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Graphitelektrode für Lichtbogenöfen
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Die Erfindung betrifft eine aus mehreren miteinander verbundenen Abschnitten
gebildete Graphitelektrode für Lichtbogenöfen, besonders für Lichtbogenöfen zur
Erzeugung von Elektrostahl.
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Grapl-litelektroden,die aus mehreren in der Regel zylindris<-hen
Abschnitten bestehen, die durch Schraubnippel oder andere Verbindungsmittel zu einem
Elektrodenstrang verbinden sind, sind in Lichtbogenöfen wegen der hohen Betriebstemperaturen
und den häufigen Temperaturänderungen großen, die Funktionsfähigkeit der Elektrode
begrenzende Belastungen unterworfen. In Elektrostahlöfen beträgt die Temperatur
im Bereich der Elektrodenspitze etwa 2700 K und oberhalb der Elektrodenhalterung
nur wenige hundert Grad, z. B. ist die Kopftemperatur wassergekühlter, in der DE-AS
24 30 817 beschriebener Elektroden kaum 400 K. Neben den mehr oder weniger stationären
Temperaturgradienten sind die Elektroden schnellen Temperaturänderungen unterworfen,
z.B. beim Ziehen der Elektroden nach dem Ofenabstich und beim Anfahren des Ofens.
Die dadurch in dem Elek Lrodens L-rang induzierten mechanischen Spannungen sind
proportional
bzw.
(E - Elastizitätsmodul, α - thermischer Ausdehnungskoeffizient, #T - Temperaturdifferenz,
µ - Poissonsche Zahl, 7~ - Wärmeleitfähigkeit, s - Formfaktor). Die den
Betrag
der Temperaturdifferenz bestimmenden Faktoren, wie Wärmeübergangszahlen und der
elektrische Widerstand der Elektroden sind für eine gegebene Elektrode und eine
bestimmte elektrische Anschlußleistung annähernd konstant. Die Wahrscheinlichkeit
von Elektrodenbrilchen aufgrund thermisch induzierter Spannungen ist umso kleiner,
je kleiner Elastizitätsmodul und thermischer Ausdehnungskoeffizient sind und je
größer die Wtirmeleitfähigkeit des Graphits ist. Das Bruchverhalten kann entsprechend
durch Änderungen dieser Stoffgrößen verbessert werden. Ein anderer Weg zur Verbesserung
des Bruchverhaltens von Elektroden ist die Änderung des Formfaktors, der näherungsweise
dem Elektrodenquerschnitt proportional ist. Günstigere Stoffgrößen und damit ein
größerer Widerstand der Elektroden gegen Temperaturgradi sind in den letzten Jahren
vor allem durch die Verwendung nadelförmiger Petrolkokse als Rohstoff fü3 Graphitelektroden
eingestellt worden (s. z.B.
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DE-PS 26 35 451). Aus Nadelkoks bestehende Elektroden haben einen
kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Elektroden aus normalen Petrolkoksen
und die Wärmeleitfähigkeit stranggepreßter Elektroden aus Nadelkoks ist in Richtung
der Längsachse vergleichsweise groß. Durch verfahrenstechnische Maßnahmen, z.B.
höhere Graphitierungstemperaturen können diese für di( Widerstandsfähigkeit de-r
Elektrode günstigen Effekt noch verstärkt werden. Wegen der vergleichsweise hohen
Nadelkokspreise und der nicht gesicherton Verfügbarkeit des Kokses befriedigt diese
Lösung nicht vollständ g.
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Die Verminderung der thermisch induzierten Spannungen durch eine Änderung
der Elektrodengeometrie is beispielsweise durch die US-PS 1 058 057 bekannt. Die
Elektrode ist mit einer achsparallelen zentralen Bohrung versehen von der sich zur
Mantelfläche der Iletrode
ein enger Schlitz erstreckt. Der Aufbau
mechanischer Spannungen in der Elektrode wird bei dieser Form durch die freie Dehnung
des Elektrodenmantels wirkungsvoll verhindert. Andererseits begünstigt die Form
die Oxidation des Kohlenstoffs oder Graphits. Die größere Oxidation kann nach der
US-PS 2 603 669 mit Elektroden vermindert werden, deren von der Mantelfläche ausgehende
Schlitze nicht bis zur zentralen Bohrung reichen. Zur weiteren Verminderung der
Oxidationsrate sind die Schlilze mit einer, die Relativbewegungen der durch die
Schlitze gebildeten Rlektrodensegmente nicht behindernden Masse gefüllt. Die Beschleunigung
der Oxidation kann durch diese MaßnaiIme aber nicht. vollständig verhindert werden,
da alle als Füllstoff bekanntgewordenen Massen eine vergleichsweise große Reaktionsgeschwindigkeit
aufweisen.
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Zur Verminderung thermisch induzierter mechanischer Spannungen in
Elektroden ist schließlich durch die DE-PS 10 39 670 eine Graphitelektrode bekannt,
deren Stoffeigenschaften sich in radialer Richtung ändern.
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Beispielsweise soll die Kernpartie des Elektrodenstrangs in radialer
Richtung einen kleineren Elastizitätsmodul und einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen als die Randpartie des ElekLrodenstrangs. Durch geschichte Nutzung der
Anisotropie der für die Elektrodenherstellung verwendeten Kokse, der Anisometrie
der Kokskörner und bestimmter für Elektroden unüblicher Formungsverfahren, wie Stampfen
oder Vibrationsformen, kann man die Größe der durch Temperaturgradienten bedingten
Tangentialspannungen verringern. Der Betrag reicht jedoch nicht aus, die Bruchwahrscheinlichkeit
elektrisch hochbelasteter Elektroden in ausreichendem Maß zu verkleinern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Widerstand von
Craphitelektroden gegen thermisch induzierte Spannungen derart zu verbessern, daß
die Elektroden
mit hohen Strömen beaufschlagt und ohne besondere
Vorsichtmaßnahmen in Hochlastößen (UHP-Öfen) zur Erzeugung von Elektrostahl verwendet
werden können. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Elektrode gelöst, deren
Abschnitte aus wenigstens zwei im Abstand konzentrisch zueinander angeordneten Teilen
bestehen. Die Anzahl und die Wandstärke der rohrförmig ausgebildeten Teile - der
zentrale, die Längsachse der Elektrode aufnehmende Teil kann ein Zylinder sein -
sind Funktionen des Elektrodendurchmessers und der elektrischen Belastung der Elektrode.
Allgemein wird mit steigendem Elektrodendurchmesser und steigender Belastung die
Anzah3 der Teile z ti- und deren Wandstärke abnehmen. Im allgemeinen rei jedoch
aus zwei Teilen bestehende Elektrodenabschnitte aus - beispielsweise ein zentraler
Zylinder und ein den Zylinder konzentrisch umschließendes Rohr -, die Größe der
thermisch induzierten Spannungen befriedigend zu senken.
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Der Abstand zwischen benachbarten Teilen der Elektrodenabschnitte
wird durch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Teile und die bei der Verwendung
als Elektrode herrschenden Temperaturen bestimmt und soll derart bemessen sein,
daß die durch Erhitzen der Elektrode bedingte Dehnung nicht behindert wird. Der
Spalt muß entsprechend mit einem kompressiblen Stoff gefüllt sein, beispielsweise
mit einem Gas oder mi einem festen Stoff, der sich leicht zusammendrücken läßt Ohne
die Anwendung besonderer Maßnahmen besteht die Füllung aus Luft. Beispiele für feste
Füllstoffe sind kohlenstoffha3tige Kitte, die überwiegend oder teilweise aus Fasern
bestehen können und wegen ihrer günstigen Leitfähigkeit auch Naturgraphit oder Bläh-
oder expandierten Graphit enthaltende pulverförmige Gemische. Gegebenenfalls mit
kleinen Abwandlungen sind die in der DE-AS 25 @4 606 als Füllmaterialien beschriebenen
Massen auch für clie Aus
füllung der ringförmigen Spalten zwischen
den Teilen der Elektrodenabschnitte geeignet. Vorteile der Spaltenfüllung sind außer
dem Oxidationsschutz im wesentlichen die Fixierung der einzelnen Teile des Elektrodenabschnitts,
wodurcn dessen Handhabung erleichtert wird, und auch eine Steigerung der elektrischen
Leitfähigkeit der Elektrode, falls als Füllmasse ein Stoff mit einei- hohen Leitfähigkeit
verwendet wird. Schließlich tragen die Füllmassen, wenn auch nur in geringem Maße,
zur Festigkeit des Elektrodenstrangs bis zu einem stofftypischen Spannungsbetrag
bei. Bei höheren Belastungen zers sicht die Füllmasse, so daß sich in den Teilen
der Eleki rodenabschnitte keine die Bruchgrenze des Graphits überireffenden Spannungen
aufbauen können.
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Durch die Aufspaltung der Elektrodenabschnitte in mehrere Teile können
schließlich die Stoffwerte der einzelnen Teile derart aufeinander abgestimmt werden,
daß die Beträge der Maximalspannungen vergleichsweise klein sind.
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Die Temperatur des Elektrodenkerns und entsprechend der radiale Temperaturgradient
im Elektrodenstrang werden beispielsweise durch die Verwendung eines Elektrodenabschnittes
gesenkt, dessen innere Teile in Richtung des Elektrodenstrangs einen kleinen elektrisciien
Widerstand aufweisen. Der äußere, den Mantel des Abschnitts bildende Teil hat zweckmäßigerweise
zur Verminderung des oxidativeo Angriffs eine hohe Rohdichte und einen kleinen Permeabilitätskoeffizienten.
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Die Teile eines Elektrodenabschnitts sind mit den entsprechenden Teilen
der benachbarten Abschnitte zur Bildung eines durchgehenden Elektrodenstrangs verbunden,
z.B. durch Schraubgewinde, die an den Enden der zylindris(-hen Teile abwechselnd
als Außen- und Innengewinde eingeschnitten sind. Zur Bildung eines Strangs werden
zweckmäßig zunächst die zentralen Teile und dann die diese umschließenden zeile
miteinander verschraubt. Nach
einer bevorzugten Aisbildung sind
die Teile eines Abschnitts durch Schraubringe und insbesondere durch Keile miteinander
verbunden und zur Verbindung der Abschnitte untereinander in der üblichen Weise
Nippel vorgesehen.
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Die Verkeilung der Teile ist insoweit vorteilhaft, als durch drei
bis vier gleichmäßig über die Peripherie verteilte zweckmäßig konisch ausgebildete
Keile die Spannungsverteilung in den einzelnen Teilen nicht wesentlich beeinträchtigt
wird.
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Zur Herstellung der aus mehreren konzentriscil zueinander angeordneten
Teilen bestehenden Elektrodenabschnitte ist das Ausbohren zylindrischer Graphitelektroden
verschiedenen Durchmessers und das Ineinanderschachteln der ausgebohrten Teile wegen
des hohen Aufwands nicht zweckmäßig. Nach einem anderen Verfahren formt man us Kokspulver
und einem carbonisierbaren Binder enthaltende Gemische, z.B. durch Strangpressen,
Rohre verschiedenen Durchmessers, carbonisiert den Binder durch Erhitzen der Formlinge
auf etwa 1200 K und graphitiert durch Erhitzen auf etwa 3000 K. Die Rohre werden
dann, gegebenenfalls nach Uberdrehen der Mantelflächen konzentrisch aufeinandergeschoben.
Nach einem bevorzugten Verfahren werden die Rohre wie oben geschildert geformt und
die Mantelflächen mit Koksstaub, Holzkohle bestreut oder mit Papier umwickelt. Die
grünen Rohre werden konzentrisch ineinandergeschoben und wie oben beschrieben carbonisiert
und graphitiert. Die auf die Mantelflächen aufgebrachten Inertstoffe verhindern
dabei ein Zusammensintern oder Verbacken der einzelnen Teile. Vereinzelte Brückenstellen
zwischen benachbarten Mantelflächen beeinträchigen die freie Ausdehnung der Teile
kam im und erleichtern andererseits die Ilandhabung des E ktrodenabschnitts.