DE2040854C3 - Verfahren zum Ermitteln des Backzustandes einer vom Betriebsstrom durchflossenen selbstbackenden Elektrode eines elektrischen Ofens und Elektrode zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Selbstbackende Elektroden sind bekannt und werden seit langem in Lichtbogenofen zur Erzeugung von Metallen, Legierungen und dergleichen benutzt.

Bekanntlich besteht eine selbstbackende Elektrode im wesentlichen aus einem senkrecht angeordneten zylindrischen Metallmantel und einer Kohlemasse darin. Der Metallmantel weist meist in seinem Inneren eine metallische Verstärkungsstruktur auf. Einer der Zwecke dieser Struktur besteht darin, daß sie das Gewicht der Kohlemasse tragen soll. Der Elektrodenmantel wird an seinem oberen Ende mit einer ungebackenen Elektrodenmasse gefüllt welche aus Stücken kalzinierter Kohle unterschiedlicher Partikelgröße mit einem Binder, gewöhnlich Teer, vermischt, besteht. Infolge der im Ofen entwickelten Hitze und der Joule'schen Wärme, entstanden durch den Widerstand, der dem Strom während seines Durchgangs durch die Elektrode entgegengesetzt wird (dem Elektrodenstrom), erfährt die Elektrodenmasse eine allmähliche Umbildung. Die Kohlemasse kann schematisch von oben nach unten in vier Zonen unterteilt werden. In der ersten oder oberen Zone, wo die Temperatur unter etwa 100° C liegt, ist die Elektrodenmasse in festem Zustand. In der zweiten Zone, wo die Temperatur im allgemeinen etwa 100 bis 300° C beträgt (abhängig von den Eigenschaften der ungebackenen Masse), nimmt die Masse die Eigenschaften einer flüssigen Phase an, ihre Viskosität nimmt allmählich nach unten ab. In dieser Zone wird die Masse als »geschmolzen« bezeichnet. In der dritten Zone, wo die Temperatur im allgemeinen zwischen etwa 300 und 700° C liegt, ist die Masse in ihrem Backzustand. Teer und Pech zersetzen sich und destillieren ab. Die Elektrodenmasse geht allmählich in eine zähe kompakte Kohlemasse über, die als Träger des Elektrodenstromes geeignet ist.

In der vierten oder untersten Zone, wo die Temperatur über 700° C beträgt, ist die Elektrode gebacken.

Wenn die gebackene Elektrode allmählich in den Ofen abgesenkt wird, um ihren Verbrauch zu kompensieren, greift der Umwandlungsprozeß auf neue Teile der Elektrode über. Ein neuer Teil geschmolzener Masse tritt in den Backzustand ein und ein neuer Teil fester Masse geht in den Schmelzzustand über.
Es ist auch bekannt daß die metallischen Kontaktbakken der Elektrodenfassung, die der Elektrode den Strom zuführen, an dem gebackenen Teil der Kohlemasse angreifen müssen, d. h. am leitenden Teil.
Wenn, während der Ofen in Betrieb ist die Elektrode

ίο periodisch abgesenkt wird, müssen die Kontaktbacken in eine neue Elektrodenzone verschoben werden. Dies Verschieben der Elektrode mit Bezug auf die Elektrodenfassung (was gewöhnlich als Nachsetzen der Elektrode bezeichnet wird) wird im allgemeinen in

is periodischen Abständen ausgeführt Das zum Beispiel tägliche Nachsetzen einer Elektrode muß selbstverständlich dem Verbrauch der Elektrode während dieser Periode entsprechen. Die Häufigkeit des Nachsetzens und die dieser entsprechende Länge jeder Verschiebung hängt vom Backzustand der Elektrodenmasse ab, da vermieden werden muß, daß die Kontaktbacken an einer nocht nicht gebackenen Stelle der Elektrode, also einer elektrisch schlecht leitenden Zone, angebracht werden. In einem solchen Fall würde dem Fluß des elektrischen Stromes ein großer Widerstand entgegengesetzt, und wenn der Elektrodenstrom nicht vermindert wird (mit einer entsprechenden Verminderung der Ofenleisiung), bis die normalen Backbedingungen wieder hergestellt worden sind, kann die infolge des Joule'schen Effektes entstehende übermäßige Wärme zu einer Zerstörung der Elektrode führen. Es kann sogar zu einen Bruch der Elektrode selbst kommen.

Das Ermitteln des Backzustandes der Elektrode hat bis jetzt erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Tatsäch-Hch muß man sich auf eine unsichere Ermittlung der Temperatur der Elektrode in der Zone der Kontaktbakken stützen. Die Ermittlung der Temperatur ist jedoch infolge des Vorhandenseins dieser Kontaktbacken schwierig und wird sogar ganz unmöglich, wenn andere Vorrichtungen diese Zone abschirmen, wie es z. B. bei sogenannten Tieffassungen in geschlossenen öfen der Fall ist.

In der Praxis geht der die Vorrichtung Bedienende auf sehr behutsame Weise vor, indem er die Elektroden häufig und nur wenig nachsetzt, was jedoch eine lästige Arbeit bedeutet und die Gefahr des Bruches der Elektrode, wenn der Backzustand schlechter ist als normal, nicht ausschließt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

so Verfahren zum Ermitteln des Backzustandes einer vom Betriebsstrom durchflossenen selbstbackenden Elektrode eines elektrischen Ofens zu schaffen, wobei die Elektrode einen zylindrischen Metallmantel und einen sich längs durch die ungebackene und die gebackene Elektrodenmasse erstreckenden, elektrisch leitenden, mit der Betriebsstromquelle und mit dem Mantel außer über die Elektrodenmasse nicht in Verbindung stehenden Stab aufweist. Eine derartige Elektrode ist aus der DE-AS 11 61 652 bekannt. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß während der Zufuhr des Betriebsstroms zur Elektrode die Spannung zwischen dem Mantel und dem Stab gemessen wird.

Es ist gefunden worden, daß das Verhältnis von Spannungsabfall zwischen Mantel und Stab zu Elektro-

-^r. denstrom (nachstehend mit »Index C« oder kürzer mit »C« bezeichnet) ein Maß für den Backzustand der Elektrode ist.
Genauer gesagt entsprechen hohe C-Werte einem

wenig fortgeschrittenen Backgrad, was praktisch bedeutet, daß der Backzustand der Elektrodenmasse ein Nachsetzen der Elektroden oder hohe Ströme nicht zuläßt.

Dieses Verhältnis ist gewählt, weil — bei konstantem Elektrodenstrom — die Messung des Index C zu einer gewöhnlichen Spannungsmessung vereinfacht wird.

Durch die Erfindung ist ein Verfahren geschaffen, mit dem der Backzustand sich einfacher, genauer und zuverlässiger als bisher ermitteln läßt

Das erfindungsgemäße Verfahren macht eine kontinuierliche und sichere Information über den Backzustand der Elektrode möglich und gestattet dadurch zu bestimmen, um wie viel die Elektrode mit Bezug auf die Kontaktbacken verschoben werden kann, ohne den Elektrodenstrom und damit die Erzeugungsleistung des Ofens herabzusetzen und ohne Gefahr zu laufen, daß Bruch der Elektrode eintritt Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, den Ba^kvorgang der Elektrodenmasse laufend zu verfolgen (z. B. wenn ein Ofen zum ersten Mal in Betrieb gesetzt wird oder nachdem ein Ofen längere Zeit stillgestanden hat) durch die fortlaufende Anzeige des Fortschreitens des Backens bis zum Erreichen des normalen Backgrades.

Die Erfindung soll näher erläutert werden anhand der Figuren, von denen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer selbstbakkenden Elektrode und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,

F i g. 2, 3 und 4 graphische Darstellungen , in denen der Index C gegenüber der Zeit aufgetragen ist und zwar in verschiedenen Situationen, sowohl normalen wie abnormalen, die beim Selbstbacken einer Elektrode auftreten können.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der elektrisch leitende Stab in einer im wesentlichen senkrechten Stellung und in einer zentralen Zone der Elektrode angeordnet. Vorzugsweise wird der leitende Stab axial mit Bezug zur Elektrode in Stellung gebracht. Aber auch wenn er in einer anderen Stellung ist, werden zufriedenstellende Ergebnisse erhalten. Der untere Teil des leitfähigen Stabes wird ausreichend tief in die gebackene Zone der Elektrodenmasse eingetaucht, so daß guter elektrischer Kontakt sichergestellt ist.

Um diesen elektrischen Kontakt zu erleichtern, wird ein Material, z. B. Metall, ausgewählt, das den höchst möglichen Schmelzpunkt hat, aber der Forderung entspricht, daß es zusammen mit der Elektrode verbraucht wird.

Die Wahl des geeignetsten Materials, das von der Art des Verfahrens, für welches die Elektrode benötigt wird, abhängt, bereitet einem Fachmann keinerlei Schwierigkeiten.

Uti den Elektrischen Kontakt noch zu verbessern, kanrt der lei'fähige Stab so geformt werden, daß er der Koblemasse eine große Kontaktfläche bietet, z. B. zu einem Streifen oder Band oder einer anderen entsprechenden Form, wie sie von einem Fachmann leicht festgelegt werden kann.

Der leitfähige Stab soll zusammen mit der Kohleelektrode verbraucht werden und muß daher periodisch durch Zufügen eines Leiterabschnittes verlängert werden. Dieses Zufügen kann auch auf einfache Weise durchgeführt werden, z. B. durch Anschweißen eines neuen Stababschnittes am oberen Ende des leitfähigen Stabes.

F i g. 1 zeigt eine selbstbackende Elektrode, die zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist

Der zylindrische Mantel 1 enthäit die Kohlemasse, bestehend aus einer Schicht fester roher Masse 2, einer Schicht geschmolzener Paste 3, einer Backzone 4 und einem Abschnitt gebackener Elektrodenmasse 5. Die stromleitenden Kontaktbacken 6 und Leiter 7 verbinden die Elektrode mit dem äußeren elektrischen Stromkreis, der in F i g. 1 nicht gezeigt ist

Aus Gründen der Vereinfachung ist die innere verstärkende Struktur der Elektrode nicht wiedergegeben, ebenso nicht die Abbildung des Ofens, in welchem die Elektrode angebracht ist

Der Metallstab 8 (Fig. 1) ist axial mit Bezug auf die Elektrode angeordnet Um den Stab 8 in seiner axialen Stellung in der Kohlenmasse zu halten, sind Spannbolzen (in der Figur nicht gezeigt) aus isolierendem Material vorgesehen, die den Stab 8 mit der Verstärkungsstruktur der Elektrode verbinden.

Eine Voi richtung 9 zum Messen des Spannungsabfalles zwischen dem Stab 8 und dem Mantel 1 ist durch Leiter 10 und 11 mit dem oberen Ende des Stabes 8 und des Mantels 1 verbunden.

Die Messung des Spannungsabfalles wird zwischen dem Mantel 1 und dem Stab 8 vorgenommen, da bei der Messung zwischen dem Stab 8 und den Kontaktbacken 6 der Kontaktwiderstand zwischen dem Mantel 1 und den Kontaktbacken 6 die Genauigkeit des Verfahrens verschlechtern würde. Die Messung des Elektrodenstromes wird durch Leiter 12 und 13 an die oben genannte Vorrichtung 9 weitergegeben.

Das folgende Beispiel soll die Erfindung noch besser erläutern.

Beispiel

Es wird auf F i g. 1 Bezug genommen. In einem dreiphasigen elektrischen Ofen, in welchem Calciumcarbid erzeugt wird, hatten die Elektroden einen Durchmesser von 950 mm, waren in Dreieckform angeordnet und wurden mit dreiphasigem Wechselstrom versorgt. Die Elektroden hatten einen Mantel aus Stahlblech mit einer Verstärkungsstruktur im Inneren, bestehend aus sechs Rippen, die radial an der Innenwand des Mantels angeschweißt waren. In der Achse jeder Elektrode war ein Stahlband von 33 mm Breite und 2 mm Dicke angeordnet.

Die Vorrichtung 9 war ein Quotientenmeßgerät.
Geeignet isolierte und geschützte Leiter 10 und 11 verbanden das obere Ende des Stabes 8 und des Metallmantels 1 mit dem Quotientenmeßgerät 9. Diesem Gerät 9 wurde über die Leitungen 12 und 13 auch der Wert des Elektrodenstromes eingebeben, der in geeigneter Weise von einem Stromtransformator auf der Primärseite der Stromquelle zum Transformator des Ofens (nicht gezeigt) entnommen wurde.

Das Quotientenmeßgerät 9 zeigte das Verhältnis zwischen den beiden zugeführten Größen an. Der Elektrodenstrom bei normal arbeitendem Ofen betrug 45 000 A. Der ermittelte Spannungsabfall zwischen dem

to Mantel 1 und dem Stab 8 schwankte von etwa 0,2 bis etwa 0,8 V, abhängig vom Backzustand der Elektrode und dem Elektrodenstrom.

Es ist gefunden worden, daß bei einem konstanten E'ektrodenstrom mit einer Stromstärke von 45 000 A ein Spannungsabfall von 0,2 V einem ausgezeichneten Backzustand entsprach, und folglich wurde die Verschiebung der Elektrode möglich.

Der Einfachheit halber war die Skala der Anzeigevor-

richtung 9 so geeicht, daß das Verhältnis von 0,2/45 000 dem Index C = 1 in F i g. 2 entsprach. Index C, der von der Vorrichtung 9 _I ngezeigt. wird, schwankte zwischen 1 und etwa 2,3, abhängig vom Eackzustand der Elektrode. Zahlen für den Index C gleich oder kleiner als 1 entsprachen einem ausgezeichneten Backzustand, der ein Verschieben der Elektrode gestattete. Umgekehrt entsprachen Zahlen für Index C über 1 zunehmend schlechteren Backzuständen und bedeuteten die Gefahr des Bruches. Selbstverständlich ist die Beziehung zwischen C - 1 und dem Verhältnis 0,2/45 000 nur für das vorstehend beschriebene Beispiel günstig.

Wenn die Charakteristiken der Elektrode (wie z. B. Durchmesser, Zusammensetzung der Elektrodenmasse, ivi3ntel, ixippengcstait, r\Ti uCr otromzuiUnrlcitung usw.^ geändert werden, ändern sich die Werte des Index C, die guten und schlechten Backzustände entsprechen, ebenfalls. Wenn mit einem bestimmten und konstanten Elektrodenstrom gearbeitel wird, ist nach Bestimmung des Spannungsabfalles, der dem besten Backzustand entspricht, die Skala des Anzeigegerätes 9 neu zu eichen, und die Zahl 1 des Index C entsprechend dem neuen Verhältnis von Spannungsabfall, der den besten Backzuständen entspricht, zu Elektrodenstrom zu setzen.

In F i g. 2 ist eine typische Kurve für Index Cgezeigt. Die Elektrode wurde jede Stunde 2 cm nach unten verschoben, ohne den Elektrodenstrom zu ändern. Jede Verschiebung wurde deutlich durch ein plötzliches Ansteigen des Index Cangezeigt, welcher sofort auf den Wert von etwa I,5mal dem Wert vor der Verschiebung stieg. Danach kam der Index C im Laufe 1 Stunde auf seinen normalen Wert 1 zurück, das Backen eines Teiles der Elektrode anzeigend, der dem nach unten versehobenen Teil entsprach.

Fig. 3 zeigt die Kurve für Index C während der Zeit,

ίο die unmittelbar auf die in Fig. 2 gezeigte folgt. Die Elektrode war nach den wiederholten Verschiebungen, die in F i g. 2 gezeigt sind, sehr lang. Das Verschieben wurde danach 11 Stunden ausgesetzt. Während dieser Zeit fiel der Wert Cunter 1 und stabilisierte sich um 0,8,

ι ς was einen höheren BacR°rad a!s normal anzeigte

F i g 4 schließlich zeigt eine gefährliche Situation, was durch die Kurve des Index C deutlich wird. Die Elektrode wurdeum 8 cm um 10 Uhr verschoben und um 11 Uhr, bevor C seinen Normalwert wiedererlangen konnte, um weitere 4 cm. Der Index Ckehrte nach dem gewöhnlichen vorübergehenden Maximum auf die Zahl 2,2 zurück, während die Elektrode, mit dem normalen Strom von 45 000 A belastet, die ernste Gefahr des Zusammenbruches zeigte, was dazu zwang, augenblicklieh den Strom auf 20 000 A herabzusetzen mit einer sich daraus ergebenden Verminderung der Erzeugungsleistung des Ofens.

4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

■:■; ■Κ Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ermitteln des Backzustandes einer vom Betriebsstrom durchflossenen selbstbakkenden Elektrode eines elektrischen Ofens, die einen zylindrischen Metallmantel und einen sich längs durch die ungebackene und die gebackene Elektrodenmasse erstreckenden, elektrisch leitenden, mit der Betriebsstromquelle und mit dem Mantel außer über die Elektrodenmasse nicht in Verbindung stehenden Stab aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zufuhr des Betriebsstroms zur Elektrode die Spannung zwischen dem Mante! und dem Stab gemessen wird.

2. Selbstbackende Elektrode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (8) axial zur Elektrode angeordnet ist

3. Selbstbackende Elektrode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab aus Metall besteht

4. Selbstbackende Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Stab (8) die Form eines Bandes hat.