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NICHTVERZEHRBARE ELEKTRODE ZUM SCHMELZEN VON METALLEN UND LEGIERUNGEN
Die Erfindung betrifft Wärmequellen, insbesondere eine nichtverzehrbare Elektrode
zum Schmelzen von Metallen und Legierungen, die im wesentlichen bei elektrometallurgischen
Anlagen zum Schmelzen von Metallen und Legierungen sowie bei Anlagen zum Abschmelzen
der Blockoberfläche und zum Auftragschweißen zum Einsatz gelangt. Die vorliegende
Elektrode findet auch beim Erschmelzen von Metallen und Lagierungen aus stückigem
Beschikkungsgut in Vakuumöfen mit wassergekühltem Kristallisiergefäß oder einem
Schmelztiegel und in Lichtbogenöfen mit keramischer Auskleidung Verwendung.
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Bekannt sind gektihlte nichtverzehrbare Elektroden zum Schmelzen
von Metallen und Legierungen der Firma "Schlienger" (s. z.B. US-Patentschrift Nr.
3 649 733, vom 14.3.1972 Kl.
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13 bis 18 oder Nr. 3 651 239 vom 21.3.1972), die ein Gehäuse
und
ein kupfernes Endstück aufweisen. Beim Schmelzen wird ein Hochstrombogen zwischen
dem kupfernen Endstück der Elektrode und dem Schmelzgut gebildet. In der Regel ist
die Elektrode im Ofen unter einem gewissen Winkel zum Badspiegel angeordnet.
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Die hohe Standzeit der Elektrode wird bei starken Lichtbogen strömen
durch deren Rotation tim die eigen. Achse mit elner Drehgeschwindigkeit von etwa
250 U/min erreicht. Beim Rotieren der Elektrode wandert der aktive Fleck des Lichtbogens
aber die Oberfläche des gekühlten kupfernen Endstückes, was einen geringen Verschleiß
gewährleistet. Der Schmelzprozeß wird im Ofen in der Regel mit umgekehrt gepoltem
Lichtbogen geführt, wofür der Pluspol der Speisequelle der nichtverzehrbaren Elektrode
zugeführt wird. Dieser Elektrodenaufbau bietet die Möglichkeit, Metalle und Legierungen
aus stückigem Beschickungsgut zu erschmelzen und auf den Einsatz einer verzehrbaren
Elektrode (Rohling) zu verzichten.
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Aufgrund beweglicher Strom- und Wasserzuführungen der Elektrode ist
die beschriebene gekühlte nichtverzehrbare Elektrode kompliziert aufgebaut. Zur
Rotation der Elektrode müssen augedem Sonderantriebe aufgestellt werden, was die
Konstruktion der Schmelzeinheit insgesamt kompliziert. Die Zuverlässigkeit des Schmelzvorganges
mit diesen Elektroden richtet sich nach der Arbeitsfähigkeit der obenerwähten Elemente.
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Eine der bekannten gekühlten nichtverzehrbaren Elektroden
zum
Schmelzen von Metallen und Legierungen stellt die Elektrode dar (s. z.B. US-Patentschrift
Nr, 3 610 796, vom 5.10. 1971 Kl.
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13 bis 18, oder GB-Patentschrift Nr. 1 325 522, Xl. H5H), bei der
im gekühlten Hohlraum des kupfernen Endstückes befindliche Dauermagneten als Mittel
zum Drehen des Lichtbogens dienen.
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Im Schmelzvorgang brennt ein Hochstrombogen zwischen der Stirnfläche
des Endstückes und dem Schmelzgut, wobei dessen Rotation durch eine gewisse Anordnung
der Dauermagnetpole im Hohlraum des Endstückes erreicht wird. Beim Rotieren des
Lichtbogens wandert der aktive Fleck über die Stirnfläche des kupfernen Endstückes,
wodurch seine geringe Erosion erreicht wird. In der Regel wird Metall mit umgekehrt
gepoltes Lichtbogen geschmolzen, was bei geringen Rotationsgeschwindigkeiten des
Lichtbogens die genügende Standzeit des kupfernen Endstückes zu sichern gestattet0
Die erwähnte gekühlte nichtverzehrbare Elektrode und vor allen das kupferne Endstück,
den eine spezielle Konfiguration gegeben werden muß, ist kompliziert aufgebaut.
Die Betriebssicherheit dieser Elektrode wird durch Anbringen von leistungsstarken
Magneten erreicht, was die Außenabmessungen der Elektrode vergrößert und als Folge
davon ihren thermischen Wirkungsgrad herabsetzt.
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Bekannt ist auch eine nichtverzehrbare Elektrode zum Schmelzen von
Metallen und Legierungen, die ein Gehäuse mit einen Endstück
aufweist,
bei der das Mittel zum Drehen des Lichtbogens, der zwischen diesem Endstück und
dem Schmelzgut bzw. der Legierung gebildet wird, im gek"uhlten Hohlraum des Endstückes
Platz findet und in Form einer Spule ausgeführt ist (s. z.B. US-Patentschrift Nr.
3 369 067, von 13.2. 1968 Xl. 13 bls 18).
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Zur Erzeugung einer gerichteten Strömung des Kühlmittels in den Kanälen
der Elektrode und des Endstückes ist das Mittel zum Drehen des Lichtbogens in einem
Spezialgehäuse aus einem unmagnetischen Werkstoff untergebracht. Die Stromversorgung
des Mittels zum Drehen des Lichtbogens und der Elektrode erfolgt durch unabhängige
Stromquellen. Dabei finden beim Einspeisen des Mittels zum Drehen des Lichtbogens
Niederspannungsstromquellen Verwendung, damit die Gefahr eines Isolationsdurchschlags
des erwähnten, in dem gekühlten Hohlraum des Endstückes befindlichen Mittels herabgesetzt
werden kann. Beim Schmelzen erzeugt das Mittel zum Drehen des Lichtbogens ein starkes
Magnetfeld, das sich dem Magnetfeld des Lichtbogens überlagert und dessen Rotation
unter Verschiebung des aktiven Flacks über die Stirnfläche des kupfernen Endstückes
bedingt. Selbst bei großen Wärmeentwicklungen im wirksamen Fleck des Lichtbogens
wird dadurch eine hohe Erosionsfestigkeit des Endstückes gewährleistet.
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Die Regelung der Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens erfolgt
durch Änderung des Stromes, der von der Stromquelle dem Mittel zum Drehen des Lichtbogens
zugeführt wird. Mit Hilfe dieser
Elektrode kann Metall sowohl mit
normal, als auch mit umgekehrt gepolten Lichtbogen geschmolzen werden. Be;rrn Erschielzen
von Metall mit normal gepolten Lichtbogen muß Jedoch die Rotationsgeschwindigkeit
des Lichtbogens mehr als 1000 m/sek. betragen, was die Erzeugugn stker Magnetfelder
und somit dle Zufuhr eines starken Stromes an das Mittel zum Drehen des Lichtbogens
erfordert.
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Wie alle obenbeschriebenen, ist die erwähnte Elektrode durch dle
Unterbringung des Mittels zum Drehen des Lichtbogens in dem gekühlten Hohlraum der
Elektrode, unmittelbar in ihrem Endstück kompliziert aufgebaut. Die Notwendigkeit,
spezielle Niederspannungsspeisequellen von großer Leistung zum Einspeisen des Mittels
zum Drehen des Lichtbogens einzusetzen, erfordert außerdem das Vorhandensein zusätzlicher
Flächen für ihre Anordnung und verteuert den Preis der Elektrode.
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Durch die Unterbringung des Mittels zum Drehen des Lichtbogens im
gekühlten Hohlraum wird die hohe Betriebssicherheit der Elektrode wegen eventueller
Störung der Isolationsganzheit nicht gewährleistet und eine Explosionsmöglichkeit
der Schmelzeinheit z.B. beim Schmelsen von an nicht beseitigt.
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Der Erfindung liegt dle Aufgabe zugrunde, eine nichtverzahrbare Elektrode
zum Schmelzen von Metallen und Legierungen zu schaffen, deren konstruktive Ausführung
ihren Aufbau zu vereinfachen und die Betriebssicherheit zu erhöhen vermag.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei
einer nichtverzehrbaren Elektrode zum Schmelzen von Metallen und Legierungen, die
ein Gehause mit einem endstück aufweist, in den gekühltem Hohlraum ein Mittel zum
Drehen des Lichtbogens, der zwischen diesem Endstück und dem Schmelzgut bzw. der
Legierung gebildet wird, Platz findet, eine der Seitenwände des Endstückes, in der
zumindest eine Drallnut ausgeführt ist, als Mittel zum Drehen des Lichtbegens dient.
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Es ist zweckmäßig, wenn gemeinsam mit der ersten erwähnten Seitenwand
auch die zweite Seitenwand des Endstückes, in der von seiten des gekühlten Hohlraumes
ebenfalls mindestens eine Drallnut ausgeführt ist, als Mittel zum Drehen des Lichtbogens
dient.
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Die konstruktive Ausführung der vorliegenden nichtverzehrbaren Elektrode
zum Schmelzen von Metallen und Legierungen gewährleistet Erhöhung ihrer Betriebssicherheit
und Verlängerung der Lebensdauer. Durch dle vorgeschlagene Lösung der Elektrode
wird ferner ihr Aufbau vereinfacht. Die Ausführung einer Drallnut in der Seitenwand
des Endstückes bietet die Möglichkeit, die Längskomponente des Magnetfeldes vom
Lichtbogen durch die Wand selbst zu erzeugen, was den Einsatz einer Spule, die von
einer unabhängigen Niederspannungsstromquelle gespeist wird und zur Erzeugung eines
äußeren Magnetfeldes bestimmt ist, eliminiert.
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Nachstehend wird dle Erfindung anhand konkreter Ausführungsvarianten
und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert; es zeigt Fig. 1 einen Vakuumlichtbogenschmelzofen
zum Erschmelzen eines Blocks aus stückigem Beschickungsgut mit der darin zu verwendenden
erfind ungsgemäßen nichtverzehrbaren Elektrode, Fig. 2 die zweite Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen nichtverzehrbaren Elektrode mit dem in der Seitenwand des
Endstückes in Form einer zweigängigen Drallnut ausgebildeten Mittel zum Drehen des
Lichtbogens (Längsschnitt), Fig. 3 dito, einen Schnitt gemäß Linie III-III in Fig.
2, Fig. 4 die dritte Ausführungsvariante der Elektrode mit dem in beiden Seitenwänden
des und stückes in Form einer Drallnut ausgebildeten Mittel zum Drehen des Lichtbogens
(Längsschnitt).
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Die vorliegende nichtverzehrbare Elektrode 1 (Fig. 1) zua Schmelzen
von Metallen und Legierungen enthält ein Gehäuse, das aus zwei miteinander fluchtend
angeordneten Stahlrohren - dem Außenrohr 2 und dem Innenrohr 3 - besteht. In dem
durch die Außen- und Innenrohre 2 bzw. 3 gebildeten Hohlraum des Gehäuses der Elektrode
1 findet ein Kupferrohr 4 Platz, das Kanäle 5 und 6 zum Durchgang eines Kühlmittels
bildet, das über einen Stutzen
7 und den Kanal 5 zu- und über einen
Stutzen 8 und den Kanal 6 abgeleitet wird.
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An der unteren Stirnfläche des Gehäuses und des Kupferrohres 4 ist
mittels Gewindeverbindungen ein Endstück 9, bestehend aus einem Werkstoff mit hoher
Wärmeleitfähigkeit und niedrigem spezifischem Widerstand, als welcher Kupfer Verwendung
findet, befestigt. Dabei dient das Kupferrohr 4 als Stromzuführung des Endstückes
9 der Elektrode 1. In einer der Seitenwände 10 des Endstückes 9 ist von seiten des
Kanals 6 eine eingängige Drallnut 11 ausgeführt, bei deren Einarbeiten Vorsprünge
12 in der Wand 10 entstehen. Die auf diese Weise ausgebildete Seitenwand 10 des
Endstückes 9 dient als Mittel zum Drehen des Lichtbogens.
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Beim Stromdurchgang durch die Seitenwand 10 des Endstückes 9 entsteht
die Radialkomponente des Bogenstromes, dle nach einer Tangente an die Windungsebene
der Drallnut 11 gerichtet ist und die Längskomponente des Magnetfeldes des Lichtbogens
vermindert, die durch das Mittel zum Drehen des Lichtbogens gebildet wird.
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Die Starke "b" des Vor sprunges 12 muß daher gleich einer halben Ganghöhe
"#" der Windung der eingängigen Drallnut 11 sein.
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Im Falle der Ausführung einer mehrgängigen Dralinut, d.h.
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Nuten im Falle der Ausführung von "n", bei der zu beschreibenden
Variante zwei Nuten,muß die Stärke "b" des Vorsprunges 12 (Fig.
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2) gleich der Ganghöhe "#" einer beliebigen Nut, geteilt durch
die
doppelte Anzahl der Gänge d.h. der Nuten 11 (Fig. 3) und 13, sein.
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Im Gesamtfall wird die Stärke "b" des Vorsprunges aufgrund der Bedingung
b = # 2 n ausgewählt.
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Die Tiefe "h" (Fig. 2) des Vorsprunges 12 mit seiner obenerwähnten
Stärke und die Stärke "#" der Wand 10 des Endstückes 9 sind derart bemessen, daß
sie den von elner Speisequelle 14 (Fig. 1) der Elektrode 1 zugeführten spitzenstrom
durchlassen können.
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Ausgehend von den fertigungstechnischen Forderungen wird die Drallnut
11 in der Seitenwand 10 des Endstückes 9 bei verschiedenen Schmelzverfahren in verschiedenen
Varianten ausgeführt. Durch die Ausbildung von zwei Drallnuten in einer Wand wird
z.B. eine gleichmäßigere Intensitätsverteilung des Magnetfeldes unweit der Stirnfläche
des Endstückes 9 gewährleistet.
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Es ist auch eine dritte Ausführungsvariante der Elektrode möglich,
bei der die beiden Seitenwände 10 und 15 (Fig. 4), in Jeder von denen Je eine Drallnut
11 bzw. 16 ausgeführt ist, als Mittel zum Drehen des Lichtbogens dienen. Bei dieser
Ausführung des littels zum Drehen des Lichtbogens bleibt das Verhältnis zwischen
den Abmessungen der Drallnuten 11 und 16 wie oben erwähnt.
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Zur Schmelzführung wird die vorliegende Elektrode 1 oberhalb des
Schmelzraumes 17 (Fig. 1) des Vakuumlichtbogenofens in Flucht mit einem wassergekühlten
Kristallisiergefäß 18 untergebracht Das Kristallisiergefäß 18 weist eine wassergekühlte
Gespannplatte 19 auf, dle mit einer Stange 20 bewegt wird. Die Elektrode 1 und die
Stange 20 werden von einer Quelle 14 eingespeist. In der Anfangsschmelzperiode bilden
die Wande 21 des Kristallisiergefäßes 18 und die Gespannplatte 19 einen wassergekühlten
Schmelztiegel, in den das Beschickungsgut 22 aus einem Bunker 23 eingesetzt wird.
Der zu erschmelzende Block 24 wird mit Hilfe der Stange 20 gezogen und zusammen
mit der Gespannplatte 19 abwärtsbewegt.
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In Schmelzvorgang wird der Lichtbogen 25 zwischen der Stirnfläche
des Endstückes 9 und dem stückigen Beschickungsgut und anschließend zwischen dem
Endstück 9 und dem Spiegel des Metallbades 26 gebildet.' Zur Stabilisierung des
Brenners des Lichtbogens 25 und zur Verwirklichung von Schmelzvorgängen wird über
einen Stutzen 27 und den Hohlraum 28 der Elektrode 1 ein inestes oder aktives Gas
der Lichtbogenzone zugeführt.
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Der Schmelzvorgang im Vakuumlichtbogenofen mit Hilfe der vorgeschlagenen
nichtverzehrbaren Elektrode geht wie folgt vor sich.
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In das im Schmelzraum 17 untergebrachte wassergekühlte Kristallisiergefäß
18 wird das stückige Beschickungsgut 22, das
aus dem Bunker 23
kommt, eingesetzt. Zusammen mit den Seitenwänden 21 des Kristallisiergefäßes 18
bildet die wassergekühlte Gespannplatte 19 einen wassergekühlten Schmelztiegel.
Nach dem Einsetzen einer bestimmten Menge von stückigem Beschickungsgut 22 wird
die oberhalb des Schmelzraumes 17 in Flucht mtt dem Kristallisiergefäß 18 angeordnete
nichtverzehrbare Elektrode 1 auf einen Abstand abgesenkt, der durch dle Zündbedingungen
des Lichtbogens 25 gegeben ist. Dann wird die Elektrode 1 und die Gespannplatte
19 über die Stange 20 von der Quelle 14 eingespeist. Mit Hilfe der bekannten Verfahren
z.B. des hochfrequenten Durchschlags, der bei der beschriebenen Variante Verwendung
findet, wird der elektrische Lichtbogen 25 zwischen der Stirnfläche des Endstückes
9 der Elektrode 1 und dem zu schmelzenden Gut 22 gebildet. Beim Erregen des Lichtbogens
25 fließt der Strom durch die Vorsprünge 12, die durch die Drallnut 11 in der Seitenwand
10 des Enstückes 9 und In der eigentlichen Wand 10 des Endstückes gebildet sind.
Beim Durchgang durch die Vorsprünge 12 in der Wand 10 das Endstückes 9 erzeugt der
Strom des Lichtbogens 25 die Längskomponente des Magnetfeldes des Lichtbogens. Da
der Lichtbogen 25 selbst ein transversales Magnetfeld erzeugt, dessen Flußdichte@ektor
nach einer Tangente an die Magnetfeldlinien gerichtet ist, so nötigt die Überlagerung
eines durch die Drallnut 11 erzeugten longitudinalen Magnetfeldes
den
Licht bogen 25 zum Rotieren, Dabei wandert der aktive Fleck des Lichtbogens an der
Steile seines Anschlusses an die Stirnfläche des Endstückes 9 mit einer vorgegebenen
Geschwindigkeit über diese Stirnfläche. Das Vorhandensein der Drallnut 11 in der
Wand 10 des Endstückes 9 bietet also die Möglichkeit, zwei Komponenten des Magnetfeldes
des Lichtbogens zu schaffen, deren Überschneiden die Rotation des Lichtbogens 25
bedngt.
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Das Erschmelzen von Metall kann sowohl mit normal als auch mit umgekehrt
gepoltem Lichtbogen erfolgen. Beim Betrieb der Elektrode 1 mit normal gepoltem Lichtbogen
soll zur Gewährleistung der hohen Beständigkeit des kupfernen Endstückes 9 die Amperewindungszahl
des durch dle Dralinut 11 gebildeten Mittels z Drehen des Lichtbogens nicht kleiner
sein als die des Lichtbogens 25.
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Im Falle der Schmelzführung mit umgekehrt gepoltem Lichtbogen kann
die Amperewindungszahl des Mittels zum Drehen des Lichtbogens auf dle halbe Amperewindungszahl
des Lichtbogens 25 reduziert werden. Da die Größe des Magnetfeldes nlcht von der
Windungszahl der Drallnut 11 abhängig ist, so kann die Erhöhung der magnetischen
Flußdichte der Längskomponente des Magnetfeldes des Lichtbogens 25 nur durch eine
Vergrößerung der Tiefe der Drallnut 11 und somit durch eine Verminderung der
Stärke
"#" (Fig. 2) der Wand 10 des Endstückes 9 an der Stelle der Ausbildung der Drallnut
11 erreicht werden.
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Je nach dem Durchschmelzen von dem stückigen Beschickungsgut 22 (Fig.
1) wird die Gespannplatte 19 mit Hilfe der Stange 20 abwärtsbewegt und der Block
24 gezogen. Dabei tritt das stückige Beschickungsgut 22 in bestimmten Portionen
aus dem Bunker 23 in das Kristallisiergefäß 18 kontinuierlich ein.
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Zur Stabilisierung des Brennens des Lichtbogens 25 kann im Schmelzvorgang
ein inertes oder ein aktives Gas über den Stutzen 27 und den Hohlraum 28 der Elektrode
1 zugeführt werden Mit Hilfe der vorliegenden Elektrode kann Metall unter Vakuum
und Überdruck geschmolzen werden.
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Dse Ausführung der Drallnut 16 (Fig. 4) in der zweiten Seitenwand
15 des Endstückes 9 bietet die Möglichkeit, das Entstehen einer Entladung zwischen
dieser Wand und dem Beschickungs gut 22 zu eliminieren.
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Im Vergleich zu den bekannten Elektroden weist die nichtverzehrbare
Elektrode zum Schmelzen von Metallen und Legierungen in den obenbeschriebenen konstruktiven
Varianten eine Reihe von Vorteilen auf0 Zu diesen Vorteilen gehört die Möglichkeit
des Erschmelzens von Metall und des Rotierens des Lichtbogens mit einem Bogenstrom,
der den Einsatz von zwei Speisequellen auschließt. Aufgrund der Verwendung der Wände
des Endstückes,
in denen mit einem Kühlmittel intensiv abzukühlende
Drallnuten ausgeführt sind, als Mittel zum Drehen des Lichtbogens besitzt die vorliegende
Elektrode eine lange Lebensdauer. Die auf diese Weise ausgeführte Seitenwand des
Endstückes liefert die Möglichkeit, den Aufbau der nichtverzehrbaren Elektrode wesentlich
zu vereinfachen.