DE3442316A1 - Verbindung von graphit- und kohlenstoffelektroden - Google Patents

Description

SIGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH Meitingen, den 1 Q, NOV. 1984

Verbindung von Graphit- und Kohlenstoffelektroden

Gegenstand der Erfindung ist eine Verbindung zwischen den Abschnitten einer Graphit- oder Kohlenstoffelektrode in deren Stirnflächen mit einem Gewinde versehene Schachteln eingelassen sind und einem mit den Schachtelgewinden verschraubten doppelkonischen, einen zylindrischen Mittelteil aufweisenden Schraubnippel.

In Lichtbogenofen verwendete Graphit- und Kohlenstoffelektroden - im folgenden Graphitelektrode genannt bestehen aus mindestens zwei/ üblicherweise aus drei oder mehr mechanisch und elektrisch untereinander verbundenen zylindrischen Abschnitten. Als Ersatz der vorzugsweise im unteren Teil des Elektrodenstrangs auftretenden Verluste durch Verdampfen des Kohlenstoffs im Lichtbogen, Erosion und Oxidation wird periodisch ein neuer Abschnitt an den Strang angestückelt, so daß der Lichtbogenofen im wesentlichen kontinuierlich betrieben werden kann. Die Stirnflächen der Elektrodenabschnitte sind mit gewindetragenden Ausnehmungen versehen, in der ein Schraubnippel derart eingezogen ist, daß sich die Stirnflächen der verschraubten Abschnitte berühren.

Die Schraubverbindungen sind singuläre Diskontinuitäten in dem Elektrodenstrang. Da beim Betrieb der Elektrode Nippel und Schachtel verschieden schnell erwärmt werden

PA 84/16 Dr.We/Ma - 3 -

und auch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Verbindungsteile verschieden sind, entstehen bei jedem Temperaturwechsel in der Verbindung Spannungen, die bevorzugt Schachtelbrüche auslösen können. Zur Begrenzung der Spannungen ist vorgeschlagen worden, die Verschraubung möglichst symmetrisch auszuführen, d.h. das Gewindespiel über die gesamte Länge der Schraubverbindung konstant zu halten (s. DE-PS 22 26 230). Schachtelbrüche lassen sich mit diesem Mittel nicht vollständig ausschließen, zumal beim Aufsetzen der Elektrode in der Verbindung zusätzlich tangentiale Spannungen entstehen. Die Spannungen sind jeweils in den ersten Gewindegängen am größten und es ist bekannt, die Spannungsspitzen durch Vergrößerung des Gewindespiels in diesem Bereich zu verringern (s. US-PS 4 375 340). Eine andere Lösung sieht schließlich vor, die Elemente der Schraubverbindung, besonders den Nippel mit spannungsentlastenden Schlitzen zu versehen (s. US-PS 2 805 879).

Die vorgeschlagenen Mittel zur Verhütung von Brüchen der Elektrode führen nicht immer zum Erfolg und da zudem ihre Anwendung die Herstellung der Verbindung zwischen den Elektrodenabschnitten erschweren kann, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung der eingangs genannten Art zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist.

Die Aufgabe wird mit einer Verbindung der eingangs genannten Art gelöst, die einen zylindrischen Mittelteil und konische Endteile aufweist. Die zylindrischen Mittelteile von Nippel und Schachtel sind gewindelos und berühren sich unterhalb der Betriebstemperatur der Elektrode nicht.

PA 84/16 Dr.We/Ma - 4 -

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch einen Dehnungsspalt im Mittelteil der Elektrodenverbindung durch die thermische Ausdehnung von Nippel und Schachtel ausgelöste Spannungen wesentlich verringert und die besonders schädlichen Spannungspitzen in der Verbindungsebene praktisch vermieden werden. Auch die durch Aufsetzen des Elektrodenstrangs in den Verbindungen erzeugten Biegemomente sind bei der beanspruchten Verbindung deutlich kleiner. Durch die geringere Belastung der Verbindung nimmt deren Bruchwahrscheinlichkeit ab und entsprechend wächst die Betriebssicherheit der Elektrode. Andererseits ist es bei ausreichender Festigkeit der Verbindung möglich, für Nippel und Elektrodenabschnitt Graphittypen zu verwenden, die sich mit geringem Aufwand herstellen lassen.

Zur Herstellung der Verbindung zwischen Elektrodenabschnitten sind durch die DE-PS 887 854 Nippel und entsprechend Schachteln bekannt, die ein zylindrisches Mittelstück und konische Endstücke aufweisen. Derartige Nippel sollen die Vorteile eines zylindrischen und eines doppelkonischen Nippels verbinden, d.h. einfach wie konische Nippel verschraubbar und gegen Lockerung der Verbindung gesichert sein wie zylindrische Nippel. Das Gewinde erstreckt sich entsprechend auch über das zylindrische Mittelstück, ausgenommen höchstens eine schmale Übergangszone zwischen zylindrischem und konischem Teil, die das Annippeln erleichtern soll. Diese vorbekannte Verbindung enthält zudem keinen Dehnungsspalt zwischen den zylindrischen Flächen von Nippel und Schachtel und ist entsprechend nicht geeignet, beim Betrieb der Elektrode die mechanische Belastung von Nippel und Schachtel zu verringern. Der Abstand zwischen den zylindrischen Flächen sollte im kalten Zustand mindestens (2000 R χ ot) betragen, wenn R der Radius des Elektrodenabschnitts

84/16 Dr.We/Ma - 5 -

in ram und «cder thermische Ausdehnungskoeffizient des Nippels in radialer Richtung ist. Zur Berechnung der Spaltbreite genügt der bis 100 oder 200 ⁰C gemessene Ausdehnungskoeffizient. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Schachtel bzw. des Elektrodenabschnitts ist herstellungsbedingt stets kleiner als der Ausdehnungskoeffizient des Nippels. Eine Mindestspaltbreite von (2000 R χ cc) mm bedeutet, daß bei freier Dehnung der Spalt erst oberhalb einer Temperatur von ca. 2000 ⁰C geschlossen wird und zwar in einem Bereich, in dem die Eigenfestigkeit des Graphits bedingt durch den Abbau von Eigenspannungen erheblich wächst.

Nach einer bevorzugten Ausführung ist der Spalt zwischen den Zylinderflächen von Nippel und Schachtel mit einer kompressiblen Masse ausgefüllt. Zweckmäßig sind insbesondere kompressible oder nachgiebige Ringe aus einem elektrisch leitenden Material. Mit derartigen Ringen wird nicht nur die Verkleinerung der leitenden Elektrodenfläche vermieden, sondern bei Verwendung eines gut leitenden Materials wird der elektrische Widerstand und entsprechend die thermische Belastung der Verbindung verringert. Vorteilhaft erstreckt sich der Ring über den Spalt hinaus zwischen die Stirnflächen der aneinandergrenzenden Elektrodenabschnitte, die zu diesem Zweck mit flachen Ausnehmungen versehen sind. Der kompressible Ring besteht in dieser Ausführungsform bevorzugt aus wenigstens zwei konzentrischen Ringen verschiedener Hohe. Der in den Spalt eingelegte Ring hat die Höhe des Spalts, der in die Ausnehmung eingelegte Ring die Höhe der Ausnehmung. Die den Spalt zwischen den zylindrischen Teilen des Nippels und der Elektrodenschachteln ausfüllende Masse besteht aus einem temperaturbeständigen, den elektrischen Strom leitenden und die thermische Dehnung von Nippel und Elektrode beim Gebrauch der Elektrode wenigstens zu einem Teil aufnehmenden Material. Geeignet sind

PA 84/16 Dr.We/Ma _ 6 -

beispielsweise poröse Kohlenstoff-, Graphit- oder Siliciiomcarbid-haltige Ringe geringer Festigkeit, die unter Druckspannungen irreversibel verkürzt werden. Andere geeignete Materialien sind Faserhaufwerke aus den gleichen Stoffen oder auch Filze und Vliese. Bevorzugt bestehen die Ringe aus Graphitfolie, die in Richtung der Elektrodenachse eine große elektrische Leitfähigkeit haben. Zur Herstellung von Graphitfolien wird ein Haufwerk aus expandierten Graphitpartikeln ohne zusätzliche Binder ausgewalzt, wobei sich die Partikel miteinander verzahnen und in der Walzebene derartig ausrichten, daß die elektrische Leitfähigkeit in der Ebene mehrere hundertmal größer ist als in Richtung " der Flächennormale. Die Folie wird in Streifen geschnitten, deren Breite der Höhe des zylindrischen Teils entspricht und auf einen Dorn aufgezogen, dessen Durchmesser dem Durchmesser des zylindrischen Nippelteils entspricht. Die Rohdichte der Ringe beträgt etwa 0.5 g/cm , die Kompressibilität bei einer Flächenpressung von 100 N/mm etwa 60 bis 70 % in radialer Richtung.

Die Anordnung von expandiertem Graphit zwischen den aneinanderstoßenden Stirnflächen der Elektrodenabschnitte ist durch die DE-PS 1 912 464 bekannt. Diese Verbindung enthält jedoch keinen zylindrischen gewindelosen Bereich und ist nur begrenzt geeignet, die durch die stoffliche Verschiedenheit von Elektrodenabschnitt und Nippel beim Gebrauch der Elektrode gebildeten Spannungen aufzunehmen. Die wesentliche Wirkung der vorbekannten Anordnung ist die Verringerung des Spannungsabfalls beim Übergang des elektrischen Stroms von einem Elektrodenabschnitt zum benachbarten Elektrodenabschnitt. Entsprechend geringer sind die Wärmeentwicklung und mittelbar auch die Wärmespannungen, falls der Strom bevorzugt durch die Stirn-5 flächen der Elektrodenabschnitte fließt. Tatsächlich geht der Stromfluß im wesentlichen über den Schraubnippel. Die

PA 84/16 Dr.We/Ma -7 -

vorgeschlagene Verbindung trägt der tatsächlichen elektrischen Belastung Rechnung und verhindert den Aufbau mechanischer Spannungen, die auf die unterschiedliche Dehnung von Nippel und Elektrodenabschnitten zurückzuführen sind, 5

Die Erfindung wird durch Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 - den Schnitt durch eine Elektrodenverbindung, Fig. 2 - den vergrößerten Ausschnitt II in Fig. 1,

Fig. 3 - den Schnitt durch eine Elektrodenverbindung mit einer Einlage zwischen den Stirnflächen der Elektrodenabschnitte.

In Fig. 1 und 2 ist eine Verbindung zwischen den Elektrodenabschnitten 1 und 2 dargestellt. Die mit Gewinde versehenen Schachteln weisen mit Gewinde versehene, konisch zulaufende Abschnitte 3, 4 und gewindelose, durch Zylinderflächen begrenzte Abschnitte 5, 6 auf. Der doppelkonische Nippel 7 besteht aus konischen, mit Gewinde versehenen Endstücken und dem zylindrischen, gewindelosen Mittelstück 8. Die parallelen im Abstand angeordneten Zylinderflächen von Nippel und Schachteln bilden einen das Mittelstück des Nippels umschließenden Ringraum, in dem ein Ring 9 aus Graphitfolie eingelegt ist. Die Folienebenen verlaufen im wesentlichen parallel zur Längsachse der Elektrode.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform dargestellt.

Ein Ring 9 aus Graphitfolie ist in den Ringraum zwischen dem Mittelstück 8 des Nippels und den zylindrischen Abschnitten 5, 6 der Schachteln eingelegt und ein Ring 10 aus dem gleichen Material ist zwischen den Stirnflächen der Elektrodenabschnitte 1, 2 angeordnet, die im Bereich, des Rings vertieft sind.

PA 84/16 Dr.We/Ma

- Leerseite -

Claims (6)

442316 14/16 Patentansprüche;

1. Verbindung zwischen den Abschnitten einer Graphitoder Kohlenstoffelektrode in deren Stirnflächen mit einem Gewinde versehene Schachteln eingelassen sind und einem mit den Schachtelgewinden verschraubten doppelkonischen, einen zylindrischen Mittelteil aufweisenden Schraubnippel, dadurch gekennzeichnet , daß die zylindrischen Nippel- und Schachtelflächen gewindelos sind und sich unterhalb der Betriebstemperatur der Elektrode nicht berühren.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand der Zylinderflächen im kalten Zustand mindestens (2000 R χ <*.) mm beträgt.

3. Verbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Spalt zwischen den Zylinderflächen mit einer kompressiblen Masse ausgefüllt ist.

4. Verbindung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kompressible Masse in Form eines Rings zwischen wenigstens einem Teil der aneinanderstoßenden Stirnflächen der Elektrodenabschnitte angeordnet ist.

5. Verbindung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Ring aus mehreren konzentrischen Ringen besteht.

6. Verbindung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Ring aus Graphitfolie besteht.

PA 84/16 Dr.We/Ma - 2 -