專利名稱：石墨電極的端面密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石墨電極的端面密封件，和制備本發(fā)明的端面密封件的方法。更特別地，本發(fā)明涉及有利地由膨脹石墨顆粒形成的用在石墨電極端面處保護(hù)電極接頭表面不被氧化的密封件。
背景技術(shù)：
鋼鐵工業(yè)中使用石墨電極在電熱爐中融化用于形成鋼鐵的金屬和其它成分。通過使電流經(jīng)過多個電極，通常是三個，并在電極和金屬之間形成電弧來產(chǎn)生融化金屬需要的熱。經(jīng)常使用超過100000安培的電流。產(chǎn)生的高溫融化金屬和其它成分。通常，煉鋼爐中使用的電極各自由電極柱組成，即一系列的單個電極被連接形成單一柱。按照這種方式，電極在熱過程中被消耗，替換電極可被連接到柱上以保持伸到爐內(nèi)的柱長度。
通常，電極通過銷(有時也稱為螺紋接頭)被連接成柱，銷起連接鄰接電極的端的作用。典型地，銷采取相對外螺紋段的形式，電極的至少一端包括能與銷的外螺紋段配合的內(nèi)螺紋段。因此，當(dāng)銷的相對外螺紋段的每一個被擰緊到兩個電極的端中的內(nèi)螺紋段內(nèi)時，這些電極就被連接成電極柱。通常，鄰接電極的連接端和其中間的銷在本領(lǐng)域中被稱為接頭。
或者，可形成具有加工到一個端內(nèi)的外螺紋突起或端頭(stub)和加工到另一個端內(nèi)的內(nèi)螺紋承窩的電極，從而可通過將一個電極的外端頭擰緊到第二個電極的內(nèi)承窩中連接電極，這樣形成電極柱。這種實(shí)施方案中的兩個鄰接電極的連接端在本領(lǐng)域中也被稱為接頭。
考慮到電極和接頭(實(shí)際上電極柱作為一個整體)經(jīng)受的極端熱應(yīng)力，必須小心平衡機(jī)械/熱因素如強(qiáng)度、熱膨脹和抗裂性，以避免電極柱或單個電極的損壞或毀壞。例如，電極的縱向(即沿電極/電極柱的長度)熱膨脹會迫使接頭分離，尤其在電極縱向熱膨脹速度與銷不同時，這降低了電極柱傳導(dǎo)電流的有效性?？赡芟Ｍ姌O的橫向(即跨越電極/電極柱的直徑)熱膨脹能超過銷橫向熱膨脹一定的量，以在銷和電極之間形成牢固連接；但是，如果電極的橫向熱膨脹大大超過銷的橫向熱膨脹，則可能導(dǎo)致電極損壞或接頭分離。同樣，這會導(dǎo)致降低的電極柱效率，或甚至毀壞柱，如果損壞嚴(yán)重到電極柱在接頭部分失效的話。
另外，電極柱受到的熱和機(jī)械應(yīng)力的另一結(jié)果是在兩個鄰接電極間的電極接頭中形成間隙。此外，銷和內(nèi)承窩或外端頭和內(nèi)承窩的設(shè)計會造成接頭中兩個鄰接電極間有意存在間隙。當(dāng)在接頭中形成間隙時，不管是有意地還是無意地，都會發(fā)生銷或外端頭的螺紋和其它接頭表面的氧化，這導(dǎo)致材料損失和稱為“頸縮”的現(xiàn)象。當(dāng)足夠多的材料被從接頭表面氧化掉從而使兩個端面間的接頭變窄并因此削弱時發(fā)生頸縮。頸縮降低了電極柱傳導(dǎo)電流的有效性，降低了接頭的機(jī)械強(qiáng)度，并最終會導(dǎo)致接頭失效和電極柱的災(zāi)難性損失。例如，當(dāng)頸縮發(fā)生到顯著程度時，爐中正在使用的電極柱通常經(jīng)歷的振動會在銷或外端頭或銷或承窩嚙合的內(nèi)電極中導(dǎo)致裂紋和破裂，以及接頭分離和受影響接頭下面的電極柱損失。
在美國專利No.3540764中，Paus和Revilock建議使用布置在鄰近電極的端面間的膨脹石墨墊片以增加導(dǎo)電性和接頭的耐熱應(yīng)力性。但是，Paus和Revilock墊片的性質(zhì)和它的布置使得在接頭中產(chǎn)生間隙(而以其它方式可能不能出現(xiàn)所述間隙)，從而造成接頭松動和失效可能性。
因此，需要一種可用于減少石墨電極接頭表面部分處氧化而不會明顯降低電極性能的密封件。還非常希望不使用大量昂貴材料就獲得這些性能益處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是提供石墨電極端面密封件。
本發(fā)明的另一個方面是提供能減少或消除電極接頭表面氧化的石墨電極端面密封件。
本發(fā)明的又一個方面是提供能產(chǎn)生強(qiáng)度和穩(wěn)定性提高的電極柱接頭的石墨電極端面密封件。
本發(fā)明的還一方面是與本領(lǐng)域常規(guī)石墨電極接頭相比具有提高的耐氧化性的石墨電極接頭。
當(dāng)閱讀下面的說明書時，這些方面和其它方面對技術(shù)人員將變得明顯，并通過提供包括兩個連接的石墨電極且在電極間插有密封件的電極接頭來實(shí)現(xiàn)這些方面，密封件包括可壓縮材料，尤其是剝離石墨的壓縮顆粒。密封件材料優(yōu)選包括氧化速度等于或小于電極氧化速度的材料。在優(yōu)選實(shí)施方案中，密封件的電導(dǎo)率在電極間延伸的方向上大于它在垂直于該方向的方向上。為了實(shí)現(xiàn)這種密封件電導(dǎo)率，密封件應(yīng)有利地包括剝離石墨壓縮顆粒的螺旋形卷繞片。
形成接頭的兩個連接電極可各自包括在其中加工的內(nèi)螺紋承窩，并還包括銷，銷包括能嚙合電極的內(nèi)螺紋承窩以形成接頭的相對外螺紋段?；蛘?，一個電極可包括外螺紋端頭，另一個電極可包括內(nèi)螺紋承窩，其中外螺紋端頭嚙合內(nèi)螺紋承窩形成接頭。
優(yōu)選地，為了形成本發(fā)明的密封件，提供剝離石墨壓縮顆粒的片，然后卷繞(例如圍繞直徑等于密封件內(nèi)部開孔的承枕(bolster))形成適合于在電極接頭中的電極之間使用的螺旋形卷繞密封件。密封件應(yīng)具有一般等于電極接頭外徑的外徑和內(nèi)部開孔，并可以但不是必需地在剝離石墨壓縮顆粒的螺旋形卷繞片的層之間夾有粘合劑。
除了由可壓縮材料如剝離石墨壓縮顆粒的螺旋形卷繞片形成外，本發(fā)明的密封件還可經(jīng)過成形以便提高它的可壓縮性，如通過模塑。例如，片可被模塑以便在沿密封件位于其中間的電極中的一個或兩個的端面平面觀察時呈凹形。在凹陷任何一端處的錐形“臂”之間的空間提供更大的可壓縮性可能性。另外，可在凹形空間中放置搗固糊、膠合劑或其它油灰類材料，以進(jìn)一步抑制氧化?？商岣呗菪尉砝@剝離石墨片可壓縮性的另一方法是通過形成密封件的“波紋”或“起皺”表面，也通過模塑。當(dāng)然，密封件的凹形或起皺表面當(dāng)然為對接各自電極端面的表面中的一個或二個。
應(yīng)認(rèn)識到，上述一般描述和下面的詳細(xì)描述都提供了本發(fā)明的實(shí)施方案，并用于提供對本發(fā)明的理解和所要求的特性和特征的總看法和框架。包括附圖以提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并被引入和構(gòu)成說明書的一部分。附示了本發(fā)明的各種實(shí)施方案，并和說明書一起用于描述本發(fā)明的原理和實(shí)施。


圖1為按照本發(fā)明的石墨電極端面密封件的側(cè)透視圖。
圖2為得到圖1的端面密封件的螺旋形卷繞柔性石墨結(jié)構(gòu)的側(cè)透視圖。
圖3為其上具有按照本發(fā)明的端面密封件的外螺紋石墨電極的部分側(cè)透視圖。
圖4為其內(nèi)具有擰入的銷且其上具有根據(jù)本發(fā)明的端面密封件的石墨電極的部分側(cè)透視圖。
圖5為其中具有根據(jù)本發(fā)明的端面密封件的電極接頭的側(cè)平面圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的石墨電極用端面密封件的一種實(shí)施方案的側(cè)截面圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明的石墨電極用端面密封件的另一種實(shí)施方案的側(cè)截面圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式可通過首先將包括煅燒焦炭、瀝青和任選地中間相瀝青或PAN基碳纖維的顆粒部分混合成原料混合物來制造石墨電極。更具體地說，將粉碎的分級的研磨的煅燒石油焦炭與煤焦油瀝青粘合劑混合形成混合物。按照制品的最終用途選擇煅燒焦炭的粒度，這在本領(lǐng)域技術(shù)范圍內(nèi)。通常，在用于加工鋼鐵的石墨電極中，在混合物中使用平均直徑最大約25毫米(mm)的顆粒。顆粒部分優(yōu)選包括含焦炭粉的小粒度填料?？山Y(jié)合到小粒度填料中的其它添加劑包括抑制膨脹(由焦炭顆粒內(nèi)部硫從它與碳的結(jié)合中釋放引起)的鐵氧化物、有助于混合物擠出的焦炭粉或油或其它潤滑劑。
在制備顆粒部分、瀝青粘合劑等的混合物后，通過利用沖模擠出形成(或成形)或在常規(guī)成形模具中模塑形成稱為生料的本體。不管擠出還是模塑，都在接近瀝青軟化點(diǎn)的溫度通常約100℃或更高下進(jìn)行成形。沖?；蚰＞吣苄纬纱笾伦罱K形狀和大小的制品，但通常需要成品的加工，至少提供結(jié)構(gòu)如螺紋。生料的大小可變化；對于電極，直徑可在約220mm和700mm之間變化。
在擠出后，通過在約700℃和約1100℃之間、更優(yōu)選約800℃和約1000℃之間的溫度下焙燒來熱處理生料，以將瀝青粘合劑碳化成固體瀝青焦炭，賦予制品形狀永久性、高機(jī)械強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性和較低的電阻，這樣就形成碳化料。在相對缺乏空氣時焙燒生料以避免氧化。焙燒應(yīng)以約1℃-約5℃/小時的速度至最終溫度來進(jìn)行。焙燒后，可用煤焦油或石油瀝青或工業(yè)中已知的其它類型的瀝青或樹脂浸漬碳化料一次或多次，以在料的任何開孔中沉積附加的焦炭。每次沉積然后都是附加的焙燒步驟。
焙燒后，然后石墨化碳化料。石墨化是利用在約2500℃至約3400℃之間的最終溫度下熱處理足以使焦炭和瀝青焦炭粘合劑中的碳原子從無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變成石墨結(jié)晶結(jié)構(gòu)的時間。有利地，通過保持碳化料在至少約2700℃的溫度下，更有利地在約2700℃和約3200℃之間的溫度下進(jìn)行石墨化。在這些高溫度下，除了碳以外的元素都被蒸發(fā)和作為蒸汽逸出。使用本發(fā)明的方法，保持在石墨化溫度下所需要的時間不超過約18小時，實(shí)際上，不超過約12小時。優(yōu)選地，石墨化持續(xù)約1.5到約8小時。一旦石墨化完成，可將成品切割至一定大小，然后機(jī)械加工或以其它方式成形為它的最終構(gòu)造。
本發(fā)明的密封件包括布置在鄰接電極端面之間電極接頭中的材料。密封件優(yōu)選包括大小適合填充鄰接電極之間的間隙的材料。為此，密封件厚度應(yīng)有利地在約1mm和約25mm之間，更有利地在約3mm和約12mm之間。另外，密封件應(yīng)從電極接頭周邊向著接頭中心徑向延伸，在周邊和螺紋銷或外螺紋端頭之間終止。最優(yōu)選地，密封件的半徑應(yīng)大致等于中間布置它的電極的半徑。因此，本發(fā)明的密封件應(yīng)具有約11cm和約37cm之間的半徑(當(dāng)與具有圓形截面的石墨電極一起使用時)，更優(yōu)選在約20cm和約30cm之間，且中心開孔的直徑大致等于或大于螺紋銷或外端頭的直徑(在它們各自的最大點(diǎn)處)；更特別地，密封件中心開孔的直徑應(yīng)在中間布置它的電極的直徑的約50％和約85％之間。在最優(yōu)選的實(shí)施方案中，密封件的中心開孔應(yīng)大致等于螺紋銷或外端頭的直徑(在它們各自的最大點(diǎn)處)。
制造本發(fā)明密封件的材料或密封件的方向或布置應(yīng)使得密封件可壓縮，以補(bǔ)償鄰接電極間間隙的差異和變化，它們可根據(jù)用于連接鄰接電極的方法以及由于在爐中使用時接頭受到的不同機(jī)械和熱應(yīng)力而變化。另外，密封件材料的可壓縮性可幫助確?？諝獠粫诿芊饧椭虚g放置密封件的電極之間通過。
形成本發(fā)明密封件的材料應(yīng)起到減緩電極接頭螺紋氧化速度的作用。為此，必須減少(或物理阻礙)螺紋暴露到爐中的熱空氣中。更優(yōu)選地，密封件材料應(yīng)以等于或低于形成接頭的電極的氧化速度的速度氧化。最優(yōu)選地，在滿足可壓縮性要求的同時，密封件材料應(yīng)以盡可能低的速度氧化。
用于形成本發(fā)明密封件的合適材料包括紙、紙板、糊、編織繩等。一種尤其優(yōu)選的材料為膨脹(或剝離)石墨(有時稱為柔性石墨)的壓縮顆粒。尤其有用的為剝離石墨壓縮顆粒的片。
用于形成本發(fā)明密封件的石墨為碳的結(jié)晶形式，其包括在片面間具有較弱鍵的平層狀平面中共價鍵合的原子。通過用插層劑例如硫酸和硝酸溶液處理石墨如天然石墨薄片的顆粒，石墨的晶體結(jié)構(gòu)反應(yīng)形成石墨和插層劑的化合物。處理過的石墨顆粒在下文中被稱為“插層石墨顆?！薄．?dāng)暴露于高溫時，石墨內(nèi)的插層劑蒸發(fā)，導(dǎo)致插層石墨顆粒的尺寸在“c”方向上即在垂直于石墨晶面的方向上以褶狀形式膨脹至其原始體積的約80或更多倍。剝離石墨顆粒在外觀上為蠕蟲狀，并因此常被稱為蠕蟲。與原始石墨薄片不同，蠕蟲可被壓縮到一起成為能被成形和切成各種形狀的柔性片。
適用于本發(fā)明的片用的石墨原料包括能插層有機(jī)和無機(jī)酸以及鹵素然后在受熱時膨脹的高度石墨化碳質(zhì)材料。這些高度石墨化碳質(zhì)材料最優(yōu)選具有約1.0的石墨化度。本公開中使用的術(shù)語“石墨化度”是指按照下式的值gg=3.45-d(002)0.095]]>其中d(002)為按埃單位測量的晶體結(jié)構(gòu)中碳的石墨層之間的間距。通過標(biāo)準(zhǔn)X-射線衍射技術(shù)測量石墨層之間的間距d。測量對應(yīng)于(002)、(004)和(006)密勒指數(shù)的衍射峰的位置，使用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法技術(shù)求出使全部這些峰總誤差最小的間距。高度石墨化碳質(zhì)材料的例子包括來自各種來源的天然石墨，以及其它碳質(zhì)材料如通過化學(xué)氣相沉積等制備的碳。天然石墨是最優(yōu)選的。
本發(fā)明中所用片的石墨原料可包含非碳組分，只要原料的晶體結(jié)構(gòu)保持所需的石墨化度和能剝離即可。通常，晶體結(jié)構(gòu)具有所需的石墨化度并能被剝離的任何含碳材料都適用于本發(fā)明。這種石墨優(yōu)選具有小于20wt％的灰含量。更優(yōu)選地，用于本發(fā)明的石墨將具有至少約94％的純度。在最優(yōu)選的實(shí)施方案中，使用的石墨將具有至少約99％的純度。
Shane等在美國專利3404061中描述了制備石墨片的常用方法，本文引入其內(nèi)容作為參考。在Shane等人的方法的典型做法中，通過將天然石墨薄片分散在含有例如硝酸和硫酸的混合物的溶液中進(jìn)行插層，有利地，用量水平為約20-約300重量份插層劑溶液每100重量份石墨薄片(pph)。插層溶液包含氧化劑和本領(lǐng)域中已知的其它插層劑。例子包括包含氧化劑和氧化混合物的那些，如包含硝酸、氯酸鉀、鉻酸、高錳酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、高氯酸等的溶液，或混合物，如例如濃硝酸和氯酸鹽、鉻酸和磷酸、硫酸和硝酸，或強(qiáng)有機(jī)酸如三氟乙酸和可溶于該有機(jī)酸的強(qiáng)氧化劑的混合物?；蛘撸衫秒娢灰鹗趸?。可使用電解氧化引入到石墨晶體中的化學(xué)物質(zhì)包括硫酸以及其它酸。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，插層劑為硫酸或硫酸和磷酸與氧化劑的混合物的溶液，氧化劑即硝酸、高氯酸、鉻酸、高錳酸鉀、過氧化氫、碘酸或高碘酸等。盡管不是太優(yōu)選，但插層溶液可包含金屬鹵化物，如氯化鐵和與硫酸混合的氯化鐵，或鹵化物，如作為溴和硫酸溶液的溴或有機(jī)溶劑中的溴。
插層溶液的數(shù)量可從約20pph到約150pph，更一般地為約50pph到約120pph。在薄片被插層后，從薄片排出任何多余溶液，并水洗薄片?；蛘?，可限制插層溶液的數(shù)量到約10pph和約50pph之間，這允許省略洗滌步驟，如美國專利4895713中教導(dǎo)和描述，本文也引入其內(nèi)容作為參考。
可任選地使利用插層溶液處理的石墨薄片顆粒例如通過混合與選自醇、糖、醛和酯的有機(jī)還原劑接觸，這些有機(jī)還原劑能在25℃～125℃的溫度下與氧化插層溶液的表面薄膜反應(yīng)。合適的具體有機(jī)試劑包括十六烷醇、十八烷醇、1-辛醇、2-辛醇、癸醇、1，10-癸二醇、癸醛、1-丙醇、1，3-丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、馬鈴薯淀粉、乙二醇單硬脂酸酯、二乙二醇二苯甲酸酯、丙二醇單硬脂酸酯、甘油單硬脂酸酯、草酸二甲酯、草酸二乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗壞血酸和木質(zhì)素衍生化合物，如木質(zhì)素硫酸鈉。有機(jī)還原劑的數(shù)量適當(dāng)?shù)貫槭∑w粒的約0.5-4wt％。
在插層前、過程中或之后立即使用施加的膨脹助劑也提供改進(jìn)。在這些改進(jìn)中，可降低剝離溫度和增加膨脹體積(也稱為“蠕蟲體積”)。本文中的膨脹助劑將有利地為在插層溶液中充分可溶以實(shí)現(xiàn)膨脹改進(jìn)的有機(jī)材料。更具體地說，可使用包含優(yōu)選僅僅包含碳、氫和氧的這類有機(jī)材料。羧酸被發(fā)現(xiàn)尤其有效。用作膨脹助劑的合適羧酸可選自芳族、脂肪族或脂環(huán)族的、直鏈或支鏈的飽和和不飽和一羧酸、二羧酸和多羧酸，它們具有至少1個碳原子，優(yōu)選最高約15個碳原子，并能以有效提供剝離的一個或多個方面的可測量改進(jìn)的數(shù)量溶于插層溶液中。可使用合適的有機(jī)溶劑提高有機(jī)膨脹助劑在插層溶液中的溶解性。
飽和脂肪族羧酸的代表性例子為如具有式H(CH2)nCOOH的那些酸，其中n為0-約5的數(shù)，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。也可使用酐或活性羧酸衍生物如烷基酯代替羧酸。烷基酯的代表有甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它已知的含水插層劑具有將甲酸最終分解成水和二氧化碳的能力。因此，有利地在將薄片浸漬到含水插層劑中前使甲酸和其它敏感性膨脹助劑與石墨薄片接觸。二羧酸的代表為具有2-12個碳原子的脂肪族二羧酸，尤其是草酸、富馬酸、丙二酸、馬來酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、1，5-戊二羧酸、1，6-己二羧酸、1，10-癸二羧酸、環(huán)己-1，4-二羧酸，和芳族二羧酸，如鄰苯二甲酸或?qū)Ρ蕉姿帷Ｍ榛サ拇頌椴菟岫柞ズ筒菟岫阴?。脂環(huán)族酸的代表為環(huán)己羧酸，芳族羧酸的代表為苯甲酸、萘甲酸、鄰氨基苯甲酸、對氨基苯甲酸、水楊酸、鄰-、間-和對-甲苯磺酸、甲氧基和乙氧基苯甲酸、乙酸乙酰氨基苯甲酸、和乙酸氨基苯甲酸、苯乙酸和萘甲酸。羥基芳酸的代表為羥基苯甲酸、3-羥基-1-萘甲酸、3-羥基-2-萘甲酸、4-羥基-2-萘甲酸、5-羥基-1-萘甲酸、5-羥基-2-萘甲酸、6-羥基-2-萘甲酸和7-羥基-2-萘甲酸。多羧酸中主要的為檸檬酸。
插層溶液將是含水的，并優(yōu)選包含數(shù)量約1-10％的膨脹助劑，該數(shù)量能有效增強(qiáng)剝離。在石墨薄片浸入到插層水溶液前或后使膨脹助劑與石墨薄片接觸的實(shí)施方案中，可通過合適的裝置如V-混合器使膨脹助劑與石墨混合，一般數(shù)量為石墨薄片重量的約0.2％-約10％。
在插層石墨薄片后，接下來是混合插層劑涂敷的插層石墨薄片和有機(jī)還原劑，然后將混合物暴露到25℃-125℃范圍內(nèi)的溫度以促進(jìn)還原劑和插層劑涂層的反應(yīng)。加熱時間最高約20小時，對于上述范圍內(nèi)的較高溫度，具有較短的加熱時間，例如至少約10分鐘。在較高溫度下，可使用半小時或更少的時間，例如大約10-25分鐘。
這樣處理的石墨顆粒有時被稱為“插層石墨顆?！薄．?dāng)暴露于高溫時，例如至少約160℃和尤其約700℃-1200℃或更高的溫度，插層石墨顆粒在“c”方向上即在垂直于組成石墨顆粒晶面的方向上以褶狀形式膨脹至其原始體積的約80-1000倍或更多倍。膨脹的即剝離的石墨顆粒在外觀上為蠕蟲狀，并因此常被稱為蠕蟲。與原始石墨薄片不同，蠕蟲可被壓縮到一起成為能被成形和切成各種形狀的柔性片，并通過變形機(jī)械沖擊提供小的橫向開孔，如下文所述。
柔性石墨片和箔是粘著的，具有良好的處理強(qiáng)度，并可通過例如輥壓被適當(dāng)?shù)貕嚎s至約0.075mm-3.75mm的厚度，典型密度為約0.1-1.5克/立方厘米(g/cc)?？墒辜s1.5-30wt％的陶瓷添加劑與插層石墨薄片混合以在最終的柔性石墨產(chǎn)品中提供增強(qiáng)的樹脂浸漬性，如美國專利5902762(本文引入其作為參考)中所述。添加劑包括長度為約0.15-1.5毫米的陶瓷纖維顆粒。顆粒的寬度適當(dāng)?shù)貫榧s0.04-0.004mm。陶瓷纖維顆粒沒有反應(yīng)性，且不粘著到石墨上，并在直到約1100℃、優(yōu)選約1400℃或更高的溫度下穩(wěn)定。合適的陶瓷纖維顆粒由碎石英玻璃纖維、碳和石墨纖維、氧化鋯、氮化硼、碳化硅和氧化鎂纖維、天然存在的礦物纖維如偏硅酸鈣纖維、硅酸鋁鈣纖維、氧化鋁纖維等形成。
有時，還有利地用樹脂處理柔性石墨片，吸收的樹脂在固化后增強(qiáng)柔性石墨片的防潮性和處理強(qiáng)度即剛度以及“固定”片的形貌。合適的樹脂含量優(yōu)選為至少約5wt％，更優(yōu)選約10-35wt％，適當(dāng)?shù)剡_(dá)到約60wt％。發(fā)現(xiàn)的尤其用于本發(fā)明實(shí)施的樹脂包括丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂和酚醛基樹脂體系、氟基聚合物或它們的混合物。合適的環(huán)氧樹脂體系包括基于二環(huán)氧甘油醚或雙酚A(DGEBA)的那些和其它多官能樹脂體系；可使用的酚醛樹脂包括甲階酚醛樹脂和酚醛清漆。任選地，除了樹脂外或代替樹脂，可用纖維和/或鹽浸漬柔性石墨。
由于石墨顆粒平行于片的主相對的平行表面排列，因而柔性石墨片材料表現(xiàn)出相當(dāng)大的各向異性程度，當(dāng)輥壓片材料至提高的密度時，各向異性程度增加。在輥壓的各向異性片材料中，厚度即垂直于相對的平行片表面的方向構(gòu)成“c”方向，沿長度和寬度延伸的方向即沿或平行于相對的主表面的方向構(gòu)成“a”方向，對于“c”和“a”方向，片的熱和電性質(zhì)有很大差別，有幾個數(shù)量級。
成形這樣形成的柔性石墨片以便具有所需的中心開孔，可原樣使用它，或可將它形成為幾個這種柔性石墨片的疊層(有或沒有中間層粘合劑)，并按這種方式用作本發(fā)明的密封件。但是，最優(yōu)選地，由于膨脹石墨壓縮顆粒的片的各向異性特性，石墨片密封件的取向應(yīng)使得“a”方向即平行于片主相對表面的方向被定向排列在電極端面之間。按照這種方式，與“c”方向相反，材料在“a”方向上的較高電導(dǎo)率將提高跨越接頭的電導(dǎo)率。
本發(fā)明密封件的一種實(shí)施方案圖示于圖1，并用附圖標(biāo)記10標(biāo)明。密封件10包括柔性石墨的螺旋形卷繞片，并具有通過密封件10厚度而不是沿其表面的“a”方向。例如，可通過圍繞直徑等于密封件10中心開孔“d”的所需直徑的承枕100卷繞一個或多個柔性石墨片形成密封件10。圍繞承枕100卷繞片，直到獲得等于密封件10的所需半徑的半徑，得到螺旋形卷繞柔性石墨筒20，其可被切成所需厚度的單個的密封件10(通過承枕100或除去承枕100后)。按照這種方式，排列較高電導(dǎo)率的“a”方向通過密封件10的厚度。任選地，可在密封件10的繞組之間插入粘合劑以便防止螺旋形卷繞密封件10展開。
或者，可通過圍繞承枕100卷繞一個或多個柔性石墨片直到獲得等于密封件10所需半徑的半徑來形成密封件10，然后將螺旋形卷繞筒20壓縮成最終所需的厚度和形狀。實(shí)際上，如上所述，壓縮過程可用于模塑(例如通過對模成型等)凹形或波紋形狀到密封件10內(nèi)，分別如圖6和7所示，密封件10具有鄰接電極30和/或40的臂10a和10b或脊10c。這些形狀可為密封件10提供甚至更大的可壓縮性。
密封件10位于形成電極接頭的鄰接石墨電極的端面之間。例如，如圖3所示，當(dāng)使用具有加工的外螺紋端頭32的石墨電極30時，密封件10可被放在電極30的端頭32周圍的端面34上。因此，當(dāng)電極30然后與具有加工的內(nèi)承窩(未示出)的鄰接電極匹配時，密封件10就位于鄰接電極端面之間。對圖4中所示的使用銷42而不是端頭的電極40也是如此。
有利地，在電極30的制備過程中，或者在成形工廠工段或者在爐子工段(但是要在爐子上就位之前)將密封件10定位在電極30上以便被加載到電極柱中，以減少形成接頭的操作步驟(這在相對有毒環(huán)境中經(jīng)常發(fā)生)。同樣，當(dāng)銷42被預(yù)置到電極40中時，密封件10可同時被定位到電極40上。此外，當(dāng)形成凹形形狀的密封件10時，如圖6所示，被劃分的凹陷填充有糊或膠合劑等，可使用釋放襯墊保護(hù)糊或膠合劑不受污物、灰塵或可能以其它方式粘著到它上面的其它不需要物質(zhì)的影響。
因此，在使用時，電極端面密封件10位于電極接頭50中鄰接電極50a和50b之間，如圖5所示。由于密封件10是可壓縮的，并有利地以等于或比電極50a或50b的氧化速度慢的速度氧化，因此它減少了氧進(jìn)入到電極50a或50b端面之間的接頭50內(nèi)，并因而降低或消除了銷32或外端頭42或螺紋部分和/或接頭50的其它表面的氧化，延長了接頭50的壽命和功能。
本文引入本申請中提到的全部引用專利和出版物的內(nèi)容作為參考。
上述描述意在能使本領(lǐng)域的技術(shù)人員實(shí)施本發(fā)明。不打算詳細(xì)描述在閱讀說明書時對技術(shù)人員顯而易見的變化和改變。但是，打算所有這種改變和變化都包括在由下面的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。權(quán)利要求意欲覆蓋能有效滿足本發(fā)明預(yù)定目的的任何布置或順序中的指示要素和步驟，除非本文具體指示相反內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種電極接頭，包括兩個連接的石墨電極，并在電極間具有插入的密封件，該密封件包括氧化速度能使電極接頭的表面氧化速度被降低的材料。
2.權(quán)利要求1的接頭，其中所述密封件是可壓縮的。
3.權(quán)利要求2的接頭，其中所述密封件包括剝離石墨壓縮顆粒。
4.權(quán)利要求3的接頭，其中所述密封件的電導(dǎo)率在電極之間延伸的方向上大于它在垂直于該方向上的方向上。
5.權(quán)利要求4的接頭，其中所述密封件包括剝離石墨壓縮顆粒的螺旋形卷繞片。
6.權(quán)利要求3的接頭，其中兩個連接電極各自包括在其中加工的內(nèi)螺紋承窩，并還包括銷，銷包括能嚙合電極的內(nèi)螺紋承窩以形成接頭的相對外螺紋段。
7.權(quán)利要求3的接頭，其中一個電極包括外螺紋端頭，另一個電極包括內(nèi)螺紋承窩，其中外螺紋端頭嚙合內(nèi)螺紋承窩形成接頭。
8.一種制備用于電極接頭的密封件的方法，該方法包括提供剝離石墨壓縮顆粒的片和卷繞該片以形成適用于電極接頭中電極之間的螺旋形卷繞密封件。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述密封件具有通常等于電極接頭外徑的外徑和中心開孔。
10.權(quán)利要求9的方法，其中在剝離石墨壓縮顆粒的螺旋形卷繞片的層之間插入粘合劑。
11.權(quán)利要求9的方法，其中圍繞直徑等于密封件中心開孔的承枕卷繞剝離石墨壓縮顆粒的片。
12.權(quán)利要求11的方法，其中圍繞承枕卷繞的剝離石墨壓縮顆粒的片在卷繞后被切至所需厚度。
13.用于電極接頭的密封件，包括氧化速度等于或小于電極氧化速度的材料。
14.權(quán)利要求13的密封件，其中所述密封件是可壓縮的。
15.權(quán)利要求14的密封件，其中所述密封件包括剝離石墨壓縮顆粒。
16.權(quán)利要求15的密封件，其中當(dāng)在電極接頭中就位時，密封件的電導(dǎo)率在電極之間延伸的方向上大于它在垂直于該方向的方向上。
17.權(quán)利要求16的密封件，其中密封件包括剝離石墨壓縮顆粒的螺旋形卷繞片。
18.權(quán)利要求17的密封件，其中密封件的表面具有凹形橫截面。
19.權(quán)利要求17的密封件，其中密封件的表面具有波紋橫截面。
全文摘要
提供一種電極接頭(50)，接頭包括兩個連接的石墨電極(50a，50b)并具有插在電極間的密封件(10)，密封件由氧化速度等于或小于電極氧化速度的材料組成。
文檔編號H05B7/12GK1934905SQ200480042514
公開日2007年3月21日 申請日期2004年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月20日
發(fā)明者B·鮑曼, T·P·維爾斯, T·W·韋伯, J·J·帕夫利辛 申請人:尤卡碳工業(yè)有限公司