RO122908B1

RO122908B1 - Procedeu de obţinere a electrozilor din carbon

Info

Publication number: RO122908B1
Application number: ROA200500181A
Authority: RO
Inventors: Richard Liichang Shao; James William Kortovich; Irwin Charles Lewis; Richard Thomas Lewis
Original assignee: Ucar Carbon Company, Inc.
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2010-04-30
Also published as: KR20050059125A; US20040041291A1; WO2004020185A3; MXPA05001965A; PL374903A1; EP2479018A1; JP4668615B2; KR20100023974A; BR0313776A; CN100379545C; ES2316743T3; ZA200501608B; WO2004020185A2; EP1545861A4; CA2494161A1; PL374912A1; RU2005108580A; AU2003262983A8; HK1080423A1; JP4524184B2

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de obţinere a electrozilor din carbon, care constă în combinarea unui material de umplutură, a unui liant din smoală şi a fibrelor de carbon realizate din smoală mezofazică sau PAN cu o lungime medie de 4,23...82,55 mm, fibrele fiind într-o cantitate de 0,5...10 părţi în greutate la 100 părţi în greutate material de umplere, extrudarea, coacerea şi grafitizarea compoziţiei astfel obţinute.

Description

Prezenta invenție se referă la un procedeu de obținere a electrozilor din carbon, cum ar fi electrozii din grafit, obținuți prin prelucrarea unui amestec de cocs calcinat, smoală și fibre de carbon.

Electrozii din carbon, în special electrozii din grafit, sunt utilizați în industria oțelului, pentru topirea metalelor și a altor ingrediente utilizate pentru formarea oțelului în cuptoarele electrice. Căldura necesară pentru topirea metalelor este generată prin trecerea curentului printr-un număr de electrozi, de obicei trei, și prin formarea unui arc între electrozi și metal. Se utilizează în mod uzual curenți de peste 100 000 amperi. Temperatura ridicată care rezultă topește metalele și celelalte ingrediente. în general, electrozii utilizați în cuptoarele de oțel constau din coloane de electrozi, adică o serie de electrozi individuali sunt asamblați pentru a forma o singură coloană. în acest fel, pe măsură ce electrozii sunt consumați în timpul procesului termic, pot fi atașați la coloană electrozi de schimb, pentru a menține lungimea coloanei existente în cuptor.

în general, electrozii sunt asamblați în coloane prin intermediul unui știft (uneori denumit niplu) care funcționează pentru a asambla capetele electrozilor de asamblat. în mod obișnuit, știftul are forma unor secțiuni opuse cu filet exterior, cel puțin unul dintre capetele electrozilor având secțiuni cu filet interior capabil să se asambleze cu secțiunea cu filet exterior a știftului. Astfel, atunci când fiecare dintre secțiunile opuse cu filet exterior ale unui știft este înșurubată într-o secțiune cu filet interior în capetele a doi electrozi, acești electrozi formează un ansamblu al unei coloane de electrozi. în mod obișnuit, capetele asamblate ale electrozilor care se asamblează și știftul dintre acestea sunt denumite în domeniu ca îmbinări.

Dată fiind solicitarea termică extremă la care sunt supuși electrozii și părțile de asamblare (și în mod sigur coloana de electrozi în ansamblu), factorii mecanici, cum ar fi dilatarea termică, trebuie să fie echilibrați cu atenție, pentru a evita deteriorarea sau distrugerea coloanei de electrozi sau a electrozilor individuali. De exemplu, dilatarea longitudinală a știftului (adică pe lungimea știftului/a electrodului/a coloanei de electrozi), în special la valori mai mari decât cea a electrozilor, poate slăbi îmbinarea, reducând eficiența coloanei de electrozi. O anumită dilatare termică transversală (de exemplu pe diametrul știftului/a electrodului/a coloanei de electrozi) a știftului în plus față de cea a electrozilor poate fi dorită, pentru a forma o îmbinare fermă între știft și electrod; totuși, dacă dilatarea termică transversală a știftului o depășește cu mult pe cea a electrodului, poate rezulta deteriorarea electrodului, sub formă de crăpături sau despicare. Aceasta poate avea din nou ca rezultat reducerea eficienței coloanei de electrozi sau chiar distrugerea coloanei, dacă deteriorarea este atât de importantă, încât îmbinarea să se distrugă. Astfel, controlul dilatării termice a unui electrod și a unui știft, atât în direcție longitudinală, cât și transversală, este de cea mai mare importanță.

Există referințe cu privire la utilizarea fibrelor de carbon pe bază de smoală mezofazică, pentru îmbunătățirea proprietăților produselor masive din grafit cum sunt electrozii. De exemplu, Singer, în brevetul US 4 005 183, descrie producerea unor fibre pe bază de smoală mezofazică și arată că, datorită rezistenței lor electrice scăzute, aceste fibre pot fi utilizate ca material de umplutură pentru producerea electrozilor din grafit. în brevetul GB 1 526 809, acordat lui Lewis și Singer, 50 până la 80% în greutate fibre de carbon se adaugă la 20 până la 50% în greutate liant de smoală și apoi se extrudează pentru a forma un produs din carbon care poate fi grafitizat. Produsul rezultat prezintă o dilatare termică longitudinală relativ scăzută.

în cadrul brevetului US 4 998 709, Griffin și alții au încercat să rezolve problemele produse de dilatarea termică excesivă a știfturilor pentru electrozi, prin realizarea unui niplu din grafit (știft), cu fibre de carbon pe bază de smoală mezofazică, incluse în amestecul de extrudare. Fibrele de carbon utilizate de Griffin și alții au o valoare a modulului lui Young de 55 x 10⁶ fibre pe inch pătrat (psi), și sunt prezente în proporție de 8 până la 20 procente în

RO 122908 Β1 greutate. Amestecul este extrudat, supus tratamentului de coacere și apoi grafitizat timp de 1 circa 5 până la 14 zile, pentru a produce un niplu. Deși niplurile produse prin procedeul propus de Griffin și alții prezintă o reducere a coeficientului de dilatare termică (CTE) în 3 direcție longitudinală, ele prezintă o creștere nedorită a CTE în direcție transversală, o creștere a rezistenței electrice și o descreștere a modulului de rupere. în plus, timpul de 5 grafitizare este extrem de lung în comparație cu timpii care ar putea prezenta avantaje pentru producția comercială. 7

Ceea ce se dorește, deci, este realizarea unor electrozi din carbon având CTE redus în direcție longitudinală în comparație cu electrozii convenționali, fără a sacrifica CTE în 9 direcția transversală sau rezistivitatea și modulul de rupere. în special, este de dorit să se realizeze un asemenea electrod, fabricat printr-un procedeu care să nu necesite 5 zile pentru 11 grafitizare. De asemenea, este de dorit în mod deosebit ca aceste proprietăți să fie obținute fără a se utiliza cantități mari de materiale costisitoare.Un aspect urmărit în cadrul acestei 13 invenții este de a furniza un procedeu pentru obținerea electrozilor din carbon.

Prin aplicarea invenției se înlătură dezavantajele menționate prin aceea că procedeul 15 de obținere a electrozilor din carbon cuprinde:

a) combinarea unui material de umplutură, a unui liant din smoală și a fibrelor de 17 carbon derivate din smoală mezofazică sau PAN, fibrele menționate având o lungime medie de la 4,23 la 82,55 mm, pentru a forma un amestec de material pentru electrozi, în care 19 fibrele de carbon sunt prezente la un nivel de 0,5 la 10 părți în greutate fibre de carbon per 100 părți în greutate material de umplere; 21

b) extrudarea amestecului de material pentru electrozi, pentru a forma un material crud pentru electrozi; 23

c) coacerea materialului crud pentru electrozi, pentru a forma un material carbonizat pentru electrozi; și 25

d) grafitizarea materialului carbonizat pentru electrozi prin menținerea materialului carbonizat pentru electrozi la o temperatură de cel puțin circa 2500°C, pentru a forma un 27 electrod; și

e) selectarea cantității de fibre de carbon față de materialul de umplutură, astfel încât 29 să controleze coeficientul longitudinal de dilatare termică - CTE - al electrodului.

Un alt scop al acestei invenții este furnizarea unui procedeu de obținere a electrozilor 31 din carbon, având un coeficient de dilatare redus în direcție longitudinală în comparație cu electrozii existenți. Electrozii conform invenției au, de asemenea, o rezistență îmbunătățită 33 față de electrozii convenționali.

Un alt scop al invenției este acela de a furniza un procedeu de obținere a electrozilor 35 din carbon, electrozi care să aibă coeficientul de dilatare redus în direcție longitudinală în comparație cu electrozii convenționali, fără a sacrifica în mod substanțial coeficientul de 37 dilatare transversal sau rezistivitatea, în timp ce modulul de rupere crește.

Un alt scop al invenției este acela de a furniza un procedeu de obținere a electrozilor 39 din carbon, electrozii având coeficientul de dilatare redus în direcție longitudinală în comparație cu electrozii convenționali, iar procedeul să necesite o perioadă de grafitizare 41 mult mai scurtă decât 5 zile.

Aceste aspecte sau altele, care vor deveni evidente pentru specialiști în decursul 43 trecerii în revistă a descrierii care urmează, pot fi realizate prin furnizarea unui procedeu de obținere a electrozilor din carbon, procedeul incluzând combinarea cocsului calcinat, a unui 45 liant din smoală lichidă și a fibrelor de carbon derivate din smoala mezofazică sau din PAN, pentru a forma un amestec de material pentru electrozi; extrudarea amestecului de material 47 pentru electrozi, pentru a realiza un material crud pentru electrozi; coacerea materialului pentru electrozi crud, pentru a forma un material carbonizat pentru electrozi; și grafitizarea 49 materialului pentru electrozi carbonizat prin încălzirea la o temperatură de cel puțin circa 2500°C și menținerea la această temperatură nu mai mult de 18 h. 51

RO 122908 Β1 în cadrul procedeului conform invenției, fibrele de carbon sunt prezente într-o concentrație de circa 0,5 până la circa 10 părți în greutate fibre de carbon la 100 de părți în greutate, cocs calcinat, sau de circa 0,4 până la circa 10% în greutate, din totalul componentelor amestecate, un diametru mediu de la circa 6 la circa 15 μ, și o lungime de preferat de la circa 1/6 până la circa 3,25 inch. în modul cel mai avantajos, fibrele de carbon sunt adăugate la amestecul de material pentru electrozi sub formă de legături, fiecare legătură conținând de la circa 2000 până la circa 20000 fibre. Coacerea materialului pentru electrozi, crud, este de preferat să se realizeze la o temperatură de la circa 700 la circa 1000’C, în mediu neoxidant sau reducător, iar grafitizarea este de preferat să se realizeze la o temperatură de la circa 2500 la circa 3400‘C.

După cum s-a observat mai sus, electrozii din carbon (denumirea de electrozi din carbon este utilizată aici pentru a cuprinde cel puțin electrozii din grafit și catozii) ar putea fi obținuți prin combinarea mai întâi a cocsului calcinat, a smoalei și a fibrelor de carbon pe bază de smoală mezofazică într-un amestec material pentru electrozi. Mai exact, cocsul de petrol concasat, sortat după dimensiuni și măcinat, este amestecat cu un liant din smoală de gudron de cărbune, pentru a forma amestecul. Dimensiunea particulelor de cocs calcinat este selecționată în funcție de utilizarea finală a electrodului, și este la îndemâna unei persoane de specialitate în domeniu. în general, în electrozii din grafit care sunt utilizați la obținerea oțelului, sunt utilizate, în amestec, particule cu diametrul de circa 25 mm. Alte ingrediente care pot fi încorporate în amestec, în concentrații scăzute, includ oxizi de fier, pentru a inhiba tendința de umflare (produsă de eliberarea sulfului din masă, împreună cu carbonul din particulele de cocs) și uleiuri sau alte materiale lubrifiante, pentru a ușura extrudarea amestecului.

în amestec sunt incluse, de asemenea, fibre de carbon care provin fie din smoala mezofazică, fie din PAN (poliacrilonitril). Aceste fibre sunt produse din smoala care a fost transformată cel puțin parțial într-un cristal lichid, sau în așa numita mezofază. Fibrele utilizate trebuie să aibă în mod avantajos valoarea modulului lui Young (după carbonizare) de cel puțin circa 15 x 10⁶ psi, mai frecvent de cel puțin 20 x 10⁶ psi. într-o anumită materializare, modulul lui Young al fibrei este mai mic decât circa 55 x 10⁶ psi. Este de preferat ca ele să aibă un diametru de circa 6 până la circa 15 μ, o rezistență la tracțiune de cel puțin circa 200 x 10³ psi, și este de preferat să aibă lungimea de la circa 1/6 inch la circa 3-1/4 inch în medie. Lungimile convenabile ale fibrelor includ o lungime medie de circa 1/4sau mai mică, circa 1/2”, sau mai mică, circa 3/4, sau mai mică, circa 1, sau mai mică, 1,25, sau mai mică, 1,5, sau mai mică, 2, sau mai mică, 2,5, sau mai mică și 3,0sau mai mică. în cadrul uneia dintre aplicații, este, de asemenea, de preferat ca fibrele de carbon să nu aibă lungimea mai mare decât diametrul celor mai mari particule de carbon. Cel mai avantajos, fibrele sunt adăugate în amestec sub formă de legături care conțin între circa 2000 și circa 20 000 fibre pe legătură, compactate prin utilizarea unei uniformizări a mărimii. Nu este necesar ca fibrele să fie dispersate individual în topitură, în consecință, fibrele pot fi menținute sub forma uneia sau a mai multor legături.

După cum s-a arătat, fibrele de carbon care urmează a fi incluse în amestec sunt bazate pe smoala mezofazică sau pe PAN. Smoala mezofazică poate fi obținută din materii prime, cum ar fi fracțiunile aromatice grele de țiței, gudroane de cracare etilenică, derivați ai cărbunelui, gudroane de petrol tratate termic, reziduuri fluide de cracare și distilate aromatice tratate prin presiune, având o gamă de temperaturi de fierbere de la 340 până la circa 525“C. Producția de smoală mezofazică este descrisă, de exemplu, în brevetul US 4 017 327, acordat lui Lewis și alții, care este încorporat ca referință în prezentul brevet. De obicei, smoala mezofazică este produsă prin încălzirea materiei prime într-o atmosferă inertă din punct de

RO 122908 Β1 vedere chimic (cum ar fi azot, argon, xenon, heliu sau altele de acest gen), la o temperatură 1 între circa 350 și 500°C. Un gaz inert din punct de vedere chimic poate fi barbotat prin material în timpul încălzirii, pentru a ușura formarea mezofazei în smoală. Pentru realizarea 3 fibrelor de carbon, smoala mezofazică trebuie să aibă un punct de înmuiere, adică un punct la care smoala mezofazică începe să se deformeze, la o temperatură mai mică de 400’C și 5 de obicei sub circa 350°C. în cazul în care smoala are un punct de înmuiere mai ridicat, este dificilă formarea fibrelor de carbon care să aibă proprietățile fizice dorite. 7

Una dintre metodele de obținere a fibrelor de PAN este cea de a le fila dintr-o soluție de poliacrilonitril. Fibrele sunt apoi stabilizate în același fel ca și cele pe bază de mezofază. 9 Pentru o fundamentare suplimentară în ceea ce privește fibrele pe bază de PAN, vezi pag. 119-123 din Carbon Materials for Advanced Technologies, care sunt încorporate în 11 cererea de brevet ca referință.

Odată ce smoala mezofazică este obținută, ea este filată în filamente cu diametrul 13 dorit, printr-unul din procedeele cunoscute, cum ar fi filarea din topitură, filarea centrifugală, filarea prin suflare sau alte procedee cunoscute de specialiștii din domeniu. Procesul de 15 filare realizează fibre de carbon adecvate pentru utilizarea la obținerea electrozilor conform invenției. Filamentele sunt apoi tratate termic la o temperatură care nu este mai ridicată 17 decât cea a punctului de înmuiere a smoalei (dar de obicei peste 250°C), timp de circa 5 până la 60 min, apoi sunt tratate la temperaturi extrem de ridicate, la un ordin de mărime de 19 peste circa 1000°C și mai ridicate, iar în unele cazuri peste circa 3000°C, mai frecvent de la circa 1500 până la 1700°C, pentru carbonizarea fibrelor. Procesul de carbonizare are loc într- 21 o atmosferă inertă, cum ar fi argonul gazos, timp de cel puțin 0,5 min. Cel mai frecvent, carbonizarea utilizează durate de menținere între circa 1 și 25 min. Apoi, fibrele sunt tocate 23 la lungime și formate în legături. Aceste fibre, strânse în legături, așa cum a fost descris, sunt disponibile în comerț de la BP/Amoco Company of Alpharetta, Ga. și Mitsubishi Chemical 25 Company of Tokyo, Japonia.

Fibrele de carbon sunt incluse în amestec la un nivel de circa 0,5 la circa 10 părți în 27 greutate de fibre de carbon la 100 părți în greutate cocs calcinat, în cadrul uneia dintre materializări, până la 6 părți în greutate fibre de carbon la 100 părți în greutate cocs calcinat. 29 în ceea ce privește amestecul în ansamblu, fibrele de carbon sunt încorporate la un nivel de la circa 1 până la circa 10% în greutate, de preferat de la circa 1,5 până la circa 6% și mai 31 frecvent, circa 5% sau mai puțin.

în cazul unui catod, cocsul nu este limitat la cocs calcinat, printre cocsurile preferate 33 se află cocsul de petrol, cocs derivat din cărbune și combinații din aceste cocsuri. Obținerea catozilor poate include, de asemenea, antracit în loc de cocs sau alături de cocs. 35

După ce este obținut amestecul de cocs calcinat, liant de smoală, fibre de carbon etc., este format (sau profilat) corpul electrodului, prin extrudare printr-o matriță sau turnat 37 în matrițe convenționale de formare, pentru a forma materialul la care se face referire ca material pentru electrozi brut. Procesul de formare, atât prin extrudare, cât și prin turnare, 39 este efectuat la o temperatură apropiată de punctul de înmuiere a smoalei, de obicei de circa 100°C sau mai ridicată. Cu toate că matrița sau forma de turnare poate da electrodului în 41 mod substanțial forma și dimensiunile finale, de obicei este necesar să se efectueze prelucrarea electrodului finit, cel puțin pentru a realiza filetele, care pot fi preferate pentru asam- 43 blarea într-o coloană de electrozi. După cum este evident, electrozii sunt astfel dimensionați, încât să aibă diametrul corespunzător pentru a primi un știft necesar pentru asamblarea 45 electrozilor în coloane de electrozi. în mod tipic, știftul cu filet exterior are un diametru care este de 30 până la 60% din diametrul electrodului. Astfel, pentru electrozii ale căror diametre 47 pot să varieze între circa 15 și 30 inch, știfturile filetate pot avea un diametru de circa 4,5 până la circa 18 inch. în ceea ce privește catozii, aceștia nu trebuie neapărat să aibă o 49 circumferință circulară. Circumferința catozilor poate fi dreptunghiulară, în loc de circulară.

RO 122908 Β1

După extrudare, materialul pentru electrozi crud este tratat termic prin coacere la o temperatură între circa 700 și circa 1100°C, de preferat între circa 800 și circa 1000°C, pentru a carboniza liantul de smoală în cocs solid, pentru a obține o permanență a formei electrodului, o rezistență mecanică ridicată, o conductivitate termică bună și o rezistență electrică relativ scăzută. Materialul crud pentru electrozi este copt, în absența relativă a aerului, pentru a evita oxidarea. Coacerea trebuie să fie efectuată cu o viteză de încălzire de circa 1 până la circa 5°C pe oră până la temperatura finală. După coacere, electrodul poate fi impregnat o dată, sau de mai multe ori, cu gudron de cărbune sau cu smoală de petrol, sau cu alte sorturi de smoală cunoscute în industrie, pentru a se depune cocs de smoală suplimentar în toți porii deschiși ai electrodului. Fiecare impregnare este apoi urmată de o etapă suplimentară de coacere. Este de preferat ca electrodul să fie impregnat numai o dată cu astfel de smoală.

După coacere, electrodul, la care se face referire în această fază ca materialul carbonizat pentru electrozi, este apoi grafitizat. Grafitizarea se efectuează prin tratament termic la o temperatură finală între circa 2500 până la circa 3400°C, un timp suficient de mare, pentru a produce transformarea atomilor de carbon din cocsul calcinat și din liantul de cocs de bitum dintr-o stare puțin ordonată în structura cristalină a grafitului. în mod avantajos, grafitizarea este efectuată prin menținerea materialului carbonizat pentru electrozi la o temperatură de cel puțin circa 2700°C și mai avantajos la o temperatură între circa 2700 și circa 3200°C. La aceste temperaturi ridicate, celelalte elemente, în afara carbonului, sunt volatilizate și sunt eliminate sub formă de vapori. Timpul necesar de menținere la temperatura de grafitizare, folosind procedeul propus în prezenta invenție, nu este mai mare de circa 18 h, de fapt nu este mai mare de circa 12 h. Preferabil, durata de grafitizare este de circa 1,5 până la circa 8 h.

După cum s-a observat, odată ce grafitizarea este încheiată, electrodul finit poate fi debitat la dimensiune și apoi prelucrat sau format, prin alte procedee, pentru a obține configurația sa finală. în mod tipic, electrodul are o secțiune internă care este conică axial de la știft către lungimea porțiunii medii pentru a primi știftul, apoi se prelucrează filetul în porțiunea conică a electrodului, pentru a permite asamblarea cu filetul corespunzător al știftului, pentru a forma coloana de electrozi. Datorită naturii sale, grafitul permite prelucrarea la un grad ridicat de toleranță, ceea ce permite o asamblare solidă între știft și electrod.

Electrozii fabricați conform invenției prezintă o reducere substanțială a valorii coeficientului de dilatare termică pe direcție longitudinală în comparație cu electrozii fabricați fără fibre de carbon. Electrozii prezintă o creștere a rezistenței la flexiune (deci modulul de rupere) și o creștere a modulului lui Young, fără o creștere semnificativă a coeficientului de dilatare termică pe direcție transversală sau a rezistenței specifice, fără cerința aplicării unor timpi de grafitizare dezavantajoși din punct de vedere comercial. Fibrele de carbon nu trebuie să fie repartizate uniform sau aleatoriu, în masa electrodului. în cadrul uneia dintre aplicații, fibrele pot fi menținute în principal sub formă de legături.

Următoarele exemple sunt prezentate pentru a ilustra în continuare și pentru a explica invenția și nu trebuie să fie privite ca limitări în nici o privință. Dacă nu se indică altfel, toate părțile și procentele sunt părți și procente în greutate și sunt raportate la greutatea produsului în etapa respectivă din procedeul de prelucrare indicat.

Exemplul 1. A fost realizat un experiment de adăugare de fibre de la Mitsubishi Chemical (fibre de bitum mezofazic, în legături, tăiate la lungimea de 0,7, având modulul lui Young de 25 x 10⁶ psi și o rezistență la rupere de 260 x 10³ psi), de la BP Amoco (fibre de smoală mezofazică, în legături tăiate la lungimile de 0,25și 1,0, cu indicativul P-25, având modulul lui Young de 23 x 10⁶ psi și o rezistență la rupere de 233 x 10³ psi) și Zoltek (fibre

RO 122908 Β1 pe bază de PAN, având indicativul Pancex 33 CF cu modulul lui Young de 33 x 10⁶ psi și o 1 rezistență la rupere de 33 x 10³ psi, legături tăiate la lungimea de 1). Concentrația legăturilor de fibre în amestec s-a situat între 2,5 până la 5 procente de greutate. Pastele au fost 3 pregătite într-un malaxor cilindric cu palete, răcite și extrudate, formând electrozi cu dimensiunile de aproximativ 150 x 330 mm lungime. Electrozii au fost prelucrați conform 5 celor prezentate mai sus. Proprietățile fizice ale electrozilor cu fibre sunt comparate în continuare cu cele ale electrozilor de control (fără fibre). 7

Tabelul 1 ________Proprietățile electrozilor produși în malaxorul cilindric și cu adaos de fibre 9

	Densitate (g/cm³)	Rezistență (μΩιτι)	Modul (psi x 10⁶)	Rez. la încov. (psi)	CTE longit. (1/'C x 10-®)	CTE transv. (1/’Cx 10⁶)
Fără fibre	1,692	5,52	1,41	1511	0,29	1,36
Mitsubishi, 0,7, 2,5%	1,689	5,57	1,57	1700	0,18	1,38
Mitsubishi, 0,7, 5%	1,693	5,45	1,73	1907	0,07	1,45
Amoco, 0,25, 2%	1,705	5,79	1,56	1652	0,21	1,41
Amoco, 0,25, 4%	1,710	5,52	1,78	1926	0,12	1,43
Amoco, 1,0, 2,5%	1,686	5,56	1,54	1715	0,18	1,39
Zoltek, 1,0, 2%	1,710	5,60	1,53	1754	0,19	1,47

Electrozii cu fibre au prezentat o densitate egală sau mai ridicată, o rezistență electrică egală sau doar cu puțin mai ridicată, modulul și rezistența mai ridicată și coeficient 25 de dilatare termică în direcție longitudinală mai redus decât electrozii fără adaos de fibre, îmbunătățirile au fost mai substanțiale la adăugarea de smoală mezofazică decât la 27 adăugarea de fibre pe bază de PAN.

Exemplul 2. A fost realizată o a doua încercare cu adăugare de fibre de la Mitsubishi 29 Chemical (fibre de smoală mezofazică, legături tocate la lungimea de 1,2), Zoltek (fibre pe bază de PAN, legături tăiate la lungimea de 2), BP Amoco (fibre de smoală mezofazică, 31 legături tăiate la lungimi de 0,25 și 1) și Conoco (fibre de smoală mezofazică, legături tăiate la lungimea de 1). Nivelurile de adăugare a legăturilor de fibre au fost de circa 1,5 și circa 33 3 procente în greutate. Pastele au fost preparate într-un malaxor Sigma cu două brațe cu palete, răcite și extrudate, formând electrozi cu lungimea de circa 150 x circa 330 mm. 35

Electrozii au fost prelucrați după cum s-a descris mai sus. Proprietățile fizice ale electrozilor cu fibre sunt comparate cu cele ale electrozilor de control (fără fibre) în cele de 37 mai jos.

Tabelul 2 39

Proprietățile electrozilor preparați în malaxorul Sigma și cu adaos de fibre

	Densitate (g/cm³)	Rezistență (pQm)	Modul (psi x 10⁶)	Rez. la încov. (psi)	CTE longit. (1/‘C x 10-®)	CTE transv. (1/’C x IO⁶)
Fără fibre	1,658	5,98	1,18	1340	0,40	1,32
Mitsubishi, 1,2, 1,5%	1,656	5,87	1,40	1515	0,21	1,25

RO 122908 Β1

Tabelul 2 (continuare)

	Densitate (g/cm³)	Rezistență (pCm)	Modul (psi x 10^B)	Rez. la încov. (psi)	CTE longit. (1/’Cx io-⁶)	CTE transv. (1/’C x 10’⁶)
Mitsubishi, 1,2, 3%	1,625	5,94	1,40	1624	0,08	1,15
Zoltek, 2,0, 1,5%	1,654	5,97	1,40	1686	0,26	1,29
Zoltek, 2,0, 3%	1,634	5,85	1,42	1757	0,16	1,20
Amoco, 0,25, 1,5%	1,641	6,12	1,33	1531	0,23	1,18
Amoco, 0,25, 3%	1,611	6,01	1,38	1667	0,11	1,17
Amoco, 1,0, 1,5%	1,627	6,27	1,23	1488	0,23	1,22
Amoco, 1,0, 3%	1,624	6,00	1,41	1706	0,10	1,16
Conoco, 1,0, 1,5%	1,648	6,07	1,32	1458	0,21	1,19
Conoco, 1,0, 3%	1,620	5,85	1,40	1560	0,04	1,14

Și aici, electrozii cu fibre au densitate egală și mai ridicată, rezistență electrică egală sau doar ușor mai ridicată, modul de rezistență mai ridicat, coeficient de dilatare termică mai scăzut (atât pe direcție longitudinală, cât și transversală) față de electrozii fără fibre, îmbunătățirea rezistenței a fost mai pronunțată atât la utilizarea smoalei mezofazice, cât și la utilizarea fibrelor pe bază de PAN sub formă de legături tăiate, față de utilizarea saltelelor tăiate de la firma Conoco.

Exemplul 3. Un al treilea experiment a fost efectuat cu adăugarea fibrelor numai de la Mitsubishi Chemical (fibre de smoală mezofazică, legături tăiate cu lungimea de 0,25”), aceleași fibre care sunt utilizate în cadrul brevetului US 6 280 663.

Nivelurile de adăugare au fost de 2,4 și 6 procente în greutate. Pastele au fost și de această dată preparate în malaxorul cilindric, răcite și extrudate în formă de electrozi cu dimensiunile 150 x 330 mm. Electrozii au fost prelucrați după cum a fost descris în cele de mai sus. Proprietățile fizice ale electrozilor cu fibre sunt comparate cu cele ale electrozilor de control (fără fibre), în tabelul de mai jos.

Tabelul 3

Proprietățile electrozilor produși în malaxorul cilindric și cu adaos de fibre

	Densitate (g/cm³)	Rezistență (pQm)	Modul (psi x 10⁶)	Rez. la încov. (psi)	CTE longit. (l/'Cx W⁶)	CTE transv. (1/'Cx10- ⁶)
Fără fibre	1,685	5,25	1,22	1323	0,25	1,24
Mitsubishi, 0,25, 2%	1,692	5,07	1,44	1534	0,11	1,21
Mitsubishi, 0,25, 4%	1,685	5,12	1,52	1676	0,06	1,24
Mitsubishi, 0,25, 6%	1,684	5,13	1,59	1715	-0,01	1,15

Tendințele proprietăților din primele două exemple au fost asemănătoare. Creșterea rezistenței/modulului a început să se plafoneze la nivelul de 6 procente de adăugare a fibrelor. A fost obținută o valoare zero a coeficientului de dilatare termică pe direcție longitudinală.

RO 122908 Β1

Comparație între cantitatea, tipul de fibre și creșterea rezistenței CTE 1

Tabelul de mai jos prezintă variațiile rezistenței și ale coeficientului de dilatare termică pentru diferitele tipuri și cantități de fibre investigate. 3

Tabelul 4

Variația proprietăților în funcție de tipul și cantitatea de fibre

Exemplul	Fibra	Lungimea (inch)	Procent	Creșterea rezistenței (%) ’	Variația CTE long. (1/*C x 10-®)	Variația CTE transv. (1/‘Cx 10-⁶)
3	Mitsubishi	0,25	2,0	16,0	-0,14	-0,04
3	Mitsubishi	0,25	4,0	26,5	-0,19	0,01
3	Mitsubishi	0,25	6,0	30,0	-0,25	-0,09
1	Mitsubishi	0,70	2,5	12,5	-0,11	0,02
1	Mitsubishi	0,70	5,0	26,2	-0,22	0,09
2	Mitsubishi	1,20	1,5	13,0	-0,19	-0,07
2	Mitsubishi	1,20	3,0	21,0	-032	-0,17
1	Amoco	0,25	2,0	9,3	-0.08	0,05
1	Amoco	0,25	4,0	27,5	0,17	0.07
2	Amoco	0,25	1,5	14,0	-0,17	-0,14
2	Amoco	0,25	3,0	24,0	-0.29	-0,15
2	Amoco	1,00	1,5	11,0	-0,17	-0,10
2	Amoco	1,00	3,0	27,0	-0,30	-0,16
1	Amoco	1,00	2,5	13,5	-0,11	0,03
1	Conoco	1,00	1,5	9,0	-0,19	-0,12
1	Conoco	1,00	3,0	16,0	-0,36	-0,18

Rezultatele au fost relativ constante între cele trei probe și diferitele tipurile de fibre. Creșterea rezistenței și reducerea coeficientului de dilatare termică pot fi controlate prin cantitatea de fibre, depinzând fie de severitatea utilizării electrozilor, fie de calitatea cocsurilor mai puțin costisitoare care sunt disponibile pentru îmbunătățire. Tipul fibrei poate fi selectat pe baza considerentelor, cum ar fi manipularea, dispersia și aspectele economice.

Descrierea de mai sus este destinată persoanelor cu experiență în domeniu pentru a pune în practică invenția. Ea nu are intenția de a expune în detaliu toate variațiile posibile și modificările care vor deveni evidente pentru o persoană experimentată cu ocazia citirii descrierii. Se intenționează, totuși, ca toate aceste modificări și variații să fie incluse în obiectul invenției, care este definit prin revendicările care urmează. Revendicările sunt destinate să acopere elementele și etapele indicate în orice aranjament care este eficient pentru a îndeplini obiectivele propuse pentru invenție, cu excepția cazurilorîn care contextul indică contrariul.

Claims

Revendicări

1. Procedeu de obținere a electrozilor din carbon, caracterizat prin aceea că acesta cuprinde următoarele etape:

a) combinarea unui material de umplutură, a unui liant din smoală și a fibrelor de carbon derivate din smoală mezofazică sau PAN, fibrele menționate având o lungime medie de la 4,23 la 82,55 mm, pentru a forma un amestec de material pentru electrozi, în care fibrele de carbon sunt prezente la un nivel de 0,5 la 10 părți în greutate fibre de carbon per 100 părți în greutate material de umplere;

b) extrudarea amestecului de material pentru electrozi, pentru a forma un material crud pentru electrozi;

c) coacerea materialului crud pentru electrozi, pentru a forma un material carbonizat pentru electrozi; și

d) grafitizarea materialului carbonizat pentru electrozi prin menținerea materialului carbonizat pentru electrozi la o temperatură de cel puțin circa 2500°C, pentru a forma un electrod; și

e) selectarea cantității de fibre de carbon față de materialul de umplutură, astfel încât să controleze coeficientul longitudinal de dilatare termică - CTE - al electrodului.
2. Procedeu conform revendicării 1, în care materialul pentru electrozi carbonizat este menținut la o temperatură de cel puțin circa 2500°C, nu mai mult de 18 h.
3. Procedeu conform revendicării 1 sau 2, în care materialul de umplutură cuprinde cel puțin unul ales dintre cocs calcinat, cocs de petrol, cocs derivat din cărbune, cărbune antracit și combinații ale acestora;
4. Procedeu conform revendicării 3, în care materialul de umplutură cuprinde cocs calcinat.
5. Procedeu conform oricăreia din revendicările 1 la 4, în care fibrele de carbon au rezistența de rupere la tracțiune de cel puțin 1,03425 Gpa (150.000).
6. Procedeu conform oricăreia din revendicările 1 la 5, în care fibrele de carbon au un modul Young de 103,425 Gpa (10 x 10⁶ psi).
7. Procedeu conform oricăreia din revendicările 1 la 6, pentru obținerea unui catod de carbon, în care materialul pentru electrod este un material pentru catod.
8. Procedeu conform oricăreia din revendicările 1 la 7, în care fibrele de carbon sunt derivate din smoală mezofazică.
9. Catod cuprinzând o umplutură, în care umplutura cuprinde cel puțin unul ales dintre cocs calcinat, cocs de petrol, cocs derivat din cărbune, cărbune antracit și combinații ale acestora, un liant din smoală și fibre de carbon derivate din smoală mezofazică, fibrele menționate având o lungime medie de la 4,23 la 82,55 mm, în care fibrele de carbon sunt prezente la un nivel de 0,5 la 10 părți în greutate fibre de carbon per 100 părți în greutate material de umplutură, electrodul prezentând o reducere a CTE longitudinal comparativ cu electrozii obținuți fără fibre de carbon.
10. Electrod de carbon, conform revendicării 9, cuprinzând cocs calcinat, un liant lichid din smoală și fibre de carbon derivate din smoală mezofazică, fibrele menționate având o lungime medie de la 4,23 la 82,55 mm.
11. Electrod de carbon, conform revendicării 10, în care concentrația fibrelor menționate cuprinde circa 10,0% sau mai puțin dintr-un amestec total de componente.
12. Electrod obținut printr-un procedeu conform oricăreia din revendicările 1 la 8.