KR20130004109U - 그래파이트 전극 - Google Patents

Abstract

제 1 영역은 제 1 혼합 디자인으로부터 형성되고 제 2 영역은 제 2 혼합 디자인으로부터 형성되며, 제 1 및 제 2 혼합 디자인은 특정 물질의 존재의 차이, 특정 물질의 농도의 차이, 특정 물질의 크기의 차이 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 차이들 중 하나 이상을 가지는, 제 1 영역 및 제 2 영역을 가진 카본 물품.

Description

그래파이트 전극{GRAPHITE ELECTRODE}

본 고안은 다른 특성을 가진 영역들을 제공함으로써 개선된 성질을 나타내는 그래파이트 전극, 및 상기 설명된 그래파이트 전극을 준비하는 공정과 관련된 것이다. 보다 상세하게는, 본 고안은 강도, 전기적 특성, 조성 등의 면에서 여타의 전극 영역들과 측정 가능하게 상이한 하나보다 많은 영역을 갖는 그래파이트 전극에 관한 것이다.

그래파이트 전극은 전열 퍼니스에서 스틸을 형성하는데 이용되는 다른 성분 및 금속을 융해하기 위해 스틸 산업에서 이용되고 있다. 복수의, 대개 세 개의 전극을 통해 전류를 통과시키고 전극과 금속 사이에 아크(arc)를 형성함으로써, 금속을 융해하는데 필요한 열이 생성된다. 100,000 암페어를 초과하는 전류가 흔히 이용된다. 그 결과로서의 높은 온도는 금속과 다른 성분을 융해한다. 일반적으로, 스틸 퍼니스에서 이용되는 전극들은 전극 칼럼의 형태로 존재하는데, 전극 칼럼은 하나의 칼럼을 형성하기 위해 결합된 일련의 개개의 전극들이다. 이러한 방식으로, 전극들이 열적 공정 동안 소모될 때에, 대체 전극이 칼럼에 결합되어 퍼니스 내로 연장하는 칼럼의 길이를 유지할 수 있다.

일반적으로, 인접 전극들의 일단들을 결합시키도록 기능하는 핀(때로는 니플이라고 지칭됨)을 통해 전극들이 칼럼으로 결합된다. 대체로, 전극들의 하나 이상의 단부가 핀의 수나사 섹션과 짝을 이룰 수 있는 암나사 섹션들을 포함하면서, 핀은 대향하는(opposed) 수나사 섹션들의 형태를 취한다. 따라서, 핀의 대향하는 수나사 섹션들 각각이 두 개의 전극들의 단부들에의 암나사 섹션들로 나사 결합될 때에, 이러한 전극들은 전극 칼럼으로 결합되게 된다. 보통, 인접 전극들의 결합된 단부들, 및 그 사이의 핀은 본 기술분야에서 조인트(joint; 보다 상세하게는, 핀 조인트)로 지칭된다.

대안적으로, 전극들은 일단에서 기계 가공된 탱 또는 나사 돌출부, 및 다른 일단에서 기계화된 나사 소켓을 가지도록 형성되어서, 하나의 전극의 탱(tang)을 제 2 전극의 소켓으로 나사 결합하여서 전극 칼럼을 형성함으로써 전극들이 결합될 수 있다. 이러한 실시예에서, 두 개의 인접 전극들의 결합된 단부들은 본 기술분야에서 무(無)-핀 조인트로 지칭된다. 일 실시예의 무-핀 전극의 생산에서, 조인트의 나사들은 소위 "블록(blocked)" 나사를 포함할 수 있는데, 상기 블록 나사는 본 업종에서 흔히 채용되는 풀-잼(fully jammed) 나사로도 지칭된다. 블록 나사에서, 구성요소들(예를 들어, 수탱(male tang)) 중 하나로부터의 양 나사 측면(flanks)은 다른 구성요소(예를 들어, 암 소켓(female socket))로부터의 양 나사 측면과 접촉한다. 이에 반하여, 보통 핀 조인트에 채용되는, 본 업종에서 "잼(jammed)" 또는 "부분적-잼(partially-jammed)" 나사로 지칭되는, "비-블록" 또는 "반(反)-블록" 나사에서는, 각 구성요소로부터의 하나의 나사 측면만이 다른 구성요소의 나사와 접촉한다.

(전체적으로 볼 때에 실제로 전극 칼럼과) 전극 및 조인트가 겪는 극단적인 열 응력이 주어질 때에, 강도, 열 팽창 및 균열 저항 같은 기계적/열적 요인은 전극 칼럼 또는 개개의 전극들의 손상 또는 파괴를 피하기 위해 주의 깊게 조절되어야 한다. 예를 들어, 특히 핀과의 열 팽창과는 다른 속도의, 전극의 길이 방향의 (즉, 전극/전극 칼럼의 길이를 따르는) 열 팽창은 조인트를 해체하여서(apart) 전류 전도 면에서의 전극 칼럼의 유효성을 감소시킬 수 있다. 핀의 열 팽창을 초과하는, 특정한 양의 전극의 교차적 (즉, 전극/전극 칼럼의 지름을 가로지르는) 열 팽창은 전극과 핀 사이의 견고한 연결을 형성하기 위해 바람직할 수 있지만, 전극의 교차적 열 팽창이 핀의 열 팽창을 크게 초과한다면, 전극에의 손상 또는 조인트의 분리가 유발될 수 있다. 다시 말하여, 손상이 매우 심각하여 전극 칼럼이 조인트 섹션에서 제대로 기능하지 못한다면(fail), 이는 전극 칼럼의 유효성 감소나 심지어 칼럼의 파괴를 유발할 수 있다.

더욱이, 전극 칼럼에 노출되는 열적 그리고 기계적 응력의 다른 효과는, 진동 및 다른 응력에 기인한 조인트를 형성하는 전극의 (또는 조인트를 형성하는 전극과 핀의), 문자 그대로 "나사 풀림(unscrewing)"이다. 이러한 나사 풀림은 인접하는 전극들 사이의 전기 접촉을 감소시켜 전극 칼럼 효율성을 감소시킬 수 있다. 가장 심각한 경우에, 나사 풀림은 영향을 받은 조인트 하의 전극 칼럼의 손실을 유발할 수 있다.

이에, 종래 기술의 그래파이트 전극과 비교할 때에, 전기 아크 퍼니스 내에 노출되는 열적 그리고 기계적 응력을 더 잘 견딜 수 있는 그래파이트 전극이 요구된다. 또한, 목적하는 그래파이트 전극 제조의 상업적 실용성을 유지하면서, 위와 같은 장점들을 달성하는 것이 매우 바람직하다.

본 고안의 일 면은 동일한 전극의 다른 영역과 비교할 때에 측정 가능한 차이를 갖는 하나 이상의 영역을 포함하는, 별개 영역들을 갖는 그래파이트 전극을 제공한다.

본 고안의 다른 면은 동일한 전극의 다른 영역과 비교할 때에 측정 가능한 차이를 갖는 하나 이상의 영역을 가지며, 상기 하나 이상의 영역이 그래파이트 전극의 단자 부분에 위치되는 그래파이트 전극을 제공한다.

본 고안의 다른 면은 동일한 전극의 다른 영역과 비교할 때에 측정 가능한 차이를 갖는 하나 이상의 영역을 가지며, 상기 하나 이상의 영역이 그래파이트 전극의 외부(exterior) 부분에 위치되는 그래파이트 전극을 제공한다.

본 고안의 또 다른 면은 동일한 전극의 다른 영역과 비교할 때에 측정 가능한 차이를 갖는 하나 이상의 영역을 가지며, 상기 측정 가능한 차이는 상기 하나 이상의 영역 내의 섬유의 레벨로 구성되는 그래파이트 전극을 제공한다.

이러한 면들 및 이하의 상세한 설명의 검토 시에 당업자에게 명백하게 될 것인 다른 점들은 제 1 영역 및 제 2 영역을 갖는 카본 물품을 제공함으로써 달성될 수 있는데, 제 1 영역은 제 1 혼합 디자인으로부터 형성되고, 제 2 영역은 제 2 혼합 디자인으로부터 형성되며, 제 1 및 제 2 혼합 디자인은 특정 물질의 존재의 차이, 특정 물질의 농도의 차이, 특정 물질의 크기의 차이 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 차이를 가진다. 몇몇 실시예에서, 본 고안은 제 1 영역 및 제 2 영역을 갖는 카본 물품을 포함하는데, 제 1 영역은 제 2 영역 내의 카본 섬유 농도보다 더 큰 카본 섬유 농도를 가지며, 제 1 영역은 물품의 단자 부분 및 외부 부분 중 하나 이상을 포함하고, 유익하게는 제 2 영역 내의 카본 섬유 농도는 제 1 영역 내의 카본 섬유 농도보다 약 20% 이상 적게 포함한다. 제 3 영역이 선택적으로 포함될 수 있는데, 제 3 영역은 제 1 영역에 대향하여 위치될 수 있고 제 1 혼합 디자인과 실질적으로 동일한 혼합 디자인으로부터 구성될 수 있다.

또한, 이하에 개시되는 바와 같이 카본 물품을 제조하는 방법이 본 고안에 포함되는데, 혼합하는 단계는 분리된 방법으로 제 1 혼합 디자인과 제 2 혼합 디자인을 화합하는 단계를 포함하며, 제 1 혼합 디자인과 제 2 혼합 디자인은 하나 이상의 방법 면에서 다른데, 이를 테면 그린 물품을 형성하고 그린 물품을 탄화시키는 단계를 들 수 있다. 상기 형성하는 단계는 동시 압출(co-extrusion) 또는 핫-프레싱(hot pressing) 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 핫-프레싱 공정이라면, 상기 화합하는 단계는 몰드 내에 분리기를 설치하는 단계 및 압력 인가 전에 상기 분리기를 제거하는 단계를 포함한다.

도 1은 전극의 단자 단부에의 내부 소켓을 도시하며 본 명세서의 설명에 따른 전극을 나타내는 도면이다.

특정 실시예에서, 그래파이트 전극은 우선 소성 코크스(calcined coke)를 포함하는 미립자 파편, 피치(pitch), 및 선택적으로 카본 섬유를 스톡 혼합물(stock blend)로 화합시켜 제조된다. 카본 섬유에 기반한 PAN 또는 메소상 피치(mesosphase pitch)는 적절한 종류의 카본 섬유로의 두 가지 예이다. 본 명세서에서 본 고안은 위와 같은 종류의 카본 섬유로 제한되지 아니한다. 다른 종류의 섬유, 예를 들어 카본 섬유로부터 유도되는 바이오매스, 면 또는 레이온이 이용될 수도 있다. 추가로, 카본 섬유는 그래파이트화(graphitized) 될 수도 되지 않을 수도 있다. 보다 상세하게는, 분쇄된, 규격화된, 그리고 밀링된(milled) 소성 석유 코크스가 콜타르 피치 바인더와 혼합되어 혼합물을 형성한다. 일반적으로, 스틸을 프로세싱하는데 이용하기 위한 그래파이트 전극에서, 평균 직경이 약 25 밀리미터(mm) 이하인 입자가 혼합물 내에 채용된다. 바람직한 미립자 파편은 코크스 파우더를 포함하는 작은 입자 크기의 필러를 포함한다. 작은 입자 크기의 필러 내로 혼입될 수 있는 다른 첨가 물질은, (코크스 입자 내부에서 카본과의 결합으로부터 황의 방출에 의해 유발되는) 퍼핑(puffing)을 방지하기 위한 철 산화물, 코크스 파우더, 및 혼합물의 압출을 용이하게 하기 위한 오일 또는 다른 윤활제를 포함한다.

미립자 파편, 피치 바인더 등의 혼합 이후에, 바디가 다이를 통한 압출에 의해 형성(또는 성형)되고 또는 그린 스톡으로 지칭되는 것을 형성하기 위해 형성 몰드 내에서 몰딩된다. 압출을 통하던지 몰딩을 통하던지, 형성은 피치의 연화점에 가까운 온도에서, 대개 약 100℃ 또는 그 이상에서 수행된다. 적어도 나사 같은 구조를 제공하기 위해 만들어진 물품의 가공이 대개 필요하다고 할지라도, 다이 또는 몰드는 실질적으로 최종적인 형태 및 크기로 물품을 형성할 수 있다. 그린 스톡의 크기는 가변될 수 있는데, 전극에 대해 직경은 약 220 mm 내지 800 mm로 다양화될 수 있다.

압출 이후에, 피치 바인더를 고체 피치 크크스로 탄화시키고, 형태, 높은 기계적 강도, 우수한 열 전도성, 및 상대적으로 낮은 전기 저항성의 물품 영속성을 제공하고, 이에 따라 탄화된 스톡을 형성하기 위해, 그린 스톡은 약 700℃ 내지 약 1100℃, 보다 바람직하게는 약 800℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 베이킹(baking)하여 열 처리된다. 산화를 피하기 위해 공기의 상대적인 결여 하에서 그린 스톡이 베이킹된다. 베이킹은 최종 온도까지 시간당 약 1℃ 내지 약 5℃의 온도 상승 속도로 수행되어야 한다. 베이킹 이후에, 스톡의 임의의 개방형 기공 내로 추가 코코스를 위치시키기 위해, 탄화된 스톡은 콜타르 혹은 석유 피치로, 또는 본 업종에서 공지된 다른 형태의 피치 혹은 레진으로 일회 또는 수회 함침될(impregnated) 수 있다.

베이킹 이후에, 탄화된 스톡은 탄화된다. 코크스 및 피치 코크스 바인더 내의 카본 원자가 좋지 않게 배열된 상태에서 그래파이트의 결정 구조로의 변형을 유발하기에 충분한 시간 동안 약 2500℃ 내지 약 3400℃의 최종 온도에서 열 처리하여 그래파이트화가 이루어진다. 유익하게는, 그래파이트화는 탄화된 스톡을 약 2700℃ 이상의 온도에서 유지시킴으로써, 더 바람직하게는 약 2700℃ 내지 약 3200℃의 온도에서 유지시킴으로써 수행된다. 이러한 높은 온도에서, 카본이 아닌 다른 원소들은 휘발되고 증기로서 빠져나간다. 본 고안의 공정을 이용한 그래파이트화 온도에서의 유지에 필요한 시간은 약 18 시간을 넘지 않으며, 실제로 약 12 시간을 넘지 않는다. 바람직하게는, 그래파이트화는 약 1.5 내지 약 8 시간 동안 이루어진다. 그래파이트화가 완료되었을 때에, 만들어진 물품이 소정의 크기로 절단되고 이후에 가공될 수 있으며, 또는 그렇지 않으면 그의 최종 구조로 형성될 수 있다.

대안적인 실시예에서, 핫-프레싱 단계에서, 미립자 파편, 피치 바인더 등의 혼합물의 저항 가열을 이용하여 그래파이트 전극의 형성이 달성될 수 있다. 핫-프레싱 단계 동안, 혼합물의 탄화와 밀도를 증가시키기 위해, 저항 가열에 기계적 압력의 인가가 동반된다(핫-프레싱). 선택적으로, 핫-프레싱 이후에, 그래파이트화 단계 이전에 프리폼(preform)의 밀도를 더 증가시키기 위해, 프리폼 전극 또는 핀에 탄화할 수 있는 피치를 채용하는 하나 이상의 치밀화(densification) 단계가 이루어질 수 있다.

핫-프레싱 단계 동안, 프리폼 전극 또는 핀 같은 프리폼 바디를 생성하기 위해 핫 프레스 스톡 혼합체 또는 혼합물이 핫 프레스 된다. 핫-프레싱 공정에서, 핫 프레스 혼합체는 스톡 물질의 적어도 일부를 융해시키기에 충분한 온도까지 가열된다. 이러한 가열 단계는 혼합체 내에 열이 생성되도록 핫 프레스 혼합체에 전류를 인가하는 단계를 포함한다. 핫 프레스 혼합체를 가열하는 동안, 압력이 혼합체에 인가되어 적어도 부분적으로 탄화된 프리폼 전극 또는 핀을 형성한다.

일 실시예에서, 핫 프레스 혼합체(즉, 건조된 혼합 스톡 또는, 선택적으로 열 연화된 스톡 혹은 그린 전극 혹은 핀)를 저항 가열하고 유압식 압축하기에 적절한 유압식 핫 프레스 조립체가 프리폼 전극 또는 핀 같은 프리폼 카본 바디를 제조하기 위해 채용된다. 하나의 예시적인 유압식 핫 프레스 조립체는 일체화되어 부착된 핫 프레스 몰드를 갖는 유압식 프레스를 포함하는데, 상기 몰드는 핫 프레스 혼합체를 수용하고 목표된 프리폼을 형성하도록 형상화된 공동을 가진다. 바람직하게는, 그래파이트 핀 또는 전극 같은 목표된 그래파이트화된 카본 바디와 근접한 치수로 핫 프레스 몰드가 형상화된다. 추가로, 바람직하게는 핫 프레스 몰드는 열적으로 차단된 하우징 내에 들어가 있다. 유압식 피스톤에 의해 압력이 핫 프레스 혼합체에 인가되며, 바람직하게는 혼합체를 따라 균일한 압력이 달성되도록 인가된다. 또한, 길이 방향으로 발달된(preferred) 카본 바디를 얻기 위하여, 즉 카본 바디가 바디의 길이 방향 축을 따라 가장 큰 인장 강도를 제공하도록 배향된 결정구조를 가지도록, 압력의 인가는 바람직하게는 프리폼의 길이 방향 축에 수직인 몰딩 방향으로 이루어진다. 바람직한 구성에서, 핫 프레스 몰드는 수평면에서 그의 길이 방향 축을 따라 프리폼을 몰딩하도록 배향될 것이다. 이후에 단일 또는 이중 액션으로 작동하는 상부 및/또는 하부 수직 유압식 피스톤에 의해 핫 프레스 혼합체에 압력이 인가된다.

바람직한 실시예에서, 핫 프레스 몰드의 단부는 핫 프레스 혼합체와 전기적 접촉하고 있는 스테인리스 스틸 단부 플레이트이다. 저항 가열 시스템은 이러한 단부 플레이트를 통해 전류를 핫 프레스 혼합체에 인가한다. 보다 바람직한 실시예에서, 피스톤 및 핫 프레스 몰드 각각은 실리콘 카바이드 표면 라이너를 가지며, 이 둘 모두는 유압식 핫 프레스 조립체의 프레임으로부터 전기적으로 격리되어 있다. 저항 가열 시스템은 DC 공급부 같은 낮은 전압으로 높은 전류를 제공하기 위한 전력 소스를 포함한다. 높은 AC 전류 또한 고려된다. DC 또는 AC 공급부는 스테인리스 스틸 단부 플레이트와 전기적으로 연결되어 있다. 핫 프레스 몰드 공동 내로 핫 프레스 혼합체의 모든 부분에 실질적으로 균일한 전류 유동이 가해지도록 유압식 핫 프레스 조립체가 구성된다. 핫 프레스 혼합체 전체에 걸친 대체로 균일한 전류 및 압력 조건 하에서 핫 프레스 혼합체를 저항 가열 및 압축성 몰딩하는 것은 프리폼 전극 또는 핀 전체에 걸쳐 실질적으로 균일한 특성을 야기하며, 나아가 이용 동안 분쇄를 야기하기 쉬운 균열 및 다른 불균일성의 현저한 감소를 야기한다. 바람직하게는 프로그램화된 전류 및 압력의 인가는 무엇보다도, 목표된 베이킹 공정에 부합하는 핫 프레스 혼합체 온도, 압력, 가열 속도 및 가압 속도를 제공하며, 이들의 계산은 구체적인 스톡 동역학(kinetic)에 기초하여 이루어진다. 보다 상세하게는, 유압식 핫 프레스 조립체에 통합된(integral) 프로그램 가능한 제어 시스템은 프로그램화된 전류 및 압력의 인가를 제공한다.

위에서 논의된 바와 같이, 핫-프레싱 동작 동안의 카본화 이후에 카본화된 스톡은 그래파이트화 된다. 다시 말하여, 코크스 및 피치 코크스 바인더 내의 카본 원자가 좋지 않게 배향된 상태에서 그래파이트 결정 구조로의 변형을 유발하기에 충분한 시간 동안 약 2500℃ 내지 약 3400℃의 열 처리에 의해 그래파이트화가 이루어진다. 그래파이트화는, 유익하게는 적어도 약 2700℃의 온도로, 보다 유익하게는 약 2700℃ 내지 약 3200℃의 온도로 탄화된 스톡을 유지시킴으로써 수행된다.

본 고안의 일 실시예에서, 그래파이트 전극, 그래파이트 전극용 핀, 또는 그래파이트 빌릿(billet) 중 어느 것이든지, 그래파이트 물품은 하나 이상의 영역이 하나 이상의 다른 영역과 측정 가능하게 별개인 복수의 영역을 가진다. 영역은 그래파이트 전극, 핀 또는 빌릿의 일부 또는 구역을 의미한다. 측정 가능한 별개는 단부 물품의 제 2 영역과 비교할 때에 제 1 영역 내에서 하나 이상의 특성에 대한 차이가 측정 가능하게 다른 것을 의미한다. 오직 실시예로서, 물질의 농도 관점에서 이것은 특정 물질의 농도가 제 1 영역과 제 2 영역에서 적어도 약 20%만큼, 바람직하게는 적어도 약 25%만큼, 더 바람직하게는 적어도 약 50%만큼 다를 수 있는 것을 의미할 수 있다. 특정 바람직한 실시예에서, 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 이것은 다른 혼합 디자인, 즉 다른 스톡 혼합체 또는 혼합물의 조합으로 달성될 수 있다.

예를 들어, 특정 실시예에서, 높은 강도 영역 내에서 전극 또는 핀의 강도를 개선하기 위해 그래파이트 전극 또는 핀의 하나 이상의 영역은 섬유를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 섬유는 메소상의 피치-기반의 카본 섬유 또는 PAN(폴리아크릴로니트릴)으로부터 유도된 섬유이다. 이용되는 섬유는 유익하게는, (탄화 이후에) 약 15 x 10⁶ psi 내지 약 40 x 10⁶ psi의 영률(Young`s modulus)을 가진다. 그들은 바람직하게는 약 6 내지 약 15 마이크론의 평균 직경, 200 x 10³ psi 내지 약 400 x 10³ psi의 인장 강도를 가지며, 바람직하게는 평균적으로 약 4 mm 내지 약 32 mm의 길이이다. 섬유의 적절한 길이는 약 6 mm 이하, 약 12 mm 이하, 약 18 mm 이하, 또는 25 mm 이하의 평균 길이를 포함한다. 카본 섬유가 가장 큰 코크스 입자보다 더 길지 않은 것이 바람직하다. 가장 유익하게는, 섬유는 사이징(sizing)을 이용하여 컴팩트하게 되어(compacted) 다발(bundles) 당 약 2000 내지 약 20,000 섬유를 함유하는 다발로서 혼합물에 첨가된다.

카본 섬유는 그래파이트 전극 또는 핀의 영역들 중 하나에, 바람직하게는 약 1 중량% 내지 약 10 중량%의, 더 바람직하게는 약 1.5 중량% 내지 최대 약 7.5 중량%의, 보다 더 바람직하게는 약 5.0% 이하의 수준으로 포함된다. 하지만, 그래파이트 전극, 핀 또는 물품의 다른 영역에서, 섬유는 적어도 약 20% 미만의, 또는 심지어 약 25% 미만의, 또는 보다 더 바람직하게는 약 50% 미만의 수준으로 존재하는데, 이와 같이 섬유를 가지는 상기 영역(들)은 전극 또는 핀 내에서 별개 영역(들)을 구성한다. 실로, 특정 실시예에서, 하나 이상의 다른 영역은 섬유를 가지지 아니하는데, 이에 따라 이 영역은 1 중량% 또는 그 이상의 섬유를 가지는 영역과 비교할 때에 별개 영역이 된다. 전극의 관점에 의한 실시예에서, 전극의 제 1 영역, 예를 들어 전극의 제 1 소켓 구역 내에서, 섬유의 농도는 약 10%일 수 있다. 전극의 제 2 영역, 예를 들어 전극의 중앙 부분 내에서, 제 2 영역 내의 섬유의 농도는 약 8.0%를 넘지 않는다. 이러한 실시예는 선택적인 전극의 제 3 영역을 포함할 수 있는데, 상기 제 3 영역 내에서 섬유의 농도는 제 1 영역과 실질적으로 같다. 이러한 실시예에서, 제 3 영역은 제 1 소켓 구역과 대향하며 위치되는 제 2 소켓 구역을 포함할 수 있다.

다른 특정 실시예에서, 전극은 카본 섬유가 실질적으로 결여된(전극의 목표된 성질에 영향을 미치기에 불충분한 섬유의 양을 가지는 것을 의미함) 하나 이상의 부분을 포함할 수 있다. 보다 더 바람직하게는, 상기 전극 부분에는 카본 섬유가 완전하게 결여될 수 있다. 위와 같은 실시예들은 그들의 여느 조합으로도 실용화될 수 있다.

그래파이트 전극 또는 핀 내에의 섬유의 산입이 그래파이트 전극 또는 핀의 강도를 개선할 수 있다는 것이 인식되었다(예를 들어, 국제출원 WO 2004/020185의 Kortovich 등, 미국특허 4,005,183의 Singer, 미국특허 6,280,663의 Shao 등 참조, 상기 문헌 각각은 본 명세서에 그 전체로서 편입된 것으로 간주함). 그러나, 그래파이트 전극 또는 핀 내에 매우 충분한 수준으로 섬유를 산입하는 것이 매우 비용이 많이 든다고 또한 인식되었다. 나사 영역 같은 높은 강도 영역인, 그래파이트 전극 또는 핀의 해당 영역들에만 섬유의 산입을 가능하게 하여, 섬유 산입의 장점이 낮은 비용 결과로 얻어질 수 있고, 이에 따라 물품의 상업적인 실행 가능성을 유지할 수 있다.

다른 실시예에서, 그래파이트 물품의 하나의 영역은 퍼핑을 금지하기 위한 황을 포함할 수 있고, 반면 다른 영역은 그러하지 아니할 수 있다. 예를 들어, 나사 영역을 포함하는 그래파이트 전극 또는 핀의 해당 영역 내에 황을 포함시키는 것은 유용할 수 있으나, 분리(splitting)가 유발될 수 있는 전극 또는 핀의 내부에 황을 포함시키는 것은 불리할 수 있다. 본 고안의 실용성은, 물품의 내부 부분을 구성하는 영역이 아니라 나사 영역을 포함한 영역 내에 황이 우선적으로 포함되도록 하여, 그래파이트 전극 또는 핀을 제작하는데 이용될 수 있다. 마찬가지로, 추가 다른 실시예에서, 서로 마주 향하고 있는 특정 영역 내에의 철 산화물의 존재에서, 또는 서로 마주 향하고 있는 특정 영역 내에의 코크스 입자 크기의 조절을 통해 장점들이 얻어질 수 있다. 다시 말하여, 이것은 본 고안을 이용하여 달성될 수 있다.

일 실시예에서, 위에서 설명된 바와 같이, 바디가 스톡 혼합물의 압출에 의해 형성(또는 성형)될 때 특히 유용하게, 별개 영역들이 동시 압출(co-extrusion)에 의해 형성된다. 동시 압출에서, 1 중량% 이상의 섬유를 함유하는 제 1 스톡 혼합물 및 적어도 25 중량% 미만의 섬유를 함유하는 제 2 스톡 혼합물 같은, 별개의 스톡 혼합물들이 각각 인접 압출 파이프들을 통해 압출되고, 이후에 만나서 하나의 물품을 형성한다. 이러한 방법으로, 예를 들어 두 개의 별개의 영역들이 물품 내에 형성되고, 제 1 영역은 1 중량% 이상의 섬유를 포함할 수 있고, 제 2 영역은 제 1 영역보다 적어도 약 25 중량% 미만의 섬유를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 섬유 양의 차이는 약 50% 이상이며, 추가 실시예에서 차이는 약 75% 이상이다. 사용자가 별개 영역들의 정렬을 어떻게 원하는 지에 따라 압출 파이프들은 다양한 배치로 위치될 수 있다. 예를 들어, 섬유의 경우에, 개선된 강도를 위해 그래파이트 전극 또는 핀의 외부 부분 내에 증가된 섬유 레벨(때때로 섬유 로딩으로 지칭되는)의 영역을 가지는 것이 바람직하지만, 비용 때문에 그래파이트 전극 또는 핀의 내부 부분 또는 코어 내에 증가된 섬유 로딩의 영역을 가지는 것은 덜 바람직하다. 이러한 환경에서, 두 개의 압출 파이프가 하나가 나머지 하나 주위에 동축으로 배치되는 동시 압출에 의해 물품이 형성될 수 있다.

전극의 코어와 비교하여 외측 부분 내에 증가된 섬유 로딩을 가지는 전극을 생산하는 동시 압출의 실시예에서, 제 1 스톡 혼합물이 1 중량% 이상의 섬유를 가지도록 준비되고 동시 압출 기구의 외측 압출 파이프를 통해 압출되며, 제 2 스톡 혼합물이 적어도 25% 이하의 섬유 로딩을 가지도록 (더 바람직하게는, 섬유가 없도록) 준비되고 상기 압출 기구의 중앙 압출 파이프를 통해 압출된다. 이러한 방식으로, 압출된 바디는 외측 부분에의 높은 섬유의 별개 영역, 및 내부 부분 또는 코어에의 낮은 (또는 무) 섬유의 별개 영역을 가진다.

다른 실시예에서, 바디가 핫-프레싱에 의해 형성(또는 성형) 될 때에 특히 유용하게, 복수의 핫 프레스 스톡 혼합체가 몰드 내로 공급되어, 각각이 최종 바디 내에서 별개 영역을 형성한다. 예를 들어, 섬유 로딩의 경우에, 제 1 핫 프레스 스톡 혼합물이 1 중량% 이상의 섬유를 가지도록 준비되고, 제 2 핫 프레스 스톡 혼합물이 적어도 25% 미만의 섬유 로딩을 가지도록, 또는 섬유를 전혀 가지지 않도록 준비된다. 이러한 두 개의 핫 프레스 스톡 혼합물은 이후에 특정한 순서로, 특정한 위치로 및/또는 목표된 영역을 생성하기 위한 양으로, 핫 프레스 몰드 내에 공급될 수 있다. 일 예로서, 나사가 존재하는 그래파이트 전극 또는 핀의 영역, 즉 물품의 단부 또는 단자 위치 내에 높은 섬유 로딩을 가지는 것이 바람직한데, 왜냐하면 그들이 더 큰 강도를 가지는 것이 바람직한 높은 강도 영역이기 때문이다. 이러한 상황에서, 1 중량% 이상의 섬유를 가지는 핫 프레스 스톡 혼합물은 먼저 몰드 내에 공급되어 물품의 제 1 단자 부분을 형성하고, 다음에 적어도 25% 미만의 섬유 로딩을 가지는, 또는 섬유를 전혀 가지지 않는 핫 프레스 스톡 혼합물이 몰드 내에 공급되어 물품의 중앙 부분을 형성하며, 다음에 1 중량% 이상의 섬유를 가지는 핫 프레스 스톡 혼합물이 몰드 내에 공급되어 물품의 제 2 단자 부분을 형성한다. 몇몇 실시예에서, 열과 압력의 인가 이전에 분리기가 몰드 내의 영역들 사이에 위치될 수 있으며, 이후에 열과 압력이 인가될 때에 제거되어 단일 물품을 형성할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전극(12)은 각각이 보통 단면으로 알려진 전극의 섹션을 포함하는 두 개의(2) 단자 엔드 섹션(14)을 포함한다. 도 1의 컷아웃에서 도시되는 바와 같이, 각 섹션(14)은 소켓(16)을 포함한다. 소켓(16)은 나사(18)를 포함한다. 나사(18)는 풀-잼 나사 또는 부분적 잼 나사로서 설계될 수 있다. 또한, 도 1에 도시되는 바와 같이, 각 섹션(14)은 상당한 양의 카본 섬유를 포함한다. 바람직하게는, 섹션(14) 내의 섬유의 양은 이러한 섹션 내의 전극의 강도를 증가시키기에 충분하다. 또한, 전극(12)은 비-단자 또는 중앙 섹션(10)을 포함한다. 섹션(10) 내의 카본 섬유 농도는 섹션(14)들 중 하나 이상, 바람직하게 섹션(14)들 모두에 있다. 섹션(10) 내의 섬유의 양은 섹션(10)의 강도를 증가시키기에 충분하지 아니한 것이 바람직하다. 일 구체적인 실시예에서, 섹션(10) 내의 섬유의 농도(10)는 소량으로, 나아가 실질적으로 섬유가 결여된 상태로 최소화될 수 있다. 본 명세서에 도시된 실시예는 섹션(14) 및/또는 섹션(10)의 임의의 구체적인 정확한 사이즈로 제한되지 않는다. 각 섹션들(14, 10)의 정확한 사이즈는 목표된 대로 다양화될 수 있다.

이러한 방법으로, 목적하는 그래파이트 전극의 제조의 상업적 실용성을 유지하면서도, 종래 기술의 물품과 비교하여, 예를 들어 전기 아크 퍼니스 내에서 노출될 것인, 열적 그리고 기계적 강도를 더 잘 견딜 수 있는 물품을 제공하기 위해, 여타의 영역 또는 구역과 다른 특성을 갖는 별개 영역 또는 구역을 가지는, 비용 효율적인 카본 물품, 예를 들어 그래파이트 전극 또는 핀이 준비될 수 있다.

본 출원에서 언급된 모든 인용된 특허들 및 공개문헌들의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 편입된 것으로 간주한다. 농도와 관련된 위의 백분율은 특별히 다른 언급이 없으면 중량%이다.

위의 설명은 본 기술분야의 숙련자가 본 고안을 실행하기 가능하도록 의도되었다. 본 명세서를 읽은 숙련자에게 명백하게 되는 가능한 모든 변형 및 수정을 상세하기 기술할 의도는 아니다. 그러나, 모든 이러한 변형 및 수정은 이하의 청구항에 의해 정의되는 본 고안의 목적 범위 내에 있는 것으로 간주될 수 있다. 이하의 청구항들은 문맥에서 반대 표시를 특별히 하지 않는다면, 본 고안이 의도하는 목적을 충족시키기에 효율적인 임의의 배열 또는 순서로 표시된 구성요소 및 단계들을 커버하도록 고안되었다.

Claims (8)

1. 제 1 및 제 2 단자 위치와 비-단자 바디부, 상기 전극의 상기 제 1 단자 위치에 배치되는 제 1 영역, 및 상기 전극의 상기 비-단자 바디부에 배치되는 제 2 영역을 갖는 모놀리식 그래파이트 전극으로서,
   상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역 내의 카본 섬유 농도보다 더 큰 카본 섬유 농도를 가지며, 상기 제 1 영역 내의 섬유 농도는 상기 제 1 단자 위치에서의 상기 전극의 강도(strength)를 증가시키기에 충분하며, 상기 비-단자 바디부 내의 섬유 농도는 상기 전극의 상기 비-단자 바디부에서의 상기 전극의 강도를 증가시키기에 불충분한,
   모놀리식 그래파이트 전극.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전극의 제 2 단자 위치에서의 제 3 영역을 더 포함하며,
   상기 제 3 영역은 상기 제 2 영역 내의 카본 섬유 농도보다 더 큰 카본 섬유 농도를 가지고, 상기 제 3 영역 내의 섬유 농도는 상기 제 2 단자 위치에서의 상기 전극의 강도를 증가시키기에 충분한,
   모놀리식 그래파이트 전극.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전극의 제 2 단자 위치에서의 제 3 영역을 더 포함하며,
   상기 제 3 영역은 상기 제 2 단자 위치에서의 상기 전극의 강도를 증가시키기에 충분한 카본 섬유 농도를 가지는,
   모놀리식 그래파이트 전극.
   
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1 영역 및 상기 제 3 영역 내의 섬유 농도는 1 내지 10 중량%를 포함하는,
   모놀리식 그래파이트 전극.
   
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 2 영역 내의 카본 섬유 농도는 상기 제 1 영역 또는 상기 제 3 영역 내의 카본 섬유 농도보다 20% 이상 적게 포함하는,
   모놀리식 그래파이트 전극.
   
6. 세 개 이상의 영역을 가지는 그래파이트 전극으로서,
   제 1 영역은 상기 전극의 제 1 소켓을 포함하고, 제 2 영역은 상기 전극의 중앙 부분을 포함하며, 제 3 영역은 상기 전극의 제 2 소켓을 포함하고, 상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역 내의 카본 섬유 농도보다 더 큰 카본 섬유 농도를 가지며, 상기 제 1 영역 내의 섬유 농도는 상기 제 1 영역 내의 상기 전극의 강도를 증가시키기에 충분하고, 상기 제 2 영역 내의 섬유 농도는 상기 제 1 영역보다 20% 이상이 적은,
   모놀리식 그래파이트 전극.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 2 영역 내의 섬유 농도는 상기 제 2 영역 내의 상기 전극의 강도를 증가시키기에 불충분한 양을 포함하는,
   모놀리식 그래파이트 전극.
   
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 제 3 영역 내의 카본 섬유 농도는 상기 제 3 영역 내의 상기 전극의 강도를 증가시키기에 충분한,
   모놀리식 그래파이트 전극.

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