DE3116221A1

DE3116221A1 - Elektrode fuer lichtbogenoefen und deren verwendung

Info

Publication number: DE3116221A1
Application number: DE19813116221
Authority: DE
Inventors: Inge Dipl.-Chem. Dr. 8500 Nürnberg Lauterbach-Dammler; Friedrich 8501 Rückersdorf Rittmann; Franz Ing.(grad.) 8505 Röthenbach Schieber; Dieter H. Dipl.-Chem. Dr. 8501 Schwaig Zöllner
Original assignee: C Conradty Nuernberg GmbH and Co KG
Current assignee: C Conradty Nuernberg GmbH and Co KG
Priority date: 1981-04-23
Filing date: 1981-04-23
Publication date: 1982-11-11
Also published as: PT74764A; PT74764B; ES511792A0; AU8219982A; ES8400644A1; GB2097638A; FI821029A0; EP0063711B1; ZA822054B; TR21231A; DK181782A; ATE15120T1; BR8202309A; NO820908L; EP0063711A1; DE3265539D1; DD202362A5; HU186006B; GR75550B; PL236124A1

Description

HOFFMANN · EITLE Oc PARTNER

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · D I PL.-I N G. W. EITLE . D R. RER. NAT. K. H O FFMAN N · DIPL.-ING.W. LEHN

DIPL.-ING. K.FUCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 M 0 NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE)

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C. Conradty Nürnberg GmbH & Co. KG, Röthenbach a.d. Pegnitz

Elektrode für Lichtbogenofen und deren Verwendung

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Lichtbogenofen aus einem oberen Abschnitt aus Metall und einem verzehrbaren unteren Abschnitt aus Kohlenstoffmaterial, die eine im wesentlichen zylindrische Form aufweisen und durch einen Schraubnippel· oder dergleichen oder auch direkt miteinander verbunden sind, wobei der obere Abschnitt eine Flüssigkeits-KühJLeinrichtung mit einem Vorlaufkanal und einem Rücklaufkanal aufweist und der obere Abschnitt vorzugsweise in dessen unterem Bereich durch eine hochtemperaturfeste Beschichtung geschützt sein kann, sowie deren Verwendung.

Lichtbogenofen zur Erzeugung von Elektrostahl, Kupfer, Korund, Kobalt, Silicium etc. werden bisher mit Grafitelektroden als stromzuführenden Elementen betrieben. Üblicherweise setzt sich ein Elektrodenstrang aus mehreren, miteinander durch Schraubverbindungen oder dergleichen verbundenen Grafiteinheiten zu-

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sammen. Häufig werden drei Elektrodenstränge als stromführende Elemente pro Ofen für diese elektrothermischen Hochtemperaturschmelzprozesse eingesetzt.

Ec sind auch bereits Kombinationselektrodon au:j einem MeLu]I-schaft, an denen durch eine Schraubverbindung wie Nippel etc. eine Spitze aus Kohlenstoffmaterial angefügt ist, für den Lichtbogenofenbetrieb beschrieben worden.

So sind in der DE-OS 1 565 751 Elektroden für elektrische Lichtbogenöfen beschrieben worden, die aus einem oberen metallischen Kopfstück, einem unteren metallischen Kopfstück, aus beide miteinander verbindenden elektrischen Leitern, aus einer diese Leiter und das untere Kopfstück einschließenden keramischen Masse und aus einem unteren Kopfstück auswechselbar befestigten Elektrodenspitze bestehen.

Eine flüssigkeitsgekühlte Elektrode ist auch aus der DE-OS 28 45 3 67 bekannt, die einen am Elektrodentragarm befestigten zylindrischen Einspannteil, ein an dieser befestigtes, den Elektrodenstrom führendes metallisches Kühlsystem, das am freien Ende einen Gewindeteil zum Aufschrauben der Elektrodenspitze trägt, und . einen rohrförmigen Hitzeschirm, der das Kühlsystem in dem der Ofenatmosphäre ausgesetzten Bereich mit Abstand und in fester räumlicher Zuordnung zu diesem enthält, aufweist.

Aus der europäischen Patentoffeniegungsschrift 12 573 geht eine Kombinationselektrode hervor, bei der der seitlich außenliegende metallische Kontakt des Metallschaftes gegenüber dem innenliegonden metallischen Kühlungssystem isolierend gelagert ist. Im unteren Teil des metallischen Kühlungsschaftes ist eine mit Haken gesicherte keramische Beschichtung vorgesehen, die sich bis etwa auf die Höhe der Schraubnippelverbindung erstreckt, mit der ein Kohlenstoffteil angefügt ist.

Derartige Kombinationselektroden sind im Prinzip bereits seit längerer Zeit bekannt, so z.B. aus der im Jahre 1912 ausgegebenen DE-PS 268 660.

Bei den heute üblichen Elektrodensträngen treten erhebliche Verluste an Kohlenstoffmaterial, unter anderem durch Seitenoxidation auf. Bei den Vollstrangelektroden aus Kohlenstoff material sind daher Versuche unternommen worden, durch Imprägnierung oder durch Aufbringung von Schutzschichten, wie keramischen und/oder metallischen Coatings, diesem unerwünschten Effekt entgegenzuwirken. Diese Maßnahmen haben einerseits aber nur begrenzte Wirkung, führen andererseits aber auch zu einer Verteuerung der Elektroden.

Bei den vorstehend angeführten Kombinationselektroden aus Metallschaft mit angeschraubtem Kohlenstoffteil kann sich, je nach Konstruktion und Länge des in den Ofen eingeführten Metallschaftes, eine Verminderung der Seitenoxidation ergeben. Aber auch diese Elektroden bedürfen einer weiteren Verbesserung im Hinblick auf eine Verminderung der Seiten- und Spitzenoxidationsverluste. Auch bedürfen Metallschaft und hiermit verbundenes Kohlenstoffmaterial zum Erhalt optimaler Betriebsbedingungen und eines wenig störungsanfälligen Betriebes unter Minimierung der Bruchverluste der Elektroden einer ständigen Verbesserung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für Lichtbogenöfen der eingangs genannten Art

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zu schaffen, bei der Metallschaft und Kohlenstoffmaterial aufeinander derart abgestimmt sind, daß ein wenig störungsanfälliger Betrieb der Elektrode möglich ist. Insbesondere soll es möglich sein, den Verbrauch der Kohlenstoffmaterialien durch Seitenoxidation und hohe Bruchraten, insbesondere bei extremer Strombelastung der Elektroden zu senken. Gleichzeitig soll hierdurch eine Verminderung der Elektrodenausfallzeiten und eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens der Kohlenstoffteile, die den unteren Abschnitt der Elektrode ausbilden, erreicht werden.

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Diese Aufgabe wird durch die Schaffung, einer Elektrode der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der untere Abschnitt aus feinkörnigem, hochfesten, hochgrafitischem Kohlenstoffmaterial mit einer Rohdichte von mindestens 1,70 g/cm gebildet ist.

Der untere Abschnitt ist mit in dem oberen Abschnitt aus Metall im allgemeinen durch einen Nippel verbunden, der aus Metall wie Gußeisen oder Kupfer, vorzugsweise aber Grafit besteht. Anstelle des Nippels kann aber gegebenenfalls auch eine andere Befestigungsart mit dem oberen Abschnitt aus Metall gewählt werden. Dieser ist mit einer Flüssigkeits-Kühleinrichtung versehen, die üblicherweise aus mindestens einem Vorlauf- und einem Rücklaufkanal gebildet ist. Die Kühleinrichtung erreicht mit ihrem Zulaufkanal vorzugsweise auch den oberen äußeren Bereich des Nippels, was besonders bevorzugt ist. In alternativer Weise ist es aber auch möglich, den Nippel gegebenenfalls mit dem Kühlsystem selbst zu durchströmen.

Im Rahmen-der Erfindung ist es günstig, wenn der obere Abschnitt sich über 40 bis SO %, vorzugsweise 60 bis 80 %, der Gesamtlänge dor Elektrode erstreckt.

Wenngleich die Vorteile der Erfindung bereits dann erreicht werden, wenn der untere Abschnitt aus feinkörnigem, hochfestem, hochgrafitischem Kohlenstoffmaterial mit einer Rohdichte von mindestens 1,70 g/cm gebildet ist, werden besonders vorteilhafte Ergebnisse bei Rohdichten im Bereich von 1,75 bis 1,92 g/cm^J erreicht. Daher ist die Verwendung der zuletzt genannten Kohlenstoff materialien besonders günstig.

Das Kohlenstoffmaterial, das den unteren Abschnitt der erfindungsgemäßen Elektrode ausbildet, kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 6 jTl. mm /m aufweisen.

Es ist auch günstig, wenn das Kohlenstoffmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/mK aufweist. Schließlich kann das den unteren Abschnitt bildende feinkörnige, hochfeste, hochgrafitische Kohlenstoffmaterial mit Vorteil derart

2 gewählt werden, daß die Biegefestigkeiten mehr als 15 N/mm beträgt.

Somit ist eine Elektrode der eingangs genannten Art besonders vorteilhaft, bei der der untere Abschnitt aus feinkörnigem, hochgrafitischem Kohlenstoffmaterial eine Rohdichte von 1,75 bis 1,92 g/cm , einen spezifischen elektrischen Widerstand von ^ 6.0-mm /m, eine Wärmeleitfähigkeit von ~ 200 W/mK und

2 eine Biegefestigkeit von mehr als 15 N/mm aufweist.

Bei der Herstellung des unteren Abschnittes wird mit besonderem Vorteil von Kohlenstoffmaterial ausgegangen, das eine maximale Korngröße im Bereich von 1 bis 3 mm aufweist. Das in dem unteren Abschnitt der erfindungsgemäßen Elektrode zum Einsatz gelangende Kohlenstoffmaterial kann besonders günstig aus hochwertigem Premiumkoks unter Verwendung von Binde- und Imprägnierungsmitteln hergestellt werden. Bei der Verwendung der genannten oder gegebenenfalls auch anderer Ausgangsstoffe werden bei einer Graf itierungsternperatur über 2 90O⁰C besonders gute untere Abschnitte erhalten.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode ist der Durchmesser des unteren Abschnittes geringer als der des oberen Abschnittes aus Metall und auch geringer als derjenige von Vollgrafitelektroden bei vorgegebener Belastung. Der Durchmesser des unteren Abschnittes liegt vorteilhaft im Bereich von 150 bis 500 mm.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung besitzt der untere /abschnitt an der einen Stirnseite eine Gewindeschachtel und an der anderen Stirnseite einen Gewindezapfen· Es ist hierdurch möglich,

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den unteren Abschnitt direkt ohne zwischengeschalteten Nippel mit dem oberen Abschnitt aus Metall zu verbinden und außerdem das Reststück des vorher verwendeten unteren Abschnittes an die Unterseite des neuen unteren Abschnittes anzuschrauben.

Bei den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektrode, bei denen auf die Zwischenschaltung eines Nippels verzichtet worden ist, ergeben sich auch hierdurch Vorteile, zumal der Übergangsbereich vom unteren zum oberen Abschnitt aufgrund der dort gegebenen Temperaturdifferenz und unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Materialien bei den vorbekannten Kombinationselektroden besonders störungsanfällig ist.

Im übrigen kann es auch vorgesehen sein, daß der untere Abschnitt eine ähnlich zu Hohlelektroden durchgehende, besser jedoch nicht durchgehende, zentrische Bohrung von 20 bis 50 mm Durchmesser aufweist. Auch kann mit Vorteil die Mantelfläche des unteren Abschnittes unbearbeitet sein.

Durch die Bereitstellung der erfindungsgemäßen Elektrode werden eine Reihe von Vorteilen erzielt. Die Elektroden können bei vorgegebener Belastung eine geringere Dimensionierung als herkömmliche Elektroden aufweisen. Im übrigen hat sich gezeigt, daß die Elektriden eine erhebliche Schockfestigkeit und eine größere Beständigkeit gegen Seitenabbrand aufweisen. Durch die Ausbildung geringerer Dimensionierungen des Kohienstoffteils lassen sich die Kohienstoffelektrodenteile einfacher pressen, glühen, imprägnieren und grafitieren, als dies bei größer dimensionierten Elektroden der Fall ist.

Die erfindungsgemäße Elektrode kann mit Vorteil zur Herstellung von Buntmetallen, wie Kupfer und Kobalt, aber auch zur Herstellung von Korund, von Silicium etc., eingesetzt werden.

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Ihre bevorzugte Verwendung findet die Elektrode jedoch zur Herstellung von Elektrostahl. Die erfindungsgemäße Elektrode eignet sich besonders für die Herstellung von Elektrostahl im sogenannten "High Power"- oder "Ultra High Power"-Bereich bei Stromstärken von 40 bis 80 KA, wobei dann Durchmesser des unteren Abschnittes im Bereich von ca. 400 bis 600 mm Anwendung finden. Eine speziell bevorzugte Strombelastung für die erfindungsgemäßen Elektroden liegt im Bereich von 50 bis 75 KA bei den vorgenannten Durchmessern des Kohlenstoffteils.

Nachstehend wird eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode im Längsschnitt in der Figur gezeigt, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.

Bei der gezeigten Elektrode wird das Kühlmedium, im Regelfall Wasser, durch den Vorlaufkanal 2 ein- und durch den Rücklaufkanal 3 zurückgeführt. Dabei tritt das Kühlmedium auch in eine Kammer innerhalb des Schraubnippels 1, der z.B. aus Gusseisen gebildet ist, ein. Der obere Abschnitt 5 aus l-'etall besteht hier aus einem oberen Bereich grösseren Durchmessers und einem tieforliegenden Bereich geringeren lXirchmessers, der bis in den Schraubnippel 1 eingezogen ist, der die Verbindung zu dem unteren Abschnitt 6 aus Kohlenstoffmaterial darstellt, das aus feinkörnigem hochfesten, hochgrafitischen Kohlenstoffmaterial mit einer Rohdichte von mindestens 1,70 g/cm gebildet ist. Die hochtemperaturfeste Beschichtung 4 ist aus einer Anzahl einzelner Formteile gebildet, die auf einem Lager 7 getragen sein können. An die hochtemperaturfeste Isolierung 4 schließt sich hier eine elektrisch leitende Zwischenschicht 11 an, die nach innen durch den vorgezogenen, innenliegenden Metallschaft bzw. dessen Abschnitt geringeren Durchmessers 12 begrenzt ist.

Neben den Kühlbohrungen 15 können zusätzlich Bohrungen vorgesehen sein, durch die eingeführte Stifte über eine Feder für einen guten Sitz der hochtemperciturfcsten Formteile sorgen.

Der Gegenstand der Erfindung ist jedoch nxGht auf die in der Figur gezeigte Konstruktion beschränkt. So sind z.B. im Rahmen der Erfindung Konstruktionen besonders vorteilhaft,' die Abweichungen zu dem in der Figur gezeigten Elektrodentyp £iufweisen. Bei solchen Elektroden, die im Rahmen der Erfindung bevorzugt sind, weist der Metallschaft einen im wesentlichen konstanten Durchmesser auf. Auf diesen können Ringe aus hochtemperaturfestem Material - mit Vorzug solche aus Grafit - aufgeschraubt werden. Das Kühlungssystem kann hierbei mit Vorzug derart ausgebildet sein, daß der-Nippel in seinem oberen äusseren Bereich durch das Kühlmedium umströmt wird, dieses aber in den Nippel selbst nicht eintritt. Eine elektrisch leitende Zwischenschicht ist bei solchen Konstruktionen nicht immer vorgesehen. Solche und andersartige Ausführungsformen der erfindungsgemässen Elektrode sind im Rahmen der Erfindung mit eingeschlossen, soweit das Kohlenstoffmaterial des verzehrbaren unteren Abschnittes aus feinkörnigem, hochfestem, hochgraf!tischen Kohlenstoffmaterial mit einer Rohdichte von mindestens 1,7 g/cm gebildet ist.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrode wird im nachstehenden Beispiel veranschaulicht:

Beispiel

Es wurde eine Elektrode verwendet, deren oberer Abschnitt aus Kupfeir bestand, das über ein System aus Vor- und Rücklaufkanalmit Wasser gekühlt wurde. Der Kupferschaft, der innerhalb der Ofenatmosphäre befindlich war, war durch eine hochtemperatur feste Beschichtung geschützt. An dem Metallschaft war der untere Abschnitt über einen Grafitnippel angeschraubt. Der untere Abschnitt besaß gegenüber dem oberen Abschnitt einen geringeren Durchmesser, der bei etwa 350 mm lag. Der spezifische elektrische Widerstand lag bei 5,1 SL mm²/m. Die Elektrode wies eine zentrische Bohrung von 30 mm Durchmesser auf.

Drei Elektroden wurden in einen Ofen mit 50 t Fassungsvermögen eingeführt, in dem als Einsatzgut stückiger Schrott befindlich war. Der Ofen wurde mit 3 Phasen mit einem maximalen Phasenstrom von 50 KA bei einer Spannung von 490 V betrieben.

Die erfindungsgemäße Elektrode konnte im Dauerbetrieb eingesetzt werden, wobei sich ein Grafitverbrauch von 3,1 kg/t flüssiger Stahl ergab.

Leerseite

Claims

HOFFMANN - EITL.I3 *& PARTNER

PAT E N TAN WALT K

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · Dl PL.-I NG. W. EITLE . DK. RER. NAT. K. H OFFMANN · Dl PL.-I NG. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RCR. NAT. B. HANSEN
ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 M D N C H E N Bl . TELE FON (089) V11087 . TELEX 05-29619 (PATHE)

C. Conradty Nürnberg GmbH & Co KG,
Röthenbach a.d. Pegnitz

Elektrode für Lichtbogenofen und deren Verwendung

Patentansprüche

1 .J Elektrode für Lichtbogenofen aus einem oberen Abschnitt aus Metall und einem verzehrbaren unteren Abschnitt
aus Kohlenstoffmaterial, die eine im wesentlichen zylindrische Form aufweisen und durch einen Schraubnippel oder dergleichen oder auch direkt miteinander verbunden sind, wobei der obere
Abschnitt eine Flüssigkeits-Kühleinrichtung mit einem Vorlaufkanal und einem Rücklaufkanal aufweist und der obere Abschnitt vorzugsweise in dessen unterem Bereich durch eine hochtemperatur feste Beschichtung geschützt sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Abschnitt aus foinkürnicjoni
hochfesten, hochgrafitischen Kohlenstoffmaterial mit einer Rohdichte von mindestens 1,70 g/cm gebildet ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Rohdichte im Bereich von 1,75 bis 1,92 g/cm liegt.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der spezifische elektrische Widerstand weniger als 6-Q.mm /m beträgt.
4. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit größer als 200 W/mK ist.
5. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die

Biegefestigkeit mehr als 15 N/mm beträgt.
6. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohdichte 1,75 bis 1,92 g/cm , der spezifische elektrische Widerstand ^6Äinm /m, die Wärmeleitfähigkeit ^- 200 W/mK und die

2
Biegefestigkeit mehr als 15 N/mm beträgt.
7. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der untere Abschnitt aus Kohlenstoffmaterial eine maximale Korngröße im Bereich von 1 bis 3 mm aufweist.
8. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichn et, daß das Kohlenstoffmaterial aus hochwertigem Premiumkoks unter Verwendung von Binde- und Imprägnierungsmittel hergestellt worden ist.
9. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die

Grafitierung bei einer über 2900 C liegenden Temperatur durchgeführt worden ist.
10. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dor Durchmesser des unteren Abschnitts geringer als der des oberen Abschnitts aus Metall und auch geringer als der von Vollgrafitelektroden bei vorgegebener Belastung ist.
11. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichnet, daß der Durchmesser im Bereich von 150 bis 500 mm liegt.
12. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Abschnitt an der einen Stirnseite eine Gewindeschachtel und an der anderen Stirnseite einen Gewindezapfen auf v/eist.
13. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der untere Abschnitt eine durchgehende zentrische Bohrung von 20 bis 50 mm Durchmesser aufweist.
14. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des'unteren'Abschnitts unbearbeitet ist.
15. Verwendung der Elektroden nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von Elektrostahl.
16. Verwendung nach Anspruch 15 im HP- oder UHP-Beruich bei Stromstärken von 40 bis 80 KA und Durchmessern des unteren Abschnittes von 400 bis 600 mm.