EP0053200B1

EP0053200B1 - Elektrode für Lichtbogenschmelzöfen

Info

Publication number: EP0053200B1
Application number: EP80107523A
Authority: EP
Inventors: Dieter Dr. Zöllner; Claudio Dipl.-Ing. Conradty; Friedrich Rittmann
Original assignee: Arc Technologies Systems Ltd
Current assignee: Arc Technologies Systems Ltd
Priority date: 1980-12-02
Filing date: 1980-12-02
Publication date: 1986-09-17
Also published as: KR830007888A; AU546162B2; YU279781A; DE3071765D1; ES8301088A1; GB2092418A; AU7769481A; US4481500A; ZA817978B; PT74061A; HU192078B; ATE22383T1; CA1173482A; PT74061B; ES508108A0; SU1093266A3; PL234059A1; NZ199015A; TR21916A; GR77313B

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Lichtbogenschmelzöfen, insbesondere zur Elektrostahlherstellung, bestehend aus einem metallischen, flüssigkeitsgekühlten oberen Schaft und einem ersetzbaren unteren Aktivteil aus sich verbrauchendem Material, insbesondere Graphit, wobei die Verbindung zwischen dem oberen Schaft und dem Aktivteil mittels einer, Klemmbacken aufweisenden Klemmvorrichtung erfolgt, welche den Metallschaft und den Aktivteil zusammenhält.
Elektroden für Lichtbogenschmelzöfen sind starken thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Die starken thermischen Beanspruchungen resultieren aus den hohen Arbeitstemperaturen bei derartigen Lichtbogenschmelzöfen, insbesondere bei der Elektrostahlherstellung. Grosse mechanische Belastungen ergeben sich beim Einfahren der Elektroden durch Berührung mit Schrott und in die Schmelze einrutschende Schrottteile (sog. Schrottversetzungen). Darüber hinaus werden die Elektroden auf elektromagnetische Weise in Schwingungen versetzt, die erhebliche Frequenzen und Amplituden annehmen können. Hierdurch treten grosse Beschleunigungskräfte auf, die auf die Elektroden als Biege- oder Torsionsbeanspruchungen wirken. Hinzu kommt der insgesamt rauhe und staubbehaftete Betrieb bei der Stahlherstellung. Aufgrund dieser Bedingungen wirft die Verbindung des Schafts mit dem Aktivteil bei derartigen Elektroden erhebliche Schwierigkeiten auf. Trotzdem kommt es darauf an, die Verbindung zwischen dem Schaft und dem Aktivteil im Aufbau einfach, leicht lösbar und geringe elektrische Verluste ergebend zu gestalten.
Bislang hatten sich in erster Linie Schraubverbindungen zwischen dem Schaft und dem Aktivteil durchgesetzt (vgl. als Beispiel aus einem umfangreichen Stand der Technik die DE-AS 2 739 483). Bei dieser Verbindungsart weist der Schaft an seinem unteren Ende eine Muffe oder dergleichen auf, die ein Innengewinde besitzt. Am oberen Ende des Aktivteils ist ein Sackloch mit ebenfalls einem Innengewinde ausgebildet. In diese beiden Innengewinde wird ein Schraubnippel eingeschraubt, der vorzugsweise aus demselben Material wie der Aktivteil besteht, d.h. in erster Linie aus Grafit.
Für derartige Schraubverbindungen sind spezielle Gewinde entwickelt worden. Diese Gewinde sind nicht nur an das Material des Aktivteils bzw. der Schraubnippel angepasst, sondern sollen auch weitgehend den geschilderten Betriebsbedingungen Rechnung tragen. Das Gewinde muss hierfür möglichst weitgehend selbsthemmend sein. Es muss darüber hinaus gute elektrische Kontaktflächen bilden, da zumindest streckenweise ein nicht unerheblicher Teil der Strommenge über den Schraubnippel läuft. Darüber hinaus wurden Tabellen entwickelt, die angeben, mit welchem Drehmoment im Einzelfall die Schraubnippel angezogen werden müssen, um die Kontaktflächen zwischen dem Schaft und dem Aktivteil in die gewünschte Druckanlage zu bringen, die für einen ausreichenden elektrischen Kontakt zwischen diesen Kontaktflächen sorgt.
Die Schraublösung hat sich zwar im Einsatz als solche bewährt. Jedoch gestaltet sich bei manchen Anwendungen das Wechseln der Aktivteile langwierig und aufwendig. In diesem Zusammenhang wären Konstruktionen wünschenswert, die bei ausreichender thermischer und mechanischer Festigkeit ein schnelleres Lösen eines verbrauchten Aktivteils von dem zugehörigen Schaft bzw. ein zügigeres und einfacheres Anbringen eines unverbrauchten Aktivteils an dem Schaft ermöglichen. Darüber hinaus zwingt die zunehmende Verteuerung der Aktivteile durch Erhöhung der Rohstoff- und Energiekosten zu einer vollständigen Nutzung des Materials der Aktivteile.
Es ist bereits eine Elektrode der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art bekannt geworden (DE-OS 2811 877), die es grundsätzlich gestattet, ein verbrauchtes Aktivteil vom oberen Schaft einfach zu lösen und ein verbrauchtes Aktivteil wieder an den Schaft anzuschliessen. Diese bekannte Konstruktion ist dadurch charakterisiert, dass der Stromübergang zwischen dem Metallschaft und dem Aktivteil und die lösbare Verbindung zwischen Schaft und Aktivteil funktionsmässig getrennt worden sind. Allerdings setzt die Befestigungseinrichtung der bekannten Elektrode eine spezielle Ausbildung des oberen Endes des Aktivteils voraus. Das obere Ende des Aktivteils ist nämlich mit einem speziell ausgebildeten Anschlussstück versehen, das aus einer runden Platte besteht, auf deren Unterseite ein dem Plattendurchmesser entsprechender axialer Kragen und auf deren Oberseite ein Fortsatz geringeren Durchmessers angeordnet ist, der einen radial vorspringenden Rand aufweist. In einer zentralen Bohrung des Anschlussstückes ist eine Zugschraube für die Verspannung des Anschlussstücks mit dem Aktivteil angeordnet. Zu diesem Zweck ist das obere Teilstück des Aktivteils in der Weise ausgebildet, dass es den Kopf der Zugschraube umschliesst und in den Kragen eingreift, der an der Berührungsstelle konisch ausgebildet ist. Hierdurch wird ein Auseinanderbrechen des oberen Endes des Aktivteils unter der Wirkung von Querkräften und der Zugschraube verhindert. Auf seiten des Schaftes umfasst die Befestigungseinrichtung einen Käfig in Form eines Hohlzylinders, der am unteren Ende auf seinem Umfang mit mehreren Ausnehmungen versehen ist, in die Klemmkörper eingesetzt sind. Diese sind radial beweglich und haben die Form von Kugeln oder Rollen. Der Käfig steht mit einem Hydraulikzylinder mit einem Kolben in Verbindung, durch den der Käfig und mit ihm die Klemmkörper gegenüber dem Zylinder in axialer Richtung bewegt werden können. Die Klemmkörper wirken dabei mit einer schrägen Steuerkante zusammen, so dass die Klemmkörper beim Anheben durch den Hydraulikzylinder durch die Steuerkante radial nach innen bewegt werden, wodurch sie unterhalb eines Randes eines Fortsatzes des Anschlussstückes zur Anlage gelangen. Hierdurch wird eine formschlüssige Verriegelung des aktiven Teils mit dem Schaft bewirkt.
Die Befestigungseinrichtung der geschilderten bekannten Elektrode ist äusserst kompliziert. Dies resultiert in erster Linie aus der Notwendigkeit, dass der Aktivteil mit einem besonders ausgebildeten Anschlussstück versehen werden muss, das durch eine Zugschraube mit dem oberen Ende des Aktivteils verspannt werden muss. Diese Konstruktion ist deshalb erforderlich, weil bei der gewählten Anordnung das Material des Aktivteils auf Zug beansprucht wird. Die Zugfestigkeit einschlägiger Materialien für Aktivteile, insbesondere Grafit, ist aber erheblich niedriger als die Druckfestigkeit der betreffenden Materialien. Die bei der bekannten Lösung gewählte Anordnung mit Anschlussstück und Zugschraube für den Aktivteil verteuert diese Elektroden ersichtlich erheblich.
Ein weiterer Nachteil des Systems ist das Erfordernis, metallische tragende Teile ungekühlt als Befestigungselemente im heissen Aktivteil der Elektrode angeordnet zu haben.
Bei einer wesentlichen ähnlich ausgebildeten weiteren bekannten Elektrode wird anstelle des geschilderten Kugel-Mechanismus ein Zangen-Mechanismus verwendet (US-PS 3 311 693, Fig. 2). Auch bei dieser Konstruktion muss das obere Ende des Aktivteils mit einem speziell ausgebildeten Anschlussstück versehen werden, sodass für diese Anordnung die selben Nachteile gelten, wie für die zuerst beschriebene Elektroden-Konstruktion.
Aus der DE-A- 1 440345 ist eine Elektrodenklemmeinrichtung für konventionelle, aus einer Folge von axial aneinander schraubbaren Graphitzylindern bestehenden Elektroden bekannt. Der Tragkopf dieser Klemmeinrichtung weist eine nach unten konisch sich verjüngende Bohrung auf, deren kleinster, an der unteren Stirnfläche des Tragkopfs befindlicher Durchmesser gerade ausreicht, einen Elektrodenstumpf aufzunehmen. In dem um den Elektrodenstumpf herum sich nach oben hin erweiternden Ringraum sind Kugeln angeordnet, die sich unter dem Eigengewicht der nach unten ziehenden Elektrode gegen die Seitenflächen der konischen Bohrung sowie gegen den Elektrodenstumpf verkeilen. Hierdurch wird die Elektrode eingeklemmt. Es ist nachteilig bei dieser Art der Elektrodenklemmung, dass der gesamte elektrische Strom über die Kugeln fliesst, wobei im extrem punktförmige Auflagestellen gebildet werden, welche sehr hohe Übergangswiderstände mit sich bringen. Ferner besteht die Gefahr, dass unter den mechanischen Beanspruchungen der Elektrode beispielsweise in Form von Vibrationen die Klemmung sich kurzfristig löst und der Elektrode erlaubt, ein kleines Stück nach unten zu rutschen. Eine Summierung derartiger kleiner Schritte könnte zur völligen Lösung der Elektrode aus der Klemmung führen.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Elektrode der vorausgesetzten Art so weiterzubilden, dass sich bei Einräumung der Möglichkeit eines schnellen und einfachen Lösens bzw. Anschliessens in bezug auf den Schaft und den Aktivteil eine sichere, den oberen, wassergekühlten Teil einer Kombinationselektrode und den unteren, aktiven Teil in engem, grossflächigen mechanischen sowie elektrischen Kontakt haltende Verbindungsmöglichkeit ergibt.
Diese Aufgabe wird bei einer Elektrode der erfindungsgemässen Art dadurch gelöst, dass Spannmittel vorgesehen sind, durch welche die Klemmbacken in axialer, den Aktivteil in Richtung auf den Metallschaft hinziehender Richtung bewegbar sind, und dass die Klemmbacken Schrägflächen aufweisen, mittels welcher bei Bewegung bzw. Druckbeaufschlagung der Klemmbacken in axialer Richtung, radiale, den Aktivteil einklemmende Bewegungs- bzw. Kraftkomponenten der Klemmbacken erzeugbar sind.
Die Erfindung geht davon aus, dass zum zuverlässigen Betrieb einer wassergekühlten Kombinations-Lichtbogenelektrode der mechanische und elektrische Kontakt der beiden Elektrodenabschnitte möglichst optimal sein sollte. Um diesen Optimalzustand mit einer schnellgängigen Lösung zum mechanischen Ver- und Entkoppeln der beiden Elektrodenteile zu verbinden, werden erfindungsgemäss die seitlich und unter Druck auf den aktiven Elektrodenteil einwirkenden Klemmeinrichtungen so gestaltet, dass bei ihrem Festziehen in radialer Richtung gleichzeitig eine Zugkraft in axialer Richtung erzeugt wird, und zwar derart, dass diese Zugkraft den aktiven Teil der Elektrode an den oberen Schaft anpresst, wodurch ein optimaler breitflächiger elektrischer Kontakt zwischen den beiden Berührungsflächen der Elektrodenteile zustande kommt. Erfindungsgemäss erfolgt dies durch die Verwendung einer mehrteiligen Klemmeinrichtung, welche beim Festklemmen aneinander abgleitende Schrägflächen aufweist, wobei ein Teil der Klemmeinrichtung, welcher eine Schrägfläche mit nach oben gerichteter Komponente umfasst, durch entsprechende Spannmittel nach oben gezogen wird. Hierdurch wird auf eine gegenüberliegende, eine nach unten gerichtete Komponente aufweisende Schrägfläche eines anderen Teils der Klemmeinrichtung sowohl eine radiale, je nach Orientierung nach innen oder aussen gerichtete, wie auch eine axial nach oben gerichtete Kraft übertragen. In Ausführungsbeispielen (Fig. 1, 2, 4 und 5), bei denen der Teil der Klemmeinrichtung mit einer, eine nach unten gerichtete Komponente aufweisenden Schrägfläche ortsfest angeordnet ist, werden die Radial- und Axialkräfte von dem gezogenen Teil der Klemmeinrichtung unter Abstützung auf den anderen, ortsfesten Teil direkt auf den Aktivteil übertragen.
Die axiale Zugkraft, welche auf den Teil der Klemmeinrichtung mit nach oben gerichteter Komponente der Schrägfläche ausgeübt wird, kann während des Betriebs der Elektrode beibehalten werden, um einen andauernden Kontakt zwischen den beiden Elektrodenteilen zu gewährleisten, wie dies beispielsweise in Fig. mittels der Spiralfeder 103 geschieht.
Die erfindungsgemässe Klemmvorrichtung erlaubt, insbesondere im Gegensatz zu den vorbekannten Konstruktionen, die mit Schraubnippeln arbeiten, ein einfaches und schnelles Lösen eines verbrauchten Aktivteils vom Schaft. Ein gleiches gilt für das Anbringen eines unverbrauchten Aktivteils am Schaft. Dadurch kann mit den erfindungsgemässen Elektroden rationell unter Einsparung erheblicher Rüstzeiten gearbeitet werden.
Nachdem es bei den erfindungsgemässen Elektroden nicht erforderlich ist, den Anschlussabschnitt der Aktivteile mit besonderen Konstruktionen zu versehen, ist es möglich, den Anschlussabschnitt der erfindungsgemässen Aktivteile ebenfalls ohne weiteres zu verbrauchen. Dadurch wird eine erhebliche Materialeinsparung bzw. eine hohe Materialausnutzung gegenüber den bekannten Lösungen erreicht.
Die erfindungsgemässe Konstruktion erlaubt es darüber hinaus, auch bei Hochleistungselektroden billigeres Material für die Aktivteile zu verwenden, als es derzeit für derartige Hochleistungselektroden eingesetzt wird. Für Hochleistungselektroden wird z.B. Grafit mit folgenden physikalischen Eigenschaften verwendet:
Es handelt sich hierbei um nachverdichtete Elektroden. Diese Elektroden sind z.B. bei einem Durchmesser von ca. 500 mm mit ca. 50 000 bis 55 000 A belastbar.
Unter Verwendung der erfindungsgemässen Lösung ist es möglich, Elektroden bei einem Durchmesser von ca. 400 mm mit ca. 50 000 bis 55 000 A zu belasten bei Einsatz eines Grafits mit folgenden physikalischen Eigenschaften:
Dabei handelt es sich um unverdichtete Grafitelektroden. Nachdem bei erfindungsgemässen Elektroden es im Gegensatz zum Stand der Technik nicht erforderlich ist, das obere Ende des Aktivteils mit einem besonderen Anschlussstück zu versehen, kann der Strom unmittelbar von den stromführenden Bauteilen des Schafts in den Aktivteil eingeleitet werden. Hierfür ist es lediglich erforderlich, Kontaktflächen der stromführenden Bauteile des Schafts in Anlage mit der oberen Stirnfläche des Aktivteils zu bringen. Bei den bekannten Konstruktionen war es hingegen in manchen Fällen erforderlich, an den Anschlussstükken der Aktivteile spezielle Kontaktflächen auszubilden (vgl. z. B. US-PS 3311 693), die diese Anordnungen noch weiter verteuerten. Die erfindungsgemässe Lösung erlaubt es deshalb auf erheblich vereinfachte Weise, die Stromzuführung zwischen den stromführenden Bauteilen des Schafts und dem Aktivteil und die Klemmvorrichtung zum mechanischen Verbinden der beiden Bauteile der Elektrode funktionell zu trennen. Dadurch ergeben sich besonders einfache und materialgerechte Ausbildungsmöglichkeiten sowohl für die elektrische Verbindung als auch die mechanische Verbindung zwischen Schaft und Aktivteil.
Zweckmässige Ausbildungen der erfindungsgemässen Lösung sind aus den übrigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Danach ergibt sich aufgrund der Trennung der mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen Schaft einerseits und Aktivteil andererseits und des unmittelbaren Angriffs der Klemmvorrichtung an dem Material des Aktivteils aufgrund dessen Druckbeanspruchung durch die Klemmkraft eine besonders grosse Fülle an konstruktiven Möglichkeiten.
So ist es möglich, die Klemmvorrichtung nicht nur mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch zu betätigen. Es ist vielmehr auch die Möglichkeit eingeräumt, dass die Klemmkraft zumindest im wesentlichen durch das Eigengewicht des Aktivteils erzeugt wird.
Ferner kann die Klemmvorrichtung ein separates Kühlsystem aufweisen oder an die Kühleinrichtung des Schafts angeschlossen sein.
Die Klemmvorrichtung kann darüber hinaus den Aktivteit in dessen oberem Bereich von innen und/oder aussen erfassen. Dabei muss nur die Massgabe eingehalten werden, dass die Klemmkraft das Material des Aktivteils im wesentlichen auf Druck beansprucht.
Nachdem erfindungsgemäss die Klemmvorrichtung unmittelbar auf den Aktivteil einwirkt, ist es lediglich erforderlich, den Aktivteil je nach Art der Klemmvorrichtung durch Ausbildung von Passstellen, Öffnungen, Ausnehmungen und Riefen abzustimmen. Die jeweilige Form des Anschlussbereichs des Aktivteils kann schon bei der Herstellung des Aktivteils als solchem erzeugt werden. Bei besonders vorteilhafter Lösung kann der Aktivteil in unveränderter Form bzw. sogar ohne an den Grundherstellungsprozess angeschlossene Nachbearbeitung eingesetzt werden.
Die Klemmvorrichtung kann mit Vorteil als Klemmhülse ausgebildet sein. Dabei sind zwei Möglichkeiten gegeben. Nach der einen Möglichkeit wird die Klemmkraft über die Aussenfläche der Klemmhülse auf den Aktivteil aufgebracht. Nach der anderen Möglichkeit erfolgt dies über die Innenfläche der Klemmhülse.
Für die Ausbildung der Klemmhülse stehen vorteilhafterweise mehrere Varianten zur Verfügung. Die Klemmhülse kann entweder einteilig ausgebildet und mit einem Längsschlitz versehen oder aus einer Anzahl von Segmenten zusammengesetzt sein.
Eine weitere konkrete Ausbildung der erfindungsgemässen Elektrode besteht darin, dass die Klemmvorrichtung den Aktivteil an dessen Mantelfläche erfasst, das stromführende Bauteil des Metallteils innerhalb der Klemmhülse der Klemmvorrichtung angeordnet ist und die Klemmhülse von einem Rohr umgeben ist, an dessen Innenseite Keilflächen angeordnet sind, die mit Keilflächen an der Klemmhülse zusammenwirken. Diese Ausführungsform weist in erster Linie den Vorteil auf, dass das die Klemmhülse umgebende Rohr nicht nur der Steuerung der Klemmhülse dient, sondern darüber hinaus die Gesamtanordnung wirksam gegen thermischen und mechanischen Angriff schützt, nachdem dieses Aussenrohr ohne weiteres entsprechend ausgebildet werden kann, indem dem Rohr eine ausreichende Wandstärke verliehen wird und die Aussenseite mit einer entsprechenden Beschichtung versehen wird. Dabei besteht ferner die Möglichkeit, über dieses Rohr auch das Kühlmedium den einzelnen Bauteilen des Schafts zuzuleiten, um das Rohr und diese Bauteile zu kühlen. Dadurch ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau dieser Ausbildungsform der erfindungsgemässen Elektrode.
Die angesprochene Konstruktion weist schliesslich auch erhebliche Vorteile in bezug auf die Gestaltung des Aktivteils auf. Nachdem die Klemmhülse unmittelbar an der Mantelfläche des Aktivteils angreift, bedarf der Aktivteil keiner speziellen Ausbildung für den Anschluss an die Klemmvorrichtung. Lediglich zur Erhöhung der Sicherheit kann es erforderlich sein, die Mantelfläche des Aktivteils mit einer Umfangsnut zu versehen, in die die Klemmvorrichtung eingreift, um dadurch die übertragbare Kraft zu erhöhen. Von besonderem Vorteil ist es, dass der Aktivteil anschlussseitig eine plane Stirnfläche aufweisen kann. Dadurch ist es möglich, die Anschlussseite des Aktivteils bereits mit einem Innengewinde-Sackloch für Schraubnippel zu versehen. Auf diese Weise kann der obere Abschnitt des derart ausgebildeten Aktivteils ohne weiteres dem Verbrauch zugeführt werden, indem dieser obere Abschnitt an das untere Ende eines einzusetzenden Aktivteils unter Verwendung eines Schraubnippels angeschlossen wird.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung innerhalb des stromzuführenden Bauteils des Schafts angeordnet ist und die Klemmhülse den Aktivteil an einem daran ausgebildeten Klemmzapfen erfasst. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Durchmesser des Schafts relativ klein gehalten werden kann, so dass der Aussendurchmesser des Schafts im wesentlichen dem Aussendurchmesser des Aktivteils entsprechen kann, was von erheblicher praktischer Bedeutung ist.
Die beschriebene Ausführungsform lässt eine Fülle von Möglichkeiten für die Betätigung der Klemmvorrichtung zu. Nach einer ersten Variante umfasst die Druckanordnung eine Druckhülse, die mit ihrer konischen Innenfläche an der entsprechend geformten konischen Aussenfläche der Klemmhülse anliegt. Eine zweite Ausführungsform besteht darin, dass die Druckanordnung einen pilzartig geformten Zugstössel umfasst, der mit seiner konischen Aussenfläche an einer entsprechend konisch geformten Innenfläche der Klemmhülse anliegt.
Die unmittelbar aneinanderliegenden Anschlussteile der Klemmvorrichtung einerseits und des Aktivteils andererseits können sowohl zylindrisch als auch konisch gestaltet werden. Bei einer konischen Gestaltung ergibt sich neben der kraftschlüssigen Verbindung auch eine teilweise formschlüssige Fixierung der Bauteile zueinander.
Falls besonders hohe Kräfte zwischen dem Schaft und dem Aktivteil übertragen werden müssen, empfiehlt es sich, neben der kraftschlüssigen Verbindung Mittel einzusetzen, die zur Erhöhung der Sicherheit einen Formschluss zwischen den zu verbindenden Teilen herstellen. Dies ist dadurch möglich, dass die wirksame Aussen- bzw. Innenfläche der Klemmhülse zusätzliche Vorsprünge aufweist, die in entsprechende Ausnehmungen am Aktivteil eingreifen. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Vorsprünge zur Bildung einer Einrastkupplung beim Aufschieben des Aktivteils auf die Klemmhülse radial nachgiebig gelagert sind,-was durch die Zuordnung von Federn zu den beweglichen Vorsprüngen erzielt werden kann.
Wie bereits eingangs betont, kann die Klemmvorrichtung auch hydraulisch oder pneumatisch gesteuert werden.
Nach einer ersten Ausführungsform weist hierfür die Druckanordnung der Klemmhülse hydraulisch bzw. pneumatisch axial bewegliche Keile auf. Diese Keile kombinieren Kraft- und Formschluss. Nach einer anderen Variante weist die Druckanordnung der Klemmhülse hydraulisch bzw. pneumatisch radial bewegliche Stössel auf, die auf die Klemmhülse zur Erzeugung der Klemmkraft entsprechend einwirken.
Bei einer Ausbildung der erfindungsgemässen Elektrode, bei der die Klemmvorrichtung das stromführende Bauteil des Schafts umgibt, ist es von besonderem Vorteil, dass das stromführende Bauteil als Vollstab ausgebildet werden kann, der an seinem unteren Ende in eine Kontaktplatte übergeht. Hierdurch kann das stromführende Bauteil besonders materialsparend hergestellt werden. Die Aussenseite des Vollstabs kann dabei von billigerem, eventuell mit einem Kühlsystem versehenen Material umgeben sein, um den stromführenden Vollstab vor Belastungen sowohl thermischer als auch mechanischer Natur zu schützen. Die Kontaktplatte ergibt zwischen dem stromführenden Bauteil des Schafts und dem Aktivteil eine grosse Kontaktfläche mit der Folge einer wirkungsvollen Stromübertragung an dieser Kontaktfläche. Hierzu empfiehlt es sich, dass der Aussendurchmesser der Kontaktplatte in etwa dem Aussendurchmesser des Aktivteils entspricht.
Nach der bereits angesprochenen anderen grundsätzlichen Konstruktionsvariante, bei welcher das stromführende Bauteil des Schafts als Rohr ausgebildet und die Klemmvorrichtung innerhalb dieses Rohrs angeordnet ist, ist es von Vorteil, dass der Aussendurchmesser des Rohrs in etwa dem Aussendurchmesser des Aktivteils entspricht.
Die Auslegung des Rohrs kann in jeder Hinsicht auf die mechanischen und elektrischen Erfordernisse der Gesamtanordnung optimiert werden. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigt:

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Elektrode in schematischer Darstellung der wesentlichen Bauteile,
Fig. 2 eine der Konstruktion nach Fig. 1 vergleichbare Anordnung, bei der jedoch das stromführende Bauteil des Schafts anders ausgebildet ist,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Elektrode in schematischer Darstellung eines Axialschnittes durch die wesentlichen Bauteile,
Fig. einen Axialschnitt durch eine weitere Konstruktionsvariante der erfindungsgemässen Elektrode, wobei die Ausbildung des Schaftes näher dargestellt ist,
Fig. 5 einen vergrösserten Axialschnitt durch die Klemmvorrichtung der Anordnung nach Fig. 4, und
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrode in schematischer Darstellung anhand eines Axialschnitts durch die wesentlichen Bauteile.

Nachdem der grundsätzliche Aufbau von einschlägigen Elektroden, bestehend aus einem metallischen, flüssigkeitsgekühlten oberen Schaft und einem ersetzbaren unteren Aktivteil aus sich verbrauchendem Material bekannt ist, beschränken sich die beigefügten Figuren und demgemäss auch deren Beschreibung auf die erfindungswesentlichen Bauteile. Nur in Fig. 4 ist der Vollständigkeit halber der Schaft einer einschlägigen Elektrode näher dargestellt.
Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Elektrode. Dabei umgibt die insgesamt mit 40 bezeichnete Klemmvorrichtung den insgesamt mit 1 bezeichneten Schaft. Die Klemmvorrichtung 40 umfasst eine Klemmhülse 41. Diese Klemmhülse 41 umgibt konzentrisch das Stromzuleitungsrohr 11 des Schafts 1. Sie weist an ihrem unteren Ende Klemmbacken 42 mit daran ausgebildeten Klemmflächen 42a auf. Die Klemmbacken 42 der Klemmhülse 41 können separate Elemente darstellen oder durch entsprechende Längsschlitze in der Klemmhülse 41 erzeugt sein. Es kommt lediglich darauf an, dass die Klemmbacken 42 radial beweglich sind.
Die Klemmhülse 41 ist konzentrisch umgeben von einem Rohr 43, an dessen Innenseite im Bereich der Klemmbacken 42 Keilflächen 43a angeordnet sind, die mit Keilflächen 42b der Klemmbacken 42 in noch näher zu schildernder Weise zusammenwirken. Am oberen Ende des Aktivteils 2 ist in der Mantelfläche eine Umfangsnut 24 ausgebildet, in die gemäss der Darstellung die Klemmbacken 42 mit ihren Klemmflächen 42a eingreifen können. Um dies zu ermöglichen, sind die Klemmhülse 41 und das äussere Rohr 43 axial relativ zueinander beweglich. Werden die Klemmhülse 41 und das Rohr 43 auseinanderbewegt, gelangen die Klemmflächen 42b und 43a ausser Eingriff, wodurch sich die Klemmbacken 42 radial nach aussen bewegen können. In dieser Stellung der Klemmbacken 42 kann das obere Ende des Aktivteils 2 zwischen diese eingeschoben werden. Beim Zusammenschieben der Klemmhülse 41 und des Rohrs 43 gelangen die Klemmflächen 42b und 42a in Eingriff, wodurch die Klemmbacken 42 radial nach innen bewegt werden, bis ihre Klemmflächen 42b in Anlage mit der oberen Wandungsfläche der Umfangsnut 24 des Aktivteils 2 gelangen. Danach werden die Klemmhülse 41 und das Rohr 43 gemeinsam nach oben bewegt, wodurch die stirnseitige Kontaktfläche 23 des Aktivteils 2 mit der Kontaktfläche 14 des Stromzuleitungsrohrs 11 in elektrisch leitende Berührung gelangt.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 in erster Linie dadurch, dass das stromführende Bauteil des Schafts 1 anders ausgebildet ist als bei den vorhergehenden Konstruktionen. Es ist nämlich als Vollstab 15 ausgebildet, der an seinem unteren Ende in eine Kontaktplatte 16 übergeht, Dabei entspricht der Aussendurchmesser der Kontaktplatte 16 in etwa dem Aussendurchmesser des Aktivteils 2. Dadurch ist nicht nur eine sehr materialsparende Ausbildung des stromführenden Bauteils des Schafts 1 erreicht, sondern auch eine grosse Kontaktfläche zwischen der Kontaktplatte 16 und der diesbezüglichen Stirnfläche 23 des Aktivteils 2 erzielt. Zum Schutz des Vollwandstabs 15 gegenüber thermischen und mechanischen Einflüssen kann dieses von einem eventuell gekühlten Schutzrohr 17 aus einem billigeren Material als dem des stromführenden Bauteils 15, 16 umgeben sein.
In der Figur 1 ist angedeutet, dass das Aktivteil 2 aus mehreren Abschnitten bestehen kann, von denen jeweils zwei benachbarte mittels eines Schraubnippels 25 miteinander verbunden sind.
Der oberste Abschnitt des Aktivteils 2, der als Art Adapter anzusehen ist und die Umfangsnut 24 besitzt, weist an seiner oberen Stirnseite ein mit einem Innengewinde versehene Sackbohrung 26 auf, die zur Aufnahme eines Schraubnippels 25 geeignet ist. Auf diese Weise kann dieser Abschnitt des Aktivteils, falls er nicht mehr als Adapter geeignet ist, als zu verbrauchender Abschnitt an den Aktivteil 2 angeschlossen und dann verbraucht werden, wodurch kein Material verloren geht.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen Anordnungen, bei denen die jeweilige Klemmvorrichtung innerhalb des stromleitenden Rohrs 11 des Schafts 1 angeordnet ist.
Nach Fig. 3 besteht die innerhalb des Stromzuleitungsrohrs 11 liegende, insgesamt mit 50 bezeichnete Klemmvorrichtung aus einer Klemmhülse 51 und einer konzentrisch diese umgebenden Druckhülse 52. Diese Druckhülse 52 weist eine konische Innenfläche 53 auf, die an der entsprechend geformten konischen Aussenfläche der Klemmhülse 51 anliegt. Durch eine entsprechende Relativbewegung zwischen der Klemmhülse 51 und der Druckhülse 52 können die Backen der Klemmhülse radial nach aussen bzw. nach innen bewegt werden. Zum Zusammenwirken mit dieser Klemmvorrichtung weist der Aktivteil an seinem oberen Ende einen konisch sich zum freien Ende vergrössernden Klemmzapfen 27 auf, der bei auseinandergefahrenen Backen der Klemmhülse zwischen diese eingeschoben wird, worauf durch eine entsprechende Relativbewegung zwischen der Klemmhülse 51 und der Druckhülse 52 die Backen der Klemmhülse 51 in Klemmanlage an den Klemmzapfen 27 gebracht werden. Daran anschliessend werden Klemmhülse 51 und Druckhülse 52 gemeinsam axial nach oben bewegt, um die Kontaktfläche 23 des Aktivteils 2 mit der Kontaktfläche 14 des Stromzuleitungsrohrs 11 in elektrisch leitende Verbindung zu bringen.
Die Fig. 4 betrifft eine Anordnung, bei der die insgesamt mit 60 bezeichnete Klemmvorrichtung im wesentlichen der Klemmvorrichtung gemäss Fig. entspricht. Jedoch sind in der Fig. 4 näher erläutert die Ausbildung des Schafts 1 und die Steuerung der Klemmvorrichtung 60. Die Klemmvorrichtung 60 umfasst eine Klemmhülse 61, die mit einem Betätigungselement 62 verbunden ist. Die Klemmhülse 61 und das Betätigungselement 62 sind konzentrisch von einem Druckrohr 63 umgeben, an dessen Innenfläche im Bereich der Klemmhülse 61 eine konische Klemmfläche 64 angeformt ist. Durch eine entsprechende Relativbewegung zwischen der Klemmhülse 61 und der konischen Klemmfläche 64 werden die Backen der Klemmhülse 61 radial bewegt. Im vorliegenden Fall ist die Druckhülse 63 mit der konischen Klemmfläche 64 ortsfest angeordnet, indem die Druckhülse 63 unter Zwischenschaltung einer elektrischen Isolierung in das StromzuleitungsRohr 11 eingepasst ist.
Die Klemmhülse 61 wird axial über das Betätigungselement 62 bewegt. An dem der Klemmhülse 61 entgegengesetzten Ende des Betätigungselements 62 ist eine mechanisch-hydraulische Betätigungseinrichtung angeordnet, die insgesamt mit 100 bezeichnet ist. Diese besteht aus einem Zylinder 101, in dem ein Kolben 102 verschieblich gelagert ist. Dieser Kolben 102 ist mit der Zugstange 62 verbunden. Zwischen dem Kolben 102 und einem ortsfesten Anschlag des Zylinders 101 ist eine Feder 103 derart verspannt, dass diese stets das Betätigungselement 62 und mit dieser über die Klemmhülse 61 den Aktivteil 2 nach oben zu ziehen trachtet. Zum Lösen des Aktivteils 2 aus der Klemmvorrichtung 16 ist es lediglich notwendig, die obere Seite des Kolbens 102 mit einem über die Leitung 104 von einer nicht dargestellten Quelle zugeführten hydraulischen oder pneumatischen Medium zu beaufschlagen, wodurch das Betätigungselement 62 nach unten bewegt wird, so dass sich die Backen der Klemmhülse 61 radial nach aussen bewegen können. Dadurch kommt der Klemmzapfen 27 des Aktivteils 2 von der Klemmhülse 61 frei. In dieser Stellung der Anordnung kann der Klemmzapfen 27 eines unverbrauchten Aktivteils 2 in die Klemmhülse 61 eingeschoben werden. Danach wird die Anordnung zum Klemmen des neuen Aktivteils 2 wieder nach oben bewegt. Hierdurch gelangt auch die Kontaktfläche 23 des Aktivteils 2 in elektrisch leitende Anlage an der Kontaktfläche 14 des Stromzuleitungsrohrs 11.
Wie sich aus der Fig. 4 ferner ergibt, ist der in den Ofen eindringende Abschnitt des Schafts 1 aussenseitig durch eine Beschichtung 18 geschützt. Diese Beschichtung 18 besteht aus einem geeigneten Material, das den herrschenden thermischen und mechanischen Beanspruchungen widersteht.
Die Elektrode wird in einer Durchführung im Deckel des Ofens durch eine am Schaft 1 angreifende Haltevorrichtung gehalten, die insgesamt mit 200 bezeichnet ist. Diese Halteeinrichtung 200 kann in beliebiger und deshalb nicht näher zu beschreibender Weise ausgebildet sein.
Die Fig. 5 zeigt die Klemmvorrichtung 60 gemäss Fig. 4 im Detail. Aus der Fig. 5 ergibt sich, dass die Druckhülse 63 selbst aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet sein kann, so dass die Druckhülse 63 unmittelbar an dem Stromzuleitungsrohr anliegen kann. Die konische Klemmfläche 64 ist als separates Bauteil ausgebildet und auf geeignete Weise mit der Druckhülse 63 verbunden.
Bei der Ausführungsform nach der Fig. 6 liegt die insgesamt mit 70 bezeichnete Klemmvorrichtung ebenfalls innerhalb des StromzuleitungsRohrs 11 des Schafts 1, greift aber im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Konstruktion in ein entsprechend geformtes Sackloch 21 mit einer hinterschnittenen Klemmfläche 22 im Aktivteil 2 ein. Die Klemmvorrichtung 70 weist hierzu ein an seinem Ende pilzartig geformtes Betätigungselement 71 auf, das axial beweglich ist. Die Klemmhülse 72 befindet sich an dem unteren Ende eines ortsfesten Rohrs 73, das gegenüber dem Stromzuleitungs-Rohr 11 des Schafts 1 durch Zwischenschaltung einer Isolierung oder aufgrund der Ausbildung aus einem Isoliermaterial elektrisch getrennt ist. Beim Bewegen des Betätigungselements 71 nach oben werden die Klemmbacken der Klemmhülse 72 radial nach aussen bewegt, während beim Bewegen des Betätigungselements 71 nach unten die Klemmbacken der Klemmhülse 72 radial nach innen beweglich sind. In der radial nach innen bewegten Stellung der Klemmbacken der Klemmhülse 72 kann die Klemmvorrichtung 70 in das Sackloch 21 des Aktivteils 2 eingefahren werden. Danach wird das Betätigungselement 71 nach oben gefahren, so dass sich die Klemmbakken der Klemmhülse 72 nach aussen bewegen, wodurch die Klemmflächen 74 der Klemmhülse 72 die hinterschnittene Klemmfläche 22 des Sacklochs 21 des Aktivteils 2 hintergreifen. Danach wird das Betätigungselement 71 soweit nach oben gefahren, bis die Kontaktfläche 23 des Aktivteils 2 mit der Kontaktfläche 14 des StromzuleitungsRohrs 11 des Schafts 1 in Anlage gelangt, um auf diese Weise die elektrische Verbindung zwischen dem stromführenden Bauteil des Schafts 1 und dem Aktivteil 2 herzustellen.
Bei den beschriebenen Klemmvorrichtungen ist das Hauptaugenmerk darauf gerichtet, dass die von der jeweiligen Klemmvorrichtung unmittelbar auf das Aktivteil ausgeübte Klemmkraft das Material des Aktivteils im wesentlichen auf Druck beansprucht. Natürlich wird in üblicher Weise der Aktivteil aufgrund seines Eigengewichts auf Zug beansprucht.
Die stromführenden Bauteile der Anordnung bestehen aus einem geeigneten elektrisch leitenden Werkstoff, wie z. B. Kupfer bzw. einer entsprechenden Metallegierung. Sowohl die stromführenden als auch die anderen Bauteile des Schafts werden entsprechend gekühlt und durch Beschichtungen gegen thermische und mechanische Überbeanspruchungen gesichert. Die angewendeten Gleichführungen zwischen den einzelnen Bauteilen können mit Grafit oder ähnlichen hochtemperaturfesten Schmiermaterialien beschichtet oder belegt sein, um gute Gleitverhältnisse auch bei hohen Temperaturen und starken mechanischen Beanspruchungen zu gewährleisten. Die angesprochenen Beschichtungen bestehen zweckmässigerweise aus hochtemperaturfesten, keramischen Materialien. Die Aktivteile bestehen in erster Linie aus Grafit.

Claims

1. Elektrode für Lichtbogenschmelzöfen, insbesondere zur Elektrostahlherstellung, bestehend aus einem metallischen, flüssigkeitsgekühlten oberen Schaft und einem ersetzbaren unteren Aktivteil aus sich verbrauchendem Material, insbesondere Graphit, wobei die Verbindung zwischen dem oberen Schaft und dem Aktivteil mittels einer, Klemmbacken (42; 51; 61; 72; 302) aufweisenden Klemmvorrichtung (40; 50; 60; 70; 300) erfolgt, welche den Metallschaft und den Aktivteil zusammenhält, dadurch gekennzeichnet, dass Spannmittel (41; 52; 62; 71; 301) vorgesehen sind, durch welche die Klemmbacken in axialer, den Aktivteil in Richtung auf den Metallschaft hinziehender Richtung bewegbar sind, und dass die Klemmbacken Schrägflächen aufweisen, mittels welcher bei Bewegung bzw. Druckbeaufschlagung der Klemmbacken in axialer Richtung, radiale, den Aktivteil einklemmende Bewegungs- bzw. Kraftkomponenten der Klemmbacken erzeugbar sind.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung mechanisch betätigt ist.

3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung pneumatisch bzw. hydraulisch betätigt ist.

4. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkraft durch das Eigengewicht des Aktivteils erzeugt wird.

5. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung ein separates Kühlsystem aufweist oder an die Kühleinrichtung des Schafts angeschlossen ist.

6. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung den Aktivteil in dessen oberem Bereich von innen und/oder aussen erfasst.

7. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivteil auf die Klemmvorrichtung durch die Ausbildung von Passstellen, Öffnungen, Ausnehmungen und Riefen abgestimmt ist.

8. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung eine Klemmhülse umfasst, deren mit dem Aktivteil in Verbindung stehende wirksame Aussenfläche durch eine Druckanordnung ausweitbar ist.

9. Elektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung eine Klemmhülse umfasst, deren mit dem Aktivteil in Verbindung stehende wirksame Innenfläche durch eine Druckanordnung einschnürbar ist.

10. Elektrode nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmhülse einteilig ausgebildet ist und zumindest einen Längsschlitz aufweist.

11. Elektrode nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmhülse aus einer Anzahl von Segmenten zusammengesetzt ist.

12. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung (40) den Aktivteil (2) an dessen Mantelfläche erfasst, das stromführende Bauteil (11) des Schafts (1) innerhalb der Klemmhülse (42) der Klemmvorrichtung (40) angeordnet ist und die Klemmhülse (42) von einem Rohr (43) umgeben ist, an dessen Innenseite Keilflächen (43a) angeordnet sind, die mit Keilflächen (42a) an der Klemmhülse (42) zusammenwirken.

13. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung (50; 60) innerhalb des stromzuführenden Bauteils (11) des Schafts (1) angeordnet ist und die Klemmhülse (51; 61) den Aktivteil (2) an einem daran ausgebildeten Klemmzapfen (27) erfasst.

14. Elektrode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckanordnung eine Druckhülse (52; 63) umfasst, die mit ihrer konischen Innenfläche (53; 64) an der entsprechend geformten konischen Aussenfläche der Klemmhülse (51; 61) anliegt.

15. Elektrode nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckanordnung ein pilzartig geformtes Betätigungselement (71) umfassst, das mit seiner konischen Aussenfläche an einer entsprechend konisch geformten Innenfläche der Klemmhülse (72) anliegt.

16. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Aussen- bzw. Innenfläche der Klemmhülse zur Bildung einer formschlüssigen Verbindung mit dem Aktivteil zylindrisch gestaltet ist.

17. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Innen- bzw. Aussenfläche der Klemmhülse zur Bildung einer form- und kraftschlüssigen Verbindung konisch gestaltet ist.

18. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Aussen- bzw. Innenfläche der Klemmhülse zur Herstellung einer zur kraftschlüssigen Verbindung zusätzlichen formschlüssigen Verbindung Vorsprünge aufweist.

19. Elektrode nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge zur Bildung einer Einrastkupplung beim Aufschieben des Aktivteils auf die Klemmhülse radial nachgiebig gelagert sind.

20. Elektrode nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge unter Federkraft stehen.

21. Elektrode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckanordnung der Klemmhülse hydraulisch bzw. pneumatisch axial bewegliche Keile aufweist.

22. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Klemmvorrichtung das stromführende Bauteil des Schafts umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das stromführende Bauteil als Vollstab (15) ausgebildet ist, der an seinem unteren Ende in eine Kontaktplatte (16) übergeht.

23. Elektrode nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussendurchmesser der Kontaktplatte (16) in etwa dem Aussendurchmesser des Aktivteils (2) entspricht.

24. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das stromführende Bauteil des Schafts als Rohr ausgebildet und die Klemmvorrichtung innerhalb des Rohrs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussendurchmesser des Rohrs (11) in etwa dem Aussendurchmesser des Aktivteils (2) entspricht.