3,2 Gew.-% Kohlefasern zu einer wesentlichen Verringerung
im longitudinalen CTE und einer Zunahme in der Biegefestigkeit mit
keiner wesentlichen Beeinträchtigung
des transversalen CTE oder des spezifischen Widerstands.
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Beispiel II
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Ein
Versuch wurde unter Verwendung von Bündeln von auf Mesophasenpech
basierender Kohlefaser, die als Thornel Carbon Fibers, Grade GPX
bezeichnet wird und von der BP/Amoco Company in Alpharetta, Georgia
erhalten wird, durchgeführt.
Die Fasern wiesen einen mittleren Durchmesser von 11 μm (Mikron),
einen Young-Modul von 158 × 106 kPa (23 × 106 psi)
und eine mittlere Zugfestigkeit von 1462 × 103 kPa
(212 × 103 psi) auf. Die Fasern wurden zu Bündeln von
etwa 4000 Fasern mit einer Schlichtung verdichtet und zu Längen von
6,35 mm (1/4 Inch) zugeschnitten.
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Die
Faserbündel
wurden in einem Zylindermischer mit kalzinierten Koksteilchen und
Steinkohlenteerbindemittelpech gemischt. Das Gemisch enthielt 2
Gewichtsteile Kohlefasern pro 100 Gewichtsteile kalziniertem Koks
pro 32 Gewichtsteile Pech. Etwa 1 Gewichtsteil Eisenoxid wurde zugesetzt,
um Koksaufblähung
zu verhindern, und etwa 1 Gewichtsteil Öl wurde als Extrusionshilfsmittel
zugesetzt. Der Gewichtsprozentsatz Fasern im Gesamtgemisch betrug
1,5%.
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Das
Gemisch wurde etwa 1 Stunde während
Erhitzens auf bis zu etwa 160°C
gemischt und dann bei etwa 110°C
zu einem Pingrundwerkstoff mit 150 mm Durchmesser extrudiert. Der
Pingrundwerkstoff wurde bei 800°C
bei einer Rate von 2°C/Stunde
in einer vor Luft geschützten
Atmosphäre
gebacken und dann mit Pech imprägniert
und erneut bei 800°C
gebacken, gefolgt von einer zweiten Imprägnierung und erneutem Backen. Der
karburierte Pingrundwerkstoff wurde dann in einem Graphitierungsofen
auf etwa 3000°C
erhitzt und für etwa
1 Stunde bei etwa 3000°C
gehalten.
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Als
Kontrolle wurde Pingrundwerkstoff in der gleichen Weise mit den
gleichen Bestandteilen und Verarbeitungsparametern, aber ohne Zusatz
irgendwelcher Kohlefasern gebildet.
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Die
Graphiteigenschaften für
den erhaltenen Pingrundwerkstoff mit und ohne Fasern sind in Tabelle
II zusammengefasst. Tabelle II
| | Pingrundwerkstoff
mit Faseranteilen (1,5%) | Kontrollpingrundwerkstoff |
| Longitudinaler
CTE/°C (von
30–110°C) | –0,5 × 10–7 | 0,9 × 10–7 |
| Transversaler
CTE/°C (von
30–110°C) | 172 × 10–7 | 17,7 × 10–7 |
| Biegefestigkeit
(MPa) ((psi)) | 23,23
(3369) | 20,76
(3011) |
| Young-Modul
(kPa) ((psi)) | 17,03
(2,47) | 15,93
(2,31) |
| Spezifischer
Widerstand (Mikroohmmeter) | 4,88 | 4,89 |
| Dichte
(g/ccm3) | 1,76 | 1,78 |
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Es
ist offensichtlich, dass sogar Kohlefaseranteile von 1,5 Gew.-%
zu einem geringeren longitudinalen und transversalen CTE und einer
erhöhten
Festigkeit des Pingrundwerkstoffs führen, ohne die anderen Eigenschaften
wesentlich zu beeinflussen.
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Die
vorstehende Beschreibung soll den Fachmann befähigen, die Erfindung zu praktizieren.
Es ist nicht beabsichtigt, alle möglichen Variationen und Modifikationen,
die der erfahrenen Kraft nach dem Lesen der Beschreibung deutlich
werden werden, genau zu beschreiben. Es ist jedoch beabsichtigt,
dass alle solche Modifikationen und Variationen im Rahmen der Erfindung
eingeschlossen sind, die durch die folgenden Ansprüche definiert
ist. Die Ansprüche
sollen die angegebenen Elemente und Schritte in einer beliebigen
Anordnung oder Reihenfolge, die wirksam ist, um die für die Erfindung
beabsichtigten Aufgaben zu erfüllen,
abdecken, sofern der Zusammenhang nicht speziell das Gegenteil angibt.