-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrodenarm für Lichtbogenöfen mit
einer an seinem vorderen Ende vorgesehenen Elektrodenaufnahme, der
ein Hohlprofil aufweist, welches durch wenigstens eine mit Kupfer
oder Aluminium plattierte Stahlplatte gebildet ist.
-
Elektrodentragarme
für Lichtbogenöfen für die Stahlerzeugung
dienen der Halterung von Elektroden, die regelmäßig einen runden Querschnitt
haben und aus Graphit gebildet sind. Diese Elektroden werden an
einer von dem Elektrodentragarm ausgebildeten Elektrodenaufnahme
gehalten. Diese wird regelmäßig durch
eine Klemme gebildet, welche die Elektrode umfänglich fasst und damit hält.
-
Ein
Elektrodentragarm ist regelmäßig in Längsrichtung
der Elektroden höhenbeweglich,
um die Eindringtiefe der Elektrode in den Lichtbogenofen zu steuern
und damit die Ausbildung des Lichtbogens zu beeinflussen. Hierbei
wird besonders auf einen möglichst
schonenden Einsatz der Elektroden geachtet. Es kann aber durchaus
vorkommen, dass zum Aufschmelzen von Schrott die Elektroden mit
einer relativ hohen Geschwindigkeit auf den in dem Lichtbogenofen
befindlichen Schrotthaufen auftreffen. Ein Elektrodenarm ist dementsprechend
hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt und muss eine hinreichende
Steifigkeit und Festigkeit haben, soll aber möglichst leicht sein, um eine
rasche Änderung
der Eindringtiefe zu ermöglichen.
-
Darüber hinaus
kommen in Lichtbogenöfen sehr
hohe Ströme
bei sehr hohen Spannungen zum Einsatz. Dies bringt das Problem mit
sich, dass zwischen dem Strom führenden
Elektrodenarm und der Umgebung ein elektrischer Überschlag mit Lichtbogen auftreten
kann. Darüber
hinaus wird der Elektrodentragarm wegen der auch mit der Stromführung einhergehenden
thermischen Belastung gekühlt.
Zusätzlich
zu der Erwärmung
des Tragarmes wegen des fließenden
Stromes muss darüber
hinaus Sorge getragen werden, dass der Elektrodentragarm nicht aufgrund
der thermischen Bedingungen in dem Lichtbogenofen unzulässig erwärmt wird.
Dementsprechend sind Elektrodentragarme regelmäßig von sich in Längsrichtung
des Tragarmes erstreckenden Kühlkanälen durchsetzt.
Mit einem entspre chenden Kühlkanal
wird Kühlflüssigkeit,
regelmäßig Wasser,
von dem hinteren Elektrodentragarmes zum vorderen Ende kommuniziert.
Dort kühlt
die Kühlflüssigkeit üblicherweise
die tragarmseitigen Anlageflächen
für die Elektrode,
die üblicherweise
durch eine der Kontur der Elektrode entsprechend ausgebildete Kontaktbacke
gebildet sind. Zusätzlich
wird ein relativ zu dem Tragarm verschieblicher Spannbügel gekühlt, der
an der der Kontaktbacke gegenüberliegenden
Seite gegen die Elektrode drückt
und diese an dem Elektrodentragarm fixiert. Wegen der Relativbeweglichkeit des
Spannbügels
wird dieser üblicherweise über flexible
Leitungen mit Kühlflüssigkeit
versorgt, die entweder von dem Tragarm abgehen und mit den dort ausgebildeten
Strömungskanälen kommunizieren oder
unter Umgehung der Strömungskanäle in dem Elektrodentragarm
mit der Quelle für
die Kühlflüssigkeit
kommunizieren.
-
Wegen
der hohen Ströme
besteht darüber hinaus
das Problem, dass aufgrund der Profilierung des Hohlprofiles Spannungsspitzen
vermieden werden sollen und der Elektrodentragarm einen möglichst
geringen elektrischen Widerstand für den durch den Tragarm hindurch
zu leitenden Strom aufweisen soll.
-
Die
vielschichtigen mechanischen, thermischen und elektrischen Anforderungen
an den Tragarm haben zu unterschiedlichen Lösungsvorschlägen geführt, die
im Stand der Technik nachgewiesen sind.
-
So
ist mit der
US-A-2,494,775 vorgeschlagen
worden, den Tragarm insgesamt aus Kupfer herzustellen und Strom
führend
auszugestalten. Der Elektrodentragarm ist hierbei hohl ausgeführt und
hat am vorderen Ende eine Flanschplatte, welche die Kontaktbacke
bildet. Ein solcher Elektrodentragarm genügt nicht den zu stellenden
mechanischen Anforderungen, da das Kupfer jedenfalls bei dem zu
tolerierenden Gewicht eines Tragarmes von etwa 4 bis 10 Tonnen nicht
die notwendige Festigkeit aufweist. Wegen des relativ geringen Schmelzpunktes
besteht darüber
hinaus die Gefahr, dass Kupfer am vorderen Ende des Elektrodentragarms
beim Einsatz in dem Elektrodenlichtbogenofen erweicht und/anschmilzt.
-
Bei
einem alternativen Lösungsvorschlag gemäß
FR-A-1 336 823 ist
der Elektrodentragarm insgesamt aus Aluminium gebildet. Wegen der
geringen Strombelastung ist der als Hohlpro fil ausgebildete Tragarm
selbst ungekühlt.
Für den
Spannbügel
der Elektrodenaufnahme sind Rohre vorgesehen, die von außen an den
Spannbügel
angeschlossen und im weiteren Verlauf innerhalb des Hohlprofils
geführt sind.
-
Einen
demgegenüber
gewichtsmäßig reduzierten
Tragarm schlägt
die
EP 0 594 272 vor.
Dieser Tragarm hat ein Hohlprofil, welches durch stranggepresstes
Aluminium gebildet ist. Die Kühlkanäle werden
dabei innerhalb des Aluminiummaterials ausgebildet. Der von dem
Hohlprofil umschlossene Hohlraum ist nicht mit Wasser gefüllt und
somit im Gewicht reduziert. Die Kühlung erfolgt allein über die
in dem Aluminium ausgesparten Kühlkanäle.
-
Diese
Lösung
ist dabei im Hinblick auf die mit der Herstellung verbundenen Kosten
nachteilig. Zum anderen kann ein aus Aluminium gebildeter Elektrodentragarm
mitunter den mechanischen Belastungen nicht standhalten und verformt
sich.
-
Diesem
Mangel hilft ein anderes Konstruktionsprinzip ab, welches aus der
EP-A-0 184 140 bekannt
ist und bei dem der Tragarm aus mehreren miteinander verschweißten ebenen
Stahlplatten gebildet ist, welche an ihrer Außenseite mit Kupfer plattiert sind.
Die innige Verbindung zwischen dem Stahl und dem Kupfer durch Plattieren
ist erforderlich zur Vermeidung von Korrosion, die ansonsten aufgrund
der hohen Ströme,
der Anwesenheit von Kühlwasser
in dem Hohlprofil und den thermischen Beanspruchungen durch Erwärmen und
Abkühlen
von Materialien unterschiedlicher Wärmeausdehnung in dem Tragarm
an der Phasengrenze zwischen der Stahl- und der Kupferplatte zu
befürchten
ist. Das Plattieren ist aber sehr aufwändig und kostenintensiv. Des
Weiteren ist genaues Arbeiten an den Schweißstellen der plattierten Stahlbleche
erforderlich, die sich regelmäßig in den
Ecken des Profils befinden. So muss zum Schweißen zunächst das mit Kupfer plattierte
Stahlblech schräg
abgeschnitten werden. Danach wird eine Verschweißung der Stahlplatten vorgenommen. Die
hierbei entstehende Außenseite
der Schweißnaht
muss geglättet
werden. Danach wird ein Kupferzwischenstück die Stahlschweißnaht teilweise überdeckend
im Bereich der Ecke des Hohlprofiles angebracht. Zur Fortsetzung
der Kupferplattierung der Stahlplatte wird zwischen dem Kupferzwischenstück und der
Plattierung eine Kupferschweißnaht
eingebracht. Darüber
hinaus muss eine hinreichend dicke Kupferschweißnaht an der Stoßstelle
der bei rechteckigem Hohlprofil in einem Winkel von 90° aneinander
stoßenden
plattierten Stahlplatten ausgebildet werden. Bei unzureichender
Ausführung
dieser Schweißnähte kann
es an den Ecken der Hohlprofile erhebliche Spannungsspitzen geben.
-
Die
Ausbildung von mit Kupfer plattierten Stahlplatten zur Bildung des
Hohlprofils stellt danach eine kostspielige und aus Sicht der Qualitätssicherung
anspruchsvolle Alternative zu den vorerwähnten Konstruktionsprinzipien
dar.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen den Anforderungen
besser gerecht werdenden Elektrodentragarm anzugeben, dessen Hohlprofil
eine hinreichende Festigkeit aufweist und Spannungsspitzen im Wesentlichen
vermeidet.
-
Zur
Lösung
dieses Problems wird mit der vorliegenden Erfindung ein Elektrodentragarm
mit den Merkmalen von Anspruch 1 angegeben. Dieser bildet den aus
der
EP-A-0 184 140 bekannten
Tragarm umfassend ein Hohlprofil mit wenigstens einer mit Kupfer
plattierten Stahlplatte fort. Das Hohlprofil hat aber gemäß der Erfindung
abgerundete Ecken, wobei als abgerundete Ecken im Sinne der Erfindung vorzugsweise
solche Ecken verstanden werden, bei denen das Verhältnis von
innerem Krümmungsradius zu
Wandstärke
der plattierten Stahlplatte 1,25, bevorzugt 2,25 und mehr beträgt.
-
Der
erfindungsgemäße Tragarm
ist nicht auf eine spezielle geometrische Gestaltung des Hohlprofils
beschränkt.
Denkbar sind beispielsweise verschiedene polygonale Formen. Im Hinblick
auf eine möglichst
biegesteife Ausführung
dürfte
zwar ein Rechteckprofil mit abgerundeten Ecken zu bevorzugen sein.
Ebenso gut kann der Elektrodentragarm jedoch eine polygonale, beispielsweise
fünf-,
sechs- oder andere vieleckige Querschnittsform haben.
-
Es
hat sich gezeigt, dass bei Einhaltung des erfindungsgemäßen Verhältnisses
von Krümmungsradius
an der Ecke zu Wandstärke
der plattierten Stahlplatte Spannungsspitzen an den Ecken weitestgehend
vermieden werden können.
Der vorgeschlagene untere Grenzwert für das erfindungsgemäße Rundheitskriterium
ist dadurch begründet,
dass die plattierte Stahlplatte an der Ecke gebogen wird und bei
stärkeren
Radien ein Biegen der Stahlplatten ohne Beeinträchtigung der auf der Außenseite
der Stahlplatte vorgesehenen Plattierung nicht möglich ist.
-
Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein minimaler Krümmungsradius vorgegeben und
es ist nicht ausgeschlossen, dass die abgerundete Ecke einen uneinheitlich
gekrümmten
Verlauf hat, wobei das Verhältnis
für den
kleinsten Krümmungsradius
der abgerundeten Ecke gilt. Zur fertigungstechnischen Vereinfachung
und im Hinblick auf eine möglichst
verlustfreie Durchleitung des Stromes ist es indes zu bevorzugen,
den Krümmungsradius
als gleichmäßigen Radius
zwischen zwei benachbarten vorzugsweise ebenen Seitenflächen vorzusehen.
Das Verhältnis
des inneren Krümmungsradius
zur Wandstärke
der plattierten Stahlplatte kann vorzugsweise bei wenigstens 2,45,
besonders bevorzugt bei wenigstens 2,6 liegen.
-
In
an sich bekannter Weise bildet die wenigstens eine plattierte Stahlplatte
innenseitig einen Kühlkanal
für das
das vordere Ende des Tragarmes kühlendes,
in den Tragarm umgeleitetes Kühlmittel
aus. Somit ist das Kühlmittel
gerade nicht in Kühlleitungen geführt wird,
die innerhalb des Materials ausgespart sind, welches das Hohlprofil
bildet. Vielmehr wird nach der Weiterbildung des Elektrodentragarmes
der von dem Hohlprofil umschlossene Hohlraum zur Ausbildung des
wenigstens einen Strömungskanals
genutzt. Vorzugsweise hat das Hohlprofil wenigstens ein das Profil
durchsetzendes Schott, welches das Hohlprofil in zwei Kammern unterteilt,
von denen eine Kammer einen das vordere Ende des Elektrodentragarms
versorgenden Strömungskanal
und die andere Kammer den Kühlkanal
für den
Abfluss für
das Kühlmittel
von dem vorderen Ende bildet. Am Übergang zwischen dem einen
und dem anderen Strömungskanal
wird das Kühlmittel
in dem Hohlprofil umgelenkt.
-
Bei
einer einfachen Ausgestaltung bildet das Hohlprofil lediglich zwei
Kühlkanäle aus,
und zwar durch ein einziges, das Hohlprofil durchsetzendes Schott.
Dieses ist vorzugsweise als eine sich in horizontaler Richtung in
dem Hohlprofil erstreckende Trennwand ausgeformt und bildet unterhalb
den Zulauf für
Kühlflüssigkeit
zum vorderen Ende des Elektrodentragarms und in der oberen Hälfte den
Rücklauf
aus.
-
Mit
Rücksicht
auf eine möglichst
einfache Herstellung wird gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen,
das Hohlprofil durch zwei identische oder jedenfalls im Wesentlichen
identische Halbprofile auszubilden, die als gebogenen Halbschalen
miteinander verbunden, vorzugsweise verschweißt sind. Die Halbprofile bestehen
jeweils aus einer einzigen mit Kupfer oder Aluminium plattierten
Stahlplatte.
-
Es
führt zu
einer weiteren fertigungstechnischen Vereinfachung, wenn das Schott
zusammen mit den Halbprofilen verschweißt wird. Das Schott ist vorzugsweise
ebenfalls aus einem Stahl gebildet. Die Stahlplatten (ohne Plattierung)
können
das Schott zwischen sich einschließen oder aber unmittelbar gegeneinander
anstoßen
und miteinander verschweißt sein.
In diesem Fall wird das Schott an der Innenumfangsfläche des
Hohlprofiles eingeschweißt.
An der Schweißstelle
kann dann in an sich bekannter Weise ein Kupferfüllstück zur Vervollständigung
der Aluminium- bzw. Kupferaußenhaut
des Tragarms angeschweißt
werden. Denkbar ist es auch, an der Fügestelle der Halbprofile auf
eine durch Schweißen
vervollständigte äußere Cu-
bzw. Al-Plattierung ganz zu verzichten.
-
Zur
Vermeidung von Korrosion durch in dem Hohlprofil strömendes Kühlmittel
und zur bestmöglichen
Verteilung des Stromes über
dem Umfang des Hohlprofiles wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die Hohlprofil-Innenseite
vollumfänglich durch
das Stahlmaterial und die Hohlprofil-Außenseite vollumfänglich durch
die Plattierung aus Kupfer bzw. Aluminium auszubilden.
-
Weitere
Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung, die eine Querschnittsansicht durch ein Hohlprofil
wiedergibt.
-
Das
in der Zeichnung gezeigte Hohlprofil 2 ist üblicherweise
in Längsrichtung
des Elektrodentragarms störungsfrei
und kontinuierlich von dessen hinteren Ende bis zu einer Spannvorrichtung
zum Spannen des Spannbügels
ausgebildet, und zwar so, dass im Inneren des Hohlprofils 2 zwei
Kühlkanäle 4 ausgebildet
sind. Diese Kühlkanäle 4 werden
umfänglich
durch das Material von Stahlplatten 6, 8 umgeben.
Die Stahlplatte 8 ist als ebenes gerades Stahlblech im
Innern des Hohlprofils 2 vorgesehen und verbindet einander
gegenüberliegende
ebene Außenflächen der
mit einer Plattierung 10 (vorliegend aus Kupfer) versehenen
(plattierten) Stahlplatten.
-
Die
an der Außenseite
des Hohlprofils 2 vorgesehene Plattierung 10 erstreckt
sich im Wesentlichen über
die gesamte Außenumfangsfläche des Hohlprofils 2.
Lediglich in der Mitte des Hohlprofils 2, dort wo zwei
das Hohlprofil 2 bildende gebogene Halbschalen 12 aus
den plattierten Stahlplatten 6 gegeneinander stoßen und
miteinander verschweißt sind,
wurden zur Vervollständigung
der Kupfer-Plattierung 10 Kupferfüllstücke angeschweißt.
-
Die
Ecken des Hohlprofils 2 sind rund und haben einen inneren
Krümmungsradius
R von etwa 68 Millimetern, wohingegen die Wandstärke d der plattierten Stahlplatte 6,
d. h. Stahlplatte 6 mit Plattierung 20 in etwa
30 Millimeter beträgt.
-
- 2
- Hohlprofil
- 4
- Kühlkanal
- 6
- Stahlplatte
- 8
- Stahlplatte
- 10
- Plattierung
- 12
- Halbschale
- d
- Gemeinsame
Dicke der Platten 6 und 10
- R
- Krümmungsradius
an der Ecke des Profils 2