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gohlenstoff-Bormkörper, insbesondere Eohlen-
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stoffelektrode.
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Die Erfindung betrifft einen Kohlenstoff-Formkörper, insbesondere
Eohlenstoffelektrode runden Querschnitts, mit einer in Körperlängsachse verlaufenden
Bohrung.
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Eohlenstoffelektroden werden seit vielen Jahren in elektrothermischen
Verfahren eingesetzt. Weit verbreitet ist die Verwendung von Graphitelektroden in
Elektrostahlöfen und von graphitierten und nichtgraphitierten Kohlenstoffelektroden
zur Herstellung von Ferrolegierungen, Ealziumkarbid,
Phosphor usw..
In diesen Verfahren dienen die Kohlenstoffelektroden zur tbertragung oder Umwandlung
elektrischer Energie, wobei sie sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind, die beispielsweise
für die Spitze einer im Elektrostahlofen eingesetzten Graphitelektrode eine Höhe
von 2000 bis 22000C und kurzzeitig am Lichtbogenfußpunkt sogar über 35000C erreichen
kann.
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Diese hohen Betriebstemperaturen und die durch die Betriebsführung
bedingten Aufheiz- und Abkühlvorgänge sind die Ursache für häufige starke Temperfturwechselbeanspruchungen,
sog. Thermoschocks. Zu einem solchen Thermoschock kommt es beispielsweise dann,
wenn nach dem Abstich eines Elektrostahlofens die Elektroden aus dem heißen Ofen
herausgezogen und der kalten Umgebungsluft ausgesetzt werden. Wärmestrahlung und
-leitung führen dabei zu einer plötzlichen, starken Abkühlung und Schrumpfung der
Außenzone des Elektrodenkörpers und damit zu einer hohen peripheren Zugspannung,
die häufig Risse entstehen läßt. Die Ausbildung solcher Risse ist im allgemeinen
unregelmäßig, å jedoch treten sie gehäuft in den Nippelbereichen auf. Die durch
Thermoschocks verursachten und gewöhnlich unregelmäßig verlaufenden Risse beeinträchtigen
den Schmelzprozeß insofern nachteilig, als durch die Risse bedingt, Materialstücke
aus der Elektrode während ihres betrieblichen Einsatzes herausbrechen, in die Schmelze
fallen und dadurch eine Aufkohlung der Schmelze bewirken. Ferner unterliegen gerissene
Elektroden auch einem stärkeren Abbrand, wodurch sich der Elektrodenverbrauch pro
Tonne Stahl wesentlich vergrößert.
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Aufgrund dieser Nachteile ist man seit vielen Jahren bestrebt, durch
Verwendung ausgesuchter Rohstoffe, wie Premiumkokse
und Nadelkokse,mit
niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und hoher thermischer und elektrischer
Leitfähigkeit die elektrische Belastbarkeit und das Thermoschockverhalten der Kohlenstoffelektroden
zu verbessern. Die dabei erzielten Fortschritte sind aber für die Ofenbauer und
Stahlwerker hinsichtlich der thermischen und elektrischen Belastbarkeit der Elektrode
noch nicht befriedigend. Andererseits sind die benötigten geeigneten Rohstoffe aufgrund
einer nichtgesicherten Erdölversorgung oftmals entweder überhaupt nicht vorhanden
oder stehen nur zu überhöhten Preisen zur Verfügung, wodurch sich die Elektroden
entsprechend verteuern.
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Aus der US-PS 2 527 294 ist bereits bekannt, Sohle- und Graphitelektroden
mit Schlitzen zu versehen, die etwa 0,4 bis 12,7 mm breit sind. Diese Schlitze führen
von der Außenfläche der Elektrode aus verschieden weit ins Innere des Elektrodenkörpers.
Durch sie wird jedoch die oxidierbare Oberfläche der Elektrode vergrößert. Aufgrund
der dadurch verursachten starken Oxidation im Inneren der Elektrode wird dieser
Elektrodenbereich rasch abgetragen, so daß sich die Schlitze ständig erweitern und
dadurch die Oxidationswirkung laufend vergrößern. Der mit der bekannten Elektrode
somit erreichbare Vorteil der Spannungsentlastung der äußeren Materialzonen und
der dadurch bewirkten Verbesserung des Thermoschockverhaltens wird durch den wesentlichen
Nachteil der erheblichen Festigkeitsminderung und starken Oxidation innerhalb des
Elektrodenkörpers wieder beseitigt, so daß diese bekannte Elektrode in der industriellen
Praxis keine Anwendung gefunden hat.
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Es ist ferner in der deutschen Patentanmeldung P 25 54 606.9 bereits
vorgeschlagen worden, bei Kohlenstoff-Formkörpern, insbesondere Kohlenstoffelektroden
mit vornehmlich rundem Querschnitt und wenigstens einem sich ins Körperinnere und
in Längsrichtung erstreckenden Schlitz diesen Schlitz mit einem die Oxidation der
Schlitzwände im Lichtbogenofenbetrieb wesentlich vermindernden, hitzebeständigen
Füllmaterial auszufüllen, das beim Entstehen eines Temperaturgefälles innerhalb
des Elektrodenmm querschnitts infolge der/ Lichtbogenofenbetrieb stattfindenden
Temperaturänderungen Veränderungen der Schlitzweite zuläßt und in seinen physikalischen
und chemischen Eigenschaften an die Eigenschaften des Elektrodenmaterials angepaßt
sowie im Schlitz verankert ist. Dieser Vorschlag ist jedoch insofern nicht voll
befriedigend, als der Elektrodenkörper im Bereich des Schlitzes an der Elektrodenoberfläche
verhältnismäßig leicht beschädigt oder gar zerstört werden kann, wenn die Anpreß-
oder Xontaktbacken beim Einbau der Elektrode durch ungünstige Lage auf eine Schlitzkante
auftreffen. Darüber hinaus kann es dabei auch zu einer Lichtbogenbildung kommen,
die unter Umständen zur Beschädigung der teueren Xontaktbacken führt.
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Es ist schließlich auch bekannt, Kohle- und Graphitelektroden mit
einer zentrischen Bohrung zu versehen, die entweder offen bleibt oder zur Zuleitung
von Gasen verwendet wird oder auch mit geeigneten Füllmaterialien gefüllt wird.
Eine solche Bohrung mit oder ohne Füllung führt jedoch nicht zu einer Entlastung
der unter peripheren Zugspannungen stehenden und einem Thermoschock unterliegenden
Elektrode, da die Wandstärke des Hohlzylinders zur Bohrung in einem zu großen Verhältnis
steht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Kohlenstoff-Formkörper
und insbesondere eine graphitierte oder nichtgraphitierte Kohlenstoffelektrode zu
schaffen, die nicht nur ein verbessertes Thermoschockverhalten aufweist, sondern
auch die durch Anbringung von Schlitzen auftretenden flachteile bezüglich Oxidation
und Abbrand vermeidet und darüber hinaus gegen Beschädigung oder Zerstörung durch
den Angriff der Kontaktbacken weitgehena gesichert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich von der
Bohrung aus ein Schlitz in Richtung auf die äußere Oberfläche der Elektrode erstreckt,
dessen Ende von der Elektrodenoberfläche einen Abstand aufweist.
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Dabei hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, die Bohrung
und den Schlitz sich über die ganze Länge der Elektrode erstrecken zu lassen und
die Bohrung zentrisch anzuordnen.
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Durch den Erfindungsvorschlag,in einem Kohlenstoff-Formkörper, insbesondere
einer Kohlenstoffelektrode, einen nicht bis zur Oberfläche der Elektrode reichenden
Schlitz vorzusehen, der von der Bohrung aus in das Elektrodenmaterial eingearbeitet,
beispielsweise eingeschnitten werden kann, wird erreicht, daß im oberen Teil des
Elektrodenstrangs, wo die Kontaktbacken angreifen und die Stromzuführung erfolgt,
die Elektrode eine geschlossene, beispielsweise zylindrische Oberfläche aufweist,
die von den Kontaktbacken nicht beschädigt oder zerstört werden kann. In diesem
oberen Teil des Elektrodenstrangs entsteht aufgrund der intensiven Kühlwirkung der
Backen kein Thermoschock. Hier liegen die Elektrodentemperaturen im allgemeinen
weit unter 10000C. Sollte aber im ungünstigsten Falbi
d.h. wenn
die oberste Elektrode des Strangs am äußeren oberen Ende in den Kontaktbacken eingespannt
ist, und eine extreme elektrische Belastung und damit Erwärmung des unteren Teils
der obersten Elektrode erfolgt und bedingt durch das Hochziehen des Strangs ein
Thermoschock auftreten, dann ist die Sollbruchstelle für die Rißbildung durch den
unter der Elektrodenoberfläche vorhandenen Schlitz vorgegeben. Der Elektrodenkörper
wird also dann an der Stelle des Umfangs einreißen, an der der Schlitz nicht bis
nach außen durchgeführt ist, wodurch das Auftreten größerer lokaler Spannungen und
damit möglicherweise unkontrolliertffl Beschädigungen in den übrigen Teilen der
Elektrode vermieden wird.
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Während also die Nachteile des vorgeschlagenen Schlitzes in der Elektrodenoberfläche
durch die erfindungsgemäße Konstruktion im Angriffsbereich der Kontaktbacken vermieden
werden, werden die Vorteile des Schlitzes als Mittel der Zugspannungsentlastung
an der Peripherie der Elektrode im unteren, heißeren und damit im stärkeren Naße
Schockbelastungen ausgesetzten Teil des Elektrodenstrangs durch den Erfindungsvorschlag
voll erhalten, denn durch oxidativen abtrag der äußeren Elektrodenzone in diesem
unteren, heißeren Teil des Elektrodenstrangs wird der Elektrodendurchmesser während
des Betriebs bald soweit verringert, daß das äußere Ende des Schlitzes erreicht
und der Schlitz damit zur Elektrodenoberfläche geöffnet wird und als Dehnungsschlitz
wirken kann.
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Beim Entstehen eines radialen Temperaturgefälles innerhalb des Elektrodenquerschnitts
verändert der Schlitz seine
Weite und verhindert dadurch, daß größere
Spannungen und Zerstörungen, wie sie bisher durch zufällige Rißbildungen unvermeidlich
gewesen sind, in der Elektrode auftreten.
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Durch an wenigstens zwei Stellen, die vorteilhafterweise mit den Enden
der Bohrung identisch sind, vorgesehene Erweiterungen der die Elektrode durchlaufenden
Bohrung sowie in durch wenigstens/einer der beiden gegenüberliegenden Schlitzwände
vorgesehene Vertiefungen lassen sich Schlitz und Bohrung mit Verankerungselementen
für ein hitzebeständiges Füllmaterial versehen, das, wie in der älteren Anmeldung
vorgeschlagen, in Schlitz und Bohrung eingebracht wird, jedoch wenigstens mit einer
Schlitzwand nicht fest verbunden sein soil. Dieses Füllmaterial bildet einen zusammenhängenden
Korper, der durch die genannten mechanischen Verankerungsmittel daran gehindert
wird, auch bei starken Vibrationen aus der Bohrung oder dem Schlitz axial oder radial
herauszurutschen. Diese Verankerung ist auch noch dann wirksam, wenn der nichtgeschlitzte,
äußere Elektrodenbereich durch Oxidation abgetragen und der Schlitz somit zur Elektrodenoberfläche
geöffnet ist, so daß die Oxidation oder Zerstörung des Füllmaterials in den unteren,
sehr heißen Zonen des Elektrodenstrangs einsetzt. Für den Fall, daß die Füllung
des Schlitzes und/oder der Bohrung nicht erforderlich erscheint, entfällt auch die
Anbringung von Vertiefungen zur Verankerung des Füllmaterials im Schlitzinneren.
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Das Füllmaterial hat grundsätzlich die Aufgabe, die Erweiterung des
Schlitzes durch Oxidation nach dem Abtragen der äußeren Elektrodenzone auf ein Mindestmaß
zu beschränken, ohne daß dadurch die Funktion des Schlitzes, nämlich eine
gesteuerte
Dehnung des Elektrodenkörpers unter thermischer Belastung zu ermöglichen, beeinträchtigt
wird.
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Als Füllmaterial hat sich ein kohlenstoffhaltiges Material bewährt,
das insbesondere beim Einsatz der Elektrode im Lichtbogenofenbetrieb abbaubar ist
und das aber auch, gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsvorschlags,
aus faserförmigen, hochtemperaturbeständigen Werkstoffen bestehen kann und darüber
hinaus ein Bindemittel und/oder lichtbogenstabiliserende, ionisierende Verbindungen
enthalten kann. Der Aufbau des Füllmaterials innerhalb des Schlitzes kann sowohl
radial als auch axial verschieden sein, beispielsweise durch unterschiedliche Materialschichten
gekennzeichnet sein.
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Der von der Bohrung der Elektrode nach außen verlaufende Schlitz kann
auch radial angeordnet sein, und seine in Radialrichtung gemessene Tiefe kann über
die Schlitzlänge verschieden groß sein. Wie weit der Schlitz bis an die Oberfläche
der Elektrode heranzuführen ist, um die besten Wirkungen zu erzielen, läßt sich
durch Versuche ermitteln, wobei sih jedoch für die meisten Anwendungsfälle Abstände
zwischen 10 und 50 mm zwischen Elektrodenoberfläche und Schlitzbeginn als ausreichend
erwiesen haben.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine perspektivische
Darstellung einer Elektrode vor dem Eindrehen der Nippelschachtel, mit einer zentrischen
Bohrung und einem sich in Richtung auf die Elektrodenoberfläche erstreckenden radialen
Schlitz,
Fig. 2 eine Radialschnittansicht der Elektrode von Fig.
1, wobei Bohrung und Schlitz mit einem Füllmaterial gefüllt sind, Fig. 3 eine Deillängsschnittansicht
der Elektrode von Fig. 1 in Richtung III-III in Fig. 2, Fig. 4 eine Teilradialschnittansicht
der Elektrode von Fig. 1 in Richtung IV-IV in Fig. 3, wobei der Schlitz mit einer
Verankerungsvertiefung versehen ist, wobei Bohrung, Schlitz und Verankerungsvertiefung
mit einem Füllmaterial gefüllt sind, Fig. 5 eine andere Teilradialschnittansicht
der Elektrode von Fig. 1 in Richtung V-V in Fig. 3, wobei der Schlitz mit einer
anderen Verankerungsvertiefung versehen ist und Bohrung, Schlitz und Verankerungsvertiefung
mit einem Füllmaterial gefüllt sind, Fig. 6 eine Teilradialschnittansicht der Elektrode
von Fig. 1 in Richtung VI-VI in Fig. 3, wobei Schlitz und Bohrung mit Füllmaterial
gefüllt sind, Fig. 7 eine perspektivische ansicht in einem größeren Maßstab einer
aufgebrochenen Nippelschachtel einer eine zentrische Bohrung und ausgehenden radialen
Schlitz aufweisenden Elektrode, und
Fig. 8 eine schematische Darstellung
der Halterung eines aus erfindungsgemäßen Elektroden zusammengesetzten Stranges.
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Zur Untersuchung des Thermoschockverhaltens von Graphitkörpern und
insbesondere von Kohlenstoffelektroden wurde ein neuartiges Testverfahren angewendet,
das im Gegensatz zu den herkömmlichen Prüfverfahren dieser Art, die nur eine konduktive
oder induktive zentrische oder periphere Erhitzung kleiner Graphitscheiben ermöglichten,
die Prüfung großer Graphitscheiben in Form von Elektrodenabschnitten von bis zu
600 mm Durchmesser und 60 mm Stärke innerhalb weniger Sekunden ermöglicht. Versuche
ergaben, daß sich bei zentrischer Erhitzung der Graphit scheibe ein starker radialer
Temperaturgradient ausbildet, der einen Radiusriß entstehen läßt, also einem Riß
von der zylindrischen Oberfläche bis zur Scheibenachse. Die Radiusrißbildung ist
dabei abhängig von dem Elektrodenmaterial. Es wurde festgestellt, daß Graphitscheiben
aus hochwertigem Premiumkoks erst bei einem höheren radialen Temperaturgradienten
in der genannten Weise reißen als Graphitscheiben aus Normalkoksen.
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Der entstehende Radiusriß ist also ein Entspannungsriß, der sich in
Form des sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitzes auch vor der thermischen
Beanspruchung des Materials in der Graphitscheibe bzw. Elektrode herstellen läßt.
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Es wurde festgestellt, daß aus Normalkoksen hergestellte Graphitscheiben,
die mit einem Schlitz versehen waren, der mit Kohlenstoff-Fasern gefüllt worden
war, unter thermischer Beanspruchung, die bisher zur Rißbildung geführt hatte, nicht
mehr zum Reißen gebracht werden konnten. Ferner wurde in diesem Zusammenhang festgestellt,
daß aus Normalkoksen hergestellte
und vorher geschlitzte Graphitscheiben
ein besseres Thermoschockverhalten zeigen als ungeschlitzte Graphitscheiben aus
Premium- oder Nadelkoksen.
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In den Fällen, in denen ein Riß entsteht, ist dieser zum Zeitpunkt
eines hohen radialen Temperaturgradienten am Unfang einer Scheibe mit einem Durchmesser
von 450 mm etwa 3 bis 6 mm weit geöffnet und ist nach Erreichen des Demperaturausgb
ichs wieder geschlossen.
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Diese Versuche haben gezeigt, daß eine zufällige Rißbildung in Kohlenstoff-Formkörpern
und insbesondere in Kohlenstoffelektroden beim Entstehen eines Temperaturgefälles
innerhalb des Elektrodenquerschnitts, das aufgrund der im Lichtbogenofenbetrieb
stattfindenden Materialerwärmung und -abkühlung auftritt, vermieden werden kann,
wenn die Körper vorher mit einem Entspannungsschlitz versehen werden, und daß die
Ausfüllung dieses Schlitzes mit einem die Oxidation der Schlitzwände vermindernden,
hitzebeständigen Füllmaterial, das die aufgrund der Erwärmung bzw. Abkühlung des
Materials stattfindende Schlitzweitenvergrößerung bzw. Schlitzweitenverringerung
nicht behindert, deutliche technische Vorteile erbringt.
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Die in Fig. 1 gezeigte Kohlenstoffelektrode 1 hat einen runden Querschnitt
und ist mit einer in Elektrodenkörperlängsachse verlaufenden Bohrung 2 versehen,
sowie einem radialen Schlitz 3. Der Elektrodendurchmesser E beträgt 600 mm, der
Bohrungsdurchmesser B 25 mm und die Schlitzbreite A 5 mm.
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Der Schlitz 3 erstreckt sich bis unter die Oberfläche 4 der Elektrode
1. Schlitz und Bohrung erstrecken sich über die ganze Elektrodenlänge von einer
Stirnfläche zur anderen. Die Schlitzweite A ist über die ganze Länge konstant, ebenso
der
Durchmesser B der Bohrung 2. Es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, in denen
sich Schlitzweite und Bohrungsdurchmesser über die Elektrodenlänge ändern.
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Der Abstand C des Schlitzendes von der Elektrodenoberfläche 4 ist
ebenfalls über die Elektrodenlänge konstant und damit auch die Schlitztiefe D; es
sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die Werte für C und D sich
über die Elektrodenlänge ändern.
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Da während des Lichtbogenofenbetriebs die Belastung der Elektrode
1 durch Thermoschöcks vor allem in den heißeren Teilen des aus mehreren Elektroden
zusammengeset*en Elektrodenstrangs 16, wie er in Fig. 8 dargestellt ist, besonders
groß ist und andererseits im oberen Drittel des Strangs die Halterung 18 und Kontaktierung
15 angebracht ist, ist der Schlitz so ausgebildet, daß er zwei wesentlichen Anforderungen
genügt. Zum einen bietet die Elektrode an der Kontaktstelle, also im oberen Bereich,
eine geschlossene äußere Oberfläche, so daß die Kontaktbacken, die bei 15 in Fig.
8 nicht einzeln dargestellt sind, die Elektrode nicht beschädigen oder zerstören
können, wie dies bisher in den Fällen möglich gewesen ist, in denen der Schlitz
sich in diesem Bereich zur Elektrodenoberfläche hin öffnet, so daß seine Kanten
von den Backen erfaßt und weggebroMen werden konnten. Zum anderen wird durch die
Tatsache, daß sich der Schlitz 3 bis unmittelbar unter die Oberfläche 4 der Elektrode
1 erstreckt, die durch den Schlitz angestrebte Spannungsentlastung vor allem in
den Bereichen des Strangs, die unter hoher thermischer Belastung stehen, also von
der Strangspitze 17 innerhalb des in Fig. 8 schematisch gezeigten Elektrostahlofens
19 aus aufwärts, voll erreicht; und zwar auch unter Berücksichtigung der Tatsache,
daß die äußere
Oberfläche der Elektrode mit abnehmendem Abstand
zur Spitze durch Oxidation abgebaut wird, so daß sich der Schlitz im Laufe dieses
Abbaues öffnet.
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Um die nachteiligen Wirkungen des Schlitzes 3 auf die Oxidation, d.h.
den Abbrand der Elektrode im Bereich der Schlitzwände 6 möglichst gering zu halten,
werden Schlitz und Bohrung mit einem hitzebeständigen Füllmaterial 5 ausgefüllt,
das beim Entstehen eines Temperaturgefälles innerhalb des Elektrodenquerschnitts
eine Anderung der Schlitzweite A zuläßt und in seinen physikalischen und chemischen
Eigenschaften an die Eigenschaften des Elektrodenmaterials angepaßt sowie im Schlitz
3 und/oder in der Bohrung 2 verankert ist. Das Füllmaterial 5 ist wenigstens mit
einer der beiden gegenüberliegenden Schlitzwände 6 nicht fest verbunden, hingegen
mit der anderen Schlitzwand mechanisch fest verankert, beispielsweise dadurch, daß,
wie aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich, die betreffende Schlitzwand mit wenigstens
einer Vertiefung 7,8 versehen ist.
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Das Füllmaterial bildet einen zusammenhängenden Körper und kann infolge
der Vertiefungen weder axial noch radial aus dem Schlitz herausfallen, wenn der
nichtgeschlitzte Teil des äußeren Elektrodenbereiches, dessen Dicke, wie aus Fig.
1 ersichtlich, dem Abstand C entspricht und etwa 10 bis 50 mm beträgt, durch Oxidation
abgetragen ist, so daß das Füllmaterial in den unteren heißen Zonen des Elektrodenstrangs
16 der Oxidation ausgesetzt ist.
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Als Füllmaterial haben sich mehrere Stoffe als geeignet erwiesen,
wobei insbesondere kohlenstoffhaltige Kitte, die aus einem Gemisch aus fein gemahlenem
Koks und/oder Graphit
und aus einem Bindemittel auf Teerpech- und/oder
Phenolformaldehydbasis bestehen, verwendet werden können. Der Einbau des Füllmaterials
5 in die Bohrung 2, die,wie aus Fig. 1 ersichtlich, zentrisch innerhalb des zylindrischen
Querschnitts des Elektrodenkörpers liegen kann, und in den Schlitz 3, erfolgt in
an sich bekannter Weise durch Stampfen, Gießen oder Pressen. Auch das Herstellen
der zentrischen Bohrung und des Schlitzes sowie der Vertiefungen zur Verankerung
des Füllmaterials erfolgt in an sich bekannter Weise durch Bohren, Fräsen, Sägen
oder Schleifen. Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Vertiefung 7 ist mit Hilfe eines
Rundfräskopfes hergestellt, während die Vertiefung 8, die in den Fig. 3 und 5 gezeigt
ist, zur Herstellung einen rechteckigen Fräskopf erfordert. Besonders einfach und
wirksam für die Verankerung des Füllmaterials im Schlitz und der Bohrung ist die
Aufweitung der Bohrungsenden zu einem Trichter 9, wie in den Fig. 3 und 6 dargestellt
ist.
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Die jeweilige Wahl des Füllmaterials richtet sich nach dem Verwendungszweck
der Elektrode und damit den Betriebsbedingungen, denen sie unterworfen wird. Dabei
hat es sich gezeigt, daß unter Umständen auch eine zumindest teilweise Zerstörung
des Füllmaterials im Lichtbogenofenbetrieb vorteilhaft sein kann, wenn dadurch die
Möglichkeit gegeben ist, die Oxidation bzw. den Abbrand der Elektrode in einem gewünschten
Umfang zu steuern. Bei der Zerstörung des Füllmaterials wird nämlich der Schlitz
3 freigelegt, so daß seine Wände 6 oxidieren. Geschieht dies innerhalb eines in
etwa vorausberechenbaren, festgelegten Betriebsablaufs, so läßt sich dadurch zumindest
in einem gewissen Umfang eine Abbrandsteuerung erreichen. Der Ort der Zerstörung
des Füllmaterials
liegt dabei in erster Linie im Bereich der Elektrodenspitze
17 (Fig. 8), aus der der Lichtbogen austritt.
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Das Füllmaterial erfüllt somit mehrere wichtige Funktionen, nämlich
den die zufällige Spannungsrißbildung verhindernden Schlitz während der isothermen
Erhitzung der Elektrode geschlossen zu halten, um dadurch die Oxidation der Schlitzwände
auf ein Mindestmaß zu beschränken, wenn nicht sogar ganz zu verhindern, und zum
anderen bei Vorhandensein eines radialen Temperaturgradienten ein nur kurzzeitiges
Öffnen des Schlitzes zuzulassen, so daß auch in diesem Fall die Oxidation der Schlitzwände
so gering wie möglich gehalten wird. Versuche haben gezeigt, daß mit erfindungsgemäßen
Kohlenstoffelektroden eine Verbrauchsminderung von mehr als 10 % erreicht werden
kann, ohne daß die Nachteile des oxidativen Schlitzabbaus und der mechanischen Schwächung
der Schlitzumgebung in Kauf genommen werden müssen.
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Ferner wird die Möglichkeit geboten, viele Graphitelektroden, welche
bisher aus teueren Premium- oder Nadelkoksen hergestellt werden mußten, aus den
wesentlich billigeren Normalkoksen herzustellen.
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Das Füllmaterial für die Bohrung und den Schlitz sollte so beschaffen
sein, daß es auch während des Elektrodenbetriebs eine gewisse Elastizität beibehält.
Zu diesem Zweck können die bereits erwähnten faserförmigen Stoffe Verwendung finden,
beispielsweise Kohlenstoff-Fasern, Steinwolle, Kaowool. Zur Haftung der faserförmigen
Stoffe an den Schlitzwänden können organische oder kohlenstoffbildende Bindemittel
den Fasern zugesetzt werden, die deren Elastizität nicht vermindern, so
daß
beim Öffnen des Schlitzes beim Vorliegen hoher radialer Temperaturgradienten sich
das Material elastisch dehnt und damit der Schlitz gefüllt bleibt. Das Füllmaterial
kann auch Zusätze von lichtbogenstabilisierenden, ionisierenden Verbindungen enthalten,
beispielsweise Kaliumborfluorid oder Titanverbindungen.
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Werden in den Schlitz 3 unterschiedliche Füllmaterialien schichtweise
übereinanderliegend eingebracht, so kann eine Schicht beispielsweise aus einem Kohlenstoffkitt
und eine andere aus einem karbidhaltigen Kitt bestehen, wobei auch ein mehrfacher
Schichtenwechsel erfolgen kann. Die Bohrung 2 ist von diesem schichtenweisen Aufbau
des Materials im allgemeinen ausgenommen und enthält in der Regel nur eine homogene
Füllung. Die Vorteile eines solchen schichtenweisen Füllmaterialaufbaus innerhalb
des Schlitzes sind darin zu sehen, daß die Oxidation des Kohlenstoffkitts durch
die nicht- oder schlechtoxidierbaren anorganischen Füllschichten verringert wird.
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Fig. 7 zeigt den Schlitzverlauf Im Bereich einer Nippelschachtel 9
der Elektrode 10 in perspektivischer Darstellung.
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Der Schlitz 11 geht von der zentrischen Bohrung 12 aus und erstreckt
sich radial durch das Gewinde 13 nach außen, jedoch nicht bis an die Oberfläche
14 der Nippelschachtel.
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In axialer Richtung erstrecken sich Bohrung und Schlitz über die ganze
Elektrodenlänge von einem Nippelschachtelende zum entgegengesetzten Ende der anderen
Nippelschachtel.
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Die Einarbeitung solcher sich bis nahe an die Oberfläche der Elektroden
1 erstreckender Schlitze 6, die von einer Mittelbohrung ausgehen, welche nicht zentrisch
im Elektrodenkörper
angeordnet zu sein braucht, ermöglicht die
Herstellung auch großer Elektroden aus feinkörnigerem und damit festeren; Material.
Solche Elektroden sind oxidationsbeständiger und leitfähiger und sind wegen des
Schlitzes auch deutlich thermoschockfester als die bisher verwendeten grobkörnigeren,
nichtgeschlitzten Elektroden. Sie zeigen keine zufällige Rißbildung beim Vorliegen
eines hohen radialen Temperaturgradienten und sind außerdem wesentlich unempfindlicher
im Bereich der Halte- und/oder Eontaktbacken. Durch geeignete Füllung des Schlitzes
wird die Oxidation deutlich vermindert oder sogar teilweise gesteuert, was zu einer
thermischen Entlastung der stark überhitzten Elektrodenspitze führen kann. Es gibt
Anzeichen dafür, daß die heute in Elektrostahlöfen bereits verwendeten, bzw. in
Zukunft angestrebten hohen Stromstärken von 80 kL bis 100 kA für Elektroden von
600 mm Durchmesser im Inneren der heißen Elektrodenspitze zu Temperaturen in der
Nähe des Eohlenstoffsublimationspunktes führen. Ein bis ins Innere der Elektrodenspitze
reichender, offener Schlitz bewirkt deshalb eine wesentliche thermische Entlastung
durch Strahlung, wodurch sich die elektrische Belastbarkeit der Elektroden erhöht
bzw. die zufällige Rißbildung der bisher üblichen Elektroden erheblich verringert,
wenn nicht sogar vollständig unterdrückt wird.
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Es läßt sich also feststellen, daß durch die erfindungsgemäße Ausbildung
von Kohlenstoff-Formkörpern, insbesondere Kohlenstoffelektroden runden Querschnitts,
jede zufällige Rißbildung vermieden wird, da der in der Elektrode vorgesehene Schlitz
den "vorprogrammierten" Riß darstellt, der jedoch durch das Einbringen von Füllmaterial
die Nachteile bekannter Konstruktionen dieser Art insofern vermeidet, als
seine
Weite praktisch auf Null reduziert wird und damit das Oxidations- und Abbrandverhalten
der Elektrode an die nichtgeschlitzte Elektrode annähert und dadurch, daß er zunächst
jedenfalls, bis die Oxidation der äußeren Elektrodenzone zu einem Materialabbrand
auf der Elektrodenoberfläche geführt hat, geschlossen bleibt, keine Nachteile beim
Erfassen der Elektroden durch die Halterungs-bzw. Kontaktbackenvorrichtung liefert.