TWI403016B - 公-母電極接頭 - Google Patents

Description

公-母電極接頭

本發明為關於用於接合石墨電極之公柄腳(male tang)，且特別關於用於石墨電極之一公-母接頭。更特定地，本發明關於對一公-母電極接頭之特殊設計，與接頭所形成之電極。

石墨電極被使用於鋼鐵業以熔化金屬與其他成份以在電熱爐中形成鋼鐵。所需用以熔化金屬之熱藉使電流通過一個或複數個電極，通常為三個電極且於電極與該金屬間形成一電弧而產生。通常使用超過100,000安培的電流。所產生之高溫熔化該金屬與其它成份。通常，用於鋼鐵熔爐之電極每一個含有電極柱，即是，一系列個別電極接合一起以形成一個單一柱。以如此方式，當電極於該熱製程中被耗盡時，代替性電極可被接合至該柱以維持延伸進該爐之柱的長度。

傳統地，電極經由一接腳(pin)(有時稱為一突點(nipple))其作用為接合鄰接電極之終端。典型地，該接腳形式為相對的公螺紋段或柄腳(tang)，具備至少每一電極之一端包括母螺紋段其能夠匹配接腳之公螺紋段。因此，當一接腳之每一個相對的公螺紋段在二電極之終端被螺接入母螺紋段，這些電極變得接合成一電極柱。一般地，鄰接電極之接合端，與其中間之該電極於技藝中被稱為接頭(joint)。

另外地，過去已建議電極可以一公螺紋突出部或柄腳(tang)加工在一端而一母螺紋插座加工在另一端，使得電極可以將一電極之公柄腳螺接進入第二電極之母插座，且因此 形成一電極柱。二鄰接電極之接合終端之此等實施例於技藝中被稱為一公-母接頭(male-female joint)。

在該電極與該接頭(且實際上電極柱為一整體)所歷經的極度熱應力下，諸如強度、熱膨脹及抗裂性之機械性/熱性因子必須被小心地平衡，以避免電極柱或個別電極之損壞或破壞。例如，電極的縱向(即，沿著該電極/電極柱之長度)熱膨脹，特別對一速率不同於該接腳之熱膨脹速率，可促使該接頭分開，減低電極柱傳導電流之效果。該接腳之若干橫向熱膨脹超過該電極之若干橫向熱膨脹(即，橫跨該電極/電極柱之直徑)程度可為需求的，以形成接腳與電極間之一穩固的連接；然而，假如該接腳之橫向熱膨脹大幅超過該電極之橫向熱膨脹，可能會產生對電極之損壞或接頭之分離。再次地，假如損壞是過於嚴重使得電極柱在接頭段失效，此可導致該電極柱之效果減低，或甚至毀壞該柱。因此，一電極之熱膨脹控制，在縱向與橫向二者係為極度重要的。

因此，假如接腳可自電極/電極柱系統被除去，可降低對平衡不同系統元件(如接腳與電極)之熱膨脹之需求。對除去接腳之先前嘗試已被努力過，其中一螺紋電極接頭或其他電極匹配裝置已被使用。然而產業接受性卻是落後的，因為感到不用一接腳之該接頭強度是不足以維持電極柱之完整性。

因此，所需要的是一公-母電極接頭其具有足夠強度與完整性以允許除去該接腳，而不會對電極性能造成重大的減損。它亦對達成這些特性效益而不需使用高量的昂貴材料係 高度需求的。

本發明之一目的為提供一種用於石墨電極之公-母接頭。

本發明之另一目的為提供用於石墨電極之公-母接頭，其被設計以較佳承受於使用中一電極柱上之熱性與機械性應力，如與先前公-母石墨電極接頭比較的話。

本發明之再一目的為提供一種用於石墨電極之公-母接頭其產生具有改進強度與穩定度之電極柱接頭。

本發明之再另一目的為提供一種石墨電極接頭，具有對附根(stub)損失改進的阻抗，其係界定為電極柱之部份的損失，相較於傳統技藝中使用接腳之石墨電極接頭，該電極柱係座落於從弧尖(arc tip)至且有時包含最靠近該弧尖之接頭。

這些與其他觀點對技藝人士於審視以下說明將可被實施，其係藉提供一種石墨電極用以形成一石墨電極接頭，該電極具有一公柄腳，具有公柄腳長度對該電極直徑之比率至少約0.60。在本發明之較佳實施例中，當公柄腳長度對該電極直徑之比率約0.60時，公柄腳直徑對公柄腳長度之比率應不大於公柄腳長度對電極直徑比率的2.5倍。實際上，公柄腳在其基部的直徑對公柄腳長度之比率應該隨公柄腳長度對電極直徑之比率而變化，使得公柄腳長度對電極直徑之比率自0.60每增加0.01，則公柄腳在其基部的直徑對公柄腳長度之比率應為降低約0.016。

該發明石墨電極當具有公柄腳長度對電極直徑比率為0.85或較低時，應該較佳地亦具有公柄腳之錐度(taper)(以度數表示)對公柄腳長度對電極直徑之比率的比率為至少約15。而且，公柄腳之錐度對公柄腳長度對電極直徑之比率的比率隨公柄腳長度對電極直徑之比率而變化，使得公柄腳長度對電極直徑比率自0.85每降低0.01，則公柄腳之錐度對公柄腳長度對電極直徑之比率的比率應為增加約1.25。

本發明亦包含電極接頭，其係從本發明電極接頭一與一第二石墨電極所形成，該第二石墨電極具有一母螺紋插座，其中該公螺紋柄腳嚙合母螺紋插座以形成該接頭。

一種用以製備本發明石墨電極之方法亦被提出，該方法包含混合煤焦與一瀝青結合劑(pitch binder)，以形成一原料混合物(stock blend)；擠壓該原料混合物以形成生(green)原料；烘烤該生原料以形成碳化原料；藉由將該碳化原料保持於至少約2500℃的溫度而將該碳化原料石墨化，以形成一石墨化原料；且加工該石墨化原料以形成一公柄腳，其具有公柄腳長度對該石墨化原料直徑之比率至少約0.60。

它可被瞭解先前一般描述與以下詳細描述二者提供本發明之實施例，且被意欲提供當然瞭解之一概要或架構與所申請專利範圍之本發明特色，附圖係包含用以提供本發明之進一步瞭解且併入於此構成本說明書之一部分，圖式說明本發明各種實施例且與該描述一起作為描述本發明之原理與操作。

可藉首先將包括焙燒煤焦(calcined coke)、瀝青與選擇地中間相(mesophase)瀝青或PAN-基碳纖維的微粒部分結合成一原料混合物而製造石墨電極。更具體地，壓碎的、按大小的與碾磨的焙燒石油煤焦與煤-焦油瀝青結合劑混合以形成該混合物。該焙燒煤焦之粒子大小依該物品之最終使用被選取且在本業界技藝領域中。通常粒子達到約25mm平均直徑係被用於該混合物中。微粒部分較佳地包含小粒子尺寸的填料，其包括有煤焦粉末。其他可被併入該小粒子尺寸填料之添加劑包括有抑制膨脹(由煤焦微粒內與碳結合之硫的釋放所造成)的氧化鐵、煤焦粉末與促進該混合物之擠壓之油或其他潤滑劑。

最佳地，碳纖維(當使用時)較佳地為以焙燒煤焦重量每100部分以碳纖維重量約0.5至約6部分水準或以全部混合成份重量(結合劑除外)至少約0.4%至約5.5%。較佳之纖維具有平均約6至約15微米，且較佳地約4mm至約25mm長度，且最佳地少於約32mm，該碳纖維用於本發明製程應較佳地具有一至少150,000psi之抗拉強度。最有利地，該碳纖維係成束地被加至原料混合物，每一束包含從約2000至約20,000條纖維。

較佳地，於該微粒部分與瀝青混合已開始之後，添加該纖維。確實地，在一較佳實施例中，該纖維於至少約一半混合週期完成後被添加，最佳地，於至少約四分之三混合週期完成後被添加。例如，假如微粒部分與瀝青之混合花費約二小時(即，混合週期為二小時)，該纖維應於混合一小時，或 甚至90分鐘後被添加。於混合開始後添加該纖維將幫助保有纖維長度(其於混合製程中可被減低)，且藉此含有纖維之有利效果，其被認為是直接有關於纖維長度。

如上所示，微粒部分可包含小微粒尺寸之填料(用於此處之”小”係與該焙燒煤焦之微粒尺寸相比，其通常具有一直徑使得其主要部分通過一25mm網格篩子，但無法通過一0.25mm網格篩子，而且是與傳統使用之填料相比的話)。更具體地，該小顆粒尺寸填料包括至少約75%煤焦粉末，藉此意指煤焦具有一直徑使得至少約70%且更有利地達到約90%，將通過一200Tyler網格篩子，相當於74微米。

小微粒尺寸填料可進而包括至少約0.5%且達到約25%之其他添加劑像諸如膨脹抑制劑。再次地，添加劑應被使用於比傳統所使用的微粒尺寸更小的微粒尺寸。例如，當包含氧化鐵時，氧化鐵粒子之平均尺寸應該小於約10微米。其他可被使用的添加劑為石油煤焦粉末，其具有平均直徑小於約10微米，且添加以填充該物品之多孔性且因此對所用之瀝青結合劑量有較佳之控制。小微粒尺寸填料應包括至少約30%，且高達約50%或甚至65%之微粒部分。

於製備微粒部分、瀝青結合劑等之混合物後，本體以經由沖模擠壓被形成(或被塑形)，或於傳統成型模具中被成型，以形成所稱的生原料。無論經由擠壓或成型，在接近該瀝青之軟化點的溫度進行形成，通常約100℃或高於100℃。該沖模或模具能以大體最後的形狀與大小來形成該物品，雖然該成品之加工通常仍為需要的，至少提供了如螺紋之結 構。生原料的尺寸可予變化；對電極而言，直徑可於220mm與700mm間變化。

經擠壓後，生原料藉由於約溫度700℃與約1100℃間烘焙而被熱處理，較佳於約溫度800℃與約1000℃間烘焙，以將瀝青結合劑碳化，以便固化瀝青煤焦，給予該物品固定形狀、高機械強度、良好熱傳導性與相對低的電阻，並因此形成一碳化原料。生原料於相對缺乏空氣下被烘焙以避免氧化。烘焙應以每小時約1℃至約5℃上升速率進行至最終溫度。於烘焙後，該碳化原料可以煤焦油或石油瀝青或其他瀝青形式或業界已知之樹脂浸透一次或多次，以沉積額外的煤焦於該原料之任何開放細孔。每一次浸透後接著一額外的烘焙步驟。

於烘焙後，碳化原料接著被石墨化。藉由於約2500℃至約3400℃的最終溫度在一充分時間內進行熱處理，造成煤焦與瀝青煤焦結合劑中的碳原子從一不佳次序狀態轉換成石墨之結晶結構，藉此實施石墨化。有利地，藉由將該碳化原料保持於至少約2700℃的溫度，且更佳地保持於約2700℃與約3200℃間的溫度來實施石墨化。在這些高溫下，除碳原子之其它成分被蒸發且成為蒸氣離開。使用本發明製程維持石墨化溫度所需時間不超過約18小時，實際上，不超過約12小時。較佳地，石墨化係實施約1.5至約8小時。一旦完成石墨化，該成品可依尺寸切割並且接著加工或成形成最終外形。

為提供一公-母電極接頭以在烘爐中具有改進穩定度， 公柄腳(與藉延，母插座)必須設訂尺寸使得柄腳將提供使用所需之強度。為如此做，平衡必須被達成。更特別地，現在已發現公柄腳長度對電極直徑之比率(在此稱為柄腳因子(tang factor))，在最佳化該公-母電極接頭性能為重要的。更具體地，至少約0.60之柄腳因子咸信對生成具有改進穩定度與商業化可接受性能之公-母電極接頭係重要的。

其他接頭特徵之交互作用亦可幫助最佳化該電極接頭。例如，由該公柄腳在其基部的直徑對公柄腳長度之比率所界定的因子之比率(在此稱為柄腳直徑因子)可被用以對該接提供頭更進一步改進。對於柄腳因子約0.60之特別有效的接頭而言，柄腳直徑因子應該不大於柄腳因子的2.5倍。實際上，柄腳直徑因子應該最佳地隨柄腳因子改變，使得當具有高於0.60之柄腳因子之接頭被製造時，該接頭之柄腳直徑因子應該低於柄腳因子的2.5倍。更具體地，一接頭之柄腳因子自0.60每增加0.01，最大柄腳直徑因子應該是降低約0.016。例如，當柄腳因子為0.85的接頭被製造，該接頭之公柄腳之柄腳直徑因子應該是較低於約該接頭之柄腳因子的1.28倍。

在設計一有效公-母接頭中能發揮作用的另一接頭特徵於此被稱為錐度因子(taper factor)，其被界定為該公柄腳之錐度(以度數表示，且例示於第2圖如標示為α之角度)對柄腳因子之比率。對一有效的公-母接頭之錐度因子應該至少約15，其中柄腳因子為0.85，且應該隨著製造具不同柄腳因子之接頭而變化。例如，一接頭之柄腳因子自0.85每降低 0.01，則最小錐度因子應該為增加約1.25。例如，當具有0.60之柄腳因子之接頭被製造，該接頭之公柄腳之錐度因子應該至少約45。

當使用至少約0.60之柄腳因子及/或如上所述之該接頭之柄腳直徑因子或錐度因子，可製造至少在接頭強度與穩定度方面上，可達成商業可接受度的公-母接頭。依據本發明所製造之一典型石墨電極接頭被例示於第1至3圖且以元件符號10標示。接頭10包括第一電極100與第二電極110，第一電極100具有公柄腳20，第二電極110具有母插座30。如圖示，公柄腳20與母插座30合作以形成接頭10，且因此將第一電極100與第二電極110連接成為一柱。藉由適當形成公柄腳20之尺寸(且對應形成母插座30之尺寸)，可提供一改良的接頭10。

技藝人士可知以上所描述之最佳化公柄腳亦可應用至接腳接合之石墨電極。換句話說，於一接腳接合之石墨電極中，與一公-母電極接頭相反，該接腳有效地具有二公柄腳，該二公柄腳係以該接腳之二公部分形式呈現。這些公柄腳亦可以上述之方式成比例，以按照類似於最佳化一公-母接頭之作用的方式來最佳化一接腳接合接頭之作用。

於本發明所引用之所有專利與出版品之揭露係以參照的方式被併入於此。

以上描述意欲為使業界熟知技藝人士能實施本發明。不意欲詳述對技藝人士於閱讀說明後會明白的所有可能的變化與修飾。然而，意欲所有此等修飾與變化被包含於由以下 申請專利範圍所界定之本發明範疇中。申請專利範圍意欲涵蓋對於符合本發明所意圖之目的是有效的且以任何排列或順序之所指示之元件與步驟，除非說明書內文特別有相反之指示。

10‧‧‧接頭

20‧‧‧公柄腳

30‧‧‧母插座

100‧‧‧第一電極

110‧‧‧第二電極

第1圖為依據本發明之公-母石墨電極接頭之一部分側剖面圖。

第2圖為用於第1圖之公-母石墨電極接頭具有一公柄腳之石墨電極之一部分側剖面圖。

第3圖為用於第1圖之公-母石墨電極接頭之一母插座之一部分側剖面圖。

10‧‧‧接頭

100‧‧‧第一電極

110‧‧‧第二電極

Claims (5)

1. 一種石墨電極，用於一公-母電極接頭，該石墨電極包括一公柄腳，具有公柄腳長度對電極直徑之比率至少0.60且為0.85以下，其中公柄腳在其基部之直徑對公柄腳長度之比率不大於約公柄腳長度對電極直徑之比率的2.5倍，其中公柄腳長度對電極直徑比率自0.60每增加0.01，則公柄腳在其基部之直徑對公柄腳長度之比率係降低約0.016。
2. 一種石墨電極，用於一公-母電極接頭，該石墨電極包括一公柄腳，具有公柄腳長度對電極直徑之比率至少0.60，其中對於一具有0.85或較低之公柄腳長度對電極直徑之比率的電極而言，公柄腳之錐度對公柄腳長度對電極直徑之比率的比率為至少約15，其中公柄腳之錐度對公柄腳長度對電極直徑之比率的比率隨公柄腳長度對電極直徑之比率而變化，使得公柄腳長度對電極直徑之比率自0.85每降低0.01，則公柄腳之錐度對公柄腳長度對電極直徑之比率的比率係增加約1.25。
3. 一種電極接頭，包括一第一石墨電極及一第二石墨電極，該第一石墨電極包括一公柄腳，該公柄腳具有公柄腳長度對電極直徑之比率至少0.60，該第二墨電極包括一母螺紋插座，其中該公柄腳係形成有螺紋且與該母螺紋插座嚙合，以形成該石墨接頭，其中對於具有0.85或較低之公柄腳長度對電極直徑之比率的第一石墨電極而言，公柄腳之錐度對公柄腳長度對電極直徑之比率的比率為至少約 15，且其中公柄腳之錐度對公柄腳長度對電極直徑比率的比率隨公柄腳長度對電極直徑比率而變化，使得公柄腳長度對電極直徑比率自0.85每降低0.01，則公柄腳之錐度對公柄腳長度對電極直徑比率係增加約1.25。
4. 如申請專利範圍第3項之接頭，其中公柄腳在其基部之直徑對公柄腳長度之比率不大於約公柄腳長度對電極直徑之比率的2.5倍。
5. 如申請專利範圍第4項之接頭，其中公柄腳長度對電極直徑之比率自0.60每增加0.01，則公柄腳在其基部之直徑對公柄腳長度之比率係降低約0.016。