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Gesicherte Schraubverbindung von zwei Kohlenstoffelementen
Die Erfindung bezieht sich auf eine gesicherte Schraubverbindung von zwei Kohlenstoffelementen, insbesondere von einer Elektrode mit Innengewinde und einem Schraubnippel.
Kohle (hier ist vor allem gedacht an Kunstkohle) und Graphit (vorzugsweise Elektrographit) - im folgenden zusammengefasst kurz als "Kohlenstoff" bezeichnet - werden in der Industrie und auch sonst teils wegen ihrer chemischen Beständigkeit und teils, worauf sich die folgenden Ausführungen vor allem beziehen, wegen ihrer guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit verwendet. Insbesondere wird das genannte Material für Elektroden benutzt, die bei der Elektrostahlerzeugung und bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse verwendet werden. Solche Elektroden werden häufig aus mehreren Teilen zusammengesetzt, wozu an ihnen Gewindeverbindungen vorgesehen sind. Bei Elektroden für die Elektrostahlöfen benutzt man in der Regel Elektrodenstränge aus mehreren Einzelelektroden, die untereinander mechanisch und elektrisch durch Gewindenippel verbunden werden.
Für die Elektrolyse wird in eine als Elektrode dienende Platte ein Stromzuführungsstab eingeschraubt. Diese Schraubverbindungen. sind im Betrieb elektrisch und mechanisch grossen Belastungen ausgesetzt. Anzustreben ist jedoch, dass die elektrischen Übergangswiderstände der genannten Schraubverbindungen sich im Betrieb nicht vergrössern, auch nicht bei den starken Erschütterungen, denen die Elektrodenstränge im Elektrostahlofen ausgesetzt sind ; dies bedeutet, dass sich die Schraubverbindungen nicht lockern oder gar lösen dürfen.
Zur Erfüllung dieser Forderung sind, wie bekannt, vielerlei Vorschläge vorgebracht worden, die sich zum Teil auch bewährt haben. So hat man die Schraubverbindungen z. B. durch Querstifte gesichert, jedoch mit der unerwünschten Folge einer Schwächung der Verbindung ; ferner hat man, das ist noch jetzt weitgehend üblich, die Hohlräume der Schraubverbindungen durch eine Pechmasse oder einen Kitt ganz oder teilweise ausgefüllt zum Zwecke, die Schraubverbindung gegen ein ungewolltes Lockern zu sichern.
Mit der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe einfacher gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die Gewinde der beiden Elemente, wenngleich aus Kohlenstoff bestehend, gegeneinanderwenigstens auf einem Teil ihrer Länge - eine Steigungsdifferenz aufweisen.
Diese Schraubverbindung ist einerseits durch die Steigungsdifferenz gegen Lockern gesichert, anderseits ist sie in ihrem äusseren Aufbau - hinsichtlich der Zahl der Teile, der Handhabung usw. - so einfach wie eine gewöhnliche Schraubverbindung, Sie hat somit den Vorteil - dies gilt besonders für das Auswechseln und Anfügen von Elektroden, die bei Elektrostahlöfen verwendet werden, - dass das Verschrauben auch von angelernten Kräften vorgenommen werden kann, ohne befürchten zu müssen, dass für die Sicherung der Schraubverbindung wesentliche Massnahmen ausser acht gelassen werden.
Die Wirkungsweise der neuen Schraubverbindung von Kohlenstoffelementen beruht auf folgendem :
Wenn man zwei Gewindeteile miteinander verschraubt, deren Steigung im Verhältnis zueinander verschieden ist, so verklemmen sich die Gewindegänge in axialer Richtung, es werden die Gewindeflanken stärker aufeinander gepresst, als es sonst der Fall ist. Das bedeutet einmal, dass der Übergangs-
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widerstand zwischen den Gewindeflanken geringer ist als sonst. Ferner wird das Zudrehmoment - und dementsprechend auch das für das ungewollte Lockern massgebende Aufdrehmoment - grösser als bei einer gewöhnlichen Schraubverbindung, es ist zudem über einen längeren Verschraubwinkel wirksam.
Die Verwendung einer Steigungsdifferenz zwischen den beiden Elementen einer Schraubverbindung ist bei Teilen aus metallischen Werkstoffen an sich bekannt. Es ist insbesondere auch bekannt, eines der Elemente einer solchen Schraubverbindung mit einem Gewinde zu versehen, dessen Ganghöhe sich in Abhängigkeit von der Länge ändert. Metalle sind jedoch in einem weiten Bereich elastisch verformbar und ausserdem auch, soweit es sich um die für Schraubverbindungen benutzten Metalle handelt, auch merkbar plastisch verformbar. Bei der Verschraubung metallischer Elemente, die Gewinde unterschiedlicher Ganghöhen aufweisen, kommt es daher fast immer neben elastischen Dehnungen auch zu plastischen Verformungen und zu Kaltschweissvorgängen zwischen den Verbindungspartnern. Diese Vorgänge führen zu einer hohen Festigkeit der so hergestellten Schraubverbindungen.
Eine wesentliche Voraussetzung hiefür bildet somit nicht nur die hohe Elastizität metallischer Werkstoffe, sondern daneben auch die Fähigkeit dieser Werkstoffe, plastisch verformt zu werden, bevor ein Ausreissen von Gewindegängen auftritt.
Im Gegensatz zu den metallischen Werkstoffen stellen Kohle und Graphit spröde Materialien dar, die nur eine geringe Bruchdehnung besitzen.
Die Anwendung einer Steigungsdifferenz schien hier von'. vorherein ausgeschlossen zu sein ; soweit bekannt, ist sie auch nie für Schraubverbindungen aus Kohlenstoff in Betracht gezogen worden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass gleichwohl auch bei Schraubverbindungen von Kohlenstoffelementen eine Steigungsdifferenz angewendet werden kann. Als überraschendes Ergebnis hat sich gezeigt, dass eine so ausgebildete Schraubverbindung auch bei Kohlenstoffelementen - trotz der Sprödigkeit der Kohlenstoffes - gegen ungewolltes Lockern ohne zusätzliche Mittel zuverlässig gesichert ist und dass ferner auch, was bei elektrischen Elementen dieser Art von Bedeutung ist, der elektrische Übergangswiderstand gegenüber normalen Schraubverbindungen wesentlich verringert wird.
Es hat sich ferner gezeigt, dass die Ausführung gemäss der Erfindung auch bei den vielfach verwendeten Schraubverbindungen von Kohlenstoffelementen mit einem doppelkonischen Gewindenippel verwendbar ist und hier ebenfalls zu den vorerwähnten vorteilhaften Ergebnissen führt, nämlich zu einer zuverlässigen Sicherung der Schraubverbindung und zu einer Herabsetzung des elektrischen Übergangswiderstandes.
Zur weiteren Erläuterung sei auf die Zeichnungen Bezug genommen es zeigtFig. 1a und b der besseren Erläuterung wegen eine Schraubverbindung von zwei Elektroden mit Innengewinde an den Enden (sogenannten Elektrodenschachteln) und von einem zylindrischen Gewindenippel, bei der die Gewinde und die Gegengewinde gleiche Steigung aufweisen und bei a) im losen Zustand und bei b) im festverschraubten Zustand dargestellt sind Fig, 2a und b eine zylindrische Schraubverbindung von zwei Elektroden und einem zylindrischen Gewindenippel, bei welcher der Nippel gegenüber den Elektroden die grössere Gewindesteigung aufweist und bei a) der lose Zustand und bei b) der festverschraubte Zustand dargestellt ist, Fig. 3 einen vergrösserten Ausschnitt einer Gewindeverbindung nach Fig. 1 ;
Fig. 4 einen vergrösserten Ausschnitt des Gewindes nachFig. 2 ; Fig. 5 in vergrösserterDarstellung einenTeil einer Gewindeverbindung, bei der das Gewinde des einen Elementes in seiner unteren Hälfte eine grössere Steigung aufweist als das Gewinde des andern Elementes ; Fig. 6 in vergrösserter Darstellung einen Ausschnitt aus einer Gewindeverbindung, bei der das eine der beiden Elemente eine über die Gewindelänge sich ändernde Steigung aufweist ; Fig. 7 eine Schraubverbindung von zwei Elektrodenschachteln mit einem doppelkonischen Gewindenippel, wobei das Gewinde des Nippels eine grössere Steigung als die Gewinde der beiden Elektrodenschachteln aufweist.
In den Fig. la und b sind zwei Elektroden l, 2 mit zylindrischem Innengewinde durch einen ebenfalls zylindrischen Gewindenippel 3 verbunden. In Fig. 1a ist die Verbindung gezeigt, wie sie bei einem losen Einschrauben von Hand vorliegt. Die Gewindeflanken haben hiebei praktisch noch keine
Berührung miteinander, und auch die Elektrodenstossflächen liegen noch nicht fest aufeinander. Fig. lb zeigt die Schraubverbindung in festverschraubtem Zustand. Hieraus ist zu erkennen, dass die Stirnflä- chen der Elektroden 1, 2 fest aneinander aufliegen und jeweils die den Elektrodenstirnflächen zuge- wandten Gewindeflanken aufeinander gepresst sind.
Der Flankendruck der verschiedenen Gewinde nimmt von dem Äquator des Nippels aus zu seinen Stirnflächen hin ab, was in der Figur durch eine Verringe- rung des zwischen den Gewindeflanken des Nippels und den Gegengewindeflanken der Schachtel vorlie- genden Abstandes angedeutet ist.
Die in Fig. 2 dargestellte zylindrische Schraubverbindung von zwei Elektroden l', 2' verwendet einen Nippel 4, dessen Gewindesteigung grösser ist als die der beiden Elektroden. In Fig. 2a ist dieser
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Nippel 4 locker in die Elektroden 1', 2'eingeschraubt. In Fig. 2b ist die Schraubverbindung in einem festangezogenen Zustand, wie er im Betrieb vorliegt, dargestellt. Aus der Fig. 2b ist zu erkennen, dass in der Mitte jeder Nippelhälfte eine spannungsfrei Zone auftritt. Von hier aus zur Nippelstirnfläche bzw. zum Äquator des Nippels hin verklemmen sich die Gewindeflanken des Nippels mit denen der Elektrodenschachtel in zunehmendem Mass.
Fig. 3 zeigt einen Teil einer Gewindeverbindung der in Fig. 1 dargestellten Art. Zur besseren Übersicht sind die beiden zu verschraubenden Elemente 1 und 3 auseinander gezogen dargestellt. Die Gewindezähne greifen hier symmetrisch ineinander.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer Gewindeverbindung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, u. zw. sind auch hier zur besseren Übersicht die beiden verschraubten Elemente 3..'und 4 in auseinandergezogener Form gezeigt. Das Gewinde des Elementes l'hat, ebenso wie das Gewinde des Elementes 4 eine konstante Steigung, doch ist die Steigung des Elementes 4 grösser als die des Elementes 1'.
Die Gewindegänge verklemmen sich bei konstanter Steigungsdifferenz, so dass in der Längsrichtung gesehen, die Gewindeflanken am einen und am andern Ende in zunehmendem Mass aufeinander gepresst werden, während die mittlere Gewindelänge mehr oder weniger spannungsfrei ist.
Fig. 5 zeigt ebenfalls in auseinandergezogener Darstellung eine Schraubverbindung zwischen einem Element 5 mit konstanter Gewindesteigung und einem Element 7, dessen Gewinde in seinem oberen Teil mit derjenigen des Elementes 5 übereinstimmt, jedoch in seiner unteren Hälfte eine grössere Steigung aufweist. Die gewünschte Verklemmung tritt, wie aus der Figur zu ersehen ist, vorwiegend im unteren Bereich der Gewindeverbindung auf.
In Fig. S ist in auseinander gezogener Darstellung eine Schraubverbindung zwischen zwei Elementen 8 und 9 gezeigt. Das Element 9 hat ein Gewinde mit konstanter Steigung. Das Gewinde des Elementes 8 weist eine über die Gewindelänge sich stetig ändernde Steigung auf, u. zw. nimmt die Steigung von unten nach oben ab. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist darin zu sehen, dass über die Gewindelänge regelmässig verteilt mehrere Gewindeflanken eine tragende Funktion gleichen Ausma- sses haben, d. h. die Belastung verteilt sich innerhalb des Gewindes über mehrere Gewindeflanken gleichmässig. Somit wird eine Bruchgefahr durch Überbeanspruchung einzelner Gewindeflanken weitgehend ausgeschaltet.
In Fig. 7 sind zwei Elektroden 11, 12 mit einem Innengewinde konstanter Steigung dargestellt, die durch einen konischen Schraubnippel 13 miteinander verbunden sind. Das Gewinde des Schraubnippels 13 hat eine grössere Steigung als die Gewinde der beiden Elektroden. Die Steigung ist jedoch über die Gewindelänge konstant.
Es ist vorteilhaft, demjenigen der beiden zu verschraubenden Elemente eine grössere Steigung zu geben, das auch unter den vorgegebenen Betriebsbedingungen gegenüber dem andern Element noch eine grössere Steigung aufweist oder mit andern Worten : dasjenige Element, bei dem das Produkt aus dem mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Betriebstemperatur grösser ist als das entsprechende Produkt des andern Elementes, soll gegenüber diesem die grössere Gewindesteigung aufweisen. Unter der Voraussetzung, dass der Nippel und die beiden Elektroden aus einem Material mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sind, ist es zweckmässig, dem Nippel die grössere Gewindesteigung zuzuordnen, da dieser im Betrieb im allgemeinen eine höhere Temperatur als die Elektroden annimmt.
Beim Zusammenschrauben von zwei Elektroden mit Hilfe eines doppelkonischen Gewindenippels tritt bei der Anwendung einer Steigungsdifferenz zwischen den Gewindesteigungen der miteinander zu verschraubenden Elemente noch ein weiterer wesentlicher Vorteil ein. Um Spannungen des Muttergewindes zu vermeiden, muss man, wie bei allen Schraubverbindungen, den Durchmesser des Bolzens, also hier des Nippels, etwas kleiner machen als den Durchmesser des Muttergewindes, also hier der Elektroden.
Beim Verschrauben tritt jedoch die Gefahr auf, dass der Nippel dann in die erste Elektrodenschachtel so tief eingeschraubt wird, dass er danach mit der zweiten Elektrodenschachtel in einen entsprechend geringeren Eingriff kommt. Der Nippel sitzt somit nicht mehr symmetrisch zur Stossstelle der beiden Elektroden. Solche Gewindeverbindungen mit unsymmetrisch sitzendem Nippel haben aber eine geringere Tragfähigkeit und lockern sich leichter als Schraubverbindungen mit symmetrischer Verschraubung. Es sind daher verschiedene Massnahmen bekanntgeworden. die vor, während oder nach dem Verschrauben angewendet werden, um einen symmetrischen Sitz des Nippels in den beiden Elektroden zu erreichen. Benutzt man jedoch Gewindeverbindungen mit Steigungsdifferenz, so lässt sich eine Zentrierung des Nippels beim Verschrauben ohne zusätzliche Massnahmen und Hilfsmittelherbeiführen.
Nach dem Einsetzen des Nippels in die eine Elektrodenschachtel kann derselbe, wegen des beginnenden Verklemmens der Gewindegänge und des dadurch erhöhten Drehmomentes, von Hand nicht bis zum Festsitz eingeschraubt
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werden. Beim Aufsetzen und Verschrauben der zweiten Elektrode wird der Nippel zunächst in die zweite Elektrodenschachtel so weit eingeschraubt, bis dort das Reibungsmoment grösser als in der ersten Elektrodenschachtel geworden ist. Wirkt das Einschraubdrehmoment weiterhin fort, dann dreht sich der Nippel abwechselnd schrittweise tiefer in die erste und in die zweite Elektrodenschachtel ein, so lange bis die Elektrodenstossflächen fest aufeinander sitzen. Die auf diese Weise erzielte Nippelschraubverbindung ist symmetrisch in bezug auf die Elektrodenstossstelle.
Bezüglich der Wahl der Grösse der Steigungsdifferenz sind die im Einzelfall vorliegenden Verhältnisse hinsichtlich der Passung und der gewählten Toleranzen der zu verwendenden Teile bezogen auf die gesamte Gewindelänge zu berücksichtigen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei den im allgemeinen vorliegenden Fällen die Steigungsdifferenz 5 % nicht übersteigen sollte, es wird jedoch vorteilhaft sein, im allgemeinen nur Werte, die zwischen 0,05 und 2 % liegen, zu verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gesicherte Schraubverbindung von zwei Kohlenstoffelementen, insbesondere von einer Elektrode mit Innengewinde und einem Schraubnippel, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewinde der beiden Elemente - wenigstens auf einem Teil ihrer Länge - unterschiedliche Ganghöhe aufweisen.