KR101343451B1 - 흑연 및 탄소 섬유 강화된 탄소의 복합물로 제조된 연결편 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흑연으로 제조된 하나 이상의 영역 및 탄소 섬유 강화된 탄소로 제조된 하나 이상의 영역을 포함하며, 흑연이 10 질량% 미만의 섬유를 포함하고 탄소 섬유 강화된 탄소가 20 질량% 초과의 탄소 섬유를 포함하는 것인 흑연 전극 연결용 연결편에 관한 것이다. 연결편은 바람직하게는 원통형 또는 쌍원뿔형의 흑연체를 포함하며, 흑연체 내에는 20 질량% 초과의 탄소 섬유 중량 %를 갖는 탄소 섬유 강화된 탄소로 제조된 물질로 채워진 복수의 홈형 오목부가 있다.

Description

흑연 및 탄소 섬유 강화된 탄소의 복합물로 제조된 연결편 {CONNECTION PIECE MADE OF A COMPOSITE OF GRAPHITE AND CARBON-FIBER-REINFORCED CARBON}
본 발명은 흑연 전극 연결용 연결편(connection piece)에 관한 것이다.
특히, 탄소를 기재로 하는 전극은 전열 공정에서, 특히 용융 물질의 융합을 위한 전기 아크 노(electric arc furnace)에서 강철의 제조 동안 사용된다. 흑연의 양호한 열 전도성, 낮은 전기 저항, 높은 내열충격성 및 내화학성의 관점에서, 특히 흑연 전극이 상기 목적을 위해 사용된다.
전기 아크 노에서 사용되는 경우, 흑연 전극은 전압하에 놓이며, 그 결과 흑연 전극의 하단에서 용융 물질에 이르는 전기 아크가 생성되고, 용융 물질, 예를 들어 강철 파편 또는 철 해면을 융합하기에 충분히 높은 온도 (예를 들어, 1,500℃)를 초래한다. 전기 아크 및 전기 아크 노 내부의 높은 온도로 인해, 흑연 전극의 하단은 서서히 연소되며, 이에 의해 흑연 전극이 소모된다. 그 결과, 이러한 적용은 보통 복수의 상호연결된 흑연 전극으로 구성된 전극 스트링의 사용을 수반하며, 전극 스트링은 노 공정 동안 전극 하단이 연소 제거되는 정도를 반영하는 증분으로 후속적으로 전기 아크 노에 밀어 넣어진다. 전극 스트링이 소정의 최소 길이 아래로 짧아지자마자, 하나 이상의 신규한 전극을 전극 스트링의 상단에 나사 고정한다.
전극 스트링의 개별 전극은 보통 흑연으로 이루어진 연결편 (니플(nipple)이라고도 칭함)을 통해 전기 전도 방식으로 서로 기계적으로 연결된다. 연결편을 수용하기 위한 통상적으로 원통형인 개별 전극의 두 면은 각각 연결편의 외부 윤곽과 상보적인 구조를 갖는 암나선(female thread) 또는 나사절삭된 박스가 구비된 오목부를 나타낸다. 수나선(male thread)이 구비된 각각의 연결편은 나사절삭된 박스 내에 나사 고정되어 이들 각각의 면을 통해 두 전극을 상호연결한다. 여기서, 연결편은 보통 쌍뿔대(dual truncated)이거나 쌍원뿔 또는 원통과 같은 모양이다.
전기 아크 노의 운전 동안 높은 기계적, 열적 및 전기적 부하가 전극 스트링에 가해진다. 예를 들어 그 위에 부유하는 금속편 파편으로 인한, 용융 강철 내의 강한 불균질성을 고려해 볼 때, 강한 굽힘력(bending force)이 전극 스트링 상에 발생하고, 연결편 또는 전극의 파단을 일으킬 수 있다.
또한, 전기 아크 노 운전 동안 측벽 상의 산화로 인해 흑연 전극 스트링의 직경이 감소되어, 특히 용융 강철 조에 면하는 전극 스트링의 말단의 직경이 크게 감소된다. 기재된 바와 같이, 전극은 전기 아크 노 운전 동안 소모되어, 개별 연결편이 용융 조 수준으로 침하되는 것을 야기한다. 이는 전극 연결부 내의 상당한 열 구배를 생성하며, 나사절삭된 샤프트의 벽에서의 유의한 주위 응력을 야기하고, 이는 또한 나사절삭된 샤프트 벽 내의 균열을 발생시킨다. 나사절삭된 샤프트 벽이 산화를 통해 얇아질수록 주위 응력이 더 증가한다. 보다 두꺼운 나사절삭된 샤프트 벽이 주어지는 경우, 즉, 보다 작은 니플을 사용하는 경우, 보다 작은 주위 응력이 발생한다.
이러한 이유로, 나사절삭된 샤프트의 벽을 보다 두껍게 만드는 것이 바람직하며, 이는 동일한 나사절삭된 샤프트 직경에서 전극 직경을 증가시키거나, 동일한 전극 직경에서 나사절삭된 샤프트 직경을 감소시키는 것을 의미한다. 그러나, 흑연 전극의 외부 직경은 일반적으로 계획된 용도에 의해 미리 결정되기 때문에, 전극 직경의 증가는 불가능하다. 다른 한편으로는, 나사절삭된 샤프트 직경을 감소시키는 것은, 직경이 보다 큰 연결편 또는 흑연 니플보다 자연적으로 약한 강도를 나타내는, 직경이 보다 작은 연결편 또는 흑연 니플이 사용될 것이기 때문에, 연결부, 특히 전극 스트링의 상부의 기계적 강도를 크게 감소시킬 것이다. 이는 또한 전극 스트링의 상부 영역에서의 파단 가능성을 증가시킬 것이며, 이때 파단된 전극 스트링은 용융물로 들어가, 생산성의 유의한 손실이 일어날 것이다.
이러한 연결편의 기계적 강도를 증가시키기 위해서, 예를 들어 EP 1 460 883 A2호에는, 흑연으로 제조된 니플을, 표면이 산화 활성화되고 표면에 탄화 코팅이 추가로 구비된 0.2% 내지 10%의 탄소 섬유가 흑연 매트릭스 내에 균질하게 분포된, 탄소 섬유로 강화된 흑연으로 구성된 별법의 니플로 대체하는 것이 이미 제안되어 있다. 그러나, 니플의 기계적 강도는 충분히 높지 않아서, 니플의 기계적 강도가 부적합해지지 않게 하면서 상기 언급한 문제를 극복하도록 니플의 직경을 감소시킬 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은, 특히 연결편이 선행 기술로부터 공지된 연결편을 위해 요구되는 것보다 작은 직경을 나타내는 경우에도, 전기 아크 노에서 사용하기에 충분히 안정한 전극 스트링에 흑연 전극을 연결할 수 있도록 보다 양호한 기계적 강도를 나타내는 흑연 기재 연결편을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 하나 이상의 흑연 영역 및 하나 이상의 탄소 섬유 강화된 탄소 영역을 포함하고, 흑연이 10 질량% 미만의 섬유를 함유하고 탄소 섬유 강화된 탄소가 20 질량% 초과의 탄소 섬유를 함유하는, 흑연 전극 연결용 연결편을 제공함으로써 달성된다.
하기에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 유리한 실시양태를 기초로 하여 오로지 예로서 기재할 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 제1 실시양태에 따른 연결편의 투시도이고,
도 2는 도 1에 묘사한 연결편의 상면도이고,
도 3은 본 발명의 예시적인 제2 실시양태에 따른 연결편의 상면도이고,
도 4는 본 발명의 예시적인 제3 실시양태에 따른 연결편의 투시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 연결편 (10)은 흑연체 (12)로 이루어지며, 이는 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질에 의해 점유된 10개의 쐐기형 오목부 (14, 14')를 나타낸다. 여기서, 쐐기형 오목부 (14, 14')는 흑연체 (12)의 전체 세로 팽창부에 걸쳐 연장되고, 연결 부재 (10)의 세로축을 가로지르는 방향에서 봤을 때, 흑연체 (12)의 외부 원주 표면 또는 외부측 (16)으로부터 안쪽으로 흑연체 (12)의 외부측 (16)과 중심축 (18) 사이 거리의 약 50%에 걸쳐 연장된다.
흑연체 (12)는 섬유 무함유 흑연으로 이루어지고, 탄소 섬유 강화된 탄소는 20 질량% 초과의 탄소 섬유를 함유한다. 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질은 결합제 (도시되지 않음)를 통해 흑연체 (12)와 연결된다. 연결편 (10)의 외부 원주 표면에 수나선 (도시되지 않음)이 구비된다.
도 3에 도시된 연결편은 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질로 채워진 개별 오목부 (14, 14')가 쐐기형이 아니고, 그보다는 납작한 직육면체처럼 설계되어 있다는 점에서 도 1 및 4에 묘사된 연결편과 상이하다.
도 1에 도시된 연결편 (10)과는 대조적으로, 도 4에 묘사된 연결편은 쌍원뿔형, 즉, 2개의 원뿔대가 밑부분에서 함께 합쳐진 쌍뿔대형으로 설계되어 있다. 연결편 (10)의 외부 원주 표면에는 수나선 (도시되지 않음)이 구비된다.
본 발명의 해법은 물질의 단일 영역 또는 몇몇의 개별 영역이 탄소 섬유의 질량 분획이 20%를 초과하는 탄소 섬유 강화된 탄소 (CFC)로 이루어지고, 나머지 영역(들)이 흑연 (섬유 함량이 10 질량% 미만임)으로 구성된 복합물로 이루어진 이러한 연결편이, 선행 기술로부터 공지된 흑연 니플과 비교하여, 또한 특히 탄소 섬유가 전체 니플에 걸쳐 균질하게 분포된 흑연 니플과 비교하여, 상당히 보다 높은 기계적 강도, 특히 보다 높은 인장 강도 및 보다 높은 굴곡 강도를 나타낸다는 놀라운 발견을 기초로 한다. 또한, 개별 영역은 놀랍게도 상이한 열 팽창 계수를 나타내더라도 탈적층되지 않는다. 이는 본 발명에 따른 연결편을 흑연 전극을 연결하여 전극 스트링을 형성하기에 매우 적합하게 한다. 특히, 그의 우수한 기계적 강도로 인해, 직경이 비교적 작은, 특히 구체적으로 직경이 충분한 강도를 달성하기 위해 선행 기술로부터 공지된 흑연 니플에 필요한 최소 직경의 절반인 본 발명에 따른 연결편을 상기 목적을 위해 사용할 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명에 따른 연결편을 사용하여, 상응하게 보다 작은 직경을 나타내는 나사절삭된 샤프트가 있는 흑연 전극을 연결하여 전기 아크 노에서 사용하기에 충분히 안정한 전극 스트링을 형성할 수 있다. 전기 아크 노에서 전극 스트링 내에 전극을 사용하는 경우 나사절삭된 샤프트의 보다 작은 직경은 전극 내에 구비된 나사절삭된 샤프트의 벽의 주위 응력, 및 그에 따른 나사절삭된 샤프트의 벽의 균열 형성 및 생성된 물질 손실을 유의하게 감소시키는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 연결편은, 만약 섬유를 함유하더라도, 10 질량% 미만의 섬유를 함유하는 흑연으로 제조된 하나 이상의 영역 또는 도메인, 및 20 질량% 초과의 탄소 섬유를 함유하는 CFC로 제조된 하나 이상의 영역 또는 도메인을 포함한다. 하나 이상의 흑연 영역은 바람직하게는 5 질량% 미만의 섬유를 함유하고, 매우 특히 바람직하게는 섬유를 함유하지 않고, CFC 물질은 바람직하게는 30 질량% 이상의 탄소 섬유를 함유한다.
그 결과, 본 발명에 따른 연결편은 고-섬유 영역 및 저-섬유 또는 무-섬유 영역을 포함한다. 여기서 개별 영역은 원하는 임의의 구조를 나타낼 수 있고, 서로에 대해 원하는 대로 배열될 수 있되, 이들은 서로 인접한다. 그러나, CFC 물질 영역(들)이 흑연 영역(들)에 의해 적어도 부분적으로 싸여지는 것이 바람직하다.
후자의 실시양태는 본 발명에 따른 연결편이 하나 이상의 오목부가 구비된 하나 이상의 흑연체를 포함하며, 하나 이상의 오목부에 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질이 도입되고, 흑연이 10 질량% 미만의 섬유를 함유하고, 탄소 섬유 강화된 탄소가 20 질량% 초과의 탄소 섬유를 함유하도록 하는 방식으로 예시될 수 있다. 하나 이상의 오목부는 바람직하게는 CFC 물질로 채워지거나 점유된다. 여기서 하나 이상의 오목부는 매우 최초부터, 예를 들어, 제조 과정에서 이를 상응하는 모양으로 성형함으로써 흑연체 내에 구비될 수 있거나, 또는 하나 이상의 오목부는, 예를 들어, 홈이 있는 오목부를 원통형 흑연체 내로 밀링하여 이후에 흑연체에 도입할 수 있다.
흑연체와 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질 사이의 강한 연결을 달성하기 위해, 본 발명의 기초적인 발상의 추가적인 전개로서, 하나 이상의 오목부 내에 구비된 탄소 섬유 강화된 탄소로 이루어진 물질을 결합제에 의해 흑연체와 연결하는 것을 제안한다. 이를 위해, 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질은 오목부의 모양으로 기계 가공한 후, 예를 들어 CFC로 구성된 물질을 그의 외부 표면 상에 결합제로 코팅하여, 흑연체의 오목부 내에 결합제와 함께 배치할 수 있고, 그 이후 상기 방식으로 얻어진 연결편을, CFC 물질이 흑연체와 단단히 결합되도록 예를 들어 100 내지 300℃에서 열 처리한다.
탄소 함유 물질을 기재로 하는 임의의 결합제를 상기 목적을 위해 본질적으로 사용할 수 있으며, 특별히 결합제가 페놀 수지, 피치(pitch), 푸란 수지, 페닐 에스테르 및 상기 언급한 화합물 중 2종 이상의 임의의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 경우에 양호한 결과가 수득된다.
흑연체의 하나 이상의 오목부 내에 구비된 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질은 탄소 섬유를 함유하는 탄소 매트릭스로 제조된다. CFC 물질의 매트릭스를 위한 모물질(parent material)은 탄소 함유 물질, 특히 페놀 수지, 피치, 푸란 수지, 페닐 에스테르 및 상기 언급한 화합물 중 2종 이상의 임의의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소 함유 물질로 구성될 수 있고, 탄소 섬유를 위한 모물질은 바람직하게는 피치, 폴리아크릴로니트릴, 과산화 폴리아크릴로니트릴 또는 셀룰로오스로 구성된다. 상기 언급한 물질의 섬유 혼합물, 또는 상기 언급한 모물질 중 2종 이상으로 구성된 이중필라멘트도 또한 사용할 수 있다.
탄소 섬유는 예를 들어 5 내지 250 mm, 바람직하게는 5 내지 100 mm의 길이를 나타내는 엔드리스 섬유(endless fiber) 또는 스테이플 섬유일 수 있다. 또한, 탄소 섬유가 단일방향으로 또는 다중축방향으로 배열된, 섬유 다발, 편직물, 결절 직물(knotted fabric), 부직물, 메시(mesh) 또는 스크림(scrim)의 형태로 존재하는 것이 가능하다.
본 발명의 또다른 특히 바람직한 실시양태에서, CFC 물질의 탄소 섬유는 직물 형태로, 특히 바람직하게는 몇몇의 직물 층이 차례로 쌓여 위치하고 함께 합쳐지는 직물 적층물 형태로 배치된다. 상기 CFC 직물 물질은 바람직하게는 150 MPa 이상, 특히 바람직하게는 200 MPa 이상, 매우 특히 바람직하게는 250 MPa 이상의 3점 굴곡 강도를 나타낸다.
예를 들어, 이러한 직물 적층물은 탄화 및/또는 흑연화된 섬유, 특히 엔드리스 섬유로 직물을 제조하고, 이어서 이를 수지로 함침시켜 프리프레그(prepreg)를 형성하고, 그 이후 몇몇의 프리프레그를 차례로 쌓아 적층함으로써 제작할 수 있다. 여기서, 개별 프리프레그는, 예를 들어, 서로에 대해 평행하게 또는 90° 뒤틀리게 차례로 쌓아 위치시킬 수 있다. 후속적으로, 적층물을 압착 성형하고, 경화하고, 탄화시키고, 임의로는 흑연화시킨다. 여기서, 탄화는 바람직하게는 600 내지 1,200℃의 온도에서 실시하고, 임의적인 흑연화는 1,800 내지 3,000℃, 특히 바람직하게는 2,000 내지 2,500℃의 온도에서 실시한다. 탄화 이후 및 임의적인 흑연화 이전에, 임의로는 적층물을 1회 또는 반복적으로, 예를 들어 3회 또는 4회, 수지 또는 피치로 함침시킬 수 있으며, 개별 함침 단계에 이어 각각 재개된 탄화를 수행한다. 페놀 수지, 피치, 푸란 수지 및/또는 페닐 에스테르를 마찬가지로 본 실시양태에서 결합제 또는 매트릭스 물질로 바람직하게 사용하고, 피치, 폴리아크릴로니트릴, 과산화 폴리아크릴로니트릴 또는 셀룰로오스를 탄소 섬유를 위한 모물질로 사용한다.
본 발명의 발상의 추가적인 전개는 CFC 물질이 1.2 내지 1.8 g/cm3, 특히 바람직하게는 1.4 내지 1.6 g/cm3, 매우 특히 바람직하게는 약 1.5 g/cm3의 두께를 나타내는 것을 제안한다.
탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질 내의 탄소 섬유의 질량 분획은 바람직하게는 20% 초과 내지 80%, 특히 바람직하게는 30% 내지 70%, 매우 특히 바람직하게는 40% 내지 60%, 예를 들어 약 50%이다.
하나 이상의 오목부 및 그에 따른 하나 이상의 CFC 물질 영역은 기본적으로 흑연체의 임의의 위치에 위치하고, 임의의 상상할 수 있는 구조를 나타낼 수 있지만, 하나 이상의 오목부는 바람직하게는 홈 또는 슬릿의 형태로 배치된다. 하나 이상의 오목부가 연결편의 세로 방향으로, 즉, 연결편의 연결 방향으로 연장되고, 연결편의 세로 방향에 대해 수직인, 즉, 연결편의 세로 방향을 가로지르는 평면으로, 흑연체의 외부측으로부터 안쪽으로 연장되는 것이 특히 바람직하다. 즉, 원통형 흑연체의 경우, 하나 이상의 오목부는 직육면체형 또는 쐐기형을 나타내고 흑연체의 외부 원주 표면으로부터 안쪽으로 연장된다.
일반적으로, 하나 이상의 오목부 및 그에 따른 하나 이상의 CFC 물질 영역은 원하는 만큼 크게 흑연체의 세로 팽창부, 즉, 흑연체의 팽창부의 일부에 걸쳐, 또는 흑연체의 세로 팽창부에 완전히 걸쳐 연장될 수 있다. 특히 하나 이상의 오목부가 흑연체의 세로 팽창부의 50% 이상, 바람직하게는 70% 이상, 특히 바람직하게는 90% 이상, 매우 특히 바람직하게는 100%에 걸쳐 연장되는 경우에 양호한 결과가 달성된다. 그러나, 덜 바람직하지만, 하나 이상의 오목부가 흑연체의 세로 팽창부의 50% 미만에 걸쳐 연장되는 것도 또한 가능하다.
상기 설명한 바와 같이, 하나 이상의 오목부 및 그에 따른 CFC 물질 영역은, 바람직하게는 흑연체의 외부 원주 표면으로부터 안쪽으로 연장된다. 덜 바람직하지만, 하나 이상의 오목부가 흑연체를 가로질러 연장되는 것이 기본적으로 가능하다. 그러나, 하나 이상의 오목부가 흑연체의 외부측 또는 외부 원주 표면으로부터 안쪽으로 흑연체의 중심축 이상에 걸쳐 연장되지 않는 것이 바람직하다. 연결편의 세로 방향을 가로지르는 평면에서 볼 때, 하나 이상의 오목부는 바람직하게는 흑연체의 외부측 또는 외부 원주 표면으로부터 안쪽으로 흑연체의 외부측과 중심축 사이 거리의 10% 내지 100% 미만, 바람직하게는 20% 내지 80%, 특히 바람직하게는 30% 내지 70%, 매우 특히 바람직하게는 40% 내지 70%, 가장 바람직하게는 약 50%에 걸쳐 연장된다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시양태에서, 모든 오목부의 전체 부피 및 그에 따른 탄소 섬유 강화된 탄소의 전체 부피는, 연결편의 전체 부피에 대해, 5% 내지 75%, 바람직하게는 10% 내지 50%, 매우 특히 바람직하게는 20% 내지 40%이다.
본 발명에 따른 연결편은 오목부 또는 탄소 섬유 강화된 탄소 영역의 개수에 있어 제한되지 않는다. 탄소 섬유 강화된 탄소의 영역이 바람직하게는 2개 이상의 오목부를 나타내는 경우, 개별 오목부는 바람직하게는 크기가 대략 동일하고, 특히 연결편의 단면에 걸쳐 균일하게 분포된다. 특히 흑연체가, 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질에 의해 점유되는 2개 내지 50개의 오목부, 특히 바람직하게는 2개 내지 32개의 오목부, 매우 특히 바람직하게는 5개 내지 32개의 오목부, 가장 바람직하게는 8개 내지 24개의 오목부, 예를 들어 16개 또는 24개의 오목부를 나타내는 경우에 양호한 결과가 얻어진다. 개별 오목부는 각각 바람직하게는 연결편의 외부 원주 표면으로부터 안쪽으로 쐐기 형태로 연장되고, 바람직하게는 동일한 크기이고 연결편의 단면에 걸쳐 균일하게 분포된다.
연결편을 본질적으로 원하는 임의의 구조적 모양으로 가정할 수 있지만, 바람직하게는 원통과 같은 모양이거나, 특히 바람직하게는 쌍원뿔, 즉, 2개의 원뿔대가 밑부분에서 함께 합쳐진 쌍뿔대와 같은 모양이다.
기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 연결편은, 탄소 섬유가 연결편의 전체 부피에 걸쳐 균일하게 분포된 선행 기술로부터 공지된 흑연 니플과 비교하여, 보다 높은 기계적 강도, 특히 보다 높은 인장 강도 및 굴곡 강도를 나타낸다. 이러한 이유로, 본 발명에 따른 연결편은, 특히 연결편이 선행 기술로부터 공지된 연결편과 비교하여, 예를 들어, 25% 내지 75%, 특히 50% 이상 더 작은 직경을 나타내는 경우에도, 흑연 전극을 서로 안정하게 연결하기 위해 사용할 수 있다. 예를 들어, 길이가 2,700 mm이고 직경이 600 mm인 표준 흑연 전극을 연결하기 위한 통상적인 연결편이 317 mm의 직경을 나타내는 반면에, 본 발명에 따른 연결편이 150 mm의 직경을 나타내는 경우, 본 발명에 따른 연결편을 사용하여 동일한 흑연 전극을 동일한 안정성으로 연결할 수 있다.
당업자에게 공지된 임의의 흑연 전구체, 특히 코크스 및 결합제의 혼합물을, 본 발명에 따른 연결편의 흑연체 또는 흑연으로 구성된 하나 이상의 영역을 위한 흑연용 모물질로 사용할 수 있다. 사용되는 코크스는 바람직하게는 10 mm 미만, 특히 바람직하게는 5 mm 미만, 매우 특히 바람직하게는 0.01 내지 3 mm의 입자 크기를 나타낸다. 예를 들어, 피치 코크스, 정련용 코크스 또는 석유 코크스, 특히 니들 코크스를 코크스로 사용할 수 있고, 피치를 바람직하게는 결합제로 사용한다. 코크스와 결합제 사이의 혼합비는 바람직하게는 5:1 내지 2:1, 특히 바람직하게는 약 4:1이다. 소량의 0.1 내지 0.5 %w/w 산화철을 상기 혼합물에 첨가제로서 포함시킬 수 있다. 혼합물이 또한 섬유를 10% 미만의 질량 분획까지 함유할 수 있지만, 상기 기재된 바와 같이 5 질량% 이하의 섬유를 함유하고, 특히 바람직하게는 섬유를 함유하지 않는 것이 바람직하다. 이어서, 예를 들어, 상기 혼합물은 압출을 통해 원하는 모양으로 성형한 후, 탄화 및 흑연화시킨다. 흑연화에 선행하여 하나 이상의 함침 단계를 수행할 수 있으며, 여기서 성형된 부품을 함침 수단, 예를 들어, 함침 피치로 함침한 후, 다시 탄화시킨다. 임의로는, 1회 이상의 (후)함침을 흑연화 이후에 실행할 수 있으며, 뒤이어 각각 탄화를 수행할 수 있다.
본 발명은 또한
i) 0 질량% 또는 10 질량% 미만의 섬유를 함유하는 흑연체를 제조하는 단계,
ii) 20 질량% 초과의 섬유를 함유하는 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질을 제조하는 단계,
iii) 흑연체를 결합제에 의해 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질과 연결하는 단계, 및
iv) 단계 iii)에서 얻어진 구조체를 나사절삭하는 단계
를 포함하는, 상기 기재된 종류의 본 발명에 따른 연결편의 제작 방법에 관한 것이다.
CFC 물질은 바람직하게는 흑연체에 의해 적어도 부분적으로 싸여진다. 상기 실시양태에서, 본 방법은 바람직하게는
a) 흑연체를 바람직하게는 원통형 또는 쌍원뿔형으로 제조하는 단계,
b) 흑연체를 기계 가공하여 흑연체 내에 하나 이상의 오목부를 제공하는 단계,
c) 탄소 섬유 강화된 탄소를 하나 이상의 오목부의 형태로 제조하는 단계,
d) 결합제 및 탄소 섬유 강화된 탄소를 하나 이상의 오목부에 도입하는 단계,
e) 단계 d)에서 얻어진 구조체를 열 처리하는 단계, 및
f) 단계 e)에서 얻어진 구조체를 나사절삭하는 단계
를 포함한다.
예를 들어, 흑연체는 절차상 단계 a)에 따라 결합체 및 코크스의 혼합물을 원통형 또는 쌍원뿔형으로 성형한 후, 상기 방식으로 얻어진 성형체를 탄화 및 흑연화시켜 제조할 수 있다. 임의로는, 함침 수단, 예를 들어, 피치의 사용을 수반하는 함침 단계를 성형과 흑연화 사이에 배치할 수 있다. 예를 들어, 함침은 진공하에 2 내지 10시간 동안 실시할 수 있으며, 함침에 이어 바람직하게는 열 처리를, 예를 들어, 600 내지 1,000℃, 특히 700 내지 900℃에서, 예를 들어, 2 내지 10시간, 특히 4 내지 6시간 동안 수행한다.
하나 이상의 오목부는 절차상 단계 b)에서 임의의 공지된 기계 가공 기법을 사용하여, 예를 들어, 밀링에 의해 도입할 수 있다. 별법으로, 흑연체는 성형 단계, 예를 들어 압출 동안 하나 이상의 오목부를 이미 함유하는 모양으로 성형할 수 있다.
본 발명의 발상의 추가적인 전개는 절차상 단계 b)에서, 바람직하게는 연결편의 단면에 걸쳐 균일하게 분포된 2개 내지 50개의 오목부, 바람직하게는 2개 내지 32개의 오목부, 특히 바람직하게는 5개 내지 32개의 오목부, 매우 특히 바람직하게는 8개 내지 24개의 오목부를 흑연체에 구비하는 것을 제안한다. 여기서, 개별 오목부가 연결편의 세로 방향으로 연장되고, 연결편의 세로 방향을 가로지르는 연결편의 외부측으로부터 안쪽으로 연장되는 것이 바람직하다.
탄소 섬유 강화된 탄소는 절차상 단계 c)에서 탄소 섬유, 예를 들어, 과산화 폴리아크릴로니트릴 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 셀룰로오스 섬유 및/또는 피치 섬유를 탄화 및/또는 흑연화시키고, 그 이후 상기 방식으로 얻어진 탄소 섬유를 특히 바람직하게는 직물 또는 직물 적층물로 가공하고, 이를 후속적으로 결합제로 함침시키고, 그 이후 상기 방식으로 얻어진 구조체를 탄화시키고, 필요하다면 흑연화시킴으로써 제작할 수 있다. 예를 들어, 본 방법에서 사용되는 결합제는 페놀 수지, 피치, 푸란 수지, 페닐 에스테르 및 상기 언급한 화합물 중 2종 이상의 임의의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 결합제이다.
탄소 섬유 강화된 탄소와 함께 절차상 단계 d)에서 도입된 결합제는 또한 바람직하게는 페놀 수지, 피치, 푸란 수지, 페닐 에스테르 및 상기 언급한 화합물 중 2종 이상의 임의의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시양태에서, 열 처리는 절차상 단계 e)에서 100 내지 300℃의 온도에서 실행한다.
본 발명은 또한 상기 기재된 본 발명에 따른 방법으로 얻을 수 있는 연결편을 포함한다.
본 발명은 추가로 본 발명에 따른 상기 기재된 연결편의, 2개의 전극, 바람직하게는 2개의 흑연 전극을 연결하기 위한 용도, 또는 본 발명에 따른 상기 기재된 여러 연결편의, 여러 전극, 바람직하게는 흑연 전극을 연결하여 전극 스트링을 형성하기 위한 용도에 관한 것이다.
마지막으로, 본 발명은 각각의 2개의 흑연 전극이 본 발명에 따른 각각의 연결편에 의해 서로 연결된, 2개 이상의 흑연 전극을 포함하는 전극 스트링에 관한 것이다.
10 연결편
12 흑연체/흑연 영역
14, 14' 오목부 (CFC 물질에 의해 점유됨)/CFC 영역
16 흑연체의 외부 원주 표면 또는 외부측
18 흑연체의 중심축

Claims (18)

  1. 하나 이상의 흑연 영역 (12) 및 하나 이상의 탄소 섬유 강화된 탄소 영역 (14, 14')을 포함하고, 흑연이 0 질량% 이상 10 질량% 미만의 섬유를 함유하고, 탄소 섬유 강화된 탄소가 20 질량% 초과의 탄소 섬유를 함유하는 것인, 흑연 전극 연결용 연결편(connection piece) (10).
  2. 제1항에 있어서, 흑연이 0 질량% 이상 5 질량% 미만의 섬유를 함유하는 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 탄소 섬유 강화된 탄소 영역 (14, 14')이 하나 이상의 흑연 영역 (12)에 의해 적어도 부분적으로 싸여진 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 흑연 영역 (12)가 하나 이상의 오목부 (14, 14')가 구비된 흑연체 (12)이고, 탄소 섬유 강화된 탄소가 하나 이상의 오목부 (14, 14') 내에 구비된 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  5. 제4항에 있어서, 하나 이상의 오목부 (14, 14') 내에 구비된 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질이 결합제에 의해 흑연체 (12)와 연결되는 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄소 섬유가 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질 내에 직물 형태로 또는 몇몇의 직물 층이 차례로 쌓여 배열되고 서로 연결되는 직물 적층물 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질 내의 탄소 섬유의 질량 분획이 20% 초과 내지 80%인 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  8. 제4항에 있어서, 하나 이상의 오목부 (14, 14')가 연결편 (10)의 세로 방향으로 연장되고, 흑연체 (12)의 외부측 (16)으로부터 안쪽으로 연결편 (10)의 세로 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  9. 제4항에 있어서, 하나 이상의 오목부 (14, 14')가 흑연체 (12)의 세로 방향의 50% 내지 100%에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  10. 제4항에 있어서, 하나 이상의 오목부 (14, 14')가 흑연체 (12)의 세로 방향을 가로지르는 흑연체 (12)의 외부측 (16)으로부터 안쪽으로 흑연체 (12)의 외부측 (16)과 중심축 (18) 사이 거리의 10% 내지 100% 미만에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  11. 제4항에 있어서, 연결편 (10)의 전체 부피에 대한 모든 오목부 (14, 14')의 전체 부피가 5% 내지 75%인 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  12. 제4항에 있어서, 흑연체 (12)가 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질에 의해 점유된 2개 내지 50개의 오목부 (14, 14')를 나타내는 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 원통형 또는 쌍원뿔형으로 설계된 것을 특징으로 하는 흑연 전극 연결용 연결편 (10).
  14. i) 0 질량% 이상 10 질량% 미만의 섬유를 함유하는 흑연체 (12)를 제조하는 단계,
    ii) 20 질량% 초과의 섬유를 함유하는 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질을 제조하는 단계,
    iii) 흑연체 (12)를 결합제에 의해 탄소 섬유 강화된 탄소로 구성된 물질과 연결하는 단계, 및
    iv) 단계 iii)에서 얻어진 구조체를 나사절삭(threading)하는 단계
    를 포함하는, 제1항 또는 제2항에 따른 흑연 전극 연결용 연결편 (10)의 제작 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    a) 흑연체 (12)를 제조하는 단계,
    b) 흑연체 (12)를 기계 가공하여 흑연체 (12) 내에 하나 이상의 오목부 (14, 14')를 제공하는 단계,
    c) 탄소 섬유 강화된 탄소를 하나 이상의 오목부 (14, 14')의 형태로 제조하는 단계,
    d) 결합제 및 탄소 섬유 강화된 탄소를 하나 이상의 오목부 (14, 14')에 도입하는 단계,
    e) 단계 d)에서 얻어진 구조체를 열 처리하는 단계, 및
    f) 단계 e)에서 얻어진 구조체를 나사절삭하는 단계
    를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 열 처리를 단계 e)에서 100 내지 300℃의 온도에서 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 삭제
  18. 2개 이상의 흑연 전극을 포함하며, 각각의 2개의 흑연 전극이 제1항 또는 제2항에 따른 흑연 전극 연결용 연결편 (10)에 의해 서로 연결된 전극 스트링(string).
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