KR101577129B1 - 흑연 재료의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

성형 용기에 충전된 원료분의 편석의 발생, 분말의 이동에 의한 공극의 발생을 발생시키기 어렵게 함으로써, 국소적인 이방성, 밀도차의 발생을 방지하여, 균열이 일어나기 어려운 충전 공정을 갖는 흑연 재료의 제조 방법을 제공한다.
코크스와 피치를 혼련하고 분쇄하여 얻어지는 원료분을 성형 용기에 충전하는 충전 공정과, 성형 용기에 정수압을 가하여 성형체를 얻는 성형 공정과, 성형체를 소성하여 소성체를 얻는 소성 공정과, 소성체를 흑연화하여 흑연 재료를 얻는 흑연화 공정을 포함하는 흑연 재료의 제조 방법이며,
충전 공정은, 상부에 원료분을 공급하는 피더와 내부에 원료분을 일단 보유 유지하는 장벽 부재를 갖는 통상의 충전통을 성형 용기의 내부에 삽입하여 원료분을 충전하는 충전 장치에 의해 충전하는 흑연 재료의 제조 방법을 제공한다.

Description

흑연 재료의 제조 방법{A METHOD OF PRODUCING GRAPHITE MATERIAL}

본 발명은, 흑연 재료의 제조 방법에 관한 것이다.

흑연 재료는, 2000℃를 초과하는 내열성을 갖고, 화학적 안정성을 갖고 있으므로, 다양한 산업에서 이용되고 있다.

압출 성형에 의해 제조되는 흑연 재료(압출 흑연)는, 큰 재료가 용이하게 얻어지는 것이 특징이다. 그러나 압출 성형에 의해 성형되는 대직경의 압출 흑연은, 성형성을 좋게 하기 위하여, 굵어지는 것에 따라 사용하는 원료의 입자를 거칠게 하여 성형되고 있었다. 이러한 대직경의 압출 흑연은, 원재료의 입자가 거칠므로, 내부에는 큰 기공이 다수 존재하고, 기공 주변에서는 응력 집중이 일어나기 쉬워 충분한 강도가 얻어지기 어려운 문제가 있었다. 이 때문에 압출 성형에 의한 흑연 재료는, 대직경이면서 또한 고강도의 것이 얻어지기 어려운 특징의 소재이었다.

한편, 등방성 흑연재는, 미세한 원료분을 사용하여 CIP(Cold Isostatic Press) 성형하고, 소성, 흑연화하여 제조된다. 원재료를 미세하게 분쇄하고, CIP 성형 장치에 의해 등방적으로 가압하므로 조직이 미세하고 고강도의 소재가 얻어지는 것이 특징이다. 등방성 흑연재는, 주로 성형에 사용하는 CIP 성형 장치의 크기를 제조할 수 있는 크기를 제약한다. 최근들어 대형 CIP 성형 장치가 제조되게 되고, 압출 흑연보다도 고강도이고 큰 흑연 재료가 얻어지게 되었다. 이로 인해, 특히 고온의 불활성 분위기에서 사용하는 핫 프레스, 단결정 인상 장치, 각종 고온의 가열로, 열처리로 등의 장치의 고강도의 내부 부재 등으로 폭넓게 이용할 수 있게 되었다.

이러한 조직이 미세한 등방성 흑연재는, 고강도의 소재가 얻어지는 한편, 미세한 원재료를 사용하고 있으므로 원료분의 편석이 발생하기 쉬워, 제조 단계에서 깨지기 쉬운 것이 문제되고 있다.

성형 용기에 내화 배합물의 원료분을 충전할 때의 편석을 해결하기 위하여, 특허문헌 1에는 이하의 제안이 이루어져 있다.

「CIP 성형을 위하여 충전해야 할 내화 배합물(원료분) 각각의 충전회의 배합 물량을 순차 몰드(성형 용기) 내에 투입하여 충전하는 데 있어서, 중간 라이너를, 몰드 내에 배치된 심봉을 따라 상하 방향으로, 또한, 저부 라이너와 평행하게 이동 가능하게 설치하고, 이 중간 라이너를 몰드 내의 상방에 위치하게 하여 몰드 상방으로부터 투입된 배합 물량을 받고, 계속해서, 이 중간 라이너를 단계적으로 내려, 그 단계마다 투입된 배합물의 소정 분할량을 받는 것을 특징으로 하는 CIP 성형에 있어서의 배합물 충전 방법.」

이러한 충전 방법을 취함으로써, 「순차 충전되는 내화 배합물의 표면은 가압되지 않는 자유 상태에 있으므로, 다음에 충전되는 배합물과의 사이의 경계에 경계층을 형성하지 않고, 또한, 순차 충전되는 내화 배합물 내에 형성되는 편석의 정도는 매우 작은 것으로 된다.」 고 기재되어 있다.

일본 특허 공개(평)11-58350호 공보

그러나 이러한 방법에서는, 성형 용기 내의 중간 몰드를, 원료분을 충전한 후에 취출하는 것이 곤란하므로, 중간 몰드를 성형 용기 내에 남긴 채 CIP 성형해야 한다.

압력을 가해도 원료분과 같이 체적 수축되지 않는 중간 몰드 등의 지그(jig)를 성형 용기 내부에 넣은 채 성형하면, 지그는 수축되지 않으므로 지그의 근방에서는 지그의 표면에 수직 방향의 압력이 지배적이 되어, 등방성 가압을 할 수 없어 부분적인 이방성을 발생시키는 원인이 된다.

또한, 중간 라이너를 단계적으로 내릴 때에 함께 원료분이 이동한다. 이때 원료분이 고무 측벽과의 사이에서 마찰력을 받아 세로 방향으로 전단 왜곡을 받는다. 충전된 원료분이 전단 왜곡을 받으면, 충전된 원료분 내부에 일단 균열이 형성되도록 공극이 발생한다.

또한, 충전 용기 내에 심봉을 배치하고, 그대로 원료분을 충전하므로, 충전 후에 심봉을 뺄 때에 심봉 주변에 일단 공극이 발생한다.

상기와 같이, 성형 용기 내에서 원료분 등의 이동에 따라 원료분에 큰 공극이 발생하면, 흑연 재료와 같은 이방성이 높은 원재료에서는, 성형 후에 공극이 있던 개소의 주변에서 주위와 상이한 방향성의 토대가 되는 원료분의 배향 또는 밀도 편차가 생기기 쉬워져, 성형체 또는 소성체의 균열의 기점이 된다. 이상 설명한 바와 같이, 균열의 원인이 되므로 일단 충전된 흑연 재료의 원료분을 성형 용기 내부에서 이동시키는 것은 바람직하지 않다.

또한, 원료분은, 거친 분말와 미세한 분말의 충전이 되는 방법, 성분의 차로부터 편석이 발생하면, 소성 또는 흑연화 시의 수축 방법에 차가 생겨 밀도차가 형성되어, 균열의 원인이 된다.

본 발명에서는, 편석의 발생, 분말의 이동에 의한 공극의 발생을 발생시키기 어렵게 함으로써, 국소적인 이방성, 밀도차의 발생을 방지하여, 균열이 일어나기 어려운 충전 공정을 갖는 흑연 재료의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법은, 코크스와 피치(pitch)를 혼련하고 분쇄하여 얻어지는 원료분을 성형 용기에 충전하는 충전 공정과, 성형 용기에 정수압을 가하여 성형체를 얻는 성형 공정과, 성형체를 소성하여 소성체를 얻는 소성 공정과, 소성체를 흑연화하여 흑연 재료를 얻는 흑연화 공정을 포함하는 흑연 재료의 제조 방법이며,

충전 공정은, 상부에 원료분을 공급하는 피더(feeder)와 내부에 원료분을 일단 보유 유지하는 장벽 부재를 갖는 통상(筒狀)의 충전통을 성형 용기의 내부에 삽입하여 원료분을 충전하는 충전 장치에 의해 충전하는 것을 특징으로 한다.

크기가 큰 흑연 재료를 얻기 위한 성형 용기는 큰 것이 필요해진다. 큰 성형 용기에 원료분을 공기 중에서 낙하 충전하면, 다음의 이유에 의해 편석이 발생하기 쉬워지는 것을 발견하였다.

(1) 피더의 스크류에 의한 맥동 외에, 피더의 기동, 정지에 의한 원료분의 공급 불균일이 발생하기 쉬운 것.

(2) 입자 직경에 대한 공기 저항의 차로부터 낙하 속도에 차가 생긴다. 즉, 원료분의 공급 불균일이 발생하여, 원료분이 공기 중을 낙하하는 과정에서 편석이 발생하는 것.

본 발명에 따르면, 상부에 원료분을 공급하는 피더와 내부에 원료분을 일단 보유 유지하는 장벽 부재를 갖는 통상의 충전통을 성형 용기의 내부에 삽입하여 원료분을 충전하는 충전 장치에 의해 충전하고 있다. 이로 인해, 피더로부터 공급되는 원료분에 맥동이 발생해도, 충전통 내부에 있는 장벽 부재에 의해 원료분이 일단 보유 유지되고, 일정량 축적되었을 때 보유 유지된 원료분이 한데 모여 낙하하므로, 원료분의 맥동을 흡수할 수 있다.

또한, 충전통은 성형 용기의 내부에 삽입되므로, 충전통 내부의 장벽 부재로부터 성형 용기에 낙하할 때까지의 거리를 짧게 할 수 있다. 이로 인해, 충전통으로부터 낙하하는 원료분의 공기 저항에 의한 낙하 속도의 차에 의해 발생하는 편석을 최소한으로 할 수 있다.

또한, 충전 후에 충전통은 취출되어, 성형 용기 내에 지그를 남기지 않으므로, 성형 용기를 손상시키기 어려워, 흑연 재료에 이방성이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

원료분은, 성형 용기의 아래부터 순서대로 충전되어, 원료분의 공급 불균일의 영향을 받기 어려우므로 편석이 발생하기 어렵고, 충전 후에 원료분에 공극을 발생시키는 분말의 이동이 없어, 국소적으로 주위와 상이한 압력이 가해지는 개소가 생기기 어려우므로 국소적인 이방성을 형성하지 않으므로, 성형 공정, 소성 공정 또는 흑연화 공정에서의 균열을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 제조 프로세스를 나타내는 프로세스 흐름도.
도 2는 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 실시 형태 1의 충전 장치를 도시하는 설명도.
도 3은 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 실시 형태 2의 충전 장치를 도시하는 설명도.
도 4는 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 실시예 1에서 사용하는 충전 장치를 도시하는 설명도.
도 5는 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 장벽 부재에 원료분이 퇴적되어 낙하할 때까지의 모습을 도시하는 설명도.
도 6은 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 장벽 부재의 변형예를 도시하는 도면.

본 발명의 흑연 재료의 제조 방법은, 코크스와 피치를 혼련하고 분쇄하여 얻어지는 원료분을 성형 용기에 충전하는 충전 공정과, 성형 용기에 정수압을 가하여 성형체를 얻는 성형 공정과, 성형체를 소성하여 소성체를 얻는 소성 공정과, 소성체를 흑연화하여 흑연 재료를 얻는 흑연화 공정을 포함하는 흑연 재료의 제조 방법이며, 충전 공정은, 상부에 원료분을 공급하는 피더와 내부에 원료분을 일단 보유 유지하는 장벽 부재를 갖는 통상의 충전통을 성형 용기의 내부에 삽입하여 원료분을 충전하는 충전 장치에 의해 충전하는 것을 특징으로 한다.

이어서, 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 상세를 설명한다.

도 1은 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 제조 프로세스를 나타내는 프로세스 흐름도이다.

본 발명의 제조 방법의 흑연 재료의 제조 방법은 이하의 공정을 포함한다.

(S1) 코크스와 피치를 혼련하고 분쇄하여 얻어지는 원료분을 성형 용기에 충전하는 충전 공정

(S2) 성형 용기에 정수압을 가하여 성형체를 얻는 성형 공정

(S3) 성형체를 소성하여 소성체를 얻는 소성 공정

(S4) 상기 소성체를 흑연화하여 흑연 재료를 얻는 흑연화 공정

본 발명의 제조 방법의 흑연 재료의 제조 방법은 특히 충전 공정 (S1)에 그 특징이 있고, 성형 공정 (S2), 소성 공정 (S3) 및 흑연화 공정 (S4)와 조합함으로써, 국소적인 이방성, 국소적인 밀도 편차 및 편석을 방지할 수 있어 성형 공정, 소성 공정 또는 흑연화 공정에서 균열의 발생을 방지할 수 있는 충전 공정을 갖는 흑연 재료의 제조 방법을 제공할 수 있다.

다음에 각 공정에 대하여 설명한다.

<충전 공정>

본 발명의 코크스와 피치를 혼련하고 분쇄하여 얻어지는 원료분에 대하여, 구체적으로 설명한다.

본 발명의 제조 방법의 원료분을 얻기 위한 코크스는, 어느 것이든 좋으며 특별히 한정되지 않는다. 원유를 원재료로 하는 석유계 코크스, 석탄을 원재료로 하는 석탄계 코크스의 어느 것이든 이용할 수 있다. 또한 코크스는, 생 코크스일 수도 있고, 생 코크스를 하소한 칼사인드 코크스일 수도 있다.

석탄계 코크스의 경우에는 석탄 그 자체를 사용할 수도 있지만, 석탄으로부터 얻어지는 타르 피치를 코킹하여 얻어지는 석탄계 생 코크스 및 석탄계 생 코크스를 하소하여 얻어지는 석탄계 칼사인드 코크스 등을 이용할 수 있다. 타르 피치를 경유한 석탄계 코크스를 사용하면, 이물의 혼입이 없어 고순도의 흑연 재료를 얻을 수 있다.

석유계 코크스의 경우에는, 원유 잔사를 코킹하여 얻어지는 석유계 생 코크스 및 석유계 생 코크스를 하소하여 얻어지는 석유계 칼사인드 코크스 등을 이용할 수 있다.

코크스는 분쇄하여 사용할 수 있다. 분쇄된 코크스의 메디안(median) 직경은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 1 내지 40㎛의 메디안 직경으로 분쇄되어 있는 것이 바람직하다. 코크스의 메디안 직경이 1㎛ 이상이면 혼련 시에 사용하는 피치의 양을 적게 할 수 있으므로, 얻어진 원료분의 휘발분을 적게 할 수 있어, 이후의 소성 시에 균열을 발생시키기 어렵게 할 수 있다. 코크스의 메디안 직경이 40㎛ 이하이면, 얻어지는 흑연 재료의 기공의 크기를 작게 할 수 있으므로, 기공 주변에서의 응력 집중이 일어나기 어려워, 고강도의 흑연 재료를 얻을 수 있다. 더욱 바람직한 메디안 직경의 범위는 5 내지 20㎛이다. 코크스의 메디안 직경이 5㎛ 이상이면 혼련 시에 사용하는 피치의 양을 더 적게 할 수 있으므로, 얻어진 원료분의 휘발분을 더 적게 할 수 있어, 이후의 소성 시에 균열을 발생시키기 어렵게 할 수 있다. 코크스의 메디안 직경이 20㎛ 이하이면, 얻어지는 흑연 재료의 기공의 크기를 더 작게 할 수 있으므로, 기공 주변에서의 응력 집중이 일어나기 어려워, 더 고강도의 흑연 재료를 얻을 수 있다.

메디안 직경이란, 50 부피％ 누적 직경을 나타내고, 레이저 회절식 입도 측정 장치로 측정할 수 있다.

코크스의 분쇄는 어느 방법으로든 행할 수 있다. 건식 분쇄, 습식 분쇄 모두 좋지만, 이후의 건조가 불필요하므로 건식 분쇄가 이용하기 더 쉽다. 건식 분쇄는 어느 분쇄기로 분쇄해도 좋다. 분쇄기로서는, 예를 들어 해머 밀, 핀 밀, 롤러 밀, 제트 밀 등을 이용할 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.

본 발명의 제조 방법의 원료분을 얻기 위한 피치는, 어느 것이든 좋으며 특별히 한정되지 않는다. 원유를 원재료로 하는 석유계 피치, 석탄을 원재료로 하는 석탄계 코크스 모두 이용할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 원료분을 얻기 위한 피치의 연화점은, 특별히 한정되지 않는다. 피치는 연화점에 따라 연피치, 중피치, 경피치 등으로 분류되지만, 모두 이용할 수 있다. 연피치는 연화점이 70℃ 이하, 중피치는 연화점이 70 내지 85℃, 경피치는 연화점이 85℃ 이상이다. 본 발명의 원료분을 얻기 위한 피치의 바람직한 연화점의 범위는 60 내지 150℃이다. 피치의 연화점이 60℃ 이상이면 고분자량의 성분이 많이 포함되어 있어 탄화 수율이 높으므로, 소성 시에 분해 가스의 발생이 적어 균열을 발생시키기 어렵게 할 수 있다. 피치의 연화점이 150℃ 이하이면 혼련 공정에서 충분히 용융시킬 수 있어, 코크스 입자의 표면을 피치가 덮도록 혼련할 수 있다. 이로 인해, 원료분의 점결성을 확보할 수 있어, 성형 공정, 소성 공정에 있어서 강하게 결합되어, 균열을 발생시키기 어렵게 할 수 있다.

본 명세서에 있어서, 점결성이란, 특히 석탄 및 탄소계 재료에 사용되는 용어이다. 점결성이란, 연화 상태를 거쳐 탄화할 수 있는 성질을 나타내고, 연화 상태에 있어서는 점착성을 갖고 있으므로 서로 결합할 수 있어, 소성 단계에서는 탄소화되어 바인더로서의 기능을 갖고 있다.

본 발명의 제조 방법의 피치와 코크스의 혼련의 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 다음과 같이 하여 행할 수 있다.

분쇄된 코크스를 니더(kneader)에 투입한다. 니더의 온도는, 투입하는 피치의 연화점 이상으로 가열된다. 가열은, 코크스를 투입하기 전에 미리 가열되어 있을 수도 있고, 코크스를 투입한 후에 가열할 수도 있다.

이어서 피치를 투입한다. 피치는, 연화점 이상으로 가열된 용융 피치일 수도 있고, 가열되지 않은 고형 피치일 수도 있다. 고형 피치는, 플레이크상 피치, 괴상 피치 등이 있다. 피치와 코크스의 투입 순서는 특별히 한정되지 않지만, 피치와 코크스와 동시일 수도 있고, 코크스의 투입 후에 피치를 투입할 수도 있다.

피치를 투입한 후, 니더에 의해 혼련하면, 코크스의 분말에 피치가 피복된다. 얻어진 피치와 코크스의 혼련물을 니더로부터 배출한다.

다음에 상기 혼련물을 분쇄함으로써 원료분을 얻을 수 있다. 상기 혼련물의 분쇄는, 건식 분쇄로 행할 수 있다. 얻어지는 원료분의 메디안 직경은 코크스의 메디안 직경보다도 큰 것이 바람직하다. 원료분의 입자는, 코크스가 피치에 의해 피복되고, 코크스가 복수개 결합되어 구성되어 있으므로, 얻어지는 원료분의 메디안 직경을 코크스의 메디안 직경보다도 커지도록 분쇄함으로써, 피치에 덮인 코크스의 표면이 노출되는 것을 방지하여, 점결성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 원료분의 바람직한 메디안 직경은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 5 내지 50㎛이다. 원료분의 메디안 직경이 5㎛ 이상이면 성형체를 구성하는 원료분의 간극이 크므로 소성할 때에 발생하는 분해 가스가 빠지기 쉬워, 균열을 발생시키기 어렵게 할 수 있다. 원료분의 메디안 직경이 50㎛ 이하이면, 원료분이 결합되어, 탄화, 흑연화되어 얻어지는 흑연 재료의 기공을 작게 할 수 있으므로, 기공 주변에서 응력 집중이 일어나기 어려워, 고강도의 흑연 재료를 얻을 수 있다. 원료분의 더욱 바람직한 메디안 직경은 15 내지 40㎛이다. 원료분의 메디안 직경이 15㎛ 이상이면 성형체를 구성하는 원료분의 간극이 크므로 소성할 때에 발생하는 분해 가스가 더 빠지기 쉬워, 더 균열을 발생시키기 어렵게 할 수 있다. 원료분의 메디안 직경이 40㎛ 이하이면, 원료분이 결합되어, 탄화, 흑연화되어 얻어지는 흑연 재료의 기공을 더 작게 할 수 있으므로, 기공 주변에서 응력 집중이 일어나기 어려워, 더 고강도의 흑연 재료를 얻을 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 원료분을 얻기 위한 코크스 및 피치의 종류, 코크스의 분쇄, 코크스를 분쇄하는 분쇄기의 종류, 코크스의 메디안 직경, 혼련의 방법, 혼련물의 분쇄 방법, 혼련물을 분쇄하는 분쇄기의 종류, 원료분의 메디안 직경에 대하여 어떻게 조합시켜도 좋으며, 적절히 조합 원료분으로서 사용할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 성형 용기에 대하여 설명한다.

본 발명의 제조 방법의 성형 용기는, 다음 공정인 성형 공정에서 사용하기 위한 용기이며, 원료분을 내부에 충전하고, 액체의 압력 매체를 사용한 CIP 성형 장치에 의해 정수압을 가함으로써 성형체를 얻을 수 있다. 이로 인해, 성형 용기는, 기밀성을 구비하고, 자유롭게 변형할 수 있는 유연성을 구비한 재질로 구성되어 있다.

본 발명의 제조 방법의 성형 용기의 재질은 수지 재료인 것이 바람직하고, 예를 들어 고무, 엘라스토머, 폴리올레핀, 폴리에스테르 등을 사용할 수 있다. 성형 용기의 두께는, 압력 매체의 침입을 방지할 수 있으면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 0.1 내지 30㎜의 두께의 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 성형 용기는 덮개를 씌워서 밀봉할 수 있다. 성형 용기를 덮개로 덮어 밀폐함으로써, CIP 성형 장치 내에서 내부로 압력 매체가 침입되는 것을 방지할 수 있다. 이 때문에 충전된 원료분은, 압력 매체에 접촉하지 않고 성형되어, 성형체를 구성할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 성형 용기의 크기는 특별히 한정되지 않지만, 특히 크기가 큰 흑연 재료의 제조에 적절하게 적용할 수 있다. 예를 들어, 성형 용기의 높이는 1000 내지 3000㎜, 원주상의 캐비티(cavity)를 갖는 성형 용기인 경우, 내경은 예를 들어 500 내지 2500㎜, 입방체의 캐비티를 갖는 성형 용기인 경우, 저면이 직교하는 2개의 변 각각의 길이는 예를 들어 500 내지 2000㎜이며, 저면이 직교하는 2개의 변 각각의 길이는, 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 성형 용기는, 상측에 개구를 갖고, 위로부터 원료분을 충전할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 성형 용기는 자립이 곤란하면 금속, 수지 등의 컨테이너에 삽입하여 사용할 수도 있다. 컨테이너에 삽입함으로써, 성형 용기가 중력에 의해 변형되는 것을 방지할 수 있고, 또한 충전된 원료분의 압력에 의해 성형 용기의 하부가 팽창되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 성형 용기의 밀봉 방법은, 어떤 방법이든 좋으며, 특별히 한정되지 않는다. 점착 테이프에 의해 밀봉하는 방법, 성형 용기 및 덮개에 각각 플랜지(flange)를 구비하고, O링으로 밀봉하는 방법, 성형 용기와 덮개를 접착하는 방법, 성형 용기와 덮개를 겹치게 하여, 고무 밴드 등의 조임구에 의해 조이는 방법 등 어떤 방법으로든 이용할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 충전 장치에 대하여 설명한다.

원료분은 다양한 입자 직경의 입자가 모여서 구성되고, 단일 피크의 입도 분포를 갖는 것은 아니다. 또한, 원료분은 코크스를 함유하고 있다. 코크스는 배향성이 높으므로 분쇄되면 인편상, 침상으로 분쇄되기 쉬워, 종횡비가 높아진다. 이러한 특징을 갖는 원료분을 공기 중에서 낙하시키면, 공기 저항의 작용으로, 미세한 입자, 종횡비가 큰 입자는 천천히 낙하하고, 큰 입자, 종횡비가 작은 입자는 빨리 낙하한다. 이러한 작용은, 낙하하는 높이가 높아질수록 현저하게 일어나기 쉬워진다. 이 때문에 높이가 큰 성형 용기에서는, 이러한 낙하 속도의 차가 일어나기 쉬운 요인을 가지고 있다.

또한, 코크스와 피치를 혼련하여 얻어지는 원료분은, 거친 입자와 미세한 입자를 비교하면 바인더가 되는 피치의 비율이 상이하여, 편석이 일어나면, 코크스와 피치의 비율에 편차가 생기기 쉬워진다. 특히 미세한 원료분의 입자는, 코크스의 입자가 작고 비표면적이 크므로, 피치의 비율이 높아, 이후의 소성 공정에서 분해 가스를 발생하기 쉽다. 이로 인해, 미세한 원료분의 입자가 모인 영역이 편재되면, 얻어지는 흑연 재료는, 분해 가스를 발생하기 쉬운 영역이 편재되고, 벌크 밀도의 편차가 생기기 쉬워진다. 또한, 바인더가 되는 피치의 많은 영역이 편재되므로, 소성 수축 및 흑연화 수축에 편차가 생기기 쉬워진다. 이들 편차는 균열의 원인이 된다.

피더로부터 성형 용기에 공급되는 원료분은 항상 연속적으로 공급되는 것은 아니다.

원료분의 공급이 도중에 중단된 경우에 원료분의 낙하 속도의 차에 의해 편석이 일어나기 쉬워진다. 또한, 원료분의 공급에 맥동이 있는 경우에도 원료분의 낙하 속도의 차에 의해 편석이 일어나기 쉬워진다.

피더로부터 성형 용기에 공급되는 원료분이 연속적으로 공급되지 않는 경우는, 예를 들어 충전의 개시 시에 충전 장치를 기동하는 경우, 충전의 종료 시에 충전 장치를 정지하는 경우, 저장 탱크 내에서의 원료분의 브리지 현상, 충전 장치 등의 트러블에 의해 피더를 일시 정지한 경우, 피더의 회전이 느려, 원료분의 공급이 맥동하고 있는 경우 등을 들 수 있다. 피더는 스크류, 버킷 등 반송 수단에 의해 구성되어 있다. 이들 반송 수단은, 일정량의 원료분을 복수회로 나누어 원료분을 반송하므로, 원료분의 맥동이 현저해진다. 스크류를 사용한 피더의 경우에는, 원료분이 스크류의 블레이드에 의해 운반되므로, 블레이드의 진행 방향에 대하여 전방측과 후방측을 비교하면, 전방측에서는 원료분이 많이 존재하여, 블레이드의 진행 방향에 대하여 전방측과 후방측의 원료분의 양의 차가 맥동의 원인이 된다.

브리지 현상이란, 원료분의 입자끼리 탱크의 출구에서 아치 구조를 형성하여 폐색되어, 분체가 배출구로부터 배출되지 않는 현상을 가리킨다.

본 발명의 제조 방법의 충전 장치는, 상부에 원료분을 공급하는 피더와 내부에 원료분을 일단 보유 유지하는 장벽 부재를 갖는 통상의 충전통을 상기 성형 용기의 내부에 삽입하여 원료분을 충전하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조 방법의 충전통은, 성형 용기에 충전되는 원료분이 편석을 일으키지 않도록 원료분을 혼합하는 작용 (1)과, 원료분의 낙하하는 높이를 작게 하는 작용 (2)를 갖는다. 이들 기능에 대하여 순서대로 설명한다.

(1) 원료분을 혼합하는 작용

본 발명의 제조 방법의 충전통은, 상부에 원료분을 공급하는 피더를 갖고, 공급된 원료분이 충전통 내부를 낙하한다. 낙하된 원료분은, 충전통 내부의 장벽 부재에 일단 보유 유지되고, 충전통 하부의 개구로부터 낙하한다. 충전통 내부의 장벽 부재에 일단 보유 유지된 원료분의 층은, 먼저 낙하된 입자는 하층측, 지연되어 낙하된 입자는 상층측에 퇴적되도록 구성된다. 원료분이 연속적으로 공급되지 않으면, 거칠거나 또는 종횡비가 작은 원료분이 모이기 쉬운 층과, 미세하거나 또는 종횡비가 큰 원료분이 모이기 쉬운 층이 형성되어, 장벽 부재 위에 편석이 발생한다. 그러나 장벽 부재에 대한 원료분의 퇴적이 많아지면, 그때까지 퇴적된 원료분과 함께 낙하하고, 혼합됨으로써 장벽 부재 위에서 형성되어 있던 편석이 해소된다.

(2) 원료분의 낙하하는 높이를 작게 하는 작용

본 발명의 제조 방법의 충전통은, 성형 용기의 개구로부터 내부에 삽입되어 충전되므로, 원료분의 낙하하는 높이를 낮출 수 있다.

충전통의 내부의 장벽 부재로부터 낙하하는 원료분이, 피더와 장벽 부재간의 공기 저항에 의해 발생한 편석을 장벽 부재에 의해 해소하고 있다. 장벽 부재로부터 낙하된 원료분은, 충전 용기의 내부에 하측부터 충전된다. 충전통은, 성형 용기의 개구로부터 내부에 삽입되어 충전되므로, 원료분이 충전 용기 내부를 낙하하는 높이를 낮출 수 있어, 이 사이에서의 공기 저항에 의한 편석의 영향을 작게 할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 충전 장치는, 이상 설명한 2개의 작용에 의해, 충전 용기에 충전되는 원료분의 편석을 작게 할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 충전 장치는, 지그 등을 성형 용기의 내부에 남기지 않으므로 취출할 필요가 없고, 또한 충전 용기 아래부터 원료분을 충전하므로, 충전하면서 성형 용기 내부에서 원료분을 이동시키지 않는다. 이로 인해, 성형 용기 내부에서의 원료분의 이동에 의한 원료분에 큰 공극을 발생시키지 않는다. 큰 공극을 형성하지 않으므로, 성형 후에 큰 공극이 형성된 개소에서 이방성 편차 또는 밀도 편차가 생기지 않아, 성형체 또는 소성체의 균열을 발생시키기 어렵게 할 수 있다.

본 발명에 있어서 큰 공극이란, 원료분의 입자의 겹쳐지는 간극에 형성되는 공극이 아니라, 원료분의 입자 직경에 대하여, 압도적으로 큰 공극을 나타낸다. 이러한 큰 공극으로서는, 예를 들어 충전된 원료분의 내부에 존재하는 물체를 빼거나, 이동했을 때에 형성되는 공극 등이 있다. 이러한 공극은, 분말의 압력으로 찌부러져 원료분 입자의 배향된 흔적이 된다. 구체적으로는,

(1) 충전된 원료분의 내부에 매립된 막대를 뺄 때에, 막대의 말단부에 형성되는 단부면의 형상의 공극이 이동하여 선(線)상의 흔적을 형성하는 경우,

(2) 충전된 원료분의 내부를 끈이 이동하여, 끈이 통과한 후의 선상의 공극이 면(面)상의 흔적을 형성하는 경우,

(3) 충전된 원료분에 힘이 가해져 변형됨으로써 땅의 갈라짐과 같이 공극이 형성된 후에 찌부러져, 땅의 갈라짐 형상의 흔적을 형성하는 경우

등을 들 수 있다. 이들 흔적은, 공극이 찌부러질 때에 공극을 경계로 비연속 상태를 형성하고 있으므로, 원료분이 배열되는 방향성이 연속되지 않아, 이후의 소성 공정, 흑연화 공정에서 균열의 원인이 된다. 또한, 큰 공극이 충분히 찌부러지지 않으면, 공극 주위에서 원료분의 조밀이 발생하여 성형 공정에 충분히 압력이 가해지지 않아, 벌크 밀도 편차의 원인이 된다. 벌크 밀도 편차가 있으면, 성형 공정, 소성 공정 또는 흑연화 공정에서 왜곡이 발생하기 쉬워져 내부 응력에 의해 균열의 원인이 된다.

본 발명의 제조 방법의 충전 장치는 승강기를 더 갖고, 원료분을 충전하면서, 승강기가 성형 용기에 대한 충전통까지의 높이를 상승시키는 것이 바람직하다. 승강기가 성형 용기에 대한 충전통까지의 높이를 상승시키므로, 충전 개시부터 종료까지 동안, 충전통으로부터 낙하하는 원료분의 높이를 낮게 억제할 수 있어, 장벽 부재로부터 낙하한 후에 일어나는 편석을 억제할 수 있다.

승강기가 성형 용기에 대한 충전통까지의 높이를 상승시킨다는 것은, 상대적인 높이를 의미하고, 승강기는 충전통을 상승시키는 기능을 갖고 있을 수도 있고, 성형 용기를 하강시키는 기능을 갖고 있을 수도 있다.

또한, 승강기의 성형 용기에 대한 충전통까지의 높이를 상승시키는 속도는, 원료분의 충전되는 속도에 따라 설정할 수 있다. 예를 들어, 승강기가 유압 실린더에 의해 동작하는 경우에는, 유량 제어 밸브 등에 의해 상승하는 속도를 제어할 수 있다.

승강기는 연속적으로 동작할 수도 있고, 간헐적으로 동작할 수도 있다.

본 발명의 제조 방법의 충전 장치는, 성형 용기에 충전된 원료분의 양을 검출하는 검출기를 더 갖고, 검출기가 검출하는 성형 용기에 충전된 원료분의 양에 연동하여, 승강기가 성형 용기에 대한 충전통까지의 높이를 상승시키는 것이 바람직하다.

원료분은 성형 용기에 충전됨과 함께, 성형 용기의 내에서의 높이가 서서히 높아진다.

검출기 및 승강기를 구비함으로써, 검출기로부터 발해지는 성형 용기 내에서의 원료분의 높이의 정보에 연동하여, 승강기에 의해 성형 용기 내의 원료분과 충전통의 거리를 일정하게 유지할 수 있다. 이러한 기구에 의해, 충전통으로부터의 원료분의 낙하하는 높이를 작게 유지할 수 있다. 이로 인해, 충전통으로부터 낙하하는 원료분을 편석이 일어나기 어렵게 할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 검출기는 특별히 한정되지 않지만, 로드셀(load cell), 거리계 등을 이용할 수 있다. 검출기로 로드셀을 사용한 경우에는, 충전된 원료분의 질량을 원료분의 동적 벌크 밀도와 성형 용기의 저면의 면적으로 나눔으로써 충전된 원료분의 높이를 산출할 수 있다. 검출기로 거리계를 사용한 경우에는, 충전된 분말의 높이를 직접 측정할 수 있다. 거리계로서는, 레이저 거리계, 초음파 거리계, 마이크로파 거리계 등을 이용할 수 있다. 승강기가 성형 용기에 대한 충전통까지의 높이를 상승시키는 기구는, 충전통을 상승시키는 기구, 성형 용기를 하강시키는 기구 모두 좋으며 특별히 한정되지 않는다. 승강기로서는, 충전통에는 상부에 원료분을 공급하는 피더를 갖고 있으므로, 성형 용기를 하강시키는 기구를 적용하는 편이 전체 구성을 간단하게 할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 장벽 부재에 대하여 설명한다. 피더로부터 공급된 원료분이 장벽 부재 위에 낙하되어, 장벽 부재 표면과의 마찰력으로 일단 퇴적된다. 원료분이 더 낙하되면, 장벽 부재 위의 퇴적량이 증가되어, 퇴적된 원료분의 표면의 경사각이 커진다. 원료분의 표면의 경사각이 안식각(angle of repose)을 초과하고, 또한 장벽 부재와의 마찰력으로 원료분을 보유 유지할 수 없게 되면 원료분은, 장벽 부재로부터 단번에 낙하한다. 이때, 편석되면서 퇴적된 원료분이 혼합된다. 원료분의 안식각은, 예를 들어 30 내지 40°이다.

본 발명의 제조 방법의 장벽 부재의 상면의 경사각은 20 내지 60°인 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법의 장벽 부재의 상면의 경사각이 20° 미만이면 원료분의 안식각보다 대폭 작으므로, 항상 장벽 부재 위에 퇴적되어 낙하되지 않는 원료분이 많아진다.

또한 바람직한 본 발명의 제조 방법의 장벽 부재의 상면의 경사각은 30° 이상이다. 장벽 부재의 상면의 경사각이 30° 이상이면 원료분의 안식각에 가까우므로, 장벽 부재 위에 퇴적된 원료분이 낙하할 때에 한데 모여 낙하하기 쉬워져, 항상 장벽 부재 위에 퇴적되어 낙하되지 않는 원료분을 적게 할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 장벽 부재의 상면의 경사각이 60°를 초과하면, 장벽 부재에 원료분이 퇴적되기 어려워져, 편석을 해소하는 작용이 작아진다.

또한 바람직한 본 발명의 제조 방법의 장벽 부재의 상면의 경사각은 50° 이하이다. 장벽 부재의 상면의 경사각이 50° 이하이면 장벽 부재 위에 원료분이 퇴적되기 쉬워져, 편석을 해소하는 작용을 크게 할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 장벽 부재의 상면은, 평면상일 수도 있고 곡면일 수도 있으나, 곡면인 경우에는, 장벽 부재의 상면의 경사각이 20 내지 60°인 부분을 갖고 있으면 된다. 더욱 바람직하게는 장벽 부재의 상면의 경사각이 30° 이상 또는 50° 이하인 부분을 갖고 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법의 장벽 부재는 복수로 이루어지는 것이 바람직하다. 장벽 부재가 복수로 이루어지면, 장벽 부재로부터의 원료분의 낙하가 개개의 장벽 부재마다 분할되어 일어나므로, 장벽 부재로부터의 성형 용기 내에 원료분이 낙하할 때의 맥동을 완화시킬 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 장벽 부재는, 고정되어 있을 수도 있고, 진동, 회전 또는 요동하는 기구를 구비하고 있을 수도 있다. 진동, 회전 또는 요동하는 기구를 구비하고 있으면, 장벽 부재 위에 퇴적된 원료분의 낙하를 촉진하여, 장벽 부재에 부착되는 원료분을 적게 할 수 있다. 진동, 회전 또는 요동하는 기구를 구비하고 있는 경우에는, 원료분을 낙하하기 쉽게 할 수 있다. 진동, 회전 또는 요동하는 기구는, 항상 동작할 수도 있고, 간격을 두고 동작할 수도 있다. 간격을 두고 동작하는 경우는, 동작하지 않는 동안은 원료분을 퇴적시키고, 동작하고 있는 동안은 원료분의 낙하를 촉진시킬 수 있다. 간격을 두고 동작하는 경우에는, 개개의 장벽 부재가 동시에 동작하는 것이 아니고 교대 또는 순서대로 동작하는 편이 바람직하다. 교대 또는 순서대로 동작함으로써, 장벽 부재가 발생시키는 원료분의 맥동을 작게 할 수 있어, 편석을 보다 일어나기 어렵게 할 수 있다. 장벽 부재가, 진동, 회전 또는 요동하는 기공을 구비하고 있는 경우에는, 장벽 부재의 상면의 경사각이 20 내지 60°인 시간대를 갖고 있으면 된다. 더욱 바람직하게는 장벽 부재의 상면의 경사각이 30° 이상 또는 50° 이하인 시간대를 갖고 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법의 충전통의 개구에 대하여 장벽 부재가 투영되는 면적은, 특별히 한정되지 않지만, 40 내지 90％인 것이 바람직하다. 상기 장벽 부재가 투영되는 면적이 40％ 이상이면 피더로부터 낙하하는 원료분이, 장벽 부재에 퇴적되어 일단 보유 유지되기 쉬워져, 피더로부터의 원료분의 맥동을 흡수하여, 편석의 발생을 저감시키기 쉽게 할 수 있다. 상기 장벽 부재가 투영되는 면적이 90％ 이하이면, 피더로부터 낙하하는 원료분이 충전통 내에서 낙하하는 경로를 충분히 확보할 수 있으므로, 폐색되지 않고 원활하게 충전할 수 있다. 장벽 부재가 복수 존재하는 경우에는, 충전통의 개구에 대하여 장벽 부재가 투영되는 면적이란, 복수 존재하는 장벽 부재 모두가 동시에 투영되는 면적이다.

<성형 공정>

본 발명의 제조 방법의 성형 공정에서는, 충전 공정에서 성형 용기에 충전된 원료분이 정수압을 가함으로써 성형되어, 성형체가 얻어진다.

성형 공정에서는, 압력 용기 내에서 물 등의 압력 매체에 가압되는 CIP 성형 장치에 성형 용기를 넣고 성형할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 성형 용기는, CIP 성형 장치 내에서 압력 매체가 침입되지 않도록 덮개로 덮음으로써, 성형 용기에 충전된 원료분이 밀봉된다.

본 발명의 제조 방법의 성형의 압력은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 10 내지 500MPa로 가압함으로써 원료분이 성형되어 성형체가 형성된다. 성형 압력이 10MPa 이상이면 높은 벌크 밀도의 성형체가 얻어져, 치밀한 흑연 재료를 얻을 수 있다. 또한 성형 압력이 500MPa로 될 때까지 충분히 높은 벌크 밀도의 성형체가 얻어진다. 성형체는 소성의 과정에서, 바인더 성분의 분해 가스가 기공으로부터 외부로 빠짐으로써 탄화가 촉진된다. 성형 압력이 500MPa를 초과해도 성형체의 바인더 성분이 연화되면서 분해되어 기공을 형성하므로, 벌크 밀도가 상승하기 어려워, 성형 압력이 500MPa를 초과해도 얻어지는 흑연 재료의 벌크 밀도가 상승하기 어려워진다고 생각되어진다.

CIP 성형 장치에 의해 압력이 가해진 성형 용기는, CIP 성형 장치로부터 취출된 후, 개봉된다. 개봉된 성형 용기로부터는 성형체가 취출된다.

CIP 성형 장치는, 액체의 압력 매체를 사용하여 등방적으로 가압하므로, 흑연 재료의 특성의 이방비를 작게 할 수 있는 특징이 있다.

<소성 공정>

본 발명의 제조 방법의 소성 공정에서는, 성형체를 소성하고, 바인더인 피치를 탄화시킴으로써 소성체가 얻어진다.

이후의 흑연화 공정도 마찬가지로 가열하는 공정이지만, 소성 공정은 휘발분을 제거하기 위하여 천천히 가열하고, 흑연화 공정은 고온에서 처리하여, 흑연의 결정화를 촉진하기 위하여 신속하게 가열한다. 소성 공정에서 성형체를 가열하기 위한 에너지 밀도와 흑연화 공정에서 소성체를 가열하기 위한 에너지 밀도는 크게 상이하므로, 일반적으로는 각각 전용로에서 가열된다. 소성 공정에서는, 성형체를 탄화하여, 소성체를 얻을 때까지 가열하면 되므로, 연소에 의한 가열, 전기에 의한 가열 등 열원은 특별히 한정되지 않고 에너지 밀도가 낮은 연소에 의한 가열에도 적용할 수 있다. 한편, 이후의 흑연화 공정은, 높은 온도까지 가열할 필요가 있으므로, 전기를 사용하여 가열된다. 에너지 밀도가 낮은 연소에 의한 가열에서는, 따뜻해진 배기 가스에 의해 에너지를 폐기해 버리므로 높은 온도를 얻지 못하므로 흑연화에는 적합하지 않다.

본 발명의 제조 방법의 소성 공정은 어떤 발열체를 사용한 로에서든 이용할 수 있다. 연소로, 전기로 등 특별히 한정되지 않는다. 연소로를 이용하는 경우, 연료는, 특별히 한정되지 않고 천연 가스, 프로판 가스, 일산화탄소, 중유 등 어떤 것이든 이용할 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 소성 공정의 소성 온도는, 특별히 한정되지 않지만, 700 내지 1500℃인 것이 바람직하다. 소성 온도가 700℃ 이상이면 성형체로부터 충분히 휘발분이 빠지므로 탄화가 진행되어, 기공이 형성되어 분해 가스가 빠지기 쉬워지는 데다가 소성체의 열전도율이 높아지므로, 이후의 흑연화 공정에서 급속하게 가열해도 깨지기 어렵게 할 수 있다. 소성 온도가 1500℃를 초과하면, 에너지의 손실이 커진다. 그 이유를 이하에 설명한다. 소성 온도가 1500℃ 이하인 소성체는, 충분히 휘발분이 빠져, 기공이 형성되어 있으므로, 흑연화 공정으로 분해 가스가 충분히 빠지기 쉬워지는 데다가 충분히 탄화가 진행되어, 소성체의 열전도율이 충분히 높게 되어 있다. 1500℃를 초과하는 온도에서 소성한 경우에서는, 가스가 빠지기 쉽고, 소성체의 열전도율의 온도에 대한 변화는 작아지므로, 에너지를 가하여 더욱 높은 온도에서 소성해도, 이후의 흑연화 공정에서 소성하기 쉽게 하기 위한 효과는 작아져, 1500℃를 초과하여 가열해도 그 만큼의 에너지가 손실된다.

본 발명의 제조 방법의 소성 공정은, 성형체가 산화되지 않으면 어떤 분위기에서든 소성할 수 있다. 소성 분위기는, 예를 들어 진공, 환원 분위기, 불활성 가스 분위기 등 어느 분위기이든 좋다. 환원성 분위기로서는, 탄화수소 가스, 일산화탄소, 수소 등을 들 수 있다. 불활성 가스 분위기는, 예를 들어 질소, 아르곤 등을 들 수 있다.

본 발명의 제조 방법의 소성 공정의 승온 속도는, 특별히 제한되지 않는다. 성형체의 크기가 커질수록 표면과 내부의 온도차를 완화시켜 깨지기 어렵게 하기 위하여, 천천히 소성하는 것이 바람직하다. 예를 들어 두께가 400㎜인 성형체이면, 0.2 내지 4℃/hr로 소성할 수 있다.

최고 온도에 도달한 소성체는, 분위기를 진공, 환원 분위기 또는 불활성 가스 분위기를 유지한 채 방냉되며, 냉각하고 나서 취출되는 것이 바람직하다.

본 명세서에 있어서 소성 온도란, 소성 공정에서의 최고의 처리 온도이다.

<흑연화 공정>

본 발명의 제조 방법의 흑연화 공정에서는, 소성 공정에서 탄화된 소성체를 가열하여 흑연화한다.

본 발명의 제조 방법의 흑연화 공정은, 어떤 흑연화로를 사용하여 흑연화해도 좋다. 예를 들어, 아체슨(Acheson)로, 유도로 등을 이용할 수 있다. 이러한 흑연화로에서는, 주위를 단열재에 의해 둘러싸고, 중심부에 소성체를 채우고 가열한다. 또한, 저항 히터를 사용한 머플로 등으로도 흑연화할 수 있다. 저항 히터로서는, 흑연 발열체, 텅스텐 발열체 등을 들 수 있다.

탄화된 소성체는, 대부분의 휘발분이 제거되어, 가열해도 거의 분해 가스는 나오지 않는다. 이로 인해, 소성체를 둘러싼 단열재에 타르 등이 부착되지 않고 흑연화시킬 수 있다. 또한, 소성 온도가 낮은 소성체 또는 성형체를 흑연화로에서 가열하면, 분자량이 큰 분해 가스가 발생하여, 타르가 되어 단열재 등에 부착되어 탄화된다. 단열재에 부착된 타르의 탄화물은 단열재끼리를 결합하므로, 단열성이 나빠진다.

본 발명의 제조 방법의 흑연화 공정의 흑연화 온도는, 특별히 한정되지 않지만, 2000℃ 이상인 것이 바람직하다. 흑연화 온도가 2000℃ 이상이면 소성체를 구성하는 탄소가 충분히 결정화되어, 가공성, 도전성, 전열성을 구비한 흑연 재료를 얻을 수 있다. 흑연화 온도가 2000℃ 미만에서는, 탄소질의 재료가 얻어져, 단단하고, 열전도율은 낮고, 도전성이 낮아진다. 또한, 본 발명의 제조 방법의 흑연화 공정의 흑연화 온도는, 특별히 한정되지 않지만, 3500℃ 이하인 것이 바람직하다. 흑연의 승화 온도는 3650℃ 정도이므로, 흑연화 온도가 3500℃ 이하이면, 흑연화가 행해지고 있는 흑연의 증기압을 낮게 유지할 수 있다. 이로 인해, 흑연화로 중에서 흑연화가 진행된 소성체의 표면으로부터 승화하는 흑연이 적어, 흑연 재료의 표면의 변질을 적게 할 수 있다.

흑연화의 승온 속도는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 소성체의 결정화가 진행되지 않은 1000℃ 이하에서는, 10 내지 100℃/hr로 승온할 수 있다. 소성체의 결정화가 진행되기 시작하는 1000℃를 초과하는 온도에서는, 예를 들어 30 내지 200℃/hr로 승온할 수 있다.

본 명세서에 있어서 흑연화 온도란, 흑연화 공정에서의 최고의 처리 온도이다.

이하에 구체적인 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 실시 형태 1 및 실시 형태 2에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 실시 형태 1의 충전 장치를 도시하는 설명도이다.

원료분(1)은, 상부의 탱크(8)에 충전되고, 피더(4)에 의해 충전통(3) 상부로 유도된다. 피더가 회전함으로써, 충전통(3)의 상부로부터 원료분이 충전통(3)의 내부에 낙하되어, 충전통(3) 내부에 배치되어 있는 장벽 부재(5)에 일시 보유 유지된 후, 성형 용기(2) 중에 낙하된다. 이때에, 장벽 부재(5)가 원료분의 편석을 해소하도록 작용하고, 충전통(3)이 성형 용기(2) 내에 삽입되어 있으므로 충전통으로부터 낙하하는 원료분은 공기의 작용으로 분리되기 어려워 편석을 일어나기 어렵게 할 수 있다.

장벽 부재는 4매의 플랫 바를 포함하고, 상면의 경사각은 45°이다.

성형 용기(2)에 충전된 원료분(1)과, 충전통(3)의 거리를 충전통 측면에 설치된 검출기(7)가 검지하고, 충전통(3)의 하단과 성형 용기(2) 내에 충전된 원료분(1)의 상단의 간격을 일정하게 유지하도록 승강기(6)에 의해 충전통(3)을 상승시킨다. 이때, 충전통(3)에 연결된 피더(4), 탱크(8)도 동시에 상승한다. 검출기는, 초음파 거리계이며, 충전통 하단부터, 충전된 원료분의 정상부까지의 거리를 일정하게 유지하도록 승강기를 제어한다.

도 3은 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 실시 형태 2의 충전 장치를 도시하는 설명도이다. 실시 형태 2는, 실시 형태 1의 충전 장치와 검출기(7), 승강기(6)의 구조가 상이하고, 나머지 부분은 동일한 구조이다. 실시 형태 2의 검출기는, 성형 용기(2)를 계량하는 저울이며, 승강기(6)는 충전통(3)측이 아니라 성형 용기(2)측을 승강시킬 수 있다. 승강기(6)는, 검출기가 계량하는 원료분의 질량에 따라 성형 용기(2)를 하강시킬 수 있어, 충전통(3) 하단부터, 성형 용기(2)에 충전된 원료분의 정상부까지의 거리를 일정하게 유지하도록 승강기(6)를 제어한다.

도 5는 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 장벽 부재(5)에 원료분이 퇴적되어 낙하될 때까지의 모습을 도시하는 설명도이다. (a)는, 아무것도 실려 있지 않은 상태의 장벽 부재를 나타낸다. 크기는, 예를 들어 폭 100㎜, 두께 12㎜인 플랫 바를 포함하고, 경사각은 45°이며 원료분의 안식각보다도 크다. 크기, 형상, 수량, 경사각은 특별히 한정되지 않는다. (b)는 충전통의 상부로부터 원료분(1)이 낙하하여, 장벽 부재의 상면에 퇴적되기 시작한 상태를 나타낸다. 장벽 부재의 하측의 단에서는 곧바로 원료분이 낙하하지만, 그 외의 부분에서는 장벽 부재 표면과의 마찰력에 의해 원료분이 보유 유지된다. (c)는 원료분이 더 퇴적된 상태를 나타낸다. 그 이상 원료분이 퇴적되면 장벽 부재 표면과의 마찰력으로 보유 유지할 수 없게 되어 무너지게 된다. (d)는 원료분(1)이 더 퇴적되어, 장벽 부재 표면과의 마찰력으로 원료분을 보유 유지할 수 없게 되고, 퇴적된 원료분의 표면의 경사각이 안식각을 초과하고 있으므로, 원료분이 장벽 부재의 하측의 단으로부터 단번에 낙하하는 모습을 나타낸다. 이때 원료분은, 그때까지 퇴적된 원료분과 함께 낙하되어 혼합된다. 낙하하는 분말의 순서는, 장벽 부재의 하측의 단에 가까운 측부터 낙하하므로, 피더로부터 낙하해 온 순서대로 낙하하는 것은 아니다. 이로 인해, 피더의 맥동, 충전의 개시, 정지에 의해 발생하는 원료분의 편석은 장벽 부재에 의해 해소된다.

도 6은 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 장벽 부재의 변형예를 나타낸다. 모두 충전통의 측방으로부터 보았을 때의 단면도이다. (a)는 장벽 부재가 1매인 경우, (b)는 장벽 부재 5매가 수평 방향으로 배열되어 동일한 방향으로 경사져 있는 경우, (c)는 수평 방향으로 배열된 5매의 장벽 부재가 각각 상이한 방향으로 경사져 있는 경우, (d)는 수평 방향으로 배열된 5매의 장벽 부재의 상부에 교대로 되도록 수평 방향으로 배열된 4매의 장벽 부재를 더 갖고 있는 경우, (e)는 수평 방향으로 배열된 5매의 장벽 부재가 각각 진동하고 있는 경우, (f)는 수평 방향으로 배열된 5매의 장벽 부재가 각각 길이 방향을 축으로 하여 회전하고 있는 경우를 나타낸다.

본 발명의 장벽 부재는, (a) 내지 (f)에 기재된 장벽 부재를 조합하여 사용할 수 있다. 구체적으로는, 장벽 부재의 수, 경사지는 각도, 상하 방향의 단수, 진동의 유무, 진동의 주기, 진동의 진폭, 회전의 유무, 회전 수, 요동의 유무, 요동의 주기, 요동의 각도 등의 조합은 특별히 한정되지 않고 적절히 조합하여 적용할 수 있다.

이하에, 본 발명의 제조 방법에 대하여, 실시예, 비교예의 순으로 기재한다.

실시예 1

<충전 공정>

원료분으로서, 이하의 것을 사용한다. 메디안 직경 15㎛로 분쇄된 석탄계 코크스, 타르 피치를 가열한 니더를 사용하여 혼련하고, 얻어진 혼련물을 분쇄하여, 메디안 직경 25㎛의 원료분으로 한다.

원료분을 충전하는 성형 용기를 준비한다. 성형 용기는 덮개로 덮어 밀봉할 수 있다. 성형 용기의 내측 치수는 400×600×1800(높이)㎜인 직육면체의 캐비티를 갖고 있다. 성형 용기, 덮개 모두 고무제이다.

도 4는 본 발명의 흑연 재료의 제조 방법의 실시예 1에서 사용하는 충전 장치를 도시하는 설명도이다.

원료분을, 하기에 설명하는 도 4의 충전 장치(10)를 사용하여, 성형 용기(2)에 충전한다. 충전 장치(10)는, 상부에 원료분을 저장하는 탱크(8)를 갖고, 스크류를 포함하는 피더(4)에 의해 충전통(3)의 상부에 공급된다. 충전통(3)의 상부에 도달한 원료분(1)은, 충전통(3) 내에 낙하한다. 충전통(3)의 굵기는 φ250이며, 하단 250×400의 개구를 갖는 후드가 설치되어 있다. 충전통(3) 내에는 폭 60㎜의 플랫 바를 포함하는 장벽 부재(5)가 경사가 30°로 되도록 3개 구비되어 있다.

성형 용기(2)의 개구부로부터는, 충전통(3)이 안까지 삽입되어 있다. 성형 용기(2)는, 일정 속도로 하강하는 승강기(6)를 갖고 있다. 이 기구에 의해, 성형 용기(2)에 대한 충전통(3)의 높이를 대략 일정하게 유지하면서 상승시킬 수 있다.

원료분의 충전은, 피더(4)를 회전시켜, 원료분을 충전통(3)의 상부로부터 투하함과 함께, 승강기(6)로 충전 용기를 천천히 하강시키면서 충전한다. 충전 용기를 천천히 하강시킴으로써 충전 용기에 대한 충전통까지의 높이를 천천히 상승시켜, 성형 용기 상단까지 원료분을 충전한다. 충전 도중에, 저장 탱크 중에서는 원료분의 특성으로부터의 브리지 현상이 일어나기 쉬워, 피더로부터는 단속적으로 원료분이 투하된다.

<성형 공정>

충전 공정에 의해 원료분이 충전된 성형 용기에 덮개를 씌우고, 고무 밴드를 사용하여 밀폐한다.

충전 용기채 CIP 성형 장치에 반입하고, 액체의 압력 매체를 CIP 성형 장치에 압입함으로써 가압한다. CIP 성형 장치는 100MPa의 압력을 가하여 가압한다. 가압 후, 서서히 가압 매체를 빼냄으로써 감압하고, 감압 후, CIP 성형 장치로부터 성형 용기를 반출한다.

반출된 성형 용기로부터 덮개를 제거하고, 원료분이 성형된 성형체를 성형 용기로부터 취출한다.

<소성 공정>

성형 공정에 의해 얻어진 성형체를 스테인리스제의 소성캔에 채우고, 스테인리스제의 덮개를 덮는다.

덮개를 덮은 소성캔을 가스로에 채워 소성한다. 소성캔에 채워진 성형체를 승온 속도 1.5℃/hr로 900℃까지 가열한다. 냉각 후, 소성캔을 가스로로부터 취출한다. 소성캔 안은, 성형체가 소성되어, 소성체가 된다.

<흑연화 공정>

소성 공정에 의해 얻어진 소성체를, 벽면이 단열재로 덮인 아체슨로에 채우고, 인조 흑연을 포함하는 힐분(詰粉)을 위부터 씌워 덮고, 소성체의 상부 및 소성체 사이에 힐분을 충전한다. 아체슨로의 양단의 흑연 전극으로부터 소성체 및 소성체 사이의 입상체를 통과하도록 전류를 흘려, 저항 발열시켜 흑연화한다. 가열을 위한 전류는, 소성체의 온도 영역에 따라 전환되며, 1200℃까지는 15℃/hr로 되는 정도의 전류로 가열하고, 2500℃까지는, 30℃/hr로 되는 정도의 통전에 의해 가열한다. 1200℃를 초과하면, 소성체의 열수축이 진정되어, 승온 속도를 빨리 해도 깨지기 어려워지므로, 아체슨로로부터의 방열에 대항하여, 신속하게 최고 온도(흑연화 온도)에 도달하도록 아체슨로의 전원의 능력을 최대한 사용하고 가열하여 열량을 충분히 크게 하여 흑연화한다.

흑연화 온도에 도달한 후, 통전을 정지하고 자연 방열한다. 자연 방열에 의해 냉각된 상부의 힐분으로부터 서서히 제거한다. 아체슨로의 내부에는, 소성체가 흑연화되어 얻어진 흑연 재료가 얻어지고 있다. 자연 방열에 의해 냉각된 상부의 힐분으로부터 서서히 제거하면 흑연 재료의 상면이 노출되게 된다. 상면이 노출된 흑연 재료는 주걱에 의해 취출할 수 있다.

실시예 1에 준하여 제조된 흑연 재료는, 성형 공정, 소성 공정, 흑연화 공정의 어느 공정에서든 균열은 발생하지 않았다.

(비교예 1)

충전 공정이 상이한 흑연 재료를 형성하기 위하여 충전 공정 이외는 실시예 1의 제조 공정에 따라 제조를 진행시킨다.

<충전 공정>

실시예 1과 동일한 원료분을 동일한 성형 용기에 충전한다. 충전은, 저장 탱크로부터 피더에 의해 공급되고, 피더로부터 낙하된 원료분은, 직접 성형 용기에 투입된다. 피더로부터 원료분이 낙하하면 원료분의 미세한 분진이 부유하여, 공기의 저항을 받으면서 천천히 침강한다. 도중에, 저장 탱크 중에서는 원료분의 브리지 현상이 일어나, 피더로부터는 단속적으로 원료분이 투하된다. 저장 탱크의 브리지 현상에 의해 피더로부터의 원료분의 공급이 멈추어 있는 동안, 부유된 원료분의 분진이 성형 용기 내에 침강하여, 입자 직경이 미세한 원료분의 층이 형성된다.

<성형 공정>

실시예 1의 성형 공정과 마찬가지로 CIP 성형 장치를 사용하여 성형체를 얻는다.

<소성 공정>

실시예 1의 소성 공정과 마찬가지로 소성캔에 채우고, 가스로를 사용하여 소성하여, 소성체를 얻는다.

<흑연화 공정>

실시예 1의 흑연화 공정과 마찬가지로 아체슨로에 채우고, 통전하여 흑연 재료를 얻는다.

비교예 1에 준하여 제조된 흑연 재료는 소성 단계에서 균열이 발생했다. 소성체에는, 충전 공정의 수평 방향을 따라 균열은 발생하고 있었다. 균열의 위치는 충전 시에 형성된 입자 직경이 미세한 원료분의 층에 대응하고 있다고 생각되어진다.

(비교예 2)

비교예 1과 마찬가지로 흑연 재료를 제조한다. 비교예 2에서는 균열의 발생을 방지하기 위하여, 충전 후에 성형 용기 내의 원료분에 형성된 입자 직경이 미세한 원료분의 층을 파괴하는 편석 파괴 조작을 행하는 것이 비교예 1과의 차이다.

이하에 비교예 2의 제조 방법과, 충전 공정에서의 편석 파괴 조작의 구체적인 설명을 행한다.

<충전 공정>

실시예 1과 동일한 원료분을 동일한 성형 용기에 충전한다. 성형 용기의 바닥에는, φ16㎜의 철의 환봉으로 형성한 400×600㎜의 격자상의 지그를 미리 가라앉혀 둔다. 격자상의 지그의 격자의 크기는 한 변이 100㎜이다.

충전은, 저장 탱크로부터 피더에 의해 공급되고, 피더로부터 낙하된 원료분은 직접 성형 용기에 투입된다. 피더로부터 원료분이 낙하되면 원료분의 미세한 분진이 부유하여, 공기의 저항을 받으면서 천천히 침강한다. 도중에, 저장 탱크 중에서는 원료분의 브리지 현상이 일어나기 쉬워, 피더로부터는 단속적으로 원료분이 투하된다. 저장 탱크의 브리지 현상에 의해 피더로부터의 원료분의 공급이 멈추어 있는 동안은 부유된 원료분의 분진이 성형 용기 내에 침강하여, 입자 직경이 미세한 원료분의 층이 형성된다.

다음에, 편석 파괴 조작을 실시한다. 구체적으로는, 충전 후, 격자상의 지그를 성형 용기의 바닥으로부터 인상함으로써, 성형 용기 내에서 형성된 입자 직경이 미세한 원료분의 층을 파괴한다.

<성형 공정>

실시예 1의 성형 공정과 마찬가지로 CIP 성형 장치를 사용하여 성형체를 얻는다.

<소성 공정>

실시예 1의 소성 공정과 마찬가지로 소성캔에 채우고, 가스로를 사용하여 소성하여, 소성체를 얻는다.

<흑연화 공정>

실시예 1의 흑연화 공정과 마찬가지로 아체슨로에 채우고, 통전하여 흑연 재료를 얻는다.

비교예 2에 준하여 제조된 흑연 재료는 소성 단계에서 균열이 발생했다. 소성체의 충전 시의 상면에는, 격자상의 균열이 형성되어 있었다. 충전 후에, 성형 용기의 바닥에 미리 가라앉혀 둔 격자상의 지그를 인상함으로써 입자 직경이 미세한 원료분의 층을 파괴할 수는 있었지만, 충전된 원료분 내를 격자상의 지그가 통과함으로써, 종횡비가 높은 원료분이 재배열되어, 강도적으로 약한 결함을 형성했다고 생각되어진다.

실시예 1에서는, 상부에 원료분을 공급하는 피더와 내부에 원료분을 받는 장벽 부재를 갖는 충전통을 성형 용기의 내부에 삽입하여 원료분을 충전하는 본 발명의 충전 장치를 사용하고 있다. 이로 인해, 피더로부터 공급되는 원료분에 맥동이 발생해도, 충전통 내부에 있는 장벽 부재에 의해 원료분이 일단 보유 유지되고, 일정량 축적되었을 때 보유 유지된 원재분이 한데 모여 낙하하므로, 원료분의 맥동을 흡수할 수 있다.

또한, 충전통은 성형 용기의 내부에 삽입되므로, 충전통 내부의 장벽 부재부터 성형 용기에 낙하할 때까지의 거리를 짧게 할 수 있다. 이로 인해, 충전통으로부터 낙하하는 원료분의 공기 저항에 의한 낙하 속도의 차에 의해 발생하는 편석을 최소한으로 할 수 있어 편석에 의한 균열의 발생을 방지할 수 있는 것이 확인되었다.

이에 반하여, 비교예 1에서는, 피더로부터 원료분을 성형 용기에 직접 투하하고 있다. 이로 인해, 피더로부터 공급되는 원료분의 맥동을 흡수할 수 없어, 편석이 일어나고, 편석에 의한 균열이 발생하고 있는 것이 확인되었다.

또한, 비교예 2에서는, 성형 용기의 내부에 격자상의 지그를 가라앉힌 후 충전하고, 충전 후 취출하고 있으므로, 취출할 때에 원료분에 이방성을 발생시켜, 균열의 원인이 되고 있는 것이 확인되었다.

1: 원료분
2: 성형 용기
3: 충전통
4: 피더
5: 장벽 부재
6: 승강기
7: 검출기
8: 탱크
10: 충전 장치

Claims (5)

1. 코크스와 피치(pitch)를 혼련하고 분쇄하여 얻어지는 원료분을 성형 용기에 충전하는 충전 공정과, 상기 성형 용기에 정수압을 가하여 성형체를 얻는 성형 공정과, 상기 성형체를 소성하여 소성체를 얻는 소성 공정과, 상기 소성체를 흑연화하여 흑연 재료를 얻는 흑연화 공정을 포함하는 흑연 재료의 제조 방법이며,
   상기 충전 공정은, 상부에 상기 원료분을 공급하는 피더(feeder)와 내부에 원료분을 일단 보유 유지하는 장벽 부재를 갖는 통상(筒狀)의 충전통을 상기 성형 용기의 내부에 삽입하여 원료분을 충전하는 충전 장치에 의해 충전하고,
   상기 충전 장치는 승강기를 갖고, 상기 원료분을 충전하면서, 상기 승강기가 성형 용기에 대한 충전통까지의 높이를 상승시키는 것을 특징으로 하는, 흑연 재료의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 충전 장치는, 상기 성형 용기에 충전된 원료분의 양을 검출하는 검출기를 더 갖고, 상기 검출기가 검출하는 성형 용기에 충전된 원료분의 양에 연동하여, 상기 승강기가 성형 용기에 대한 충전통까지의 높이를 일정하게 유지하도록 상승시키는 것을 특징으로 하는, 흑연 재료의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 장벽 부재의 상면의 경사각은 20 내지 60°인 것을 특징으로 하는, 흑연 재료의 제조 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 장벽 부재는 복수로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 흑연 재료의 제조 방법.
5. 삭제

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