JP2007534131A - 雄雌電極ジョイント - Google Patents

Abstract

雄突出部（２０）の、雄突出部の長さと電極直径の比として定義される突出部ファクターが少なくとも０．６０である、グラファイト電極ジョイント（１０）。

Description

本発明は、グラファイト電極の接合に使用する雄突出部(tang)に関し、とりわけグラファイト電極用の雄雌ジョイントに関する。より詳しくは、本発明は、雄雌電極ジョイントのための独特な設計、および接合部を形成する電極に関する。

グラファイト電極は、鋼工業において、鋼を形成するための金属および他の成分を電熱炉中で融解させるのに使用される。金属の融解に必要な熱は、複数、通常は３個の電極に電流を通し、電極と金属との間にアークを形成することにより発生させる。１００，０００アンペアを超える電流が使用されることが多い。得られる高温が金属および他の成分を融解させる。一般的に、鋼炉で使用する電極は、それぞれ電極カラム、すなわち一連の個別電極を接合して単一のカラムを形成したものからなる。この方法では、電極は熱製法中に消耗するので、交換電極をカラムに接合し、炉中に伸びるカラムの長さを維持することができる。

従来、電極は、隣接する電極の末端を接合するように機能するピン（ニップルと呼ばれることがある）を介して、カラムの中に接合される。典型的には、ピンは、対向する雄ネジ部分または突出部の形態を取り、電極の少なくとも一端は、ピンの雄ネジ部分と噛み合うことができる雌ネジ部分を含む。従って、ピンの対向する雄ネジ部分が、２本の電極の雌ネジ部分の中にねじ込まれると、これらの電極は一つの電極カラムに接合される。一般的に、隣接する電極の接合末端、およびそれらの電極間のピンは、当該分野ではジョイント（接合部）と呼ばれる。

あるいは、電極の一端に雄ネジ付き突起または突出部を機械加工し、他端に雌ネジ付きソケットを機械加工し、ある電極の雄突出部を第二の電極の雌ソケット中にねじ込むことにより、電極カラムを形成することもできる。そのような実施態様における２本の隣接する電極の接合された末端は、この分野では雄雌ジョイントと呼ばれる。

電極および接合部（および実際、電極カラム全体）に極端な熱的応力がかかるので、機械的／熱的ファクター、例えば強度、熱膨脹、および亀裂耐性、を慎重に釣り合わせ、電極カラムまたは個々の電極の損傷および破壊を回避しなければならない。例えば、電極の縦方向（すなわち電極／電極カラムの長さに沿った）の熱膨脹、特にピンの速度とは異なる速度での熱膨脹は、接合部を引き離し、電極カラムの電流伝導効率を低下させることがある。特定の、ピンの横方向熱膨脹量を超える電極の横方向（すなわち電極／電極カラムの直径を横切る）の熱膨脹量は、ピンと電極との間に強固な接続を形成するのに望ましい場合もあるが、電極の横方向熱膨脹がピンの横方向熱膨脹を大幅に超えると、電極の損傷または接合部の分離を起こすことがある。これも、電極カラムの効率を下げるか、または損傷があまりにもひどく、電極カラムが接合部で破損する場合には、カラムの破壊さえ引き起こすことがある。従って、縦方向および横方向の両方で電極の熱膨脹を制御することが、非常に重要である。

従って、ピンを電極／電極カラム系から排除できれば、その系の様々な構成部品（すなわちピンおよび電極）の熱膨脹を釣り合わせる必要性が低くなる。ピンを排除するための先行技術の試みがなされているが、そこではネジ付き電極末端または他の電極噛み合わせ手段が使用されている。しかしながら、ピン無しで電極カラムの一体性を維持するには、その接合部の強度が不十分であると思われており、なかなか工業界に受け容れられていない。

従って、電極性能を大きく低下させることなく、ピンを排除できるための十分な強度および一体性を有する、雄雌電極ジョイントが望まれている。また、大量の高価な材料を使用することなく、これらの有益な特性を達成することも非常に望ましい。

本発明の一態様においては、グラファイト電極用の雄雌ジョイントを提供する。

本発明の別の態様においては、先行技術の雄雌グラファイト電極ジョイントと比較して、使用の際に電極カラムに作用する熱的および機械的応力に対して、より優れた耐性を有するように設計されたグラファイト電極用雄雌ジョイントを提供する。

本発明のさらに別の態様においては、強度および安定性が改良された電極カラムジョイント（接合部）を製造する、グラファイト電極用の雄雌ジョイントを提供する。

本発明のさらに別の態様においては、当該分野で一般的なピンを使用するグラファイト電極と比較して、電極カラムの、アーク先端から、アーク先端に最も近いジョイント（接合部）までを含めた部分までの損失として定義される突出部損失に対する耐性が改良されたグラファイト電極ジョイントである。

下記の説明を読むことにより当業者には明らかな、これらの態様および他の態様は、雄雌電極ジョイントに使用するグラファイト電極であって、電極が雄突出部を有し、雄突出部の長さと電極の直径との比が少なくとも約０．６０である、電極を提供することにより、達成することができる。本発明の好ましい実施態様においては、雄突出部の長さと電極直径との比が約０．６０である場合、雄突出部の直径と雄突出部の長さとの比は、雄突出部の長さと電極の直径との比の約２．５倍を超えるべきではない。実際、雄突出部の、その基底部における直径と、雄突出部長さとの比は、雄突出部長さと電極直径との比に伴って変化し、雄突出部長さと電極直径との比が０．６０より０．０１高くなる毎に、雄突出部の、その基底部における直径と、雄突出部長さとの比が約０．０１６低くなるようにすべきである。

本発明のグラファイト電極は、雄突出部長さと電極直径の比が０．８５以下である場合、好ましくは、度で表した雄突出部のテーパーの、雄突出部長さと電極直径との比に対する比は、少なくとも約１５になるべきである。それに加えて、雄突出部のテーパーの、雄突出部長さと電極直径との比に対する比は、雄突出部長さと電極直径との比に伴って変化し、雄突出部長さと電極直径との比が０．８５より０．０１低くなる毎に、雄突出部のテーパーの、雄突出部長さと電極直径との比に対する比が約１．２５高くなるようにすべきである。

本発明は、本発明のグラファイト電極および第二の、雌ネジ付きソケットを有するグラファイト電極から形成される電極ジョイントも包含し、その際、雄ネジ付き突出部が雌ネジ付きソケットと噛み合い、接合部を形成する。

コークスおよびピッチ結合剤を混合して原料ブレンドを形成すること、原料ブレンドを押し出して未焼成原料を形成すること、未焼成原料を焼成して炭素化された原料を形成すること、炭素化された原料を少なくとも約２５００℃の温度に維持することにより、炭素化された原料をグラファイト化し、グラファイト化された原料を形成すること、およびグラファイト化された原料を機械加工し、雄突出部の長さとグラファイト化された原料の直径との比が少なくとも約０．６０である雄突出部を形成することを包含する、本発明のグラファイト電極の製造方法も提供する。

無論、上記の一般的な説明および下記の詳細な説明の両方が、本発明の実施態様を提供し、特許権請求する本発明の本質および性格に関する概観または理解するための骨組みを与えることを意図している。添付の図面は、本発明をさらに理解するためにここに包含し、本明細書の一部を構成する。これらの図面は、本発明の様々な実施態様を例示し、説明文と共に、本発明の原理および操作を説明するのに役立つ。

グラファイト電極は、先ず、か焼したコークス、ピッチ、および所望により、メソフェーズピッチまたはＰＡＮ系炭素繊維を含んでなる粒子状物質画分を原料混合物中に混合することにより、製造することができる。より詳しくは、粉砕し、サイジングし、ミリングした、か焼した石油コークスを、コールタールピッチ結合剤と混合してブレンドを形成する。か焼したコークスの粒子径は、当業者が製品の最終用途に応じて選択する。一般的に、平均直径が約２５ミリメートル（ｍｍ）までの粒子をブレンドに使用する。粒子状物質画分は、好ましくはコークス粉末を含む小粒子径充填材を包含する。この小粒子径充填材中に配合できる他の添加剤としては、発煙（コークス粒子の内側で炭素と結合した硫黄が放出されるために生じる）を抑制するための酸化鉄、コークス粉末および油または他の、混合物の押出を容易にするための潤滑剤がある。

最も好ましくは、炭素繊維（を使用する場合）は、か焼したコークス１００重量部あたり、炭素繊維約０．５〜約６重量部、または混合物成分全体（結合剤は除く）の約０．４〜約５．５重量％のレベルで存在するのが好ましい。好ましい繊維は、平均直径が約６〜約１５ミクロンであり、長さが好ましくは約４ｍｍ〜約２５ｍｍ、最も好ましくは約３２ｍｍ未満である。本発明の方法で使用する炭素繊維は、少なくとも約１５０，０００ｐｓｉの引張強度を有するべきである。炭素繊維は、原料ブレンドに束として加え、各束が約２０００〜約２０，０００本の繊維を含むのが最も有利である。

好ましくは、粒子状画分とピッチとの混合を開始した後に繊維を加える。実際、より好ましい実施態様においては、混合サイクルの少なくとも約半分が完了した後に、最も好ましくは混合サイクルの少なくとも約４分の３が完了した後に、繊維を加える。例えば、粒子状画分とピッチとの混合が２時間かかる（すなわち混合サイクルが２時間である）場合、繊維は、混合の１時間後、さらには９０分後に加えるべきである。混合が開始された後に繊維を加えることにより、繊維の長さ（混合工程中に減少することがある）、およびそれによって、繊維長さに直接関連すると考えられる、繊維添加による有利な効果を維持することができる。

上記のように、粒子状画分は、小粒子径充填材（本明細書において、「小」とは、一般的にその主要画分が２５ｍｍメッシュスクリーンを通過するが、０．２５ｍｍメッシュスクリーンは通過しないような直径を有するものをいい、か焼したコークスの粒子径と比較するため、そして従来使用されている充填材と比較するために使用する）を包含することができる。より詳しくは、小粒子径充填材は、少なくとも約７５％のコークス粉末を含んでなり、これは、コークスが、少なくとも約７０％、より有利には約９０％までが、７４ミクロンに相当する２００Tylerメッシュスクリーンを通過するような直径を有することを意味する。

小粒子径充填材は、少なくとも約０．５％で、約２５％までの他の添加剤（例えば発煙抑制剤や酸化鉄）をさらに含んでなることができる。やはり、添加剤も、従来使用されている粒子径よりも小さな粒子で使用すべきである。例えば、酸化鉄を含む場合、酸化鉄粒子の平均直径は、約１０ミクロンよりも小さくなるようにすべきである。使用できる他の添加剤は、製品の細孔を充填し、使用するピッチ結合剤の量を制御し易くするために加える、約１０ミクロンより小さな平均直径を有する石油コークス粉末である。小粒子径充填材は、粒子状画分の少なくとも約３０％で、約５０％、さらには６５％までを構成すべきである。

粒子状物質画分、ピッチ結合剤等のブレンドを調製した後、ダイを通して押し出すか、または従来の成形型中で成形することにより、物体を形成（または形状付与）し、未焼成原料と呼ばれるものを形成する。形成は、押出によるものでも、成形によるものでも、ピッチの軟化点に近い温度、通常は約１００℃以上で行う。ダイまたは型は、実質的に最終の形態およびサイズで製品を形成できるが、少なくともネジ山のような構造を与えるために、完成した製品の機械加工が通常は必要である。未焼成原料のサイズは変えることができ、電極には、直径を約２２０ｍｍ〜７００ｍｍの間で変えることができる。

押出後、未焼成原料を温度約７００℃〜約１１００℃、より好ましくは約８００℃〜約１０００℃で焼成することにより熱処理し、ピッチ結合剤を固体のピッチコークスに炭化させて炭化された原料を形成することにより、製品に形状の永久性、高い機械的強度、良好な熱伝導性、および比較的低い電気抵抗を付与する。未焼成原料は、酸化を防止するために、空気があまり存在しない状態で焼成する。焼成は、最終温度まで毎時約１℃〜約５℃の昇温速度で行う。焼成後、炭化された原料に、コールタールあるいは石油ピッチ、またはこの業界で公知の他の種類のピッチもしくは樹脂を１回以上含浸させ、原料の開いているすべての細孔中に追加のコークスを堆積させる。含浸させる毎に、さらに焼成工程を行う。

焼成の後、炭化された原料をグラファイト化させる。グラファイト化は、最終温度約２５００℃〜約３４００℃で、コークスおよびピッチコークス結合剤中の炭素原子の、低秩序状態からグラファイトの結晶性構造への変換を引き起こすのに十分な時間熱処理することにより行う。グラファイト化は、炭化された原料を少なくとも約２７００℃の温度で行うのが有利であり、温度約２７００℃〜約３２００℃で行うのがより有利である。これらの高い温度で、炭素以外の元素が揮発し、蒸気として散逸する。本発明の方法を使用してグラファイト化温度を維持するのに必要な時間は、約１８時間以下、実際には約１２時間以下である。好ましくは、グラファイト化は、約１．５〜約８時間行う。グラファイト化が完了した後、完成した製品を決められたサイズに切断し、次いで機械加工または他の方法によってその最終的形状に形成する。

安定性が改良された雄雌電極ジョイントを炉中で形成するために、雄突出部（さらに雌ソケット）は、突出部が使用に必要な強度を与えるような寸法を有していなければならない。これを行うには、バランスを達成する必要がある。より詳しくは、雄突出部の長さと電極直径の比（本明細書では、突出部ファクターと呼ぶ）が、雄雌電極ジョイントの性能を最適化するのに重要であることが分かった。より詳しくは、安定性が改良された、商業的に妥当な性能を有する雄雌電極ジョイントを形成するには、少なくとも約０．６０の突出部ファクターが重要であると考えられる。

他の接合部特性の相互作用も、電極ジョイントを最適化するのに役立つ。例えば、雄突出部の、その基底部における直径と雄突出部の長さの比（本明細書では、突出部直径ファクターと呼ぶ）を使用し、接合部をさらに強化することができる。突出部直径ファクターは、突出部ファクターが約０．６０である特に効果的な接合部には、突出部ファクターの２．５倍以下にすべきである。実際、突出部直径ファクターは、最も好ましくは、突出部ファクターと共に変化すべきであり、突出部ファクターが０．６０より高い接合部を製造する場合、その接合部の突出部直径ファクターは、突出部ファクターの２．５倍未満にすべきである。より詳しくは、接合部の突出部ファクターが０．６０より０．０１高くなる毎に、最大突出部直径ファクターは、約０．０１６低くなるようにすべきである。一例として、突出部ファクターが０．８５である接合部を製造する場合、その接合部の雄突出部の突出部直径ファクターは、その接合部の突出部ファクターの約１．２８倍より低くすべきである。

効果的な雄雌ジョイントの設計で活用できるもう一つの接合部特徴は、本明細書では、テーパーファクターと呼ばれ、これは、雄突出部のテーパー（度で表し、図２において角度αで示す）と突出部ファクターとの比として定義される。効果的な雄雌ジョイントに対するテーパーファクターは、突出部ファクターが０．８５である場合、少なくとも約１５にすべきであり、異なった突出部ファクターを有する接合部を製造する場合にも変えるべきである。例えば、接合部の突出部ファクターが０．８５より０．０１低くなる毎に、最小テーパーファクターは、約１．２５高くなるようにすべきである。一例として、突出部ファクター０．６を有する接合部を製造する場合、その接合部の雄突出部のテーパーファクターは少なくとも約４５にすべきである。

少なくとも約０．６０の突出部ファクター、および／または上記載したような接合部の突出部直径ファクターまたはテーパーファクターを使用することにより、少なくとも接合部強度および安定性に関して、商業的に受け容れられる雄雌ジョイントが製造される。本発明により製造される典型的なグラファイト電極ジョイントを図１〜３に１０で示す。接合部１０は、第一電極１００および第二電極１１０を含んでなり、第一電極１００は雄突出部２０を有し、第二電極１１０は雌ソケット３０を有する。図に示すように、雄突出部２０および雌ソケット３０は、連携して接合部１０を形成し、第一電極１００および第二電極１１０を一つのカラムに接続する。雄突出部２０の適切な寸法（および対応する雌ソケット３０の寸法）を決めることにより、改良された接合部１０が形成される。

当業者には明らかなように、上記の最適化された雄突出部は、ピン接合されるグラファイト電極にも適用される。つまり、ピン接合されるグラファイト電極ジョイントにおいて、雄雌ジョイントではなく、ピンが、ピンの２個の雄部分の形態にある、２個の雄突出部を有するのが効果的である。これらの雄突出部も、上記の様式で配分し、雄雌ジョイントの機能が最適化されるのと同様な様式で、ピン接合される接合部の機能を最適化することができる。

引用した特許および出版物は、引用されることにより本明細書の開示の一部とされる。

上記の説明は、当業者が本発明を実施できるようにするためである。この説明を読むことにより、当業者には明らかな変形および修正のすべてを詳細に説明する意図はない。しかし、そのような修正および変形は、請求項に規定する本発明の範囲内にある。請求項は、本明細書が反することを具体的に示唆していない限り、本発明の目的を達成するのに有効なすべての配置または順序における構成要素および工程を包含する。

本発明の雄雌グラファイト電極ジョイントの部分側方断面図である。 図１の雄雌グラファイト電極ジョイント用の雄突出部を有するグラファイト電極の部分側方断面図である。 図１の雄雌グラファイト電極ジョイント用の雌ソケットの部分側方断面図である。

Claims (15)

1. 雄雌電極ジョイントに使用するグラファイト電極であって、前記電極が雄突出部を含んでなり、前記雄突出部の長さと前記電極の直径との比が少なくとも約０．６０である、グラファイト電極。
2. 前記雄突出部の、その基底部における直径と前記雄突出部の長さとの比が、前記雄突出部の長さと前記電極直径との比の約２．５倍を超えない、請求項１に記載のグラファイト電極。
3. 前記雄突出部の、その基底部における直径と前記雄突出部長さとの比が、前記雄突出部長さと電極直径との比に応じて変化し、前記雄突出部長さと電極直径との比が０．６０より０．０１高くなる毎に、前記雄突出部の、その基底部における直径と前記雄突出部の長さとの比が、前記雄突出部長さと電極直径との比に対して約０．０１６低くなる、請求項２に記載のグラファイト電極。
4. 雄突出部長さと電極直径との比が０．８５以下である電極に対して、前記雄突出部のテーパーの、雄突出部長さと電極直径の比に対する比が、少なくとも約１５である、請求項１に記載のグラファイト電極。
5. 前記雄突出部のテーパーの、前記雄突出部長さと電極直径との比に対する比が、前記雄突出部長さと電極直径との比に応じて変化し、前記雄突出部長さと電極直径との比が０．８５より０．０１低くなる毎に、前記雄突出部のテーパーの、前記雄突出部長さと電極直径の比に対する比が約１．２５高くなる、請求項４に記載のグラファイト電極。
6. 雄突出部の長さと電極の直径との比が少なくとも約０．６０である雄突出部、および、少なくとも一個の、雌ネジ付きソケットを含むグラファイト電極を含んでなる電極ジョイントであって、前記雄ネジ付き突出部が前記雌ネジ付きソケットと噛み合い、前記接合部を形成する、接合部。
7. 前記雄突出部の、その基底部における直径と前記雄突出部の長さとの比が、前記雄突出部の長さと前記電極直径との比の約２．５倍を超えない、請求項６に記載の接合部。
8. 前記雄突出部の、その基底部における直径と、前記雄突出部長さとの比が、前記雄突出部長さと電極直径との比に応じて変化し、前記雄突出部長さと電極直径との比が０．６０より０．０１高くなる毎に、前記雄突出部の、その基底部における直径の、前記雄突出部長さと電極直径との比に対する比が約０．０１６低くなる、請求項７に記載の接合部。
9. 雄突出部長さと電極直径との比が０．８５以下である第一電極に対して、前記雄突出部のテーパーの、雄突出部長さと電極直径との比に対する比が少なくとも約１５である、請求項６に記載の接合部。
10. 前記雄突出部のテーパーの、前記雄突出部長さと電極直径の比に対する比が、前記雄突出部長さと電極直径の比と共に変化し、前記雄突出部長さと電極直径の比が０．８５より０．０１低くなる毎に、前記雄突出部のテーパーの、前記雄突出部長さと電極直径の比に対する比が約１．２５高くなる、請求項９に記載の接合部。
11. （ａ）コークスおよびピッチ結合剤を混合して原料ブレンドを形成すること、
    （ｂ）前記原料ブレンドを押し出して未焼成原料を形成すること、
    （ｃ）前記未焼成原料を焼成して炭素化された原料を形成すること、
    （ｄ）前記炭素化された原料を少なくとも約２５００℃の温度に維持することにより、前記炭素化された原料をグラファイト化し、グラファイト化された原料を形成すること、および
    （ｅ）前記グラファイト化された原料を機械加工し、雄突出部の長さと前記グラファイト化された原料の直径との比が少なくとも約０．６０である雄突出部を形成すること、
    を含んでなる、グラファイト電極の製造方法。
12. 前記雄突出部の、その基底部における直径と前記雄突出部の長さとの比が、前記雄突出部の長さと前記電極直径との比の約２．５倍を超えない、請求項１１に記載の方法。
13. 前記雄突出部の、その基底部における直径と前記雄突出部長さとの比が、前記雄突出部長さと電極直径との比に応じて変化し、前記雄突出部長さと電極直径との比が０．６０より０．０１高くなる毎に、前記雄突出部の、その基底部における直径の、前記雄突出部長さと電極直径との比に対する比が約０．０１６低くなる、請求項１２に記載の方法。
14. 雄突出部長さと電極直径との比が０．８５以下である電極に対して、前記雄突出部のテーパーの、雄突出部長さと電極直径との比に対する比が少なくとも約１５である、請求項１１に記載の方法。
15. 前記雄突出部のテーパーの、前記雄突出部長さと電極直径との比に対する比が、前記雄突出部長さと電極直径との比に応じて変化し、前記雄突出部長さと電極直径との比が０．８５より０．０１低くなる毎に、前記雄突出部のテーパーの、前記雄突出部長さと電極直径との比に対する比が約１．２５高くなる、請求項１４に記載の方法。

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