专利名称：石墨电极的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及通过提供不同特性的区域来展现改善性质的石墨电极。更具体地说，本实用新型涉及一种石墨电极，该石墨电极的一个或多个区域在强度、电特性、成分等方面与该电极的其它区域显著不同。
背景技术：
石墨电极用于钢铁工业来熔化金属和其它组分，使用这些金属和其它组分在电热炉中形成钢铁。由在多个(通常是三个)电极中通过电流并且在电极和金属之间形成电弧来产生熔化金属需要的热量。经常使用超过100000安培的电流。得到的高温熔化金属和其它组分。通常，在钢铁炉中使用的电极是电极柱的形式，一系列的单个电极连接以形成单个的柱。以这种方式，随着电极在热过程中耗尽，更换的电极能够连接到柱上以维持柱延伸进入炉中的长度。通常，电极通过插头(有时称为接头)连接到柱中，插头将邻接电极的端部连接起来。典型地，插头采用相对的阳螺纹段的形式，电极的至少一端包括能够与插头的阳螺纹段配合的阴螺纹段。因此，当插头的每个相对的阳螺纹段被拧入两电极的端部的阴螺纹段中时，这些电极被连接到电极柱中。一般来说，邻接电极的连接端部以及它们之间的插头在本领域中被称为连接部(或更具体地称为插头连接部)。或者，电极可以形成为具有加工到一端中的带螺纹的突起或突部以及加工到另一端中的带螺纹的插孔，使得能够通过将一个电极的突部拧入另一个电极的插孔中而连接电极，由此形成电极柱。在这种实施方式中的两个邻接电极的连接的端部在本领域中也称为无插头连接部。在无插头电极的实施方式的生产中，连接部的螺纹可包括经常采用的所谓的“闭塞”螺纹，在本领域中也称为“完全卡住”螺纹。在闭塞螺纹中，一个元件(例如阳突部)的两个螺纹侧面与另一元件(例如阴插孔)的两个螺纹侧面接触。反之，在“非闭塞”或“不闭塞”螺纹(行业中称为“卡住”或“部分卡住”螺纹)中，一个元件的仅一个螺纹侧面与另一个元件的螺纹接触，并且通常是用于插头连接部。如果电极和连接部(实际上总体是电极柱)经历极端的热应力，诸如强度、热膨胀和抗裂性能的机械/热因素必须被仔细地平衡以避免电极柱或单个电极的损坏或损毁。例如，电极的纵向(即，沿着电极/电极柱的长度)热膨胀，尤其是在与插头的热膨胀率不同时，能够使连接部断开，降低电极柱在导通电流方面的效率。可期望超过插头的电极的一定量的横向(即，在电极/电极柱的直径方向)热膨胀以便在插头和电极之间形成牢固的连接，然而，如果电极的横向热膨胀远远地超过插头，则可能造成电极的损坏或连接部的断开。并且，这可能造成降低的电极柱效率，或者如果损坏严重到电极柱在连接部段有故障则甚至造成柱的损毁。另外，电极柱受到的热和机械应力的另一影响是由于振动和其它应力造成的形成连接部的电极(或形成连接部的电极和插头)的无意中的旋松。这种旋松可以通过降低邻接电极之间的电接触而降低电极柱效率。在最严重的情况下，旋松可能造成受影响的连接部之下的电极柱的损失。因此，期望一种石墨电极，与本领域传统的石墨电极相比，其能够更好地耐受将在电弧炉中受到的热应力和机械应力。还非常期望在保持所述石墨电极制造的经济实用性的同时获得以上这些优点。
发明内容本实用新型的一方面在于提供具有独特区域的石墨电极，与相同电极的其它区域相比，至少一个区域具有显著的不同。本实用新型的另一方面在于提供一种石墨电极，其至少一个区域与相同电极的其它区域相比具有显著的不同，其中，该至少一个区域位于石墨电极的末端部分。本实用新型的另一方面在于提供一种石墨电极，其至少一个区域与相同电极的其 它区域相比具有显著的不同，其中，该至少一个区域位于石墨电极的外部部分。本实用新型的另一方面是一种石墨电极，其至少一个区域与相同电极的其它区域相比具有显著的不同，其中，该显著不同包括该至少一个区域中的纤维水平。本领域技术人员在研究了以下说明书之后将清楚以上这些方面和其它方面，其通过以下方式实现提供具有第一区域和第二区域的碳物件，其中，第一区域由第一混合物设计形成，第二区域由第二混合物设计形成，第一和第二混合物设计具有至少一个不同，该至少一个不同选自某种材料的存在与否、某种材料的浓度、某种材料的尺寸的不同及其组合组成的组。在一些实施例中，本实用新型包括具有第一区域和第二区域的碳物件，第一区域的碳纤维浓度大于第二区域中的碳纤维浓度，并且其中，第一区域包括物件的外部部分或末端部分中的至少一个，优选地是，第二区域中的碳纤维浓度至少大约20%地小于第一区域中的碳纤维浓度。能够可选地包括第三区域，第三区域可定位为与第一区域相对，并且由与第一混合物设计基本相同的混合物设计构成。还包括一种制造诸如以上所述的碳物件的方法，混合包括以分开的方式将第一混合物设计和第二混合物设计组合，其中，第一混合物设计以至少一种方式与第二混合物设计不同，形成生料物件并对生料物件进行碳化。形成可以包括双挤压或热压制中的至少一种，如果是热压制，则将第一混合物设计和第二混合物设计组合包括在模具中安装隔离件，并且在施加压力之前移除该隔离件。本实用新型还包括以下一些技术方案。I. 一种整体式石墨电极,具有第一和第二末端位置和非末端的主体部分，第一区域设置在电极的第一末端位置，第二区域设置在电极的非末端主体部分，所述第一区域的碳纤维浓度大于所述第二区域中的碳纤维浓度，其中，所述第一区域中的纤维浓度足以增加所述第一末端位置处的电极强度，所述非末端主体部分中的纤维浓度不足以增加所述电极的非末端主体部分的电极强度。2.根据技术方案I所述的电极，其特征在于，还包括在所述电极的第二末端位置处的第三区域，所述第三区域的碳纤维浓度大于所述第二区域中的碳纤维浓度，其中，所述第三区域中的纤维浓度足以增加所述第二末端位置处的电极强度。3.根据技术方案I所述的电极，其特征在于，还包括在所述电极的第二末端位置处的第三区域，所述第三区域的碳纤维浓度足以增加所述第二末端位置处的电极强度。[0018]4.根据技术方案2或3所述的电极，其特征在于，所述第一和第三区域中的纤维
浓度是1%至10%重量。5.根据技术方案2或3所述的电极，其特征在于，所述第二区域中的碳纤维浓度比所述第一和第三区域中的碳纤维浓度低至少20%。6.根据技术方案4所述的电极，其特征在于，所述第二区域中的碳纤维浓度比所述第一和第三区域中的碳纤维浓度低至少20%。7. 一种具有至少三个区域的石墨电极，第一区域包括电极的第一插孔，第二区域包括电极的中间部分，第三区域包括电极的第二插孔，其特征在于，所述第一区域的碳纤维浓度大于所述第二区域中的碳纤维浓度，所述第一区域中的纤维浓度足以增加所述第一区域中的电极强度，所述第二区域中的纤维浓度比所述第一区域的纤维浓度低至少20%。8.根据技术方案7所述的石墨电极，其特征在于，所述第二区域中的纤维浓度的 量不足以增加所述第二区域中的电极强度。9.根据技术方案7或8所述的石墨电极，其特征在于，所述第三区域中的碳纤维浓度足以增加所述第三区域中的电极强度。
图I是根据本文描述的电极的示意图，示出了在电极末端端部的内插孔。
具体实施方式
在某些实施例中，石墨电极通过首先将包括煅烧焦炭、浙青以及可选的碳纤维的颗粒碎片组合到原料混合物中而制造。基于中间相浙青或PAN的碳纤维是适当类型的碳纤维的两个例子。本实用新型不限于以上类型的碳纤维。可以使用其它类型的纤维，诸如棉、人造纤维、或生物质衍生碳纤维。另外，碳纤维可以被石墨化或可以不被石墨化。更具体而言，压碎的、过筛的和磨碎的煅烧石油焦炭与煤焦油浙青粘结剂混合以形成混合物。通常，在用于处理钢铁的石墨电极中，在混合物中采用平均直径达到约为25毫米(mm)的颗粒。颗粒碎片优选包括具有焦炭粉末的小颗粒尺寸填料。可以加入到小颗粒尺寸填料中的其它添加物包括氧化铁以防止(由于与焦炭颗粒内的碳结合而释放硫造成的)晶胀，以及焦炭粉末和油或其它润滑剂来促进混合物的挤压。在颗粒碎片、浙青粘结剂等混合之后，通过型板来挤压而形成(或成形)主体，或在形成模具中模制而形成主体，以便形成所谓的生料。无论是通过挤压还是模制的形成都在接近于浙青的软化点的温度下进行，其弱化点通常是大约100°c或更高。型板或模具可以形成基本最终形状和尺寸的物件，但通常需要对成品物件的加工，至少提供诸如螺纹的结构。生料的尺寸可以是变化的，对于电极来说，直径可以在大约220mm和800mm之间变化。在挤压之后，通过在大约700°C和大约1100°C之间(更优选地是大约800°C和大约1000°C之间)的温度下焙烤来对生料进行热处理，以便碳化浙青粘结剂来固化浙青焦炭，赋予物件形状的持久性、高机械强度、良好的导热性和相对低的电阻，从而形成碳化原料。生料在相对缺少空气的情况下焙烤以便避免氧化。焙烤应该以每小时升高大约rc至大约5°C的速率来进行直至达到最终温度。在焙烤之后，碳化的原料可以利用煤焦油或石油浙青或本领域已知的其它类型的浙青或树脂来浸溃一次或多次，以便使附加的焦炭沉积在原料的任何开孔中。每一次的浸溃之后要进行附加的焙烤步骤。在焙烤之后，碳化的原料被石墨化。在大约2500°C至大约3400°C之间的最终温度进行热处理足够长的时间而进行石墨化，使得焦炭和浙青焦炭粘结剂中的碳原子从无序状态变为石墨晶体结构。优选地，通过将碳化原料维持在至少大约2700°C的温度来执行石墨化，并且更优选地是大约2700°C和大约3200°C之间的温度。在这些高温下，碳之外的元素挥发并作为蒸汽逸出。使用本实用新型的工艺维持在石墨化温度所需的时间是不多于大约18小时，甚至不多于大约12小时。优选地，石墨化进行大约I. 5至大约8小时。一旦完成石墨化，成品物件可以按尺寸切割，然后进行加工或其它方式形成为其最终的构造。在替代性实施例中，可以通过在热压制步骤中对颗粒碎片、浙青粘结剂等的混合物进行电阻加热来形成石墨电极。在热压制步骤中，通过施加机械压力(“热压制”)来进行电阻加热，以便增加混合物的密度和碳化。可选地，在热压制之后，预成型的电极或插头可以经历应用可碳化浙青的一个或多个致密化步骤，以便在石墨化步骤之前进一步增加预成 型坯的密度。在热压制步骤期间，热压制原料混合物被热压制以形成预成型主体，例如预成型电极或插头。在热压制过程中，热压制混合物被加热到足够的温度以熔化至少一部分原料材料。该加热步骤包括施加电流到热压制混合物，使得在混合物中产生热量。在加热热压制混合物的同时，将压力施加到混合物，以形成至少部分碳化的预成型电极或插头。 在一个实施例中，采用适于电阻加热以及液压压缩热压制混合物(即，干燥混合原料或可选地热软化原料或生料电极或插头)的液压热压制组件来制造预成型碳主体，例如预成型电极或插头。一种示例性液压热压制组件包括具有一体连接的热压制模具的液压机，该模具具有成形为容纳热压制混合物并形成期望预成型坯的腔。优选地，热压制模具被成形为大致期望石墨化的碳主体(例如石墨插头或电极)的尺寸。另外，热压制模具优选地包含在隔热的壳体中。通过液压活塞将压力施加到热压制混合物，并且优选地施加为沿混合物获得均匀压力。还优选在垂直于预成型坯的纵向轴线的模制方向施加压力以便获得纵向较优的碳主体，即具有定向为沿着主体的纵向轴线提供最大拉伸强度的晶体结构。在优选构造中，热压制模具将被定向成使得预成型坯的纵向轴线在水平平面中来模制预成型坯。然后通过单作用或双作用的上和/或下竖直液压活塞来对热压制混合物施加压力。在优选的实施例中，热压制模具的端部是不锈钢端板，其与热压制混合物电接触。电阻加热系统通过这些端板将电流施加到热压制混合物。在更优选的实施例中，活塞和热压制模具各具有碳化硅表面衬垫，并且都与液压热压制组件的框架电绝缘。电阻加热系统包括电功率源，用于以低电压提供高电流，诸如DC电源。也可以设想高的AC电流。DC或AC电源与不锈钢端板电连接。液压热压制组件的构造使得热压制模具腔内的热压制混合物的所有部分受到基本上均匀的电流。在热压制混合物上大致均匀的电流和压力条件下对热压制混合物进行电阻加热和压缩模制将导致预成型电极或插头上的基本上均匀的特性并进一步导致可能会造成在使用中破裂的裂缝和其它不均匀性的显著降低。优选地，电流和压力的编程施加提供了根据期望焙烤工艺的热压制混合物温度、压力、加热速率和加压速率等，它们的计算基于特定原料的动力学性质。更优选地，与液压热压制组件一体的可编程控制系统提供这种电流和压力的编程施加。在热压制操作期间的碳化之后，碳化的原料被石墨化，如以上所述。再一次，在大约2500°C至大约3400°C之间的最终温度进行热处理足够长的时间而进行石墨化，使得焦炭和浙青焦炭粘结剂中的碳原子从无序状态变为石墨晶体结构。优选地，通过将碳化原料维持在至少大约270(TC的温度来执行石墨化，并且更优选地是大约2700°C和大约3200°C之间的温度。在本实用新型的实施例中，石墨物件(不论是石墨电极、用于石墨电极的插头或石墨坯段)具有多个区域，其中，至少一个区域与至少一个其它区域显著地不同。区域是指石墨电极、插头或坯段的区域或一部分。显著地不同是指第一区域与端物件的第二区域相比，至少一个性质的差别是显著不同的。仅举例而言，在材料的浓度方面，其意味着第一区域与第二区域的某种材料的浓度的差异至少是大约20%，优选至少大约25%，并且更优选至少大约50%。在某些优选实施例中，这通过不同的混合物设计(即，不同原料混合物的组合)来实现，如以下更详细所述。例如，在某些实施例中，石墨电极或插头的至少一个区域可以包括纤维，以便改善电极或插头在高应力区域的强度。在一些实施例中，纤维是基于中间相浙青的碳纤维或由PAN (聚丙烯腈)衍生的纤维。所用的纤维应该优选地具有大约15X106psi至大约40X 106psi的杨氏模量(碳化之后)。它们优选地具有大约6至大约15微米的平均直径，大约200 X 103psi至大约400 X 103psi的拉伸强度，以及优选地具有大约4mm至大约32mm的平均长度。纤维的适当长度包括大约6mm或更小、大约12mm或更小、大约18mm或更小、或大约25_或更小的平均长度。还优选的是，碳纤维不长于最大的焦炭颗粒。最优选的是，纤维作为纤维束添加到混合物，该纤维束的每束包含大约2000和大约20000之间的纤维，使用胶料来压实。碳纤维优选地包括在石墨电极或插头的一个区域中，重量是大约1%至大约10%的水平，更优选是大约I. 5%至大约7. 5%，甚至更优选是大约5. 0%或更小。然而，在石墨电极、插头或物件的其它区域中，纤维是至少少大约20%的水平，或甚至少大约25%，或甚至更优选是少大约50%，因此，具有纤维的区域组成了电极或插头中的不同区域。甚至，在某些实施例中，至少一个其它区域不具有纤维，因此，与具有1%重量或更多纤维的区域相比是不同的区域。通过电极作为示例，在电极的第一区域中，例如，电极的第一插孔区域，纤维的浓度可以是大约10%。在电极的第二区域，例如，电极的中间部分，第二区域中的纤维浓度不大于大约8%。该实施例可包括可选的电极的第三区域，该第三区域中的纤维浓度与第一区域基本相同。在该实施例中，第三区域可包括与第一插孔区域相对定位的第二插孔区域。在另外的某实施例中，电极可包括一个或多个基本不含碳纤维的片段，意味着具有不足量的纤维来实现电极的期望性质。甚至更优选的是，电极片段可以完全不含碳纤维。以上实施例可以以其任意组合来实施。已经认识到，在石墨电极或插头中包含纤维能够改善石墨电极或插头的强度(见例如，Kortovich等的国际公开W02004/020185，Singer的美国专利号4005183，以及Shao等的美国专利号6280663，其公开通过引用而完整的并入本文)。然而，还已经认识到，在石墨电极或插头中包含过于充足水平的纤维的成本是非常高的。通过仅在高应力区域的石墨电极或插头区域中包括纤维，例如，螺纹区域，能够以较低的成本获得包含纤维的优点，因此保留了物件的经济可行性。在其它实施例中，石墨物件的一个区域能够包括硫以防止晶胀，而其它区域不包、括硫。例如，在包括螺纹区域的石墨电极或插头的区域中包括硫是有用的，但在插头或电极的内部包括硫则是不利的，在插头或电极内部可能导致裂缝。本实用新型的原理可用于“制造”石墨电极或插头，使得在具有螺纹区域的区域中优选包含硫，而在物件的内部的区域不包含硫。类似地，在另一些实施例中，可以通过控制某些区域相对于其它区域的焦炭颗粒尺寸或某些区域相对于其它区域的氧化铁的存在与否来获得优点。再一次，这可以使用本实用新型来实现。在一个实施例中，当通过以上描述的型板挤压原料混合物来形成(或成形)主体时，这尤其有用，不同的区域由双挤压工艺来形成。在双挤压中，不同原料混合物，诸如包含至少1%重量的纤维的第一原料混合物和包含少至少25%重量纤维的第二原料混合物各通过相邻挤压管挤压，并且之后相遇以形成单个物件。以这种方式，在物件中形成两个不同的区域，例如，第一区域可包括至少1%重量的纤维，第二区域可包括比第一区域少至少大约25%重量的纤维。在另一实施例中，纤维量的差是至少大约50%，在另一实施例中，差是至少大约75%。依赖于用户希望如何排列不同的区域，挤压管可以是各种布置。例如，在纤维的情况下，可能期望在石墨电极或插头的外部具有较高纤维水平(有时称为纤维负载)，以便 改善强度，但由于成本原因不希望在石墨电极或插头的内部或芯中具有较高纤维负载的区域。在这种情况下，物件由双挤压形成，其中，两个挤压管共轴布置，一个围绕另一个。在用于生产与电极的芯相比在外部具有较高纤维负载的电极的双挤压实施例中，第一原料混合物制备成具有至少1%重量的纤维，并且通过双挤压设备的外挤压管挤压，第二原料混合物被制备成具有低至少25%的纤维负载(或，更优选地没有纤维)，并且通过挤压设备的中央挤压管挤压。以这种方式，挤压主体在外部具有较高纤维的不同区域，在芯或内部区域具有较低(或没有)纤维的不同区域。在另一实施例中，当主体由热压制形成(或成形)时尤其有用，多个热压制原料混合物被送入模具中，每个在最终主体中形成不同区域。例如，在纤维负载的情况下，第一热压制原料混合物被制备成具有至少1%重量的纤维，第二热压制原料混合物被制备成具有低至少25%的纤维负载或根本没有纤维。这两种热压制原料混合物然后可以特定的顺序、特定位置和/或量被送入热压制模具，以产生期望的区域。作为示例，可能期望在石墨电极或插头的具有螺纹的区域(即，物件的末端位置或端部)具有较高的纤维负载，因为它们是高应力区域，在高应力区域希望更高的强度。在这种情况下，具有至少1%重量纤维的热压制原料混合物被首先送入模具中，以形成物件的第一末端部分，具有低至少25%纤维负载或根本没有纤维的热压制原料混合物接下来被送入模具，以形成物件的中间部分，具有至少1%重量纤维的热压制原料混合物接下来被送入模具以形成物件的第二末端部分。在一些实施例中，在施加热和压力之前，可以在模具中各区域之间放置隔离件，然后在施加热和压力时移除以形成整体的物件。以这种方式，可以制备有成本效益的碳物件，诸如石墨电极或插头，其具有与其它区域相比带有不同性质的不同区域，以便提供与本领域传统物件相比能够更好地耐受在例如电弧炉中受到的热应力和机械应力的物件，同时维持所述石墨电极制造的经济实用性。如图I所示，电极12包括两个末端端部段14，每个段14包括一段电极，通常称为端面。如图I的剖面所示，每个段14包括插孔16。插孔16包括螺纹18。螺纹18可以设计为完全卡住螺纹或部分卡住螺纹。图I中还示出了每个段14包括一定量的碳纤维。优选地，段14中的纤维量足以增加该段中的电极强度。另外，电极12包括非末端或中间段10。段10中的碳纤维浓度低于至少一个段14，优选低于两个段14。优选的是，段10中的纤维量不足以增加段10的强度。在一个特定实施例中，段10中的纤维浓度可以最小化为痕量，甚至基本上不含有这种纤维。本文所示的实施例不限于任何特定精确尺寸的段14和/或段10。这些段14、14和10的精确尺寸可以根据需要而变化。在本申请中提到的所有引用的专利和公开的内容都通过引用而完整地结合于本文中。除非特别指出，以上有关浓度的百分比是重量的百分比。以上叙述旨在使本领域技术人员能够实施本公开。不旨在详细列出本领域技术人员在阅读了说明书之后清楚的所与可能变型和修改。然而，所有这些修改和变型应该包括在由权利要求所限定的本公开的范围之内。权利要求意在涵盖对于本公开的 目的有效的所指示的任何布置或顺序的元件和步骤，除非上下文有相反地特定指示。
权利要求1.一种整体式石墨电极，具有第一和第二末端位置和非末端的主体部分，第一区域设置在电极的第一末端位置，第二区域设置在电极的非末端主体部分，所述第一区域的碳纤维浓度大于所述第二区域中的碳纤维浓度，其中，所述第一区域中的纤维浓度足以增加所述第一末端位置处的电极强度，所述非末端主体部分中的纤维浓度不足以增加所述电极的非末端主体部分的电极强度。
2.根据权利要求I所述的电极，其特征在于，还包括在所述电极的第二末端位置处的第三区域，所述第三区域的碳纤维浓度大于所述第二区域中的碳纤维浓度，其中，所述第三区域中的纤维浓度足以增加所述第二末端位置处的电极强度。
3.根据权利要求I所述的电极，其特征在于，还包括在所述电极的第二末端位置处的第三区域，所述第三区域的碳纤维浓度足以增加所述第二末端位置处的电极强度。
4.根据权利要求2或3所述的电极，其特征在于，所述第一和第三区域中的纤维浓度是1%至10%重量。
5.根据权利要求2或3所述的电极，其特征在于，所述第二区域中的碳纤维浓度比所述第一和第三区域中的碳纤维浓度低至少20%。
6.根据权利要求4所述的电极，其特征在于，所述第二区域中的碳纤维浓度比所述第一和第三区域中的碳纤维浓度低至少20%。
7.一种具有至少三个区域的石墨电极，第一区域包括电极的第一插孔，第二区域包括电极的中间部分，第三区域包括电极的第二插孔，其特征在于，所述第一区域的碳纤维浓度大于所述第二区域中的碳纤维浓度，所述第一区域中的纤维浓度足以增加所述第一区域中的电极强度，所述第二区域中的纤维浓度比所述第一区域的纤维浓度低至少20%。
8.根据权利要求7所述的石墨电极，其特征在于，所述第二区域中的纤维浓度的量不足以增加所述第二区域中的电极强度。
9.根据权利要求7或8所述的石墨电极，其特征在于，所述第三区域中的碳纤维浓度足以增加所述第三区域中的电极强度。
专利摘要本实用新型涉及一种具有第一区域和第二区域的碳物件。第一区域由第一混合物设计形成，第二区域由第二混合物设计形成，并且第一和第二混合物设计具有从某种材料的存在与否、某种材料的浓度、某种材料的尺寸及其组合的差异组成的组中选出的至少一个不同。
文档编号H05B7/085GK202488792SQ201120566390
公开日2012年10月10日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者A.J.弗兰西斯, A.托马塞克, K.P.芬顿 申请人:格拉弗技术国际控股有限公司