DE3506023A1

DE3506023A1 - Elektrodenverbindung

Info

Publication number: DE3506023A1
Application number: DE19853506023
Authority: DE
Inventors: Günter Dr.rer.nat. 8859 Ehekirchen Kraus; Erhard Dr.Rer.Nat. 8901 Meitingen Wege
Original assignee: Sigri GmbH
Current assignee: Sigri GmbH
Priority date: 1985-02-21
Filing date: 1985-02-21
Publication date: 1986-08-21

Description

SIGRI SLEKTROGRAPHIT GiMBH Meitingen, den

Elektrodenverbindung

Die Erfindung betrifft eine Muffenverbindung zwischen den Abschnitten einer Graphitelektrode, deren Stirnflächen mit zapfenförmigen gewindetragenden Ansätzen versehen sind.

Graphitelektroden - unter diesem Begriff werden im folgenden auch Kohlenstoffelektroden verstanden - die \ z.B. in Lichtbogenofen verwendet werden, bestehen aus

wenigstens zwei üblicherweise aus drei oder mehr mechanisch und elektrisch miteinander verbundenen, vorwiegend zylindrischen Abschnitten. Beim Betrieb des Lichtbogenofens wird die Elektrode allmählich verbraucht und als Ersatz der vorzugsweise im unteren Teil des Elektrodenstrangs entstandenen Verluste, z.B. durch Verdampfen des Kohlenstoffs im Lichtbogen, Erosion und Oxidation, wird periodisch am oberen Ende des Elektrodenstrangs ein neuer Graphitabschnitt an den Strang angestückelt, so daß ein im wesentlichen kontinuierlicher Betrieb des Lichtbogenofens möglich ist. Der Elektrodenstrang ist großen Belastungen ausgesetzt, z.B. durch radiale Temperaturgradienten, durch Schrotteinbrüche ausgelöste Biegekräfte und Zugspannungen durch das Eigengewicht des Strangs. Besonders groß sind Beanspruchungen des Verbindungsbereichs zwischen den Elektrodenabschnitten und es sind daher

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zahlreiche Vorschläge bekanntgeworden deren Ziel vor allem die Begrenzung der anliegenden mechanischen Spannungen ist.

In der ursprünglichen Ausbildung verwendete man zum Verbinden der Elektrodenabschnitte einfache Steckverbindungen, die im einzelnen durch Bolzen, Keile und dgl. gesichert wurden (DE-PS 537 019). Diese Verbindungsformen befriedigten technisch nur teilweise und es wurden Schraubverbindungen zwischen den Elektrodenabschnitten vorgeschlagen. In einer Ausführungsform ist jeder Elektrodenabschnitt an einer Stirnfläche mit einem gewindetragenden Zapfen oder Ansatz und an der anderen Stirnfläche mit einer das Gegengewinde tragenden schachtelförmigen Ausnehmung versehen. In einem Elektrodenstrang ist jeweils der Gewindezapfen eines Abschnitts mit dem Schachtelgewinde des einen anliegenden Abschnitts und das Schachtelgewinde mit dem Zapfengewinde des anderen anliegenden Abschnitts verschraubt. Es ist auch bekannt, eine solche Verbindung bajonettartig auszubilden (DE-PS 409 675). Ein Nachteil der Verbindung ist der vergleichsweise große Spannungsabfall und entsprechend die große Wärmeentwicklung nach dem Jouleschen Gesetz Es bilden sich erhebliche, mechanische Spannungen induzierende Temperaturgradienten aus, denen die Verbindungsteile nicht immer gewachsen sind. Es wurde deshalb vorgeschlagen, die Elektrodenabschnitte mit besonderen Schraubnippeln zu verbinden, die in die Ausnehmungen der Stirnflächen eingeschraubt sind (z.B. DE-PS 887 854), Die Nippel können aus einem Graphitmaterial bestehen, dessen elektrischer Widerstand kleiner ist als der Widerstand der Graphitsorten, aus dem der Elektrodenabschnitt gebildet ist. Vorteile dieser Verbindung sind der kleinere Spannungsabfall und die größere axiale Zugfestigkeit, Nachteile die größere Wärmedehnung in radialer Richtung

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und ihre Steifigkeit (DE-PS 1 039 670). Brüche der Elektrodenverbindung und als Folge schwerwiegende Störungen des Ofenbetriebs können mit diesen Verbindungsformen nicht vollständig ausgeschlossen werden und es sind zahlreiche Modifikationen bekanntgeworden, deren Ziel eine Begrenzung des Spannungsaufbaus in der Verbindung, besonders iiri Übergangsbereich Schachtelboden/Schachtelgewinde ist. Einer wirksamen Lösung des Problems mit den vorgeschlagenen Mitteln steht die in den letzten Jahren ständig wachsende mechanische und elektrische Belastung der Elektroden entgegen, so daß in diesem Zeitraum die Bruchwahrscheinlichkeit der Elektrodenverbindung nicht wesentlich kleiner geworden ist.

Eine andere Lösung ist durch die DE-PS 1 083 453 bekannt geworden, bei welcher die aneinanderstoßenden Stirnflächen der Elektrodenabschnitte gewindetragende Zapfen oder Ansätze besitzen und durch eine angezogene Muffe zusammengehalten sind. Die Muffe kann ähnlich wie der Nippel aus Graphitsorten mit großer Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit hergestellt werden, so daß in der den Elektrodenkern schalenförmig umschließenden Zugspannungszone ein den Belastungsbedingungen besser gewachsener Werkstoff verwendet werden kann, als in den Nippelverbindungen. Insbesondere auch durch Änderungen des Verhältnisses Elektrodendurchmesser/Zapfendurchmesser kann man das Widerstandsmoment in bekannter Weise den Belastungsbedingungen anpassen. Die Schwäche der Verbindung besteht andererseits darin, daß bei dem oben beschriebenen Verbrauch der.Elektrode auch die Muffe abgetragen wird. Die Wandstärke der Muffe nimmt bei diesem Prozeß ab und die partielle Oxidation des Graphits mindert die Festigkeit des Graphitwerkstoffs, so daß schließlich die Muffe bricht und der Elektrodenteil unterhalb der Bruchfläche in den Lichtbogenofen stürzt. Folgen

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sind eine wesentliche Steigerung des spezifischen Elektrodenverbrauchs und gegebenenfalls unerwünschte metallurgische Effekte durch Auflösung des Kohlenstoffs in der Schmelze.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der Muffenverbindung zwischen den Elektrodenabschnitten einer Graphitelektrode zu überwinden und insbesondere ihre Festigkeit zu erhalten und Brüche der Verbindung auszuschließen.

Die Aufgabe wird mit einer Verbindung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der äußere Durchmesser der Muffe größer ist als der größte Durchmesser des die Elektrodenspitze bildenden Abschnitts der Graphitelektrode. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der '■ Durchmesser der Muffen wenigstens 2 % größer als der größte Durchmesser des letzten Elektrodenabschnitts.

An einem Elektrodenstrang angestückelte Graphitabschnitte haben einen bestimmten Durchmesser, z.B. 500 oder 600 mm, der beim Betrieb der Elektrode allmählich abnimmt, bedingt durch den Seiten- oder Mantelabbrand, dessen Anteil am gesamten Elektrodenverbrauch etwa 40 bis 50 % beträgt. Im untersten Abschnitt der Elektrode sind die Verluste, vor allem durch Verdampfen des Kohlenstoffs bedingt, wesentlich größer. Der Abschnitt nimmt als Gleichgewichtsform die Form eines Paraboloids ein, dessen Scheitelpunkt die Elektrodenspitze ist und dessen größter Querschnitt in der bekannten Ausführungsform gleich groß ist wie die anliegende Querschnittsfläche der Verbindungsmuffe. Mit fortschreitendem Abbrand des Elektrodenabschnitts gelangt die Querschnittsfläche in den Bereich größerer Krümmung, so daß sich der äußere Durchmesser der Muffe und gleichsinnig die Wandstärke der Muffe über eine kurze Erstreckung

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vergleichsweise stark verringern, bis schließlich die Muffe bricht und der untere Elektrodenabschnitt bzw. der verbliebene Teil des Abschnitts abreißt. Nach der anmeldungsgemäßen Lehre wird dieser für den Betrieb des Lichtbogenofens nachteilige Effekt dadurch vermieden, daß der äußere Durchmesser jeder Muffe und jedes Teils einer Muffe einschließlich des Durchmessers der am unteren Elektrodenabschnitt anliegenden Muffenfläche größer ist als der größte Querschnitt des Abschnitts. Die Mantelfläche des Elektrodenabschnitts geht entsprechend nicht stetig in die Mantelfläche der Muffe über, es besteht vielmehr zwischen beiden Flächen eine Stufe, deren Höhe vorzugsweise wenigstens 1 % des größten Durchmessers des Elektrodenabschnitts beträgt. Um die Höhe der Stufe ist die Wandstärke der Muffe größer als in den bekannten Ausführungsformen oder um die doppelte Stufenhöhe größer als die größte Querschnittsfläche des untersten Elektrodenabschnitts, die Referenzfläche ist. Zur Vermeidung von Muffenbrüchen ist eine bestimmte, von der Belastung der Muffe und der Art des verwendeten Graphits abhängige Stufenhöhe nötig. Eine Stufenhöhe von 1 % bezogen auf den Graphitdurchmesser des untersten Elektrodenabschnitts reicht im allgemeinen aus, den Bruch der Elektrodenverbindung zu verhindern. Der genaue Betrag kann aber auch einfach durch Versuche bestimmt werden.

Die Ausbildung einer Stufe zwischen dem untersten Elektrodenabschnitt des Elektrodenstrangs und der mit dem Abschnitt verschraubten Muffe setzt voraus, daß die Muffen im geringeren Maße als die Elektrodenabschnitte unter den Bedingungen des Lichtbogenofens abgetragen werden, d.h. eine vergleichsweise kleinere Oxidationsgeschwindigkeit aufweisen, oder daß bei gleicher Reaktivität von Muffe und Elektrodenabschnitt die Muffen im ursprünglichen Zustand einen größeren Durchmesser haben als jeder Elektrodenabschnitt. Die Durchmesserdifferenz ist bei dieser

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Ausführungsform derart zu bemessen, daß eine ausreichende Stufenhöhe gegen den die Elektrodenspitze bildenden Abschnitt erhalten bleibt. Bestimmend für die Stufenhöhe sind die ursprüngliche Durchmesserdifferenz und das Verhältnis der Abbrandrate von Muffe und Elektrodenabschnitt. Voraussetzung dieser Lösung ist eine größere, den Durchmesser der Muffe entsprechende Durchführung der Elektrode durch das Dach des Lichtbogenofens. In den von der Elektrodendurchführung unabhängigen Ausführungsformen ist die Muffe wenigstens teilweise gegen Oxidation geschützt und die Stufe zwischen Muffe und unterstem Elektrodenabschnitt entsteht beim Betrieb des Ofens durch den vergleichsweise größeren Mantelabbrand der Elektrodenabschnitte. Der geringere Abbrand wird in einer bevorzugten Ausführungsform mit einer Muffe erzielt, deren äußere Oberfläche mit einer Schicht aus einer impermeablen und temperaturbeständigen Schicht überzogen ist. Die Schicht besteht besonders aus Stoffen, die für oxidationsbeständige Beschichtungen von Graphitteilen, einschließlich Graphitelektroden verwendet werden. Beispiele sind refraktäre Carbide, Silicide, carbidbildende Metalle und refraktäre Verbindungen, die in einer Metallmatrix dispergiert sind. Die Schicht wird in bekannter Weise durch Flamm- oder Plasmaspritzen, Abscheidung aus der Gasphase (CVD) oder auch durch Spachteln oder Bürsten auf die Muffe aufgebracht und gegebenenfalls einer thermischen Nachbehandlung zum partiellen Wiederaufschmelzen unterworfen. Durch Versiegelung mit Gläsern wird die Permeabilität der Schicht derart gesenkt, daß die Schicht für gasförmige Oxidationsmittel undurchlässig ist.

Die Muffe wird durch die Schicht über einen Teil der Ofenreise vollständig gegen Oxidation geschützt und durch den Abbrand der anliegenden Elektrodenabschnitte bilden sich in diesem Teil der Ofenreise zwischen den Teilen des Elektrodenstrangs Stufen aus. Bei höheren Temperaturen schmilzt die Beschichtung oder geht durch andere Einwirkungen verloren. In diesem Bereich der Ofenreise sind die

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Abbrandgeschwindigkeiten benachbarter Muffen und Elektrodenabschnitte annähernd gleich, so daß die im ersten Teil der Ofenreise gebildeten Stufen zwischen den Teilen des Elektrodenstrangs erhalten bleiben. 5

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Muffe mit einem temperaturbeständigen und die Oxidationsreaktionen möglichst inhibierenden Stoff imprägniert. Beispiele für die Imprägniermittel sind Aluminiumphosphate, Erdalkalimetall-Phosphate und Phosphat-Borat-Gemische. Die Mittel werden in bekannter Weise als beispielsweise wässerige Lösung gegebenenfalls unter erhöhtem Druck in die Muffe eingebracht, das Lösungsmittel wird verdampft und die Imprägnierung gegebenenfalls mehrmals wiederholt..Wie bei den mit einer Schutzschicht versehenen Muffen ist die Abbrandgeschwindigkeit kleiner als die der nichtimprägnierten Elektrodenabschnitte und im Verlauf der Ofenreise bilden sich Stufen zwischen Muffe und Elektrodenabschnitt aus, deren größte Höhe in dem Temperaturbereich erreicht wird, in dem die Imprägniermittel ihre Wirkung verlieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 - einen Elektrodenstrang der bekannten

Art im Schnitt,

Fig. 2 - einen Elektrodenstrang in der Ausführungsform nach Anspruch 3

Fig. 3 - einen Elektrodenstrang mit einer beschichteten Muffe (Anspruch 4)

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Fig. 4 - einen Elektrodenstrang rait einer imprägnierten Muffe (Anspruch 5)

In den Figuren ist jeweils ein Graphitstrang mit den Elektrodenabschnitten 1', 1" und 1¹¹¹ dargestellt. Der Mantelabbrand im Bereich des Abschnitts 1' ist sehr gering und entsprechend zeichnerisch nicht dargestellt. Der folgende Abschnit 1" ist durch den Mantelabbrand deutlich zugespitzt, die ursprüngliche zylindrische Form geht in einen abgeschnittenen Konus über. Der Abschnitt 1''' schließlich hat die Form eines Paraboloids, dessen Scheitel der durchschnittliche Ansatzpunkt des Lichtbogens ist. Alle Abschnitte weisen gewindetragende Ansätze auf und sind durch aufgeschraubte Muffen miteinander verbunden.

In den Elektrodenstrang nach Fig. 1 bestehen die Muffen 2¹, 2" aus einer Graphitsorte, deren Abbrandgeschwindigkeit nicht wesentlich verschieden ist von der Graphitsorte, aus dem die Elektrodenabschnitte 1', 1", 1'¹¹ gebildet sind. Die Mantelfläche des Elektrodenstrangs ist entsprechend stetig. Mit fortschreitendem Abbrand des Abschnitts 1''' wird die Wandstärke W₁ der Muffe derart vermindert, daß sie den anliegenden Kräften nicht mehr gewachsen ist. Die Muffe reißt und stürzt mit dem Abschnitt 1''' in den Lichtbogenofen. In der Ausführungsform nach Fig. 2 bestehen Elektrodenabschnitte und Muffen ebenfalls aus ähnlichen Graphitsorten. Die Muffe 3¹ weist einen größeren Außendurchmesser als die anliegenden Elektrodenabschnitte 1', 1" auf und die Durchmesserdifferenz ist derart bemessen, daß nach fortgeschrittenem Abbrand der Außendurchmesser der Muffe 3" größer ist als der anliegende Durchmesser des Elektrodenabschnitts 1''', d.h. die Wandstärke W₂ der Muffe beim Abbrand des Elektrodenstrangs ausreichend groß bleibt. Auf die äußere Oberfläche der Muffe 4', in

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Fig. 3 ist durch Flammspritzen eine etwa 0,1 mm dicke Siliciumschicht 5 aufgebracht worden, die impermeabel und bis etwa 1400 C beständig ist. Bis zu dieser Temperatur werden ausschließlich die Elektrodenabschnitte abgetragen, so daß sich zwischen den Abschnitten und der die Abschnitte verbindenden Muffe Stufen 7 bilden, die auch nach Abschmelzen der Schutzschicht erhalten bleiben. Entsprechend hat die Muffe 4" einen größeren Durchmesser als der anliegende Elektrodenabschnitt 1 ' ' ' . In der Ausführung nach Fig. 4 ist die Muffe 6" mit einem Gemisch aus Aluminiumphosphat, Zinkphosphat und Calciumphosphat imprägniert, der Phosphatgehalt betrug nach einem Tempern der Muffe bei 600 C etwa 2,6 %. Das Imprägniermittel versiegelt die Poren des Graphits und inhibiert vor allem dessen Oxidation. Bis zur Zersetzungstemperatur des Imprägniermittels ist der Abbrand der Muffe kleiner als die der anliegenden Elektrodenabschnitte 1¹, 1", so daß sich zwischen den Teilen des Elektrodenstrangs Stufen 8 bilden, die bei fortschreitendem Abbrand von Muffe und Elektrodenabschnitt zwischen der Muffe 6" und den Elektrodenabschnitt 1''' erhalten bleiben.

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Claims

85/3 Patentansprüche:

1. Muffenverbindung zwischen den Abschnitten einer

Graphitelektrode, deren Stirnflächen mit gewindetragenden zapfenförmigen Ansätzen versehen sind, dadurch gekennzeichnet , daß der Außendurchmesser der Muffe größer ist als der größte Durchmesser des die Elektrodenspitze bildenden Abschnitts der Elektrode.

2. Muffenverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der Muffen wenigstens 2 % größer als der größte Durchmesser des Elektrodenabschnitts ist.

3. Muffenverbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser jeder Muffe größer ist als der Durchmesser der anliegenden Elektrodenabschnitte.

4. Muffenverbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Oberfläche der Muffe mit einer impermeablen, temperaturbeständigen Schicht versehen ist.

5. Muffenverbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Muffe mit einem temperaturbeständigen Stoff imprägniert ist.

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