KR20020092371A - 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀 및 이의 제조 방법 - Google Patents

탄소 전극을 연결시키기 위한 핀 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀을 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀을 제조하는 방법은 소성 코크스(calcined coke), 액체 피치(pitch) 결합제 및 중간상 피치로부터 유도된 탄소 섬유를 배합하여 핀스톡 블렌드(pinstock blend)를 형성시키는 단계; 핀스톡 블렌드를 압출시켜 미가공 핀스톡을 형성시키는 단계; 미가공 핀스톡을 베이킹하여 탄화된 핀스톡을 형성시키는 단계 및 탄화된 핀스톡을 약 18시간 이하 동안 약 2500℃ 이상의 온도에서 유지시키므로써 탄화된 핀스톡을 그라파이트화시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 방법에 의해 제조된 핀에 관한 것이다.

Description

탄소 전극을 연결시키기 위한 핀 및 이의 제조 방법 {PIN FOR CONNECTING CARBON ELECTRODES AND PROCESS THEREFOR}
탄소 전극, 특히 그라파이트 전극은 전열식 로(electrothermal furnace)에서 철강을 제조하는데 사용되는 금속 및 기타 성분을 용융시키기 위해 철강 산업에 사용되고 있다. 금속을 용융시키는데 필요한 열은, 다수의 전극, 일반적으로 세개의 전극을 통해 전류를 흐르게 하고, 전극과 금속 사이에 아크(arc)를 형성시키므로써 생성된다. 100,000암페어 초과의 전류가 종종 사용된다. 이로 인한 높은 온도는 금속 및 기타 성분을 용융시킨다. 일반적으로, 강철로에 사용되는 전극은 각각 전극 칼럼, 즉 결합되어 단일 칼럼을 형성시키는 일련의 개별적인 전극으로 이루어진다. 이러한 방식으로 전극이 열적 공정 동안에 고갈됨에 따라 상기 노에 연장되는 칼럼의 길이를 유지하기 위해 대체 전극이 칼럼에 결합될 수 있다.
일반적으로, 전극은 인접 전극의 말단을 결합시키는 작용을 하는 핀(때로는 "닙플(nipple)"이라 함)을 통해 칼럼에 결합된다. 일반적으로, 핀은 대립하는 수나사부의 형태를 취하며, 전극의 하나 이상의 말단은 핀의 수나사부와 쌍을 이룰 수 있는 암나사부를 포함한다. 따라서, 핀의 각각의 대립하는 수나사부는 두 전극의 말단에 있는 암나사부에 쓰레딩되는 경우, 이들 전극은 전극 칼럼에 결합된다. 통상, 인접하는 전극의 결합된 말단 및 이 사이의 핀은 당해 "조인트(joint)"로서 언급된다.
조인트(및 사실상 전체적으로 전극 칼럼)가 극단적인 열적 스트레이트를 받게 되는 경우, 전극 칼럼 또는 개개의 전극의 손상 또는 파괴를 피하기 위해서는 열팽창율과 같은 기계적 인자가 신중히 맞춰져야 한다. 예를 들어, 특히 전극의 열팽창보다 더 큰, 핀의 종방향(즉, 핀/전극/전극 칼럼의 길이를 따라) 열팽창은 강제적으로 조인트를 분리시켜 전극 칼럼의 효율을 감소시킬 수 있다. 전극의 열팽창보다 과다한, 핀의 소정의 횡방향(즉, 핀/전극/전극 칼럼의 직경을 가로지르는) 열팽창은 핀과 전극 간의 단단한 연결을 형성시키기에 바람직할 수 있으나, 핀의 횡방향 열팽창이 전극의 열팽창보다 크게 초과하는 경우에는 전극이 크랙킹(cracking) 또는 스플릿팅(splitting)의 형태로 손상이 일어날 수 있다. 다시, 이것은 전극 칼럼의 효능을 감소시킬 수 있거나, 손상이 너무 심각하여 조인트를 사용할 수 없게 되는 경우라면 심지어 칼럼의 파괴를 초래할 수 있다. 따라서, 종방량 및 횡방향 둘 모두에서의 핀의 열팽창율의 조절이 가장 중요하다.
전극과 같은 벌크 그라파이트 생성물의 특정 특성을 개선시키기 위해 중간상피치 기재 탄소 섬유를 사용하고 있는 문헌이 있다. 예를 들어, 싱어(Singer)의 미국 특허 제 4,005,183호는 중간상 피치 기재 섬유의 제조에 대해 기술하고 있으며, 이들의 낮은 전기 저항으로 인해 이들 섬유가 그라파이트 전극의 제조시 충전제로서 사용될 수 있음을 나타내고 있다. 루이스(Lewis) 및 싱어의 영국 특허 제 1,526,809호에서는, 50중량% 내지 80중량%의 탄소 섬유가 20 내지 50중량%의 피치 결합제에 첨가된 후, 압출되어 그라파이트화될 수 있는 탄소 아티팩트(artifact)를 형성한다. 형성된 물품은 비교적 낮은 종방향 열팽창을 나타낸다.
미국 특허 제 4,998,709(Griffin et al.)호에서는 압출 블렌드 중에 포함되는 중간상 피치 기재 탄소 섬유로 그라파이트 닙플(즉, 핀)을 제조하므로써 전극 핀의 과도한 종방향 열팽창에 의한 문제점을 해결하고자 하였다. 상기 그리핀(Griffin) 등에 의해 사용된 탄소 섬유는 영율(Young's Modulus)이 55 x 106psi(pounds per square inch)보다 크며, 블렌드 중에 약 8 내지 20중량%로 존재한다. 이 블렌드는 압출되고, 베이킹된 후, 약 5 내지 14일 동안 그라파이트화되어 닙플을 제조한다. 그리핀 등의 공정에 의해 제조된 닙플이 종방향으로의 열팽창 계수(CTE)의 감소를 나타내지만, 이들 닙플은 또한 바람직하지 않은 횡방향으로 CTE 증가, 전기 내성에서의 증가 및 파괴율 증가를 보인다. 또한, 그라파이트화 시간이 통상의 제조에 유리한 시간과 비교하여 지나치게 길다.
그러므로, 횡방향 CTE 또는 저항 및 파괴율에 악영향을 미치지 않으면서 종래의 핀과 비교하여 종방향에서의 CTE가 감소된 탄소 전극을 연결시키는 핀이 요망된다. 특히, 5일의 그라파이트화 기간을 필요로 하지 않는 공정에 의해 제조되는 핀이 바람직하다. 또한, 고가 재료를 다량 사용하지 않으면 이러한 특성상 이점을 달성하는 것이 매우 바람직하다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀을 제조하는 방법으로서, 핀이 종래의 핀과 비교하여 감소된 종방향 열팽창 계수를 가짐을 특징으로 하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀을 제조하는 방법으로서, 횡방향 CTE에 실질적인 악영향을 미치지 않고 또한 파괴율을 증가시키지 않으면서 종래 핀과 비교하여 감소된 종방향 열팽창 계수를 가짐을 특징으로 하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀을 제조하는 방법으로서, 5일보다 현저히 짧은 그라파이트화 시간을 필요로 하는, 종래 핀과 비교하여 감소된 종방향 열팽창 계수를 가짐을 특징으로 하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적 및 하기 명세서를 숙지한 당업자들에게 자명한 그 밖의 목적은 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀을 제조하는 방법으로서, 소성 코크스, 액체 피치 결합제 및 중간상 피치로부터 유도된 탄소 섬유를 배합하여 핀스톡 블렌드(pinstock blend)를 형성시키는 단계; 핀스톡 블렌드를 압출하여 미가공 핀스톡을 형성시키는단계; 미가공 핀스톡을 베이킹하여 탄소화된 핀스톡을 형성시키는 단계 및 2500℃ 이상의 온도를 가열하므로써 탄소화된 핀스톡을 그라파이트화시키고, 이것을 약 18시간 이하로 상기 온도에서 유지시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 달성될 수 있다.
상기 방법에서, 탄소 섬유는 바람직하게는 100중량부의 소성 코크스에 대해 약 0.5 내지 약 5중량부, 또는 전체 혼합 성분의 약 0.4중량% 내지 약 4.0중량%의 수준으로 존재하고, 그라파이트화 후의 영율은 약 40 x 106psi이고, 평균 직경은 약 6 내지 약 15마이크론이고, 길이는 약 1/6인치 내지 약 1인치이다. 매우 유리하게는, 탄소 섬유는 핀스톡 블렌드에 다발(bundle)로서 첨가되며, 각각의 다발은 약 2000 내지 약 20,000개의 섬유를 포함한다. 미가공 핀스톡의 베이킹은 바람직하게는 비산화 또는 환원 분위기에서 약 700 내지 약 1000℃의 온도에서 수행되며, 그라파이트화는 보다 바람직하게는 약 2500 내지 약 3400℃의 온도에서 수행된다.
본 발명은 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀 및 신규한 핀을 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 소성 코크스, 피치 및 중간상 피치(mesophase pitch)로부터 유도된 탄소섬유(carbo fiber)의 블렌드(blend)를 가공하므로써 형성된 그라파이트(graphite) 전극과 같은 탄소전극을 연결시키기 위한 핀에 관한 것이다.
상기 기재된 바와 같이, 그라파이트 전극을 연결시키기 위한 핀은 먼저 소성 코크스, 피치 및 중간상 피치 기재 탄소 섬유를 핀스톡 블렌드로 혼합하므로써 제조된다. 보다 구체적으로, 압쇄되고, 사이징되고, 분쇄된, 소성된 석유 코크스가 코올-타르(coal-tar) 피치 블렌드와 혼합되어 블렌드를 형성한다. 소성 코크스의 입도는 전극의 사용 용도에 따라 선택되고, 당해 기술에 포함된다. 일반적으로, 강철을 가공하는데 사용하기 위한 그라파이트 전극에 있어서, 평균 직경이 약 25mm이하인 입자가 블렌드 중에 사용된다. 블렌드에 저수준으로 혼입될 수 있는 다른 성분으로는 퍼핑(puffing)(코크스 입자 내측의 탄소와의 결합으로부터 황의 이탈로 인한)을 억제하기 위한 철 산화물 및 블렌드의 압출을 용이하게 하기 위한 오일 또는 그 밖의 윤활제가 포함된다.
또한, 블렌드에는 중간상 피치 기재 탄소 섬유가 포함된다. 이러한 섬유는 적어도 부분적으로 액정으로 변형된, 즉 중간상으로 일컬어지는 상인 피치로부터 생성된다. 사용되는 상기 섬유는 유리하게는 영율(탄화 후)이 약 15 x 106psi 내지 약 40 x 106psi이어야 한다. 바람직하게는, 평균 직경이 약 6 내지 약 15마이크론이고, 인장 강도가 약 200 x 103psi 내지 약 400 x 106pai이고, 평균 길이가 약 1/6인치 내지 약 1인치이다. 매우 유리하게는, 상기 섬유는 사이징을 사용하여 압축되어 다발당 약 2000 내지 20,000개의 섬유를 함유하는 다발로서 블렌드에 첨가된다.
상기 기재된 바와 같이, 블렌드에 포함되는 탄소 섬유는 중간상 피치를 기재로 한다. 중간상 피치는 방향족 중유 스트림, 에틸렌 크랙커 타르(ethylene cracker tar), 석탄 유도체, 석유 열성(thermal) 타르, 유체 크랙커 잔류물 및 340 내지 약 525℃의 비등 범위를 갖는 압력 처리된 방향족 증류물과 같은 공급원료로부터 제조될 수 있다. 중간상 피치의 제조는 예를 들어, 본원에 참고문헌으로 인용되는 루이스 등의 미국 특허 제 4,017,327호에 기재되어 있다. 일반적으로, 중간상 피치는 화학적으로 불활성인 분위기(질소, 아르곤, 크세논, 헬륨 등과 같은)하에서 공급원료를 약 350 내지 500℃의 온도로 가열하므로써 형성된다. 화학적 불활성 기체는 중간상 피치의 형성을 용이하게 하도록 가열 동안에 공급원료를 통해 버블링될 수 있다. 탄소 섬유의 제조를 위해, 중간상 피치는 400℃ 미만, 보통 약 350℃미만의 연화점, 즉, 중간상 피치가 변형되기 시작하는 온도를 가져야 한다. 피치가 연화점이 높은 경우, 목적하는 물성을 갖는 탄소 섬유의 형성이 어렵게 된다.
중간상이 제조되면, 용융 방사, 원심분리 방사, 블로우(blow) 방사 또는 당업자들에게 익숙한 그 밖의 공정에 의해서와 같이 공지된 공정에 의해 목적하는 직경의 필라멘트로 방사된다. 방사는 본 발명의 핀을 제조하는데 사용하기에 적합한 탄소 섬유를 생성시킨다. 이후, 필라멘트는 피치의 연화점 이하의 온도(그러나, 일반적으로 250℃보다는 높은)에서 열경화된 후, 매우 고온에서 약 1000℃ 이상에 유사하게, 몇몇 경우에서는 약 3000℃ 정도로 높게, 보다 일반적으로는 약 1500℃ 내지 1700℃에서 처리되어 섬유를 탄화시킨다. 탄화 공정은 적어도 약 0.5분 동안 아르곤 기체와 같은 불활성 분위기에서 일어난다. 보다 일반적으로, 탄화는 약 1 내지 25분의 체류 시간을 사용한다. 이후, 섬유는 길이로 절삭되어 다발로 형성된다. 기재된 바와 같이 다발로 된 섬유는 구입할 수 있다(BP/Amoco Company of Alpharetta, Georgia and Mitsubishi Chemical of Tokyo, Japan으로부터).
탄소 섬유는 바람직하게는 소성 코크스의 100중량부당 약 0.5 내지 약 6중량부의 수준으로 블렌드에 포함된다. 매우 바람직하게는, 탄소 섬유는 코크스 100중량부당 약 1.25 내지 5중량부의 수준으로 존재한다. 전체로서 블렌드에 있어서,탄소 섬유는 약 1중량% 내지 약 5중량%의 수준으로 혼입된다.
소성 코크스, 피치 결합제, 탄소 섬유 등의 블렌드가 제조된 후, 핀체(pin body)가 미가공 핀스톡으로서 언급되는 것을 형성시키기 위해 다이(die)를 통해 압출되어 형성(또는 성형)되거나, 종래의 성형 몰드에서 몰딩된다. 압출을 통해서 든지 몰딩을 통해서 든지 성형은 보통 약 100℃ 이상의 피치의 연화점에 근접한 온도에서 수행된다. 다이 또는 몰드가 사실상 최종 형태 및 크기로 핀을 형성시킬 수 있지만, 적어도 필요할 수 있는 나사를 제공하기 위해 최종 핀의 기계 처리가 요구되는 것이 일반적이다. 명백한 것으로서, 상기 핀은 전극 칼럼으로 결합되는 전극의 직경보다 작은 직경을 가지도록 사이징된다. 일반적으로, 핀의 직경은 전극 직경의 약 30% 내지 약 60%이다. 따라서, 직경이 약 15 내지 30인치로 다양할 수 있는 전극에 대해서, 핀의 직경은 약 4.5 내지 약 18인치이다.
압출 후, 미가공 핀스톡은 핀 형태의 영구성, 높은 기계적 강도, 우수한 열전도도 및 비교적 낮은 전기 내성을 제공하기 위해 약 700 내지 약 1100℃, 보다 바람직하게는 약 800 내지 약 1000℃의 온도에서 베이킹되므로써 열처리되어 피치 결합체를 고체 코크스로 탄화시킨다. 미가공 핀스톡은 산화를 피하기 위해 공기가 상대적으로 부재하는 조건 하에서 베이킹된다. 베이킹은 최종 온도까지 시간당 약 1 내지 약 5℃의 비율로 수행되어야 한다. 베이킹 후, 핀은 코올 타르 또는 석유 피치 또는 산업상 공지된 다른 유형의 피치로 1회 이상 함침되어 핀의 개방 포어(pores)에 추가의 피치 코크스를 침착시킬 수 있다. 각각의 함침 이후에는 추가의 베이킹 단계가 따른다.
베이킹 후, 이 단계에서 탄화된 핀스톡으로서 언급되는 핀이 그라파이트화된다. 그라파이트화는 소성 코크스 및 피치 코크스 결합제 중의 탄소 원자가 불량한 질서 상태로부터 그라파이트의 결정 구조로 변형시키기에 충분한 시간 동안 약 2500 내지 약 3400℃의 최종 온도로의 열처리에 의한다. 유리하게는, 그라파이트화는 탄화된 핀스톡을 약 2700℃ 이상, 보다 유리하게는 약 2700 내지 약 3200℃의 온도에서 유지시키므로써 수행된다. 이러한 고온에서, 탄소 이외의 원소는 휘발되어 증기로서 빠져 나간다. 본 발명의 공정을 사용하는, 그라파이트화 온도에서의 유지 시간은 약 18시간 이하, 실제로는 약 12시간 이하이다. 바람직하게는 그라파이트화는 약 1.5 내지 약 8시간이다.
기재된 바와 같이, 그라파이트화가 완료되면, 완성된 핀이 절삭되어 사이징된 후, 기계처리되거나, 그렇지 않는 경우에는 최종 형상으로 성형된다. 일반적으로, 핀은 중간부로부터 어느 한 말단으로 테이퍼링된(tapered) 후, 탄소 전극의 말단에 상응하는 나사와 짝을 이루도록 핀의 어느 한 말단에 나사가 기계처리되어 전극 칼럼을 형성한다.
본 발명에 따라 제조된 핀은 탄소 섬유없이 제조된 핀과 비교하여 종방향 CTE에서 상당한 감소를 나타냈다. 본 발명에 따른 핀은 횡방향 CTE 또는 특이적 저항에서의 상당한 증가가 동시에 수반되지 않고, 상업적으로 불리한 그라파이트화 시간을 필요로 하지 않으면서, 굴곡 강성(flexural strength)(즉, 파괴율)에서의 증가 및 영율에서의 증가를 나타냈다.
하기 실시예는 본 발명의 추가로 예시하고 설명하기 위해 제시되는 것이며어떠한 관점에서도 제한하지 않는 것으로 이해해야 한다. 다르게 명시하지 않는 한, 모든 부 및 %는 중량에 의한 것이며, 기재된 공정의 특정 단계에서의 생성물의 중량에 기초한다.
실시예 I
미쯔비시 케미칼 컴패니(Mitsubishi Chemical Company of Tokyo, Japan)로부터 입수한 등급 K 223-SE로서 명시된 중간상 피치 기재 탄소 섬유의 다발을 사용하여 실시하였다. 상기 섬유는 평균 직경이 10마이크론이고, 영율이 30 x 106psi이고, 평균 인장 강도가 340 x 103psi였다. 상기 섬유를 사이징하여 약 12,000개 섬유의 다발로 압축하고 1/4 인치 길이로 잘랐다.
섬유 다발을 원통형 믹서에서 소성 코크스 입자 및 코울 타르 결합제 피치와 블렌딩하였다. 브렌드는 소성 코크스 100중량부당 피치 32중량부당 4.5중량부의 탄소 섬유를 함유하였다. 약 1중량부의 산화철을 코크스 퍼핑을 억제하기 위해 첨가하고, 약 1중량부의 오일을 압출 보조물질로서 첨가하였다. 전체 블렌드 중의 섬유의 중량%는 3.2%였다.
상기 성분들을 약 160℃까지 가열하면서 약 1시간 동안 블렌딩한 후, 약 110℃에서 317mm 직경의 핀스톡으로 압출하였다. 이 핀스톡을 공기로부터 보호되는 분위기 하에서 2℃/hr의 비율로 800℃로 베이킹한 후, 피치로 함침시키고, 800℃로 다시 베이킹한 후, 2차 함침시키고, 다시 베이킹하였다. 이후, 탄화된 핀스톡을그라파이트화 노에서 약 2700℃로 가열하고, 약 5시간 동안 약 2700℃보다 높게 유지시켰다.
대조군으로서, 상기 동일 성분 및 공정 매개변수를 사용하여 동일한 방식으로 핀스톡을 형성시키나, 어떠한 탄소 섬유도 첨가하지 않았다.
탄소 섬유가 첨가된 핀스톡 및 탄소 섬유가 첨가되지 않은 핀스톡으로부터 얻어진 그라파이트 성질이 표 I에 요약되어 있다.
표 I
탄소 섬유가 첨가된 핀스톡(3.2%) 탄소 섬유가 첨가되지 않은 핀스톡
종방량 CTE/℃(30-110℃) -1.8 x 10-7 0.8 x 10-7
횡방향 CTE/℃(30-110℃) 18.9 x 10-7 18.8 x 10-7
굴곡 강도(MPa) 24.9 22.3
영율(GPa0 19.6 16.9
특이적 저항(마이크로-옴-m) 3.74 3.67
밀도(g/cc) 1.624 1.650
상기로부터 알 수 있드시, 3.2중량%의 탄소 섬유 첨가는 횡방향 CTE 또는 특이적 저항에 대해 악영향을 전혀 미치지 않으면서, 종방향 CTE에서 상당한 감소와 굴곡 강도에서의 증가를 이끌었다.
실시예 II
BP/아모코 컴패니(BP/Amoco Company of Alpharetta, Georgia)로부터 입수한 등급 GPX인 토르넬 카본 피버스(Thornel Carbon Fibers)로서 명시된 중간상 피치 기재 탄소 섬유의 다발을 사용하여 실시하였다. 상기 섬유는 평균 직경이 11마이크론이고, 영율이 23 x 106psi이고, 평균 인장 강도가 212 x 103psi였다. 상기 섬유를 사이징하여 약 4000개 섬유의 다발로 압축하고 1/4 인치 길이로 잘랐다.
섬유 다발을 원통형 믹서에서 소성 코크스 입자 및 코울 타르 결합제 피치와 블렌딩하였다. 브렌드는 소성 코크스 100중량부당 피치 32중량부당 2중량부의 탄소 섬유를 함유하였다. 약 1중량부의 산화철을 코크스 퍼핑을 억제하기 위해 첨가하고, 약 1중량부의 오일을 압출 보조물질로서 첨가하였다. 전체 블렌드 중의 섬유의 중량%는 1.5%였다.
상기 성분들을 약 160℃까지 가열하면서 약 1시간 동안 블렌딩한 후, 약 110℃에서 150mm 직경의 핀스톡으로 압출하였다. 이 핀스톡을 공기로부터 보호되는 분위기 하에서 2℃/hr의 비율로 800℃로 베이킹한 후, 피치로 함침시키고, 800℃로 다시 베이킹한 후, 2차 함침시키고, 다시 베이킹하였다. 이후, 탄화된 핀스톡을 그라파이트화 노에서 약 3000℃로 가열하고, 약 1시간 동안 약 3000℃에서 유지시켰다.
대조군으로서, 상기 동일 성분 및 공정 매개변수를 사용하여 동일한 방식으로 핀스톡을 형성시키나, 어떠한 탄소 섬유도 첨가하지 않았다.
탄소 섬유가 첨가된 핀스톡 및 탄소 섬유가 첨가되지 않은 핀스톡으로부터 얻어진 그라파이트 성질이 표 II에 요약되어 있다.
표 II
탄소 섬유가 첨가된 핀스톡(1.5%) 수준 대조군 핀스톡
종방량 CTE/℃(30-110℃) -0.5 x 10-7 0.9 x 10-7
횡방향 CTE/℃(30-110℃) 17.2 x 10-7 17.7 x 10-7
굴곡 강도(MPa) 3369 3011
영율(GPa0 2.47 2.31
특이적 저항(마이크로-옴-m) 4.88 4.89
밀도(g/cc) 1.76 1.78
탄소 섬유의 수준 1.5중량%인 경우에도 다른 특성에 크게 영향을 미치지 않으면서, 종방향 및 횡방향 CTE가 보다 낮음이 명백하다.
상기 기재는 당업자들이 본 발명을 실시할 수 있도록 의도된 것이다. 명세서를 숙지한 당업자들에게 자명할 가능한 변경 및 변형 전부를 상세히 기술하고자 의도된 것은 아니다. 그러나, 이러한 모든 변형 및 변경은 첨부되는 청구의 범위에 의해 정의되는 발명의 범위내에 포함되는 것으로 의도된다. 청구의 범위는 내용중 특별하게 대립되는 것으로 명시하지 않는 한, 본 발명의 목적에 부합하는, 유효한 배열 또는 순서로 지시된 요소 및 단계를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (25)

  1. 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀(pin)을 제조하는 방법으로서,
    (a) 소성 코크스(calcined coke), 액체 피치(pitch) 결합제 및 중간상 피치로부터 유도된 탄소 섬유를 배합하여 핀스톡 블렌드(pinstock blend)를 형성시키는 단계;
    (b) 핀스톡 블렌드를 압출시켜 미가공 핀스톡을 형성시키는 단계;
    (c) 미가공 핀스톡을 베이킹하여 탄화된 핀스톡을 형성시키는 단계 및
    (d) 탄화된 핀스톡을 약 18시간 이하 동안 약 2500℃ 이상의 온도에서 유지시키므로써 탄화된 핀스톡을 그라파이트화시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 탄소 섬유가 소성 코크스 100중량부당 약 0.5 내지 약 5중량부의 수준으로 존재함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 탄소 섬유의 영율(Young's modulus)이 약 40 x 106psi 이하임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 탄소 섬유의 영율이 약 15 x 106psi 내지 약 40 x 106psi 임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 탄소 섬유의 평균 직경이 약 6 내지 약 15 마이크론임을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 탄소 섬유의 길이가 약 1/6인치 내지 약 1인치임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 탄소 섬유가 각각 약 2000 내지 약 20,000개의 섬유를 포함하는 다발(bundles)로서 핀스톡 블렌드에 첨가됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 미가공 핀스톡이 불활성 분위기에서 약 700 내지 약 1100℃의 온도에서 베이킹됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 탄화된 핀스톡이 약 1.5 내지 약 8시간 동안 약 2500 내지 약 3400℃의 온도에서 유지됨으로써 그라파이트화됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 소성 코크스, 액체 피치 결제 및 소성 코크스 100중량부당 중간상 피치로부터 유도된 약 0.5 내지 약 5중량부의 탄소 섬유를 배합하여 핀스톡 블렌드를형성시키는 단계로서, 탄소 섬유의 영율이 약 40 x 106psi 이하인 단계;
    (b) 핀스톡 블렌드를 압출시켜 미가공 핀스톡을 형성시키는 단계;
    (c) 미가공 핀스톡을 베이킹하여 탄화된 핀스톡을 형성시키는 단계 및
    (d) 탄화된 핀스톡을 그라파이트화시키는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 탄소 섬유의 영율이 약 15 x 106psi 내지 약 40 x 106psi임을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 탄소 섬유의 평균 직경이 약 6 내지 약 15 마이크론임을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 탄소 섬유의 길이가 약 1/6인치 내지 약 1인치임을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 탄소 섬유가 각각이 약 2000 내지 약 20,000개의 섬유를 포함하는 다발로서 핀스톡 블렌드에 첨가됨을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 10 항에 있어서, 미가공 핀스톡이 불활성 분위기에서 약 700 내지 약 1100℃의 온도에서 베이킹됨을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 탄화된 핀스톡이 약 1.5 내지 약 8시간 동안 약 2500 내지 약 3400℃의 온도에서 유지됨으로써 그라파이트화됨을 특징으로 하는 방법.
  17. 소성 코크스, 피치 및 그라파이트화 후의 영율이 약 40 x 106psi 이하인 탄소 섬유의 블렌드로부터 형성된, 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀.
  18. 제 17 항에 있어서, 탄소 섬유가 블렌드 중에 소성 코크스 100중량부당 약 0.5 내지 약 5중량부의 수준으로 존재함을 특징으로 하는 핀.
  19. 제 18 항에 있어서, 탄소 섬유의 평균 직경이 약 6 내지 약 15마이크론임을 특징으로 하는 핀.
  20. 제 19 항에 있어서, 탄소 섬유의 길이가 약 1/6인치 내지 약 1인치임을 특징으로 하는 핀.
  21. 제 18 항에 있어서, 탄소 섬유가 각각 약 2000 내지 약 20,000개의 섬유를 포함하는 다발로서 핀스톡 블렌드에 첨가됨을 특징으로 하는 핀.
  22. 제 1 항의 방법에 따라 제조된, 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀.
  23. 제 7 항의 방법에 따라 제조된, 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀.
  24. 제 10 항의 방법에 따라 제조된, 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀.
  25. 제 14 항의 방법에 따라 제조된, 탄소 전극을 연결시키기 위한 핀.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100671154B1 (ko) * 2005-05-20 2007-01-17 재단법인 포항산업과학연구원 메조페이스 핏치를 이용한 고축전 수퍼캐패시터 전극제조방법

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030106836A1 (en) * 2001-12-10 2003-06-12 Orac Thomas H. Batch process for making high flash point pitch
US6800364B2 (en) * 2002-06-28 2004-10-05 Ucar Carbon Company Inc. Isotropic pitch-based materials for thermal insulation
US20040041291A1 (en) * 2002-08-27 2004-03-04 Ucar Carbon Company Inc. Process of making carbon electrodes
DE10312370B4 (de) * 2003-03-20 2005-09-15 Sgl Carbon Ag Verbindungsstücke für Elektroden aus Kohlenstoff-Werkstoffen
US7544316B2 (en) * 2003-08-27 2009-06-09 Graftech International Holdings Inc. Process for making graphite articles
US7103083B2 (en) * 2004-04-23 2006-09-05 Ucar Carbon Company Inc. Optimized graphite electrode pin configuration
US7016394B2 (en) * 2004-04-23 2006-03-21 Ucar Carbon Company Inc. Male-female electrode joint
US20050254545A1 (en) * 2004-05-12 2005-11-17 Sgl Carbon Ag Graphite electrode for electrothermic reduction furnaces, electrode column, and method of producing graphite electrodes
US20070132126A1 (en) * 2005-12-14 2007-06-14 Shao Richard L Method for debundling and dispersing carbon fiber filaments uniformly throughout carbon composite compacts before densification
DE202011109452U1 (de) 2011-12-22 2012-01-26 Graftech International Holdings Inc. Graphitelektrode
JP3216710U (ja) 2015-06-12 2018-06-21 グラフテック インターナショナル ホールディングス インコーポレイティド グラファイト複合材料及び熱管理システム
US11189420B2 (en) 2016-03-31 2021-11-30 Neograf Solutions, Llc Noise suppressing assemblies
CN111635735A (zh) * 2020-06-16 2020-09-08 郑州星创炉料有限公司 一种高温胶及使用该高温胶连接石墨电极的方法
CN112457014A (zh) * 2020-10-21 2021-03-09 大同宇林德石墨新材料股份有限公司 一种超高功率石墨电极接头及其制备工艺

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3658476A (en) * 1970-05-19 1972-04-25 Airco Inc Method for producing a graphite article
US4005183A (en) 1972-03-30 1977-01-25 Union Carbide Corporation High modulus, high strength carbon fibers produced from mesophase pitch
US4017327A (en) 1973-12-11 1977-04-12 Union Carbide Corporation Process for producing mesophase pitch
CA1060161A (en) 1974-09-27 1979-08-14 Union Carbide Corporation Process for producing an improved graphite body having a low coefficient of thermal expansion
JPS5284540A (en) * 1975-12-31 1977-07-14 Nippon Carbon Co Ltd Carbon electrode
JPH07118323B2 (ja) * 1986-07-14 1995-12-18 呉羽化学工業株式会社 電極基板の製造方法
US4998709A (en) 1988-06-23 1991-03-12 Conoco Inc. Method of making graphite electrode nipple
US6395220B1 (en) * 1999-11-02 2002-05-28 Ucar Carbon Technology Corporation Carbon fiber binder pitch

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100671154B1 (ko) * 2005-05-20 2007-01-17 재단법인 포항산업과학연구원 메조페이스 핏치를 이용한 고축전 수퍼캐패시터 전극제조방법

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