Proceso para la preparación de artículos de grafito.

Un proceso para la preparación de un artículo de grafito. Este proceso comprende:

(a) la mezcla de (i) una fracción de partículas que comprende al menos 35% por peso de coque, carbón o mezclas de los mismos y con un diámetro tal que una fracción sustancial pasa a través de una criba de malla de 25 mm, pero no a través de una criba de malla de 0,25 mm, (ii) un aglutinante de brea y (iii) fibras de carbono para formar una mezcla base, en la que: por lo que respecta a la mezcla en su conjunto (excluido el aglutinante), las fibras de carbono se incorporan a un nivel de entre 1% y 5,5% por peso;

(b) la extrusión o moldeado de la mezcla base para formar una mezcla base verde (en inglés, green stock);

(c) la cocción de la mezcla base verde para formar una mezcla carbonizada;

(d) la grafitación de la mezcla carbonizada al mantenerla a una temperatura de al menos 2.500 ºC durante un periodo no superior a aproximadamente 18 horas,

que se caracteriza porque

el artículo es un electrodo o un cátodo; y porque

se añaden las fibras en la mezcla base después de que se haya comenzado la mezcla de la fracción de partículas y la brea.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2003/027155.

Solicitante: GRAFTECH INTERNATIONAL HOLDINGS INC.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 12900 SNOW ROAD PARMA, OH 44130 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: LEWIS, RICHARD THOMAS, SHAO, RICHARD LIICHANG, KORTOVICH,JAMES,WILLIAM, LEWIS,IRWIN,CHARLES, HUANG,DAI.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CEMENTOS; HORMIGON; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS;... > LIMA; MAGNESIA; ESCORIAS; CEMENTOS; SUS COMPOSICIONES,... > Productos cerámicos modelados, caracterizados por... > C04B35/52 (a base de carbono, p. ej. grafito)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > TECNICAS ELECTRICAS NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR > CALEFACCION ELECTRICA; ALUMBRADO ELECTRICO NO PREVISTO... > Calefacción por descarga eléctrica (antorchas de... > H05B7/085 (constituidos principalmente de carbono)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS; SUS APARATOS > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS PARA LA... > Electrodos; Su fabricación no prevista anteriormente > C25B11/12 (Electrodos basados en carbono)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > C01B31/00 (Carbono; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00  tienen prioridad; percarbonatos C01B 15/10; negro de carbón C09C 1/48))
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CEMENTOS; HORMIGON; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS;... > LIMA; MAGNESIA; ESCORIAS; CEMENTOS; SUS COMPOSICIONES,... > Productos cerámicos modelados, caracterizados por... > C04B35/532 (conteniendo un ligante carbonizable)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CEMENTOS; HORMIGON; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS;... > LIMA; MAGNESIA; ESCORIAS; CEMENTOS; SUS COMPOSICIONES,... > Productos cerámicos modelados, caracterizados por... > C04B35/83 (Fibras de carbono en una matriz carbonada)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > Carbono; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00  tienen... > C01B31/04 (Grafito)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS... > CONFORMACION O UNION DE LAS MATERIAS PLASTICAS; CONFORMACION... > Moldeo por extrusión, es decir, oprimiendo la materia... > B29C47/78 (Calentamiento o enfriamiento de la materia a extruir o de la materia extruida)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS... > CONFORMACION O UNION DE LAS MATERIAS PLASTICAS; CONFORMACION... > Moldeo por extrusión, es decir, oprimiendo la materia... > B29C47/36 (Medios para plastificar u homogeneizar la materia a moldear o para forzarla a través de la matriz o la hilera)

PDF original: ES-2451415_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Proceso para la preparación de artículos de grafito

Campo técnico [0001] La presente invención se refiere a un proceso para la preparación de artículos de grafito, como por ejemplo electrodos o cátodos de grafito, mediante el procesamiento de una mezcla de (i) una fracción de partículas que comprende al menos aproximadamente 35% por peso de coque y (ii) brea, y en el que la mezcla incluye además fibras de carbono.

Estado anterior de la técnica [0002] Los electrodos de grafito se utilizan en la industria siderúrgica para fundir los metales y otros ingredientes usados para obtener acero en hornos electrotérmicos. Se genera el calor necesario para fundir metales mediante la transmisión de una corriente a través de varios electrodos, normalmente tres, y la formación de un arco entre los electrodos y el metal. Con frecuencia se utilizan corrientes superiores a los 100.000 amperios. Las altas temperaturas resultantes funden los metales y otros ingredientes. En general, los electrodos que se utilizan en hornos de acero están compuestos cada uno de columnas de electrodos, es decir, de una serie de electrodos individuales que se unen para formar una sola columna. De esta manera, a medida que los electrodos se van desgastando durante el procedimiento térmico, es posible añadir electrodos de sustitución a la columna con el fin de mantener la longitud de la columna que se extiende hacia el interior del horno.

Generalmente, los electrodos se unen en columnas a través de un pasador (denominado a veces “niple”) , cuyo objetivo es unir los extremos de electrodos contiguos. Normalmente el pasador adopta la forma de secciones roscadas opuestas de tipo macho, y al menos un extremo de los electrodos comprende secciones roscadas de tipo hembra capaces de acoplarse con la sección roscada macho del pasador. Por consiguiente, cuando cada una de las secciones roscadas opuestas de tipo macho de un pasador se enrosca en las secciones roscadas hembra en los extremos de dos electrodos, dichos electrodos quedan unidos para formar una columna de electrodos. Normalmente, los extremos unidos de los electrodos contiguos y el pasador que se encuentra entre los mismos se denominan en el estado de la técnica una junta.

Debido a las tensiones térmicas extremas que el electrodo y la junta (y, de hecho, la columna de electrodos en su conjunto) soportan, es preciso alcanzar un equilibrio apropiado entre los factores mecánicos/térmicos, como por ejemplo la resistencia, la expansión térmica y la resistencia al agrietamiento, con el fin de evitar daños, la destrucción de la columna de electrodos o la destrucción de electrodos individuales. Por ejemplo, la expansión térmica longitudinal (es decir, a lo largo del electrodo / la columna de electrodos) de los electrodos, especialmente a un ritmo diferente de la del pasador, puede provocar la separación de la junta, reduciendo así la eficacia de la columna de electrodos para conducir la corriente eléctrica. Puede ser aconsejable un cierto grado de expansión térmica transversal (es decir, a través del diámetro del electrodo / la columna de electrodos) del electrodo que sea superior a la del pasador para conformar una conexión firme entre el pasador y el electrodo; no obstante, si la expansión térmica transversal del electrodo supera en gran medida a la del pasador, como consecuencia se podrían producir daños en el electrodo o la separación de la junta. De nuevo, ello puede producir una menor eficacia de la columna de electrodos, o incluso la destrucción de la columna si los daños son tan graves que la columna de electrodos podría fallar en la sección de la junta. Por consiguiente, resulta vital el control de la expansión térmica de un electrodo, tanto en la dirección longitudinal como en la transversal.

Por consiguiente, si se puede eliminar el pasador del sistema de electrodos / de columna de electrodos, se reduce la necesidad de equilibrar la expansión térmica de los diferentes componentes del sistema (es decir, el pasador y el electrodo) . Se ha intentado en el pasado eliminar el pasador, utilizando para ello el extremo de un electrodo roscado u otros medios de acoplamiento de electrodos. No obstante, la industria no ha llegado a aceptar este método, ya que se considera que el grafito no es lo suficientemente robusto como para mantener la integridad de la columna de electrodos sin un pasador. Con independencia de si se elimina o no el pasador, se desean mejorar la robustez y la resistencia del electrodo de grafito (que se puede definir como la resistencia al agrietamiento) y reducir su fragilidad (que se puede definir como la velocidad de propagación de grietas) con el fin de ampliar la vida del electrodo.

De forma similar, en el caso de los cátodos de grafito (que se utilizan en la industria de fusión de aluminio) y otros artefactos de grafito sintéticos, la mejora de la robustez y la resistencia tendrá como resultado una vida más larga y una mejor capacidad de uso.

Se han hecho referencias al uso de las fibras de carbono basadas en brea de mesofase para mejorar las propiedades específicas de los productos de grafito en masa, como por ejemplo los electrodos. Por ejemplo, Singer, en la patente estadounidense nº 4.005.183, describe la producción de fibras basadas en brea de mesofase y afirma que, debido a su baja resistividad eléctrica, se pueden utilizar dichas fibras como material de relleno en la producción de electrodos de grafito. En la patente británica nº 1.526.809 otorgada a Lewis y Singer se añade del 50% al 80% por peso de fibras de carbono a una cantidad del 20% al 50% por peso de aglutinante de brea, que después se extruye para formar un artefacto de carbono susceptible de ser grafitado. El artículo resultante muestra una expansión térmica longitudinal relativamente baja.

En la patente estadounidense nº 4.998.709, Griffin et al. intentan abordar los problemas causados por una expansión térmica longitudinal excesiva de los pasadores de electrodos mediante la preparación de un niple de grafito (esto es, un pasador) con fibras de carbono basadas en brea de mesofase incluidas en la mezcla de extrusión. Las fibras de carbono utilizadas por Griffin et al. poseen un módulo de Young superior a 379 GPa (55 x 106 libras por pulgada cuadrada (psi) ) y están presentes en la mezcla en un índice de aproximadamente un 8% a un 20% de peso. Esta mezcla se extruye, cuece y grafita durante un periodo comprendido entre aproximadamente 5 y 14 días para producir el niple. Aunque los niples producidos por el procedimiento de Griffin et al. muestran una disminución en el coeficiente de expansión térmica (CET) en la dirección longitudinal, también exhiben un aumento no deseado en el CET en la dirección transversal, un incremento de la resistividad eléctrica y un descenso en el módulo de ruptura. Además, el periodo de grafitación resulta sumamente prolongado en comparación con los periodos que resultarían favorables para la producción comercial.

En un proceso mejorado para la preparación de pasadores de conexión que contienen fibras, Shao et al. divulgaron la inclusión de fibras de carbono derivadas de brea de mesofase en la mezcla de coque calcinado/brea en la patente estadounidense nº 6.280.663. Los pasadores resultantes exhiben un CTE longitudinal reducido sin requerir un periodo de grafitación que resulte perjudicial desde un punto de vista comercial. Sin embargo, incluso esos pasadores mejorados producidos por el proceso de Shao et al. no eliminan la necesidad de electrodos con una robustez mejorada; adicionalmente, si se pudieran eliminar totalmente los pasadores, los ahorros y los incrementos de eficiencia resultarían muy beneficiosos.

Por lo tanto, lo que se desea es un artículo de grafito que posea un CET reducido en la dirección longitudinal,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un proceso para la preparación de un artículo de grafito. Este proceso comprende:

(a) la mezcla de (i) una fracción de partículas que comprende al menos 35% por peso de coque, carbón o mezclas de los mismos y con un diámetro tal que una fracción sustancial pasa a través de una criba de malla de 25 mm, pero no a través de una criba de malla de 0, 25 mm, (ii) un aglutinante de brea y (iii) fibras de carbono para formar una mezcla base, en la que:

por lo que respecta a la mezcla en su conjunto (excluido el aglutinante) , las fibras de carbono se incorporan a un nivel de entre 1% y 5, 5% por peso;

(b) la extrusión o moldeado de la mezcla base para formar una mezcla base verde (en inglés, green stock) ;

(c) la cocción de la mezcla base verde para formar una mezcla carbonizada;

(d) la grafitación de la mezcla carbonizada al mantenerla a una temperatura de al menos 2.500 ºC durante un periodo no superior a aproximadamente 18 horas,

que se caracteriza porque el artículo es un electrodo o un cátodo; y porque

se añaden las fibras en la mezcla base después de que se haya comenzado la mezcla de la fracción de partículas y la brea.

2. El proceso de la reivindicación 1, en el que las fibras tienen una longitud media no superior a 32 mm.

3. El proceso de las reivindicaciones 1 o 2, en el que se añaden las fibras a la mezcla base después de que se haya completado al menos un 50% del ciclo de mezcla.

4. El proceso de la reivindicación 3, en el que se añaden las fibras a la mezcla base después de que se haya completado al menos un 75% del ciclo de mezcla.

5. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones comprendidas entre la 1 y la 4, en el que las fibras de carbono están presentes a un nivel de 1, 25 a 6 partes por peso de fibras de carbono por 100 partes por peso de coque calcinado.

6. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones comprendidas entre la 1 y la 5, en el que las fibras de carbono tienen una resistencia a la tracción de al menos 1, 0342 GPa (150.000 psi) .

7. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones comprendidas entre la 1 y la 6, en el que las fibras de carbono poseen un módulo de Young de aproximadamente 103 GPa (15 x 106 psi) .

8. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones comprendidas entre la 1 y la 7, en el que las fibras de carbono tienen un diámetro medio de 6 micrones a 15 micrones.

9. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones comprendidas entre la 1 y la 8, en el que la fracción de partículas comprende materiales seleccionados de entre los siguientes: coque calcinado, coque de petróleo, coque derivado de carbón, carbón de antracita calcinado o combinaciones de los mismos.

10. El proceso de la reivindicación 1, en el que la fracción de partículas comprende hasta aproximadamente un 65% de un relleno, que comprende a su vez aproximadamente un 75% de coque y posee un diámetro tal que al menos el 70% pasará a través de una criba de malla de 74 micrones (Tyler 200) .

11. El proceso de la reivindicación 10, en el que el coque en el relleno posee un diámetro tal que al menos el 90% pasará a través de una criba de malla de 74 micrones (Tyler 200) .

12. El proceso de la reivindicación 10, en el que el relleno comprende entre aproximadamente 0, 5% y aproximadamente 25% de aditivos.

13. El proceso de la reivindicación 12, en el que los aditivos comprenden óxido de hierro con un diámetro de partícula medio inferior a 10 micrones, coque de petróleo con un diámetro de partícula medio inferior a 10 micrones, y combinaciones de los mismos.

14. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones comprendidas entre la 1 y la 12, en el que el mencionado mínimo de 35% por peso es al menos un 50% por peso.