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Elektrode für Lichtbogenöfen
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Die Erfindung betrifft eine Elektrode fur Lichtbogenöfen, die aus
einem hohlzylindrischen mit einer Kühleinrichtung versehenen oberen Abschnitt und
einem mit diesem lösbar verbundenen zylindrischen unteren Abschnitt besteht.
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Der Verbrauch der in Lichtbogenöfen zur Herstellung von Elektrostahl
verwendeten Graphitelektroden setzt sich aus mehreren, im wesentlichen voneinander
unabhängigen Anteilen zusammen, wie Spitzenabbrand, Seitenabbrand, Bruchverlust,
und beträgt insgesamt in Abhängigkeit von der Betriebsweise des Ofens etwa 3 bis
8 kg/t Stahl. Der als Seiten- oder Mantelabbrand bezeichnete, durch die Oxidation
des Kohlenstoffs der Elektrode zu flüchtigen Kohlenoxiden bedingte Verlust ist der
Mantelfläche der Elektrode und ihrer Verweilzeit im Bereich der Reaktionstemperaturen
proportional. Im Mittel beträgt der Mantelabbrand etwa 5 kgXm2h oder annähernd etwa
50 % des Gesamtelektrodenverbrauchs. Es hat nicht an Versuchen gefehlt den Mantelabbrand
zu senken, z.B. durch Beschichten der Mantelfläche mit einer gegen Luftsauerstoff
beständigen feuerfesten Substanz. Ein solcher Überzug besteht beispielsweise aus
Aluminium, Siliciumcarbid und refraktäre und glasbildende Zusätze enthaltenden Gemischen(DE-PS
1 271 007). Wegen der begrenzten thermischen Beständigkeit des Über zug smaterials
ist die Schutzwirkung nicht immer befriedigend,
vor allem da die
Schichten gelegentlich reißen oder abplatzen und der Sauerstoffangriff auf die Elektrode
dann kaum behindert wird. Unbefriedigend ist schließlich die Haltbarkeit der Elektrodenfassungen,
über die der Elektrode der Betriebsstrom zugeführt wird. Ursache der begrenzten
Standzeit ist das Verschweißen der metallischen Kontaktflächen mit der Beschichtung.
Elektrodentassungen mit aus Craphitsegmenten gebildeten Kontaktflächen sind zwar
gegen örtliche Überhitzungen, etwa durch die Bildung von Lichtbögen, beständig (DE-OS
17 58 294), andererseits sind wegen Sprödigkeit dieses Werkstoffs Ausfälle durch
Brüche vergleichsweise häufig.
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Bei einem anderen Verfahren zur Verminderung des Mantelabbrands ersetzt
man in einem von der Elektrodenspitze abgekehrten Abschnitt der Elektrode Graphit
durch einen den elektrischen Strom leitenden und im wesentlichen gegen Luftsauerstoff
beständigen Werkstoff, z.B. Stahl. Nur der besonders hohen Temperaturen ausgesetzte
Elektrodenabschnitt besteht bei dieser Lösung aus Graphit. Der kurz als Träger des
Graphitabschnitts oder Xopfstück bezeichnete obere Abschnitt der Elektrode wird
durch Strahlung der Ofenwände, Konvektion der Ofenatmosphäre, von der Elektrodenspitze
abgeleitete Wärme und als Widerstand in dem elektrischen Stromkreis derart erhitzt,
daß Abschnitte aus einem der üblichen Metalle intensiv gekühlt werden müssen. Im
einfachsten Fall besteht das Kopfstück aus zwei koaxialen Hohlzylindern, deren Zwischenraum
mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt ist (DE-PS 271 654). Nach einer anderen Ausführungsform
sind besondere, gleichzeitig als Stromleiter dienende Kühlrohre vorgesehen, die
in einem Keramikzylinder eingelassen sind. Es ist weiterhin bekannt, die Gefahr
einer örtlichen Überhitzung und Verdampfung des Kühlmittels und die Entwicklung
schädlicher thermischer Spannungen durch besondere Vor- und Rücklaufkanäle für
das
Kühlmittel zu vermindern. Alle Maßnahmen reichen jedoch nicht aus, schädliche Temperaturfluktuationen,
partielles Sieden des Kühlmittels und überhitzungen, besonders der Verbindung zwischen
den Elektrodenabschnitten zu verhindern. Eine wesentliche Ursache ist vor allem
die ungenügende Anpassung der Kühlleistung an die temporär schwankende elektrische
Leistung des Lichtbogenofens. Mit der enge des Kühlmittels und des Kühlmitteldrucks
wächst schließlich die bei Leckagen austretende Kühlmittelmenge und damit die Gefahr,
daß explosible Gasgemische gebildet werden können. Der Erfindung liegt daher die
Aufgabe zugrunde, die Kühlung der Elektrode zu vergleichmäßigen, besonders Temperaturschwankur.ger
im Bereich der Verbindung zwischen den beiden Elektrodenabschnitten zu verringern
und die Kühlmittelmenge zu senken.
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Die Aufgabe wird mit einer gekühlten Elektrode der eingangs genannten
Art gelöst, deren oberer Elektrodenabschnitt als Wärmerohr ausgebildet ist.
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Wärmerohre sind an sich bekannt. Sie bestehen aus einem dicht verschlossenen
Behälter mit einer ein Kapillarsystem bildenden Füllung, z.B. aus Geweben, Geflechten,
Sintermaterial und dgl. Als Wärmeträger enthalten die Kapillaren eine geringe Flüssigkeitsmenge.
Besteht zwischen den beiden Enden des Wärmerohrs eine Temperaturdifferenz, verdampft
die Flüssigkeit am heißen Ende, der Dampf strömt zum kalten Ende des Wärmerohrs,
kondensiert und das Kondensat fließt unter Wirkung der Kapillarkräfte zum heißen
Ende. Die effektive Wärmeleitfähigkeit eines Wärmerohrs beträgt ein Vielfaches der
Leitfähigkeit von Kupfer. Eine andere für die Erfindung wesentliche Eigenschaft
des Wärmerohrs sind die isothermen Oberflächentemperaturen.
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In der erfindungsgemäßen Elektrode ist das Wärmerohr gleichzeitig
Leiter des der Elektrodenspitze zugeführten elektrischen Stroms. Die Wandstärke
des Wärmerohrs muß entsprechend
derart bemessen werden, daß bei
der maximalen Betriebsstromstärke des Lichtbogenofens keine wesentliche Eigenerwärmung
erfolgt. Wandstärken von etwa 25 mm sind im allgemeinen für Wärmerohre aus niedrig
legierten Stählen ausreichend. Zur Senkung des Ohmschen Widerstands des Wärmerohrs
ist es zweckmäßig, wenigstens einen Teil der Wandstärke aus einem Metall mit einem
kleineren elektrischen Widerstand, wie Kupfer, auszubilden. Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung sind zwei Rohre konzentrisch ineinander geschoben, das äußere Rohr
besteht beispielsweise aus Stahl, das innere Rohr aus Kupfer. Das Wärmerohr besteht
bei größerer Länge des gekühlten oberen Elektrodenabschnitts zweckmäßig aus mehreren
in axialer Richtung hintereinandergeschalteten Segmenten. In dieser Anordnung wird
jeweils das höher angeordnete Segment durch das darunter angeordnete Segment beheizt,
so daß durch die Größe der Kapillarkräfte gegebene geometrische Grenzen praktisch
aufgehoben sind. Die einzelnen Segmente sind in dieser Anordnung zweckmäßig lösbar
miteinander verbunden.
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Es ist schließlich auch vorteilhaft, die äußere Mantelfläche des Wärmerohrs,
soweit diese beim Betrieb des Lichtbogenofens unter den Deckel des Lichtbogenofens
in den Ofenraum ragt, mit einer gegen schmelzflüssige Schlacke beständigen Schutzschicht
zu überziehen. Solche Schichten sind an sich bekannt (z.B. DE-OS 31 44 437), aber
die isotherme Manteltemperatur ermöglicht technisch sehr einfache Lösungen, da die
Beanspruchung der Schutzschicht durch Temperaturgradienten vergleichsweise gering
und ihre Beständigkeit entsprechend groß ist. Geeignete Materialien für die Schutzschicht
sind beispielsweise keramische Massen auf der Basis Tonerde, Sillimanit, Zirkonia.
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Der gekühlte obere Abschnitt der Elektrode und der sich verbrauchende
untere aus Graphit bestehende Abschnitt sind zweckmäßig durch einen Schraubnippel
lösbar miteinander verbunden.
Das neiße Ende des Wärmerohrs und
die Stirnfläche des unteren Elektrodenabschnitts weisen entsprechend mit Gewinde
versehene Ausnehmungen oder Gewindeschachteln auf.
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Der Gewindenippel, dessen Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit
durch Imprägnierungen mit Kohlenstoff oder einem Metall in bekannter Weise der tatsächlichen
Beanspruchung angepaßt werden kann, besteht zweckmäßig aus Graphit. In einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist der Gewindenippel Teil des Wärmerohrs, das dann
in die Gewindeschachtel des unteren Elektrodenabschnitts eingreift. Bei dieser Ausführungsform
ist es zweckmäßig, daß zwischen den Stirnflächen des oberen gekühlten Elektrodenabschnitts
und des unteren nichtgekühlten Elektrodenabschnitts in an sich bekannter Weise Scheiben
oder Ringe aus expandiertem Graphit angeordnet sind (DE-PS 1 912 646). Der durch
Zersetzung von Graphiteinlagerungsverbindungen hergestellteexpandierte Graphit ist
ein vergleichsweise plastisches Material, durch das Unterschiede in der thermischen
Dehnung zwischen dem gekühlten Abschnitt der Elektrode und dem Graphitabschnitt
ausgeglichen und Biegespannungen zu einem Teil aufgenommen werden können. Die große
Wärmeleitfähigkeit und die Anisotropie der Leitfähigkeit dieses Werk5torfs ermöglichen
die Einstellung vorgegebener für die Belastung der Verbindung vorteilhafter Temperaturgradienten.
Zweckmäßig sind die Scheiben oder Ringe wenigstens zu einem Teil derart angeordnet,
daß ihre Schichtung parallel zur Längsachse der Elektrode ist.
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Die Leistung des Wärmerohrs ist derart auszulegen, daß bei maximaler
der Elektrode zugeführter elektrischer Leistung die Standfestigkeit des oberen Elektrodenabschnitts
nicht beeinträchtigt wird. Bei einem Durchmesser des unteren Elektrodenabschnitts
von 500 mm beträgt die Wärmeleistung pro Elektrode bis zu 1 MW. Da ein Wärmefluß
bis 10 kW/cmS erreicht wird, kann die Wärmeenergie mit einem Wärmerohr abgeführt
werden,dessen Querschnittsfläche etwa 100 cm2
beträgt. Erfahrungsgemäß
sollte die tatsächliche Fläche des ärmerohrs zwei bis dreimal größer sein, damit
die Betriebsfähigkeit durch mögliche Anderungen der Kapillarstruktur nicht wesentlich
beeinträchtig wird. Die Kapillarstruktur des Wärmerohrs besteht zweckmäßig aus Kupfer-,
oder Nickelgeflechten oder solchen aus rostfreiem Stahl, die Flüssigkeit ist Wasser
oder gegebenenfalls auch Siliconöl. Zur Ableitung der Wärmeenergie am kalten Ende
des Wärmerohrs ist der obere aus dem Lichtbogenofen ragende Teil des Wärmerohrs
mit Kühlrippen versehen. In einer anderen bevorzugten Ausbildungsform liegt am kalten
Ende des Wärmerohrs ein besonderer Wärmeaustauscher an, der die Rückgewinnung von
Wärmeenergie erleichtert.
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Vorteile der erfindungsgemäßen Elektroden sind die geringen Temperaturunterschiede
im gekühlten oberen Elektrodenabschnitt, besonders im Bereich der Verbindung zwischen
den Elektrodenabschnitten, so daß die Größe der thermisch induzierten Spannungen
und entsprechend die mechanische Beanspruchung der Verbindung und die Gefahr einer
Beschädigung des gekühlten Abschnitts und der Verbindung gering sind. Sollten trotz
der hohen Sicherheit Leckagen und andere Defekte entstehen, ist die Bildung größerer
explosibler Gasmengen, z.B. Wassergas, dank der geringen Kühlmittelmenge ausgeschlossen.
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Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 - einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Elektrode, Fig.
2 - einen Längsschnitt durch eine Elektrode mit einem in das Wärmerohr einbezogenen
Ver-.
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bindungsnippel
In Fig. 1 ist der obere hohlzylindrische
Elektrodenabschnitt 1 durch den Schraubnippel 7 mit dem zylindrischer.
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unteren Abschnitt 2 der Elektrode verbunden. Der untere aus Graphit
bestehende Elektrodenabschnitt verbraucht sich beim Betrieb des Lichtbogenofens
und der Verlust wird von Zeit zu Zeit durch das Aufschrauben eines neuen Graphitabschnitts
ausgeglichen, wozu die gesamte Elektrode in mehr oder weniger periodischen Abständen
aus dem Ofen gezogen wird. Der obere Abschnitt 1 der Elektrode ist der permanente
aus einem Wärmerohr bestehende Teil, das aus einer Kapillarstruktur 4 und dem die
Struktur einschließenden Rohr 5 gebildet ist. Das Rohrs 5 dient gleichzeitig als
Leiter für den elektrischen Strom, der der Elektrode über zeichnerisch nicht dargestellte
Kontaktbacken und Elektrodenhalter zugeführt wird. Am Kopf des Wärmerohrs sind Kühlrippen
6 angeordnet, die beim Betrieb des Lichtbogenofens die Einstellung und Aufrechterhaltung
einer Temperaturdifferenz zwischen der am Elektrodenabschnitt 2 anliegenden Bodenfläche
des Wärmerohrs und dessen Kopffläche ermöglichen. Die Temperaturdifferenz löst den
durch Pfeile 3 angedeuteten Kreislauf der kleinen im Wärmerohr eingeschlossenen
Wassermenge aus. Das Wasser verdampft an der heißen Bodenfläche, der Dampf strömt
zur kälteren Kopffläche, kondensiert, das Kondensat fließt durch das Rapillarsystem
4 zur heißen Boden=läche,-verdampft erneut, usw.
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Der obere Elektrodenabschnitt 1 der Elektrode nach Fig. 2 besteht
analog der Ausführung gemäß Fig. 1 aus einem Wärmerohr mit der Kapillarstruktur
4 und dem die Struktur umschließenden Stahlrohr 5. Die Mantelfläche des Rohrs ist
mit einer Tonerdeschicht 8 überzogen, die das Metallrohr gegen Schlacke- und Metallspritzer
schützt. Der Elektrodenabschnitt 2 ist mit dem Abschnitt 1 lösbar verschraubt, wobei
der Gewindeteil 10 Teil des Wärmerohrs 1 ist. Diese Lösung zeichnet sich durch kleine
elektrische und thermische Übergangswiderstände zwischen den Elektrodenabschnit-
ten
aus und ist in Verbindung mit den Scheiben aus expandiertem Graphit 9, die zwischen
den aneinanderstoßenden Stirnflächen der Elektrodenabschnitte 1 und 2 angeordnet
sind, besonders für hochbelastete Elektroden von Vorteil.
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Am oberen Teil des Wärmerohrs 1 wird die durch die Kondensation des
Kühlmittels freigesetzte Energie durch den am Wärmerohr anliegenden Wärmeaustauscher
11 abgeführt.
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- L e e r s e i t e -