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Die
Erfindung betrifft eine Hochstromelektrode insbesondere für einen
Lichtbogenofen mit einem Grundkörper
und einer darauf aufgebrachten Beschichtung.
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In
einem so genannten Lichtbogenofen, auch als Elektrolichtbogenofen
bezeichnet, wird Stahlschrott verschiedener Qualität eingeschmolzen. Hierzu
wird mit Hilfe von Elektroden ein Lichtbogen zwischen den Elektroden
und dem Stahlschrott gezündet
und auf diese Weise die für
das Aufschmelzen des Stahlschrotts notwendige thermische Energie
erzeugt. Aufgrund der eingebrachten thermischen Energie bildet sich
in dem so genannten Ofengefäß, in dem
der Stahlschrott eingebracht ist, flüssiger Stahl sowie flüssige Schlacke
aus. Ein derartiger Lichtbogenofen ist beispielsweise aus der
DE 38 14 261 A1 zu
entnehmen.
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Um
die für
das Aufschmelzen erforderliche thermische Energie einbringen zu
können,
ist eine hohe elektrische Energie erforderlich. Typischerweise werden
drei Elektroden von einem dreiphasigen Ofentransformator gespeist,
der Ströme
bis zu 100 kA bei Spannungen bis etwa 2.000 Volt liefert. Unter Hochstromelektrode
werden daher Elektroden insbesondere für eine derartigen Anwendung
verstanden, bei der die Elektroden mit Strömen im zumindest zweistelligen
kA-Bereich und insbesondere mit Strömen bis hin zu über 100
kA beaufschlagt werden.
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Beim
Betrieb des Lichtbogenofens sind die Elektroden extremen elektrischen,
thermischen aber auch chemischen Belastungen ausgesetzt. Durch den
hohen Leistungseintrag verbrauchen sich die Elektroden allmählich. Um
einen stabilen Lichtbogen aufrecht zu erhalten werden die Elektroden
geregelt ein- und ausgefahren, d.h. der Abstand zwischen der Schmelze
und den Elektroden wird geregelt. Hierbei kann es bei ungünstigen
Be triebssituationen zu einem Abriss des Lichtbogens und/oder zu
einem kurzfristigen Eintauchen der Elektrode in die Metallschmelze
kommen.
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Mehrere
Elektroden sind üblicherweise
zu einem so genannten Elektrodenstrang zusammengefügt, wobei
die einzelnen Elektroden untereinander mechanisch mit so genannten
Schachteln und Nippeln verbunden sind. Dadurch ist es möglich, kontinuierlich
den Lichtbogenofen über
eine längere
Zeit zu betreiben und am Elektrodenstrang sukzessive von hinten
weitere frische Elektroden anzubringen. Da der Elektrodenverbrauch
einen nicht unerheblichen Anteil der Betriebskosten ausmacht, besteht das
Bestreben, die Elektroden möglichst
langlebig auszubilden. Aus der
DE 33 15 975 A1 ist hierzu beispielsweise
vorgesehen, eine Elektrode mit einer Schutzschicht aus silikatischen
Anstrichstoffen zu versehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode mit einer hohen
Lebensdauer und einem geringen Abbrandverhalten anzugeben.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch eine Hochstromelektrode insbesondere für einen Lichtbogenofen mit
einem Grundkörper
und einer darauf angebrachten Beschichtung, die eine leitfähige Matrix
und darin eingelagerte Hartstoffpartikel aufweist und insbesondere
aus dieser Matrix mit eingelagerten Hartstoffen besteht. Der Grundkörper besteht
hierbei vorzugsweise aus Kohlenstoff/Graphit, so dass der Grundkörper im
Wesentlichen gebildet ist durch eine handelsübliche, unbeschichtete Graphit-Elektrode.
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Durch
die zusätzliche
Beschichtung, die nach Art einer Schutzschicht wirkt, wird der die
eigentliche Elektrode bildende Grundkörper vor den hohen Belastungen
geschützt,
so dass die Lebenszeit der gesamten Elektrode im Vergleich zu herkömmlichen,
einfachen Graphitelektroden, deutlich erhöht ist. Es hat sich überraschenderweise
gezeigt, dass die Einbindung von Hartstoffpartikeln in eine leitfähige Matrix
die Lebensdauer einer Elektrode deutlich erhöht. Die Matrix ist hierbei
im Vergleich zu den Hartstoffpartikeln deutlich duktiler, ist also
ein vergleichsweise weicher, insbesondere metallischer Werkstoff.
Dieser weist bevorzugt eine Vickers-Härte von
maximal etwa 180 bis 230 HVo1 auf. Die Härtebestimmung
nach Vickers ist der Norm DIN EN ISO 6507 zu entnehmen. Die eingelagerten
Hartstoffpartikel weisen demgegenüber eine deutlich höhere Härte auf,
beispielsweise weisen sie eine um mehr als den Faktor 2 erhöhte Zähigkeit
und Oberflächenhärte als
der Werkstoff der Matrix. Durch die Verwendung einer leitfähigen insbesondere
metallischen Matrix weist die Beschichtung zudem eine ausreichend
gute elektrische Leitfähigkeit
auf, so dass weiterhin ein hoher Stromfluss über die Elektrode ermöglicht ist,
ohne dass durch einen erhöhten
Widerstand in der Beschichtung zusätzliche thermische Belastungen
auftreten.
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Zweckdienlicherweise
werden als Hartstoffpartikel hierbei so genannte CNT-Partikel (CNT:
Carbon Nano Tubes) herangezogen. Die Carbon-Nano-Tubes sind Kohlenstoffnanoröhrchen,
deren Durchmesser typischerweise kleiner als 100 nm bis hin zu wenigen
nm ist. Die Wände
dieser röhrenförmigen Gebilde
bestehen aus Kohlenstoff. Die CNT-Partikel bestehen aus einer Vielzahl
derartiger Kohlenstoffnanoröhrchen.
Der besondere Vorteil der Verwendung von CNT-Partikeln als Hartstoffpartikel liegt
in deren sehr guten elektrischen Leitfähigkeit, ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit
sowie in ihrer mechanischen Widerstandsfähigkeit. Aufgrund der guten elektrischen
Leitfähigkeit
gepaart mit der Wärmeleitfähigkeit
weisen sie eine sehr hohe Strombelastbarkeit auf.
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Anstelle
der CNT-Partikel können
als Hartstoffpartikel auch Diamantpartikel, Borcarbidpartikel, Wolfram-
oder Wolframcarbidpartikel eingesetzt werden. Diese Hartstoffpartikel
führen
alle zu einer deutlichen Verbesserung der insbesondere mechanischen
Widerstandsfähigkeit
der Beschichtung. Bevorzugt werden jedoch die CNT-Partikel aufgrund
ihrer überragenden Eigenschaften,
insbesondere ihrer sehr guten elektrischen Leitfähigkeit, eingesetzt.
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Um
eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit
der Beschichtung zu erzielen, liegt der Anteil der Hartstoffpartikel
an der Beschichtung vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 10 und
40 Vol.%.
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Weiterhin
weisen die Hartstoffpartikel vorzugsweise eine Größe im Mikrometerbereich,
insbesondere von wenigen μm
bis 50 μm
auf. Darüber
hinaus besteht auch die Möglichkeit,
Hartstoffpartikel ergänzend
oder ausschließlich
im nanoskaligen Bereich, beispielsweise im Bereich von 10 bis wenigen 100
nm einzusetzen.
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Die
elektrisch leitfähige
Matrix besteht hierbei vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
Die Kombination von Kupfer bzw. Kupferlegierung mit den Hartstoffpartikeln
erlaubt eine Beschichtung mit für
den geplanten Anwendungsfall sehr guten Eigenschaften. Insbesondere
weist diese Paarung bestehend aus Kupfer und CNT-Partikeln eine sehr
hohe elektrische sowie thermische Leitfähigkeit auf. Darüber hinaus
bietet die Beschichtung einen effektiven Schutz gegenüber den
sonstigen Belastungen, so dass insgesamt das Abbrandverhalten und der
Verschleiß der
Elektrode gegenüber
herkömmlichen
Graphitelektroden deutlich verbessert ist.
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Um
dieses verbesserte Abbrandverhalten zu erreichen ist weiterhin in
einer zweckdienlichen Ausgestaltung vorgesehen, dass die Beschichtung
eine Dicke von etwa bis zu wenigen mm, beispielsweise im Bereich
zwischen 1 und 3 mm aufweist. Die Schichtdicke orientiert sich hierbei
an den Eigenschaften der Beschichtung. Weist diese beispielsweise
sehr gute elektrische Eigenschaften auf, so kann sie wie vorgesehen,
im Millimeter-Bereich ausgebildet sein. Wird eine Beschichtung mit
etwas geringerer elektrischer Leitfähigkeit gewählt, so ist es von Vorteil,
die Beschichtung möglichst
dünn und
beispielsweise im Mikrometer-Bereich zu halten (beispielsweise bis
50 μm),
um den Stromfluss nicht zu behindern und nicht aufgrund des erhöhten Widerstands
die Temperaturbelastung zu erhöhen.
Umgekehrt besteht auch die Möglichkeit,
bei der Verwendung einer Beschichtung mit sehr guter elektrischer und
thermischer Leitfähigkeit
die Schichtdicke zu erhöhen
und beispielsweise eine Dicke von bis zu 10 mm aufzutragen.
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Derartige
dicke Schichten werden hierbei vorzugsweise mit einem Spritzverfahren,
beispielsweise mit einem so genannten Kaltgasspritzen oder einem
thermischen Spritzverfahren, wie beispielsweise das Flammspritzen,
aufgebracht. Hierdurch sind nahezu beliebige Schichtdicken erzielbar,
insbesondere wenn der Grundkörper
mehrfach überstrichen
wird.
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Alternativ
zu der Ausbildung der Beschichtung mit Hilfe eines Spritzverfahrens
wird in einer bevorzugten Ausgestaltung die Beschichtung elektrolytisch
aufgebracht. Mit beiden Verfahren ergibt sich eine gute Anbindung
der Beschichtung an den Grundkörper,
so dass ein Abplatzen auch bei den extremen Belastungen verhindert
ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine
ausschnittsweise Darstellung eines Lichtbogenofens in einer Seitendarstellung,
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2 eine
Querschnittsdarstellung einer Elektrode zum Aufbau eines Elektrodenstrangs
für einen
Lichtbogenofen.
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In
den Figuren sind die gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Ein
in 1 stark vereinfacht dargestellter Lichtbogenofen
weist ein Ofengefäß 2 auf,
welches üblicherweise
mit einem hier nicht näher
dargestellten Deckel verschließbar
ist, durch den Graphitelektrodenstränge 4 vertikal in
Richtung des dargestellten Doppelpfeils ein- und ausfahrbar sind.
In das Ofengefäß 2 wird
Stahlschrott als Schmelzgut 3 zum Aufschmelzen eingebracht.
Zum Aufschmelzen werden die Elektrodenstränge 4 bis nahe zur
Oberfläche
des Stahlschrotts geführt
und es wird ein Lichtbogen gezündet.
Um ein stabiles Brennen des Lichtbogens zu gewährleisten, werden die Elektrodenstränge 4 in
ihrer Höhe
jeweils geregelt verfahren.
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Die
für die
Aufrechterhaltung des Lichtbogens erforderliche elektrische Energie
wird über
einen so genannten Ofentransformator 6 bereitgestellt. Üblicherweise
sind drei Elektrodenstränge 4 vorgesehen,
die mit jeweils einer Phase an der Sekundärseite des Ofentransformators 6 angeschlossen
sind. Die Elektroden 4 sind hierbei über ein Hochstromsystem mit
der Sekundärseite
des Ofentransformators 6 verbunden. An sekundärseitigen
Klemmen 8 gehen über
flexible Verbinder 7 angeschlossene Hochstromrohre oder
-schienen 9 zu flexiblen und insbesondere wassergekühlten Hochstromseilen 10 ab, die
jeweils an einem Ende eines Elektrodentragarms 12 mit diesem
elektrisch verbunden sind. Die Elektrodentragarme 12 sind
mit Hilfe eines als Hubsäule ausgebildeten
Elektrodenmastes 14 in Richtung des Doppelpfeils vertikal
verfahrbar. Die Elektrodentragarme 12 reichen über das
Ofengefäß 2 und
tragen mit Hilfe von klemmenartigen Elektrodenhalterungen jeweils
einen der Elektrodenstränge 4.
Die Elektrodenstränge 4 sind
hierbei in etwa an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks
angeordnet.
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Die
Elektrodenstränge
bestehen jeweils aus mehreren Elektroden 16.
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In 2 ist
beispielhaft eine derartige Elektrode 16 dargestellt. Die
Elektrode 16 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem massiven,
aus Vollmaterial bestehenden Graphit-Grundkörper 18 und einer darauf
angebrachten Beschichtung 20. An den beiden Stirnseiten
des Grundkörpers 18 weist
dieser eine zentrale und in etwa kreisrunde Vertiefung auf, an deren
Zylinderwand ein Gewinde eingearbeitet ist. Diese Aufnahme, die üblicherweise
als Schachtel 22 bezeichnet wird, dient zur Aufnahme eines
so genannten Nippels 24, welcher nach Art eines Gewindebolzens
ausgebildet ist. Über
den Nippel 24 werden zwei Elektroden 16 in Längsrichtung
miteinander verbunden, um einen Elektrodenstrang 4, bestehend aus
mehreren Elektroden 16, auszubilden.
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Im
Ausführungsbeispiel
reicht die Beschichtung 20 vollumfänglich um den Grundkörper 18 herum
und ist auch im Bereich der Schachtel 22 sowie im Bereich
der Stirnseiten vorgesehen, an denen benachbarte Elektroden 16 aneinander
stoßen.
Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, die Beschichtung
entweder im Bereich der Schachtel 22 und/oder im stirnseitigen
Bereich, wegzulassen, um hier einen unmittelbaren Kontakt zwischen
den Stirnseiten der Grundkörper 18 zweier
benachbarter Elektroden 16 zu erreichen bzw. um ein direktes
Eingreifen des Gewindes des Nippels 24 mit dem Gewinde
der Schachtel 22 zu gewährleisten.
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Die
Beschichtung 20 besteht vorzugsweise aus einer Kupfermatrix 26 mit
darin eingelagerten Hartstoffpartikeln 28. Die Hartstoffpartikel 28 sind hierbei
insbesondere als so genannten CNT-Partikel ausgebildet, die jeweils
eine Partikelgröße im Bereich
von wenigen μm,
beispielsweise bis zu maximal 50 μm,
aufweisen. Unter Kupfermatrix 26 wird hierbei auch eine
Matrix aus einer Kupferlegierung verstanden. Der Anteil der Hartstoffpartikel 28 liegt
beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 40 Vol.%, bezogen auf
die Beschichtung 20.
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Durch
eine derartige Beschichtung, bestehend aus der Kupfermatrix 26 mit
den darin eingelagerten CNT-Partikeln 28 ist eine gegenüber den
Belastungen sehr widerstandsfähige
Elektrode 16 aufgebaut, so dass deren Abbrandverhalten
gegenüber einer
herkömmlichen
reinen Graphitelektrode deutlich verbessert ist.