DE102009047320B3

DE102009047320B3 - Radial gradierte Elektrode mit Interface-Schicht

Info

Publication number: DE102009047320B3
Application number: DE102009047320A
Authority: DE
Inventors: Bojan Dr. 86152 Jokanovic; Karl Dr. 86695 Wimmer; Johann Dr. 64546 Daimer; Alexander 89434 Miehling
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2029-12-01

Abstract

Eine Elektrode für elektrometallurgische Prozesse mit der Kernkomponente aus einem ersten kohlenstoffhaltigen Material, einer Mantelkomponente aus einem zweiten kohlenstoffhaltigen Material und einer Interface-Schicht aus einem dritten kohlenstoffhaltigen Material, zwischen der Kern- und der Mantelkomponente, bei der der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kernkomponente niedriger ist als der der Interface-Schicht und der Mantelkomponente und bei der der Wärmeausdehnungskoeffizient der Interface-Schicht niedriger ist als der der Mantelkomponente.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode aus Kohlenstoff für die Anwendung in elektrometallurgischen Prozessen.
In elektrometallurgischen Prozessen wird der Strom durch Elektroden zugeführt. An der Elektrodenspitze entsteht entweder ein Lichtbogen, wie bei der Stahlerzeugung, oder die Elektroden sind in die Schlacke eingetaucht, wie bei der Herstellung von Silizium, Ferrosilizium, Ferromangan, Silicomangan, Phosphor, Ferrophosphor, Calciumcarbid oder in ähnlichen carbothermischen Prozessen (z. B. im carbothermischen Prozess für die Aluminiumherstellung).
Damit der Prozess kontinuierlich abläuft, werden die Elektroden mit einer Gewindeverbindung vorsehen. Damit können zwei Elektroden entweder durch das Verbindungselement, den so genannten Nippel, oder ohne Nippel durch eine Male-Female-Verbindung in einem Strang verbunden werden.
Die Elektroden werden durch mehrere Mechanismen verbraucht. Der Spitzenabbrand ist die Folge der Kohlenstoffsublimation und als solcher von der elektrischen Stromdichte abhängig. Der Seitenabbrand der Elektroden ist eine Folge der Oxidation und lässt sich durch die Wasserkühlung im oberen Bereich des Stranges teilweise reduzieren. Diese beiden Verbrauchsmechanismen bilden etwa 85% des gesamten Verbrauchs. Der restliche Verbrauch ist der diskontinuierliche Elektrodenverbrauch, wie z. B. der Reststückabfall oder der Elektrodenbruch.
Der Elektrodenbruch wird gemäß EP 0 142 476 und DE 19850735 durch eine Verbindung zwischen einem Graphit mit Eigenschaftsprofil 1 im inneren und einem anderen Graphit mit Eigenschaftsprofil 2 in äußerem Teil verringert. Die beiden Graphitkomponenten unterscheiden sich in ihren thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften, sowie im Allgemeinen in ihren Dichten.
Im stromdurchflossenen Leiter mehrschaliger Elektroden wird sich immer im Zentrum eine höhere Temperatur einstellen als in der Peripherie. Bei einem homogenen Aufbau der Elektrode ergibt sich damit eine Radialspannung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, thermisch verursachte Spannungen zu reduzieren und dadurch den Verbrauch von Elektroden zu verringern, sowie die geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Diese Aufgabe wird durch eine Elektrode für elektrometallurgische Prozesse mit der Kernkomponente aus einem ersten kohlenstoffhaltigen Material, einer Mantelkomponente aus einem zweiten kohlenstoffhaltigen Material und einer Interface-Schicht aus einem dritten kohlenstoffhaltigen Material, zwischen der Kern- und der Mantelkomponente, gelöst, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kernkomponente niedriger ist als der der Interface-Schicht und der Mantelkomponente und wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Interface-Schicht niedriger ist als der der Mantelkomponente.
Die erfindungsgemäße Elektrode (im folgenden radial gradierte Elektrode, bzw. RGE) umfasst einen zylindrischen Kern, ein hohlzylindrisches Interface und einen hohlzylindrischen Mantel, in dem die Kernkomponente und das Interface angeordnet sind. Die Kernkomponente besteht aus einem massiven Zylinder, mit einem Radius rc und einer Länge Lc, die von der Interface-Schicht in Form eines koaxialen Zylinders mit Innenradius rc und Außenradius r_is und Länge L_is und der Mantelkomponente in Form eines koaxialen Zylinders mit Innenradius r_is und Außendurchmesser r_E und Länge L_E umgeben ist.
Die Interface-Schicht Komponente der Elektrode ist bevorzugt als eine Mischung der Kern- und Mantelkomponente entstanden. Die Mantelkomponente und die Interface-Schicht-Komponente der Elektrode bilden bevorzugt einen Hohlzylinder und die Kernkomponente bildet einen Zylinder, der in der Interface-Schicht- und Mantelkomponente angeordnet ist.
Es ist dabei wichtig, dass die Kohlenstoffkomponente im Kern einen niedrigeren und die Kohlenstoffkomponente im Mantel einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die kohlenstoffhaltige Interface-Schicht muss einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Kernmaterial und einen niedrigeren als das Mantelmaterial aufweisen.
Für den Kern werden bevorzugt Nadelkokse aus Petrolkoks oder Steinkohlenteerpechnadelkoks eingesetzt. Für die Peripherie werden besonders bevorzugt Kokse mit niedrigem Schwefelgehalt von < 1,5% verwendet, wie sie in der Anodenfertigung der Primäraluminiumindustrie eingesetzt werden.
Das Verhältnis von Kernradius zu Elektrodenradius rc/r_E liegt bevorzugt zwischen 0,3 und 0,9. Das Verhältnis von Kernradius zu Außenradius der Interface-Schicht rc/r_is liegt bevorzugt zwischen 0,5 und 0,95.
Die Elektroden können mit Male-female-Verbindung, zylindrischem oder doppelkonischem Gewindezapfen ausgeführt werden. Die Gewindezapfen der Verbindungselemente können ebenfalls aus einer Mantelkomponente, einer Kernkomponente und einer Interface-Schicht zusammengesetzt sein.
Das Verbindungselement zwischen zwei Elektroden in einem Strang hat besonders bevorzugt eine radial gradierte Struktur, die aus einer kohlenstoffhaltigen Kern-, Mantel- und Interface-Schicht Komponente besteht.
Zur Herstellung der Elektrode wird eine Trennwand verwendet. Beim Ziehen der Trennwand wird die Verbindungsschicht durch Durchmischung von innerer und äußerer Schicht erzeugt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 5 weiter erläutert:
1 zeigt einen Elektrodenstrang aus Elektroden mit doppelkonischer Nippelverbindung.
2 zeigt einen Elektrodenstrang aus Elektroden mit Male-female-Verbindung.
3 zeigt einen Elektrodenstrang mit zylindrischer Verbindung.
Ein Elektrodenstrang setzt sich aus mehreren, aber mindestens durch ein Verbindungselement miteinander verbundenen Elektroden zusammen. Elektroden haben üblicherweise eine kreisförmige Querschnittsfläche. Die Elektrode selbst ist ein Zylinder.
4 zeigt die Koextrusion einer RGE.
Die in dieser Erfindung beschriebene Elektrode kann durch die Koextrusion von zwei Komponenten hergestellt werden. Die Koextrusion soll die Entstehung einer Interface-Schicht zwischen der Kernkomponente und der Mantelkomponente ermöglichen. Es ist vorteilhaft, dass die Interface-Schicht als eine Mischung des kohlenstoffhaltigen Kernmaterials und des kohlenstoffhaltigen Mantelmaterials ausgeführt wird. Es ist ebenfalls vorteilhaft, dass sich der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Interface-Schicht kontinuierlich verändert. Angefangen von niedrigeren Werten an der Kontaktfläche zur Kernkomponente, bis zu höheren an der Kontaktfläche zur Mantelkomponente.
Die Herstellung erfolgt beispielhaft in einer Strangpresse mit aufstellbarem Massezylinder in dem ein dünnwandiger Hohlzylinder an der vorherbestimmten Trennschicht eingeführt wird. Innen- und Hohlzylinder werden mit Elektrodenmischung aus Nadel- bzw. Anodenkoks befüllt. Danach wird der Hohlzylinder gezogen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Hohlzylinder vorzugsweise an der Unterkante Ausklinkungen aufweist, die ein Vermischen von innerer und äußerer Elektrodenmasse erzwingen.
5 zeigt die Herstellung einer RGE durch Rütteln.
Die in dieser Erfindung beschriebene Elektrode kann auch in einem Rüttelverfahren, dass die Mischung zwischen der Kern- und der Mantelkomponente der kohlenstoffhaltigen Elektrode und dadurch die Bildung einer kohlenstoffhaltigen Interface-Schicht ermöglicht, entstehen. Dazu wird die Rüttelform vorzugsweise senkrecht gestellt, wiederum wird ein Trennzylinder eingebracht und die Füllung erfolgt mit der Elektrodenmischung aus Nadelkoks innen und der Elektrodenmischung aus z. B. Anodenkoks außen. Danach wird der Trennwand gezogen, die Form verschlossen, gekippt und abgerüttelt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Trennzylinder vorzugsweise an der Unterseite Ausklinkungen aufweist, die ein Vermischen von innerer und äußerer Elektrodenmasse erzwingen. Es ist vorteilhaft beim Rütteln den Trennzylinder nicht mit kreisrunder Grundfläche auszubilden, sondern mit elliptischem Querschnitt, der so ausgebildet ist, dass er der vertikalen Kompression der Masse beim Rütteln entspricht, um nach dem Rütteln einen annähernd kreisrunden Querschnitt der Kernkomponente zu erzielen.
Bezugszeichenliste

1: Kernkomponente
2: Nippel (doppelkonische Gewindeverbindung)
3: Interface-Schicht
4: Mantelkomponente
5: Male-female-Verbindung
6: Zylindrische Gewindeverbindung
7: Kraftrichtung
8: Mundstück
9: beweglicher Zylinder

Claims

Elektrode für elektrometallurgische Prozesse mit der Kernkomponente aus einem ersten kohlenstoffhaltigen Material, einer Mantelkomponente aus einem zweiten kohlenstoffhaltigen Material und einer Interface-Schicht aus einem dritten kohlenstoffhaltigen Material, zwischen der Kern- und der Mantelkomponente, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kernkomponente niedriger ist als der der Interface-Schicht und der Mantelkomponente und dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Interface-Schicht niedriger ist als der der Mantelkomponente.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Interface-Schicht Komponente als eine Mischung der Kern- und Mantelkomponente entstanden ist.
Elektrode nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelkomponente und die Interface-Schicht-Komponente einen Hohlzylinder bilden und dass die Kernkomponente einen Zylinder bildet, der in der Interface-Schicht- und Mantelkomponente angeordnet ist.
Elektrode nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis vom Kernradius zu Elektrodenradius zwischen 0,3 und 0,9 liegt und das Verhältnis vom Kernradius zu Außenradius von der Interface-Schicht zwischen 0,5 und 0,95.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für elektrometallurgische Prozesse mit der Kernkomponente aus einem ersten kohlenstoffhaltigen Material, einer Mantelkomponente aus einem zweiten kohlenstoffhaltigen Material und einer Interface-Schicht aus einem dritten kohlenstoffhaltigen Material, zwischen der Kern- und der Mantelkomponente, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennwand verwendet wird, die beim Ziehen der Trennwand die Verbindungsschicht durch Durchmischung von innerer und äußerer Schicht erzeugt.