DD279007A1

DD279007A1 - Verfahren zur herstellung von vibrationsverdichteten kohlenstofformkoerpern mit hoher thermoschockstabilitaet

Info

Publication number: DD279007A1
Application number: DD32442188A
Authority: DD
Inventors: Guenter Burkhard; Rolf-Dietmar Klein; Frank Schwaiger
Original assignee: Elektrokohle Lichtenberg Veb
Priority date: 1988-12-29
Filing date: 1988-12-29
Publication date: 1990-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von vibrationsverdichteten Kohlenstofformkoerpern mit hoher Thermoschockstabilitaet, die insbesondere als HP- bzw. UHP-Graphitelektroden fuer die Stahlerzeugung in Lichtbogenoefen Anwendung finden. Erfindungsgemaess werden dem Koernungsgemisch aus Nadelkoks Anteile eines Kokses mit einem Rueckfederungskoeffizienten von 0,08-0,1 zugesetzt.

Description

Stand der Technik

Kohlenstofformkörper, insbesondere Graphitelektroden werden im allgemeinen hergestellt, indem man Koks einer bestimmten Körnung mit einem Bindemittel vermischt, durch verschiedene Formgebungsverfahren formt, die Körper anschließend brennt und graphitiert.

Als Formgebungsverfahren kommen das Strangpressen und die Vibrationsverdichtung in Frage.

Es ist bekannt, daß das Formgebungsverfahren einen Einfluß auf bestimmte Eigenschaften der Formkörper im Anwendungsfall hat. Weiterhin können Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Thermoschockfestigkeit der Formkörper durch den Einsatz bestimmter Rohstoffe beeinflußt werden.

Kohlenstofformkörper, insbesondere Graphitelektroden erreichen während des Betriebes im Lichtbogenofen Temperaturen bis zu 300K. Dabei treten im Material thermomechanische Spannungen auf, die ihren Ursprung in den Temperaturdifferenzen zwischen dem Elektrodeninneren und ihren Außenbezirken haben. Die Elektrode nimmt infolge Stromdurchfluß und Energieeintrag aus dem Lichtbogen Wärme auf und leitet sie überwiegend durch Strahlung ab. Da der Werkstoff eine endliche Wärmeleitfähigkeit besitzt, ist die Innentemperatur der Elektrode höher als ihre Oberflächentemperatur. Thermomechanische Spannungen entstehen, weil das Bestreben der Elektrode, sich bei Erwärmung auszudehnen, wegen der Temperaturdifferenzen zwischen Kern und Randzonen zum Teil unterdrückt wird. Infolge der verhinderten thermischen Ausdehnung baut sich im Inneren ein Druck auf, der tangentiale und axiale Zugspannungen induziert. Sie führen zur Rißbildung, wenn die Festigkeit des Werkstoffs überschritten wird, und damit zu vorzeitigem Ausfall der Elektrode.

Besonders hohe Temperaturgradienten zwischen Kern und Randzonen mit den beschriebenen nachteiligen Folgen treten auf, wenn betriebsbedingt die heißen Elektroden aus dem Ofen gezogen werden und ihre Wärme frei in den Raum strahlt. Dieser Fall stellt dip höchste Thermoschockbelastung dar.

Ein Werkstoff, der dieser Belastung gewachsen sein soll, muß sowohl einen hohen Thermoschockwiderstand - als einen hohen Widerstand gegen das Auftreten eines Risses - als auch eine hohe Thermoschockbruchzähigkeit - also eine hohe Stabilität gegen die Ausbreitung bereits vorhandener Risse - aufweisen.

Eine gute Thermoschockfestigkeit weisen Graphitelektroden auf, die aus hochorientierten Nadelkoksen hergestellt sind. Dafür sind mehrere Ursachen maßgebend. Die Tatsache, daß im hexagonalen Kristallgitter des Graphits sowohl die elektrische als auch die Wärmeleitfähigkeit in der Richtung der Schichtebene wesentlich größer sind als senkrecht dazu, kann bei hochorientierten Koksen zur Wirkung gebracht werden.

Mit besserer elektrischer Leitfähigkeit wird bei gleicher Stromdichte weniger Energie in Wärme umgesetzt, mit höherer Wärmeleitfähigkeit der Temperaturgradient verringert.

Außerdem besitzen Nadelkokse einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Regularkokse. Eine weitere Besonderheit der Nadelkokse ist ihre Mikrorißstruktur. Im bestimmten Umfange können die Mikrorisse bei Belastung Bruchenergie dissipieren und somit bruchzähigkeitserhöhend wirken. Deshalb werden heute für hochbelastbare Graphitelektroden ausschließlich Nadelkokse verwendet, die allerdings wegen ihres aufwendigen Herstellungsverfahrens aus hochwertigen Erdölrückständen auch wesentlich teurer als Regularkokse sind. Einschränkend muß allerdings gesagt werden, daß die elektrische Leitfähigkeit nur dann voll zu* Wirkung kommt, wenn eine Ausrichtung der Anisotropiebereiche parallel zur Elektrodenachse erreicht wird, also durch Strangpressen. Dann ist aber die hohe Wärmeleitfähigkeit auch nur in der axialen Richtung vorhanden, nicht aber in radialer Richtung, in der sie benötigt wird, um die Temperaturdifferenz zwischen Kern und Randzone abzubauen.

Bei der Formgebung durch Vibrationsverdichten liegen die anisotropen Kokskörner unorientiert im Werkstoff vor. Damit erhöht sich gegenüber den stranggepreßten Elektroden zwar der elektrische Widerstand in axialer Richtung, gleichzeitig wächst jndoch in erwünschter Weise die Wärmeleitfähigkeit in radialer Richtung.

Typisch für vibrationsverdichtete Graphitelektrodenwerkstoffe ist deren Defektstruktur. Die Defekte liegen in Form feiner Risse vor, deren Länge die der an sich erwünschten Mikro. isse bei weitern übersteigt. Ursache dafür ist die ausgeprägte Rückfederungseigenschaft der Nadelkokse, die infolge der Schwingbewegung der grünen Masse bei der Vibrationsverdichtung zu Auftrennungserscheinungen der Masse in sich und damit zu ausgedehnten Defekten führt. Es hat sich gezeigt, daß gerade bei Vibrationsdichtungsparametern die eine hohe Rohdichte gewährleisten, nämlich einei Rüttelfrequenz im Bereich von 20 bis 30 Hz bei Amplituden von 2 bis 4mm in der ersten Verdichtungsphase, die zu Vorschädigungen in Form von Defekten führenden Auftrennungserscheinungpn besonders ausgeprägt sind. Das federnde Kernhaufwerk und die Vibrationseinrichtung bilden Systeme gekoppelter erzwungener Schwingungen, die solche Auftrennungserschoinungen verständlich machen.

Aber auch beim Strangpressen wird eine Auffederung des grünen, aus Nadelkoks gefertigten Preßlings bemerkt, wenn dieser das Mundstück der Presse verläßt, was ebenfalls Auftrennungserscheinungen zur Folge hat. Im Gegensatz zu den Mikrorissen sind solche Defekte unerwünscht, da sie eine Vorschädigung des Werkstoffes darstellen, die zum Ausfall des Erzeugnisses bei auftretender Thermoschockbelastung führen können.

Bei der Werkstoffentwicklung entsteht somit das Problem, den Vorteil der Energiedissipation durch Mikrorisse zu nutzen, jeoch den Nachteil zu großer Defektrißlängen, die die Stabilität des Werkstoffs gegen Thermoschockbelastung beeinträchtigen, zu vermeiden.

Es hat Versuche gegeben, die Vorteile einer Vibrationsverdichtung von Kohlenstofformkörpern zu nutzen, jedoch die aus der zu starken Rückfederung des Nadelkokses erwachsenen Nachteile zu mindern. Das ist ausschließlich auf mechanischem Wege, durch Vergrößern des Deckgewichtes, Verändern der Amplituden und Vibrationsdauer erfolgt und hat nur in geringem Maße zum gewünschten Erfolg geführt.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zur Herstellung vibrationsverdichteter Kohlenstofformkörper aus Nadelkoks, insbesondere Graphitelektroden für hohe thermische, mechanische und elektrische Belastungen anzugeben.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung vibrationsverdichteter Kohlenstofformkörper mit hoher Thermoschockbeständigkeit durch Einsatz eines speziellen Rohstoffs anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Körnungsgemisch aus hochwertigem Nadelkoks Anteile eines Kokses mit einem Rückfederungskoeffizienten von 0,08-0,1 (Rückfederung 8-10%) zugesetzt werden.

Bei hinreichender Minderung der Rückfederung des Koksgemisches kommen die positiven Eigenschaften des Nadelkokses noch zur Wirkung.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Beispiel näher erläutert werden.

50kg Nadelkoks der Korngröße 0-8mm (Rückfedarungskoeffizient 0,14-0,2)

50kg Koks der Körnung 0-8mm und einem Rückfederungskoeffizient (0,08-0,1) werden in einem Trockenmischer 20 Minuten bei 443K gemischt. Anschließend werden 25kg eines auf 473K erwärmten Pech-Bindemittels zugegeben und weitere 40 Minuten gemischt. Die entstehende plastische Masse wird mittels Vibration zu einem Körper geformt und in bekannter Weise weiterverarbeitet.

Es hat sich gezeigt, daß das an sich schon hohe Rückfederungsverhalten von Nadeikoksen, das durch die Vibrationsverdichtung noch ansteigt, durch den Zusatz von Koks mit einem niedrigen Rückfederungsverhauen wirkungsvoll gedämpft wird.

Nach Durchlaufen der Prozeßstufen Brennen und Graphitieren ergibt sich eine Werkstoffstruktur, die nahezu frei von Defekten ist, die eine Länge von 20mm überschreiten.

Claims

Verfahren zur Herstellung von vibrationsverdichteten Kohlenstofformkörpern mit hoher Thermoschockbeständigkeit, insbesondere Graphitelektroden, aus Nadelkoks und Bindemittel in bekannter Weise, gekennzeichnet dadurch, daß dem Körnungsgemisch aus hochwertigem Nadelkoks Anteile eines Kokses mifcRückfederungskoeffizienten von 0,08-0,1 (Rückfederung 8-10%) zugesetzt werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die E: findung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofformkörpern mit hoher Thermoschockstabilität, die insbesondere als HP- bzw. UHP-Graphitelektroden für die Stahlerzeugung in Lichtbogenöfen Anwendung finden.