DE4136823C2 - Kohlenstoffelektrode für Lichtbogenöfen und Verfahren zum Herstellen einer solchen Kohlenstoffelektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kohlenstoffelektrode für Lichtbogenöfen, insbesondere Graphitelektrode zur Stahlerzeugung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode nach dem Oberbegriff der Ansprüche 3 oder 4.

Kohlenstoffelektroden und insbesondere Graphitelektroden werden beispielsweise in elektrischen Lichtbogenöfen zur Stahlerzeugung verwendet. Sie werden dabei von ihre Mantelfläche umschließenden Kontaktbacken festgehalten, über die der elektrische Strom zur Erzeugung des Lichtbogens in die Elektrode eingeleitet wird. Zur Vermeidung bzw. Verringerung des oxidativen Verbrauchs der Elektroden, der dadurch zustande kommt, daß die Elektrodenoberfläche im Betriebszustand Temperaturen von etwa 600°C im Bereich ihrer Haltebacken und weit darüber an ihrem unteren Ende ausgesetzt ist, so daß die hinzutretende Luft zu entsprechender Oxidation führen würde, wird die Oberfläche durch Schutzschichten geschützt. Derartige Schutzschichten aus Aluminium oder Aluminium­ legierungen sind bekannt (DE-AS 16 46 679). Das Aufbringen solcher Schutzschichten geschieht mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens, der das Aluminium auf der Kohlenstoffoberfläche fixiert. Auf dieses metallisierte Aluminium wird üblicherweise ein Aufstrich aus pulverförmigen Stoffen als Suspension aufgetragen, die unter Wärmeeinwirkung in die Aluminiumschicht eingearbeitet werden.

Das Aufbringen solcher Schutzschichten kann aber auch durch Plasmaspritzen erfolgen, wobei unter Verwendung eines Silizium-Pulvers und eines Inertgas-Wasserstoff-Gemisches als Plasmagas auf der Oberfläche von Kohlenstoff- oder Graphitkörpern eine Schicht gewünschter Dicke und Dichte erzeugt wird (DE-OS 34 46 286).

In diesem Zusammenhang ist auch bekannt, weitere Schutzschichten aus aufgespritzten Metallüberzügen oder Oxidsystemen mit niedrigem Schmelzpunkt aufzutragen und eine Kombination aus Metallschichten mit niedrigschmelzender Oxidschicht zu verwenden. Die jeweils oberste bzw. außen liegende weitere Schutzschicht aus einem niedrigschmelzendem Oxidsystem soll eine sichere Gasundurchlässigkeit gewährleisten, wenn die so beschichtete Elektrodenoberfläche unter der im Betrieb erfolgten Erwärmung zu fließen beginnt.

Die Bearbeitung des die weitere Schutzschicht bildenden Aufstrichs auf der metallhaltigen ersten Schutzschicht mit Hilfe eines elektrischen Liftbogens bewirkt eine chemische Reaktion zwischen diesen Metallen bzw. Metallverbindungen und dem Graphit, so daß letztlich als äußere Beschichtung der Elektrode, welche mit den Kontaktbacken in Berührung tritt, ein Verbindungsgemisch aus einer Vielzahl von Metalloxiden und Karbiden vorliegt, das jedoch ein Verschmelzen oder Verkleben insbesondere der aus Kupfer bestehenden Kontaktbacken mit der Elektrodenoberfläche nicht verhindern kann.

Aus der DE 30 28 348 C2 ist eine Kohlenstoffelektrode der eingangs erwähnten Art bekannt. Um ein Ankleben oder Verschmelzen der Elektrodenoberfläche mit den Kontaktbacken zu vermeiden, ist die bekannte Kohlenstoffelektrode so ausgebildet, daß auf die eine erste Schutzschicht aufweisende Elektrodenoberfläche eine weitere Schutzschicht aufgebracht ist, die aus einem Gemisch aus Graphitpulver, einem aushärtbaren Kunstharz und einem wasserlöslichen Kleber gebildet ist. Ein Verschweißen zwischen den Kontaktbacken und dem graphithaltigen Material der weiteren Schutzschicht findet nicht statt, so daß die Kontaktbacken in der üblichen Weise aus Kupfer bestehen können und das Lösen der Kontaktbacken von der Elektrodenoberfläche zwecks Nachführung des Elektrodenstrangs keine Schwierigkeiten bereitet. Bei der vorerwähnten Kohlenstoff­ elektrode kann es allerdings im unteren Teil der Elektrode zu einem beschleunigten Abtragen der flüssigen ersten Schutzschicht, also zum Beispiel einer Aluminiumschicht, und damit nur zu einer geringen Schutzwirkung der Beschichtung kommen.

Aus der GB 10 26 055 ist bekannt, eine Kohlenstoff oder Graphitelektrode mit zwei oder mehreren Aluminiumschichten mit diversen Zusätzen im Lichtbogenverfahren zu beschichten. Diese Aluminiumschichten können auch zweilagig aufgebracht werden, wobei zwischen diesen beiden Lagen verschiedene chemische Substanzen eingebaut werden, um dadurch den Erweichungspunkt des Schutzüberzuges zu reduzieren. In jedem Fall wird jedoch eine Aluminiumbeschichtung bzw. eine Beschichtung aus einer Aluminiumlegierung mit einem verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt benutzt, so daß das Erweichen der so geschützten Oberfläche der Elektrode im Betriebszustand und das Verkleben bzw. Verschweißen mit den Kontaktbacken nicht vermieden werden kann.

Das obige Problem wird auch durch die GB 12 18 662 nicht gelöst, da der dort beschriebene mehrschichtige Aufbau von Kohlenstoffelektroden keine Kombination mit Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung vorsieht, die direkt auf der Kohlenstoffelektrodenoberfläche aufgebracht wird, um bei Erweichung eine Sperre gegen hindurchtretende und damit die Kohlenstoffoberfläche oxidierende Luft zu bilden.

Die Aufgabe der Erfindung bestellt deshalb darin, eine Kohlenstoffelektrode der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß das Ankleben oder Verschmelzen der üblicherweise aus Kupfer bestehenden Kontaktbacken mit dem metallischen Überzug der Elektrode stark reduziert oder ganz verhindert wird und die Schutzwirkung der Beschichtung insbesondere im unteren Teil der Elektrode, der dem Lichtbogen ausgesetzt ist, verlängert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs 1 gelöst. Für das Auftragen der Schutzschichten stehen zwei Verfahren zur Verfügung, die Gegenstand der Ansprüche 3 und 4 sind.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, die Aluminium bzw. Aluminiumlegierungsbeschichtung der Oberfläche der Kohlenstoffelektrode beizubehalten, jedoch die äußere sich im Betriebszustand erweichende Schutzschicht aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung mit einer weiteren Schutzschicht aus einem hochschmelzenden Metall bestimmter Schmelzpunktgrenze und bestimmter Dicke zu umgeben, die im Betriebszustand jegliches Verkleben oder Verschmelzen mit den Klemmbacken und die damit verbundenen wirtschaftlichen Nachteile ausschließt, andererseits jedoch, obgleich mit anderen Dehnungseigenschaften versehen als die darunter befindliche Aluminium­ schutzschicht, den sicheren Halt der Elektrode in den Klemmbacken gewährleistet.

Verfahrensseitig wird die aus einem hochschmelzenden Metall oder einer hochschmelzenden Metallegierung bestellende weitere Schutzschicht mit Hilfe des Lichtbogenspritzverfahrens oder mit Hilfe des Pulverspritzverfahrens aufgebracht und bei letzterem nachfolgend mit einem elektrischen Lichtbogen oder einem Plasmabrenner bearbeitet.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Seiten­ ansicht eines Lichtbogenofens mit den erfindungs­ gemäßen Kohlenstoffelektroden; und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 durch eine Elektrode.

In Fig. 1 ist schematisch in teilweise geschnittener Darstellung ein elektrischer Lichtbogenofen 1 zur Stahl­ erzeugung dargestellt. Jede Kohlenstoffelektrode 2, 3, 4 ist mittels einer Kontaktbacke 5, 6, 7 an einem Gestänge 10, 11, 12 gehalten und erstreckt sich durch einen Deckel 13 in den Innenraum 14 des Ofens.

Die Kontaktbacken 5, 6, 7 werden hydraulisch an die Ober­ fläche der jeweiligen Elektrode 2, 3, 4 angepreßt.

Vorzugsweise bestehen die Elektroden 2, 3, 4 aus Graphit. Dieser Werkstoff weist bei hohen Temperaturen den Nachteil einer niedrigen Oxidationstemperatur auf. Um den Graphit bei hoher Temperatur vor einer Oxidation zu schützen, wurden Schutzschichten entwickelt, welche auf die Kohlen­ stoffoberfläche aufgetragen sind.

Jede Kohlenstoffelektrode 2, 3, 4 weist eine Kohlenstoff­ oberfläche auf, welche mit einer ersten Schutzschicht 15 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschichtet ist. Die einzelnen Schutzschichten der Kohlenstoffelektrode 2 sind in Fig. 2 gezeigt, welche einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 darstellt.

Diese auf die Kohlenstoffoberfläche 16 eines Kohlenstoff­ kerns 17 aufgebrachte erste Schutzschicht 15 ist von einer weiteren Schutzschicht 18 vollständig umgeben. Die weitere Schutzschicht 18 besteht aus einem hochschmelzenden elektrisch leitenden Stoff oder Stoffgemisch, wobei sowohl mehrere erste Schutzschichten 15 als auch mehrere weitere Schutzschichten 18 vorgesehen sein können.

Die Schutzschichten dienen dazu, sowohl ein Verschweißen bzw. Ankleben der Elektroden 2, 3, 4 an den Kontaktbacken 5, 6, 7 zu verhindern, als auch dazu, die Schutzwirkung der Beschichtung zu verlängern. Dies geschieht vor allem durch die weitere Schutzschicht 18, welche ein Abtragen der flüssig werdenden ersten Schutzschicht 15 im unteren Teil 20 der Elektrode 2 verzögert. Dadurch verringert sich der Verbrauch an Graphitelektroden, so daß insgesamt mit einer verbesserten Wirtschaftlichkeit der Stahlerzeugung zu rechnen ist.

Im Falle von mehreren weiteren Schutzschichten können diese aus gleichen oder verschiedenen Stoffen oder Stoff­ gemischen bestehen. Jede weitere Schutzschicht besteht aus einem hochschmelzenden Metall oder einer hochschmelzenden Metall-Legierung, wobei der Schmelzpunkt der weiteren Schutzschicht oberhalb von 700°C, vorzugsweise oberhalb von 1000°C liegt. Die weitere Schutzschicht kann aus Eisen oder einer Stahllegierung oder aus Molybdän, Vanadium, Chrom, Wolfram oder deren Legierungen bestehen.

Die mittlere Dicke jeder weiteren Schutzschicht liegt etwa im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm.

Erfindungsgemäß wird die weitere Schutzschicht 18 mit Hilfe des Lichtbogenspritzverfahrens oder mit Hilfe des Pulverspritzverfahrens aufgebracht und bei letzterem nach­ folgend mit einem elektrischen Lichtbogen oder einem Plasma­ brenner bearbeitet.

Die zuvor erwähnte Bearbeitung der weiteren Schutzschicht mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens erfolgt dadurch, daß zwischen der zu beschichtenden Elektrodenoberfläche und einer kleinen seitlichen Elektrode (nicht dargestellt) ein Lichtbogen erzeugt wird, wobei sich die Elektrodenober­ fläche mit einer bestimmten Geschwindigkeit in bezug auf den Lichtbogen bewegt. Diese Relativbewegung erfolgt vor­ zugsweise spiralförmig, so daß letztlich die gesamte Oberfläche kontinuierlich bearbeitet werden kann. Die seitliche Elektrode kann sich gleichzeitig langsam parallel zur Längsachse der Elektrode bewegen. Es ist ferner eine Rotations- und Längsbewegung der zu beschichtenden Elektrode möglich, wenn die seitliche Elektrode stationär gehalten ist und infolgedessen keine Bewegung parallel zur Längs­ achse der zu beschichtenden Elektrode ausführen kann.

Nachfolgend werden zur Verdeutlichung des Erfindungs­ gegenstandes drei Beispiele angegeben.

Beispiel 1

Eine bearbeitete Graphitelektrode wird auf ihrer zylind­ rischen Oberfläche mit mehreren Schichten aus Aluminium und einer Aluminiumlegierung mit Hilfe des Lichtbogen­ spritzverfahrens beschichtet. Die mittlere Dicke dieser ersten Schutzschicht beträgt etwa 0,5 mm. In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine weitere erste Schutz­ schicht aus reinem Aluminium mit einer Dicke von etwa 0,3 mm aufgespritzt.

Danach wird die so beschichtete Oberfläche mit einer weiteren Schutzschicht aus einer Stahllegierung (zum Beispiel LSd-USD7 nach DIN 8566) mit Hilfe des Licht­ bogenspritzverfahrens beschichtet. Die Schichtdicke dieser weiteren Schutzschicht beträgt 0,1 bis 0,5 mm.

Die derart hergestellte Graphitelektrode wird in einem elektrischen Lichtbogenofen zur Stahlerzeugung verwendet. Die mit der Oberfläche der Graphitelektrode in Berührung stehend­ en Flächen der verwendeten Kontaktbacken aus Kupfer zeigen auch nach längerem Gebrauch keinerlei Beschädigungen. Ferner konnte ein verzögerter Abtrag der aluminiumhaltigen ersten Schutzschicht im unteren Teil der Elektrode gegenüber her­ kömmlichen Elektroden beobachtet werden.

Beispiel 2

Auf eine gemäß Beispiel 1 beschichtete Graphitelektrode wird eine weitere Schutzschicht aus Molybdän (LSd-Mo nach DIN 8566) mit Hilfe des Lichtbogenspritzverfahrens aufge­ tragen. Die Schichtdicke dieser weiteren Schutzschicht be­ trägt etwa 0,1 bis 0,4 mm.

Beim Einsatz einer derartig beschichteten Graphitelektrode im elektrischen Lichtbogenofen konnten dieselben Ver­ besserungen beobachtet werden, wie sie bereits für das Beispiel 1 erwähnt sind.

Beispiel 3

Auf eine gemäß Beispiel 1 beschichtete Graphitelektrode wird eine weitere Schutzschicht aus Ferromolybdän, be­ stehend aus 72 Gew.-% Mo, 1 Gew.-% Si und 36 Gew.-% Fe, mit Hilfe des Pulverspritzverfahrens aufgebracht und nach­ folgend einer Temperaturbehandlung mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens oder mit Hilfe eines Plasma­ brenners unterworfen. Die Dicke dieser weiteren Schutz­ schicht beträgt etwa 0,1 bis 0,4 mm.

Beim Einsatz einer derartig beschichteten Graphitelektrode im elektrischen Lichtbogenofen ergaben sich die bereits im Beispiel 1 erwähnten Vorteile.

Mit Hilfe der zuvor beschriebenen Graphitelektroden ist deshalb ein wirtschaftlicheres Betreiben von elektrischen Lichtbogenöfen ermöglicht.

Claims (4)

1. Kohlenstoffelektrode für Lichtbogenöfen, insbesondere Graphitelektrode zur Stahlerzeugung, mit einer die Oxidation der Kohlenstoffoberfläche hemmenden bzw. verhindernden ersten Schutzschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und wenigstens einer weiteren Schutzschicht auf der ersten Schutzschicht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung des Verschweißens oder Anklebens der Elektrode mit den Kontaktbacken ihrer Halterung über dem Lichtbogenofendeckel die weitere Schutzschicht oder Schutzschichten aus hoch­ schmelzendem Metall wie Eisen, Molybdän, Vanadium, Chrom, Wolfram oder einer hochschmelzenden Metallegierung bestellen, deren Schmelzpunkt oberhalb 1000°C liegt und deren mittlere Schichtdicke zwischen 0,1 und 0,5 mm beträgt.

2. Kohlenstoffelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Dicke jeder weiteren Schutzschicht 0,1 mm beträgt.

3. Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffelektrode nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem eine Kohlenstoffoberfläche mit wenigstens einer ersten Schutzschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und diese nachfolgend mit wenigstens einer weiteren Schutzschicht beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem hochschmelzenden, elektrisch leitenden Stoff oder Stoffgemisch bestehende weitere Schutzschicht mit Hilfe des Lichtbogenspritzverfahrens aufgetragen wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffelektrode nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem eine Kohlenstoffoberfläche mit wenigstens einer ersten Schutzschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und diese nachfolgend mit wenigstens einer weiteren Schutzschicht beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem hochschmelzenden, elektrisch leitenden Stoff oder Stoffgemisch bestehende weitere Schutzschicht mit Hilfe des Pulverspritzverfahrens aufgebracht und nachfolgend mit einem elektrischen Lichtbogen oder einem Plasmabrenner bearbeitet wird.