陽－陰電極接頭的製作方法
2023-05-08 08:03:21
專利名稱：陽－陰電極接頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於連接石墨電極的陽插腳，尤其涉及用於石墨電極的陽-陰接頭。更具體地來講，本發明涉及陽-陰電極接頭的獨特設計以及電極，該接頭從這些電極形成。
背景技術：
石墨電極用在鋼鐵工業中以熔化金屬和其它成分，這些金屬和其它成分用於在電熱熔爐中形成鋼鐵。熔化金屬所需的熱量通過使電流穿過一個或多個通常是三個電極並在電極與金屬之間形成電弧來產生。通常使用超過100,000安培的電流。所產生的高溫熔化金屬和其它成分。一般來講，用在鋼爐中的每個電極包括電極列，即連接起來以形成單列的一系列單獨的電極。由於電極在熱處理期間耗盡，所以按照這種方式可將置換電極連接到列中以保持伸進熔爐中的列的長度。
從常規上來講，通過銷(有時稱為接管)將電極連接到列中，這種銷起到將鄰接電極的端部連接的作用。典型地來講，這種銷採取對置陽螺紋部分或插腳的形式，且電極的至少一個端部包括陰螺紋部分，這些陰螺紋部分每個與銷的陽螺紋部分緊密配合。因此，當銷的對置陽螺紋部分中的每一個擰入兩個電極的端部中的陰螺紋部分內時，這些電極就連接到電極列中。鄰接電極的連接在一起的端部以及它們之間的銷在本領域中一般稱為接頭。
或者，過去曾經提出過在形成電極時將陽螺紋凸出或插腳制在一端中且將陰螺紋承座制在另一端中，以可以通過將一個電極的陽插腳擰入另一個電極的陰承座中來將這些電極連接並因此而形成電極列。這個實施例中的兩個鄰接電極的連接在一起的端部在本領域中一般稱為陽-陰接頭。
在電極和接頭(實際上是整個電極列)所經受的極端熱應力下，必須小心地使機械/熱因數如強度、熱膨脹抗裂性達到平衡，以避免電極列或單獨的電極的損壞或毀壞。例如，電極的縱向(即沿著電極/電極列的長度)熱膨脹，尤其是以不同於銷的速度的熱膨脹，可迫使接頭分離，這樣就降低電極列在傳導電流時的有效性。銷的超過電極的熱膨脹的橫向(即橫過電極/電極列的直徑)熱膨脹可能是所希望得到的，以在銷和電極之間形成緊密的連接；不過，如果銷的橫向熱膨脹大大超過電極的熱膨脹，那麼就可能會導致對電極的損害和接頭的分離。而且，這樣也會導致電極列的有效性的降低，或者甚至導致電極列的毀壞，如果這種損害很嚴重以至於電極列在接頭部分停止工作的話。因此，對電極的以縱向和橫向方向的熱膨脹均進行控制極為重要。
因此，如果能夠從電極/電極列系統中將銷取消的話，就可以降低對不同的系統部件(即銷和電極)的熱膨脹進行平衡的需求。現有技術中對取消這種銷已做過嘗試，其中使用了螺紋電極端部或其它電極配合裝置。但這種技術在工業上不大受到認同，因為認為在不使用銷時，接頭的強度不足以保持電極列的完整性。
因此，所希望的是一種陽-陰電極接頭，這種陽-陰電極接頭具有足夠的強度和完整性以允許將銷取消，而並不極大地降低電極的性能。而且還非常希望在並不使用大量的昂貴材料時實現這些特性。
發明內容
本發明的一個方面是提供用於石墨電極的陽-陰接頭。
本發明的另一個方面是提供用於石墨電極的陽-陰接頭，這種接頭設計用於在與現有技術中的陽-陰石墨電極接頭相比時，能夠更好地耐受使用中的電極列上的熱和機械應力。
本發明的再一個方面是提供用於石墨電極的陽-陰接頭，這種接頭產生具有改進的強度和穩定性的電極列接頭。
本發明的再一個方面是石墨電極接頭，與現有技術中使用銷的常規石墨電極接頭相比，這種接頭具有改進的梢頭(stub)抗損失性，這種梢頭損失限定為電極列的損失部分，這個部分位於從弧尖(arc tip)到最接近於弧尖的接頭，有時也包括這個接頭。
技術人員在仔細閱讀了以下的描述之後會明白的這些方面和其它方面可通過提供用於陽-陰電極接頭的石墨電極來實現，該電極具有陽插腳，該插腳的陽插腳長度與電極直徑之比至少約0.60。在本申請的優選實施例中，當陽插腳長度與電極直徑之比約為0.60時，陽插腳的直徑與陽插腳的長度之比不應大於陽插腳長度與電極直徑之比的2.5倍。陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度之比實際上應隨著陽插腳長度與電極直徑之比而變化，以使陽插腳長度與電極直徑之比0.60每大於0.01，陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度之比應減少約0.016。
本發明中的石墨電極在陽插腳長度與電極直徑之比約為0.85或小於0.85時，還應優選陽錐度與陽插腳長度和電極直徑之比之間的比率至少約為15，陽錐度比用度表示。而且，陽錐度與陽插腳長度與電極直徑之比之間的比率隨著陽插腳長度與電極直徑之比而變化，以使陽插腳長度與電極直徑之比0.85每小於0.01，陽錐度與陽插腳長度和電極直徑之比之間的比率應提高約1.25。
本發明還包括從本發明中的石墨電極和另一種石墨電極形成的電極接頭，另一種電極接頭具有陰螺紋承座，其中陽螺紋插腳與陰承座接合以形成接頭。
本發明還包括準備本發明中的石墨電極的方法，這種方法包括將焦炭和瀝青粘結劑混合以形成備料混料；將備料混料擠壓以形成生料；將生料烘烤以形成碳化備料；通過將碳化備料保持在至少約2500℃的溫度來將碳化備料石墨化，以形成石墨化備料；加工石墨化備料以形成8插腳，這種陽插腳的陽插腳長度與石墨化備料的直徑之比至少約0.60。
應理解前面的總體性描述和下面的詳細描述均提供本發明的實施例並且意在提供對權利要求所主張的本發明的性質和特徵的理解框架的總體概述。所包括的附圖提供對本發明的進一步理解、結合在本說明書中並構成本說明書的一部分。這些附圖示出了本發明的不同實施例並且與說明一起描述本發明的原則和操作方法。
圖1是根據本發明的陽-陰石墨電極接頭的局部截面側視圖。
圖2是石墨電極的局部截面側視圖，該石墨電極具有用於在圖1中示出的陽-陰石墨電極接頭的陽插腳。
圖3是陰承座的局部截面側視圖，該陰承座用於在圖1中示出的陽-陰石墨電極接頭。
具體實施例方式
石墨電極可通過先將微粒部分結合在備料混料中來製造，微粒部分包括煅燒焦炭、瀝青或者中間相瀝青或PAN基碳纖維。更具體地來講，將粉碎過的、依尺寸分類的和研磨過的煅燒石油焦炭與煤焦油瀝青混料混合以形成混料。按照物件的最終用途來選擇煅燒焦炭的微粒尺寸並且在本領域的技術範圍之內。一般來講，混料中使用平均直徑可達25毫米(mm)的微粒。優選微粒部分包括小微粒尺寸填料，這種填料包括焦炭粉末。可結合在小微粒尺寸填料中的其它添加劑包括抑制膨脹(這種膨脹由硫從其粘合劑的釋放所導致，粘合劑具有碳，碳在焦炭微粒中)的氧化鐵、焦炭粉末和油或者便於混料的擠出的其它潤滑劑。
最優選地，碳纖維(當使用時)的重量水平為佔煅燒焦炭重量的約0.5至約6％，或者佔總混合組分(不包括粘合劑)重量的約0.4至5.5％。優選纖維的平均直徑為約6至約15微米，長度優選為約4mm至約25mm且最優選小於約32mm。用於本發明的方法中的碳纖維優選具有至少約150,000psi的抗張強度。最有利的是，將碳纖維以束的形式加入備料混料中，每個束包含從約2000至約20,000個纖維。
優選在微粒部分與瀝青的混合開始之後將纖維加入。在更優選的實施例中，實際上在至少約一半混合周期完成之後將纖維加入，最優選的是在混合周期的3/4完成之後將纖維加入。例如，如果微粒部分與瀝青的混合花費兩個小時(即混合周期是兩個小時)，那麼應在混合之後的一個小時甚至90分鐘將纖維加入。在混合開始之後將纖維加入有助於保持纖維的長度(纖維長度有可能在混合期間減少)，進而保持包括纖維的有利效果，這些有利效果被認為與纖維的長度有著直接的聯繫。
如在前面所注意到的那樣，微粒部分可包括小微粒尺寸填料(本說明書中所使用的小是與煅燒焦炭的微粒尺寸相比並且與常規上所使用的填料相比，煅燒焦炭通常具有直徑，以使煅燒焦炭的大部分穿過25mm的網篩但不能夠穿過0.25mm的網篩)。更具體地來講，小微粒尺寸填料包括至少約75％的焦炭粉末，意思是指焦炭具有直徑，以使至少約70％以及有利地多達90％的焦炭穿過200泰勒(Tyler)的網篩，相當於74微米。
小微粒尺寸填料還可包括至少約0.5％並可達約25％的其它添加劑，如抑制劑，這種抑制劑如氧化鐵。而且，這種添加劑還應在微粒尺寸小於在常規上所使用的微粒尺寸時使用。例如，當包括氧化鐵時，氧化鐵微粒的平均直徑應使微粒小於約10微米。可使用的另一種添加劑是石油焦炭粉末，這種石油焦炭粉末所具有的平均直徑應使微粒小於約10微米，加入這種石油焦炭粉末以填充物件的孔隙度並因此而使對所使用的瀝青粘合劑的量進行更好的控制。小微粒尺寸填料應包括至少約30％並可達50％甚至65％的微粒部分。
在微粒部分和瀝青粘合劑等的混料製備好之後，通過穿過模具的擠出形成主體或者在常規的成形鑄模中模製主體，以形成所稱的生料。無論是通過擠出還是通過模製的成形均在接近於瀝青的軟化點進行，通常為約100℃或更高。模具或鑄模可基本上形成最終形式和尺寸的物件，但通常還需要對產品物件的加工，以至少提供結構，如螺紋。生料的尺寸可以變化；對於電極來講，直徑可在約220mm與700mm之間變化。
在擠出之後，通過以介於約700℃與1100℃之間的溫度烘烤生料來對生料進行加熱處理，優選介於約800℃與1000℃之間，以將瀝青粘合劑碳化成固態瀝青焦炭，以提供物件的永久形式、高機械強度、良好的熱導性和相當低的電阻，進而形成碳化備料。對生料在相對缺乏空氣時進行烘烤以避免氧化。烘烤應在每小時約1℃至約5℃的溫升直到最終溫度的條件下進行。烘烤之後，可用煤焦油或石油瀝青或本行業中已知的其它類型的瀝青或樹脂對碳化備料浸漬一次或多次，以澱積備料的任何開放孔隙中的額外焦炭。每次浸漬之後接著進行另外的烘烤步驟。
在烘烤之後，將碳化備料石墨化。石墨化通過加熱處理進行，加熱處理的最終溫度在約2500℃至約3400℃之間，時間足以導致焦炭和瀝青焦炭粘合劑中的碳原子從不良排序狀態轉變成石墨的晶狀結構。有利的是，石墨化通過將碳化備料保持在至少約2700℃的溫度來進行，更有利的是介於約2700℃與約3200℃的溫度之間。除了碳之外的其它元素在這些高溫下揮發並以蒸汽的形式逸出。利用本發明中的方法保持石墨化溫度所需的時間不超過18個小時，實際上是不超過12個小時。優選石墨化時間約為1.5至約8小時。石墨化一旦完成，可將成品物件切割成一定的尺寸，然後進行加工或以其它形式形成其最終構造。
為了提供具有在熔爐中的改進的穩定性的陽-陰電極接頭，必須形成陽插腳(和陰承座，通過延伸)的尺寸以使插腳會提供使用時所要求的強度。為了形成這種尺寸，必須達到平衡。更具體地來講，現已發現陽插腳與電極直徑之比(在本說明書中稱為插腳因數)對優化陽-陽電極接頭的性能是重要的。更明確地來講，認為至少約0.60的插腳因數對於產生陽-陰電極接頭是重要的，這種陽-陰電極接頭具有改進的穩定性和可在商業上接受的性能。
其它接頭特徵的相互作用也可有助於電極接頭的優化。例如，由陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度之比所限定的因數比(在本說明書中稱為插腳直徑因數)可用於向接頭提供進一步的增強。插腳直徑因數應不大於具有約0.60的插腳因數的特別有效的接頭的插腳因數2.5倍。最優選插腳直徑因數實際上隨著插腳因數而變化，以使當產生具有大於0.60的插腳因數的接頭時，接頭的插腳直徑因數應小於梢頭因數的2.5倍。更具體地來講，相對於接頭插腳因數0.60每大於0.01，最大插腳直徑因數應減少約0.016。作為一個示例，當產生具有0.85的插腳因數的接頭時，接頭的陽插腳的插腳直徑因數應小於接頭的插腳因數約1.28倍。
在設計有效陽-陰接頭中能夠發揮作用的另一種接頭特徵在本說明書中稱為錐度因數，這種錐度因數限定為陽插腳的錐度(用度表示，在圖2中示出為命名為α的角)與插腳因數之比。當插腳因數為0.85時，有效陽-陰接頭的錐度因數應至少約為15，且也應在接頭隨著不同的插腳因數產生時的變化而變化。例如，相對於接頭插腳因數0.85每小於0.01，最小錐度因數應提高約1.25。作為一個示例，當產生具有0.60的插腳因數的接頭時，接頭的陽插腳的錐度因數應至少約為45。
當使用至少約為0.60的插腳因數和、或前面所描述的接頭插腳直徑因數或錐度因數時，就產生了陽-陰接頭，這種陽-陰接頭能夠在商業上接受，至少就接頭強度和穩定性而言是這樣。根據本發明所製造的典型的石墨電極接頭示於圖1至圖3並用10表示。接頭10包括第一電極100和第二電極110，第一電極100具有陽插腳20，第二電極110具有陰承座30。如圖所示，陽插腳20和陰承座30配合以形成接頭10，並進而將第一電極100和第二電極110連接到列中。通過適當地形成陽插腳20的尺寸(以及對應地形成陰承座30的尺寸)，就會提供改進的接頭10。
熟練的技術人員會認識到，前面所描述的優化陽插腳也會適用於銷連接的石墨電極。換言之，在銷連接的石墨電極中，與陽-陰接頭相反，銷有效地具有兩個陽插腳，這兩個陽插腳以銷的兩個陽部分的形式。還可以以前面所描述的方式使這些陽插腳成比例，以按照類似於優化陽-陰接頭機能的方式優化銷連接接頭的機能。
本申請中所參考的所有引用專利和公布中公開的內容均通過參考結合到本發明中。
前面的描述意在使本領域中熟練的技術人員能夠實施本發明。並不意在詳細描述熟練的工作人員在閱讀了本說明書之後會明白的所有可能的變化和修改。不過，本說明書意在所有的這些變化和修改包括在由下面的權利要求所限定的本發明的範圍之內。這些權利要求意在涵蓋任何排列或序列中所表明的元件和步驟，這種排列或序列有效地滿足本發明所設計的目的，除非在上下文中另有特別說明。
權利要求
1.一種用於陽-陰電極接頭的石墨電極，包括陽插腳，所述陽插腳具有至少約0.60的陽插腳長度與電極直徑之比。
2.如權利要求1所述的石墨電極，其特徵在於所述陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度之比不大於所述陽插腳長度與電極直徑之比的約2.5倍。
3.如權利要求2所述的石墨電極，其特徵在於所述陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度之比隨著所述陽插腳長度與電極直徑之比而變化，以使所述陽插腳長度與電極直徑之比相對於0.60每高於0.01，所述陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度和電極直徑之比之間的比率應減少約0.016。
4.如權利要求1所述的石墨電極，其特徵在於對於具有0.85或以下的陽插腳長度與電極直徑之比的電極來講，陽插腳的錐度與所述陽插腳長度和電極直徑之比之間的比率至少約為15。
5.如權利要求4所述的石墨電極，其特徵在於所述陽插腳的錐度與所述陽插腳長度和電極直徑之比之間的比率隨著所述陽插腳長度與電極直徑之比而變化，以使所述陽插腳長度與電極直徑之比相對於0.85每低於0.01，所述陽插腳的錐度與所述陽插腳長度和電極直徑之比之間的比率應提高約1.25。
6.一種包括陽插腳和至少一個石墨電極的電極接頭，所述陽插腳具有至少約0.60的陽插腳長度與電極直徑之比，所述至少一個石墨電極包括陰螺紋承座，其中所述陽插腳與所述陰螺紋承座接合以形成所述接頭。
7.如權利要求6所述的接頭，其特徵在於所述陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度之比不大於所述陽插腳長度與電極直徑之比的約2.5倍。
8.如權利要求7所述的接頭，其特徵在於所述陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度之比隨著所述陽插腳長度與電極直徑之比而變化，以使所述陽插腳長度與電極直徑之比相對於0.60每高於0.01，所述陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度和電極直徑之比之間的比率應減少約0.016。
9.如權利要求6所述的接頭，其特徵在於對於具有0.85或以下的陽插腳長度與電極直徑之比的第一電極來講，陽插腳的錐度與所述陽插腳長度和電極直徑之比之間的比率至少約為15。
10.如權利要求9所述的接頭，其特徵在於所述陽插腳的錐度與所述陽插腳長度和電極直徑之比之間的比率隨著所述陽插腳長度與電極直徑之比而變化，以使所述陽插腳長度與電極直徑之比相對於0.85每低於0.01，所述陽插腳的錐度與所述陽插腳長度和電極直徑之比之間的比率應提高約1.25。
11.一種準備石墨電極的方法，所述方法包括(a)將焦炭和瀝青粘結劑混合以形成備料混料；(b)將備料混料擠壓以形成生料；(c)將生料烘烤以形成碳化備料；(d)通過將碳化備料保持在至少約2500℃的溫度來將碳化備料石墨化，以形成石墨化備料；(e)加工石墨化備料以形成陽插腳，所述陽插腳的陽插腳長度與石墨化備料的直徑之比至少約0.60。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於所述陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度之比不大於所述陽插腳長度與電極直徑之比的2.5倍。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於所述陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度之比隨著所述陽插腳長度與電極直徑之比而變化，以使所述陽插腳長度與電極直徑之比相對於0.60每高於0.01，所述陽插腳在其基部的直徑與陽插腳的長度和電極直徑之比之間的比率應減少約0.016。
14.如權利要求11所述的方法，其特徵在於對於具有0.85或以下的陽插腳長度與電極直徑之比的電極來講，陽插腳的錐度與所述陽插腳長度和電極直徑之比之間的比率至少約為15。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於所述陽插腳的錐度與所述陽插腳長度和電極直徑之比之間的比率隨著所述陽插腳長度與電極直徑之比而變化，以使所述陽插腳長度與電極直徑之比相對於0.85每低於0.01，所述陽插腳的錐度與所述陽插腳長度和電極直徑之比之間的比率應提高約1.25。
全文摘要
一種石墨電極接頭(10)，其中陽插腳(20)具有插腳因數，這種插腳因數限定為陽插腳長度與電極直徑之比，至少約為0.60。
文檔編號H05B7/06GK1977566SQ200580020188
公開日2007年6月6日 申請日期2005年2月1日 優先權日2004年4月23日
發明者R·E·史密斯 申請人:尤卡碳工業有限公司