DE1054193B - Gewindenippel zum Verbinden von Graphitelektroden - Google Patents

Description

Graphitelektroden in elektrischen Lichtbogenöfen werden in dem Maße, als sie im Lichtbogen verbraucht werden, durch Ansetzen neuer Elektrodenstücke oberhalb des Ofendeckels verlängert. Das Verbinden der etwa 1 bis 2 m langen Elektrodenabschnitte erfolgt in an sich bekannter Weise durch Gewindenippel. Vorzugsweise verwendet man doppelkonische Gewindenippel, welche bei guter Zentrierung der Elektrodenabschnitte eine sehr rasche Arbeitsweise beim Annippeln ermöglichen. DieGewindenippel werden ebenso wie die Graphitelektroden aus Elektrographit hergestellt. Beim Betriteb der Lichtbogenschmelzöfen wird nun in den meisten Fällen der Ofen zum Abgießen des erschmolzenen Metalls gekippt. Dadurch werden die Elektrodenstränge sehr stark mechanisch auf Biegung beansprucht. Außerdem kommt es im Lichtbogenofen besonders beim Einschmelzen von Metall, was unter sehr starker elektrischer Belastung erfolgt, zu starken Vibrationen, welche zu einer mechanischen Dauerbeanspruchung der erhitzten, von Strom durchflossenen Elektrodenstränge führen. Es ist deshalb von besonderer Bedeutung, die Nippel mechanisch sehr fest auszuführen, um Brüche in den Nippelstellen zu vermeiden. Man verwendet daher fast nur sogenannte imprägnierte Nippel. Bei dieser Imprägnierung handelt es sich um eine Pechimprägnierung nach dem ersten Brennen oder nach der Graphitierung. Dieses Imprägnierbindemittel im gebrannten Nippel wird dann einer nochmaligen Brenn- und Graphitierungsbehandlung unterworfen. Derartig imprägnierte Etektrographitkörper weisen eine besonders hohe Biegebruchfestigkeit, die bei 150 bis 250 kg/cm² liegt, auf, während die Festigkeit der Graphitelektroden aus Elektrographit höchstens halb so groß ist.

In neuerer Zeit hat es sich nun gezeigt, daß bei den elektrisch und thermisch sehr hoch belasteten Elektroöfen die Graphitelektrodenstränge während des Betriebes oft Brüche erleiden. Einerseits dürfte hierfür die starke mechanische Beanspruchung durch Vibration verantwortlich zu machen sein, wie sie bei der Anwendung hoher Spannungen in der Einschmelzperiode zur Erzielung kurzer Emschmelzzeiten auftreten. Andererseits erleiden die Elektrodenstränge beim Herausfahren der Elektroden, z. B. beim Nachchargieren oder beim Gießen, eine sehr schroffe Abkühlung, von der Oberfläche ausgehend. Dadurch treten große thermische Spannungen auf, welche sich in tangentialen Zugspannungen an der Oberfläche auswirken und zu Rißbildungen führen.

Es konnte nun gefunden werden, daß besonders die Verbindungsstellen des Elektrodenstranges für solche Rißbildungen, die zum Bruch führen können, anfällig sind. Eine systematische Untersuchung dieses Elektrodenbruchproblems hat nun das Ergebnis gezeitigt, Gewindenippel zum Verbinden von Graphitelektroden

Anmelder:

Siemens-Planiawerke Aktiengesellschaft für Kohlefabrikate, Meitingen bei Augsburg

Dr. Waldemar Kaufmann, Dr. Erich Fitzer, Dr. Margot Beutell und Friedrich Selka, Meitingen bei Augsburg, sind als Erfinder genannt worden

daß die Verbindungsnippel während des Betriebes des Elektroofens eine viel höhere Temperatur als die Elelctrodenmittelteile im verbindungsnippelfreien Elektrodenstrangabschnitt aufweisen. Obwohl die imprägnierten Materialien besonders gut thermisch Ieitend sind, konnte gefunden werden, daß die Begrenzungsflächen im Gewinde zwischen Nippel- und Elektrodenschachtel den Wärmefluß vom überhitzten Nippel zur sich abkühlenden Elektrodenrandpartie doch nicht in dem Maße ermöglichen, wie dieser in der Vollelektrode stattfindet. Hierdurch kommt es trotz der thermisch gut leitenden Graphitmasse im Verbindungsnippel zu einem Wärmestau im letzteren und dadurch zu einer höheren Temperaturdifferenz zwischen Nippel und Schachtel, die im praktischen Betrieb mit 500° C beobachtet werden konnte.

Es konnte nun gefunden werden, daß fast alle Schachtelbrüche auf die Überhitzung des Nippels gegenüber der Elektrodenrandpartie im Schachtelteil zurückgeführt werden können. Der Nippel übt beim oberflächlichen Abkühlen des Elektrodenstranges somit eine sprengende Wirkung auf den Schachtelhals aus. Eine systematische Beobachtung von Lichtbogenelektroden hat ergeben, daß fast 90 bis 95 ^lVo aller Elektrodenbrüche auf derartige., durch die Sprengwirkung des Nippels hervorgerufene Schachtelrisse zurückzuführen sind. Durch derartige Brüche kann der Elektrodenverbrauch steigen, der auf Grund des Abbrandes und der Verdampfung der Elektrode im Lichtbogen bei etwa 4 bis 6 kg/t Stahl liegen sollte,

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auf Werte von 6 bis 9 kg Graphit je Tonne eingeschmolzenen Stahls.

Durch die Erfindung sollen derartige Elektrodenbrüche, welche nicht nur den Verbrauch des Elektrodenmaterials ungünstig beeinflussen, sondern auch noch empfindliche Betriebsstörungen mit sich bringen, vermieden werden. Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, daß der in radialer Richtung gemessene thermische Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der in gleicher Richtung gemessene Ausdehnungskoeffizient der zu verbindenden Elektroden und vorzugsweise weniger als 80°/o des genannten Ausdehnungskoeffizienten der Elektroden betragt. Im Gegensatz zu dieser erfindungsgemäßen Verwendung von Elektrographitnippeln mit kleinerem Ausdehnungskoeffizienten weisen alle bisher verwendeten Elektrographitverbindungsnippel immer einen höheren Querausdehnungskoeffizienten als die zu verbindenden Elektroden auf. Durch die Pechimpragnierung während der Herstellung derartiger fester Elektrographitkörper ist dieser hohe Ausdehnungskoeffizient bedingt. Es ist wohl bekannt, Graphitelektroden mit möglichst geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden, obwohl bisher die Messung und Untersuchung derartiger Ausdehnungskoeffizienten immer auf die Längsrichtung des stranggepreßten Formkörpers, also auf die Längsrichtung der Elektrode, bezogen worden ist. Es ist nicht bekannt, Nippel mit möglichst geringer thermischer Ausdehnung zu verwenden. Im Gegenteil hat man Verbindungsnippel mit großem thermischem Ausdehnungskoeffizienten bevorzugt, um während des Betriebes eine Verfestigung der Verbindungsstelle durch die Verkeilung des sich stärker ausdehnenden Nippels zu erreichen. Das Problem wurde erst kritisch,- als man zu extremen Belastungen der Lichtbogenelektroden in elektrischer und thermischer Hinsicht geschritten ist.

Durch die Erfindung wird auch bei diesen hohen Belastungen eine Lockerung der Verbindungsstelle und eine sprengende Wirkung des Elektrodenschachtelhalses vermieden.

Bei der Elektrodenverbmdungsstelle mit dem erfindungsgemäßen Gewindenippel ist es nicht notwendig, Elektroden mit extrem niederen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden. Es ist in einer anderen Patentanmeldung bereits dargelegt worden, daß es vor allem wichtig ist, eine gute thermische Querleitfähigkeit in einer Elektrode'zu gewährleisten, um eine Überhitzung der Elektrodenseele gegenüber den Randpartien mit Sicherheit vermeiden zu können. Sind diese Verhältnisse gewährleistet, so kann der thermische Ausdehnungskoeffizient ruhig größer sein, weil trotzdem die thermischen Sch rumpf spannungen bei guter Ouerleitfähigkeit gering sein werden. Wichtig ist lediglich, daß der Ausdehnungskoeffizient in radialer Richtung des Nippels kleiner als der der Elektrode ist. Dadurch erreicht man in der Nippelstelle die gleichen Spannungsverhältnisse (mechanische Spannungen) wie im" nippelfreien Elektro den teil zwischen Kern- und Randpartie. Auch im Falle eines schlechten Wärmedurchgangs an den Gewindeflächen tritt eine sprengende Wirkung des Nippels auf die Elektrodenschachtel nicht ein.

Die Erfindung beinhaltet nicht nur die Forderung nach bestimmten physikalischen Eigenschaften eines Elektrodenbrüche im Betrieb vermeidenden Gewindenippels, sonder gibt auch Verfahren bekannt, wie man zu derartigen Nippeln kommen kann.

Es hat sich nun als besonders günstig ein Nippel erwiesen, der eine kristallographische Vorzugsrichtung

der hexagonalen Graphitkristalle mit deren Basisflächen parallel zur Ouerschnittsfläche des Verbindungsnippels aufweist. Alle stranggepreßten Kohleformkörper zeigen eine Anisotropie in ihrer kristallographischen Feinstruktur. So zeigen diese eine kristallographische Vorzugsrichtung mit den Basisebenen der Graphitkristalle parallel zur Preßrichtung, also parallel zur Elektrodenstrangachse. Es konnte nun gefunden werden, daß gleichlaufend mit dieser

ίο kristallographischen Vorzugsrichtung auch eine Anisotropie der thermischen Ausdehnung vorliegt. Gegenstand vorliegender Erfindung ist nun ein Graphitnippel, der, entgegen den üblichen stranggepreßten Formkörpern, eine kristallographische Vorzugsrichtung mit deren Basisebene quer zur Elektrodenachse aufweist. Dadurch erzielt man ein Verhältnis für thermische Ausdehnungen in der radialen Richtung zur axialen Richtung von etwa 2 :3,5. Die stranggepreßte Elektrode dagegen hat Ausdehnungsverhältnisse von etwa 2,5 : 2.

Dadurch hat ein imprägnierter Nippel in radialer Richtung einen thermischen Ausdeihnungskoeffizienten von 2 · IO^-6 je ° C, während die stranggepreßte Elektrode, die nicht imprägniert ist und daher einen Veras gleichsweise niederen Ausdehnungskoeffizienten hat, durch die andere Voirzugsrichtung in radialer Richtung eine Ausdehnung von 2,5 · ICr^-6, während dieser in axialer Richtung bei 2 · IO^-6 liegt. Der Nippel dehnt sich somit in radialer Richtung erfindungsgemäß je ⁰C geringer aus als die Schachtel, was bei seiner hohen Temperatur etwa zu gleicher absoluter Ausdehnung führt. In axialer Richtung dehnt er sich dagegen stärker aus als die Elektrode, fast um das doppelte Ausmaß. Dies führt nun erfindungsgemäß zu einem besonders guten Anliegen im Gewinde bei einem doppelkonischen Gewinde mit trapezförmigem Gewindeprofil, weil sogar die sonst nicht anliegenden, der Stoßfläche abgekehrten Gewindeflanken zur Anlage kommen und für den Stromtransport und den Wärmefluß in Querrichtung zur Verfügung stehen. Mit derartigen Nippeln verbundene Elektrodenstränge haben während des Betriebes bisher in keinem Falle. Lockerungen gezeigt. Natürlich kann man, wie dies von Praktikern bevorzugt wird, auf alle Fälle die an sich bekannten Maßnahmen zur Sicherung der Gewindeverbindung gegen Lockerung, wie Nippelstifte oder Pechstiftimprägnierungen, auch hier zusätzlich anwenden. Derartige Sicherungsmaßnahmen sind jedoch nicht unbedingt erforderlich.

Der im letzten Teil beschriebene Nippel mit einer kristallographischen Vorzugsrichtung der Graphitkriställchen mit deren Basisebene quer zur Elektrodenachse wird vorteilhafterweise abweichend von der bisherigen üblichen Herstellung von Nippelmaterial nicht durch Strangpressen, sondern durch Gesenkpressen in an sich für Graphitformkörper bekannter Weise hergestellt. Auch die bekannten Formgebungsverfahren durch Rütteln und durch Stampfen können angewendet werden. Derartig erzeugte Formkörper müssen dann anschließend zur Erzielung höchster Festigkeiten ebenso wie die stranggepreßten Nippel in an sich bekannter Weise einer Pechimprägnierung und einem neuerlichen Brennverfahren unterworfen werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß man auch nach einem gänzlich anderen Verfahren die erfindungsgemäßen Nippel herstellen kann. Verwendet man sogenannte Gießmassen, d. h. feinkörnige, jedoch sehr bindemittelreiche Massen, so kann man auf eine Preßformgebung der grünen Masse überhaupt verzichten und die erhitzte Festkörper-Bindemittelsuspension in

Claims (5)

ι ut>4 iy3 entsprechende Formen gießen. Derartige Nippel weisen bei einem sehr geringen Volumgewicht eine ausgezeichnete Festigkeit bei sehr guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit auf. So konnten Biegefestigkeiten von 150 kg/mm2 bei einem Volumgewicht von 1,55 bis 1,56 erreicht werden. Die thermische Ausdehnung liegt überraschenderweise äußerst niedrig. Sie ist in beiden Richtungen gleich und liegt bei 1,5 bis 2 · IO-6 je ° C. Die üblichen stranggepreßten Graphitelektroden dagegen liegen in Preß richtung, also in Längsrichtung bei 2 bis 2,5 und in Querrichtung meist um 2,5 bis 3,5 · IO-6 je ° C. Somit entsprechen die nach dem Gußverfahren hergestellten Nippel den dieser Erfindung zugrunde liegenden Anforderungen. Patentansprüche:

1. Gewindenippel aus Elektrographit zum Verbinden von elektrisch und thermisch hochbelasteten Graphitelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der in radialer Richtung gemessene thermische Ausdehnungskoeffizient des Gewindenippels kleiner ist als der in gleicher Richtung gemessene Ausdehnungskoeffizient der zu verbindenden Elektroden und vorzugsweise weniger als 80% des genannten Ausdehnungskoeffizienten der Elektroden beträgt.

2. Gewindenippel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß' dieser eine kristallographische Vorzugsrichtung der hexagonalen Graphitkristalle mit deren Basisflächen parallel zur Ouerschnittsfläche des Verbindungsnippels aufweist.

3. Verfahren zur Herstellung von Gewindenippeln nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung durch Rütteln, Stampfen oder Gesenkpressen erfolgt und nach dem Brennen eine Pechimprägnierung stattfindet.

4. Verfahren zur Herstellung von Gewindenippeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung durch Vergießen der grünen Elektrodenmasse in entsprechende Formen erfolgt.

5. Verfahren zur Herstellung von Gewindenippeln nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gebrannten oder graphitierten gegossenen Formkörper mit Pech imprägniert und einer nochmaligen Brennbehandlung unterworfen werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 419 968, 498 796;
Buch von Rudolf Taussig: »Die elektrischen Schmelzöfen«, Verlag Springer, Wien 1933, insbesondere S. 116.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 967 625.

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