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Vertindungsnippel für Eohlenstotfelektroden
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Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft die Ausführung
eines Verbindungsnippels, mit dem Kohlenstoffelektroden Bür Lichtbogenöfen zu einem
Elektrodenstrang verschraubt werden.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Im Lichtbogenofen
wird das Schmelzgut durch Lichtbögen erhitzt, die zwischen Elektroden und Schmelzgut
brennen. Als Elektroden dienen zylindrische Körper bestimmter Länge, die aus graphitiertem
oder auch aus nichtgraphitiertem Kohlenstoff bestehe. Von ihnen wird jeweils eine
bestimmte Anzahl zu einem Elektrodenstrang zusammengestellt. Da sich die Elektroden
im Schmelzbetrieb verbrauchen, wird nach weitgehendem Abbrand der unteren, dem Lichtbogen
ausgesetzten Elektrode der Elektrodenstrang durch Aufsetzen einer weiteren Elektrode
auf das entgegengesetzte Ende des Stranges wieder ergänzt Die Verbindung zweier
Elektroden geschieht durch einen ebenfalls aus Kohlenstoff bestehenden, im allgemeinen
bikonischen Gewindenippel, der jeweils zur Hälfte seiner Länge in Gewindebohrungen
an den Stirnseiten der Elektroden, den sogenannten Schachteln, eingeschraubt wird
und damit eine feste Anlage der Stirnseiten der miteinander verbundenen Elektroden
ermöglicht.
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Der Elektrodenstrang und in ihm insbesondere die Verbindungsstellen
sind während des Betriebes im Lichtbogenofen starken
mechanischen
und thermomechanischen Belastungen ausgesetzt; Die elektrodynamischen Kräfte infolge
Stromdurchgangs Uben mit doppelter Netzfrequenz periodisch schwellende seitliche
Biegebelastungen aus; Stoßartige Biegebelastungen entstehen durch Schrotteinstürze
oder Aufsetzen der Elektroden auf noch ungeschmolzene Schrotteile. Dieser Beanspruchung
ist die Zugbelastung durch das Eigengewicht des Elektrodenstranges und der über
die Gewindeflanken Ubertragenen Verschraubungskräfte üterlagert. Thermomechanische
Spannungen im Nippel-Schachtel-System entstehen durch unterschiedliche thermische
Ausdehnung von Nippel und Schachtel infolge verschiedener Werkstoffeigenschaften
und der in diesem System bestehenden Temperaturgradienten. Die größten Spannungen
liegen im Übergangsbereich zum Schachtelboden und insbesondere an den angrenzenden
ersten vom Nippel belasteten Gewindegängen vor. Die ohnehin starke Kerbwirkung des
Gewindes in der Schachtel wird nachteilig durch die Tatsache erhöht, daß die Biegebeanspruchung
des Elektrodenstranges zu einer seitlichen Verkantung des Nippels fAhrW Dadurch
drücken die unteren Gewindegänge des Nippels verstärkt in die Gewindegänge der Schachtel.
Da das Nippelmaterial eine wesentlich höhere Druckfestigkeit als das Schachtelmaterial
besitzt und der Nippel bei seiner Form nahezu völlig biegesteif ist, wird die Biegebelastung
fast vollständig auf die Schachtel übertragenv Schließlich kommt als weitere spannungserhöhende
Erschwerung in diesem kritischen Bereich hinzu, daß wegen der Freidrehung im Schachtelboden
der Strom den in Fig=l skizzierten Verlauf nimmt, und die ersten Gewindegänge mit
sehr hoher Stromdichte beaufschlagt werden, die einen großen Temperaturgradienten
zur Folge hat und damit an dieser Stelle weitere thermomechanische Spannungen induziert;
Es wurde bereits in der DE-OS 2 555 688 vorgeschlagen, die Spannungskonzentration
in dem genannten Bereich dadurch zu verringernS daß die Tiefe des Schachtelgewindes
und/oder des Nippelgewindes im Bereich der Gewindeausläufe kleiner gemacht wird
als in den übrigen Bereichen; In Weiterführung dieses
Gedankens
wurde ferner in der DE-AS 2 657 952 vorgeschlagen,, durch Hinterschneidung im Gewinde
der Schachtel wenigstens einen Gewindegang mit einem erniedrigten Querschnitt auszubilden,
dessen zur Schachtelöffnung hin weisenden Gewindeflanke bei der Hinterschneidung
unter einem Winkel geschnitten ist, der gleich oder größer als ein rechter Winkel
ist; Beide Maßnahmen verfolgen den Zweck, die Fläche des Nippelgewindes, die Belastungskräfte
auf die Schachtel überträgt, zu verkleinern und so in gewissen Grenzen ein elastisches
Nachgeben des Nippelgewindes zu ermöglichen. Diese Maßnahmen reichen jedoch zur
Lösung des Problems noch nicht aus. Überdies besteht die hohe Stromdichte an den
kritischen Gewindegängen mit den dadurch induzierten thermomechanischen Spannungen
weiter: Nach der DE-OS 2 001 212 sind auch Nippel bekannt, die in den Stirnflächen
je eine axiale Ausnehmung aufweisen, die der Aufnahme einer Ärretierungspaste sowie
eines aus Kohlenstoff bestehenden Paßstücke dienen. Die axialen Ausnehmungen können
zylindrisch oder vieleckig sein. Diese Maßnahme kann zwar das Lockern der Schraubenverbindung
vermeiden, hat aber auf Grund der konstruktiven Gestaltung, axiale Ausnehmung in
die ein Paßstück eingesetzt wird, keinen Einfluß auf die mechanischen Spannungen
in diesem kritischen Bereich.
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Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, den Nippel durch eine
einfache XQßnahme so auszubilden, daß die im Bereich der ersten Gewindegänge in
der Nahe des Schachtelbodens auftretenden Spannungen abgebaut und die Sicherheit
gegen Elektrodenabriß durch Schachtelbruch erhöht werden;
Darlegung
des Wesens der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es eine Entlastung der Gewindegänge
im ubergangshereich zum Schachtelboden von dem bei seitlicher Belastung des Elektrodenstranges
vom Nippelgewinde ausgehenden Druck zu erreichen und gleichzeitig die extrem hohe
Stromdichte in diesem Bereich abzubauen; Erfindungsgeinäß wird die Aufgabe durch
Einbringen einer rotationssymmetrischen Freiarbeitung in den Nippel gelöst, die
jeweils von der Stirnfläche ausgeht und so bemessen ist, daß sie dem unteren Nippelbereich
ein maximales elastisches Nachgeben bei seitlicher Biegebelastung ermöglicht, ohne
daß der Nippelwerkstoff in diesem Bereich überlastet wird, wobei gleichzeitig der
Stromverlauf derart beeinflußt wird, daß.sich die Stromdichte im kritischen Gewindebereich
verringert. Die Preiarbeitung muß sich dazu bis mindestens in Edhe der ersten drei
in Eingriff stehenden Gewindegänge erstrecken und ihre Form einen mit zunehmender
Tiefe stetig wachsenden Querschnitt des entstehenden ringförmigen Teiles des Nippels
gewährleisten.
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Um das mit zunehmender Tiefe anwachsende Biegemoment auf den ringförmigen
Teil des Nippels aufnehmen zu können, muß die Wandung der Freiarbeitung eine solche
Kontur aufweisen, daß eine an beliebiger Stelle an die Wandung angelegte Tangente
mit der Nippelachse einen Winkel K > 0° einschließt.
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Die Freiarbeitung kann auch durch Einstechen einer Ringnut hergestellt
werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wandung der Freiarbeitung eine
Kontur aufweist, die annähernd einer Parabel entspricht, die mit einer Rundung in
den Boden der Freiarbeitung Ebergeht.
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Größtmögliche Elastizität des ringförmigen Nippelteiles ohne Überlastung
seines Querschnitts-ergibt sich, wenn der mittlere Durchmebser d der Freiarbei-tung
das 0,5- biß.0,8-fache des kleinsten Gewindeaußendurchmessers D beträgt
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfahrungsbeispiel näher erläutert werden.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine herkömmliche Elektrodenverbindung,
Fig. 2 einen Gewindenippel mit stirnseitiger Freiarbeitung, Fig. 3 eine ringnutartige
Freiarbeitung im Gewindenippel.
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Eine herkömmliche Elektrodenverbindung mit bikonischem Gewindenippel
ist in Fig. 1 dargestellt. Die eingezeichneten Linien zeigen den Stromverlauf. Hieran
wird deutlich, daß wegen der Freidrehung im Schachtelboden im unteren Bereich des
Überganges Nippel - Schachtel die Stromdichte besonders hoch ist.
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Eine erfindungsgemäße Nippelausführung zeigt Fig. 2 . Hierin sind
D der kleinste Gewindeaußendurchmesser, d der mittlere Durchmesser der Freiarbeitung
und oC der Winkel, der von einer an die Wandung der Frejarbeitung angelegten Tangente
und der Nippelachse eingeschlossen wird. Es ist auch die Verringerung der Stromdichte
erkennbar, wie sie durch Versuche ermittelt wurde. Die gleiche Wirkung wird erzielt,
wenn die Freiarbeitung zur Verringerung des, Zerspanungsaufwandes durch Einstechen
einer Nut hergestellt wird, wie es Fig. 3 zeigt. Um die Biegespannung in dem sich
mit zunehmender Tiefe der Freiarbeitung vergrößernden Querschnitt der Ringflächen
möglichst gleichmäßig werden zu lassen, ist es vorteilhaft, wenn die Wandungskontur
annähernd einer Parabel entspricht, die mit einer Rundung in den Boden der Freiarbeitung
übergeht.
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Die Frelarbeitung kann vorteilhafterweise zur Aufnahme von Arretierungsmasse,
die der Schachtel - Nippel - Verbindung zum Schutz gegen Auf drehen beigegeben wird,
dienen.
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Die Elastizität, die der Nippel in seinem dem SchachtelEbergangshereich
zugewandten Teil durch die erfindungsgemäße Ausbildung gewinnt, befähigt ihn, einen
Teil der Biegebelastung durch elastische Verformung aufzunehmen und damit die Belastung
der Schachtel wirksam abzubauen. Gleichzeitig wird durch die Freiarbeitung der Stromverlauf
so geändert, daß sich die Stromdichte im kritischen Bereich verringert.
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L e e r s e i t e