DE1039670B - Graphitelektroden fuer Lichtbogenoefen - Google Patents

Description

Für elektrothermische Lichtbogenofen werden Graphitelektroden wegen ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit, ihrer Hitzebeständigkeit und ihrer Widerstandsfähigkeit gegen thermische Wechselbeanspruchung verwendet. Die elektrothermisohen Schmelzverfahren sind an sich teuer, und man versucht in neuerer Zeit, durch Vergrößerung der Ofeneinheiten die elektrothermischen Herstellungsverfahren für Metalle, insbesondere für Stahl, wirtschaftlicher zu gestalten. Mit der Vergrößerung der Öfen ist eine Erhöhung der Stromstärken verbunden, die ihrerseits einen größeren Querschnitt der stromführenden Elektrodenstränge bedingen. Graphitelektroden sind jedoch nicht beständig gegen oxydierende Atmosphäre bei erhöhter Temperatur, und tatsächlich fallen etwa 60% des Verbrauchs der Elektroden auf einen oxydativen Abbrand, während nur 40% auf die Verdampfung im Lichtbogen selbst zurückgeführt werden können. Man muß daher immer bestrebt sein, die Oberfläche der Graphitelektroden klein zu halten, muß also bei erhöhten Stromstärken für Lichtbogenofen zu Elektroden größeren Durchmessers übergehen. Die bisher bewährten üblichen· Elektroden mit 450 mm Durchmesser können daher nur für Lichtbogenofen mit 20 bis 30 t Kapazität verwendet werden. Elektroden mit 500 mm Durchmesser finden Anwendung für Öfen mit 30 bis 70 t Kapazität, während für die heute größten 120-t-Öfen Elektroden mit einem Durchmesser von 600 mm verwendet werden. Für geplante zukünftige größere Öfen von 200 t werden voraussichtlich Graphitelektroden mit einem Durchmesser von 750 mm und größer verwendet werden müssen. -

Mit der Vergrößerung des Durchmessers bei Elektroden ist nun eine erhöhte Beanspruchung der Elektroden auf thermische Wechselbeständigkeit eingetreten. Die bisher üblichen bewährten Prinzipien zur Herstellung van Graphitelektroden mit Durchmessern bis zu 450 mm hatten vor allem zum Ziel gehabt:

1. den Längswiderstand der Elektrode möglichst klein zu halten, um die Spannungsverluste im Elektrodenstrang soweit als möglich zu verringern. Hinzu kommt, daß nach Ansicht des Stahlwerkers der Elektrodenverbrauch jet Stahl mit zunehmendem Längswiderstand der Elektrode steigt. Es wurden also Maßnahmen ergriffen, um den. Längswiderstand besonders niedrig zu halten. Eine dieser wichtigsten Maßnahmen ist das Strangpressen der Elektrode unter starker Verformung, also die Verwendung eines im Vergleich zum Durchmesser des Massezylinders, der die vorgestampfte grüne Mischung enthält, kleinen Durchmessers des Mundstückes. Durch diese Strangpreßmethode hat man des weiteren

Graphitelektroden für Lichtbogenofen

Anmelder:

Sieniens-Planiawerke

Aktiengesellschaft für Kohlefabrikate,

Meitingen bei Augsburg

Dr. Waidemax Kaufmann, Dr. Erich Fitzer

und Dr. Margot Beutell, Meitingen bei Augsburg,

sind als Erfinder genannt worden

2. eine große Festigkeit der Elektrode erzielt, und zwar verschiebt und entmischt sich die grüne Masse bei der Verformung entsprechend der unterschiedlichen Fließgeschwindigkeit im Kern und am Rand zu konzentrischen Hülsen im Preßstrang. Die Struktur der Elektrode weist somit eine Art Zwiebelschalengefüge auf, etwa wie ein Liktorenbündel mit höher Biegefestigkeit in Richtung der Achse, jedoch geringerer Dichte in radialer Richtung. Nur durch diese Maßnahme kann man einen. Längswiderstand, der kleiner ist als 10 oder 9 Ω · mm^a/m mit den üblichen, heute zur Verfügung stehenden Rohstoffen erreichen.
Es konnte nun gefunden werden, daß sich nach diesen Prinzipien hergestellte Elektroden mit Durchmessern von 500 mm und größer als 500 mm, besonders bei den heute üblichen erhöhten elektrischen und thermischen Beanspruchungen, nicht mehr bewähren. Vielfach treten Risse auf, die zum Abbrechen von Elektrodenteilen führen und dadurch das Auswechseln der Elektroden notwendig machen.. Eine Untersuchung dieser Verhältnisse hat zu dem überraschenden Ergebnis geführt, daß für den Verbrauch an Graphit z. B. je t Stahl bei der Elektrostahlherstellung nicht der Längswiderstand der Elektrode ausschlaggebend ist, sondern daß bei diesen großen Elektrodendurchmessern der Querwiderstand der Elektrode von entscheidender Bedeutung ist.

Eine Durchforschung; des ganzen Fragenkomplexes hat gezeigt, daß durch die bisher ergriffenen Maßnahmen zur Erzielung eines geringen Längswiderstandes der Querwiderstand besonders erhöht wird. Es wurde gefunden, daß diese Erhöhung durch zwei Faktoren bedingt ist. Der erste Faktor liegt in 'der

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bereits erwähnten Grobstruktur, d. h., in der Zwiebelschalenausbildung. Durch die starke Verdichtung im Strangpreßverfahren erzielt man wohl einen in Längsrichtung sehr dichten Graphit mit geringen Poren und Rissen, erhöht jedoch den Widerstand in Querrichtung durch die Zwiebelschalenstruktur außerordentlich. Übliche Elektroden mit 9 bis 10 Ω Längswiderstand zeigen einen durchschnittlichen Querwiderstand von 12 bis 15 Q-mm²/m. Der zweite Faktor ist die Orientierung der kleinsten Teilchen in der Elektrode. Dieser kristallographischen Orientierung, im von metallischen Werkstoffen her übernommenen übertragenen Sinn als Textur bezeichnet, wurde bisher überhaupt keine Beachtung geschenkt. Tatsächlich ist der Graphit aus hexagonalen Einzelkriställchen aufgebaut, die kristallographisch stark anisotrop sind. Die elektrische Leitfähigkeit z. B, ist praktisch nur in der Richtung der α-Achse (in der Basiseben«) in der Größenordnung metallischer Leiter, während diese in der c-Richtung um Größenordnungen geringer ist. Es konnte nun gefunden werden, daß diese Mikrokristallstruktur sich auch im Preßkörper wiederfindet. Vermutlich liegt dies an der Spaltbarkeit des als Ausgangsmaterial verwendeten Kokses nach bestimmten kristallographischen Vorzugsrichtungen, also vor allem senkrecht zur c-Achse, wodurch das Kokskorn nicht kugelig aufgemahlen wird, sondern bestimmte stereometrische Formen bevorzugt werden dürften. Beim Strangpreßvorgang, der ein stark fließbetonter Vorgang ist, kommt es nun zu einer Ausrichtung dieser durch die bevorzugten Spaltflächen gestalteten Einzelteilchen in Fließrichtung. Es konnte röntgenographisch nachgewiesen werden (siehe Fig. 1, 2 und 3), daß sich beim Strangpressen diese durch die bevorzugten Spaltflächen gestalteten. Körner tatsächlich so ausrichten, daß eine kristallographische Vorzugsrichtung der hexagonalen Basisebenen parallel zu den Manteltangentialebenen in den stranggepreßten Elektroden vorliegt. So zeigt

Fig. 1 die Goniometeraufnahme mit Kupferstrahlung an einer Schnittfläche der Elektrode parallel zur Zylindertangentialebene,

Fig. 2 die Aufnahme unter gleichen Bedingungen an der gleichen Elektrodenstelle, jedoch an einer Schnittfläche senkrecht zur Tangentialebene, deren Verlängerung durch die Elektrodenachse geht, also an einem Längsschnitt, und

Fig. 3 die Aufnahme an der gleichen Elektrodenstelle, jedoch an einer Querschnittsfläche, also senkrecht zur Elektrodenachse.

Man erkennt an der Intensität der Beugungsinterferenzen der Basisfläche 002, 004, 006 im Vergleich zur Intensität der Prismen- 100, 110 und der Pyramidenflächen 101, 112 die relative Häufigkeit dieser ausgezeichneten Ebenen in den verschiedenen Schnittflächen der Elektrode. Man sieht also, daß im Tangentialschnitt die Basisflächeninterferenzen am intensivsten sind. Dadurch wird wohl der Längswiderstand erniedrigt, allerdings unter gleichzeitiger Erhöhung des Querwiderstandes. Alle Maßnahmen, die also heute die Grundlage für die Herstellung guter Graphitelektroden sind, führen nach den überraschenden Untersuchungsergebnissen zu schlechten Graphitelektroden mit Durchmessern von 500 mm und darüber.

Durch die Erfindung sollen Elektroden geschaffen werden, die allen thermischen und elektrischen Beanspruchungen gewachsen sind und einen großen Durchmesser aufweisen. Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, daß der Graphitkörper eine kristallographische Vorzugsrichtung der hexagonalen Graphitkristalle mit deren Basisfläche parallel zur Querschnittfläche der Elektrode aufweist.

Es. ist bekannt, daß die höchsten thermischen Spannungen in Graphitelektroden beim Abkühlen der Oberflächen der bis zu 1800° C heißen Elektroden etwa beim Heraufziehen der Elektroden oder beim Abheben und Ausschwenken des Deckels auftreten. Es wurde an ausgedehnten Versuchsreihen über die thermische Wechselbeständigkeit gefunden, daß diese thermischen

ίο Spannungen dann am besten vertragen werden, wenn der an der äußeren Ouerschnittshälfte an jeder Stelle des Elektrodenstranges radial gemessene spezifische elektrische Widerstand 11 Q-mm²/m nicht überschreitet. Es wurde des weiteren gefunden, daß diese Querleitfähigkeit allein für sich nicht ausschlaggebend ist, sondern daß eine gewisse Beziehung zur Längsleitfähigkeit bestehen muß. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei extrem niederem Längswiderstand und Querwiderständen von 11Ω dennoch eine gewisse empfindliehe Rißanfälligkeiit vorliegt und dadurch thermische Spannungen nicht in dem Maße ertragen werden können, als wenn der Längswiderstand mindestens gleich groß oder größer als der Querwiderstand ist. Diese Beziehung allein ergab sich aus den Versuchsreihen als einzig sichere Grundlage für eine gute thermische Wechselbeständigkeit. Wahrscheinlich hängt dieser experimentell gefundene Zusammenhang sowohl von den im vorstehenden erwähnten Texturverhältnissen als auch von der Grobstrukturausbildung im Elektrodenstrang ab. Sind nämlich die Wi der stands verhält- ■ nisse von längs zu quer, wie in der Erfindung beansprucht wird, gegeben, dann dürfte

1. eine Zwiebelschalenstruktur ausgeschlossen sein, denn im anderen Fall wäre ja dieses Widerstandsverhältnis nicht realisierbar und kann.

2. auch eine kristallographische Ausrichtung der Graphitkriistalle mit ihrer Basisebene parallel zur Elektrodenachse nicht vorliegen.

Es darf der Längswiderstand wegen der bereits erwähnten, bisher als einzige Bewertungsgrundlage für Graphitelektroden geltenden Forderung nach geringem Energieverlust in den zum Lichtbogen führenden Stromteilen nicht beliebig hoch sein. Es wurde gefunden, daß ein; tragbarer Energieverlust bei guter Beständigkeit gegen Temperaturwechselbeanspnuchung dann gegeben ist, wenn der in der äußeren Querschnittshälfte an* jeder Stelle des Elektrodenstranges gemessene .spezifische elektrische Querwiderstand gleich groß wie oder vorzugsweise kleiner als der durchschnittliche, 12,5Ω·ηιηι²/πι nicht überschreitende spezifische elektrische Längswiderstand des Elektrodenstranges ist. Es ist anzustreben, den durch die verwendeten Rohstoffe und Herstellungsverfahren bedingten Längswiderstand möglichst niedrig zu halten. Mit der vorliegenden! Erfindung soll dieses Ziel jedoch nicht durch einen den Längswiderstandswert überschreitenden Querwiderstandswert erkauft werden. Es wird weiter mit der vorliegenden Erfindung bezweckt, daß für Elektroden mit 500 mm Durchmesser der radial gemessene spezifische elektrische Querwiderstand in der äußeren Querschnittshälfte des Elektrodenstranges maximal 11Ω·ΐηηι²/πι, bei Elektroden mit 600 mm Durchmesser und darüber vorzugsweise maximal 10,5Ω·πιπι²/ΐη betragen darf.

Es ist bekannt, daß die thermische Wechselbeständigkeit eines Werkstoffes durch Erhöhung seiner thermischen Leitfähigkeit verbessert werden kann. Es ist des weiteren bekannt, für thermisch beständige Graphitelektroden eine ausreichende Querleitfähigkeit für die Wärme zu fordern. Für metallene Werkstoffe

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"bestellt eine einfache Gesetzmäßigkeit zwischen, elek- 11 Ω ■ mm²/m nicht überschreiten darf. Bei Elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Die Angabe troden mit 600 mm Durchmesser hat sich gezeigt, daß des elektrischen Widerstandes ist bei Metallen ein der elektrische Querwiderstand vorzugsweise unter direktes Maß für die Wärmeleitfähigkeit. Diese Ver- 10,5 Ω · mm²/m liegen soll.

hältnisse sind bei Graphitformkörpern nicht gegeben. 5 Zu Punkt 2 hat sich nun gezeigt, daß bei diesen Es besteht wohl ein Zusammenhang zwischen, elektri- elektrischen Leitfähigkeitsverhältnissen Temperaturscher und thermischer Leitfähigkeit, jedoch sind beide differenzen, die zwischen Außenpartie und Kern aufGrößen, stark unterschiedlich und zum Teil sogar treten und Spannungen bewirken, dann leichter ergegenläufige temperaturabhängige, wodurch sehr korn- tragen werden können, wenn der Kern komprimierplizierte Wechselwirkungen zwischen thermischer und io bar ist.

e/ektrischer Leitfähigkeit bestehen. Bei den sehr unter- Es ist bekannt, aus diesen Gründen die Elastizitäts-

schiedlichen Temperaturverteilungen innerhalb -des moduln niedrig zu halten. Es wurde jedoch gefunden,

Querschnittes, einer im Betrieb beanspruchten Elek- daß bei niedrigen Elastizitätsmoduln die Zugfestig-

trode kann also die Angabe des elektrischen. Quer- keiten gleichermaßen erniedrigt werden. Die vor-

widerstandes kein Maß mehr für die thermische Leit- 15 liegende Erfindung erfaßt Elektroden, die außen eine

fähigkeit darstellen. Es ist somit nicht Grundlage der hohe Festigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul

vorliegenden Erfindiung, durch Angabe eines Quer- aufweisen, während der Kern einen niedrigeren

Widerstandes nur ein bestimmtes Maß der thermischen Elastizitätsmodul haben soll und damit leicht kom-

Querleitfähigkeit zu geben. Im Gegenteil scheinen primierbar wird.

tatsächlich neben gewissen thermischen Ausgleichs- 20 I_n einem Elektrodenstrang, der aus Elektroden und möglichkeiten quer zur Elektrodenachse die elektri- vorzugsweise doppelkonischen Nippeln besteht, ist ein sehen Leitfähigkeitsverhältnisse von fundamentaler ununterbrochener Leiterquerschnitt für den elek-Bedeutung für die Bewährung einer Elektrode bei irischen Strom längs zur Achse eigentlich nur in der starker elektrischer und thermischer Beanspruchung äußersten Ringhälfte des Elektrodenstranges gegeben, zu sein. Die Stromleitungsverhältnisse in einer belaste- 25 Für die Stoßstellen der einzelnen Elektroden ist daten Elektrode sind sehr kompliziert und können theo- bei der durch die Berührungsflächen an den Elekretisch infolge der sich überlagernden elektrischen trodenstirnflächen und zusätzlich durch die Gewinde-Effekte noch nicht übersehen werden. flankenanlage zwischen Nippel und Schachtel ge-Sicher ist nur, daß bei Elektrodensträngen mit gebene Leiterquerschnitt verstanden. Im Kern des einem derartigen Verhältnis von Längs- zu Quer- 30 Elektrodenstranges ist durch die Hohlräume zwischen widerstand die komplexen elektrischen und thermi- Nippel und Schachtelboden bei jeder Stoßstelle zweischen Beanspruchungen des Elektrodenstranges mit mal der Stromdurchgang in axialer Richtung unterElektroden großen Durchmessers ertragen werden broehen, und die Stromlinien müssen sich in den können. äußeren Randpartien verdichten. Es konnte nun ge-Auf die elektrische Beanspruchung wird später 35 fünden werden, daß die Elektrode als solche elektrisch noch näher eingegangen. und thermisch nicht stärker belastet wird, wenn diese Neben dieser Kennzeichnung der elektrischen Quer- Verdichtung der Stromlinien nicht nur in Nähe des leitfähigkeit hat sich nun gezeigt, daß auch andere Schachtelbodens, sondern über die gesamte Länge des Voraussetzungen gegeben sein müssen, um eine ther- Elektrodenstranges erfolgt. Diese Verdichtung der mische Wechselbeanspruchung zu überstehen. Diese 40 Stromlinien in der Außenhaut wird darüber hinaus Voraussetzungen bestehen entweder in einer Korn- bei Elektroden mit Durchmessern von 500 mm und primierbarkeit des Kernes der Elektrode oder aber darüber noch durch den bekannten Skineffekt verbei zusammengesetzten Elektrodensträngen an den stärkt. Es hat sich also gezeigt, daß durch eine ge-Stoßstellen der einzelnen Teile in einem geringeren wisse Ouerschnittsverengung der Elektrode im Kern thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kern- 45 keine zusätzliche elektrische und thermische Beanpartien des Stranges gegenüber den äußeren Rand- spruchung des Elektrodenstranges auftritt. Diese Erpartien. kenntnis wird bei der Erfindung zur Verminderung Die Forderung nach Beständigkeit gegen ther- der thermischen Schrumpfspannungen beim raschen mische Wechselbeanspruchung besteht sozusagen aus Abkühlen der Elektrode von außen her verwendet, inzwei Teilforderungen: 50 dem der Kern über die elastische Komprimierbarkeit

1. müssen sich die Temperaturen zwischen Elektrode hinaus irreversibel zusammendrückbar ausgebildet und Umgebung rasch ausgleichen können, ist. Wird nämlich der heiße Kern durch die sich ab-

2. müssen aus den durch diese Ausgleichfähigkeit ge- kühlende und damit zusammenziehende Außenhülle gebenen Temperaturunterschieden zwischen Kern- der Elektrode komprimiert, so> tritt keine Zugbean- und Randpartien des Elektrodenstranges die dar- 55 spruchung der Außenteile, die dann zum Reißen und aus resultierenden thermischen Spannungen er- Abbrechen der Elektroden führt, auf.

tragen werden können. Es konnte gefunden werden, daß eine besonders

Zu Punkt 1 ist zu sagen, daß dieser Temperatur- gute wechselbeständige Elektrode dann vorliegt, wenn

ausgleich für einen Elektrodenstrang, bestehend aus die Komprimierbarkeit der Elektrode in radialer Rich-

Graphitelektroden und Nippeln mit Durchmessern von 6° tung je kg/cm² Druckbeanspruchung größer als

500mm und größer, dann gegeben ist, wenn dieForde- 0,003%, vorzugsweise größer als 0,005 °/o, ist. Diese

rung nach einem Querwiderstand, der gleich groß oder Komprimierbarkeit kann durch niedrigen E-Modul

kleiner als der Längswiderstand ist, erfüllt wird und und darüber hinaus durch die verschiedensten Maß-

außerdem die Werte des Querwiderstandes unter be- nahmen erreicht werden. Die einfachste Maßnahme

stimmten Grenzwerten, welche wiederum vom Durch- 65 ist, die Kernpartien der Elektrode schwächer zu bin-

tnesser des Elektrodenstranges abhängen, begrenzt den, d. h., den Bindemittelanteil im Vergleich zu dem

sind. So konnte gefunden werden, daß bei Elektroden- Feststoffanteil in der grünen Mischung zu erniedrigen,

strängen mit 500 mm Durchmesser ein Höchstquer- Dadurch wird eine geringere Druckfestigkeit des

widerstand an jeder Stelle des Elektrodenstranges, Kernes erreicht. Bei einer Druckbeanspruchung tritt

radial gemessen in der äußeren Querschnittshälfte, 70 jedoch bei der Kompression eine Zerrieselung der

Kernpartien ein, welche sich auf das Abbrennen im Lichtbogen nachteilig auswirkt. Besser ist die Zugfestigkeit in den Randpartien der Elektrode im Vergleich zu der üblichen Druckfestigkeit zu erhöhen, was durch partielle Anwendung des an sich bekannten Pech-Imprägnierverfahrens möglich ist. Jedoch auch dadurch wird der Zerrieselungseffekt nicht ganz vermieden.

Es konnte gefunden werden, daß eine vorteilhaftere Realisierung dieser Komprimierkeit des Kernes dadurch erreicht wird, wenn man im Kern der Elektroden fest eingebundenes, in sich zusammendrückbares poröses Korn verwendet. Besonders vorteilhaft sind für diesen Verwendungszweck grobkörnige Koksstücke mit lamellenartiger Struktur und flachen linsenförmigen abgeschlossenen Poren.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann diese Komprimierbarkeit des Kernes dadurch erreicht werden, daß man bei der Ausformung der Elektrode aus der grünen Masse in den Kernpartien vorgeformte und vorgebrannte Hohlkörper in Form von plattgedrückten Rohren oder anderen rohrförmigen, z. B. sternförmigen Profilen verwendet, deren Rohrseele hohl ist und deren Rohrenden verschlossen sind. Diese Ausführungsform zeigt die beste erstrebte Wirkung bezüglich der Komprimierbarkeit ohne Zerrieselung und beeinflußt nicht die Brennverhältnisse des Lichtbogens an der Spitze des Elektrodenstranges. Es liegt des weiteren die Forderung nach einer Beschränkung dieser komprimierbaren Hohlformkörper auf der Kernpartie der Elektrode im Bereich dieser Erfindung.

Die mechanisch schwächsten Stellen in einem Elektrodenstrang sind die Stoßstellen zwischen den einzelnen, etwa 2 m langen Elektroden, die durch Nippel mit Doppelgewinde verbunden sind. Die Nippel müssen deshalb besonders stark und stabil ausgebildet werden, um so mehr, als man neuerdings immer mehr dazu übergeht, den Durchmesser des Nippels zugunsten der verbleibenden Schachteldicke zu reduzieren. Man verwendet deshalb als Nippelmaterial imprägniertes Graphitmaterial, welches besonders fest und dicht ist, jedoch dadurch einen größeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Elektrodenmaterial, in welches der Nippel eingeschraubt ist. Die Nippel werden ebenfalls aus stranggepreßten Stücken herausgedreht, so daß bei den bisher üblichen Nippeln wiederum die kristallographische Vorzugsrichtung der Graphitbasisebenen parallel zur Achse gegeben ist. Für die Nippel hat die Ausführungsform gemäß der Erfindung eines komprimierbaren Kernes des Elektrodenstranges keine praktische Bedeutung wegen der dadurch erfolgenden mechanischen Schwächung dieser schwachen Stelle im Elektrodenstrang. Der Nippel muß deshalb voll ausgeführt werden. Es kann also ein gegen thermische Spannungsbrüche unempfindlicher Elektrodenstrang dadurch hergestellt werden, daß Nippel verwendet werden, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten, in radialer Richtung senkrecht zur Elektrodenstrangachse gemessen, gleich groß oder vorzugsweise kleiner als die Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Elektroden sind. Nippel mit gleich großen Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden, ist naheliegend, weil man dadurch die gleichen Ausdehnungsverhältnisse wie im querschnittshomogenen Teil der Elektrode hat. Es muß jedoch auf den ersten Blick nicht verständlich erscheinen, warum man Nippel mit einem geringeren radialen Ausdehnungskoeffizienten als dem der Elektrodenschachtel verwenden soll, weil man dadurch Gefahr läuft, die Gewindeverbindung und somit auch die Gewindeflankenanlage zu lockern.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei der Abkühlung eines auf Ofentemperatur erhitzten Elektrodenstranges durch Herausschwenken des Ofendeckels mit den Elektroden eine sehr rasche Abkühlung des Elektrodenstranges von der Oberfläche her erfolgt. Die auftretenden thermischen Spannungen im Elektrodenstrang sind nun von dem Verhältnis der Wärmeabfuhr

ίο an der Oberfläche durch Konvektion und Abstrahlung und dem Wärmenachschub, also der Wärmeleitung, aus dem Inneren in die Randpartien abhängig. Gerade der letztere Umstand, nämlich die Wärmeleitung von innen nach außen, ist bei der Nippelverbindung besonders erschwert infolge der durch das Gewinde gegebenen Grenzfläche. Es kommt daher leicht zu einem Wärmestau im Nippel, welcher dann eine sprengende Wirkung auf die kältere Elektrodenschachtel ausübt. Diese sprengende Wirkung ist um so größer, je größer der Ausdehnungskoeffizient des Nippels im Vergleich zu dem der Schachtel ist, und diese wird sinngemäß verkleinert, wenn dessen Ausdehnungskoeffizient kleiner als der der Schachtel ist.

Die vorliegende Erfindung umfaßt somit einen bei höchster elektrischer und thermischer Beanspruchung widerstandsfähigen Elektrodenstrang für Lichtbogenofen, der aus Graphitelektroden und Verbindungsnippeln gebildet wird mit einem Elektrodendurchmesser von 500 mm und darüber. Einerseits muß der in der äußeren Querschnittshälfte an jeder Stelle des Elektrodenstranges radial gemessene, spezifische elektrische Widerstand gleich groß wie oder vorzugsweise kleiner als der durchschnittliche spezifische elektrische Längswiderstand des Elektrodenstranges sein. Des weiteren sollen die die inneren Querschnittshälften umfassenden Kernpartien des Elektrodenstranges in radialer Richtung leicht komprimierbar sein oder aber in radialer Richtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der geringer ist als der, der die Querschnittsfläche der Randpartie des Elektrodenstranges umfaßt.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet des weiteren Verfahren zur Herstellung derartiger Elektrodenstränge. Es ist bereits erwähnt worden, daß durch den Preßvorgang eine gewisse Vorzugsrichtung in der Elektrode eintritt, hervorgerufen

1. durch unterschiedliche Fließ vorgänge in der grünen Mischung bei der Preßverformung unter teilweiser Entmischung der anfänglich homogenen Festkörpersuspensionen in aufgeschmolzenem Bindemittel und

2. durch Einschwenken der Einzelkörper mit ausgezeichneten Spaltflächen . in Preßrichtung beim Strangpressen und quer zur Preßrichtung beim Gesenkpressen.

Die durch Punkt 1 bedingten Vorgänge führen zur sogenannten Grob- oder Preßstruktur, die durch Punkt 2 hervorgerufene kristallographische Vorzugsrichtung zur Textur.

Will man eine bestimmte kristallographische Vorzugsrichtung in einer Elektrode erhalten, so¹ muß man nach vorliegender Erfindung zwei grundsätzliche Möglichkeiten unterscheiden, die jedoch miteinander kombinierbar sind.

Die erste Möglichkeit ist, das für die Elektrodenmischung verwendete Grobkorn bewußt isotrop zu halten und dem zu blättchenförmigen Teilchen aufgemahlenen anisotropen Koksstaub die übliche Vorzugsrichtung zu verleihen. - Für die Herstellung von den Gegenstand dieser Erfindung betreffenden Elek-

trodensträngen kommen nur Formgebungsverfahren wie Gesenkpressen, Stampfen oder Rütteln zu Elektrodenformkörpern in Frage. Will man nämlich die Textur ausschließlich durch den Staub erreichen, so müssen übliche Strangpreßverfahren vorerst ausgeschlossen werden. In Gesenkpressen erhält man eine Schichtung der blättchenförmigen Koksstaubkörner quer zur Preßrichtung, somit also in der in vorliegender Erfindung beschriebenen Vorzugs richtung.

2 m lange Elektroden können wohl gestampft oder gerüttelt werden. Gesenkpressen gestaltet sich jedoch bei diesem Verhältnis von Durchmesser zur Länge sehr schwierig. Zur Realisierung derartiger Gesenkpressungen sei auf das Schichtpreßverfahren verwiesen.

Der zweite Weg, um eine Textur in der Graphitelektrode zu erreichen, ist, Grobkorn mit Vorzugsrichtung zu verwenden und dieses Grobkorn in der Kornform so. auszugestalten, daß es sich bei dem üblichen Formgebungsverfahren wunschgemäß mit der kristallographischen Vorzugsrichtung parallel zur Basisachse senkrecht zur Elektrodenstrangrichtung legt. Verwendet man Gieß-, Rüttel- oder Preßverfahren, so können die Grobkörner blättchenförmige Gestalt haben mit der Graphitkristallbasisebene, vor allem parallel zu den Plättchen. Beim Strangpreßverfahren allerdings würden sich diese blättchenförmigen Grobkörner in der unerwünschten Richtung orientieren. Deshalb müssen für das Strangpreßverfahren, die orientierten Grobkörner anders ausgebildet sein. Vorzugsweise kann man zylinderförmige oder nudeiförmige Grobkörner verwenden, deren Basisebene senkrecht zur Zylinderachse liegt- und deren. Dimensionierung in axialer Richtung die in Radialrichtung überwiegt, so daß sich auch beim Strangpreßverfahren die Grobkörnier in gewünschter Richtung durch den Fließvorgang orientieren. Der Effekt der verstärkten Textur kann durch Kombination des ersten, und des zweiten Weges besonders verstärkt werden.

Ein besonders, günstiger Weg, um mit orientiertem Fein- oder Grobkorn im Strangpreßverfahren zu einer einfachen Querorientierung der Blättchen zu kommen, ist der, wenn die Elektrodenmasse vor der Gesenkpressung im Füllzylinder so weit vorverdichtet wird, daß eine Vororientierung der Einzelteilchen durch Stampfen oder Gesenkpressen stattfindet und der anschließende Preßvorgang unter geringster Verformung durch das Mundstück erfolgt, so daß wohl noch eine geringe Verdichtung unter Luftauspressung und Ausbildung einer gewissen geringen Fließgrobstruktur zur Verfestigung bei der Elektrode erreicht wird, daß aber durch die Verformung durch das Mundstück nicht mehr eine Umorientierung der einzelnen Grob- und Feinkörner erfolgen kann. Mit Vorteil kann diese Preßverdiichtung im Massezylinder mit zylinderartigen, jeweils nur einen Bruchteil des Gesamtzylinderquerschnittes betragenden, η ebenein ander liegenden Preßstempeln erfolgen, wodurch die Stampfung zwischen den jeweiligen Nachfüllungen zu schichtpreßartigen, vorverformten Gefügeanteilen innerhalb nicht vorverformter (nämlich den zwischen den einzelnen Stampfzylindern liegenden) Massen führt.

Des weiteren kann man nach der Erfindung mit Vorteil ein synthetisches Grobkorn verwenden, und zwar ein Grobkorn mit einer kristallographischen A^orzugsrichtung. Es ist zwar bekannt, ein synthetisches Grobkorn dadurch zu erzeugen, daß man Feinstaub mit Bindemittel zu unregelmäßigen Formen ausformt und dann leicht vorbrennt, um so ein sehr isotropes synthetisches Grobkorn zu erhalten. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt dagegen die Herstellung eines stark anisotropen Grobkornes, indem, man fein aufgemahlene, blättchenförmige Kokspartikeln mit Bindemittel zu Peletts oder Zylindern verpreßt und diese dann nach einer leichteren Ankokung oder Vorverkokung als synthetisches Grobkorn bei der Herstellung der Elektrodenmasse verwendet. Diese Maßnahme hat neben der Erreichung der Vorzugsrichtung auch noch eine sehr starke Bindefestigkeit zur Folge. Vermutlich liegt dies daran, daß das in der Elektrodenmasse enthaltene Pechbindemittel derartiges synthetisches Grobkorn, das selbst noch unverkokte Pechanteile enthält, besser benetzt und daß das angekokte Pechbindemittel im synthetischen Grobkorn sozusagen angequollen wird und dadurch eine sehr innige und feste Verbindung erzielt wird, unter Beibehaltung des erstrebten Textureffektes.

Schließlich liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch noch die Maßnahme, unter Verwendung von synthetischem Grobkorn, dieses synthetische Grobkorn hohl mit schlitzartigen Rohrseelen, die in axialer Richtung leicht zerdrückt werden können, zu versehen. Demnach kann man im Kern der Elektrode vorgeformte und vorgebrannite Hohlkörper in Form von plattgedrückten Rohren oder anderen rohrförmigen Profilen, deren Rohrseele hohl ist und deren Rohrenden verschlossen sind, verwenden, um so eine über die elastische Komprimierbarkeit hinausgehende Komprimierbarkeit der Elektrode im Kern zu gewährleisten.

Dieses Verfahren hat sich zur Herstellung von. Elektroden für Lichtbogenofen großen Durchmessers, die sehr dicht, fest, elektrisch gut leitend und den Anforderungen· einer gleich großen oder besseren Querais Längsleitfähigkeit voll entsprechen, bewährt.

Claims (11)

Patentansprüche.·

1. Graphitelektrode für elektrische Lichtbogenofen, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitkörper eine kristallographische Vorzugsrichtung der hexagonalen Graphitkristalle mit deren Basisfläche parallel zur Querschnittsfläche der Elektrode aufweist,

2. Graphitelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radial gemessene, spezifische elektrische Querwiderstand 11 Ω mm²/m nicht überschreitet.

3. Aus Graphitelektroden und Verbindungsnippeln gebildeter Elektrodenstrang für Lichtbogenöfen mit Elektrodendurchmesserni von 500 mm und darüber, dadurch gekennzeichnet, daß der in der äußeren Querschnittshälfte an jeder Stelle des Elektrodenstranges radial gemessene spezifische elektrische Widerstand gleich groß wie oder vorzugsweise kleiner als der durchschnittliche, 11,5 Ω ■ mm²/m nicht überschreitende spezifische elektrische Längswiderstand des Elektrodenstranges ist und die die inneren Querschnittshälften umfassenden Kernpartien des Elektrodenstranges in radialer Richtung leicht komprimierbar sind oder aber bei hohem Elastizitätsmodul in radialer Richtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der gleich groß oder bzw. geringer ist als der die äußere Ouerschnittshälfte umfassenden Randpartie des Elektrodenstranges.

4. Graphitelektrode in einem Elektrodenstrang nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche mit einem Durchmesser von 600 mm und darüber, dadurch gekennzeichnet, daß der spezi-

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fische elektrische Querwiderstand unter 10,5 Ω · mm²/m liegt.

5. Graphitelektrode in einem Elektrodenstrang nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Elektrode in radialer Richtung je kg/cm² Druckbeanspruchung um mehr als 0,003%, vorzugsweise um mehr als 0,005%, komprimierbar ist.

6. Verbindungsnippel in einem Elektrodenstrang nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient, in radialer Richtung senkrecht zur Elektrodenachse gemessen, gleich groß oder vorzugsweise kleiner als der Ausdehnungskoeffizient der zu verbindenden Elektroden ist.

7. Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Nippeln nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine grüne plastische Masse mit isotropen Kokskörnern und blättchenförmigem, stark anisotropem Koksstaub durch an sich bekannte, für Elektroden, jedoch unübliche Formgebungsverfahren wie Gesenkpressen, Stampfen oder Rütteln zu Rohformlingen ausgeformt und anschließend einer üblichen Brenn- und Graphitierungsbehandlung unterworfen wird.

8. Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Nippeln für einen Graphitelektrodenstrang nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche durch Gießen, Rütteln, Pressen oder sonst bekannte Verdichtungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die grüne Masse Grobkorn mit einer kristallographischen Vorzugsrichtung enthält und diese so gestaltet ist, daß sich das Grobkorn mit den Flächen parallel zu den bevorzugten Basisebenen der Graphitkristalle quer zur Elektrodenstrangachse orientiert.

9. Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Nippeln· für einen Elektrodenstrang nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenmasse unter Gesenkpressung im Füllzylinder vorverdichtet wird und der anschließende Strangpreßvorgang unter geringster Verformung durch das Mundstück erfolgt.

10. Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Nippeln für einen Elektrodenstrang nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche durch Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenmasse zum Großteil aus zylinderförmigen, vorgepreßten Agglomeraten besteht, welche eine kristallographische Vorzugsrichtung der Graphitkristalle mit deren Basisebene parallel zur kleineren Querschnittsabmessung der vorgeformten Körper aufweisen.

11. Verfahren zur Herstellung von Graphitelektroden für einen Elektrodenstrang nach Anspruch. 3 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kern der Elektrode vorgeformt« und vorgebrannte Hohlkörper in Form von plattgedrückten Rohren oder anderen rohrförmigen Profilen, deren Rohrseele hohl und deren Rohrenden verschlossen sind, verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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