CZ301481B6

CZ301481B6 - Zpusob výroby soucástí a polotovaru ze syntetického grafitu, nebo z keramického granulátu a zarízení k jeho provádení

Info

Publication number: CZ301481B6
Application number: CZ20013206A
Authority: CZ
Inventors: Mueller@Holger; Kuenzel@Juergen; Schmid@Manfred
Original assignee: Sgl Carbon Ag
Priority date: 2000-01-05
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2010-03-17
Also published as: PL192369B1; EP1198437A1; PT1198437E; DE50010176D1; KR20020004958A; ATE294149T1; US6905644B1; CA2362391A1; DE10000165A1; EP1198437B1; DK1198437T3; ES2241674T3; KR100713192B1; WO2001049633A1; CA2362391C; JP2003519037A; CZ20013206A3

Abstract

Vynález se týká zpusobu výroby soucástí a polotovaru ze syntetického grafitu, nebo z keramického granulátu, zejména k výrobe grafitových trubek (52), pricemž se formuje smes (20), obsahující prednostne naftový koks, nebo grafitový granulát (1) pomocí vytlacovacího lisu (22), nebo extrudéru (56, 74). Podstata zpusobu spocívá v tom, že se predlisuje smes (20) pomocí statického, nebo quasi-statického zpusobu, pricemž se znemožní, nebo zabrání tocení smesi (20) tím, že se ve smesi (20) dríve neregulovane nasmerované cástice nejprve nasmerují prícne ke smeru lisování, nacež se predlisovaná smes (20) vytlacuje z výstupního otvoru (28, 61, 82) vytlacovacího lisu (22), nebo extrudéru (56, 74) tak, že se cástice uvnitr predem ztužené smesi (20) na základe stanoveného tecení smesi (20) presmerují z jejich výchozího prícného smeru o úhel (.beta.) maximálne 75.degree. do smeru lisování. Podstata zarízení spocívá v tom, že zásobní prostor (30) má separátní prívodní otvor (46), umístený mezi pocátecní polohou a koncovou polohou lisovacího pístu (26), pricemž pomer prumeru (D) zásobního prostoru (30) k prumeru (d) výstupního otvoru (28) je menší, nebo roven 2,5, prednostne leží v rozsahu 0,4 až 1,0.

Description

Způsob výroby součástí a polotovarů ze syntetického grafitu, nebo z keramického granulátu a zařízení k jeho provádění

Oblast techniky

Vynález vychází ze způsobu a zařízení k výrobě součástí a polotovarů ze syntetického grafitu, nebo keramického granulátu, zejména k výrobě grafitových trubek, a rovněž součásti, nebo polotovaru ze syntetického grafitu, nebo keramického granulátu podle předvýznaku nároků 1,10 io a 15.

Dosavadní stav techniky

Grafit má dobrou elektrickou a termickou vodivost a vysokou chemickou a termickou stabilitu. Z těchto důvodů se grafit používá například ve formě trubek jako polotovar pro chemická zařízení. Tak jsou například známé trubkové tepelné výměníky vytvořené z grafitových trubek.

Grafit patří ke keramickým materiálům, přičemž k méně výhodným vlastnostem tohoto materiálu náleží poměrně malá pevnost, zejména při smykových a cyklických zatíženích. Ke zlepšení dynamické pevnosti grafitových trubek bylo podle DE 31 16 309 C2 navrženo ovinovat trubky karbonovými vlákny, přičemž vazba silovým spojem mezi trubkou a svazkem vláken se vytvoří obdobně jako u laminátu pomocí vytvrditelné pryskyřice. Tento postup je však relativně nákladný a proto cenově náročný.

Podle známého způsobu výroby součástí a polotovarů z grafitu se jako suroviny používají ropný koks a grafitový granulát, které se v prvním kroku rozmělňují a přesévají. Následně se rozmělněná výchozí hmota smíchá s pojivém do viskózní směsi. Pro tvarování takto získané směsi například do trubky se směs naplní do zásobního prostoru protlačovacího lisu, a potom se pomocí lisovacího pístu podélně posuvného v plášti lisu stlačuje ve směru výchozího otvoru a vylisuje se jako prakticky nekonečný provazec, například v podobě trubky. Místo lisovacího pístu se může vylisování materiálu provádět také pomocí šnekového hřídele souosého s pláštěm lisu.

Na základě posuvného pohybu lisovacího pístu a relativně dobrého tečení směsi se při protlačo35 vání nebo extrudaci převážně podélně nasměrované částice koksu, respektive grafitu, uspořádají v proudovém poli, směřujícím k výstupnímu otvoru, od počátku rovnoběžně se směrem lisování a zůstávají při následujících krocích zhotovení v této poloze „zamrznuté“. Poněvadž hlavní směr vedení tepla probíhá zvláště podél nasměrovaných částic materiálu, mají materiálové vlastnosti takto lisovaných součástí z tohoto důvodu silnou anizotropii, to znamená tepelná vodivost vytla40 čované grafitové trubky tepelného výměníku má z důvodu přednostního nasměrování částic rovnoběžně se směrem lisováni v axiálním podélném směru sice vysokou hodnotu, ale v radiálním směru důležitém pro přechod tepla v trubkách tepelného výměníku je nevýhodně nízká. Nasměrování částic v axiálním podélném směru jinak příznivě působí na pevnost v ohybu a tahu grafitových součástí, což je zejména výhodné u trubek tepelného výměníku.

Obvyklé protlačovací lisy mají uvnitř pláště lisu podélně pohyblivý píst, který ohraničuje zásobní prostor ústící do výstupního otvoru formovacího ústí pláště lisu, zužující se trychtýřovitě ve směru, plněný lisovanou směsí a zmenšující se jeho pohybem. Po následujícím protlačení lisované směsi z výstupního otvoru se musí lisovací píst zcela vytáhnout z pláště lisu k umožnění nového naplnění zásobního prostoru lisovanou směsí. Je zřejmé, že nové naplnění je náročné, a proto jsou zdvih pístu a zásobní prostor tohoto protlačovacího lisu vytvořeny z hospodářských důvodů k odstranění Častého naplňování co možná největší. Na základě toho je výlisek nacházející se v zásobním prostoru relativně dlouhý, čímž jsou posuvné síly potřebné ke zhutnění a vytlačení výlisku ze zúženého výstupního vysoké. K omezení lisovacích sil se připraví směs příslušně tekutá. Pří protlačování se uvnitř zásobního prostoru vytvoří proudové pole, ve kterém mají gra-1CZ 301481 B6 fitové částice sklony k tomu, že se nasměrují rovnoběžně se směrem lisování, důsledkem čehož je opět již popsaná, u trubek nežádoucí anizotropie grafitového materiálu.

Podstata vynálezu

Předložený vynález proto spočívá v úkolu vytvořit způsob a zařízení k výrobě součástí a polotovarů ze syntetického grafitu nebo keramického granulátu, kterými se redukuje anizotropie existující v grafitovém materiálu, aniž se zmenší pevnost materiálu.

Podle vynálezu se tento úkol vyřeší znaky uvedenými ve význakové části nároku 1 a nároku 10. Nárok 15 se týká příslušné součásti, respektive polotovaru vyrobených způsobem podle nároku 1,

Výhody vynálezu 15

Způsob podle vynálezu podle nároku 1 má výhodu, že se na základě předlisování, jako při zápustovém lisování, částice grafitu nasměrují uvnitř ztuženého materiálového bloku nejprve příčně ke směru lisování. Při vylisování se grafitové částice otáčí z důvodu nastavené, malé tekutosti směsi v oblasti zúženého vstupního otvoru protlačovacího lisu nebo extrudéru ze svého původně příěné20 ho směru jen o malou úhlovou hodnotu do směru lisování, takže nakonec jsou umístěny v podstatě šikmo nebo spirálovitě ke středové ose hotové součásti.

Poněvadž nasměrováním částic definovaný přednostní směr tepelně vodivých a pevnostních vlastností neleží ani čistě příčně ani čistě rovnoběžně se středovou osou lisované součásti, nýbrž šikmo k ní, vzniká grafitový materiál nového typu s podstatně menší anizotropií než dosud. Šikmo nasměrované částice jednak mají komponentu příčnou ke směru lisování, což je příznivé pro radiální tepelnou vodivost grafitových trubek tepelného výměníku, vyrobených způsobem podle vynálezu. Jednak se k ní kolmou komponentou částic, mající směr lisování, zabraňuje, aby se podstatně nesnížila pevnost v ohybu grafitové trubky.

Opatřeními uvedenými v závislých nárocích 2 až 9 jsou možná výhodná další vytvoření a zlepšení způsobu uvedeného v patentovém nároku 1.

Zvláště přednostní podoba provedení vynálezu předpokládá, že protlačovací lis má zásobní pros35 tor s přívodním otvorem k přivedení směsi, který je zařazen mezi počáteční polohu a koncovou polohu lisovacího pístu zmenšujícího zásobní prostor, přičemž formování směsi zahrnuje následující, cyklus tvořící kroky:

a) dávkování směsi do zásobního prostoru pomocí dávkovacího zařízení až do jeho úplného naplnění, když sc lisovací píst nachází v počáteční poloze,

b) kvaši statické předlisování směsi v zásobním prostoru pomocí pomalého posuvu lisovacího pístu k nasměrování příčně ke směru lisování,

c) vylisování objemu zhutněné směsi z výstupního otvoru, který je menší než původní objem nacházející se v zásobním prostoru, čímž zůstává při dosažení koncové polohy lisovacího pístu v zásobním prostoru zhutněný zbytkový objem,

d) zpětný pohyb lisovacího pístu do počáteční polohy a dávkování nové směsi do meziprostoru mezi zhutněný zbytkový objem a lisovací píst až je zásobní prostor opět zcela vyplněn,

e) pokračování bodem b).

Z důvodu rychlé a quasi kontinuální možnosti dodatečného plnění pomocí přívodního otvoru se 50 mohou pomocí přívodního otvoru hospodárně lisovat pomocí jediného lisovacího zdvihu. Vysoké lisovací síly nejsou potřebné, takže se může cíleně redukovat tekutost směsi. Z důvodu zabránění vnitřního tečení výlisku se nemůže vytvořit vytlačovací proudové pole, ve kterém by se mohly částice grafitu, respektive granulátu nasměrovat rovnoběžně se směrem proudění. Mnohdy se, jak již bylo vpředu popsáno, výlisek předlisuje přibližně staticky, čímž se grafitové Částice nasměrují

-2CZ JU1481 BO příčně ke směru lisování, předtím než opustí zásobní prostor výstupním otvorem. Na základě zabránění vnitřnímu tečení předlisované hmoty nastává při proudění zúženým výstupním otvorem jejich výhodné šikmé nasměrování.

Podle další podoby provedení se stanoví, že počáteční potřebné nasměrování částic příčně ke směru lisování se zajistí tím, že se směs předběžně zhutní přednostně pomocí zápustkového lisování do předlisku v podobě bloku a předlisek se následně vloží do zásobního prostoru pístového extrudéru, aby se potom formoval výstupním otvorem.

io Další zvláště přednostní opatření spočívají v tom, že se směs získá mícháním alespoň jedné zrnité frakce ropného koksu a/nebo výchozí hmoty obsahující grafitový granulát s pojivém a ke směsi se přídavně přimísí uhlíková vlákna. Přimíšením uhlíkových vláken se může výhodným způsobem zvýšit pevnost grafitových součástí.

t5 Přídavek obchodně obvyklých mazadel podporuje požadované zabránění vnitřnímu tečení materiálu v tom smyslu, že se zejména sníží tření materiálu se stěnou válce a vznikne tak proudění, které zabrání nasměrování částic ve směru lisování.

Pojivá používaná při výrobě grafitových součástí mají za úkol na základě vysoké smáčivosti navzájem spojit pevné částice a tím zajistit plastickou deformovatelnost a rovněž požadovanou pevnost součástí. Pojivo se obvykle přidává k pevným látkám sestávajícím z naftového koksu nebo grafitového granulátu v tekuté formě. Množství pojivá se u stavu techniky dávkuje tak velké, že se uvnitř zásobního prostoru protlaČovacího lisu vytvoření relativně nízký tlak. Směs s obvykle vysokým podílem pojivá však má nevýhodu, že na základě dobrého tečení hmoty nastává zvláště dobře nasměrování částic ve směru lisování a tímto způsobem se podporuje vytvoření silně anizotropního výlisku. Kromě toho se materiál při následující pyrolýze silně smršťuje. Silné smrštění mimo jiné nepříznivě působí na ztužující účinky karbonových vláken,

Vzhledem k tomu je podle dalšího vytvoření vynálezu hmotnostní podíl přimíšeného pojivá nízký a činí mezi 5 a 32 hmotn. % celkové hmotnosti směsi. To má výhodu, že se směs jednak při následující pyrolýze méně smršťuje a jednak je méně tekutá, takže požadované zabránění tečení směsi se účinně podporuje malým podílem tekutého pojivá a snižuje se tendence grafitových částic nasměrovat se rovnoběžně se směrem proudění. Při pozdějším pyrolyžování se vedle toho účinně zabraňuje, aby se uhlíková vlákna přítomná v součástech vytvořených ze směsi stala na základě smršťování neúčinná.

Další vytvoření způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že se smíchání výchozí směsi a pojivá a dalších surovin do směsi provádí pomocí míchačky s nízkým střihovým účinkem, například pomocí bubnové míchačky, nebo obracecí míchačky. Tím nastává zvláště šetrné míchání, zejmé40 na se zabraňuje, že se odstřihnou nebo odlomí ke zvýšení pevnosti součásti přidávaná uhlíková vlákna. Kromě toho nastává promíchání jednotlivých součástí pomocí bubnové míchačky zvláště důkladně, takže nevznikají nežádoucí shluky uhlíkových střížových vláken.

Konečně se podle dalšího vytvoření způsobu podle nároku 1 stanoví, že se výchozí materiál před mícháním tak rozmělní a proseje, že v podstatě obsahuje první frakci se zrnitostí větší než 0 mm a menší než 60 pm a s hmotnostním podílem 20 až 100 hmotn. %, vztaženo na výchozí materiál, druhou frakci se zrnitostí 60 pm až 750 pm a hmotnostním podílem 0 hmotn. % až 34 hmotn. %, vztaženo na výchozí materiál, a rovněž třetí frakci se zrnitostí větší než 750 pm až 2000 pm a hmotnostním podílem 0 hmotn. % až 46 hmotn. %, vztaženo na výchozí materiál. Na základě so výchozího materiálu s hrubší zrnitostí je z něho vycházející směs méně viskózní a v důsledku toho vniká při následujícím lisování vyšší vnitřní tření, které zabraňuje rychlému výtoku směsi z výstupního otvoru vytlačovacího lisu. Tím se účinně podporuje požadované zhutnění směsi.

Zařízení podle nároku 10 má výhodu, že z důvodu možnosti rychlého a kvaši kontinuálního dodatečného plnění vytlačovacího lisu přívodním otvorem se mohou hospodárně lisovat jediným

-3CZ 301481 B6 lisovacím zdvihem také malá množství lisovaného materiálu a v důsledku toho se může ve srovnání se stavem techniky lisovat s malými silami. Zvýšení tečení směsi není potom k omezení lisovacích sil potřebné. Často se naproti tomu může tečení směsi cíleně redukovat k zabránění vytvoření vytlačovacího proudového pole, ve kterém se mohou grafitové částice nasměrovat nežádoucím způsobem rovnoběžně se směrem proudění. Kromě toho lze poměrem D/d průměru D zásobního prostoru k průměru d výstupního otvoru menším nebo rovným 2,5, přednostně v rozmezí 0,4 až 1,0 docílit lepší poměr požadovaného nasměrování částic.

Opatřeními uvedenými v závislých nárocích 11 až 14 jsou možná další vytvoření a vylepšení io zařízení uvedeného v patentovém nároku 10.

Obvyklé vytlaěovací lisy jsou vytvořeny ve vertikálním směru, aby bylo možné po odstranění lisovacího pístu naplnit zásobní prostor stejnoměrně shora směsí. K umožnění vytlačování nekonečných součástí, například trubek, musí být stavební výška takovýchto vertikálních vytlačova15 cích lisů příslušně velká.

Přednostní další vytvoření zařízení podle nároku 10 naproti tomu předpokládá, že podélná osa vytlačovacího lisuje v podstatě rovnoběžná s horizontálou a přívodní otvor zásobního prostoru je k ní umístěn v podstatě příčně. Z důvodu horizontálního umístění vytlačovacího lisuje jeho sta20 vební výška výhodně malá a nekonečné součásti se mohou vytlačovat v téměř libovolné délce. Dále je plněním zásobního prostoru ve vertikálním směru zajištění, že se zde směs stejnoměrně rozdělí.

Přehled obrázků na výkresech

Příklady provedení vynálezu jsou znázorněny na výkresech a blíže objasněny v následujícím popise. Na výkresech znázorňuje:

30	obr. 1	schéma části procesu výroby grafitových součástí,
	obr. 2	schématické zobrazení v řezu vytlačovacím lisem podle vynálezu k lisování směsi v přednostní podobě provedení s plně naplněným zásobním prostorem,
35	obr. 3	vytlaěovací lis podle obr. 2 během předběžného zhutňování,
	obr, 4	vytlaěovací lis podle obr. 2 během extruze,
40	obr. 5	vytlaěovací lis podle obr. 2 během doplňovacího postupu,
obr. 6	pístový extrudér k formování směsi a
	obr. 7	jednošnekový extrudér k formování směsi.
45	Příklady provedení vynálezu

V blokovém schématu podle obr. 1 jsou znázorněny první kroky způsobu výroby součástí a polotovarů z grafitu nebo keramického granulátu podle vynálezu, přičemž podle přednostního příkladu provedení byly grafitové trubky 52 vyráběny pro použití v tepelných výměnících.

K tomu byla provedena množství pokusů s různými materiály a postupovými kroky, z nichž jsou v následujícím popsány exemplárně jen některé.

Jako výchozí materiály se používal například naftový koks, který se nejprve kalcinoval, to znamená žíhal se při 1200 až 1400 ^ŮC například v rotační trubkové nebo kotoučové peci 2, a potom se vložil do sila 4. V následujícím kroku se výchozí materiál například pomocí kuželového drtiče

-4CZ 301481 B6 nebo v kladivovém mlýnu rozmělnil a přesel na sítech 8 tak, že se obdržely frakce s různou zrnitostí, které byly skladování v navzájem oddělených bunkrech 10.

V následující tabulce 1 jsou uvedeny na třech příkladech granulometrie rozmělněného a přeseté5 ho naftového koksu a grafitového granulátu 1, přičemž zrnitost je klasifikována ve čtyřech rozsazích 0 až 60 gm, 60 až 200 gm, 200 až 400 gm a 400 až 750 gm. Podle prvního příkladu provedení, ve kterém slouží jako výchozí materiál výlučně naftový koks, měly největší Částice průměr mezí 400 gm a 750 gm, přičemž 45 hmotn. % hmotnostního podílu bylo menších než 60 gm a hmotn. % hmotnostního podílu výchozího materiálu bylo větších, nebo rovných 60 gm. Jako jo surovina se použil naftový koks rovněž ve druhém příkladu provedení, u kterého byly největší

Části menší než 400 gm a hmotnostní podíl částic menších než 60 gm činil 44 hmotn. % a hmotností podíl částic větších, nebo rovných 60 gm činil 56 hmotn. %. Nakonec se docílila při použití grafitového granulátu I jako výchozího materiálu velikost největších částic 750 gm, přičemž hmotnostní podíl částic větších, nebo rovných 60 gm činil 45 hmotn, % a podíl částic menších než 60 gm činil 56 hmotn. %.

Tabulka 1: Granulometrie výchozích materiálů podle příkladů

frakce (μ·)	0 až 60	60 až 200	200 až 400	400 až 750
naTtový koka, haotn. podíl (haotn, X)	45	21	14	20
naftový koks, hiotn. podíl (haotn. X)	44	32	24	0
grafitový granulát, haotn. podíl (haotn. X)	55	17	18	10

V následující tabulce 2 jsou písmenem „A“ označeny minimální možné zrnitosti zjištěné v průběhu pokusů a písmenem „B“ jsou označeny maximální možné zrnitosti, pomocí kterých lze docílit ještě dostatečnou pevnost součástí, respektive ještě bylo možné tvarování grafitového materiálu. Podle toho zaujímají frakce zrnitosti mezi 0 a 60 gm při co nejmenší možné zrnitosti A společně 100 hmotn. % hmotnostní podíl výchozího materiálu, zrnitosti hrubší než 60 gm se naproti tomu nevyskytují. Naproti tomu při co největší možné zrnitosti B se obdrží podstatně Širší pás 0 až 2000 gm, přičemž nejjemnější frakce mezi 0 a 60 gm dohromady činí 20 hmotn. %, střední frakce 60 gm až 750 gm dohromady činí 34 hmotn. % a nejhrubší frakce mezi 750 gm a

2000 gm dohromady činí 46 hmotn. %, vztaženo na výchozí materiál.

-5CZ 301481 B6

Tabulka 2: Maximální a minimální granulometrie výchozího materiálu

frakce (μ)	0- 10	10- 40	40- 60	60- 200	200- 400	400- 750	750- 1000	1000- 2500
A podíl (haotn.X)	60	40	0	0	0	0	0	0
B podíl (hnotn »X)	3	10	7	15	10	9	21	25

Jak vyplývá z tabulky 3 a obr. 1, byly naftový koks, případně grafitový granulát 1 v návaznosti na své rozmělnění a prosetí jemně smíchány s pojivém 12, například fenolovou pryskyřicí, Novolak®, typ SP 222, kluzné protažení 20 až 100 mm, jemně mletou s přídavkem 8 % hexalmethylentetraminu (hexa), firmy Bakelite AG, Německo, nebo smolou druhu BX 95, EP více než 30 °C, firmy Riitgers, Německo. Přídavně byla při některých pokusech k výchozímu materiálu přidána io šlichtou pojená uhlíková ztužující vlákna 14, přednostně S1GRAFIL® - vlákna typu C-25-S006 EPY firmy SGL Technik GmbH, Německo, s průměrem 8 μιη a délkou 6 mm. Nakonec byla při některých z pokusů přimíšena mazadla Γ6 k redukci tření na stěně, například ve formě parafinového oleje s viskozitou 60 mPa.s při 20 °C nebo ve formě Stearinu®, laboratorní produkt „kyselina stearová“. Míchalo se pomalu rotující míchačkou 18 se směsnými labyrinty ve formě děrovaných plechových křížů, případně dvouramennou míchačkou při teplotě 80 °C, přičemž se obdržela pro lisování připravená směs 20.

V tabulce 3 jsou kromě toho uvedeny hmotnostní podíly surovin směsi 20, jaká byla použita při pokusech. Hmotnostní podíl z různých frakcí zrnitosti sestávajícího výchozího materiálu činil mezi 65 a 95 hmotn. % a hmotnostní podíl pojivá 12 činil mezi 5 a 32 hmotn. %, vztaženo na celkovou hmotnost směsi 20. Jestliže se přimísila uhlíková výztužná vlákna 14, činil jejich hmotnostní podíl 0 až 15 hmotn. %, v případě mazadla 16 činil jeho hmotnostní podíl 0 až 5 hmotn. %.

Formování směsi 20 se provádělo pomocí v řezu znázorněného vytlačovacího lisu 22 s uvnitř pláště 24 lisu podélně pohyblivým lisovacím pístem 26, který ohraničuje zásobní prostor 30, ústící do vzhledem k němu zúženému výstupnímu otvoru 28 pláště 24 lisu, plněný lisovanou směsí 20 a zmenšovaný lisovacím pohybem lisovacího pístu 26. Podélná osa vytlačovacího lisu 22 je umístěna v podstatě rovnoběžně s horizontálou.

Plášť 24 lisu zahrnuje lisovací píst 26 vedoucí válcovou částí 32 s průměrem D zásobního prostoru 30 a trychtýřovitou část 34, která je například na koncové straně opatřena trubkovitým ústím 36 s průměrem d výstupního otvoru 28, tvořícím výstupní otvor 28,

-6CZ. JU149I BO

Tabulka 3: Druh a hmotnostní podíly komponent směsi 20

surovina	v lastnost	rozmezí
naftový koks/ graf i tový granulát	granulometrie	maximální zrnitost 0,04 až 2 aa
ranožství	65 až 95 hmotn. X
poj i vo	druh	smola, EP>30 °C, fenolová pryskyřice fenolová pryskyřice-novolak kluzné protažení 20100 ma
množství	5 až 32 hmotn. X
uhlíková vlákna	délka vlákna	0,2 až 16 mm
předzpracování	šchlichtováni, Šlichty vhodné pro vazbu ve smole a/nebo fenolové pryskyřice
množství	0 až 15 hmotn. X
mazadla	druh	parafinový olej, Steari n^R
množství	0 až 5 hmotn. X

Zásobní prostor 30 je tvořen v podstatě prostorem uzavřeným válcovitou a trychtýřovitou částí 32, 34 a omezeným lisovací plochou 38 lisovací pístu 26, přivrácenou k výstupnímu otvoru 28, a je maximálně velký, když se lisovací píst 26 nachází v počáteční poloze v maximálním odstupu od výstupního otvoru 28, znázorněné na obr. 2.

ίο K formování trubky 52 je uvnitř trubkovitého ústí 36 soustředně umístěn tm 40 s radiálním odstupem od jeho vnitřní obvodové plochy, který vyčnívá svým koncem přivráceným k lisovacímu pístu 26 alespoň částečně do válcové části 32 pláště 24 lisu a zde se zužuje. Trychtýřovitá část 34, trubkovité ústí 36 a tm 40 společně tvoří formovací ústí 42 vytlačovacího lisu 22. Formovací ústí 42 je pomocí tepelně vodivého přenosu připojeno k topnému zařízení 43 k ohřevu směsi 20, vytlačované formovacím ústím 42, přičemž topné zařízení 43 trubkovitého ústí 36 je tepelně izolováno od topného zařízení 43 trychtýřovité části 34.

Poměr D/d průměru D zásobního prostoru 30, tvořeného pláštěm 24 lisu k průměru d výstupního otvoru 28, tvořenému trubkovitým ústím 36 je menší, nebo roven 2,5 a leží přednostně v rozsahu

0,4 az 1,0. Poměr průměru d trubkovitého ústí 36 kjeho délce i je přednostně menší než 1 a trychtýřovitá část 34 má vrcholový úhel a kužele 35°.

Zásobní prostor 30 má separátní, k dávkovač ímu zařízení 44 připojený přívodní otvor 46, pomocí kterého do něj lze dávkovat směs 20. Přívodní otvor 46 je vytvořen v ostění 48 válcové části 32 pláště 24 lisu příčně k horizontální podélné ose vytlačovacího lisu 22 a pokračuje radiálně ven trychtýřovitým plnícím nákružkem 50, ve kterém je dávkovači zařízení 44, tvořené sektorovým bubnovým uzávěrem.

-7CZ 301481 B6

V následujícím jsou objasněny jednotlivé kroky schématicky znázorněné na obr. 2 až obr. 5, ze kterých sestává vytlačování. Na začátku se podle obr. 2 nachází lisovací píst 26 v počáteční poloze umístěné v maximálním odstupu od výstupního otvoru 28, takže zásobní prostor 30 zaujímá svojí maximální velikost. V prvním kroku se pomocí dávkovači zařízení 44 dávkuje do zásobního prostoru 30 směs 20 s neregulovaným nasměrováním částic, až je úplně naplněn. Následně se dávkovaná směs 20 posuvem lisovacího pístu 26, například s kontinuální rychlostí s posuvu maximálně 4m/min, v zásobovacím prostoru 30 komprimuje, jak je znázorněno na obr. 3. Z důvodu vysokých podílů hrubozmných frakcí rozmělněného grafitového granulátu 1, případně naftového koksu, které podmiňují relativně vysoké vnitřní tření ve směsi 20, se nejprve zabralo ňuje, aby směs mohla odtéci zúženým výstupním otvorem 28. V důsledku toho dochází ke kvasí statickému zhutnění, načež dříve ve směsi 20 neregulovaně nasměrované částice, například uhlíková vlákna 14 a grafitové Částice, se nasměrují podobně jako při lisování v zápustkovém lise příčně ke směru lisování.

Poněvadž se lisovací píst 26 pohybuje například kontinuální rychlostí posuvu k výstupnímu otvoru 28, nastane pojistě době situace znázorněná na obr. 4, ve které dosáhl své koncové polohy a předem zhutněná směs 20 teče výstupním otvorem 28 a přizpůsobuje se tmu 40, čímž se vytvaruje nekonečná trubka 52. Zabráněním vnitrnímu tečení se dříve příčně ke směru lisování uvnitř směsi 20 nasměrované částice přesměrují tak, že zaujímají nepatrně změněnou šikmou polohu a vztaženo k podélnému směru mají jen směrové komponenty ve směru lisování. Pod pojmem šikmá poloha se zde rozumí směrový úhel β k rovině kolmé k podélné ose trubky 52 větší než 0° a menší, nebo roven 75°.

K docílení dostatečné tepelné vodivosti grafitové trubky 52 v radiálním směruje silné přesměro25 vání částic ve směru podélné osy nepříznivé. Přitom je účelné dbát, aby bylo vnější tření působící na předem zhutněnou směs 20 co možná nejmenší, například přídavkem mazadla 16, vnitřní tření je naproti tomu pokud možno vysoké. Je snaha vytvořit proudění uvnitř zásobního prostoru 30.

Přívodní otvor 46 je přednostně umístěn mezi počáteční polohou a koncovou polohou lisovacího pístu 26, takže ve své koncové poloze podle obr. 4 alespoň částečně leží v přívodním otvoru 46 a nalézá se v oblasti konce válcové části 32 pláště 24 lisu, Čímž se zásobní prostor 30 oddělí od přívodního otvoru 46. Zdvih lisovacího pístu 26 je přednostně stanoven tak, že se z výstupního otvoru 28 vytlačí objem lisované směsi 20, který je menší než původní objem směsi 20, dávkované do zásobního prostoru 30. takže zbývající objem směsi 20, lisované v trychtýřovité Části 34 pláště 24 lisu zůstává v zásobním prostoru 30.

Nakonec se lisovací válec 26 rychle vrátí do své počáteční polohy, čímž se úplně uvolní přívodní otvor 46, jak je znázorněno pomocí obr. 5. Do meziprostoru 54, vznikajícího mezi zbývajícím objemem směsi 20. zůstávajícím v trychtýřovité části 34, a lisovací plochou 38 lisovacího pístu

26, přivrácenou k výstupnímu otvoru 28, se plní pomocí dávkovacího zařízení 44 nová směs 20 až je zásobní prostor 30 opět úplně naplněn. Poněvadž zbytkový objem směsi 20 z předcházejícího lisování v trychtýřovité části 34 je již zhutněn, tvoří odtokovou barieru pro nově naplněný objem směsi 20, kterou z druhé strany stlačuje lisovací píst 26. Pokračujícím pohybem lisovacího pístu 26 se proto nejprve nově naplněný, ještě málo zhutněný objem směsi komprimuje tak, že se částice mohou příčně nasměrovat, předtím než se vytlačí zbývající objem předcházejícího lisování, zůstávající v trychtýřovité části 34. Potom co lisovací píst 26 dosáhl své koncové polohy, začíná popsaný cyklus znovu.

Vedle vpředu popsaného vytlačovacího lisu 22 se k formování směsi 20 použil také na obr. 6 znázorněný pístový extrudér 56 s uvnitř pláště 58 extrudéru 56 podélně pohyblivým dalším lisovacím pístem 60, který omezuje další zásobní prostor 62, ústící do proti dalšímu lisovacímu pístu 60 protilehlého zúženého dalšího výstupního otvoru 61, vyplňovaného směsí 20 a zmenšitelného lisovacím pohybem dalšího lisovacího pístu 60. Plášť 58 extrudéru 56 zahrnuje další válcovou část 64 a další trychtýřovitou část 66 s dalším úhlem τ kužele přednostně 30°, která je na koncové straně opatřena trubkovitým výstupkem 68, tvořícím další výstupní otvor 61, přičemž další

-8CL JUI48I HO zásobní prostor 62 je v podstatě tvořen vnitřním prostorem zahrnujícím další válcovou Část 64 a další trychtýřovitou část 66 a ohraničený další lisovací plochou 70 dalšího lisovacího pístu 60, přivrácenou k dalšímu výstupnímu otvoru 6]_. Ve srovnání s dříve popsaným vytlačovacím lisem 22 je další zásobní prostor 62 podstatně delší, takže jsou k lisování potřebné větší síly a rychlost posuvu je rovněž vyšší.

Při pokusech, při kterých se používal pístový extrudér 56, byla směs 20 nejprve staticky zhutněna v neznázoměném, známém zápustkovém lise k dosažení nasměrování grafitových částic a uhlíkových vláken 14 příčně ke směru lisování. Následně se zhutněný a velikosti dalšího zásobního io prostoru 62 přizpůsobený předlisek vložil do dalšího zásobního prostoru 62 tak, že se další lisovací píst 60 vytáhl na koncové straně umístěným, s osou dalšího lisovacího pístu 60 soustředným, zadním otvorem 72 v dalším zásobním prostoru 62 vložil předlisek, V návaznosti na to provedeným posunem dalšího lisovacího pístu 60 a z toho vyplývajícím vylisováním směsi 20 z dalšího výstupního otvoru 61, se přesměrovaly částice analogicky jako u dříve popsaného vytlačovacího lisu 22 do šikmé polohy.

Obr. 7 znázorňuje jednošnekový extrudér 74, jaký se použil k formování směsi 20 při některých z pokusů. Místo lisovacího pístu 28, 60 má jednošnekový extrudér 74 uvnitř pláště 76 jednošnekového extrudéru 74 koaxiálně rotující lisovací šnek 78.

Tabulka 4 poskytuje přehled o při 17 pokusech při výrobě grafitových trubek 52 používaných a docílených parametrech. Například při číslem 8 označeném pokusu se směs 20, jejíž celková hmotnost sestávala z 87 hmotn. % grafitu s maximální zrnitostí 0,75 mm a z 10 hmotn. % pojivá 12 ve formě novolaku, 1 hmotn. % parafinového oleje a rovněž 2 hmotn. % uhlíkových vláken Í4 o délce 6 mm, lisovala vytlačovacím lisem 22 s vyhřívaným formovacím ústím 42 podle na obr. 2 až 5 znázorněného způsobu do grafitové trubky 62. Smíchání dávkovaných jednotlivých komponent do směsi 20 se provedlo pomocí míchačky 17 (obr. 1) při teplotě okolí. Relativní tečení směsi 20 činilo 0,38. Po formování pomocí vytlačovacího lisu 22 se grafitová trubka 52 vypálila (karbonizovala) v elektricky vyhřívané peci za výplachu ochranným plynem (dusík) pří teplotě až

8 00 °C.

Výsledkem pokusu č, 8 byly grafitové trubky 52 s tepelnou vodivostí 84 W/(m x K) ve směru lisování, respektive v podélném směru trubky 52 a 81 W/(m x K) příčně ke směru lisování, respektive v podélném směru trubky 52, přičemž se obdržel poměr tepelných vodivostí podél35 ně/příčně ke směru lisování 1,04. Úhel mezi uhlíkovými vlákny Γ4 a směrem lisování, respektive podélným směrem trubky 52 činil 85°, to znamená nejprve příčně nasměrované částice (odpovídá 90°) byly přesměrovány o 5° do směru lisování. Průtlak grafitové trubky 52 činil 68barů (tj. 6,8 MPa).

-9CZ 301481 B6

Tabulka 4: Parametry pokusů

č.	suroviny podíl v haotn, X
	koks graf l t	smola	no volák	azadlo	C-v lákna
	formování	vyt lačovacím	1 isea 22
	grafit pod 0,75 aa	E.P. 110 °C	jeaný prášek + 8 X hexa	paraf i nový olej	délka 6 mm
1	78	-	20	-	2
2	80	-	18	-	2
3	80	-	18	-	2
4	84	-	14	-	2
				stearin
5	87	-	12	1	-
6	85	-	12	1	2
7	87	-	10	1	2
8	87	-	10	1	2
	foraování	pístovým extruderea
	grafit pod 0,75 aa	E.P, 110 °c	jeaný práfiek + 8 X hexa	paraf inový olej	délka 6 aa
9	80	-	18	2	-
10	80	-	18	2	-
11	78	-	18	2	2
12	82	-	15	1	2
	formování finekovýa extruderea i	s kuželovýa datla
	grafit pod 0,75 aa
13	75	-	25	-	-

- 10CZ 3U1481 B6

formování šnekovým extruderem se stupňovitým ústím
	naft. koks pod 0,75 mm	E.P. 110 °C	jemný prášek + 8 X hexa	para f i nový olej	délka 6 mm
14	70	30	-	-	-
15	68	30	-	-	2
	naft. koks pod 0,4 mm
16	69	31	-	-	-
17	67	30	-	-	2

Pokračování tabulky 4

fi.	relat. tečení směsi	výpal	graf i tizace	tepelná vodivost (»/( x K)	nasmě- rování C-vlák- na	průtlak {bar)
směr liso- vání	příčně poměr
ke směru liso- vání	podélně /příčně
1	0,95	ano	ne	60	40	1,5	cca 60	41
2	0,98	ano	ne	55	42	1,3	cca 60	-
3	0,98	ano	ano	58	52	1,1	cca 60	-
4	0,75	ano	ano	67	61	1.1	cca 75	45
5	0,54	ano	ne	62	59	1,05	-	49
6	0,52	ano	ne	64	62	1,03	cca 80	66
7	0,38	ano	ne	67	65	1,03	cca 85	70
8	0,38	ano	ano	84	81	1,04	cca 85	68
formování pístovým extruderem
9	0,72	ano	ne	51	41	1.2	-	54

- tl CZ 301481 B6

10	0,72	ano	ano	56	51	1,1	-	-
11	0,68	ano	ano	62	58	1,07	cca 7 5	56
12	0,45	ano	ano	65	64	1,02	cca 80	65
formování šnekovým extrúderem s kuželovým ústím
13	2,0	ano	ano	69	25	2,4	-	40
formování šnekovým extruderem se stupňovitým ústím
14	3,0	ano	ano	110	90	1,22	-	41
15	2,4	ano	ano	98	69	1,42	cca 30	57
16	2,8	ano	ano	120	90	1,33	-	-
17	2,7	ano	ano	110	95	1,16	cca 30	53

Pozn.: 1 bar = 0,1 MPa

K porovnání je referenční pokus označen č. 13, u kterého se formování provádělo pomocí šnekového extrudéru podle stavu techniky s 30 stupňovým kuželovým formovacím ústím. Ke směsi 20 nebyla přimíšena žádná uhlíková vlákna ]_4. Jak vyplývá z tabulky, získají se grafitové trubky 52, u kterých činí tepelná vodivost v podélném směru trubky 52 2,4 násobek tepelné vodivosti příčně k podélném směru trubky 52. V porovnání s pokusem č. 8 s poměrem podélně/příčně 1,04 má io proto zřetelně vyšší materiálovou anizotropii.

V protikladu k tomu se k lisování směsi 20 v rámci pokusu č. 14 použil jednošnekový extrudér 74 podle obr. 7, avšak místo kuželového ústí se stupňovitým ústím. Tím se může docílit podstatně příznivější poměr tepelné vodivosti podélně/příčně ke směru lisování, který činí 1,22.

Výhodný vyrovnaný poměr tepelné vodivosti 1,02 se docílil také u pokusu č. 12, u kterého měla směs 20 relativní tekutost 0,45 a formování bylo provedeno pomocí pístového extrudéru 56 podle obr. 6, přičemž směs 20 se předběžně zhutnila v zápustkovém lise. Podíl pojivá 12 (novolak) ve směsi byl s 15 hmotn. % nízký, kromě toho se přidaly 2 hmotn. % uhlíkových vláken J4 a

1 hmotn. % mazadla 16. Úhel mezi uhlíkovými vlákny uloženými v grafitovém materiálu a podélným směrem trubky 52 činil 80°, to znamená na základě zhutnění bloku v zápustkovém lise

CA rvm/ffc niríAťlA nocmAma/onA Aactíno /λγΙπλμ/ιλΙ Λ nfoomtirA' lx r 1 Αθ cmom 1 irruzn«í

Kromě toho ležel průtlak se 65 bary (tj. 6,5 MPa) podstatně výše než u stavu techniky (pokus č. 13).

Parametry dalších pokusů jsou patrné z tabulky, přičemž se může shrnout, že vytlačovací anizotropie typická pro grafitové materiály podle stavu techniky se může použitím způsobu podle vynálezu podstatně redukovat. V důsledku toho se obdrží grafitové součásti s podstatně vyšší tepelnou vodivostí příčně ke směru lisování, přimíšením uhlíkových vláken 14 ke směsi 20 se vedle toho mohou vyrobit grafitové trubky 52 s vyšším průtlaky.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby součástí a polotovarů ze syntetického grafitu nebo z keramického granulátu, zejména k výrobě grafitových trubek (52), přičemž se formuje směs (20), obsahující přednostně naftový koks nebo grafitový granulát (1) pomocí vytlačovacího lisu (22) nebo extrudéru (56, 74), vyznačující se tím, že se

a) předlisuje směs (20) pomocí statického nebo quasi statického způsobu, přičemž se znemožní nebo zabrání tečení směsi (20) tím, že se ve směsi (20) dříve neregulovaně nasměrované částice nejprve nasměrují příčně ke směru lisování,

b) načež se předlisovaná směs (20) vytlačuje z výstupního otvoru (28, 61, 82) vytlačovacího

15 Usu (22) nebo extrudéru (56, 74) tak, že se částice uvnitř předem ztužené směsi (20) na základě stanoveného tečení směsi (20) přesměrují z jejich výchozího příčného směru o úhel (β) maximálně 75° do směru lisování.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se směs (20) staticky předem 20 lisuje, přednostně pomocí zápustkového lisu, do blokového předlisku a před li sek se následně vloží do zásobního prostoru (62) pístového extrudéru (56) k jeho formování lisováním výstupním otvorem (61).
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, žc sc formuje vytlačovacím lisem

25 (22), který má zásobní prostor (30) s přívodním otvorem (46) pro přívod směsi (20), který je umístěn mezi počáteční a koncovou polohou lisovacího pístu (26), zmenšujícího zásobní prostor (30), přičemž se formování směsi (20) provádí v následujících cyklus tvořících krocích: f) směs (20) se dávkuje do zásobního prostoru (30) pomocí dávkovacího zařízení (44), až se úplně naplní, přičemž se lisovací píst (26) nachází v počáteční poloze,

30 g) načež se směs (20) quasi staticky předlisuje v zásobním prostoru (30) pomalým posunem lisovacího pístu (26), aby se částice nasměrovaly příčně ke směru lisování,

h) načež se vytlačuje objem předem zhutněné směsi (20) z výstupního otvoru (28), který je menší než objem původně se nalézající v zásobním prostoru (30), přičemž při dosažení koncové polohy lisovacího pístu (26) zůstává v zásobním prostoru (30) předzhutněný zbytkový

35 objem,

i) načež se zajíždí lisovacím pístem (26) do počáteční polohy a do meziprostoru (54) mezi předem zhutněným zbytkovým objemem a lisovacím pístem (26) se dávkuje nová směs (20), až se opět úplně naplní zásobní prostor (30),

j) načež se pokračuje krokem b).
4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se směs (20) formuje jednošnekovým extrudérem (74), kde výstupní otvor (82) tohoto jednošnekového extrudéru (74) se, viděno ve směru lisování, zužuje pomocí alespoň jednoho stupně (84), kterým se zabraňuje tečení směsi (20).
5. Způsob podle jednoho z předchozích nároků, vyznačující se tím, že se směs (20) míchá z výchozího materiálu obsahujícího alespoň jednu frakci zrnitosti naftového koksu a/nebo grafitového granulátu (1) a alespoň jednoho pojivá (12), přičemž výchozí materiál má hmotnostní podíl 65 až 95 hmotn. % a pojivo (12) má hmotnostní podíl mezi 5 a 32 hmotn. %, vztaženo na

50 celkovou hmotnost směsi (20).

- 13CZ 301481 B6
6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že se ke směsi (20) před předl isováním přídavně přimísí uhlíková vlákna (14), přičemž jejich hmotnostní podíl činí 0 až 15 hmotn. %, vztaženo na celkovou hmotnost směsi (20).

5
7. Způsob podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že se ke směsi (20) před předlisováním přídavně přimísí mazadla (16), přičemž jejich hmotnostní podíl činí 0 az 5 hmotn, %, vztaženo na celkovou hmotnost směsi (20).
8. Způsob podle jednoho z nároků 5 až 7, vyznačující se tím, že se výchozí mateio riál a pojivo (16) a rovněž další suroviny míchají pomalu běžící míchačkou, přednostně bubnovou míchačkou nebo obracecí míchačkou.
9. Způsob podle jednoho z nároků 5 až 8, vyznačující se tím, že se výchozí materiál před smícháním rozmělní a prosévá tak, že obsahuje první frakci se zrnitostí větší než 0 mm a

15 menší než 60 pm a s hmotnostním podílem 20 až 100 hmotn. %, vztaženo na výchozí materiál, druhou frakci se zrnitostí 60 až 750 pm a hmotnostním podílem 0 až 34 hmotn, % a rovněž třetí frakci se zrnitostí větší než 750 pm až 2000 pm a hmotnostním podílem 0 až 46 hmotn, %,
10. Zařízení k výrobě součástí a polotovarů ze syntetického grafitu nebo z keramického granu20 látu, zejména k výrobě grafitových trubek (52), sestávající z vytlaěovacího lisu (22) s uvnitř pláště (24) lisu podélně pohyblivě vedeným lisovacím pístem (26), zásobním prostorem (30) s průměrem (D) zásobního prostoru (30), ústícím do zužujícího se výstupního otvoru (28) s průměrem (d) výstupního otvoru (28), plněným směsí (30) a zmenšujícím se lisovacím pohybem lisovacího pístu (26), vyznačující se tím, že zásobní prostor (30) má separátní

25 přívodní otvor (46), umístěný mezi počáteční polohou a koncovou polohou lisovacího pístu (26), a že poměr průměru (D) zásobního prostoru (30) k průměru (d) výstupního otvoru (28) je menší nebo roven 2,5, přednostně leží v rozsahu 0,4 až 1,0.
11. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že podélná osa vytlaěovacího lisu

30 (22) je umístěna rovnoběžně s horizontálou a přívodní otvor (46) zásobního prostoru (30) je umístěn příčně k němu.
12. Zařízení podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím, že plášť (24) lisu sestává z válcové části (32), vedoucí lisovací píst (26), a trychtýřovité části (34), na jedné koncové straně

35 je opatřen trubkovitým ústím (36), tvořícím výstupní otvor (28), přičemž zásobní prostor (30) je tvořen, když je lisovací píst (26) v počáteční poloze maximálně vzdálené od výstupního otvoru (28), prostorem sestávajícím z válcové části (32) a trychtýřovité části (34) a ohraničeným lisovací plochou (38) lisovacího pístu (26), přivrácenou k výstupnímu otvoru (28).

40
13. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že přívodní otvor (46) je vytvořen jako příčný vývrt v ostění (48) válcové části (32) a radiálně ven je tvořen trychtýřovitým plnicím nákružkem (50), ve kterém je umístěno dávkovači zařízení (44), tvořené sektorovým bubnovým uzávěrem.

45
14. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že poměr průměru (d) výstupního otvoru (28), tvořeného trubkovitým ústím (36), kjeho délce (1) je menší než 1, přičemž trychtýřovitá část (34) má úhel (a) kužele 30 až 35°.
15. Součást nebo polotovar ze syntetického grafitu nebo z keramického granulátu, zejména gra50 fitová trubka (52), získané způsobem, který zahrnuje tvarování směsi (20), obsahující přednostně naftový koks nebo grafitový granulát (1), pomocí vytlaěovacího lisu (22) nebo extrudéru (56, 74), vyznačující se tím, že se:

-14JUlNOl DO

a) předlisuje směs (20) pomocí statického nebo quasi statického způsobu, přičemž se znemožní nebo zabrání tečení směsi (20) tím, že se ve směsi (20) dříve neregulovaně nasměrované částice nejprve nasměrují příčně ke směru lisování,

b) načež se předlisovaná směs (20) vytlačuje z výstupního otvoru (28, 61, 82) vytlačovacího

5 lisu (22), nebo extrudéru (56, 74) tak, že se částice uvnitř předem ztužené směsi (20) na základě stanoveného tečení směsi (20) přesměrují zjejich výchozího příčného směru o úhel (β) maximálně 75° do směru lisování.