DE2453012C3

DE2453012C3 - Elektrodenfassung für Lichtbogenöfen

Info

Publication number: DE2453012C3
Application number: DE19742453012
Authority: DE
Inventors: Ottmar Dipl.-Chem. Dr. Rer.Nat. 8901 Meitingen Rubisch
Original assignee: Sigri Elektrograhit GmbH
Current assignee: Sigri GmbH
Priority date: 1974-11-08
Filing date: 1974-11-08
Publication date: 1979-10-25
Also published as: GB1505920A; DE2453012A1; DE2453012B2

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrodenfassung für insbesondere mit einer metallhaltigen Schutzschicht versehene Kohlenstoff- oder Graphitelektroden zur Verwendung in einem Lichtbogenofen, mit wassergekühlten Kontaktbacken und mit diesen lösbar verbundenen, segmentförmigen, durch Sintern eines metallhaltigen Pulvers hergestellten Kontaktstücken.

Aufgabe der in Lichtbogenofen, beispielsweise zur Erzeugung von Elektrostahl, verwendeten Elektrodenfassung is¹: die Fixierung der Kohlenstoff- und Graphitelektroden und die Übertragung des zum Betreiben des Lichtbogens erforderlichen Stroms. Da die Fassungen nicht nur der in den Leitermaterialien und in den Kontaktstellen entstehenden Jouleschen Wärme ausgesetzt sind, sondern ebenfalls durch die Wärmestrahlung des Ofens und durch Wärmeleitung der Elektrodenstränge erhitzt werden, ist es zur Vermeidung überhöhter, die Kontakte zerstörender Temperaturen erforderlich, die Kontaktstücke auf eine werkstoffgerechte Temperatur zu kühlen. Wassergekühlte Kontaktbacken und Kontaktstücke aus Kupfer oder Kupferlegierungen weisen unterhalb einer für die jeweiligen Ofenkonstruktion charakteristischen Stromstärke eine befriedigende Standzeit auf und haben sich weitgehend bewährt. Die Verwendung von Kontaktstücken aus Kupfer in den sogenannten Hochlastöfen, deren Elektroden mit sehr hohen Strömen belastet werden, ist weniger befriedigend, da die Kontaktstücke infolge thermischer und ebenfalls korrosiver Schädigungen in verhältnismäßig kurzer Zeit unbrauchbar werden.

Zur Vermeidung dieses Nachteils sind Kontaktstücke aus beständigeren Materialien vorgeschlagen worden. Nach der DE-OS 22 22 858 ist es beispielsweise bekannt, gesinterte Kontaktstücke aus Wolfram und Kupfer zu verwenden, deren Wolframanteil vorzugsweise etwa 60—68% und deren Kupferanteil etwa 32—40% betragen. Derartige Kontaktstücke sind jedoch wegen des verhältnismäßig hohen Kupfergehalts nicht für die Verwendung in solchen Lichtbogenofen geeignet, deren Elektroden mit metallischen oder metallhaltigen Schutzschichten verseher, sind. Die Oberfläche derartiger den ' Abbrand der Elektroden vermindernder ■> Schutzschichten ist aufgrund der jeweiligen Beschichtungsverfahren mehr oder weniger rauh ausgebildet, so daß der Strom nur über wenige Kontaktstellen von den Kontaktstücken zur Elektrode fließt Die unvermeidbare starke Erhitzung der Kontaktstelle führt dabei zu

ίο einem Versintern oder Legieren der sich im Kontakt berührender. Metalle. Beim periodischen, den Spitzenabbrand ausgleichenden Nachstellen der Elektrode werden die versinterten bzw. legierten Kontaktstellen abgeschert, wobei auf der Oberfläche des Kontakt-Stücks narbenförmige Vertiefungen oder pilzförmige Erhöhungen entstehen. Nach einigen Nachsteilzyklen ist die Oberfläche des Kontaktstückes derartig zerklüftet, daß der Spannungsabfall im Kontakt die zulässige Grenze übersteigt und das Kontaktstück unbrauchbar wird.

Gegenstand eines älteren, nicht veröffentlichten Vorschlags (vgl. DE-OS 23 32 004) ist es, Kontaktstücke aus Kupfer mit einer oxidationsbeständigen, hochschmelzenden, vorwiegend metallischen Substanz, zu beschichten. Derartige Beschichtungen, die Legierungen eines Übergangsmetalls und Kohlenstoff enthalten können, verringern die Neigung für ein Zusammensintern oder Verschweißen des Kontaktstückes mit der metallischen Schicht von Elektroden zwar wesentlich, aber der Effekt kann wegen der begrenzten Haftfestigkeit der Beschichtung im allgemeinen nicht in wünschenwertem Maße genutzt werden. Durch die GB-PS 11 85 414 ist schließlich eine Elektrodenfassung der eingangs genannten Art bekannt, die zweiteilige, eine Metallschale und eine auswechselbare Scheibe aus Graphit oder Metallgraphit enthaltende Kontaktstücke aufweist. Versinterungen und Verschweißungen sind bei diesem Kontaktstück praktisch ausgeschlossen, nachteilig ist jedoch die große Bruchempfindlichkeit der Graphitscheibe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrodenfassung mit thermisch, chemisch und mechanisch beständigen Kontaktstücken zu schaffen, die insbesondere für mit metallhaltigen Schutzschichten versehene Elektroden geeignet ist und auch bei hoher Strombelastung eine ausreichende Lebensdauer der Kontaktstücke aufweist.

Die Aufgabe wird bei einer Elektrodenfassung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kontaktstücke aus einem oder mehreren Metallen der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems oder einem metallischen Oxid eines Elements aus diesen Gruppen bestehen und daß die der Elektrode zugekehrten Flächen der Kontaktstücke mit einer Deckschicht versehen sind, die aus einem Carbid, Oxicarbid, Carbonitrid, Nitrid, Oxinitrid oder Suboxid eines oder mehrerer Elemente der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems besteht. Nach bevorzugten Ausführungen der Erfindung bestehen die Kontaktstücke aus Titan und die Deckschichten aus Titancarbid.

Die Elemente der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems zeichnen sich durch verhältnismäßig hohe Schmelztemperaturen, die gute Beständigkeit gegen korrodierende Stoffe und metallische Leitfähigkeit aus. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Oberflächen von aus diesen Elementen oder metallischen Verbindungen der Elemente hergestellten

Kontaktstücken in einfacher Weise mit einer festhaftenden carbidischen oder nitridischen Deckschicht oder einer sauerstoffhaltigen Mischschicht versehen werden können, die eine außergewöhnliche Temperatur- und Verschleißbeständigkeit aufweist und mit den metallisehen oder metallhaltigen Schutzschichten von Elektroden keine die Schutzschichten und die Kontaktstücke zerstörenden Verbindungen bilden. Die günstigen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Deckschicht bedingen eine beträchliche Verlängerung der Standzeiten von Kontaktstücken, wobei auch bei langer Betriebszeit der Kontaktwiderstand praktisch unverändert bleibt

Bevorzugt werden zum Herstellen erfindungsgemäßer Kontaktstücke ein oder mehrere pulverförmige Metalle der IV. und/oder V. Nebengruppe des Periodensystems oder metallische Verbindungen, wie Hydride oder Suboxide dieser Elemente gegebenenfalls mit Zusätzen von Preßhilfsmitteln, wie z. B. Stearinsäure oder Wachsen und/oder Bindemitteln, wie z. B. Methylcellulose oder Polyvinyiaikohol durch Pressen mit einer Gesenkpresse oder auch durch Vibrationsverdichtung zu Kontaktstücken der gewünschten Maße und Formen verpreßt. Die Preßlinge werden anschließend in inerter Atmosphäre, vorzugsweise in Argon, oder im Vakuum gesintert, wobei die Sintertemperaturen ca. 1200— 1400° C betragen. Der jeweilige Sinterschwund kann durch einfache Vorversuche mit ausreichender Genauigkeit ermittelt und durch entsprechende Auslegung der Sinterform berücksichtigt werden, so daß die gesinterten Körper im allgemeinen bereits die für ihre Anwendung erforderlichen Maße aufweisen und eine Nachbearbeitung entfallen kann. Unumgängliche Bearbeitungsschritte, wie z. B. das Einschneiden eines Schraubengewindes, werden zweckmäßig vor der Beschichtung des Kontaktstücks vorgenommen.

Das gesinterte Kontaktstück wird dann mit einer verschleißfesten, chemisch inerten Deckschicht versehen, z. B. durch pyrolytische Abscheidung von Carbiden oder Nitriden oder durch Reaktion einer pulverförmigen kohlenstoffhaltigen Schüttung oder eines stickstoff· oder sauerstoffhaltigen Gases oder eines Gasgemisches mit dem Sintermetall, wobei die Abscheidungs- bzw. Reaktionstemperatur mindestens 800° C, bevorzugt etwa 1200-1300° C beträgt. Die Dicke der erzeugten Carbid- bzw. Nitridschicht beträgt zweckgemäß 0,1 —1,0 mm, vorzugsweise etwa 0,4—0,6 mm. Werden zum Herstellen der gesinterten Kontaktstücke Suboxide verwendet, so entstehen unter den Beschichtungsbedingungen oxicarbid- bzw. oxinitridhaltige Schichten, die sich durch einen besumiers. hohen Verschleißwidci ■ stand auszeichnen.

Nach einem weiteren Verfahren zum Herstellen erfindungsgemäßer Kontaktstücke werden die Preßkörper direkt im Kontakt mit einem kohlenstoffhaltigen Material auf etwa 1200—1300⁰C erhitzt, wobei der Preßling gesintert und die Oberfläche gleichzeitig carburiert wird. Dieses besonders einfache Verfahren eignet sich wegen der großen Härte der Deckschicht allerdings nur für solche Kontaktstücke, die einer Nachbearbeitung nich*. bedürfen.

Das die Form eines Zylindersegments aufweisende Kontaktstück ist in bekannter Weise durch Schrauben oder Klemmstücke an der wassergekühlten, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen■■ den Kontaktbacke lösbar befestigt, wobei bevorzugt für jede Kontaktbacke ein einteiliges Kontaktstück vorgesehen ist. Zur Verminderung des Spannungsabfalls zwischen Kontaktbacke und Kontaktstück ist es vorteilhaft, die an der Kontaktbacke anliegende Fläche des Kontaktstücks zu verkupfern oder zwischen diesen Flächen eine dünne Kupferfolie oder ein Kupfernetz einzulegen. Die mit der verschleißbeständigen Deckschicht versehene konvexe Fläche des segmentförmigen Kontaktstücks liegt an der Mantelfläche der Elektrode bzw. der metallischen Schutzschicht der Elektrode an.

Von den Elementen der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems ist insbesondere Titan aufgrund seiner Verfügbarkeit und des vergleichsweise niedrigen Preises für die Herstellung von Kontaktstücken geeignet. Als Deckschicht wird Titancarbid wegen der Einfachheit und Reproduzierbarkeit der Carbonisierungsreaktion bevorzugt.

Die Kontaktstücke sind außerordentlich beständig gegenüber den hohen Temperaturen im Kontakt und den heißen Ofengasen und ermöglichen eine betriebssichere elektrische Verbindung mit einer verlängerten Lebensdauer, die auch durch die Verwendung von Elektroden mit metallischen Schutzschichten nicht beeinträchtigt wird. Die gegen mechanische korrosive Einwirkungen beständige Deckschicht gewährleistet schließlich eine gleichbleibende Güte der Kontaktfläche und eine Senkung des Kontaktwiderstands.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft erläutert:

Beispiel 1

Körniger Titanschwamm mit einem Titangehalt von etwa 99% und einer Korngröße von 0,5—4 mm wurde gleichmäßig in eine segmentförmige Stahlmatrize gefüllt und auf einer Gesenkpresse mit einem spezifischen Druck von 1000 bar verdichtet. Die segmentförmige Platte wurde dann in einen Sinterkasten eingesetzt, dessen Bodenfläche mit einer ca. 2 cm-dicken Rußschicht bedeckt war, wobei die konvexe Fläche des Segments in innigem Kontakt mit der Rußschicht stand. Anschließend wurde in einer Argonatmosphäre innerhalb von drei Stunden auf eine Temperatur von 1250°C erhitzt und diese Temperatur eine Stunde lang gehalten. Unter den genannten Bedingungen sinterte der Preßling zu einem Kontaktstück mit einer Rohdichte von 3,5 g/cm³ und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,6 Ω mm²/m mit einer 0,7 mm-dicken Titancarbidschicht.

Zur Prüfung der Funktionstüchtigkeit wurde das Kontaktstück durch an dessen Seitenflächen angreifende Klemmhalter an die wassergekühlten Kontaktplatten eines Elektrodenhalters geklemmt und gegen die Mantelfläche einer mit einem aSurniniurnhaliigcn Schutzüberzug versehenen Graphitelektrode gedrückt und dabei mit einem Strom von 30 Ampere/cm² beaufschlagt. Nach jeweils 5 Minuten wurde die Verbindung gelöst, die Elektrode um etwa 10 cm verschoben und dann erneut mit Strom belastet. Nach 50 Zyklen war die Oberfläche des Kontaktstücks unverändert, während vergleichsweise geprüfte Kupferkontaktstücke bereits nach 10 Zyklen zahlreiche, eine weitere Verwendung ausschließende Krater und Hökker aufwiesen.

Beispiel 2

61,4Gew.-Teile Titanpulver, Korngröße <0,06μηι, 38,6 Gew.-Teile Rutilpulver, Korngröße <0,01 μπι — Molverhältnis ca. 8:3 — wurden nach Zusatz von 5Gew.-Teilen einer 2%igen wässrigen Polyvinylalkohollösung in einem Schnellmischer gemischt und

anschließend auf einer Gesenkpresse mit einem Druck von ca. 50 kp/cm² zu quaderförmigen Platten verpreßt. Die bei einer Temperatur von 105° C getrockneten Vorpreßlinge wurden dann innerhalb von 4 Stunden in einer Argonatmosphäre auf 1250° C erhitzt, anschließend auf einem Backenbrecher zerkleinert und in einer Schwingmühle auf eine Körnung <0i06 μηι gemahlen. Das spröde, graugußfarbene Pulver hatte die Zusammensetzung TiOo.56·

100 Gew.-Teilen Pulver wurden dann mit 5 Gew.-Teilen einer 10%igen Lösung von Hartparaffin in Toluol versetzt, 5 Minuten in einem Wirbelmischer gemischt und auf einer Gesenkpresse mit einem Druck von 2,5 Mp zu segmentförmigen Platten verpreßt. Anschlie-

ßend wurden die Platten bei einer Temperatur von 110° C getrocknet und in einem Durchstoßofen in einer Argonatmosphäre auf 1300°C erhitzt Die Verweilzeit betrug 3 Stunden. Der elektrische Widerstand der dichtgesinterten Segmente beträgi ca. 1,8 ßmrnVrn. Die Platten wurden dann mit vier Gewindebohrungen versehen und anschließend in einer Stickstoffatmosphäre auf 1200 °C erhitzt, wobei sich eine etwa 0,8 mm dicke Titanoxinitridschicht bildete.

Die Kontaktstöcke wurden dann an Kupferkontaktbacken geschraubt und wie in Beispiel 1 beschrieben, geprüft. Unter den Prüfbedingungen veränderte sich weder die Oberflächenbeschaffenheit der Kontaktfläche, noch der Spannungsabfall im Kontakt.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrodenfassung für insbesondere mit einer metallhaltigen Schutzschicht versehene Kohlenstoff- oder Graphitelektroden zur Verwendung in einem Lichtbogenofen, Tiit wassergekühlten Kontaktbacken und mit diesen lösbar verbundenen, segmentförmigen, durch Sintern eines metallhaltigen Pulvers hergestellten Kontaktstücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke aus einem oder mehreren Metallen der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems oder einem metallischen Oxid eines Elements aus diesen Gruppen bestehen und daß die der Elektrode zugekehrten Flächen der Kontaktstücke mit einer Deckschicht, bestehend aus einem Carbid, Oxicarbid, Carbonitrid, Nitrid, Oxinitrid oder Suboxid eines oder mehrerer Elemente der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems, versehen sind.

2. Elektrodenhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke aus Titan bestehen.

3. Elektrodenhalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke mit einer aus Titancarbid bestehenden Deckschicht versehen sind.