DE2722438C2

DE2722438C2 - Schutzschicht für Kohlenstoff- und Graphitlichtbogenelektroden und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE2722438C2
Application number: DE19772722438
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 8901 Meitingen Ernst; Friedrich 8851 Thierhaupten Wagner
Original assignee: Sigri Elektrographit 8901 Meitingen De GmbH; Sigri Elektrographit 8901 Meitingen GmbH
Current assignee: Sigri GmbH
Priority date: 1977-05-18
Filing date: 1977-05-18
Publication date: 1985-03-21
Also published as: DE2722438A1; GB1566369A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschicht auf der Basis metallischer Werkstoffe auf der Mantelfläche einer Kohlenstoff- oder Graphit-Lichtbogenelektrode.

Es ist bekannt, den oxidationsbedingten Mantelabbrand von in Lichtbogenofen verwendeten Kohlenstoff- und Graphitelektroden durch Beschichten der Mantelfläche mit einer temperaturbeständigen und im wesentlichen gasundurchlässigen Schutzschicht zu vermindern. Für diesen Zweck geeignete, elektrisch leitende Schutzschichten enthalten nach der deutschen Patentschrift 12 71 007 vor allem Aluminium, Siliciumcarbid und andere feuerfeste Stoffe oder nach der deutschen Patentschrift 16 71 065 eine im wesentlichen aus Silicium bestehende Grundschicht und eine aluminiumhaltige Deckschicht. Es ist weiterhin bekannt, die Beständigkeit und Dichtigkeit derartiger Schutzschichten durch eine besondere Temperaturbehandlung im Lichtbogen oder durch eine Versiegelung mit Boraten, Phosphaten oder Silikaten zu erhöhen. Trotz dieser zusätzlichen Maßnahmen befriedigt die Haftfestigkeit der Schutzschichten nicht in allen Fällen. Insbesondere unterhalb.der Kontaktbacken im Bereich der Deckellochdurchführung sind Abplatzungen und die Bildung von Rissen in der Schutzschicht zu beobachten, wobei die Fehlerhäufigkeit mit der Zahl der Temperaturwechsel zunimmt, denen Elektroden durch mehrfaches Ein- und Ausfahren ausgesetzt sind. Beschädigungen der Schutzschicht können auch durch die mit einem hohen Druck auf die Mantelfläche gepreßten Kontaktbacken erzeugt werden.

Durch die deutsche Offenlegungsschrift 23 13 995 ist es schließlich bekannt, zum Schutz einer Elektrode vorgefertigte Streifen, Bänder oder Formstücke aus einer im wesentlichen keramische Stoffe und Fasermaterialien enthaltenden Masse auf die Mantelfläche von Kohlenstoff- und Graphitelektroden aufzubringen. Diese Schichten sind nach ihrer stofflichen Zusammensetzung schlechte elektrische Leiter und können nur auf den Teil der Elektrode aufgebracht werden, der beim Gebrauch der Elektrode an den der Stromzuführung dienenden Kontaktbacken nicht anliegt Elektroden dieser Art können entsprechend nicht vor dem Gebrauch im Lichtbogenofen mit der Schutzschicht versehen werden, sondem die Schicht muß unter im allgemeinen schwierigen Bedingungen auf die heiße Mantelfläche der jeweils aus dem Ofen gezogenen Elektrode aufgebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit von als Abbrandschutz für Kohlenstoff- und Graphitelektroden verwendeten, den elektrischen Strom leitenden und die Mantelfläche der Elektrode vollständig bedeckenden Schutzschichten derartig zu verbessern, daß die Bildung und Ausbreitung vor.. Rissen und Abplatzungen weitgehend unterbunden werden.

Die Aufgabe wird gelöst gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen der Schutzschicht nach Anspruch 1 sowie ein Herstellungsverfahren für diese sind in den Unteransprüchen 2—6 genannt. Als besonders vorteilhaft haben sich Einlagerungen von Fasern erwiesen, die zur Verbesserung der Haftung zwischen dem Einlagerungsmaterial und der Metallmatrix mit einer Haftvermittlerschicht versehen sind, die durch eine mechanische oder chemische Behandlung oder durch eine Beschichtung der Fasern mit einem

jo geeigneten Stoff auf der Oberfläche der Fasern erzeugt wurde, beispielsweise durch Ätzen oder oberflächliches Oxidieren oder durch Beschichten mit Tantal, Siliciden, Carbiden und anderen temperaturbeständigen Stoffen. Die der Schutzschicht zuzusetzende Menge an eingelagerten Fasern wird im einzelnen durch die Art der verwendeten Fasern, insbesondere die mechanischen und physikalischen Eigenschaften und durch die Fasergeometrie bestimmt. Vorzugsweise enthalten die Schutzschichten eine Fasermenge von 0,1 —10 Vol.-%, wobei kleinere Prozentsätze für Filamente und Faserbündel und größere Anteile für Stapelfasern zu verwenden sind. Für Bänder. Matten und dergleichen sind Volumen-Anteile von etwa 5% vorteilhaft. Faser-Anteile unterhalb 0,1% blockieren die Ausbreitung von Rissen und Abplatzungen innerhalb der Schutzschicht weniger wirksam und größere Faseranteile erfordern besondere Mittel zur Erzielung einer gleichmäßigen Faserverteilung. Die aus einem oder mehreren, in dem für die Haftung der Schutzschichten kritischen Temperaturbereich

so stabilen und gegenüber dem Matrixmaterial im wesentlichen inerten Stoffen bestehenden Fasern, sind nach eiiier bevorzugten Ausbildung des Anmeldungsgegenstands derartig in die Schutzschicht eingelagert, daß der überwiegende Teil der Fasern sich tangential zur Mantelfläche der Elektrode erstreckt. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsart sind die Einlagerungen netzförmig ausgebildet.

Zur Herstellung der Schutzschicht wird beispielsweise ein geeignetes metallisches Matrixmaterial gemeinsam mit kurzgeschnittenen Fasern oder Whiskern durch Flammspritzen oder nach Zusatz eines Bindemittels, etwa durch Spachteln, auf die Mantelfläche der Elektrode aufgebracht. Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird auf die Mantelfläche eine erste Grundschicht aus einem Metall aufgetragen, auf diese Grundschicht ein Faden, ein Band oder eine Matte gewickelt und eine Deckschicht auf die Wickelschicht aufgebracht. Zweckmäßig werden zum Aufbringen der Beschichtung

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zwei oder mehrere Rammspritzpistolen und eine oder men auf 110° C getrocknet. Zur Verbesserung der Haftmehrere Wickelvorrichtungen neben der Elektrode an- festigkeit waren die Kohlenstoffasern zuvor in Luft geordnet, die während des Beschichtungsverfahrens ge- kurzzeitig auf 800° C erhitzt worden, wobei sich flache dreht und in Achsrichtung relativ zu den Rammspritzpi- Ätzgrübchen auf der Faseroberfläche bildeten. Auf die stolen und Wickelvorrichtungen bewegt wird. In glei- 5 gesamte Beschichtung bezogen betrug der Anteil der eher Weise kann die Mantelfläche der Elektrode mit eingelagerten Fasern ca. 8 VoL-%. einer Schutzschicht versehen werden, die mehrere in Die Haftung der Schutzschicht wurde wie in Beiradialer Richtung aufeinanderfolgende Matrix- und Fa- spiel 1 geprüft Die Schicht war nach fünfmaligem Temserschichten enthält peraturwechsel frei von sichtbaren Fehlern.

Geeignete metallische Matrixmaterialien für die to Schutzschicht sind beispielsweise Silicium, Aluminium, Titan, Eisen und Legierungen dieser Metalle, als Fasereinlagerungen sind besonders Kohlenstoffasern. Glasfasern und Keramikfasern geeignet

Die Einlagerung von Fasern in Schutzschichten be- is wirkt eine größere Beständigkeit der Schichten gegen Tangentiatspannungen, die durch schnelle Temperaturänderungen oder einen Temperaturgradienten zwischen Elektrode und Schicht entstehen, wodurch die Wahrscheinlichkeit für eine Ablösung der Schicht von der Elektrode oder die Bildung von Rissen innerhalb der Schutzschicht kleiner wird. Die Fasereinlagerungen hemmen zudem die Fortpflanzung von Rissen in der Schicht und das Fließen des metallischen Matrixmaterials oberhalb der Schmelztemperatur.

Der Anmeldungsgegenstand wird im folgenden anhand von Beispielen erläutert:

Beispiel 1

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Zur Beschichtu'5 eines Graphitzylinders mit einer oxidationshemmenden, gegen schroffe Temperatur-

|j wechsel beständigen elektrisch leitenden Schutzschicht

ti* wurde mit einer ersten Flammspvitzpistole eine 0,1 mm

fj dicke 98,7% Silicium, 0,8% Eisen und 0,5% Aluminium

f§ enthaltende Grundschicht auf die Mantelfläche ge-

Jp₁] sprüht, auf die Grundschicht synchron eine Lage Glas-

M seidengarn aufgezogen und auf die Fasern mit einer

fi· zweiten Flammspritzpistole eine 993% Aluminium ent-

j; haltende Deckschicht mit einer Dicke von etwa 0,15 mm

|] aufgebracht. Der Graphitzylinder, dessen Durchmesser

i'i 400 mm betrug, wurde während der Beschichtung mit

:»' einer Relativgeschwindigkeit von 150 mm/min in Achs-

Iv richtung parallel zu den Spritzpistolen und der Wickel-

^;; vorrichtung bewegt und mit 40 Umdrehungen/min um

'■'■■ die Achse gedreht. Der Anteil der Fasereinlagerung bezogen auf die gesamte Schutzschicht war ca.

: 0,15 Vol.-%. Zur Prüfung der Haftfestigkeit der aufgebrachten Schutzschicht wurde der Graphitzylinder

;' durch direkte Widerstandserhitzung innerhalb von etwa

;'■ 10 min von Raumtemperatur auf ca. 1200°C erhitzt und

: anschließend in einem Luftstrom auf Raumtemperatur

abgekühlt. Auch nach fünfmaligem Temperaturwechsel

■..·' haftete die Schutzschicht fest an dem Graphitzylinder

und wies keine sichtbaren Fehler, wie Risse und Abplatzunger?auf.

Beispiel 2

Ein Graphitzylinder mit einem Durchmesser von ■ 400 mm wurde nach den im Beispiel 1 genannten Bedingungen mit einem etwa 0,1 mm dicken ca. je 50% Alumi-¹ '■ nium und Silicium enthaltenden Grundschicht versehen.

Eine zähplastische wäßrige Lösung von Natriumborat und Natriumphosphat, die 20 Teile Kohlenstoff-Kurzschnittfasern und als Klebmittel 3 Teile Methyicellulose '; enthielt, wurde dann auf die Grundschicht aufgepinselt und die etwa 0,05 mm dicke Deckschicht durch Erwär-

Claims

Patentansprüche:

1. Schutzschicht auf der Basis metallischer Werkstoffe auf der Mantelfläche einer Kohlenstoff- oder Graphit-Lichtbogenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht Fasern aus der Gruppe Kohlenstoffaser. Glasfaser. Keramikfaser enthält

2. Schutzschicht nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der in die Metallschicht eingelagerten Fasern chemisch oder mechanisch vorbehandelt sind.

3. Schutzschicht nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß sich die Fasern zu einem überwiegenden Teil tangential zur Mantelfläche erstrekken.

4. Schutzschicht nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagerungen netzförmig ausgebildet sind.

5. Schutzschicht nach Anspruch 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht 0,1 — 10 VoL-% Fasern enthält.

6. Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht r.ach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Mantelfläche einer Elektrode eine Grundschicht aus einem Metall aufgebracht, auf die Grundschicht ein Faden oder ein Band gewickelt und auf die Wikkelschicht eine Deckschicht aus einem Metall aufgebracht wird.