MX2012011245A - Electrodo de grafito. - Google Patents

Abstract

Un electrodo de grafito exhibe resistencia a la oxidación al modificar las características de la superficie radial exterior. Se puede modificar la superficie radial exterior proporcionando una porción texturizada que mejore el flujo de agua, al mismo tiempo que reduzca la absorción del agua. Alternativamente, se puede disponer un forro de grafito flexible o una pluralidad de partículas de grafito exfoliado sobre la superficie radial exterior del cuerpo del electrodo.

Description

ELECTRODO DE GRAFITO Campo técnico La presente descripción se refiere a un artículo de grafito, por ejemplo, a electrodos de grafito y, en especial, a la resistencia a la oxidación mejorada del grafito. Más en particular, la descripción se refiere a técnicas únicas para reducir la oxidación del artículo de grafito, tal como el electrodo de grafito, mientras el artículo está en uso; por ejemplo, cuando el electrodo está en un horno de arco eléctrico.

La técnica de antecedentes Se usan electrodos de grafito en la industria acerera para fundir los metales y otros ingredientes usados para formar el acero en los hornos electrotérmicos. El calor necesario para fundir los metales es generado haciendo pasar corriente a través de un electrodo o de una pluralidad de electrodos, usualmente tres, y formando un arco entre los electrodos y el metal. Con frecuencia se usan corrientes eléctricas de más de 50,000 amperios. La alta temperatura resultante funde los metales y demás ingredientes. Por lo general, cada uno de los electrodos usados en los hornos de acero consiste de columnas de electrodo; es decir, una serie de electrodos individuales unidos para formar una sola columna. De esta manera, cuando los electrodos se agotan durante el proceso térmico, se pueden unir electrodos de reemplazo a la columna para mantener el largo de la columna que se extiende dentro del horno.

Se puede efectuar la fusión del metal alrededor de un arco eléctrico entre el metal de chatarra y la punta de la columna de electrodo y el metal. Como parte de la creación del arco, se acumula corriente eléctrica en la columna de electrodos y, además de la corriente que se está acumulando, también se acumula calor en la columna de electrodos conforme se acumula la corriente. Adicionalmente, se puede desprender calor desde el baño fundido del metal de chatarra. Más aún, el propio arco genera grandes cantidades de calor cerca de la punta del electrodo. Con esta acumulación de calor, la punta de la columna de electrodos puede estar en el rango de temperatura de más de 3000 °C.

Además de la aplicación de electricidad, la mayoría de los hornos incluyen una aplicación química al baño, tal como oxígeno, pero sin limitación a él, que es un componente químico típico que se incluye en esa aplicación. Con la punta de la columna a la temperatura descrita arriba, y en presencia de gases oxidantes, ésta tiene la tendencia a crear un ambiente oxidante en el horno, alrededor de la columna de electrodos.

Breve descripción de la invención Una modalidad descrita aquí incluye un electrodo de grafito. El electrodo tiene un cuerpo de grafito que tiene una dirección axial y una dirección radial. El cuerpo de grafito incluye una superficie exterior radial. En esta modalidad, de preferencia la mayor parte de la superficie exterior tiene una superficie texturizada en la dirección axial. La superficie está texturizada de tal manera que, cuando se aplica agua a la superficie texturizada, el agua exhibe por lo menos una gota de agua que tiene un ángulo de contacto de no más de 90°, medidos después de 10 segundos, bajo condiciones controladas de temperatura ambiente típica de alrededor de 25 °C más o menos.

Otra modalidad descrita aquí incluye también un electrodo de grafito que tiene un cuerpo de grafito con una dirección axial y una dirección radial. El cuerpo de grafito incluye una superficie exterior radial. La superficie exterior radial puede incluir una porción texturizada; la porción texturizada tiene una rugosidad superficial de menos de alrededor de 35 micropulgadas (889 mieras) Otra modalidad descrita aquí incluye también un electrodo de grafito que tiene un cuerpo de grafito con una dirección axial y una dirección radial. El cuerpo de grafito incluye una superficie exterior radial. La superficie exterior radial está texturizada de una manera que, cuando se aplica una gota de agua a la porción texturizada, la gota de agua tiene por lo menos el 50 por ciento de su volumen original, después de 30 segundos.

Otra modalidad descrita aquí incluye también un electrodo de grafito que tiene un cuerpo de grafito con una dirección axial y una dirección radial. El cuerpo de grafito incluye una superficie exterior radial. El electrodo incluye también por lo menos una capa de hoja flexible de grafito, envuelta alrededor de por lo menos la mayor parte de la superficie exterior radial del electrodo.

Otra modalidad incluye un electrodo de grafito con un cuerpo de grafito que tiene una dirección axial y una dirección radial, y el cuerpo de grafito tiene una superficie exterior radial. En esta modalidad, una masa de partículas de grafito exfoliado está adherida a la superficie exterior radial del electrodo en una orientación tal, que las partículas que constituyen la masa estén distribuidas sustancialmente a lo largo de por lo menos una porción sustancial de la superficie radial exterior del electrodo.

Otra modalidad incluye un electrodo de grafito que tiene un cuerpo de grafito que tiene una dirección axial y una dirección radial. El cuerpo de grafito incluye una superficie exterior radial que está modificada de tal manera que cuando se aplica agua a la superficie exterior radial, la superficie exterior radial exhibe propiedades hidrófilas y el cuerpo de grafito exhibe propiedades hidrófobas.

Además de las modalidades de electrodo anteriores, se describe aquí un artículo de grafito que tiene una superficie externa cubierta de un mallado de grafito flexible. El mallado de grafito flexible tiene una o más porciones con una densidad de 0.5 g/cc o menos. Los tipos de cuerpos de grafito que se consideran aquí incluyen por lo menos grafito extruido, grafito isomoldeado, grafito moldeado, grafito de grano fino (que tiene un tamaño promedio de grano de menos de 50 mieras), grafito de grano superfino (que tiene un tamaño promedio de grano de menos de 10 mieras), grafito de grano ultrafino (que tiene un tamaño promedio de grano de menos de 5 mieras) y combinaciones de ellos.

También está descrita una modalidad en la que el electrodo tiene una superficie que facilita el flujo de agua a lo largo del electrodo. En una modalidad particular, el electrodo tiene una superficie hidrófoba por tratamiento con una sustancia química.

Breve descripción de los dibujos La figura 1 es una vista lateral, parcialmente recortada, de un electrodo.

La figura 2 es una vista en perspectiva de un electrodo que tiene tanto una superficie texturizada cuanto una superficie convencional.

La figura 3 es una vista lateral que muestra una gota de agua y el ángulo de contacto.

La figura 4 es una vista en perspectiva de un electrodo con un forro de grafito flexible.

La figura 5 es una vista en sección, tomada siguiendo la línea 5-5 de la figura 4.

Las figuras 6A-6B muestran un proceso para formar un electrodo de acuerdo con una modalidad descrita aquí.

Las figuras 7A-7B son modalidades alternativas parciales de aspectos que pueden ser añadidos a una modalidad de un electrodo descrito aquí.

La figura 8 es una vista en perspectiva de un electrodo que tiene un revestimiento antioxidante en su superficie exterior radial.

La figura 9 es una gráfica que muestra el porcentaje en volumen de agua contra el tiempo.

La figura 10 es una vista lateral de una modalidad de una lámina de partículas comprimidas de grafito exfoliado.

La figura 11 es una vista esquemática lateral de una segunda modalidad de una lámina de partículas comprimidas de grafito exfoliado.

La figura 12 es una vista parcial de una sección de una superficie exterior de un electrodo que tiene una superficie exterior texturizada, de acuerdo con una modalidad descrita aquí.

Descripción detallada de una modalidad preferida Se pueden fabricar los electrodos de grafito combinando primero una fracción de partículas que comprende coque calcinado, resina y, opcionalmente, resina de mesofase o fibras de carbón con base en PAN, en una mezcla maestra. Más específicamente, se mezcla coque de petróleo calcinado triturado, dimensionado y molido, con un aglutinante de resina de alquitrán de hulla, para formar la mezcla. Se selecciona el tamaño de partícula del coque calcinado de acuerdo con el uso final del artículo, y está dentro de los conocimientos de quienes son expertos en la materia. Por lo general, se emplean en la mezcla partículas hasta de alrededor de 25 milímetros (mm) de diámetro promedio. De preferencia la fracción de partículas incluye una carga de tamaño pequeño de partícula que comprende polvo de coque. Otros aditivos que se pueden incorporar en la carga de tamaño pequeño de partícula incluyen óxidos de hierro para inhibir el abullonado (provocado por la liberación de azufre de su unión con el carbono dentro de las partículas de coque), polvo de coque y aceites u otros lubricantes para facilitar la extrusión de la mezcla.

Cuando se usan, las fibras de carbón de preferencia están presentes a un nivel de alrededor de 0.5 a alrededor de 6 partes en peso de fibras de carbón por 100 partes en peso de coque calcinado; o a alrededor de 0.4 por ciento a alrededor de 5.5 por ciento en peso de los componentes totales de la mezcla (excluido el aglutinante). Las fibras preferidas tienen un diámetro promedio de alrededor de 6 a 15 mieras, y una longitud que preferiblemente es de alrededor de 4 mm a alrededor de 25 mm y, muy preferible, menos de alrededor de 32 mm.

Opcionalmente se pueden añadir las fibras después de que haya comenzado la mezcla de la fracción de partículas y la resina. En realidad, se añaden las fibras después que se ha completado por lo menos alrededor de la mitad del ciclo de mezclado; además, se pueden añadir las fibras después que se ha completado por lo menos aproximadamente las tres cuartas partes del ciclo de mezclado. Por ejemplo, si el mezclado de la fracción de partículas y la resina se tarda dos horas (es decir, es un ciclo de mezclado de dos horas), se pueden añadir las fibras después de una hora, o incluso noventa minutos, de mezclar. Añadir las fibras después que ha comenzado el mezclado, ayudará a preservar la longitud de las fibras (que se puede reducir durante el proceso de mezclado) y, de esa manera, los efectos benéficos de la inclusión de las fibras, que se cree que están relacionados directamente con la longitud de la fibra.

Como se hizo notar arriba, la fracción de partículas puede incluir carga de tamaño pequeño de partículas (se usa aquí "pequeño" en comparación con el tamaño de partícula del coque calcinado, que generalmente tiene un diámetro tal, que una fracción mayor de él pasa a través de un tamiz de malla de 25 mm, pero no a través de un tamiz de malla de 0.25 mm; y cuando se compara con las cargas empleadas convencionalmente). Más específicamente, la carga de tamaño pequeño de partícula comprende por lo menos alrededor de 75% de polvo de coque, mediante lo cual se quiere decir coque que tenga un diámetro tal, que por lo menos alrededor del 70 por ciento y, más ventajosamente, hasta alrededor del 90%, pase a través de un tamiz de 200 mallas Tyler, equivalentes a 74 mieras.

La carga de tamaño pequeño de partícula puede comprender además por lo menos alrededor de 0.5 por ciento y hasta alrededor de 25 por ciento de otros aditivos, como un inhibidor de dilatación, tal como óxido de hierro. Nuevamente también se puede emplear el aditivo a un tamaño de partícula menor que el usado convencionalmente. Por ejemplo, cuando está incluido óxido de hierro, el diámetro promedio de las partículas de óxido de hierro debe ser tal, que sean menores que alrededor de 10 mieras. Otro aditivo adicional que se puede emplear es polvo de coque de petróleo que tenga un diámetro promedio tal, que sea menor que 10 mieras, añadido para llenar la porosidad del artículo y, de esa manera, permitir un mejor control de la cantidad de aglutinante de resina usada. La carga de tamaño pequeño de partícula debe comprender por lo menos alrededor de 30 por ciento, y hasta alrededor de 50 por ciento o incluso 65 por ciento de la fracción de material en partículas.

Después que se prepara la mezcla de la fracción de material en partículas, el aglutinante de resina, etc., se forma el cuerpo (o se configura) mediante extrusión a través de un dado, o se moldea en moldes formadores convencionales, para formar lo que se conoce como un material verde. La formación, ya sea a través de extrusión o ya sea por moldeo, se efectúa a una temperatura cercana al punto de ablandamiento de la resina, usualmente a alrededor de 100 °C o más. El dado o el molde pueden formar el artículo sustancialmente en la forma y el tamaño finales, si bien es común que se necesite el maquinado del artículo terminado, por lo menos para proveer estructuras tales como roscas. El tamaño del material verde puede variar; para electrodos, el diámetro puede variar entre alrededor de 220 mm y 900 mm.

Después de la extrusión, se trata con calor el material verde horneando a temperaturas de entre alrededor de 700 °C y alrededor de 1100 °C; más preferible, entre alrededor de 800 °C y alrededor de 1000 °C, para carbonizar el aglutinante de resina a un coque bituminoso sólido, para dar al artículo permanencia de forma, alto grado de resistencia mecánica, buena conductividad térmica y resistencia eléctrica comparativamente baja y, de esa forma, formar un material carbonizado. El material carbonizado es horneado en ausencia relativa de aire para evitar la oxidación. El horneo debe ser efectuado a un régimen de alrededor de 1 °C a alrededor de 5 °C de elevación de temperatura por hora, hasta la temperatura final. Después de hornear, se puede impregnar el material carbonizado, una o más veces, con alquitrán de hulla o con betún de petróleo u otros tipos de betunes o resinas conocidos en la industria, para depositar coque adicional en cualquier poro abierto del material. Cada impregnación es seguida de un paso de horneo adicional.

Después de hornear, se grafita el material carbonizado. La grafitación se efectúa mediante tratamiento térmico a una temperatura final de entre alrededor de 2500 °C y alrededor de 3400 °C, durante un tiempo suficiente para hacer que los átomos de carbono del coque y del aglutinante de coque bituminoso se transformen de un estado escasamente ordenado, a la estructura cristalina del grafito. Ventajosamente, la grafitación se efectúa manteniendo el material carbonizado a una temperatura de por lo menos alrededor de 2700 °C y, más ventajosamente, a una temperatura de entre alrededor de 2700 °C y alrededor de 3200 °C. A estas temperaturas elevadas, se volatilizan los elementos que no sean el carbono, y escapan como vapores. El tiempo requerido para mantener el electrodo a la temperatura de grafitación usando el proceso descrito aquí puede ser no más de alrededor de 18 horas; en algunos casos, no más de alrededor de 12 horas. En otros casos, la grafitación puede ser durante alrededor de 1.5 a alrededor de 8 horas. Una vez que se completa la grafitación, se puede cortar el cuerpo de electrodo acabado al tamaño, y luego se lo puede maquinar o formar de otra manera a su configuración final.

Con referencia ahora a la figura 1, se muestra un electrodo de grafito y está indicado en su generalidad con el número 10. El electrodo 10 incluye un cuerpo principal 12, de preferencia construido de grafito formado de acuerdo con la descripción precedente. El cuerpo 12 es generalmente cilindrico, teniendo una dirección axial, representada por la flecha A, y una dirección radial, representada por la flecha R. El cuerpo 12 incluye también una superficie radial exterior 14 y caras extremas opuestas 15. Las caras extremas 15 son usadas típicamente para proveer un medio de conexión de un electrodo a otro y, por lo tanto, no están expuestas a las mismas condiciones severas de oxidación que la superficie exterior 14.

Como se muestra en la figura 2, de acuerdo con una modalidad, la superficie exterior 14 puede tener una porción texturizada 16 y una porción no texturizada 18. De acuerdo con una modalidad, se texturiza la mayoría de la superficie radial exterior 14. De acuerdo con otra modalidad, se texturiza sustancialmente toda la superficie radial exterior 14. De acuerdo con una modalidad más, la porción texturizada 16 tiene una superficie tal, que cuando se le aplica agua a la superficie texturizada el agua exhibirá por lo menos una gota de agua que tiene un ángulo de contacto de no más de alrededor de 90 grados. En otra modalidad, el ángulo de contacto puede no ser mayor que 85 grados. De preferencia, el ángulo de contacto puede ser cualquier ángulo menor que 90 grados, hasta mayor que cero grados.

De acuerdo con otra modalidad, la porción texturizada 16 tiene una superficie tal que, cuando se aplica una gota de agua a la superficie texturizada, el volumen de la gota de agua, después de 30 segundos, es por lo menos el 50 por ciento del volumen original. En otra modalidad más, el volumen de la gota de agua después de 30 segundos es por lo menos el 70 por ciento del volumen original. En otra modalidad, el volumen de la gota de agua después de 30 segundos es por lo menos el 80 por ciento del volumen original. De acuerdo con otra modalidad adicional, el volumen de la gota de agua después de 40 segundos es por lo menos el 40 por ciento del volumen original. De acuerdo con una modalidad más, el volumen de la gota de agua después de 40 segundos es por lo menos el 50 por ciento del volumen de la gota de agua original. De acuerdo con otra modalidad, el volumen de la gota de agua después de 40 segundos es por lo menos el 60 por ciento del volumen original de la gota de agua. De acuerdo con una modalidad más, el volumen de la gota de agua después de 90 segundos es por lo menos el 20 por ciento del volumen original. De acuerdo con otra modalidad más, el volumen de la gota de agua después de 90 segundos es por lo menos el 50 por ciento del volumen original de la gota de agua. De acuerdo con otra modalidad más, el volumen de la gota de agua después de 90 segundos es por lo menos el 70 por ciento del volumen original de la gota de agua. Las condiciones para medir el cambio de volumen pueden ser las condiciones ambientales, que son alrededor de 25 °C y alrededor de 50 por ciento o menos de humedad relativa. En otra modalidad, las propiedades anteriores se miden a las condiciones ambientales.

Con referencia ahora a la figura 3, el ángulo de contacto T es el ángulo formado por un líquido (L) en el contorno trifásico, donde se intersecan el líquido, el gas y el sólido. El ángulo de contacto T depende de las tensiones ¡nterfaciales entre el gas y el líquido, el líquido y el sólido y el gas y el sólido. Se puede medir el ángulo de contacto T, por ejemplo, mediante un goniómetro, que mide un ángulo de contacto de la gota usando la suposición de que la gota se ajusta a la geometría de una esfera, un elipsoide o a la ecuación de Young-Laplace. De acuerdo con una modalidad, se mide el ángulo de contacto a alrededor de 25 °C.

Las técnicas que se pueden usar para crear la porción texturizada 16 incluye por lo menos una de las siguientes: mordentado, pulido, maquinado, bruñido, lijado y sus combinaciones. En una cierta modalidad, particularmente preferida, la porción texturizada 16 es texturizada puliendo para promover el flujo del agua en la dirección axial, a lo largo de la columna. En otra modalidad, se puede aplicar la textura en la dirección axial. Por ejemplo, se puede aplicar una carrera de lijado o de pulido en una dirección axial, a lo largo de la superficie radial exterior.

Se pueden usar otras técnicas para formar la porción 16 de superficie texturizada. En otra modalidad, se usa una herramienta para raspar la superficie exterior 14 del electrodo 10. Se raspa la superficie 14 en dirección axial, desde la cara extrema diseñada para la parte superior del electrodo, hasta la cara extrema diseñada como la parte inferior del electrodo 10. La parte superior y la parte inferior del electrodo están relacionadas con la manera en que se oriente el electrodo mientras está en uso, como parte de una columna de electrodos. En una modalidad, el raspado puede formar un patrón de grano ranurado, a lo largo de la superficie 14, con los dientes extendiéndose en una dirección descendente, como se muestra en la figura 12.

En otra modalidad, se puede raspar la superficie 14 de manera que facilite el flujo de líquido a lo largo de la superficie 14 del electrodo 10, mientras el electrodo 10 esté en servicio, como parte de una columna de electrodos. Adicionalmente, se puede raspar la superficie 14 de una manera que incrementa cualquiera o ambas características de las siguientes: el flujo de agua a lo largo de la superficie 14 del electrodo 10 o bien la velocidad a la que se desplaza el agua a lo largo de la superficie 14 del electrodo 10.

Como se dijo más atrás aquí, se usa el agua como una modalidad de ejemplo de un líquido de enfriamiento. Las modalidades descritas no están limitadas al uso del agua como líquido de enfriamiento. Se pueden usar otros fluidos como líquido de enfriamiento, además del agua, o se puede usar agua junto con otros compuestos. Por ejemplo, el líquido de enfriamiento, tal como el agua, puede incluir un agente tensioactivo. Un ejemplo de un agente tensioactivo puede incluir el jabón.

En otra modalidad adicional, la porción texturizada 16 del electrodo 10 está formada por la aplicación de una sustancia química a la superficie 14 del electrodo 10. En un aspecto particular de esta modalidad, la sustancia química puede ser un cemento de carbono, que se pueda grafitar. En otra modalidad particular, la sustancia química puede ser una resina. Las resinas de ejemplo incluyen una resina de impregnación, una resina aglutinadora o cualquier otro tipo de resina que se pueda grafitar. Estas diversas modalidades de sustancias químicas pueden ser usadas en cualquier combinación de ellas. Se puede aplicar la sustancia química en un proceso de humectación, tal como medíante inmersión o revolcamiento del electrodo 10 en un baño de la sustancia química, o mediante un proceso de impregnación. Antes de la aplicación de la sustancia química a la superficie 14, de preferencia se grafita el electrodo 10. Opcionalmente, la tecnología de conexión puede haber sido maquinada o no en el electrodo 10, antes de la aplicación de la sustancia química En una cierta modalidad, el electrodo 10 ha exhibido su densidad deseada antes de la aplicación de la sustancia química.

La sustancia química de la modalidad de arriba no está limitada a la resina ni al cemento de carbono. Se puede usar como sustancia química cualquier material hidrófobo.

En un ejemplo preferido de esta modalidad, una vez que se aplica la sustancia química a la superficie 14 del electrodo 10 y se cura opcionalmente la sustancia química, de ser apropiado para la sustancia química particular, la superficie 14 del electrodo 10 no se procesa ulteriormente. Por ejemplo, en esta modalidad, si la sustancia química es resina, antes de usar el electrodo 10 con una superficie 14 que ha sido tratada con resina, se prefiere que no se someta el electrodo 10 a ningún paso de calentamiento, que pudiera carbonizar la resina antes de añadir el electrodo 10 a una columna de electrodos.

En otra modalidad, la rugosidad superficial de la porción texturizada 16 puede ser menor que alrededor de 35 micropulgadas (635 mieras); y en otra modalidad, menos de 20 micropulgadas (508 mieras). En cierta modalidad, la rugosidad superficial de la porción 16 puede ser de alrededor de 15 micropulgadas (381 mieras) o menos.

Se puede usar un probador de rugosidad superficial ("Probador") Fase II TR100, para determinar la rugosidad de la superficie. En una modalidad particular, se determina la rugosidad superficial usando el probador en más de un sitio de la porción texturizada 16. En una modalidad, el probador puede usar un algoritmo de raíz cuadrada media ("RMS") para calcular la rugosidad superficial. Un ejemplo no restrictivo de otro algoritmo de esa especie, es una media aritmética.

Como para el líquido de enfriamiento, también llamado agua, se puede aplicar el líquido de enfriamiento a la superficie 14 del electrodo 10, de cualquier manera preferida. En una modalidad, se rocía el líquido sobre la superficie 14 en más de un punto circunferencial, típicamente en cuatro (4) o más puntos. En otra modalidad, se pueden usar boquillas atomizadoras para aplicar el líquido de enfriamiento al electrodo 10. En otra modalidad, se puede aplicar el líquido de enfriamiento al electrodo 10 en un patrón de rocío, o en un patrón parecido a abanico.

Con referencia ahora a las figuras 4 y 5, se muestra un electrodo 20 de acuerdo con otra modalidad. El electrodo 20 incluye un cuerpo de grafito 22 que tiene una dirección axial (A) y una dirección radial (R). El cuerpo de grafito 22 incluye una superficie radial exterior 24 y caras extremas opuestas 25. En lugar de una porción texturizada, o junto con la porción texturizada, el electrodo 20 incluye una o más capas de grafito flexible 26, dispuestas alrededor de por lo menos la mayor parte de la superficie radial exterior 24 del electrodo 20. De acuerdo con una modalidad se pueden formar una o más capas de grafito flexible (26) a partir de una hoja unitaria de grafito flexible. De acuerdo con otra modalidad, la capa o las capas de grafito flexible se pueden formar a partir de una pluralidad de hojas de grafito flexible.

En modalidades que incluyen una pluralidad de hojas de grafito flexible, las hojas de grafito flexible pueden estar formadas del mismo material de partida o de diferentes materiales de partida. En una modalidad, una hoja de grafito flexible está formada de una masa comprimida y/o calandrada de partículas exfoliadas de grafito natural. Una técnica de ejemplo para la formación de grafito flexible está descrita en la patente estadounidense No. 3,404,061, la cual queda incorporada aquí en su totalidad por medio de esta referencia.

En otra modalidad, se puede formar una hoja de grafito flexible a partir de una película de poliimida, como se describe en la patente estadounidense No. 5,091,025, la cual queda incorporada aquí en su totalidad por medio de esta referencia. Se pueden usar juntas combinaciones de los tipos mencionados de grafito flexible. Una fuente para el grafito flexible, de partículas intercaladas y exfoliadas de grafito natural, es GrafTech International Holdings, Inc. Opcionalmente, la capa o las capas de grafito 26 pueden incluir un antioxidante incorporado en la hoja o las hojas de grafito. Se puede incorporar el antioxidante en dicha hoja durante la producción de la hoja.

Con referencia ahora a las figuras 6A-6B se puede formar el electrodo 20 de la siguiente manera. Como se muestra en la figura 6A, se forma el cuerpo de grafito 22 de acuerdo con los métodos descritos arriba. Después que se forma el cuerpo de grafito 22, se pueden maquinar elementos conectores 21 en una o en ambas caras extremas 25. Se puede maquinar en la cara extrema 25 del cuerpo de grafito 22 cualquier técnica de conexión conocida, tal como un receptáculo (como se muestra) o una espiga.

Opcionalmente, se puede aplicar un tratamiento de adherencia a la superficie sobre la superficie radial exterior 24 para promover la adherencia del grafito flexible 26 al cuerpo 22 del electrodo. Como se muestra en la figura 6A, el tratamiento de adherencia a la superficie puede incluir uno o más listones 30 (ver la figura 7A) cortados en la superficie exterior de 24 del electrodo 20. Los listones 30 generalmente pueden tener una forma de U alargada, en su sección transversal, y se pueden extender axialmente, circunferencialmente, o en un patrón de espiral. De preferencia están dispuestos los listones 30 a lo largo de toda la superficie radial exterior 24, en la que se va a disponer el mallado 26. Más preferible, tanto los listones 30 cuanto el mallado 26 están dispuestos a lo largo de por lo menos la mayor parte de la superficie radial exterior 24, y todavía más preferible, sustancialmente en la totalidad de la superficie radial exterior 24.

Como se muestra en la figura 7B, los listones 30 pueden estar cortados alternativamente en cola de milano. El corte en cola de milano, por ejemplo, puede ser de 60 grados y 1/8 de pulgada (3.17 mm) por 0.055 pulgada (1.39 mm), cuatro por lado. En otra modalidad, la cola de milano puede ser de 3/16 de pulgada (4.76 mm) por 0.090 pulgada (2.28 mm). En otra modalidad más, la cola de milano puede ser de 3/16 de pulgada (4.76 mm) por 0.055 pulgada (1.39 mm). El corte de cola de milano no está limitado a ninguna dimensión particular. Adicionalmente, el tratamiento de adherencia no está limitado solamente a esas formas ilustradas en las figuras 7A y 7B. Se puede usar cualquier forma para acrecentar la adherencia del mallado 26 a la superficie exterior 24. Más aún, se puede usar cualquier combinación de formas y de patrones de corte. Por ejemplo, una pluralidad de listones 30 pueden estar espaciados equidistantemente y cortados en la dirección axial, o una pluralidad de listones 30 están espaciados equidistantemente y están cortados en una dirección espiral.

En otra modalidad, la superficie exterior 24 del electrodo 20 incluye una pluralidad de ranuras. Una o más de las ranuras, (en algunos casos todas las ranuras) están diseñadas para permitir que la hoja de grafito 26 se trabe mecánicamente a la superficie exterior 24 del electrodo 20.

En una modalidad, las ranuras, las muescas, etc., tienen una profundidad de por lo menos alrededor de 0.005" (0.127 mm); opcionalmente, las ranuras, las muescas, etc., pueden tener una profundidad de no más de 0.250" (6.35 mm). En una modalidad adicional, la profundidad de las ranuras, las muescas, etc., no es más de alrededor del 0.06 por ciento a alrededor del 2.5 por ciento del radio del electrodo 20. Cuando se aplica al electrodo 20, el mallado 26 puede tener un espesor de por lo menos alrededor de 1/32" (0.79 mm), de preferencia, por lo menos alrededor de 1/16" (1.58 mm); más preferible, por lo menos alrededor de 1/8" (3.17 mm); todavía más preferible, por lo menos alrededor de 1/4" (6.35 mm). Para una modalidad dada, en términos de la profundidad de la ranura, el espesor del mallado 26 sobre el electrodo 20 puede variar de 12.5 por ciento al 5000 por ciento de la profundidad de la ranura.

Cualquiera de todos los listones, las ranuras, las muescas, etc., en cualquiera de las modalidades anteriores, puede estar dispuesto a la manera de una espiral, de manera longitudinal, sustancialmente vertical, sustancialmente de manera horizontal, de manera no curva de la superficie 24, o cualquier combinación de éstas. Alternativamente, si la modalidad incluye listón, ranura, muesca, etc., en forma de espiral, el electrodo 20 puede incluir uno (1) de dichos listones, ranuras o muescas, o más de uno (1). En una modalidad particular, la frecuencias de las ranuras 30 no es mayor que cuatro (4) por pulgada lineal (2.54 cm) de la circunferencia de la superficie 24 del electrodo 30. En otra modalidad, la superficie 24 puede incluir una (1) ranura 30 por cada tres (3) pulgadas lineales (7.62 cm) de circunferencia de la superficie 24 del electrodo 20. En otras modalidades, el número de ranuras 30 alrededor de la circunferencia del electrodo 20 puede ser uniforme o puede variar. En otras modalidades, el número de ranuras 30 alrededor de la circunferencia del electrodo 20 puede ser uniforme o puede variar. En otra modalidad, la distancia entre las ranuras adyacentes 30 puede ser uniforme, o puede variar. En una modalidad particular, la distancia entre las ranuras 30 adyacentes puede ser no mayor que 1/4" (6,35 mm) hasta alrededor de 3" (7.62 cm).

Después del tratamiento de adherencia a la superficie, opcional, se puede aplicar un adhesivo a la superficie radial exterior 24 antes de la aplicación del grafito flexible 26. Se usa un adhesivo aquí en un sentido general. Cuando se usa aquí, el adhesivo puede incluir un cemento que se usa para unir los bloques de carbón y/o de grafito entre sí. De preferencia el adhesivo es carbonizable y, además, grafitable. Alternativamente, el adhesivo puede ser un adhesivo con carga. Los ejemplos de los tipos preferidos de cargas incluyen: partículas de carbón y/o de grafito. En otra modalidad no mostrada, antes o después de la aplicación del adhesivo se puede aplicar un antioxidante a la superficie radial exterior 24 del electrodo 20. En una modalidad particular, el antioxidante puede tener la forma de un polvo. Un ejemplo no restrictivo de antioxidantes adecuados incluye por lo menos los siguientes: fosfato, carburo de silicio, nitruro de boro, carburo de titanio, dióxido de titanio, alúmina, silicato de aluminio, óxido de magnesio, siliciuro de molibdeno, y combinaciones de ellos.

Con referencia ahora a la figura 6B, después que se aplica el tratamiento de adherencia a la superficie y/o los adhesivos, se puede aplicar el forro de grafito flexible 26 a la superficie radial exterior 24 del electrodo 20. Como se discutió más atrás, si se desea el uso de un antioxidante, se puede incorporar el antioxidante en una o más de las capas 26 de grafito flexible y/o se puede aplicar a la superficie exterior 24.

En una modalidad particular del electrodo 20, el espesor total del grafito flexible 26 es no mayor que alrededor de un tercio (1/3) del diámetro del electrodo 20. En otra modalidad, el espesor del grafito flexible 26 es no mayor que alrededor de 2 pulgadas (2") (5.08 cm). De preferencia, cada hoja de grafito flexible tiene una densidad no mayor que alrededor de 2.0 g/cc o menos, y más preferible, no mayor que alrededor de 1.6 g/cc o menos; todavía más preferible, no mayor que 1.2 g/cc. En otra modalidad, una hoja tiene una densidad de alrededor de 1.0 g/cc o menos.

En otra modalidad particular, el espesor de por lo menos una, hasta todas las hojas del forro de grafito, es no mayor que 1/2" (1.27 cm); en otra modalidad, no mayor que 1/3" (8.46 mm) y en otra modalidad más, no mayor que 1/4" (6.35 mm).

En una modalidad adicional, por lo menos una, hasta todas, de las hojas del forro de grafito tienen por lo menos una porción de la hoja que tiene una densidad de no más de 0.5 g/cc; adicionalmente, no más de 0.45 g/cc, particularmente, no más de 0.4 g/cc; más aún, no más de 0.3 g/cc y, finalmente, no más de 0.2 g/cc. En otra modalidad, el mallado de grafito incluye por lo menos una pluralidad de porciones que tienen una densidad no mayor que 0.5 g/cc, de preferencia menor que 0.5 g/cc; todavía más preferible, menor que 0.4 g/cc. En ciertas modalidades, por lo menos antes de la aplicación del mallado de grafito al electrodo 20, por lo menos la mayoría, si no es que la totalidad, del mallado tiene una densidad de 0.5 g/cc o menos; de preferencia, 0.4 g/cc o menos. Las cifras de densidad anteriores son ejemplares, y se debe considerar como descritas todas las cifras intermedias de los ejemplos descritos aquí.

Para cualquier modalidad particular que use múltiples hojas del mallado de grafito, las densidades de varias hojas usadas pueden mezclarse o hacerse coincidir en cualquier combinación de las modalidades arriba descritas.

En una modalidad particularmente preferida, el mallado de grafito (denominada también hoja) es una hoja de grafito de baja densidad que forma la capa protectora exterior del cuerpo de electrodo 20. En esta modalidad, el mallado de grafito de baja densidad tiene una densidad de 0.5 g/cc o menos, por lo menos en una o más porciones, de preferencia en toda la hoja. En una modalidad más preferida, la hoja de grafito de baja densidad tiene una densidad de 0.2 g/cc o menos. En otras modalidades más, la hoja de grafito de baja densidad tiene una densidad de 0.1 g/cc o menos. En otras modalidades adicionales, la hoja de grafito de baja densidad tiene entre 0.05 y 0.3 g/cc. En otras modalidades adicionales más, la hoja de grafito de baja densidad es de entre 0.1 y 0.2 g/cc. En una modalidad, la hoja de grafito de baja densidad tiene un espesor de menos de 3/4" (1.90 cm). En otra modalidad, la hoja de grafito de baja densidad tiene un espesor de menos de 1/2" (1.27 cm). En una modalidad, la hoja de grafito de baja densidad tiene un espesor de entre 1/4" (6.35 mm) y 3/4" (1.90 cm). En otra modalidad, la hoja de grafito de baja densidad tiene un espesor de entre 0.4 y 0.6 pulgadas (10.16 mm y 15.24 mm). En una modalidad particularmente preferida, la hoja de grafito de baja densidad tiene un espesor de alrededor de 1/2" (1.27 cm) y una densidad de alrededor de 0.1 g/cc.

En otras modalidades, el mallado de grafito descrito en lo que antecede puede tener una densidad de no más de 0.4 g/cc. Un ejemplo no restrictivo de un límite inferior para la densidad puede ser alrededor de 0.05 g/cc o más; adicionalmente, no menor que 0.1 g/cc. Todas las densidades entre los 0.4 g/cc y los 0.05 g/cc pueden ser usadas en la práctica de las modalidades descritas. Los ejemplos de esas densidades incluyen: 0.38 g/cc o menos, 0.35 g/cc o menos, 0.28 g/cc o menos, 0.25 g/cc o menos, 0.18 g/cc o menos y 0.15 g/cc o menos.

La hoja de grafito de baja densidad descrita arriba se puede caracterizar por ser compresible y deformable. Así, la densidad y los espesores descritos antes son ilustrativos de las propiedades y las dimensiones, antes de la aplicación al electrodo de grafito. En una modalidad, se comprime la hoja de grafito de baja densidad sobre el cuerpo de grafito 20. De esa manera, durante la unión al cuerpo de grafito 20 se deforma y se comprime la hoja de grafito de baja densidad. En una modalidad se comprime la hoja de grafito de baja densidad a menos de la mitad del espesor original. En otras modalidades, se comprime la hoja de grafito de baja densidad a menos de 1/4 de su espesor original. En otras modalidades más, se comprime la hoja de grafito de baja densidad a menos de 1/8 del espesor original en su punto más delgado. Cuando se comprime la hoja de grafito de baja densidad sobre el electrodo, se incrementa la densidad. Así, en una modalidad, después de la compresión sobre el cuerpo de electrodo 20, la hoja de grafito de baja densidad tiene el doble de la densidad original. En otras modalidades, después de la compresión sobre el cuerpo de electrodo 20, la hoja de grafito de baja densidad tiene el cuádruple de su densidad original. En otras modalidades más, después de la compresión sobre el cuerpo de electrodo 20, la hoja de grafito de baja densidad tiene ocho veces su densidad original. En estas u otras modalidades, la hoja de grafito de baja densidad, después de la compresión sobre el cuerpo de electrodo 20, tiene por lo menos una porción de la hoja que tiene una densidad de no más de alrededor de 1.0 g/cc. En otras modalidades, la densidad de la al menos una porción del mallado comprimido puede no tener más de 0.8 g/cc, de preferencia no más de 0.5 g/cc. En otras modalidades adicionales, la hoja de grafito de baja densidad, después de compresión sobre el cuerpo de electrodo 20, tiene una densidad de menos de 0.4 g/cc.

En el caso de que se usen los listones, las ranuras o las muescas anteriormente mencionadas para ayudar a adherir el mallado 26 al cuerpo 20, la densidad del mallado 26 puede variar a lo largo de la circunferencia del electrodo 20. Por ejemplo, para aquellas porciones del forro de grafito dispuestas en las ranuras, etc., el mallado 26, cuando se comprime sobre el electrodo 20, tendrá menor densidad, cuando se compara con las porciones del mallado 26 comprimidas a lo largo de la superficie exterior del electrodo 20, que no incluyen las ranuras, etc., antes mencionadas.

En otra modalidad, la densidad del mallado 26, cuando se comprime alrededor del electrodo 20, puede variar. Dicha densidad puede variar uniformemente o aleatoriamente.

De esa manera, se deforma la hoja de grafito de baja densidad, comprimida, y se asegura al cuerpo del electrodo. Se debe apreciar que, si el cuerpo 20 de electrodo incluye listones o colas de milano 30 descritas más atrás, u otros aspectos superficiales, la hoja de grafito de baja densidad puede entrar, al menos parcialmente, o ser recibida al menos parcialmente en los listones 30. Esto mejora la unión mecánica entre el cuerpo de electrodo 20 y la hoja de grafito de baja densidad. En estas u otras modalidades, se pueden proveer adhesivos entre la hoja de grafito de baja densidad y el cuerpo del electrodo. Además, se pueden proveer revestimientos antioxidantes entre la hoja de grafito y el cuerpo de electrodo 20, antes de su unión a él.

En una cierta modalidad de la hoja 26, los bordes de la hoja 26 incluyen una junta a rebajo, como se muestra en la figura 10. En esta modalidad, se prefiere que cada sección de borde de la hoja 26, que estará adyacente a otra sección de borde de la hoja 26 sobre el electrodo 20, coincidan entre sí mediante el uso de juntas a rebajo cooperantes. En otra cierta modalidad, en lugar de usar cortes a rebajo, se pueden cortar en bisel como se muestra en la figura 11. Cualquier tipo de junta de empalme entre las secciones de borde adyacentes de la hoja 26, está dentro del alcance de las modalidades aquí descritas. Además, cualquier unión o disposición de las secciones de borde del mallado 26 que permita que las secciones de borde cooperen, pero que no dé por resultado que las porciones cooperantes tengan un espesor mayor que los espesores de la hoja 26, está dentro del alcance de lo que se define aquí. En otra modalidad alternativa, las secciones de borde adyacentes de la hoja 26, topan una con otra. En otra modalidad alternativa, las secciones de borde de la hoja 26 pueden traslaparse una con otra.

Alternativamente, en lugar de usar el mallado de grafito mencionado, se pueden usar hojas de poliimida grafitada o, alternativamente, hojas de mallado de grafito y poliimida grafitada, en combinación, o una estructura mixta del mallado de grafito y la hoja de poliimida grafitada.

En otra modalidad alternativa, en lugar de envolver el mallado de grafito 26 alrededor del cuerpo 22 del electrodo de grafito, se dispone una pluralidad de partículas de grafito exfoliadas, a lo largo de la superficie radial exterior 24 del electrodo, para formar un forro de grafito exfoliado. De acuerdo con una modalidad, la pluralidad de partículas de grafito exfoliadas se comprime contra el cuerpo de electrodo 24, para adherirle las partículas y formar el forro de grafito exfoliado. De preferencia, el forro de grafito exfoliado cubre por lo menos una porción sustancial de la superficie radial exterior 24. Opcionalmente, el electrodo 20 puede incluir una capa de antioxidante sobre la superficie radial exterior 24 del electrodo. En una modalidad alternativa se incorpora el antioxidante en la hoja 26 o el lecho de partículas que se va a aplicar a la superficie radial exterior 24. Además de, o en lugar del antioxidante, se puede incorporar un agente tensioactivo en la hoja 26 o en el lecho de partículas que se va a aplicar a la superficie radial exterior 24.

Con respecto al antioxidante, otra modalidad puede incluir el uso, alrededor de la superficie 24 del electrodo 20, alternativamente, una superficie de un antioxidante, y luego una hoja de mallado de grafito 26, o viceversa. En una modalidad, se aplica a la superficie 24 del electrodo 20 una hoja de mallado de grafito 26. Luego se puede aplicar a la superficie exterior de la hoja 26, una capa de antioxidante. La aplicación de las hojas 26 y las capas de antioxidante se puede repetir tantas veces como sea conveniente para el usuario. En una variación de esta modalidad, la capa de antioxidante puede ser aplicada primero, en lugar de la hoja 26, y luego se aplica la hoja 26. En esta variación, se pueden aplicar capas de antioxidantes y hojas 26 tantas veces como sea conveniente.

Se debe apreciar que la adición del grafito exfoliado y/o las capas de grafito flexible al núcleo de electrodo 22, puede efectuarse para incrementar el diámetro del electrodo 20. Por ejemplo, se puede formar un electrodo de 30 pulgadas (76.20 cm) de diámetro utilizando un cuerpo 22 de electrodo de grafito de 26 pulgadas (66.04 cm) de diámetro y aplicando una capa de 2 pulgadas (5.08 cm) de grafito exfoliado y/o forro de grafito 26. En otro ejemplo, se puede formar un electrodo de 32 pulgadas (81.28 cm) de diámetro o más, usando un cuerpo 22 de electrodo de grafito de 30 pulgadas (76.20 cm) de diámetro, añadiendo suficiente número de capas para incrementar el diámetro total del artículo mixto hasta una cantidad deseada, tal como 32 pulgadas (81.28 cm) de diámetro, en este caso. De esa manera, se puede ensanchar el rango de tamaños de electrodo disponibles.

Con referencia ahora a la figura 8, se muestra un electrodo 40 de acuerdo con otra modalidad de la invención. El electrodo 40 incluye un cuerpo de grafito 32, que tiene una dirección axial (A) y una dirección radial (R). El cuerpo de grafito 32 incluye una superficie radial exterior 34 y caras extremas opuestas 35. Se aplica un revestimiento antioxidante 38 por lo menos a una porción sustancial de la superficie radial exterior 34 y, de preferencia, sustancialmente a toda la superficie radial exterior 34. En un ejemplo no restrictivo, los antioxidantes adecuados incluyen: fosfato, carburo de silicio, nitruro de boro, carburo de titanio, dióxido de titanio, alúmina, silicato de aluminio, óxido de magnesio, siliciuro de molibdeno, y combinaciones de ellos. En una modalidad, el revestimiento 38 comprende un material eléctricamente conductor. En otra modalidad, se puede adherir el revestimiento 38 de antioxidante a la superficie exterior mediante el uso de un adhesivo. El adhesivo puede ser el mismo adhesivo descrito más arriba. El revestimiento 38 de antioxidante puede incluir adicionalmente partículas de grafito exfoliado, si así se desea. En una modalidad particular, el antioxidante 38 comprende un polvo aplicado a la superficie exterior del electrodo 40.

En una modalidad descrita aquí, el electrodo incluye una superficie radial exterior que está modificada de manera que, cuando se aplica agua a la superficie del electrodo, exhiba propiedades hidrófilas y el cuerpo del electrodo pueda exhibir una o más características asociadas comúnmente con un cuerpo hidrófobo. En una modalidad particular, se usa hidrófilo para significar que la gota de agua tendrá una apariencia tradicionalmente asociada con una superficie que es humectada. Adicionalmente, cuando se usa aquí, el término hidrófobo significa por lo menos que el cuerpo del electrodo no absorbe tanta agua cuando se compara con un electrodo que tiene una superficie convencional. En otra modalidad, el electrodo no incluye ningún revestimiento ni capa aplicada a la superficie exterior del electrodo.

En combinación con una o más de las modalidades anteriores, o independientemente de ellas, el electrodo puede ser enfriado usando agua que tenga un aditivo. En una modalidad, el aditivo es un agente tensioactivo para promover el flujo de agua a lo largo del electrodo. En otra modalidad, el aditivo es un antioxidante. Los aditivos antioxidantes puede incluir, por ejemplo: metales (o semi-metales) y sus carburos, fosfatos, óxidos, nitruros, silicatos o siliciuros correspondientes, en una solución acuosa, un coloide o una suspensión espesa. Se pueden añadir aditivos antioxidantes al agua en concentraciones hasta de 50 por ciento en peso. En otras modalidades, hasta 30 por ciento en peso. Y en otras modalidades más, hasta 10 por ciento en peso.

En una modalidad particular se añade hidróxido de magnesio Mg(OH)2 al agua de enfriamiento para formar una suspensión espesa. En esta modalidad, el hidróxido de magnesio puede significar hasta 10 por ciento en peso de la suspensión espesa. En otra modalidad, el hidróxido de magnesio puede sr hasta 30 por ciento en peso de la suspensión espesa. En otras modalidades, el hidróxido de magnesio puede ser hasta 50 por ciento en peso de la suspensión espesa. En otras modalidades adicionales, el hidróxido de magnesio es hasta 68 por ciento en peso de la suspensión espesa. En otras modalidades más, el hidróxido de magnesio está entre 20 y 40 por ciento en peso de la suspensión. En otras modalidades más, el hidróxido de magnesio está entre alrededor de 25 y 35 por ciento en peso de la suspensión espesa. Cuando la mezcla de suspensión espesa hace contacto con, y corre a lo largo del electrodo, se descompone, perdiendo agua y dejando óxido de magnesio (MgO) sobre la superficie del electrodo. El óxido de magnesio puede reducir la oxidación del electrodo. También, como se sabe en la técnica, se añade habitualmente óxido de magnesio durante los calentamientos y, de esa manera, el método anterior puede ser una técnica mejorada de añadir óxido de magnesio a la escoria en el horno.

Además de a los electrodos de grafito, los conceptos descritos aquí también son aplicables a otros tipos de artículos de grafito, tales como al menos grafito extruido, grafito isomoldeado, grafito moldeado, grafito de grano fino (que tenga un tamaño promedio de grano de menos de alrededor de 50 mieras a alrededor de 10 mieras), grafito de grano superfino (que tenga un tamaño promedio de grano de menos de alrededor de 10 mieras a alrededor de 5 mieras), grafito de grano ultrafino (que tenga un tamaño promedio de grano de menos de 5 mieras, por ejemplo, 4 mieras o menos), y combinaciones de ellos. El grafito flexible aplicado a una o más superficies del artículo de grafito puede incluir hojas flexibles de grafito o un forro de grafito, como se describió antes. En una modalidad alternativa, se pueden aplicar partículas de grafito exfoliado (también llamado grafito expandido) a aquellas superficies exteriores que fueron discutidas más atrás.

En una modalidad, el coeficiente de dilatación térmica (en lo sucesivo "CTE") a la temperatura ambiente del material de grafito, afecta la vida y la facilidad de eliminación del silicio, para las aplicaciones de producción de silicio y, por consiguiente, es particularmente consecuencial con la dirección perpendicular a la solidificación (o sea, en el plano paralelo a la pared inferior). Así pues, si el material de base es material extruido, el CTE contrario al grano tiene consecuencia particular. Sin embargo, si el material de base es material moldeado el CTE a favor del grano tiene consecuencia particular. En una modalidad, el material de grafito tiene un coeficiente de dilatación térmica, perpendicular a la dirección de solidificación, que es menor que 95 por ciento del CTE del silicio procesado allí (el CTE de Si a la temperatura ambiente es alrededor de 3.5 x 10~6/°C). Todavía más ventajosamente, el material de grafito tiene un CTE, en la dirección perpendicular a la solidificación, de menos de 85 por ciento del CTE del silicio procesado allí. Más ventajosamente aún, el material de grafito tiene un CTE, en la dirección perpendicular a la solidificación, de menos del 75 por ciento del silicio procesado allí. En estas u otras modalidades, los materiales de grafito exhiben un CTE en la dirección perpendicular a la solidificación, de alrededor de 1.0 x 10~6/ °C, a alrededor de 3.0 x 10"6/°C. En otra modalidad, el CTE en la dirección perpendicular a la solidificación es de alrededor de 2 x 10"6 Í'C a alrededor de 2.5 x 10"d/??.

Ventajosamente, en una modalidad, el material de grafito tiene una conductividad térmica en el plano transversal (es decir, paralelo al flujo de calor y a la solidificación) de alrededor de 80 a alrededor de 200 W/m.K, a la temperatura ambiente. En otras modalidades, la conductividad térmica es de alrededor de 90 a alrededor de 160 W/m.K a la temperatura ambiente. En otras modalidades, la conductividad térmica es de alrededor de 120 a alrededor de 130 W/m.K a la temperatura ambiente.

En una cierta modalidad, el material de grafito tiene una resistencia a la compresión a favor del grano de entre 15 y 22 MPa. En otras modalidades, la resistencia a la compresión a favor del grano es de entre alrededor de 17 y alrededor de 20 MPa. En esta modalidad o en otras, la resistencia a la compresión contra el grano está ventajosamente entre alrededor de 17 y alrededor de 24 MPa. En otras modalidades, la resistencia a la compresión contra el grano está entre alrededor de 19 y alrededor de 21 MPa.

En otra modalidad, el material de grafito exhibe ventajosamente una permeabilidad al gas de menos de alrededor de 0.01 Darcy. Todavía más ventajosamente, el material de grafito exhibe una permeabilidad al gas de menos de alrededor de 0.005 Darcy. Más aún, ventajosamente, el material de grafito exhibe una permeabilidad al gas de menos de alrededor de 0.002 Darcy. La permeabilidad relativamente baja del material de grafito provee seguridad adicional y vida mejorada, en caso de una falla o una degradación.

Una ventaja de una o más de las modalidades anteriores es que el electrodo descrito aquí debe exhibir resistencia mejorada a la oxidación, durante el uso.

Quienes sean expertos en la materia reconocerán que las técnicas descritas arriba se pueden aplicar tanto a los electrodos del tipo de espiga-receptáculo, como a los electrodos sin espiga. El tamaño de los electrodos descritos arriba típicamente puede variar desde 220 mm hasta alrededor de 800 mm de diámetro nominal. Se pueden aplicar las técnica anteriores a un electrodo de cualquier longitud.

Ejem píos Ejemplo 1: Se preparó una muestra de control cortando un electrodo de grafito obtenible en el comercio (GrafTech International Holdings Inc.) a un cubo que medía 2 pulgadas (5.08 cm) por lado. Se maquinaron nueve muescas equidistantes, de 1/8 de pulgada (3.17 mm) de profundidad, en cada lado del cubo. Se pesó el cubo de muestra antes de colocarlo en un horno a alta temperatura. Con un caudal de aire de 9 L/mlnuto, se calentó la muestra desde la temperatura ambiente hasta 1600 °C a razón de 10 °C/minuto; luego se mantuvo a 1600 °C durante 30 minutos, después de lo cual se apagó el horno y se dejó enfriar hasta la temperatura ambiente. Se volvió a pesar la muestra y se calculó que la pérdida de masa de la muestra de control fue de 34 por ciento.

Se cortó un segundo cubo de grafito que medía 2 pulgadas (5.08 cm) por lado. El segundo cubo tuvo nueve muescas equidistantes, de 1/8 de pulgada (3.17 mm) de profundidad, maquinadas en cada lado del cubo. Se colocó una hoja preformada de grafito expandido, que medía 1.875 pulgada cuadrada (12.096 cm2) por 1/2 pulgada (1.27 cm) de espesor, en dos caras opuestas del cubo. La hoja de grafito expandido tuvo un peso por área unitaria de 0.14 g/cm2, lo que da una densidad de mallado original de alrededor de 0.16 g/cm3. Se comprimió la hoja sobre la superficie, dentro de las muescas del cubo de grafito, usando una prensa de laboratorio que suministró 500 psi (3.445 Pa). Los lados restantes del segundo cubo fueron revestidos con grafito expandido comprimido de la misma manera. Se pesó la muestra y se calentó como en el primer cubo. La pérdida de masa fue del 28 por ciento.

Se cortó un tercer cubo de grafito que midió 2 pulgadas (5.08 cm) por lado. El tercer cubo tuvo nueve muescas equidistantes de 1/8 de pulgada (3.17 cm) de profundidad, maquinadas en cada lado del cubo. Antes de la compresión de la hoja de grafito expandido se distribuyó 0.5 g de polvo de carburo de silicio en cada cara del cubo. Posteriormente se colocó una hoja preformada de grafito expandido que medía 1.875 pulgada cuadrada (12.096 cm2) por 1/2 pulgada (1.27 cm) de espesor, en dos caras opuestas del cubo. La hoja de grafito expandido tenía un peso por área unitaria de 0.14 g/cm2, lo que da una densidad de mallado original de alrededor de 0.16 g/cm3. Se comprimió la hoja sobre la superficie y dentro de las muescas del cubo de grafito, usando una prensa de laboratorio que produce 500 psi (3.445 MPa). Se revistieron los lados restantes del tercer cubo con grafito expandido comprimido, de la misma manera. Se pesó la muestra y se calentó como en el primer cubo. La pérdida de masa de la muestra fue de 24 por ciento.

Ejemplo 2: Se prepararon muestras cortando electrodos de grafito obtenibles en el comercio (GrafTech International Holdings Inc.) que tenían superficies sin modificar, a muestras de una pulgada cuadrada (6.45 cm2) para pruebas. La superficie exterior original de los electrodos fue marcada claramente como la superficie que se va a probar. También se lijaron a mano muestras, o se pulieron mecánicamente, de acuerdo con diversos métodos. Se pulió una muestra pulida usando papel lija 80; luego una almohadilla Scotch 47R94 Fine. Se pulió una segunda muestra usando papel lija 80, luego una almohadilla Scotch 42R18 Mid y luego papel esmeril de óxido de hierro.. Se pulió una tercera muestra pulida usando papel lija 80, luego almohadilla Scotch 474466 Rough y después papel esmeril de óxido de hierro. Finalmente se pulió una cuarta muestra pulida ("Pulida #4") usando papel lija 80, luego papel lija 320, luego papel lija 600 y después papel esmeril de óxido de hierro. Se determinó la rugosidad superficial de las muestras usando un probador de rugosidad superficial Phase II TR 100. Se midió el ángulo de contacto, formado por la interacción de una gota de agua de tamaño fijo, con la superficie del electrodo, mediante técnicas conocidas. Además, se midió la cantidad de agua absorbida en la superficie de la muestra, usando un medidor de película CAM-PLUS.

Los resultados están dados en la siguiente tabla: Las muestras que se lijaron tuvieron un acabado un tanto más liso que las superficies sin modificar; pero el ángulo de contacto no mostró ningún cambio de importancia. La cantidad de agua absorbida fue todavía mayor que en la muestra original. Sin embargo, en este ejemplo, cuando se pulió la superficie a un acabado superficial de 15 micropulgadas (381 mieras) o menos; el ángulo de contacto disminuyó y la cantidad de agua absorbida en el electrodo disminuyó significativamente. Los resultados de la prueba de absorción de agua están mostrados claramente en la figura 9, que muestra la reducción en el volumen de agua contra el tiempo. Como se puede ver, la muestra lijada absorbió el agua más rápido que la muestra sin alteraciones. Además, como se puede ver, las muestras pulidas 1 a 3 absorbieron menos que la muestra sin alterar. Ventajosamente, la cuarta muestra pulida, que fue pulida usando múltiples pasos y un grano más grande, durante periodos de tiempo de más de 30 segundos, absorbieron menos que las muestras 1 a 3.

La descripción precedente está destinada a permitir que las personas expertas en la materia pongan en práctica la invención. No se pretende detallar todas las posibles variaciones y modificaciones que serán evidentes para el experto en la materia cuando lea la descripción. Sin embargo, se tiene la intención de que todas esas modificaciones y variaciones estén incluidas dentro del alcance de la invención, que se define mediante las reivindicaciones que siguen. Además, las alternativas, modificaciones y variaciones precedentes pueden ser puestas en práctica en cualquier combinación de ellas. Se pretende que las reivindicaciones cubran los elementos y los pasos indicados en cualquier disposición o secuencia que sean efectivas para cumplir con los objetivos pretendidos por la invención, a menos que el contexto indique específicamente lo contrario.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un electrodo de grafito que comprende: un cuerpo de grafito que tiene una dirección axial y una dirección radial; el cuerpo de grafito tiene una superficie radial exterior; la superficie radial exterior incluye una porción texturizada; la porción texturizada está configurada para provocar que una gota de agua aplicada a esa porción texturizada exhiba un ángulo de contacto de menos de 90 grados después de 10 segundos.

2. El electrodo de grafito de la reivindicación 1, en el que la porción texturizada comprende por lo menos una de las siguientes: una superficie mordentada; una superficie pulida; una superficie maquinada y una superficie lijada.

3. El electrodo de grafito de la reivindicación 1, en el que la porción texturizada incluye una rugosidad superficial de menos de alrededor de 35 micropulgadas (889 mieras).

4. Un electrodo de grafito que comprende un cuerpo de grafito que tiene una dirección axial y una dirección radial; el cuerpo de grafito tiene una superficie radial exterior y por lo menos una capa de mallado de grafito dispuesta alrededor de por lo menos la mayor parte de la superficie radial exterior del electrodo.

5. El electrodo de la reivindicación 4, en el que la capa de mallado de grafito tiene un espesor menor que alrededor de un tercio del diámetro exterior del cuerpo de grafito.

6. El electrodo de la reivindicación 4, en el que la superficie exterior incluye un tratamiento superficial de adherencia.

7. El electrodo de la reivindicación 4, que comprende además un adhesivo dispuesto entre el mallado de grafito y la superficie radial exterior del cuerpo de electrodo

8. El electrodo de la reivindicación 4, que comprende además un polvo antioxidante dispuesto sobre la superficie radial exterior del cuerpo de electrodo.

9. El electrodo de la reivindicación 4, en el que el mallado de grafito incluye un antioxidante.

10. El electrodo de la reivindicación 4, en el que la densidad del mallado de grafito comprende menos de alrededor de 0.5 g/cc y más de una región del mallado.

11. Un cuerpo de grafito que tiene una dirección axial y una dirección radial; teniendo el cuerpo de grafito una superficie exterior; que incluye adicionalmente una pluralidad de partículas de grafito exfoliado, adheridas a la superficie exterior del cuerpo; de manera que las partículas cubran por lo menos una porción sustancial de la superficie exterior.

12. Un electrodo de grafito que comprende un cuerpo cilindrico de grafito que tiene una dirección axial y una dirección radial; el cuerpo de grafito tiene una superficie radial exterior; la superficie radial exterior incluye una porción texturizada; la porción texturizada tiene una rugosidad superficial de menos de alrededor de 35 micropulgadas (889 mieras).

13. Un electrodo de grafito que comprende un cuerpo de grafito que tiene una dirección axial y una dirección radial; el cuerpo de grafito tiene una superficie radial exterior; la superficie radial exterior incluye una porción texturizada; la porción texturizada está configurada para provocar que una gota de agua aplicada a esa porción texturizada tenga por lo menos el 50 por ciento del volumen original, 30 segundos después de la aplicación de la gota de agua.

14. Un artículo de grafito que tiene un cuerpo de grafito; donde el cuerpo está formado de por lo menos uno de los seleccionados del siguiente grupo: grafito extruido, grafito isomoldeado, grafito moldeado, grafito de grano fino, grafito de grano superfino, grafito de grano ultrafino, y combinaciones de ellos; y el cuerpo de grafito tiene una o más superficies exteriores; por lo menos una de las superficies exteriores está cubierta con un maliado de grafito flexible.

15. El artículo de grafito de la reivindicación 14, en el que el cuerpo de grafito tiene una permeabilidad al gas de menos de alrededor de 0.01 Darcy.