DE4215897A1 - Graphitelektrode mit geneigten Stirnflächen für Lichtbogenöfen - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Graphitelektrode für Lichtbogenöfen mit einem äußeren Mantel sowie einer oberen und einer unteren Stirnseite, deren jede aus einem Kreisring und aus einer von dem Kreisring eingeschlosse­ nen und sich von diesem ausgehend, in das Elektroden­ innere erstreckenden, sich nach innen verjüngenden und an den Flanken Befestigungsgewinde tragenden, kegelstumpf­ förmigen Vertiefung, Nippelschachtel genannt, besteht, wobei die Nippelschachtel für die Aufnahme eines die Verbindung zur nächsten, gleich ausgebildeten Elektrode dienenden, gewindetragenden doppelkonischen Nippels bestimmt ist.

Zum Erzeugen von Schmelz- und von Reaktionsenergie werden in Lichtbogenöfen als thermisch hochbeständige, mechanisch feste, elektrische Leiter Graphitelektroden verwendet. Zwischen ihnen und auch dem im Ofengefäß befindlichen Schmelz- und Reaktionsgut wird ein Licht­ bogen unterhalten, von dem die benötigte thermische Energie im wesentlichen durch Strahlung übertragen wird. Das zur Zeit am meisten angewandte Verfahren dieser Kategorie ist das Elektrostahlverfahren, bei dem Schrott, Metallpellets oder Eisenschwamm in einem wannenförmigen, mit einem schwenkbaren Deckel versehenen Ofen einge­ schmolzen und durch Zuschläge und Legierungsbestandteile zu Stahl oder entsprechenden Legierungen verarbeitet werden. Häufig schließt sich an diesen Prozeß noch eine weitere Veredelung in einem Pfannenofen an, in dem die erforderliche Wärme ebenfalls durch einen zwischen Graphitelektroden brennenden Lichtbogen erzeugt wird. Die für diese Verfahren benutzten Elektroden können im Prinzip aus nur einem Stück bestehen. Da sich die Elektroden jedoch im betrieblichen Einsatz durch Ver­ dampfung, chemische Reaktionen wie Oxidation, mechanische Einwirkungen wie Erosion oder Reststückabfälle ver­ brauchen, wird in den meisten Fällen durch Koppeln mehrerer Elektroden ein Elektrodenstrang aufgebaut, der während des laufenden Betriebes im Maße des Verbrauchs in den Reaktionsraum nachgeführt wird. Wenn der Strang eine gewisse Mindestlänge erreicht hat, wird wieder eine Elektrode an das kalte Ende des Strangs angekoppelt und der Prozeß des Nachführens beginnt aufs Neue. Zum Ver­ binden der einzelnen Elektroden zu einem Strang bedient man sich ebenfalls aus Graphit bestehender, außen mit Befestigungsgewinden versehener doppelkonischer oder zylindrischer Kopplungsstücke, sogenannnter Nippel, die in entsprechend ausgebildete, mit angepaßten Gewinden versehene Nippelschachteln in den Stirnseiten der Elektroden eingeführt werden. Durch Anspannen der Nippel in den Gewinden der Nippelschachteln werden die Elektroden dann fest miteinander verbunden. Naturgemäß stellt eine derartige Kopplungsstelle ein Diskontinuum kritischer Art in einem Elektrodenstrang dar. Sie muß Zug-, Biege- und Torsionskräften genauso standhalten wie dem gesamten Stromtransport, der über sie zur Speisung des Lichtbogens an der Spitze des Elektrodenstrangs fließt. Da die mechanische Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit des normalen Elektrodenmaterials für die an den Kopplungsstellen auftretenden Belastungen im all­ gemeinen nicht ausreicht, bestehen die Nippel aus mechanisch und elektrisch höher belastbaren Graphit­ qualitäten. Um einen guten Übergang des elektrischen Stromes an der Kopplungsstelle zu gewährleisten, müssen sich die Stirnseiten der Elektroden in engem Kontakt miteinander befinden und es müssen innerhalb der die Verbindung tragenden Gewinde möglichst viele Kontakt­ stellen und -Flächen hergestellt worden sein.

Trotz dieser Maßnahmen bleiben die Kopplungsstellen in einem Elektrodenstrang kritische Zonen, an denen es immer wieder zur Ausbildung von Rissen und zu Brüchen kommt. Der im Schmelzofen befindliche Teil des Elektrodenstrangs ist, wie Messungen und Berechnungen gezeigt haben, durch Strahlung von der Schmelze und der Ofenwand und durch durch Joule′sche Wärme hervorgerufene Temperaturen in Nähe des Ofendeckels ca. 500°C und an der Strangspitze bis ca. 2500°C heiß. An den Kopplungsstellen ist die Temperatur stets höher als an und in den benachbarten Zonen des Elektrodenstrangs, da hier Übergangswiderstände einen zusätzlichen Beitrag zur Wärmeentwicklung liefern und außerdem, bedingt durch mechanische Spannungen und Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen im wesentlichen dem Nippelmaterial und dem dieses umgebenden Elektrographit der Wände der Nippel­ schachtel mechanische Entkopplungen der Elektrodenstirn­ seiten vorkommen. Durch diese Entkopplungen wird der Stromfluß verstärkt über die Gewindeflanken von Nippel­ schachtel und Nippel und über den Nippel gelenkt. Dies führt zu einer noch stärkeren Belastung dieses ohnehin schon kritischen Bereichs der Elektrodenverbindung mit allen negativen Folgen bis hin zum Bruch. Verschärft werden die geschilderten Probleme noch durch die im Ofen stattfindende Oxidation des Elektrodenstranges. Letzterer nimmt dadurch im Laufe des Betriebs eine konische Form an. Das bedeutet, daß an den Elektrodenverbindungen besonders die Wände der Nippelschachteln von außen oxidativ geschwächt werden, was sowohl aus der Sicht der mechanischen Festigkeit als auch wegen der Verringerung der für den Stromtransport zur Verfügung stehenden Stirnflächenanteile nachteilig ist.

Zur Verminderung der mechanischen Spannungen in der Elektrodenverbindung ist in der DE-PS 22 26 230 vor­ geschlagen worden, zwischen dem Boden der Nippelschachtel und der Stirnfläche des Nippels sowie auf den nicht­ tragenden Gewindeflanken des Nippels deformierbare Distanzstücke anzuordnen und den Nippel im Bereich der Symmetrieebene mit einer zylindrischen Abflachung, die eine Markierung enthält, zu versehen. Diese Maßnahmen sollen nach dem Einschrauben einen symmetrischen Sitz des Nippels in den Nippelschachteln und eine gleichmäßige Verteilung der mechanischen Spannungen gewährleisten. Spannungsentlastend soll nach US-PS 4,375,340 auch das Abtragen eines Teils der Flanken der, vom Nippeläquator aus gesehen, ersten paar Gewindegänge des Nippels sein. Nach einer anderen Lösung (US-PS 2,805,879) werden die Nippel mit nicht radial verlaufenden, sich über die ganze Länge des Nippels erstreckenden Schlitzen versehen. In der sowjetischen Patentschrift Nr. 575 792 wird zur Verringerung der Biegemomente auf die Schachtelwände vorgeschlagen, im Schachtelboden einen Zapfen vorzu­ sehen, der in eine entsprechende Aussparung in den Stirnseiten der Nippel eingreift. Einer anderen Vor­ gehensweise zur Verringerung des Drucks des Nippels im Äquatorbereich auf die Wand der Nippelschachtel bedient man sich in der DE-OS 34 42 316. Hier ist der Mittelteil des Nippels und der diesem korrespondierende Teil der Wand der Nippelschachtel zylindrisch und gewindefrei und so ausgebildet, daß sich die Flächen unterhalb der Betriebstemperatur der Elektrode (ca. 2000°C) nicht berühren. Zur Verbesserung des Stromübergangs kann der Spalt mit einer kompressiblen und elektrisch leitfähigen Masse ausgekleidet werden.

Die im vorstehenden genannten Maßnahmen haben nicht zu einem Wegfall der Probleme geführt, sei es, weil die Herstellung der Teile mit einem höheren Bearbeitungs­ aufwand verbunden war oder weil die Einhaltung der Manipulationsvorschriften im rauhen Stahlwerksbetrieb Schwierigkeiten bereitete oder weil positive Wirkungen durch die im Laufe der Zeit gestiegenen Belastungen der Elektroden überkompensiert wurden.

Die Schraubverbindung von Elektroden mittels Nippeln stellt auch heute noch den störungsanfälligsten Teil innerhalb eines Elektrodenstranges dar. Dies haben u. a. neuere Messungen der Temperaturverteilung an Elektroden­ strängen und unter Einbeziehung dieser Messungen und weiterer Werkstoffdaten durchgeführte Berechnungen der mechanischen, thermischen und elektrischen Verhältnisse in Elektrodensträngen und an Elektrodenverbindungen gezeigt. Danach können die Elektrodenstirnflächen im heißen Teil des Elektrodenstranges mechanisch entkoppeln, was durch die damit einhergehende vermehrte elektrische Belastung des Nippels und der Schachtelgewinde mit der Folge einer zusätzlichen Entwicklung von Joule′scher Wärme mechanische Spannungen hervorruft, die die Eigenfestigkeit der Graphitmaterialien übersteigen können. In den kritischen Fällen kommt es dann zu Rissen in dem beanspruchten Bauteil, zu einem erhöhten Graphitverbrauch durch Reststückabfälle oder zu einem Bruch des Elektrodenstrangs. All diese Vorkommnisse bedeuten eine starke Beeinträchtigung des Verfahrens­ ganges und erhöhten Aufwand.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Graphitelektrode zu schaffen, deren Stirnflächen eine Form haben, die dem Entkoppeln unter thermischer und mechanischer Last entgegenwirkt.

Die Aufgabe wird durch die Ausgestaltung der Elektroden­ stirnflächen gemäß den kennzeichnenden Teilen der Patent­ ansprüche 1 und 2 gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Stirnflächenformen nach den Hauptansprüchen 1 und 2.

Beim Koppeln werden die Elektroden durch die Nippel mit einer axial wirkenden Vorspannung beaufschlagt, die ein Aneinanderpressen der Elektrodenstirnflächen bewirkt. Um nun einen ausreichenden mechanischen und elektrischen Kontakt der Stirnflächen auch im Betrieb bei hohen Temperaturen und nach einer oxidativen Verringerung des Elektrodenquerschnitts zu erreichen, muß die Elektroden­ verbindung mit einem bestimmten Drehmoment angezogen werden. Dieses Anspannen des Nippels in den Gewinden der Nippelschachteln führt nun und dies besonders bei den heute gebräuchlichen doppelkonischen Nippeln, bereits im kalten Zustand zu einem radialen Abfall des Druck­ spannungsverlaufs im Kontaktbereich der Elektrodenstirn­ flächen, was auf ein leichtes Aufweiten der die Nippel­ schachtel umgebenden Wand schließen läßt. Die elek­ trodenmantelnahen Zonen der Stirnflächen werden infolge­ dessen weniger aneinandergepreßt als die innenliegenden, nippelnahen. Wenn man nun in die Überlegungen einbezieht, daß der Graphit, aus dem die Nippel bestehen, einen deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten in radialer oder Querrichtung hat, als der Graphit, aus dem die Elektroden sind, läßt sich leicht erklären, daß der Nippel bei den im Ofen über der Metallschmelze im Elektrodenstrang herrschenden Temperaturen von ca. 1000 bis 2200°C allein durch thermische Ausdehnung weiteren erheblichen Druck in radialer Richtung auf die Wand der Nippelschachtel ausübt und diese nach außen weitet. Dies führt zu einer stärkeren Schrägstellung der ringscheiben­ förmigen Elektrodenstirnflächen, zu einer weiteren Abnahme der diese Stirnflächen aneinanderpressenden axialen Druckspannung und schließlich zu einer zu­ nehmenden Stirnflächenentkopplung von außen nach innen. Dies ist besonders kritisch, weil bei gleichem Ent­ kopplungsweg in Nähe des Elektrodenmantels eine größere Fläche freigesetzt wird als in Nippelnähe. Bei einer derartigen Stirnflächenentkopplung wird im Maße der Ent­ kopplung Strom über den Nippel und die nippelnahen Bereiche geführt und es werden durch verstärkte Ent­ wicklung Joule′scher Wärme die beschriebenen Entkopp­ lungsmechanismen verstärkt. Die durch diese Dehnungs­ vorgänge induzierten mechanischen Spannungen, die sich im Schachtelboden und den angrenzenden Bereichen bevorzugt in radial wirkenden Zugspannungen und im Schachtelmantel in tangential wirkenden Zugspannungen äußern, übersteigen häufig die Materialfestigkeit und es kommt zur Rißbildung oder/und zum Bruch. Die im vorstehenden qualitativ be­ schriebenen Verhältnisse und Mechanismen wurden durch Modellrechnungen nach der Methode der Finiten Elemente verifiziert.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wurde nun gefunden, daß eine Stirnflächenentkopplung, auch unter thermischer Last, vermieden werden kann, wenn die Stirnflächen mit einer stetigen Neigung vom Elektrodenmantel zur Nippel­ schachtel hin abfallend ausgebildet sind, diese Neigung aber einen solchen Betrag hat, daß beim Anspannen der Elektrodenverbindung aufgrund der Elastizität des Materials immer noch eine vollständige Kopplung, d. h. ein vollflächiger mechanischer und elektrischer Kontakt der Elektrodenstirnflächen gewährleistet ist. Die Stirn­ flächen können eine konkave Kontur haben oder die Form des Mantels eines Kegelstumpfes annehmen, dessen kleinster Umfang mit dem oberen, stirnseitigen Umfang der Nippelschachtel und dessen größter Umfang mit dem stirnseitigen Elektrodenumfang abschließt, wobei der kleinste Umfang tiefer liegt als der größte. Wie bereits angedeutet, kommt der Neigung der erfindungsgemäßen Stirnflächen eine besondere Bedeutung zu. Mit zunehmender Abweichung von der Waagerechten nimmt die Tendenz zum Entkoppeln von der äußeren Mantelzone radial nach innen ab, durchläuft dann einen Bereich, in dem die Entkopplung der Stirnflächen gleichzeitig von außen und von innen möglich ist und geht dann in einen Bereich über, bei dem die Entkopplung innen, d. h. nippelnah, zuerst einsetzt. Der die Abweichung der Stirnflächen von der Waagerechten definierende Winkel α wird von den Stirnflächen selbst und von einem von der Elektrodenlängsachse auf den Elektrodenumfang am Schnittpunkt der Stirnflächen mit dem Elektrodenumfang gefällten Lot begrenzt. Aus dem Vorstehenden folgt, daß sowohl zu kleine als auch zu große Winkel α ungünstig sind, da sie zu große Anspannkräfte für die Elektroden-/Nippelverbindung erfordern würden, um eine Entkopplung der Stirnflächen zu verhindern.

Der Bereich, in dem bei minimalen Anspannkräften eine Stirnflächenentkopplung verhindert werden kann, liegt bei α = 0,1° ± 0,04°, vorzugsweise bei α = 0,025° ± 0,02°. Dieser Winkel gilt, wenn, und dies ist der in der Praxis häufigste Fall, beide miteinander gekoppelten Stirn­ flächen diese Neigung haben. Bei Kopplung einer geneigten Stirnfläche mit einer nicht geneigten, ebenen Stirnfläche liegt der Neigungswinkel α für die geneigte Stirnfläche dieser Paarung im Bereich von 0,2° plus 0,04° und 0,2° minus 0,08°, vorzugsweise im Bereich von 0,05° plus 0,02° und 0,05° minus 0,04°.

Nach außen gewölbte, konvexe oder nach außen geneigte, erhabene Stirnflächen sollten nicht verwendet werden. Sie begünstigen die Entkopplungsneigung.

Im folgenden soll die Erfindung anhand zweier Zeichnungen beispielhaft erläutert werden:

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Elektroden­ ende mit konkaver Stirnfläche entlang der zentralen Elektrodenlängsachse gemäß der Erfindung;

Fig. 2 gibt eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektrodenendes mit einer dem Mantel eines Kegelstumpfes entsprechenden Stirnfläche wieder.

Der in Fig. 1 dargestellte, endseitige Abschnitt einer Graphitelektrode 1 hat eine ein Befestigungsgewinde 2 tragende radiale Begrenzung oder Wand 12 der Nippel­ schachtel 3 und eine Stirnfläche 4. Die Nippelschachtel 3 endet unterhalb des stirnseitigen Endes 5 des Elektroden­ mantels 6 bei Punkt 7. Die Stirnfläche 4 hat eine vom Ende 5 des Elektrodenmantels 6 zum stirnseitigen Ende 7 der Nippelschachtel 3 abfallende konkave Form. Die vom Ende 7 der Nippelschachtel 3 zum Ende 5 des Elektroden­ mantels 6 verlaufende, gedachte (gestrichelte) Sehne 8 schließt mit dem von der Elektrodenlängsachse 9 auf das Ende 5 des Elektrodenmantels 6 gefällten Lot 10 den Winkel α ein, der die Neigung der Stirnfläche 4 für den Grenzfall der konkaven Stirnfläche 4 mit der Krümmung Null angibt. Der Winkel α soll innerhalb der im vor­ stehenden festgelegten Bereiche liegen. In die Nippel­ schachtel 3 wird zum Verbinden von zwei Elektroden ein nicht dargestellter, mit korrespondierenden Gewinden versehener, doppelkonischer Nippel eingesetzt, dessen Gewinde mit den Gewinden in den Nippelschachteln der zu verbindenden Elektroden (von denen nur das Gewinde 2 dargestellt ist) verschraubt und so angespannt wird, daß die beiden Elektrodenstirnflächen über die ganze Fläche aneinanderliegen und für den elektrischen Stromfluß auch bei hohen Temperaturen gekoppelt sind.

Fig. 2 ist eine zu Fig. 1 analoge Darstellung, in der jedoch die Elektrodenstirnfläche 11 mit der Form des Mantels eines Kegelstumpfes wiedergegeben ist. Die äußere Begrenzung dieser Stirnfläche 11 ist das stirnseitige Ende 5 des Elektrodenmantels 6 und die innere Begrenzung das stirnseitige Ende 7 der Nippelschachtel 3. Der Winkel α gibt die Neigung der Stirnfläche 11 zum gegenüber dem stirnseitigen Ende 5 des Elektroden­ mantels 6 tiefer liegenden Ende 7 der Nippelschachtel 3 an. Er soll sich im Bereich der im vorstehenden angegebenen Grenzen bewegen und ist in beiden Figuren nur aus Gründen der Darstellung so groß gezeichnet worden.

Claims (6)

1. Graphitelektrode für Lichtbogenöfen mit einem äußeren Mantel und einer oberen und einer unteren Stirnseite, deren jede aus einem Kreisring und aus einer von dem Kreisring eingeschlossenen und sich von diesem ausgehend, in das Elektrodeninnere erstreckenden, sich nach innen verjüngenden und an den Flanken Befestigungsgewinde tragenden, kegelstumpf­ förmigen Vertiefung, Nippelschachtel genannt, besteht, wobei die Nippelschachtel für die Aufnahme eines die Verbindung zur nächsten, gleich ausgebildeten Elek­ trode dienenden, gewindetragenden doppelkonischen Nippels bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das am Elektrodenende befindliche Ende (7) der Nippel­ schachtel (3) auf mindestens einer der zwei Stirn­ seiten auf einem Niveau endet, das unterhalb des Niveaus des Endes (5) des Elektrodenmantels (6) auf dieser Stirnseite liegt und die sich anschließende Elektrodenstirnfläche (4) eine vom Elektrodenumfang (5) an diesem Elektrodenende ausgehende zum äußeren, elektrodenstirnseitigen Umfang (7) der Nippelschachtel (3) hin abfallende, im wesentlichen konkave Kontur hat.

2. Graphitelektrode gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß das am Elektrodenende befindliche Ende (7) der Nippel­ schachtel (3) auf mindestens einer der zwei Stirn­ seiten auf einem Niveau endet, das unterhalb des Niveaus des Endes (5) des Elektrodenmantels (6) auf dieser Stirnseite liegt und die sich anschließende Elektrodenstirnfläche (11) eine vom Elektrodenumfang (5) an diesem Elektrodenende ausgehende zum äußeren, elektrodenstirnseitigen Umfang (7) der Nippelschachtel (3) hin abfallende, der Mantelfläche eines entsprechenden, in die Elektroden­ stirnfläche einbeschreibbaren Kegelstumpfes folgende Form hat.

3. Graphitelektrode nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode an beiden Enden dem Mantel eines Kegel­ stumpfes entsprechende Stirnseiten (11) hat und daß der Winkel α zwischen der dem Mantel eines Kegelstumpfs entsprechenden Begrenzungen (11) der Stirnseiten und einem von der Elektrodenlängsachse (9) auf den Elektrodenumfang (5) an den Elektrodenenden gefällten Lot (10) im Bereich von 0,1° plus/minus 0,04° liegt.

4. Graphitelektrode nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode an beiden Enden dem Mantel eines Kegel­ stumpfs entsprechende Stirnseiten (11) hat und daß der Winkel α zwischen der dem Mantel eines Kegelstumpfs entsprechenden Begrenzungen (11) der Stirnseiten und einem von der Elektrodenlängsachse (9) auf den Elektrodenumfang (5) an den Elektrodenenden gefällten Lot (10) im Bereich von 0,025° plus/minus 0,02° liegt.

5. Graphitelektrode nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode an einem Ende eine dem Mantel eines Kegelstumpfs entsprechende (11) und am anderen Ende eine ebene, kreisringförmige Stirnseite hat und daß an der Stirnseite (11) mit der dem Mantel eines Kegel­ stumpfs entsprechenden Form der Winkel α zwischen der dem Mantel eines Kegelstumpfs entsprechenden Begrenzung (11) und einem von der Elektrodenlängs­ achse (9) auf den Elektrodenumfang (5) an diesem Elektrodenende gefällten Lot (10) im Bereich von 0,2° plus 0,04° und 0,2° minus 0,08° liegt.

6. Graphitelektrode nach Patentanspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode an einem Ende eine dem Mantel eines Kegelstumpfs entsprechende (11) und am anderen Ende eine ebene, kreisringförmige Stirnseite hat und daß an der Stirnseite (11) mit der dem Mantel eines Kegelstumpfs entsprechenden Form der Winkel α zwischen der dem Mantel eines Kegelstumpfs ent­ sprechenden Begrenzung (11) und einem von der Elektrodenlängsachse (9) auf den Elektrodenumfang (5) an diesem Elektrodenende gefällten Lot (10) im Bereich von 0,05° plus 0,02° und 0,05° minus 0,04° liegt.