DE1962565A1 - Elektrode,insbesondere fuer Lichtbogenoefen - Google Patents

Description

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Augsburg, den 11. Dezember 1969

Westinghouse Electric Corporation, 3 Gateway Center, Λ

Pittsburgh, Pennsylvania, Vereinigte Staaten von

Amerika

Elektrode, insbesondere für Lichtbogenöfen

Die Erfindung betrifft Elektroden, insbesondere für Lichtbogenöfen, welche jeweils eine Elekcrodenspitset: sovde eine diese Elektrodenspitze tragende Säule und einen ^imi-astens einen Hauptteil dieser tragenden Säule un&chlisäenäer Wärmeschild aufweisen,

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Die Erfindung betrifft allgemein sich nicht verzehrende Lichtbogenelektroden und insbesondere solche sich nicht verzehrende Lichtbogenelektroden, welche hauptsächlich in den genannten Lichtbogenöfen verwendet werden.

In den US-amerikanischen Fatentschriften Nr. 3 369 O67» Mr. 3 377 4X8, Nr. 3 385 987 und Nr. 3 398 229 sind Lishtbogenelektroden beschrieben, welche hauptsächlich eine tragende Säule, einen Wärmeschild, eine Elektrodenspitze sowie eine innere Feldspule aufweisen, welch letztere ein ^'apietfelü derart; aufbaut, daß sich der Lichtbogen üo-*r Si© ^TAchtbogen-Bildungsi'läoks der Elektroden-

_s ΐόί—;-**■ 3 -aar Säul·* wird elektrischer i3"d'- ; . ^:%;;i'.·:;;, l·^ -.:ηά ..-.•'■""^Γί.'βιη Kühl™ rO'i^i:.^p..l"■ ;^ iiiir- ait/. ve⁷" iii'ir weg-

isoliert είπα*

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;-H'." jzi-Hi Sinn üsac ■ ^Wrml an der Außsiuiei?.? des»

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schmelzende Material dann mit der Säule einen Lichtbogen bildet, wenn es beim Schmelzen gegen die Säule fällt. In beiden Fällen kann es passieren, daß in die Säule ein Loch gebrannt wird, so daß der Lichtbogenofen sofort abgeschaltet werden muß; außerdem besteht höchste Explosionsgefahr, wenn aus diesem Loch sprudelndes Wasser mix heißen, reaktionsfähigen Metallen in Berührung kommt.

Es sind verschiedene Yt#ryuche unternommen worein j die Außenseite der Säule z\x isolieren, beispielweise durch Beschichten mit Tonerde bzw. cr.irch Auft.?&#mj ei.'ier dicken Keramikachiiht. Diese laolatriorv^ja^ra :α.;.^: ·■ ^;;.·ολ jede Jh bei den auf trei-erui£n hoh?n Te;·.;;-·¹ ■ ί ',ui-an ;;.·^ i,i-ΐ begrenzte Lebensdauer auf i-nci auficrdc,:r- b-s^^.öL' .: . ■ '), daß Teilchen dieser Isolationsmt t^r- a"' ι-'-, ir· ■'■' -.-:. ·:^ ι?-2 fallen und damit unerwünschte Verunre;· :..■ r; .n*;,-.^"¹ r.',-? r,-:>hmslze bzw. Fehlstellen in den üußolocken htirvorrurerj

Durch die Erfindung soll die Aufgabe ge lot" y-si»vie?ij eina sich nicht verzehrende Lichtbogenelektrode de^aν« zu verbessern, daß der Lichtbogen nur an der Elektrodenspitze auftritt und daß sich keine Teilchen von d$r Elektrodenummantelung lösen können, so daß sich eine höhere Lebensdauer und eine größere Betriebssicherheit ergaben.

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Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Elektrode, insbesondere für Lichtbogenöfen, welche eine Elektrodenspitze sowie eine, diese Elektrodenspitze tragende Säule und einen mindestens einen Hauptteil dieser tragenden Säule umschließenden Wärmeschild aufweist, welche gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß dieser Wärmeschild eine jeweils von der Elektrodenspitze und der tragenden Säule elektrisch isolierte Anordnung aus Metall aufweist und daß ein einen Strömungsmitteldurohlaß bildende!* Raum derart zwischen dem Wärmeschild und der tragenden Säule angeordnet ist, daß ein Kühlmittel lurch ciieaen Raum hindurchgeleitet werden kann.

Der Wärmeschild erfüllt keine tragende Funktion und kamx deslialb als von der Säule unabhängiges Teil aufgefaßt werden. Andererseits bilden die Innenwände der aus Ringen gebildeten genannten Anordnung aus Metall einen ringförmigen Strömungsmitteldurehlaß, durch welchen hindurch ein Strömungsmittel zur Elektrodenspitze geleitet wird, so daß der Wärmeschild als ein mit der Säule gemeinsames T®il aufgefaßt werden kann.

Bei cter erfindungsgemäßen Lichtbogenelektrode wird der Strom durch ein im Inneren von voneinander isolierten

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Segmenten angeordnetes und von diesen Segmenten räumlich getrenntes, gesondertes Rohr zur Elektrodenspitze geleitet. Die, die Anordnung aus Metall bildenden Metallringe sind durch dünne Ringe aus Isolationsmaterial, wie beispielsweise Glimmer, jeweils voneinander getrennt. Diese jeweils Segmentform aufweisenden Ringe sind in bezug auf das stromführende Rohr koaxial fluchtend zu diesem und räumlich getrennt von diesem Rohr mittels Abstandsstücken angeordnet, ™ welch letztere am Umfang der Segmente in bestimmten Abständen voneinander angeordnet sind. Diese Abstandsstücke bestehen aus Nylon bzw. aus einem anderen Isolationsmaterial. Jeweils zwischen den einander benachbarten Ringen des aus Ringsegmenten zusammengesetzten Wärmeschildes angeordnete Q-Ringe dienen ssur Abdichtung. Es sind bestimmte Einrichtungen vorgesehen, welche diese O-Ringe zusammenpressen. Belleville-Tellerfedern glsiohen die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen den äußeren | Ringen des WärmeSchildes, welch letztere der Lichtbogenofentemperatur ausgesetzt sind, und dem inneren^ stroaifiinrenden Rohr aus, welches sich nicht erwärmt» Dieses innere, stromführende Rohr ist stark genug ausgeführt,, so daft es das Gewicht der Elektrodenspitze und der Hinge -i^ Vär.me-3childes zu tragen vermag und au&erdem den vor, is^r^ir ausgeübten Kräften standhält, Die isolierenden ^isein lagen zwischen ds.n Metal !ringen ■■/,*■;:■ riilnz, ■■■ - ' ;> ^v

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sehr geringer Teil ihrer Oberfläche der Wärmeeinwirkung ausgesetzt ist. Außerdem werden diese dünnen Ringe durch die auf jeweils einer Seite befindlichen wassergekühlten Metallringe von innen her gut gekühlt. Das Metall des WarmeschiMes befindet sieh zwar auf Elektrodenpotential bzw, in der Nähe des Elektrodenpotentials« Durch jeweils einen Ring fließt jedoch nur ein sehr schwacher Strom, da der Widerstand der Isolation bzw. des mit dem Stromversorgungsrohr' und <3en Isolationsringen in Kontakt könnenden Wassers sehr aoch ist.

üemäß siiiess b©£.-3;· leren Merkmal dar E£^j*'„:T.<iung wer-:⁷ en is MstallrdZ?:?. des &=■- T-■ ^»ß^gm^iiM-.L· üesteheyiisii WSrraev .",Ιΰ,.-β ;?··.νν;>. "\;.. ·~ι±\.-^:¹ -'i "-:)':' z<A& ^:r 'J-.; ^Γ'·ί·;*&^"^: :;:■"; i:;;f ο Inen»

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und sip /-^a ds? g erreii-^-z-j oder ab.·;·ι* ^^i^^öfa eusrpotenttals c^.- ":.3o;L-'it;ions ηΓ'-η bis a-iif 'Ji^i^

oberen Ende der Elektrode zwischen der tragenden Säule und den übereinandergeschichteten Ringsegmenten angelegt.

Im folgenden wird eine bevorzugte Aasführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert, in welchen die fig. la und Ib zusammengenommen teilweise Im Schnitt eine Ansicht einer Lichtbogenelektrode nach der Erfindung zeigen.

In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 1.0 allgemein eine Elsktrodsnspitze, während jeweils gegeneinander isolierte Metallringe ait den Bezugs ziffern %l bis- Zi versehen sind. Der Metailring 21 icI derart daß zur Erzielung der Dichtigkeit g^ger; -sir* mittel durch O-Ringe 23, welche jiii-xla in ϊ Ringen in Ringnuten 2b angeordnet sin:,. %uf ^ as tob den Hingen gebildete Paket ein Druck ausgeübt treydeü kann» Die Ringe Ii bis 21 bestehen jeweils aus Metall und sind Jeweils gegeneinander durch an beiden Seiten der Hinge jeusiis angeordnete dünne Ringe aus Isolationsmaterial elskc^isch isoliert. Diese Isolationsringe tragen jeweils die Bezugsziffer 26 und bestehen beispielsweise aus Glimmer*

Eine die Elektrodenspitze tragende Säule weist drei

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konzentrische Rohre 31 bzw. 32 bzw. 33 auf, von welchen das Rohr 31 als Tragrohr dient, Zwischen den Rohren 33 und befindet sich ein Strömungsmitteldurchlaß, über welchen ein Strömungsmittel zur Innenwandung des Rohres 31 geleitet wird. In dem ringförmigen Raum zwischen den Rohren 31 und 32 verlaufen zwei Leitungen, welche jeweils von einer Büchse aus Isolationsmaterial eingeschlossen sind und welche sowohl ein Kühlmittel als auch elektrischen Strom zu einer Feldspule hinleiten bzw. von dieser Feldspule wegleiten und damit den elektrischen Stromkreis zu der Feldspule schließen. Eine dieser Leitungen 35 ist zusammen mit ihrer isolierenden Büchse 36 in der Zeichnung dargestellt. Gemäß der Darstellung in den Fig. la und Ib weist ein Sferömungsmitteldurehlaß 38 zwar eine im allgemeinen zylindrische Form aufj tatsächlich tritt jedoch das Strömungsmittel längs der gesamten Innenwandung des Rohres 31 ein, da der Raum swischen der Außenwandung des Rohres 32 und der limenwandirag des Rohres 31» welcher nicht von den Isolierbüehsen 36 erreicht wird, mit Strömungsmittel gefüllt wird, welch letzteres schließlich eine Fläche 40 ausfüllt, so daß darin enthaltenes Wasser die Höhe von auf dem Umfang in räumlichem Abstand angeordneten öffnungen 41 erreicht und durch diese hindurch in einen im wesentlichen zylindrischen Durchlaß 44 eintritt, welcher zwischen der Außenwandung des Rohres 31 der tragenden Säule und den Innenwandungs-

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teilen der übereinandergeschichteten Ringe 11 bis 21 gebildet ist. Auf dem Umfang in jeweils räumlichem Abstand voneinander angeordnete Abstandstücke 46, welche aus Isolationsmaterial bestehen und an dem Rohr 31 angeschraubt sind, sorgen für die richtige Weite des Durchlasses 44. Die äußere fläche des unteren Endes des Rohres 31 ist mit einem Gewinde 48 versehen bzw. mit der Elektrodenspitze 10 verschraubt. Zusätzlich weist das Rohr 31 eine Vielzahl von in umfangsmäßigem Abstand angeordneten Teilen 50 mit jeweils abnehmender Wandstärke auf, welche außerdem in Längsrichtung derart verkürzt sind, daß sich in umfangsmäßig räumlichem Abstand Luftspalte 52 ergeben. Die Teile 50 abnehmender Wandstärke des Rohres 31 ergeben in umfangsmäßigem Abstand angeordnete Durchlässe 54, welche mit den genannten Luftspalten 52 in Verbindung stehen und welche ein Strömungsmittel aus dem ringförmigen Durchlaß 44 zwischen den Ringen und dem Rohr 31 hindurchlassen bzw. in einen im Querschnitt U-förmigen Durchlaß 60 einlassen, welcher sich um die gesamte Elektrodenspitze herum erstreckt. In diesem Durchlaß 60 strömt ein Kühlmittel in der Nähe einer Lichtbogenfläche 61 der Elektrodenspitze, so daß ein von einem Lichtbogenfleck eines Lichtbogens 62 erzeugter Wärmefluß abgeleitet wird.

Die in Fig. Ib dargestellte Elektrodenspitze 10

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weist einen Innenmantel 64 und einen Außenmantel 65 von jeweils ringförmiger Gestalt bzw, mit jeweils U-förmigem Querschnitt auf. Die Außenwandung des Innenraäntels 64 weist von der Innenwandung des Außenmantels 65 einen bestimmten Abstand auf, so daß sich der Durchlaß 60 für das Kühlmittel in der Nähe der Liehtbogenflache ergibt. Der Außenmantel 65 ist an einem innen gelegenen Teil seiner Außen-

^w wandung mit einem Gewinde 48 versehen und mit dem Ende des Rohres 31 verschraubt. Ein Innenwandungsteil des Außenmantels 65 ist mit einem Gewinde 66 versehen und mit einem Rohrteil 67 verschraubt, in welch letzterem Ringnuten 122 ausgebildet sind. Ein in einer Ringnut 72 angeordneter Ö-Ring 71 bildet eine strömungsmitteldichte Dichtung. Durch das Rohrteil 67 hindurch erstreckt sich ein Durchlaß 82. Am oberen Ende des Rohrteiles 67 befindet sich ein sich verjüngender Teil 7k_a durch welchen der Außendurchmesser

■t des Rohrteiles 67 auf ein oberes Endteil 75 mit geringem Durchmesser fein stark vermindert wird, welch letzteres an der Stelle 77 'rodte dem unteren Teil des Rohres 33 verschraubt ist« Axial oLureb die Elektrode erstreckt sich von dem oberen Ende des Rohres 33 aus ein Durchlaß, welcher an einem Teil 79 &zn®n relativ geringen Innenduretjniesser aufweist unü i@ss©B Durchmesser sich, wie bereits erwähnt, wieder erweitert, so da& ein Durchlaß 82 Durchmessers gebildet wird, welcher mit

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dem durch die ringförmige Elektrodenspitze hindurchverlaufenden Mittendurchlaß in Verbindung steht. Das Rohr 33 und das rohrfÖrmige Teil 6j sind zum Materialtransport für irgendeinen geeigneten Zweck durch die Mittenöffnung der Elektrodenspitze hindurch vorgesehen.

Innerhalb der Elektrodensäule und oberhalb der Elektrodenspitze befindet sich ein zylindrisches Teil 8i, f welches an der Innenwandung des Rohres 3i und der Außenwandung des rohrförmigen Teiles 6? satt anliegt. Zwe.i in dem zylindrischen Teil 81 angeordnete Durchlässe nehmen Leitungsverbindungen zu einer Magnstfeidspule Bh auf. Einer dieser in der Zeichnung dargestellten Durehlässe 86 weist ein unteres Teil 8? relativ kleinen Durchmessers us&ä ein oberes Teil 88 relativ großen Durchmessers auf. Dadwets ergibt sich eine Schulter 89, auf welcher sieh das untere Ende der Isolierbüchse 36 abstützt* Xn der Nähe des Endes dieser Ieolierbüchse befindet sich in einer¹ ringförmigen Nut ein O-Ring» welcher eine Dichtung zwischen der Isolierbüchse und der benachbarten Wandung des Teiles 81 bewirkt. Eine durch den Durchlaß 86 geringen Durchmessers hindurch verlaufende Leitung 35 ist von diesem räumlich getrennt und elektrisch isoliert und liefert einen elektrischen Strom und ein Kühlmittel zu der Feldspule» welche aus einer Viel- ·

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zahl hohler, elektrisch jeweils.gegeneinander isolierter Leitungen gebildet ist, was der Übersichtlichkeit halber in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Die Leitung 35 ist mit flachen Ringnuten 91 bzw. 92 versehen, in welchen O-Ringe 93 bzw'. 94 angeordnet sind, welche für eine Dichtung zwischen der Außenfläche der Leitung und der Innenwandung der isolierbüphse 36 sorgen.

Das zylindrische Teil 81 ist in seinem unteren Teil 95 derart mit einem verringerten Außen-bzw. verringerten Innendurchmesser versehen, daß zwei Schultern 96 bzw. 97 gebildet werden, gegen welche sich jeweils der obere Rand der mit einem kleineren Durchmesser versehenen Wandung des Innenmantels 64 bzw. der obere Rand der mit einem größeren Durchmesser versehenen Wandung des Innenmantels 64 abstützt. O-Ringe in Ringnuten bilden eine Dichtung sowohl zwischen der Wandung kleineren Durchmessers als auch der Wandung größeren Durchmessers und dem zylindrischen Teil .81. In umfangsmäßigem Abstand angeordnete Befestigungsschrauben verbinden die Wandung größeren'Durchmessers des Innenmantels 64 mit dem zylindrischen Teil 81.

Wie vorher bereits erwähnt, sind Einrichtungen vorgesehen, welche auf die verschiedenen Ringteile des Wärme-

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Schildes derart einen Druck ausüben, daß an den verschiedenen, zwischen jedem Ring des WärmeSchildes bzw. auf beiden Seiten jeweils benachbarter Ringe angeordneten O-Ringen eine gute Dichtung bewirkt wird. Zu diesem Zweck ist in einer Ringnut 102 in der Außenwandung des rohrförmigen Teiles 31 der tragenden Säule ein Haltering 101 angeordnet.

Gegen diesen Haltering stützt sich ein Klemmring 103

ab, welcher eine Vielzahl von in umfangsmäßigem Abstand angeordneten Gewindebohrungen 104 aufweist, in welch letzteren Schrauben 106 bzw. 107 angeordnet sind, die auf ein ringförmiges Teil 108 einen Druck ausüben, welch letzteres an der Außenfläche der Wandung des rohrförmigen Teiles 31 verschiebbar angeordnet ist. Das ringförmige Teil 108 ist außerdem innerhalb bestimmter Grenzen mit seiner ringförmigen Außenfläche mit Bezug auf eine benachbarte ringförmige Innenfläche des obersten, besonders geformten Ringteiles verschiebbar. O-Ringe 126 bzw. 127 in ringförmigen Nuten \

bewirken eine Dichtung zwischen dem Ringteil 108 und der angrenzenden Wandung des Ringteiles 21 bzw. der angrenzenden Wandung des rohrförmigen Teiles 31. Zwischen dem unteren Ende des Ringteiles 108 und einer an der Innenwandung des Ringteiles 21 ausgebildeten Schulter 110 ist eine Belleville-Tellerfeder 112 angeordnet, mittels welcher die durch Erwärmung in der Ofenumgebung hervorgerufene thermische

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Ausdehnung der Ringe 11 bis 20 kompensiert wird.

Das obere Ende des rohrförmigen Teiles 31 der tragenden Säule weist einen Außenbund 114 auf. Die Außenfläche des. rohrförmigen Teiles 31 ist mit einem Bundring 115 versehen, welcher beispielsweise an dieser Außenfläche angeschraubt ist und sich gegen den Außenbund 114 abstutzt. Dieser Ringbund dient zur Befestigung der Elektrode in einer Tragvorrichtung. In Ringnuten angeordnete O-Ringe 117 bzw. 118 bzw. 119 bzw. 120 dienen zur Strömungsmitteldichten Verbindung mit Strömungsmitteleinlaß- bzw. Strömungsmittelaus laßeinrichtungen für die Magnetfeldspule bzw. für Einlaß bzw. Auslaßeinrichtungen, über welche ein Strömungsmittel zur Elektrodenspitze bzw. zum Wärmeschild hin bzw. von diesen weggeleitet wird, welches zur Kühlung der* selben dient.

Das Kühlmittel strömt um die Elektrodenspitze herum und von der den unteren Teil umgebenden Außenwandung aus die Innenwandun.g derselben hinauf und von da aus durch in umfangsmäßigem Abstand angeordnete Aussparungen 122 durch einen ringförmigen Durchlaß 123 zwischen der Innenwandung des rohrförmigen Teiles 32 und der Außenwandung des rohrförmigen Teiles β? in den Teil 124 des Durchlasses mit

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größerem Durchmesser zwischen den Teilen 32 und 33 und am oberen Ende der Elektrode hinaus.

Anstelle der einzelnen Belleville-Tellerfeder 112 können selbstverständlich auch zwei bzw. drei übereinandergeschichtete Tellerfedern verwendet werden.

Bei Bedarf wird in jedem der Metallringe eine kleine " Nut genau oberhalb der Q-Ringdichtungsfläche ausgebildet, welche eine thermische Barriere darstellt bzw, die auf den O-Ring einwirkende Wärme begrenzt. Bei Bedarf können die oberen bzw. unteren Flächen der Ringe 11 bis 21 jeweils anstelle der Isolationsringe aus Glimmer bzw. einem gleichwertigen Material mit einem keramischen Isolationsmaterial beschichtet werden*

Abschließend sei noch bemerkt, daß Lichtbogenelektroden, welche dort verwendet werden, wo herabfallende Teilchen thermischer 'Isolation keine Nachteile zur folge haben, an den Außenflächen ihrer Metallringe mit einem thermischen Isolationsmaterial, wie beispielsweise Tonerde, beschichtet sind. Bei der Lichtbogenelektrode nach der Erfindung braucht man sich nicht auf eine derartige thermische Isolation zu verlassen, da der Lichtbogen an einem Verlassen

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der Elektrodenspitze gehindert wird bzw. sich nicht zu weniger wärmebeständigen Teilen der Elektrode hin bewegt, wobei ein derartiger thermischer Schutz durch den Aufbau des erfindungsgemäßen WarmeschiIdes gegeben ist.

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Elektrode, insbesondere für Lichtbogenofen, welche eine Elektrodenspitze sowie eine diese Elektrodenspitze tragende Säule und einen, mindestens einen Hauptteil

dieser tragenden Säule umschließenden Wärmeschild aufweist, f dadurch gekennzeichnet, daß dieser Wärmeschild eine jeweils von der Elektrodenspitze (10) und der tragenden Säule (3D elektrisch isolierte Anordnung (11 bis 21) aus Metall aufweist, und daß ein, einen Strömungsmitteldurchlaß bildender Raum (44) derart zwischen dem Wärmeschild und der tragenden Säule angeordnet ist, daß ein Kühlmittel durch diesen Raum hindurchgeleitet werden kann.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,.

daß die Anordnung aus Metall ein Paket axial fluchtend übereinandergeschichteter Metallringe (11 bis 21) aufweist, welche jeweils voneinander elektrisch isoliert sind.

3. Elektrode nach Anspruch 2_S dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen den Metallringen Dichtungsteil§ (23) angeordnet sind, welche eine strömungsmitteldicofe© anordnung darstellen.

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4. Elektrode nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch Einrichtungen (101, 103, 104, 106, 107, 108, 110, 112) die das Paket aus übereinandergeschichteten Metallringen (11 bis 21) unter Druck zusammenhalten.

5· Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Einrichtungen (101, 103, 104, 106, 107, 108, 110, 112) mit einer an. der Elektrodenspitze (10) ausgebildeten Schulter zusammenwirken, welch letztere einerseits die übereinandergeschichteten Metallringe (11 bis 21) trägt, und diese Einrichtungen eine an der tragenden Säule (31) eine angeordnete Spannvorrichtung (101, 102, 103, 104, 106) aufweisen _s welche andererseits als Widerlager für die übereinandergeschichteten Metallringe dient.

6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5s dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anordnung aus Metall (11 bis 21) unü. der tragenden Säule (31) isolierende Abstandshalter (46) angeordnet

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