DE19850735C1

DE19850735C1 - Elektrode für elektrometallurgische Verfahren

Info

Publication number: DE19850735C1
Application number: DE19850735A
Authority: DE
Inventors: Harald Lampey; Peter Glas; Thomas Zabel; Dieter Hans Zoellner
Original assignee: C Conradty Nuernberg GmbH and Co KG
Current assignee: C Conradty Nuernberg GmbH and Co KG
Priority date: 1998-11-04
Filing date: 1998-11-04
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2018-11-05
Also published as: AU1651100A; WO2000027168A1

Abstract

Ein Elektrodenstrang für elektrometallurgische Verfahren mit mindestens einer Elektrode und mindestens einem Verbindungselement, bei dem die Elektrode eine Mantelkomponente aus einem ersten Kohlenstoffmaterial und eine Kernkomponente aus einem zweiten Kohlenstoffmaterial umfaßt, bei dem das zweite Kohlenstoffmaterial einen niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand und eine höhere Dichte als das erste Kohlenstoffmaterial hat, zeichnet sich durch geringen Elektrodenverbrauch und höhere Leistungsaufnahme aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode nach dem Oberbegriff des Anspru ches 1.

Bei elektrometallurgischen Verfahren, insbesondere bei der Elektrostahler zeugung in Lichtbogenöfen, wird der elektrische Strom durch Elektroden zugeführt, die aus einem Graphit bestehen. Auch in Elektroreduktionsöfen werden diese Elektroden zur elektrischen Energieübertragung zum Reakti onsgut verwendet. Obwohl sich Graphit bei diesen Verfahren verbraucht, hat der Fortschritt der Elektrodentechnologie und -anwendung seine wirt schaftliche Eignung für elektrometallurgische Verfahren unter Beweis ge stellt.

Daß sich Elektroden aus Graphit verbrauchen, hat mehrere Ursachen. Eine Ursache ist der Elektrodenabbrand, der geometrisch in den Spitzenabbrand und in den Seitenabbrand aufgeteilt werden kann. Das Verhältnis der Ab brandwerte liegt zwischen 1 : 1 bis 1 : 2. Spitzenabbrand und Seitenabbrand bilden zusammen etwa 85% des Gesamtelektrodenverbrauches. Die restli chen 15% des Gesamtelektrodenverbrauches entfallen aus das Abfallen von Elektrodenstücken und auf Elektrodenbruch.

Graphit ist ein verhältnismäßig teures Material. Der Graphitverbrauch spielt infolgedessen eine Rolle für die wirtschaftliche Fahrweise eines Lichtbogenofens und trägt zu etwa 4 bis 8% der gesamten Betriebskosten eines Lichtbogenofens bei. Es hat daher schon verschiedene Maßnahmen zur Elektrodenverbrauchsverminderung gegeben, die vor allen den Seiten abbrand durch Oxidation vermindern sollen. Zwei Richtungen der techni schen Entwicklung sind hier hervorzuheben, nämlich die Beschichtung von Elektroden und die Wasserkühlung.

Um den Elektrodenverbrauch durch Elektrodenbruch zu verringern, ist aus der EP 0 142 476 A2 eine Elektrode der gattungsgemäßen Art bekannt, die aus einer Mantelkomponente aus einem ersten Graphit und einer Kernkom ponente aus einem zweiten Graphit besteht, der unterschiedliche mechani sche, thermische und elektrische Eigenschaften gegenüber dem ersten Gra phit hat, um die inneren mechanischen Spannungen in einer Graphitelek trode zu reduzieren. Der Graphit der Mantelkomponente hat eine höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit als der Kernkomponente. Bei spielsweise kann die Mantelkomponente aus Elektrographit und die Kern komponente aus Anthrazitmaterial bestehen.

Aus der DE 41 36 823 A1 ist eine Elektrode für elektrometallurgische Ver fahren bekannt, die einen Graphitkern aufweist, auf den eine erste Schutz schicht aufgebracht ist, die von einer weiteren Schutzschicht vollständig umgeben ist. Die innere Schutzschicht besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die äußere Schutzschicht besteht aus einem hoch schmelzenden elektrisch leitenden Stoff oder Stoffgemisch. Zweck dieser Ausgestaltung ist es, ein Ankleben oder Verschmelzen von üblicherweise aus Kupfer bestehenden Kontaktbacken mit dem metallischen Überzug der Elektrode zu reduzieren. Die äußere Schutzschicht schützt wiederum die innere Schutzschicht aus Aluminium.

Aus der DE 34 22 950 C2 ist eine Elektrode mit einem Verbindungsele ment bekannt.

Aus der DE 34 40 073 A1 ist eine einteilige Elektrode bekannt, die einen wassergekühlten Stahlmantel aufweist.

In der modernen Elektrostahlerzeugung ist es auch ein wesentliches Ziel, die Produktivität durch erhöhte Leistungsdichte im Schmelzraum zu stei gern. Üblicherweise werden dazu dem Lichtbogenofen zusätzlich zur elek trischen Energie additive Energien mittels Brennstoff-Sauerstoff-Brenner oder Sauerstoffzufuhr in Verbindung mit dem Einblasen von Kohle zuge führt. Eine höhere Leistungszufuhr nur von elektrischer Energie würde größere Elektrodenquerschnitte und damit ein größeres Elektrodengewicht erfordern, das seinerseits einen entsprechenden Aufwand bei der Tragarm konstruktion und bei der Elektrodensteuerung hätte.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrode der gat tungsgemäßen Art zur Verfügung zu stellen, der einen niedrigen Graphit verbrauch aufweist und der eine erhöhte Leistungszufuhr von elektrischer Energie in den Lichtbogen erlaubt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale im Kennzeich nungsteil des Anspruches 1 gelöst. Dadurch daß die Kernkomponente aus einem Graphit besteht, der einen niedrigeren spezifischen elektrischen Wi derstand als Graphit der Mantelkomponente hat, ist der Spitzenabbrand der Elektrode gleichmäßiger und der Spitzenabbrand verringert. Außerdem kommt es durch die höhere Dichte des Graphits für die Kernkomponente zu weniger Erosion an der Elektrodenspitze. Es treten weniger thermische und elektrische Überlastungen an der Elektrodenspitze auf. Dies macht sich durch einen weiterhin verminderten Verbrauch durch Minimierung der Spitzenabbrüche bemerkbar.

Eine Elektrode nach der Erfindung kann sich in sich verwinden. Sie ist da durch elastischer und weniger anfällig für einen Elektrodenbruch nach ei nem Schrotteinsturz.

Die Erfindung erlaubt es, die Beschränkungen, die sich durch den Herstel lungsprozeß für Graphitelektroden ergeben und die Fertigung von großfor matigen Elektroden mit niedrigem spezifischem elektrischen Widerstand schwierig machen, zu umgehen. Probleme durch Wirbelstromverluste und Nachbarschaftseffekte (proximity effect), die bei großen Elektrodenquer schnitten auftreten, sind vermindert.

Es wird eine Elektrode zur Verfügung gestellt, die bei gleichen Elektroden durchmesser eine höhere Ofenleistung ohne den Einsatz additiver Energien und ohne erhöhten Aufwand für Tragarmkonstruktion und Elektrodensteue rung erlaubt.

Bei den Elektroden nach der Erfindung wird der Stromdurchgang auf die Stirnflächen von Zapfen und Schachtel konzentriert, weil dort jeweils die Kernkomponenten mit ihren verbesserten elektrischen Eigenschaften auf einander treffen. Dadurch ist der Anteil des Stromflusses im Gewindeüber gang deutlich reduziert.

Der Gesamtstrom teilt sich in der Elektrode in mehrere parallele Ströme auf. Dadurch wird Gesamtstrom mit niedrigen Spannungsverlusten trans portiert.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung hat der erste Graphit einen spezifi schen elektrischen Widerstand von 6,5 bis 9,0 Ωµm und eine Dichte von 1,5 bis 1,65 g/cm³ und der zweite Graphit einen spezifischen elektrischen Widerstand von 4,5 bis 6,5 Ωµm und eine Dichte von 1,65 bis 1,75 g/cm³ hat.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Elektro de Befestigungsmittel zur Verbindung der Mantelkomponente und Kern komponente auf.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, daß die Kern komponente eine Beschichtung aufweist. Beispielsweise kann eine thermo plastische Beschichtung der Kernkomponente die Differenzen in den ther mischen Ausdehnungskoeffizienten von Kernkomponente und Mantelkom ponente ausgleichen.

Es kann auch bevorzugt sein, daß die Kernkomponente ein elektrisch lei tende Beschichtung aufweist. Dies erlaubt einen verbesserten Stromtrans port im Inneren von großformatigen Elektroden, weil der Stromverdrän gung auf die Elektrodenoberfläche entgegengewirkt wird.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist die Mantelkom ponente eine Beschichtung auf.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, daß die Kernkomponente ein Hohlzylinder ist.

Es kann auch bevorzugt sein, daß in der Kernkomponente, die ein Hohlzy linder ist, eine Dochtkomponente aus einem ersten leitfähigen Material an geordnet ist.

Es kann ebenfalls bevorzugt sein, daß das Verbindungselement eine Man telkomponente aus einem ersten Kohlenstoffmaterial und eine Kernkompo nente aus einem zweiten Kohlenstoffmaterial umfaßt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, daß das Verbindungselement einen Zapfen mit einer axialen Bohrung und eine Schachtel mit einer axialen Bohrung umfaßt und die axiale Bohrung des Zapfens und die axiale Bohrung der Schachtel mit einem Bolzen aus einem zweiten leitfähigem Material verbunden sind. Durch den Bolzen aus leitfä higem Material wird der Stromübergang vom Zapfen zur Schachtel verbes sert. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft für Elektrodenstränge in Gleichstrom-Lichtbogenöfen mit voller Stromdurchflutung des gesamten Elektrodenquerschnitts. Durch den Bolzen wird der Stromübergang zwi schen den einzelnen Elektroden durch eine verbesserte Kontaktierung er leichtert wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von 3 Figuren weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Elektrodenstrang aus Elektroden nach einer ersten Aus führungsform der Erfindung,

Fig. 2 zeigt einen Elektrodenstrang aus Elektroden nach einer zweiten Aus führungsform der Erfindung und

Fig. 3 zeigt einen Elektrodenstrang aus Elektroden nach einer dritten Aus führungsform der Erfindung.

Ein Elektrodenstrang setzt sich aus mehreren, durch mindestens ein Ver bindungselement miteinander verbundenen Elektroden zusammen. Der Querschnitt der Elektroden ist üblicherweise kreisförmig, die einzelne Elektrode ist ein Zylinder. Nachfolgend wird die zylindrische Elektrode im Detail beschrieben. Andere Ausführungsformen können beispielsweise quadratische und rechteckige Elektrodenquerschnitte umfassen.

Die Elektrode umfaßt eine Mantelkomponente 1 und eine Kernkomponente 2. Die Mantelkomponente 1 bildet einen Hohlzylinder, in der die Kern komponente 2 angeordnet ist. Die Kernkomponente 2 besteht aus einem massiven zylindrischen Körper mit dem Radius r_k und einer Länge l_k, die von der Mantelkomponente 1 in Form eines koaxialen Hohlzylinder mit einem Innendurchmesser r < r_k, einem Außendurchmesser r_e, und der Länge l_m, als Mantelkomponente 1 umgeben ist. Das Verhältnis von r_k/(r_e - r) liegt bevorzugt zwischen 0,3 und 3. (siehe Fig. 1)

Die Kernkomponente 2 selbst kann ebenfalls als Hohlzylinder ausgeführt sein in Analogie zur konventionellen Hohlelektrode. Alternativ kann der Hohlzylinder der Kernkomponente mit einer Dochtkomponente 7 gefüllt sein. (siehe Fig. 2)

Die Verbindungselemente für die Elektroden eines Elektrodenstranges sind überwiegend konische, doppelkonische oder auch zylindrische Gewinde nippel mit Gewindezapfen aus Kohlenstoffmaterial, der in schachtelförmi ge, von den Stirnflächen der Elektroden ausgehenden, mit Gewinde verse henen Ausnehmungen geschraubt sind. (siehe Fig. 2)

Die Elektroden können andererseits auch nippellos durch eine Male- Female-Verbindung verbunden sein. Nippellose Elektroden sind üblicher weise an einer Stirnfläche mit einem konischen oder zylindrischen Gewin dezapfen und an der anderen Stirnfläche mit einer konischen oder zylindri schen Gewindeschachtel ausgestattet. Verbindungselement ist in diesem Fall der Elektrodenabschnitt, der den Gewindezapfen einer Elektrode und die Gewindeschachtel der nächsten Elektrode umfaßt.

Die Gewindezapfen der Verbindungselemente können ebenfalls aus einer Mantelkomponente, einer Kernkomponente und gegebenenfalls einer Dochtkomponente zusammengesetzt sein.

Der Zapfen einer Elektrode oder eines Nippels kann mit der Schachtel einer zweiten Elektrode durch einen Stift 6 verbunden werden, der sich bei spielsweise von einem axialen Sackloch der Zapfenstirnfläche bis zu einem axialen Sackloch im Schachtelboden erstreckt. (siehe Fig. 3)

Der Stift wird in dem Zapfen oder Nippel vormontiert und beim Montieren des Elektrodenstranges in die Sacklochbohrung der zweiten Elektrode ein geführt und beim Verschrauben des Verbindungselementes mit Paßsitz an die zweite Elektrode angepreßt.

Für die Abmessungen der Elektroden und Nippel gelten für die industrielle Fertigung die Normen, die vom "International Electrotechnical Commitee" IEC, der "National Electrical Manufacturer's Association" NENIA oder Japanese Industrial Standards JIS festgelegt werden.

Zwischen der Kernkomponente 2 und der Mantelkomponente 1 kann nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine Beschichtungs komponente 3 angeordnet sein. (siehe Fig. 1)

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Außenfläche der Mantelkomponente 1 mit einer an sich bekannten Beschichtung 4 für Graphitelektroden beschichtet sein.

Um die thermischen Spannungen zwischen Mantelkomponente 1 und Kernkomponente 2 der Elektroden oder der Verbindungselemente bei ho hen Temperaturen zu verringern, kann die Kernkomponente 2 mit Schlit zen, vorzugsweise in Längsrichtung, versehen werden.

Um eine stabile Verbindung zwischen Mantelkomponente 1 und Kernkom ponente 2 von Elektroden und Verbindungselementen herzustellen, können beispielsweise die folgenden Befestigungsmittel eingesetzt werden:

1. Die Toleranzen zwischen der Kernkomponente 2 und der Mantelkompo nente 1 können so ausgelegt werden, daß bei der Betriebstemperatur durch den größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kernkomponente 2 eine kraftschlüssige Verbindung entsteht.
2. Die Zylinderfläche zwischen Kernkomponente 2 und Mantelkomponente 1 kann mit einer karbonisierten Masse gefüllt sein. Beispielsweise ist es möglich, nach der separaten Grünfertigung von Mantelkomponente 1 und Kernkomponente 2 beide Komponenten ineinander zu setzen und gemein sam mit Imprägnierpech oder -teer zu imprägnieren. Nach der Graphitie rung sind Mantelkomponente 1 und Kernkomponente 2 durch die karboni sierte Imprägnierung kraftschlüssig verbunden.
3. Eine Verankerung der Kernkomponente 2 in der Mantelkomponente 1 wird durch Reaktionsstifte 5 erreicht, die in Sackbohrlöcher der Kernkom ponente eingebracht werden und sich bei höheren Betriebstemperatur mit der Umgebung verbinden und einen Preßsitz schaffen. Beispielsweise kön nen Pecharretierungsstifte verwendet werden, die sich bei höheren Tempe raturen aufblähen und dann karbonisieren. (siehe Fig. 3)
4. Mantelkomponente 1 und Kernkomponente 2 können formschlüssig durch eine oder mehrere Schwalbenschwanzverbindungen 8, ein oder meh rere konische oder zylindrische Gewinde an den Elektrodenenden verbun den werden. Der Schwalbenschwanzkopf bzw. der Gewindekopf ist in ei ner bevorzugten Ausführungsform mit Nuten oder Schlitzen versehen, die die thermischen Spannungen bei höheren Temperaturen vermindern. (siehe Fig. 2)
5. Zwischen Kernkomponente 2 und Mantelkomponente 1 kann eine thermoplastische Beschichtungskomponente 3 angeordnet sein, die bei hö heren Temperaturen erweicht, in Poren und Zwischenräume fließt und eine Haftung bewirkt. Diese thermoplastische Beschichtungskomponente 3 gleicht auch die Spannungen durch den höheren thermischen Ausdeh nungskoeffizienten der Kernkomponente 2 gegenüber der Mantelkompo nente 1 aus. (siehe Fig. 1)

Diese Befestigungsmittel können auch eingesetzt werden, um die Kern komponente 2 mit der Dochtkomponente 7 zu verbinden.

Entscheidend für die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Multikomponentenelektrode ist die Auswahl der Materialien für die Kern komponente 2 und die Mantelkomponente 1.

Die Mantelkomponente 1 der Elektrode besteht einem ersten massiven kompakten Graphit. Als erster Graphit wird bevorzugt ein Elektrographit mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 6,5 bis 9,0 Ωµm und einer Rohdichte von 1,5 bis 1,65 g/cm³ eingesetzt.

Die Kernkomponente 2 der Elektrode besteht aus einem zweiten kompak ten Graphit. Als zweiter Graphit wird ein Elektrographit mit einem spezifi schen elektrischen Widerstand von 4,5 bis 6,5 Ωµm und mit einer Roh dichte von 1,65 bis 1,75 g/cm³ bevorzugt. Dieser Graphit für die Kernkom ponente 2 kann beispielsweise Nippelmaterial sein, das aufgrund ausge wählter Rohstoffe, geringer Korngröße und durch mehrfaches Imprägnieren eine hohe Dichte und einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.

Die Dochtkomponente 7 besteht aus einem dritten Graphit. Bevorzugt wird ein Elektrographit, der Zusätze zur Stabilisierung in Form von anorgani schen Salzen, enthält.

Als Material für die Beschichtungskomponente 3, die zwischen der Kern komponete 2 und der Mantelkomponente 1 angeordnet ist, wird bevorzugt eine Mehrfachbeschichtung gewählt, die ein oder mehrere Schichten mit metallischem Aluminium, Nickel, Aluminiumlegierungen und ein oder mehrere Schichten aus feuerfesten Oxiden wie z. B. SiO₂ oder Al₂O₃ um faßt.

Claims

1. Elektrode für elektrometallurgische Verfahren, die eine Mantelkompo nente (1) aus einem ersten Graphit und eine Kernkomponente (2) aus einem zweiten Graphit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Graphit einen niedrigen spezifischen elektrischen Wider stand und eine höhere Dichte als der erste Graphit hat.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Graphit einen spezifischen elektrischen Widerstand von 6,5 bis 9,0 Ωµm und eine Dichte von 1,5 bis 1,65 g/cm³ und der zweite Graphit einen spezifischen elektrischen Widerstand von 4,5 bis 6,5 Ωµm und eine Dichte von 1,65 bis 1,75 g/cm³ hat.

3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Befestigungsmittel zur Verbindung der Mantelkomponente (1) und der Kernkomponente (2) vorgesehen sind.

4. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernkomponente (2) eine Beschichtung (3) aufweist.

5. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernkomponente eine elektrisch leitende Beschichtung aufweist.

6. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelkomponente (1) eine Beschichtung (4) aufweist.

7. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernkomponente (2) ein Hohlzylinder ist.

8. Elektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlzylinder eine Dochtkomponente (7) aus einem ersten leit fähigen Material angeordnet ist.

9. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Verbindungselement aufweist.

10. Elektrode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement einen Zapfen mit einer axialen Bohrung und eine Schachtel mit einer axialen Bohrung umfaßt und die axiale Bohrung des Zapfens und die axiale Bohrung der Schachtel mit einem Bolzen (6) verbunden sind.