專利名稱：石墨電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及通過(guò)提供不同特性的區(qū)域來(lái)展現(xiàn)改善性質(zhì)的石墨電極。更具體地說(shuō)，本實(shí)用新型涉及一種石墨電極，該石墨電極的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域在強(qiáng)度、電特性、成分等方面與該電極的其它區(qū)域顯著不同。
背景技術(shù)：
石墨電極用于鋼鐵工業(yè)來(lái)熔化金屬和其它組分，使用這些金屬和其它組分在電熱爐中形成鋼鐵。由在多個(gè)(通常是三個(gè))電極中通過(guò)電流并且在電極和金屬之間形成電弧來(lái)產(chǎn)生熔化金屬需要的熱量。經(jīng)常使用超過(guò)100000安培的電流。得到的高溫熔化金屬和其它組分。通常，在鋼鐵爐中使用的電極是電極柱的形式，一系列的單個(gè)電極連接以形成單個(gè)的柱。以這種方式，隨著電極在熱過(guò)程中耗盡，更換的電極能夠連接到柱上以維持柱延伸進(jìn)入爐中的長(zhǎng)度。通常，電極通過(guò)插頭(有時(shí)稱為接頭)連接到柱中，插頭將鄰接電極的端部連接起來(lái)。典型地，插頭采用相對(duì)的陽(yáng)螺紋段的形式，電極的至少一端包括能夠與插頭的陽(yáng)螺紋段配合的陰螺紋段。因此，當(dāng)插頭的每個(gè)相對(duì)的陽(yáng)螺紋段被擰入兩電極的端部的陰螺紋段中時(shí)，這些電極被連接到電極柱中。一般來(lái)說(shuō)，鄰接電極的連接端部以及它們之間的插頭在本領(lǐng)域中被稱為連接部(或更具體地稱為插頭連接部)。或者，電極可以形成為具有加工到一端中的帶螺紋的突起或突部以及加工到另一端中的帶螺紋的插孔，使得能夠通過(guò)將一個(gè)電極的突部擰入另一個(gè)電極的插孔中而連接電極，由此形成電極柱。在這種實(shí)施方式中的兩個(gè)鄰接電極的連接的端部在本領(lǐng)域中也稱為無(wú)插頭連接部。在無(wú)插頭電極的實(shí)施方式的生產(chǎn)中，連接部的螺紋可包括經(jīng)常采用的所謂的“閉塞”螺紋，在本領(lǐng)域中也稱為“完全卡住”螺紋。在閉塞螺紋中，一個(gè)元件(例如陽(yáng)突部)的兩個(gè)螺紋側(cè)面與另一元件(例如陰插孔)的兩個(gè)螺紋側(cè)面接觸。反之，在“非閉塞”或“不閉塞”螺紋(行業(yè)中稱為“卡住”或“部分卡住”螺紋)中，一個(gè)元件的僅一個(gè)螺紋側(cè)面與另一個(gè)元件的螺紋接觸，并且通常是用于插頭連接部。如果電極和連接部(實(shí)際上總體是電極柱)經(jīng)歷極端的熱應(yīng)力，諸如強(qiáng)度、熱膨脹和抗裂性能的機(jī)械/熱因素必須被仔細(xì)地平衡以避免電極柱或單個(gè)電極的損壞或損毀。例如，電極的縱向(即，沿著電極/電極柱的長(zhǎng)度)熱膨脹，尤其是在與插頭的熱膨脹率不同時(shí)，能夠使連接部斷開(kāi)，降低電極柱在導(dǎo)通電流方面的效率?？善谕^(guò)插頭的電極的一定量的橫向(即，在電極/電極柱的直徑方向)熱膨脹以便在插頭和電極之間形成牢固的連接，然而，如果電極的橫向熱膨脹遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)插頭，則可能造成電極的損壞或連接部的斷開(kāi)。并且，這可能造成降低的電極柱效率，或者如果損壞嚴(yán)重到電極柱在連接部段有故障則甚至造成柱的損毀。另外，電極柱受到的熱和機(jī)械應(yīng)力的另一影響是由于振動(dòng)和其它應(yīng)力造成的形成連接部的電極(或形成連接部的電極和插頭)的無(wú)意中的旋松。這種旋松可以通過(guò)降低鄰接電極之間的電接觸而降低電極柱效率。在最嚴(yán)重的情況下，旋松可能造成受影響的連接部之下的電極柱的損失。因此，期望一種石墨電極，與本領(lǐng)域傳統(tǒng)的石墨電極相比，其能夠更好地耐受將在電弧爐中受到的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。還非常期望在保持所述石墨電極制造的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的同時(shí)獲得以上這些優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的一方面在于提供具有獨(dú)特區(qū)域的石墨電極，與相同電極的其它區(qū)域相比，至少一個(gè)區(qū)域具有顯著的不同。本實(shí)用新型的另一方面在于提供一種石墨電極，其至少一個(gè)區(qū)域與相同電極的其它區(qū)域相比具有顯著的不同，其中，該至少一個(gè)區(qū)域位于石墨電極的末端部分。本實(shí)用新型的另一方面在于提供一種石墨電極，其至少一個(gè)區(qū)域與相同電極的其 它區(qū)域相比具有顯著的不同，其中，該至少一個(gè)區(qū)域位于石墨電極的外部部分。本實(shí)用新型的另一方面是一種石墨電極，其至少一個(gè)區(qū)域與相同電極的其它區(qū)域相比具有顯著的不同，其中，該顯著不同包括該至少一個(gè)區(qū)域中的纖維水平。本領(lǐng)域技術(shù)人員在研究了以下說(shuō)明書(shū)之后將清楚以上這些方面和其它方面，其通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)提供具有第一區(qū)域和第二區(qū)域的碳物件，其中，第一區(qū)域由第一混合物設(shè)計(jì)形成，第二區(qū)域由第二混合物設(shè)計(jì)形成，第一和第二混合物設(shè)計(jì)具有至少一個(gè)不同，該至少一個(gè)不同選自某種材料的存在與否、某種材料的濃度、某種材料的尺寸的不同及其組合組成的組。在一些實(shí)施例中，本實(shí)用新型包括具有第一區(qū)域和第二區(qū)域的碳物件，第一區(qū)域的碳纖維濃度大于第二區(qū)域中的碳纖維濃度，并且其中，第一區(qū)域包括物件的外部部分或末端部分中的至少一個(gè)，優(yōu)選地是，第二區(qū)域中的碳纖維濃度至少大約20%地小于第一區(qū)域中的碳纖維濃度。能夠可選地包括第三區(qū)域，第三區(qū)域可定位為與第一區(qū)域相對(duì)，并且由與第一混合物設(shè)計(jì)基本相同的混合物設(shè)計(jì)構(gòu)成。還包括一種制造諸如以上所述的碳物件的方法，混合包括以分開(kāi)的方式將第一混合物設(shè)計(jì)和第二混合物設(shè)計(jì)組合，其中，第一混合物設(shè)計(jì)以至少一種方式與第二混合物設(shè)計(jì)不同，形成生料物件并對(duì)生料物件進(jìn)行碳化。形成可以包括雙擠壓或熱壓制中的至少一種，如果是熱壓制，則將第一混合物設(shè)計(jì)和第二混合物設(shè)計(jì)組合包括在模具中安裝隔離件，并且在施加壓力之前移除該隔離件。本實(shí)用新型還包括以下一些技術(shù)方案。I. 一種整體式石墨電極,具有第一和第二末端位置和非末端的主體部分，第一區(qū)域設(shè)置在電極的第一末端位置，第二區(qū)域設(shè)置在電極的非末端主體部分，所述第一區(qū)域的碳纖維濃度大于所述第二區(qū)域中的碳纖維濃度，其中，所述第一區(qū)域中的纖維濃度足以增加所述第一末端位置處的電極強(qiáng)度，所述非末端主體部分中的纖維濃度不足以增加所述電極的非末端主體部分的電極強(qiáng)度。2.根據(jù)技術(shù)方案I所述的電極，其特征在于，還包括在所述電極的第二末端位置處的第三區(qū)域，所述第三區(qū)域的碳纖維濃度大于所述第二區(qū)域中的碳纖維濃度，其中，所述第三區(qū)域中的纖維濃度足以增加所述第二末端位置處的電極強(qiáng)度。3.根據(jù)技術(shù)方案I所述的電極，其特征在于，還包括在所述電極的第二末端位置處的第三區(qū)域，所述第三區(qū)域的碳纖維濃度足以增加所述第二末端位置處的電極強(qiáng)度。[0018]4.根據(jù)技術(shù)方案2或3所述的電極，其特征在于，所述第一和第三區(qū)域中的纖維
濃度是1%至10%重量。5.根據(jù)技術(shù)方案2或3所述的電極，其特征在于，所述第二區(qū)域中的碳纖維濃度比所述第一和第三區(qū)域中的碳纖維濃度低至少20%。6.根據(jù)技術(shù)方案4所述的電極，其特征在于，所述第二區(qū)域中的碳纖維濃度比所述第一和第三區(qū)域中的碳纖維濃度低至少20%。7. 一種具有至少三個(gè)區(qū)域的石墨電極，第一區(qū)域包括電極的第一插孔，第二區(qū)域包括電極的中間部分，第三區(qū)域包括電極的第二插孔，其特征在于，所述第一區(qū)域的碳纖維濃度大于所述第二區(qū)域中的碳纖維濃度，所述第一區(qū)域中的纖維濃度足以增加所述第一區(qū)域中的電極強(qiáng)度，所述第二區(qū)域中的纖維濃度比所述第一區(qū)域的纖維濃度低至少20%。8.根據(jù)技術(shù)方案7所述的石墨電極，其特征在于，所述第二區(qū)域中的纖維濃度的 量不足以增加所述第二區(qū)域中的電極強(qiáng)度。9.根據(jù)技術(shù)方案7或8所述的石墨電極，其特征在于，所述第三區(qū)域中的碳纖維濃度足以增加所述第三區(qū)域中的電極強(qiáng)度。

圖I是根據(jù)本文描述的電極的示意圖，示出了在電極末端端部的內(nèi)插孔。
具體實(shí)施方式
在某些實(shí)施例中，石墨電極通過(guò)首先將包括煅燒焦炭、浙青以及可選的碳纖維的顆粒碎片組合到原料混合物中而制造?；谥虚g相浙青或PAN的碳纖維是適當(dāng)類型的碳纖維的兩個(gè)例子。本實(shí)用新型不限于以上類型的碳纖維?？梢允褂闷渌愋偷睦w維，諸如棉、人造纖維、或生物質(zhì)衍生碳纖維。另外，碳纖維可以被石墨化或可以不被石墨化。更具體而言，壓碎的、過(guò)篩的和磨碎的煅燒石油焦炭與煤焦油浙青粘結(jié)劑混合以形成混合物。通常，在用于處理鋼鐵的石墨電極中，在混合物中采用平均直徑達(dá)到約為25毫米(mm)的顆粒。顆粒碎片優(yōu)選包括具有焦炭粉末的小顆粒尺寸填料。可以加入到小顆粒尺寸填料中的其它添加物包括氧化鐵以防止(由于與焦炭顆粒內(nèi)的碳結(jié)合而釋放硫造成的)晶脹，以及焦炭粉末和油或其它潤(rùn)滑劑來(lái)促進(jìn)混合物的擠壓。在顆粒碎片、浙青粘結(jié)劑等混合之后，通過(guò)型板來(lái)擠壓而形成(或成形)主體，或在形成模具中模制而形成主體，以便形成所謂的生料。無(wú)論是通過(guò)擠壓還是模制的形成都在接近于浙青的軟化點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，其弱化點(diǎn)通常是大約100°c或更高。型板或模具可以形成基本最終形狀和尺寸的物件，但通常需要對(duì)成品物件的加工，至少提供諸如螺紋的結(jié)構(gòu)。生料的尺寸可以是變化的，對(duì)于電極來(lái)說(shuō)，直徑可以在大約220mm和800mm之間變化。在擠壓之后，通過(guò)在大約700°C和大約1100°C之間(更優(yōu)選地是大約800°C和大約1000°C之間)的溫度下焙烤來(lái)對(duì)生料進(jìn)行熱處理，以便碳化浙青粘結(jié)劑來(lái)固化浙青焦炭，賦予物件形狀的持久性、高機(jī)械強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性和相對(duì)低的電阻，從而形成碳化原料。生料在相對(duì)缺少空氣的情況下焙烤以便避免氧化。焙烤應(yīng)該以每小時(shí)升高大約rc至大約5°C的速率來(lái)進(jìn)行直至達(dá)到最終溫度。在焙烤之后，碳化的原料可以利用煤焦油或石油浙青或本領(lǐng)域已知的其它類型的浙青或樹(shù)脂來(lái)浸潰一次或多次，以便使附加的焦炭沉積在原料的任何開(kāi)孔中。每一次的浸潰之后要進(jìn)行附加的焙烤步驟。在焙烤之后，碳化的原料被石墨化。在大約2500°C至大約3400°C之間的最終溫度進(jìn)行熱處理足夠長(zhǎng)的時(shí)間而進(jìn)行石墨化，使得焦炭和浙青焦炭粘結(jié)劑中的碳原子從無(wú)序狀態(tài)變?yōu)槭w結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，通過(guò)將碳化原料維持在至少大約2700°C的溫度來(lái)執(zhí)行石墨化，并且更優(yōu)選地是大約2700°C和大約3200°C之間的溫度。在這些高溫下，碳之外的元素?fù)]發(fā)并作為蒸汽逸出。使用本實(shí)用新型的工藝維持在石墨化溫度所需的時(shí)間是不多于大約18小時(shí)，甚至不多于大約12小時(shí)。優(yōu)選地，石墨化進(jìn)行大約I. 5至大約8小時(shí)。一旦完成石墨化，成品物件可以按尺寸切割，然后進(jìn)行加工或其它方式形成為其最終的構(gòu)造。在替代性實(shí)施例中，可以通過(guò)在熱壓制步驟中對(duì)顆粒碎片、浙青粘結(jié)劑等的混合物進(jìn)行電阻加熱來(lái)形成石墨電極。在熱壓制步驟中，通過(guò)施加機(jī)械壓力(“熱壓制”)來(lái)進(jìn)行電阻加熱，以便增加混合物的密度和碳化?？蛇x地，在熱壓制之后，預(yù)成型的電極或插頭可以經(jīng)歷應(yīng)用可碳化浙青的一個(gè)或多個(gè)致密化步驟，以便在石墨化步驟之前進(jìn)一步增加預(yù)成 型坯的密度。在熱壓制步驟期間，熱壓制原料混合物被熱壓制以形成預(yù)成型主體，例如預(yù)成型電極或插頭。在熱壓制過(guò)程中，熱壓制混合物被加熱到足夠的溫度以熔化至少一部分原料材料。該加熱步驟包括施加電流到熱壓制混合物，使得在混合物中產(chǎn)生熱量。在加熱熱壓制混合物的同時(shí)，將壓力施加到混合物，以形成至少部分碳化的預(yù)成型電極或插頭。 在一個(gè)實(shí)施例中，采用適于電阻加熱以及液壓壓縮熱壓制混合物(即，干燥混合原料或可選地?zé)彳浕匣蛏想姌O或插頭)的液壓熱壓制組件來(lái)制造預(yù)成型碳主體，例如預(yù)成型電極或插頭。一種示例性液壓熱壓制組件包括具有一體連接的熱壓制模具的液壓機(jī)，該模具具有成形為容納熱壓制混合物并形成期望預(yù)成型坯的腔。優(yōu)選地，熱壓制模具被成形為大致期望石墨化的碳主體(例如石墨插頭或電極)的尺寸。另外，熱壓制模具優(yōu)選地包含在隔熱的殼體中。通過(guò)液壓活塞將壓力施加到熱壓制混合物，并且優(yōu)選地施加為沿混合物獲得均勻壓力。還優(yōu)選在垂直于預(yù)成型坯的縱向軸線的模制方向施加壓力以便獲得縱向較優(yōu)的碳主體，即具有定向?yàn)檠刂黧w的縱向軸線提供最大拉伸強(qiáng)度的晶體結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選構(gòu)造中，熱壓制模具將被定向成使得預(yù)成型坯的縱向軸線在水平平面中來(lái)模制預(yù)成型坯。然后通過(guò)單作用或雙作用的上和/或下豎直液壓活塞來(lái)對(duì)熱壓制混合物施加壓力。在優(yōu)選的實(shí)施例中，熱壓制模具的端部是不銹鋼端板，其與熱壓制混合物電接觸。電阻加熱系統(tǒng)通過(guò)這些端板將電流施加到熱壓制混合物。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，活塞和熱壓制模具各具有碳化硅表面襯墊，并且都與液壓熱壓制組件的框架電絕緣。電阻加熱系統(tǒng)包括電功率源，用于以低電壓提供高電流，諸如DC電源。也可以設(shè)想高的AC電流。DC或AC電源與不銹鋼端板電連接。液壓熱壓制組件的構(gòu)造使得熱壓制模具腔內(nèi)的熱壓制混合物的所有部分受到基本上均勻的電流。在熱壓制混合物上大致均勻的電流和壓力條件下對(duì)熱壓制混合物進(jìn)行電阻加熱和壓縮模制將導(dǎo)致預(yù)成型電極或插頭上的基本上均勻的特性并進(jìn)一步導(dǎo)致可能會(huì)造成在使用中破裂的裂縫和其它不均勻性的顯著降低。優(yōu)選地，電流和壓力的編程施加提供了根據(jù)期望焙烤工藝的熱壓制混合物溫度、壓力、加熱速率和加壓速率等，它們的計(jì)算基于特定原料的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。更優(yōu)選地，與液壓熱壓制組件一體的可編程控制系統(tǒng)提供這種電流和壓力的編程施加。在熱壓制操作期間的碳化之后，碳化的原料被石墨化，如以上所述。再一次，在大約2500°C至大約3400°C之間的最終溫度進(jìn)行熱處理足夠長(zhǎng)的時(shí)間而進(jìn)行石墨化，使得焦炭和浙青焦炭粘結(jié)劑中的碳原子從無(wú)序狀態(tài)變?yōu)槭w結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，通過(guò)將碳化原料維持在至少大約270(TC的溫度來(lái)執(zhí)行石墨化，并且更優(yōu)選地是大約2700°C和大約3200°C之間的溫度。在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，石墨物件(不論是石墨電極、用于石墨電極的插頭或石墨坯段)具有多個(gè)區(qū)域，其中，至少一個(gè)區(qū)域與至少一個(gè)其它區(qū)域顯著地不同。區(qū)域是指石墨電極、插頭或坯段的區(qū)域或一部分。顯著地不同是指第一區(qū)域與端物件的第二區(qū)域相比，至少一個(gè)性質(zhì)的差別是顯著不同的。僅舉例而言，在材料的濃度方面，其意味著第一區(qū)域與第二區(qū)域的某種材料的濃度的差異至少是大約20%，優(yōu)選至少大約25%，并且更優(yōu)選至少大約50%。在某些優(yōu)選實(shí)施例中，這通過(guò)不同的混合物設(shè)計(jì)(即，不同原料混合物的組合)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如以下更詳細(xì)所述。例如，在某些實(shí)施例中，石墨電極或插頭的至少一個(gè)區(qū)域可以包括纖維，以便改善電極或插頭在高應(yīng)力區(qū)域的強(qiáng)度。在一些實(shí)施例中，纖維是基于中間相浙青的碳纖維或由PAN (聚丙烯腈)衍生的纖維。所用的纖維應(yīng)該優(yōu)選地具有大約15X106psi至大約40X 106psi的楊氏模量(碳化之后)。它們優(yōu)選地具有大約6至大約15微米的平均直徑，大約200 X 103psi至大約400 X 103psi的拉伸強(qiáng)度，以及優(yōu)選地具有大約4mm至大約32mm的平均長(zhǎng)度。纖維的適當(dāng)長(zhǎng)度包括大約6mm或更小、大約12mm或更小、大約18mm或更小、或大約25_或更小的平均長(zhǎng)度。還優(yōu)選的是，碳纖維不長(zhǎng)于最大的焦炭顆粒。最優(yōu)選的是，纖維作為纖維束添加到混合物，該纖維束的每束包含大約2000和大約20000之間的纖維，使用膠料來(lái)壓實(shí)。碳纖維優(yōu)選地包括在石墨電極或插頭的一個(gè)區(qū)域中，重量是大約1%至大約10%的水平，更優(yōu)選是大約I. 5%至大約7. 5%，甚至更優(yōu)選是大約5. 0%或更小。然而，在石墨電極、插頭或物件的其它區(qū)域中，纖維是至少少大約20%的水平，或甚至少大約25%，或甚至更優(yōu)選是少大約50%，因此，具有纖維的區(qū)域組成了電極或插頭中的不同區(qū)域。甚至，在某些實(shí)施例中，至少一個(gè)其它區(qū)域不具有纖維，因此，與具有1%重量或更多纖維的區(qū)域相比是不同的區(qū)域。通過(guò)電極作為示例，在電極的第一區(qū)域中，例如，電極的第一插孔區(qū)域，纖維的濃度可以是大約10%。在電極的第二區(qū)域，例如，電極的中間部分，第二區(qū)域中的纖維濃度不大于大約8%。該實(shí)施例可包括可選的電極的第三區(qū)域，該第三區(qū)域中的纖維濃度與第一區(qū)域基本相同。在該實(shí)施例中，第三區(qū)域可包括與第一插孔區(qū)域相對(duì)定位的第二插孔區(qū)域。在另外的某實(shí)施例中，電極可包括一個(gè)或多個(gè)基本不含碳纖維的片段，意味著具有不足量的纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)電極的期望性質(zhì)。甚至更優(yōu)選的是，電極片段可以完全不含碳纖維。以上實(shí)施例可以以其任意組合來(lái)實(shí)施。已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在石墨電極或插頭中包含纖維能夠改善石墨電極或插頭的強(qiáng)度(見(jiàn)例如，Kortovich等的國(guó)際公開(kāi)W02004/020185，Singer的美國(guó)專利號(hào)4005183，以及Shao等的美國(guó)專利號(hào)6280663，其公開(kāi)通過(guò)引用而完整的并入本文)。然而，還已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在石墨電極或插頭中包含過(guò)于充足水平的纖維的成本是非常高的。通過(guò)僅在高應(yīng)力區(qū)域的石墨電極或插頭區(qū)域中包括纖維，例如，螺紋區(qū)域，能夠以較低的成本獲得包含纖維的優(yōu)點(diǎn)，因此保留了物件的經(jīng)濟(jì)可行性。在其它實(shí)施例中，石墨物件的一個(gè)區(qū)域能夠包括硫以防止晶脹，而其它區(qū)域不包、括硫。例如，在包括螺紋區(qū)域的石墨電極或插頭的區(qū)域中包括硫是有用的，但在插頭或電極的內(nèi)部包括硫則是不利的，在插頭或電極內(nèi)部可能導(dǎo)致裂縫。本實(shí)用新型的原理可用于“制造”石墨電極或插頭，使得在具有螺紋區(qū)域的區(qū)域中優(yōu)選包含硫，而在物件的內(nèi)部的區(qū)域不包含硫。類似地，在另一些實(shí)施例中，可以通過(guò)控制某些區(qū)域相對(duì)于其它區(qū)域的焦炭顆粒尺寸或某些區(qū)域相對(duì)于其它區(qū)域的氧化鐵的存在與否來(lái)獲得優(yōu)點(diǎn)。再一次，這可以使用本實(shí)用新型來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)通過(guò)以上描述的型板擠壓原料混合物來(lái)形成(或成形)主體時(shí)，這尤其有用，不同的區(qū)域由雙擠壓工藝來(lái)形成。在雙擠壓中，不同原料混合物，諸如包含至少1%重量的纖維的第一原料混合物和包含少至少25%重量纖維的第二原料混合物各通過(guò)相鄰擠壓管擠壓，并且之后相遇以形成單個(gè)物件。以這種方式，在物件中形成兩個(gè)不同的區(qū)域，例如，第一區(qū)域可包括至少1%重量的纖維，第二區(qū)域可包括比第一區(qū)域少至少大約25%重量的纖維。在另一實(shí)施例中，纖維量的差是至少大約50%，在另一實(shí)施例中，差是至少大約75%。依賴于用戶希望如何排列不同的區(qū)域，擠壓管可以是各種布置。例如，在纖維的情況下，可能期望在石墨電極或插頭的外部具有較高纖維水平(有時(shí)稱為纖維負(fù)載)，以便 改善強(qiáng)度，但由于成本原因不希望在石墨電極或插頭的內(nèi)部或芯中具有較高纖維負(fù)載的區(qū)域。在這種情況下，物件由雙擠壓形成，其中，兩個(gè)擠壓管共軸布置，一個(gè)圍繞另一個(gè)。在用于生產(chǎn)與電極的芯相比在外部具有較高纖維負(fù)載的電極的雙擠壓實(shí)施例中，第一原料混合物制備成具有至少1%重量的纖維，并且通過(guò)雙擠壓設(shè)備的外擠壓管擠壓，第二原料混合物被制備成具有低至少25%的纖維負(fù)載(或，更優(yōu)選地沒(méi)有纖維)，并且通過(guò)擠壓設(shè)備的中央擠壓管擠壓。以這種方式，擠壓主體在外部具有較高纖維的不同區(qū)域，在芯或內(nèi)部區(qū)域具有較低(或沒(méi)有)纖維的不同區(qū)域。在另一實(shí)施例中，當(dāng)主體由熱壓制形成(或成形)時(shí)尤其有用，多個(gè)熱壓制原料混合物被送入模具中，每個(gè)在最終主體中形成不同區(qū)域。例如，在纖維負(fù)載的情況下，第一熱壓制原料混合物被制備成具有至少1%重量的纖維，第二熱壓制原料混合物被制備成具有低至少25%的纖維負(fù)載或根本沒(méi)有纖維。這兩種熱壓制原料混合物然后可以特定的順序、特定位置和/或量被送入熱壓制模具，以產(chǎn)生期望的區(qū)域。作為示例，可能期望在石墨電極或插頭的具有螺紋的區(qū)域(即，物件的末端位置或端部)具有較高的纖維負(fù)載，因?yàn)樗鼈兪歉邞?yīng)力區(qū)域，在高應(yīng)力區(qū)域希望更高的強(qiáng)度。在這種情況下，具有至少1%重量纖維的熱壓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%纖維負(fù)載或根本沒(méi)有纖維的熱壓制原料混合物接下來(lái)被送入模具，以形成物件的中間部分，具有至少1%重量纖維的熱壓制原料混合物接下來(lái)被送入模具以形成物件的第二末端部分。在一些實(shí)施例中，在施加熱和壓力之前，可以在模具中各區(qū)域之間放置隔離件，然后在施加熱和壓力時(shí)移除以形成整體的物件。以這種方式，可以制備有成本效益的碳物件，諸如石墨電極或插頭，其具有與其它區(qū)域相比帶有不同性質(zhì)的不同區(qū)域，以便提供與本領(lǐng)域傳統(tǒng)物件相比能夠更好地耐受在例如電弧爐中受到的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的物件，同時(shí)維持所述石墨電極制造的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。如圖I所示，電極12包括兩個(gè)末端端部段14，每個(gè)段14包括一段電極，通常稱為端面。如圖I的剖面所示，每個(gè)段14包括插孔16。插孔16包括螺紋18。螺紋18可以設(shè)計(jì)為完全卡住螺紋或部分卡住螺紋。圖I中還示出了每個(gè)段14包括一定量的碳纖維。優(yōu)選地，段14中的纖維量足以增加該段中的電極強(qiáng)度。另外，電極12包括非末端或中間段10。段10中的碳纖維濃度低于至少一個(gè)段14，優(yōu)選低于兩個(gè)段14。優(yōu)選的是，段10中的纖維量不足以增加段10的強(qiáng)度。在一個(gè)特定實(shí)施例中，段10中的纖維濃度可以最小化為痕量，甚至基本上不含有這種纖維。本文所示的實(shí)施例不限于任何特定精確尺寸的段14和/或段10。這些段14、14和10的精確尺寸可以根據(jù)需要而變化。在本申請(qǐng)中提到的所有引用的專利和公開(kāi)的內(nèi)容都通過(guò)引用而完整地結(jié)合于本文中。除非特別指出，以上有關(guān)濃度的百分比是重量的百分比。以上敘述旨在使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍竟_(kāi)。不旨在詳細(xì)列出本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了說(shuō)明書(shū)之后清楚的所與可能變型和修改。然而，所有這些修改和變型應(yīng)該包括在由權(quán)利要求所限定的本公開(kāi)的范圍之內(nèi)。權(quán)利要求意在涵蓋對(duì)于本公開(kāi)的 目的有效的所指示的任何布置或順序的元件和步驟，除非上下文有相反地特定指示。
權(quán)利要求1.一種整體式石墨電極，具有第一和第二末端位置和非末端的主體部分，第一區(qū)域設(shè)置在電極的第一末端位置，第二區(qū)域設(shè)置在電極的非末端主體部分，所述第一區(qū)域的碳纖維濃度大于所述第二區(qū)域中的碳纖維濃度，其中，所述第一區(qū)域中的纖維濃度足以增加所述第一末端位置處的電極強(qiáng)度，所述非末端主體部分中的纖維濃度不足以增加所述電極的非末端主體部分的電極強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電極，其特征在于，還包括在所述電極的第二末端位置處的第三區(qū)域，所述第三區(qū)域的碳纖維濃度大于所述第二區(qū)域中的碳纖維濃度，其中，所述第三區(qū)域中的纖維濃度足以增加所述第二末端位置處的電極強(qiáng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電極，其特征在于，還包括在所述電極的第二末端位置處的第三區(qū)域，所述第三區(qū)域的碳纖維濃度足以增加所述第二末端位置處的電極強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電極，其特征在于，所述第一和第三區(qū)域中的纖維濃度是1%至10%重量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電極，其特征在于，所述第二區(qū)域中的碳纖維濃度比所述第一和第三區(qū)域中的碳纖維濃度低至少20%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電極，其特征在于，所述第二區(qū)域中的碳纖維濃度比所述第一和第三區(qū)域中的碳纖維濃度低至少20%。
7.一種具有至少三個(gè)區(qū)域的石墨電極，第一區(qū)域包括電極的第一插孔，第二區(qū)域包括電極的中間部分，第三區(qū)域包括電極的第二插孔，其特征在于，所述第一區(qū)域的碳纖維濃度大于所述第二區(qū)域中的碳纖維濃度，所述第一區(qū)域中的纖維濃度足以增加所述第一區(qū)域中的電極強(qiáng)度，所述第二區(qū)域中的纖維濃度比所述第一區(qū)域的纖維濃度低至少20%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的石墨電極，其特征在于，所述第二區(qū)域中的纖維濃度的量不足以增加所述第二區(qū)域中的電極強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的石墨電極，其特征在于，所述第三區(qū)域中的碳纖維濃度足以增加所述第三區(qū)域中的電極強(qiáng)度。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種具有第一區(qū)域和第二區(qū)域的碳物件。第一區(qū)域由第一混合物設(shè)計(jì)形成，第二區(qū)域由第二混合物設(shè)計(jì)形成，并且第一和第二混合物設(shè)計(jì)具有從某種材料的存在與否、某種材料的濃度、某種材料的尺寸及其組合的差異組成的組中選出的至少一個(gè)不同。
文檔編號(hào)H05B7/085GK202488792SQ201120566390
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者A.J.弗蘭西斯, A.托馬塞克, K.P.芬頓 申請(qǐng)人:格拉弗技術(shù)國(guó)際控股有限公司