способ изготовления угольных электродов

Формула изобретения

1. Способ изготовления угольных электродов, при этом способ содержит

(a) комбинирование прокаленного кокса, пекового связующего материала и углеродных волокон, производных от мезофазного пека или полиакрилонитрила, при этом указанные волокна имеют среднюю длину не более 80 мм, для образования исходной электродной смеси;

(b) экструдирование исходной электродной смеси с образованием необожженной заготовки электрода;

(c) обжиг необожженной заготовки электрода с образованием карбонизированной электродной заготовки; и

(d) графитизацию карбонизированной электродной заготовки посредством выдерживания карбонизированной электродной заготовки при температуре, по меньшей мере, около 2500°С в течение не более, в основном, 18 ч, для образования электрода.

2. Способ по п.1, в котором углеродные волокна присутствуют в количестве, в основном, от 0,5 до 10 вес.ч. углеродных волокон на 100 вес.ч. прокаленного кокса.

3. Способ по п.2, в котором углеродные волокна имеют прочность на растяжение, по меньшей мере, в основном, 1,05·10⁴ кг/см².

4. Способ по п.3, в котором углеродные волокна имеют модуль упругости, в основном, 1,05·10 ⁶ кг/см².

5. Способ изготовления угольных электродов, при этом способ содержит (a) комбинирование прокаленного кокса, пекового связующего материала и углеродных волокон, производных от мезофазного пека или полиакрилонитрила, для образования исходной электродной смеси, при этом указанные волокна имеют среднюю длину не более 80 мм, а их количество составляет, в основном, от 0,5 до 10 вес.ч. на 100 вес.ч. прокаленного кокса; (b) экструдирование исходной электродной смеси с образованием необожженной заготовки электрода; (c) обжиг необожженной заготовки электрода с образованием карбонизированной электродной заготовки и (d) графитизацию карбонизированной электродной заготовки для образования электрода.

6. Способ изготовления угольных электродов, при этом способ содержит

(a) комбинирование наполнительного материала, пекового связующего материала и углеродных волокон, производных от мезофазного пека, при этом указанные волокна имеют среднюю длину не более около 80 мм для образования исходной электродной смеси, при этом указанный наполнитель содержит, по меньшей мере, прокаленный кокс, нефтяной кокс, производный от угля кокс, антрацитовый уголь или их комбинации;

(b) экструдирование исходной электродной смеси с образованием необожженной заготовки электрода; (c) обжиг необожженной заготовки электрода с образованием карбонизированной электродной заготовки и (d) графитизацию карбонизированной электродной заготовки посредством выдерживания карбонизированной электродной заготовки при температуре, по меньшей мере, в основном 2500°С в течение не более, в основном, 18 ч для образования электрода.

7. Угольный электрод, содержащий прокаленный кокс, жидкий пековый связующий материал и углеродные волокна, производные от мезофазного пека, при этом указанные волокна имеют среднюю длину не более 80 мм.

8. Угольный электрод по п.7, в котором концентрация указанного волокна составляет около 10,0% или меньше относительно всей смеси компонентов.

9. Катод, содержащий наполнитель, при этом указанный наполнитель содержит, по меньшей мере, прокаленный кокс, нефтяной кокс, производный от угля кокс, антрацитовый уголь или их комбинации, пековый связующий материал и углеродные волокна, производные от мезофазного пека, при этом указанные волокна имеют среднюю длину не более 80 мм.

10. Способ изготовления угольного катода, при этом способ содержит

(a) комбинирование наполнительного материала, пекового связующего материала и углеродных волокон, производных от мезофазного пека, при этом указанные волокна имеют среднюю длину не более 80 мм, для образования исходной катодной смеси, при этом указанный наполнитель содержит, по меньшей мере, прокаленный кокс, нефтяной кокс, производный от угля кокс, антрацитовый уголь или их комбинации; (b) экструдирование исходной катодной смеси с образованием необожженной заготовки катода; (c) обжиг необожженной заготовки катода с образованием карбонизированной катодной заготовки.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к угольным электродам и к способу изготовления угольных электродов, согласно изобретению. В частности, изобретение относится к угольным электродам, таким как графитовые электроды, образованным посредством смеси прокаленного кокса, пека и углеродного волокна.

Уровень техники

Угольные электроды, в частности графитовые электроды, используются в сталеплавильной промышленности для плавления металлов и других ингредиентов, используемых для получения стали в электротермических печах. Тепло, необходимое для плавления металлов, создается посредством пропускания электрического тока через несколько электродов, обычно три, и создания электрической дуги между электродом и металлом. Часто используют токи, превышающие 100000 А. Образующаяся высокая температура приводит к плавлению металлов и других добавок. Обычно, электроды, используемые в сталеплавильных цехах, состоят каждый из электродных колонн, т.е. ряда отдельных электродов, соединенных с образованием одной колонны. Таким образом, в ходе уменьшения электродов во время теплового процесса можно присоединять заменяющие электроды к колонне для сохранения длины колонны, проходящей в печь.

Обычно, электроды соединяют в колонны с помощью шпильки (иногда называемой также ниппелем), которая служит для соединения концов смежных электродов. Обычно, шпилька имеет форму противоположных штыревых частей с резьбой, при этом, по меньшей мере, один конец электродов содержит гнездовые части с резьбой, обеспечивающие соединение с штыревой резьбовой частью. Таким образом, когда каждую из противоположных штыревых резьбовых частей шпильки ввинчивают в гнездовые резьбовые части в концах двух электродов, то эти электроды становятся соединенными в электродную колонну. Обычно, соединенные концы смежных электродов и шпильку между ними называют сочленением.

С учетом экстремальных тепловых нагрузок, которым подвергаются электроды и сочленение (и в действительности вся электродная колонна), необходимо точно уравновешивать механические факторы, такие как тепловое расширение, для исключения повреждения или разрушения электродной колонны или отдельных электродов. Например, продольное (т.е. вдоль длины шпильки, электрода, электродной колонны) тепловое расширение шпильки, в особенности с более высокой скоростью, чем электроды, может приводить к расхождению сочленения, что понижает эффективность электродной колонны. Определенная величина поперечного (т.е. поперек диаметра шпильки, электрода, электродной колонны) теплового расширения шпильки, превышающее расширение электродов, может быть желательной для образования прочного соединения между шпилькой и электродами; однако если поперечное тепловое расширение шпильки намного превышает расширение электрода, то это может приводить к повреждению электрода в виде разлома или растрескивания. Это снова приводит к уменьшению эффективности электродной колонны или даже к разрушению колонны, если повреждение настолько серьезно, что нарушается сочленение. Таким образом, управление тепловым расширением электрода и шпильки, как в продольном, так и поперечном направлениях, имеет первостепенное значение.

Имеются ссылки на использование мезофазных углеродных волокон на основе пека для улучшения специфичных свойств монолитных графитовых изделий, таких как электроды. Например, в патенте США №4005183 (Singer) описано изготовление мезофазных волокон на основе пека и утверждается, что за счет их низкого электрического сопротивления эти волокна можно использовать в качестве наполнительного материала при изготовлении графитовых электродов. Согласно патенту Великобритании №1526809 (Lewis и Singer), 50-80 мас.% углеродных волокон добавляют в 20-50 мас.% пекового связующего материала и затем экструдируют с образованием угольного артефакта, который можно затем графитизировать. Полученное изделие имеет относительно низкое продольное тепловое расширение.

В патенте США №4998709 (Griffin и др.) предпринимается попытка решения проблем, вызываемых чрезмерным продольным тепловым расширением электродных шпилек, с помощью изготовления графитового ниппеля (т.е. шпильки) посредством включения в смесь мезофазных углеродных волокон на основе пека. Углеродные волокна, используемые Гриффином и др., имеют модуль упругости более 55×10 ⁶ фунт на квадратный дюйм (3,87×10 ⁶ кг/см²) при содержании в смеси около 8-20 мас.%. Смесь экструдируют, обжигают и затем графитизируют в течение около 5-14 дней для получения ниппеля. Хотя ниппели, полученные с помощью способа Гриффина и др., проявляют уменьшение коэффициента теплового расширения в продольном направлении, однако они проявляют также не желательное увеличение коэффициента теплового расширения в поперечном направлении, увеличение электрического сопротивления и уменьшение предела прочности. Дополнительно к этому, время графитизации является слишком длительным по сравнению со временем, подходящим для коммерческого производства.

Таким образом, желательно создать угольные электроды, имеющие уменьшенный коэффициент теплового расширения в продольном направлении по сравнению с электродами, согласно уровню техники, без ухудшения коэффициента поперечного теплового расширения или сопротивления и модуля упругости. В частности, желательно создать такой электрод, который можно изготавливать с помощью способа, который не требует времени графитизации в 5 дней. Желательно также обеспечить эти предпочтительные свойства без использования большого количества дорогостоящих материалов.

Сущность изобретения

Целью данного изобретения является создание способа изготовления угольных электродов.

Другой целью данного изобретения является создание способа изготовления угольных электродов, при этом электроды имеют уменьшенный коэффициент продольного теплового расширения по сравнению с электродами, согласно уровню техники. Электроды, согласно изобретению, имеют также улучшенную прочность по сравнению с обычными электродами.

Еще одной целью данного изобретения является создание способа изготовления угольных электродов, при этом электроды имеют уменьшенный коэффициент продольного теплового расширения по сравнению с электродами, согласно уровню техники, без существенного ухудшения коэффициента поперечного теплового расширения или сопротивления при одновременном увеличении модуля упругости.

Еще одной целью данного изобретения является создание способа изготовления угольных электродов, при этом электроды имеют уменьшенный коэффициент продольного теплового расширения по сравнению с электродами, согласно уровню техники, причем способ требует времени графитизации значительно короче 5 дней.

Эти и другие цели будут очевидны для специалистов в данной области техники из приведенного ниже описания способа изготовления угольных электродов, при этом способ включает комбинирование прокаленного кокса, жидкого пекового связующего материала и углеродных волокон, производных от мезофазного пека или PAN, для образования исходной электродной смеси; экструдирование исходной смеси с образованием необожженной исходной заготовки электрода; обжиг необожженной заготовки электрода с образованием карбонизированной электродной заготовки; и графитизацию карбонизированной электродной заготовки посредством нагревания до температуры, по меньшей мере, около 2500°С и выдерживание при этой температуре не более около 18 часов.

В способе, согласно изобретению, углеродные волокна предпочтительно присутствуют на уровне от около 0.5 до около 10 весовых частей углеродных волокон на 100 весовых частей прокаленного кокса, или от около 4 до 10 мас.% относительно всех компонентов смеси, при среднем диаметре от около 6 до около 15 микрон и длине, предпочтительно равной от около 1/6 до около 3,25 дюйма (4 - 80 мм). Углеродные волокна наиболее предпочтительно добавляют в исходную электродную смесь в виде пучков, при этом каждый пучок содержит от около 2000 до около 20000 волокон. Обжиг необожженных электродных заготовок предпочтительно осуществляют при температуре от около 700 до около 1000°С в не окисляющей или восстанавливающей атмосфере, а графитизацию предпочтительно выполняют при температуре от около 2500 до около 3400°С.

Подробное описание предпочтительного варианта выполнения

Как указывалось выше, угольные электроды (угольные электроды в данном случае включают, по меньшей мере, графитовые электроды и катоды) можно изготавливать посредством комбинирования сначала прокаленного кокса, пека и мезофазных углеродных волокон на основе пека в исходную электродную смесь. А именно, раздробленный, калиброванный и молотый прокаленный нефтяной кокс смешивают с каменноугольным пеком в качестве связующего вещества с образованием смеси. Размер частиц прокаленного кокса выбирают в соответствии с конечным применением электродов, что известно из уровня техники. Обычно, в графитовых электродах для использования при обработке стали, средний диаметр частиц в смеси составляет до около 25 мм. Другие ингредиенты, которые могут быть включены в смесь в небольших количествах, включают оксиды железа для исключения вспучивания (вызванного освобождением серы из ее соединений с углеродом внутри частиц кокса) и масел или других смазок для облегчения экструзии смеси.

В смесь включены также углеродные волокна, производные от мезофазного пека или PAN (полиакрилонитрил). Такие волокна получают из пека, который был, по меньшей мере, частично преобразован в жидкий кристалл, или в так называемое мезофазное состояние. Используемые волокна должны предпочтительно иметь модуль упругости (после карбонизации) по меньшей мере, около 15×10⁶ фунт на кв. дюйм (1,05×10⁶ кг/см ²), более типично 20×10⁶ фунт на кв. дюйм (1,4×10⁶ кг/см ²). В одном варианте выполнения модуль упругости волокна составляет менее около 55×10⁶ фунт на кв. дюйм (3,9×10⁶ кг/см ²). Оно предпочтительно имеет средний диаметр от около 6 до около 15 микрон, прочность на растяжение, по меньшей мере, около 200×10³ фунт на кв. дюйм (14×10 ³ кг/см²) и среднюю длину предпочтительно от около 1/6 до около 3,25 дюйма (4-80 мм). Подходящие длины волокна включают среднюю длину от около 1/4 дюйма (6 мм) или меньше, около 1/2 дюйма (12,5 мм) или меньше, около 3/4 дюйма (20 мм) или меньше, около 1 дюйма (25 мм) или меньше, около 1,25 дюйма (32 мм) или меньше, 1,5 дюйма (38 мм) или меньше, 2 дюйма (50 мм) или меньше, 2,5 дюйма (63 мм) или меньше и 3 дюйма (76 мм) или меньше. В одном варианте выполнения, длина углеродного волокна предпочтительно не превышает наибольшую частицу кокса. Наиболее предпочтительно волокна добавляют в смесь в виде пучков, содержащих от около 2000 до около 20000 волокон в пучке, уплотненных посредством калибровки. Нет необходимости в распределении волокон по отдельности в смеси, следовательно, волокна можно сохранять в виде одного или более пучков.

Как указывалось выше, углеродные волокна, подлежащие включению в смесь, основаны на мезофазном пеке или полиакрилонитриле (PAN). Мезофазный пек можно получать из исходного сырья, такого как потоки тяжелой ароматической нефти, смолы из крекинг-установки этилена, производные угля, смолы тепловой обработки нефти, остатки жидкостных крекинг-установок и обработанные давлением ароматические дистилляты, имеющие температуру кипения в диапазоне от 340°С до около 525°С. Получение мезофазного пека описано, например, в патенте США №4017327 (Lewis и др.), полное содержание которого включается в данное описание. Обычно, мезофазный пек образуется посредством нагревания исходного сырья в химически инертной атмосфере (такой как азот, аргон, ксенон, гелий или т.п.) до температуры от около 350 С до около 500°С. Химически инертный газ можно пропускать в виде пузырьков через исходное сырье во время нагревания для облегчения образования мезофазного пека. Для получения углеродных волокон мезофазный пек должен иметь температуру размягчения, т.е. температуру, при которой мезофазный пек начинает деформироваться, менее 400°С и обычно менее 350°С. Если пек имеет более высокую температуру размягчения, то затрудняется образование углеродных волокон, имеющих желаемые физические свойства.

Один способ получения волокон из полиакрилонитрила содержит намотку волокон из раствора полиакрилонитрила. Затем волокна стабилизируются так же, как основанные на мезофазе волокна. В качестве дополнительной информации о волокнах на основе полиакрилонитрила в данное описание включается содержание страниц 119-123 справочника «Углеродные материалы для современных технологий».

После получения мезофазного пека его сматывают в элементарные нити желаемого диаметра с помощью известных способов, таких как формование из расплава, центрифугальное формование, выдувное формование или другие способы, известные для специалистов в данной области техники. С помощью намотки получают углеродные волокна, пригодные для использования при изготовлении электрода, согласно данному изобретению. Затем элементарные нити подвергают термической усадке при температуре, не превышающей температуру размягчения пека (обычно, более 250°С) в течение около 5-60 минут, затем дополнительно обрабатывают при экстремально высоких температурах порядка до около 1000°С и выше, и в некоторых случаях до около 3000°С, более типично от около 1500°С до 1700°С, для карбонизации волокон. Процесс карбонизации происходит в инертной атмосфере, такой как газ аргон, в течение, по меньшей мере, около 0,5 минут. В большинстве случаев время карбонизации составляет между около 1-25 минут. Затем волокна разрезают на заданную длину и формируют в пачки. Такие волокна, собранные в пучки, обычно предлагаются фирмами BP/Amoco Company of Alpharetta, Ga. и Mitsubisi Chemical Company of Tokio, Япония.

Углеродные волокна предпочтительно включают в смесь на уровне от около 0,5 до около 10 весовых частей углеродных волокон на 100 весовых частей прокаленного кокса, в одном варианте выполнения до 6 весовых частей углеродных волокон на 100 весовых частей прокаленного кокса. Наиболее предпочтительно, волокна присутствуют на уровне от около 1,25 до около 5 весовых частей волокна на 100 весовых частей кокса. Относительно всей смеси углеродные волокна включаются на уровне от около 1 до около 10 мас.%, более предпочтительно от около 1,5 до около 6 мас.%, и даже более предпочтительно около 5 мас.% или меньше.

В случае катода кокс не ограничивается прокаленным коксом, предпочтительные коксы включают нефтяной кокс, производный от угля кокс и комбинации этих коксов. Изготовление катода может включать также антрацитовый уголь вместо кокса или вместе с коксом.

После получения смеси из прокаленного кокса, связующего пека, углеродных волокон и т.д., формируют корпус электрода посредством экструзии через головку или литья в обычную форму с образованием так называемой необожженной заготовки электрода. Формирование с помощью экструзии или литья проводят при температуре, близкой к температуре размягчения пека, обычно 100°С или выше. Хотя головка или форма могут формировать электрод по существу в конечной форме и размере, обычно требуется конечная машинная обработка электрода, по меньшей мере, для образования резьбы, которую необходимо выполнять для согласования со шпилькой для образования электродной колонны. Очевидно, что электроды получают размеры для обеспечения диаметра, пригодного для приема шпильки, с целью сочленения электродов для образования электродной колонны. Обычно, шпильки имеют диаметр, который составляет от около 30 до около 60% диаметра углерода. Таким образом, для электродов, диаметр которых может изменяться между 15 и 30 дюймами (380-760 мм), шпильки имеют диаметр от около 4,5 до около 18 дюймов (114-450 мм). Что касается катодов, то они не обязательно должны иметь круговую периферию. Периферия катода может быть прямоугольной вместо круговой.

После экструзии необожженную электродную заготовку подвергают тепловой обработке посредством обжига при температуре между около 700°С и около 1100°С, более предпочтительно между около 800°С и около 1000°С, для карбонизации связующего пека в твердый кокс для придания электроду постоянной формы, высокой механической прочности, хорошей теплопроводности и относительно низкого электрического сопротивления. Обжиг необожженной электродной заготовки выполняют при относительном отсутствии воздуха для исключения окисления. Обжиг необходимо выполнять со скоростью от около 1°С до около 5°С в час до конечной температуры. После обжига электрод можно пропитывать один или более раз каменноугольным дегтем или нефтяным пеком или другими типами пека, известными из уровня техники, для отложения дополнительного пекового кокса во все открытые поры электрода. За каждым пропитыванием следует стадия дополнительного обжига. Предпочтительно, электрод пропитывают таким пеком лишь один раз.

После обжига электрод, называемый на этой стадии карбонизированной электродной заготовкой, подвергают графитизации. Графитизация является тепловой обработкой при конечной температуре между от около 2500°С до около 3400°С в течение времени, достаточном для перевода атомов углерода в прокаленном коксе и пековом связующем материале из плохо упорядоченного состояния в кристаллическую структуру графита. Графитизацию предпочтительно выполняют посредством выдерживания карбонизированной электродной заготовки при температуре, по меньшей мере, около 2700°С и более предпочтительно при температуре между около 2700°С и около 3200°С. При этих высоких температурах элементы, отличные от углерода, испаряются и уходят в виде пара. Время, необходимое для выдерживания при температуре графитизации с использованием способа, согласно данному изобретению, не превышает около 18 часов, в действительности не более 12 часов. Предпочтительно, время графитизации составляет от около 1,5 до около 8 часов.

Как указывалось выше, после завершения графитизации, готовый электрод можно разрезать на заданный размер и подвергать машинной обработке или формировать другим образом в его конечной конфигурации. Обычно, электрод имеет внутреннее сечение, которое сужается в продольном направлении от одного конца к средней по длине части для приема шпильки, и затем в конусной части электрода выполняют резьбу для обеспечения сопряжения с соответствующей резьбой шпильки для образования электродной колонны. За счет своего состава графит обеспечивает обработку с высокой точностью, что обеспечивает прочное соединение между шпилькой и электродом.

Электроды, изготовленные в соответствии с данным изобретением, проявляют существенное снижение коэффициента продольного теплового расширения (пр. КТР) по сравнению с электродами, изготовленными без углеродных волокон. Электроды проявляют увеличение прочности на изгиб (т.е. модуля упругости) и увеличение модуля упругости без сопутствующего значительного увеличения коэффициента поперечного теплового расширения (поп. КТР) или удельного сопротивления, без необходимости коммерчески невыгодного времени графитизации. Углеродные волокна не должны быть равномерно или случайно распределены внутри электрода. В одном варианте выполнения волокна можно сохранять по существу в виде пучков.

Ниже приведены примеры для дополнительной иллюстрации и пояснения изобретения, которые не следует рассматривать как ограничивающие изобретение. Если не указано другое, то все части и проценты указаны относительно массы и основаны на массе изделия на конкретной стадии способа.

Пример 1

Были проведены испытания с добавлением волокон фирм Mitsubishi Chemical (волокна на основе мезофазного пека, нарубленные в пучки длиной 0,7 дюйма (18 мм), имеющие модуль упругости 25×10 ⁶ фунт на кв. дюйм (1,7×10⁶ кг/см²) и прочность на растяжение 260×10 ³ фунт на кв. дюйм (18,2×10³ кг/см²)), ВР Amoco (волокна на основе мезофазного пека, нарубленные в пучки длиной 0,25 дюйма (6 мм) и 1 дюйм (25 мм), называемые Р-25, имеющие модуль упругости 23×10 ⁶ фунт на кв. дюйм (1,6×10⁶ кг/см²) и прочность на растяжение 223×10 ³ фунт на кв. дюйм (15,5×10 кг/см² )) и Zoltek (волокна на основе полиакрилонитрила, называемые Pancex 33CF, нарубленные в пучки длиной 1 дюйм (25 мм), имеющие модуль упругости 33×10⁶ фунт на кв. дюйм (2,3×10⁶ кг/см ²) и прочность на растяжение 33×10 ³ фунт на кв. дюйм (2,3×10³ кг/см²)). Концентрация пучков волокон в смеси составляла между около 2,5 и около 5 мас.%. Пасты приготавливали в цилиндрическом лопастном смесителе, охлаждали и экструдировали в электроды диаметром 150 мм и длиной 330 мм. Электроды обрабатывали указанным выше образом. Физические свойства электродов с волокнами и контрольных электродов (без волокон) приведены в таблице 1.

Таблица 1
Свойства электродов, смешанных в цилиндрическом смесителе, с добавлением волокон
	Плотность	Сопротивление	Модуль упругости	Прочность на изгиб	Пр. КТР	Поп. КТР
	(г/см 3)	(мкОм)	(кг/см 2 ×106)	(кг/см2)	(1/°C×10 6)	(1/°С×10- 6)
Без волокон	1,692	5,52	0,099	106	0,29	1,36
Mitsubishi, 0,7", 2,5%	1,698	5,57	0,109	119	0,18	1,38
Mitsubishi, 0,7", 5%	1,693	5,45	0,12	133	0,07	1,45
Amoco, 0,25", 2%	1,705	5,79	0,109	116	0,21	1,41
Amoco, 0,25", 4%	1,710	5,52	0,125	135	0,12	1,43
Amoco, 1,0", 2,5%	1,686	5,56	0,108	120	0,18	1,39
Zoltek, 1,0", 2%	1,710	5,60	0,107	110	0,19	1,47

Электроды с волокнами имеют равную или большую плотность, равное или слегка большее электрическое сопротивление, более высокий модуль упругости и предел прочности, и меньший коэффициент продольного теплового расширения, чем электроды без волокон. Улучшения были выше при добавлении волокон на основе мезофазного пека, чем при добавках волокон на основе полиакрилонитрила.

Пример 2

Второе испытание было проведено с добавлением волокон фирм Mitsubishi Chemical (волокна на основе мезофазного пека, нарубленные в пучки длиной 1,2 дюйма (30 мм), Zoltek (волокна на основе полиакрилонитрила, нарубленные в пучки длиной 2 дюйма (50 мм), ВР Amoco (волокна на основе мезофазного пека, нарубленные в пучки длиной 0,25 дюйма (6 мм) и 1 дюйм (25 мм)) и Conoco (волокна на основе мезофазного пека, нарубленные на длину 1 дюйм (25 мм) в маты). Концентрация пучков волокон в смеси составляла между около 1,5 и около 3 мас.%. Пасты приготавливали в двухлопастном смесителе Sigma, охлаждали и экструдировали в электроды диаметром около 150 мм и длиной около 330 мм. Электроды обрабатывали указанным выше образом. Физические свойства электродов с волокнами и контрольных электродов (без волокон) приведены в таблице 2.

Таблица 2 Свойства электродов, смешанных в смесителе Sigma, с добавлением волокон
	Плотность (г/см 3)	Сопротивление (мкОм)	Модуль упругости (кг/см2×10 6)	Прочность на изгиб(кг/см 2)	Пр. КТР (1/°С×10 -6)	Поп. КТР (1/°С×10 6)
Без волокон	1,658	5,98	0,082	94	0,40	1,32
Mitsubishi, 1,2", 1,5%	1,656	5,87	0,098	106	0,21	1,25
Mitsubishi, 1,2", 3%	1,625	5,94	0,098	114	0,08	1,15
Zoltek, 2,0", 1,5%	1,654	5,97	0,098	118	0,26	1,29
Zoltek, 2,0", 3%	1,634	5,85	0,099	123	0,16	1,20
Amoco, 0,25", 1,5%	1,641	6,12	0,093	107	0,23	1,18
Amoco, 0,25", 3%	1,611	6,01	0,096	117	0,11	1,17
Amoco, 1,0", 1,5%	1,627	6,27	0,086	104	0,23	1,22
Amoco, 1,0", 3%	1,624	6,00	0,098	119	0,10	1,16
Conoco, 1,0", 1,5%	1,648	6,07	0,092	102	0,21	1,19
Conoco, 1,0", 3%	1,620	5,85	0,098	109	0,04	1,14

Электроды с волокнами снова имели равную или большую плотность, равное или слегка большее электрическое сопротивление, более высокий модуль упругости и предел прочности, и меньший коэффициент теплового расширения (как продольного, так и поперечного), чем электроды без волокон. Улучшения прочности были выше при добавлении волокон на основе мезофазного пека или на основе полиакрилонитрила, нарубленных в пучки, чем при добавках волокон фирмы Conoco, нарубленных в мат.

Пример 3

Третье испытание было проведено с добавлением волокон только фирмы Mitsubishi Chemical (волокна на основе мезофазного пека, нарубленные в пучки длиной 0,25 дюйма (6 мм), тех же волокон, которые были использованы в патенте США №6280663. Уровни добавок составляли между 2, 4 и 6 мас.%. Пасты приготавливали в лопастном цилиндрическом смесителе, охлаждали и экструдировали в электроды диаметром 150 мм и 330 мм. Электроды обрабатывали указанным выше образом. Физические свойства электродов с волокнами и контрольных электродов (без волокон) приведены в таблице 3.

Таблица 3 Свойства электродов, смешанных в цилиндрическом смесителе, с добавлением волокон
	Плотность	Сопротивление	Модуль	Прочность на изгиб	Пр. КТР	Поп. КТР
	(г/см3)	(мкОм)	(кг/см 2×106)	(кг/см2)	(1/°C×10 6)	(1/°С×10 6)
Без волокон	1,685	5,25	0,085	93	0,25	1,24
Mitsubishi, 0,25", 2%	1,692	5,07	0,1	107	0,11	1,21
Mitsubishi, 0,25", 4%	1,685	5,12	0,106	117	0,06	1,24
Mitsubishi, 0,25", 6%	1,684	5,13	0,113	120	-0,01	1,15

Повторилась тенденция изменения свойств из первых двух примеров. Увеличение модуля упругости или предела прочности начинает снижаться при уровне загрузки волокон 6%. Достигнуто нулевое значение коэффициента продольного теплового расширения.

Сравнение уровня и типа волокна и улучшения прочности и коэффициента теплового расширения

В приведенной ниже таблице показано изменение прочности и коэффициента теплового расширения для различных типов и уровней добавления волокон.

Таблица 4 Изменение свойств в зависимости от типа/количества волокон
Пример	Волокно	Длина (мм)	Содержание (в мас.%)	Увеличение прочности (в%)	Изменение пр. КТР (1/°C×10-6)	Изменение поп. КТР (1/°C×10-6 )
3	Mitsubishi	6,15	2,0	16.0	-0,14	-0,04
3	Mitsubishi	6,15	4,0	26,5	-0,19	0,01
3	Mitsubishi	6,15	6,0	30,0	-0,25	-0,09
1	Mitsubishi	17,22	2,5	12,5	-0,11	0,02
1	Mitsubishi	17,22	5,0	26,2	-0,22	0,09
2	Mitsubishi	29,52	1,5	13,0	-0,19	-0,07
2	Mitsubishi	29,52	3,0	21,0	-0,32	-0,17
1	Amoco	6,15	2,0	9,3	-0,08	0,05
1	Amoco	6,15	4,00	27,5	-0,17	0,07
2	Amoco	6,15	1,5	14,00	-0,17	-0,14
2	Amoco	6,15	3,0	24.0	-0,29	-0,15
2	Amoco	24,6	1,5	11,0	-0,17	-0,10
2	Amoco	24,6	3,0	27,0	-0,30	-0,16
l	Amoco	24,6	2,5	13,5	-0,11	0,03
1	Conoco	24,6	1,5	9.0	-0,19	-0,12
l	Conoco	24,6	3,0	16.0	-0,36	-0,18

Результаты относительно соответствуют трем примерам и различным типам волокна. Увеличением прочности и уменьшением коэффициента теплового расширения можно управлять с помощью количества волокон в зависимости от условий применения или более низкой стоимости кокса, доступного для улучшения электродов. Тип волокна можно выбирать на основе таких факторов, как простота обработки, распределение и стоимость.

Приведенное выше описание имеет целью обеспечение применения на практике изобретения для специалистов в данной области техники. Не ставилась задача детального описания всех возможных вариаций и модификаций, которые станут очевидными для специалистов после прочтения описания. Однако предполагается, что все эти модификации и вариации входят в объем изобретения, заданный приведенной ниже формулой изобретения. Формула изобретения должна включать все указанные элементы и стадии в любой системе или последовательности, которые являются эффективными для достижения технической цели изобретения, если из контекста не следует противоположное.