EP0334007A1 - Method for reducing the consumption of graphite electrodes - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for reducing the burn-up of graphite electrodes in their use in an electric arc furnace by coating the lateral surface with an oxidation-resistant protective layer.
- the graphite electrodes used in arc furnaces, particularly for the production of steel, suspended above the furnace lid on a supporting device, are heated to temperatures at which carbon with the oxygen of the surrounding air is heated by the heat energy generated in the arc and the development of Joule heat inside the electrodes Carbon oxides reacts.
- the reactions which are referred to simply as burn-up, are not limited to the lateral surface of the cylindrical electrode, but extend below about 1000 ° C. almost over the entire volume of the electrode accessible through the pore system.
- the burning of the lateral surface causes a reduction in the diameter of the electrode, the burning in the interior of the electrode also a substantial disruption of the structure, whereby smaller structural elements are loosened and splintered.
- Electrode consumption could be reduced by up to 15% through the cooling process in some furnaces, in other furnaces the consumption reduction was much lower, in some cases even the amount of mantle erosion increased.
- causes of the different results are probably instabilities of the water films and steam mantles, triggered for example by thermal convection currents, and the adsorption of water in the pore system of the graphite electrode. The adsorbed water reacts with the carbon at higher temperatures and produces the sponge-like soft zones typical of wet electrodes.
- the invention has for its object to produce on the lateral surface of graphite electrodes by simple technical means an oxidation-resistant protective layer, which protects the electrode under all loads in the electric arc furnace effectively against the attack of atmospheric oxygen.
- the object is achieved by a method of the type mentioned above in that the aqueous solution of at least one, at elevated temperature glassy films forming salt is sprayed onto the lateral surface of the electrode below the contact jaws.
- Graphite electrodes are at room temperature in the solution immersed one or more salts or the solution is applied by brushing or spraying on the lateral surface. The electrodes are then dried and heated to about 500 to 600 ° C, the heating rate is about 60 to 600 K / h. This forms a water-insoluble, firmly anchored in the pores oxidation resistant film.
- the coating solution to the lateral surface, it is expedient to use one or more nozzle rings, which are fastened to the electrode holder underneath the contact jaws and enclose the electrode strand. After each of the above-described displacement of the electrode strand in the axial direction, the free portion of the electrode is sprayed between the contact shoe and furnace cover with the coating solution, wherein the duration of the coating depends on the growth of the protective layer.
- Suitable coating agents are in principle all salts which are soluble in water and, after evaporation of the solvent at elevated temperatures, form closed films which are resistant to oxidation and impermeable to fluids.
- suitable salts are the abovementioned phosphates, borates and silicates.
- the aqueous coating solution should contain about 15 to 25% monoaluminum phosphate, and to form a closed, graphite electrode protective layer it is desirable to use 300 to 500 g / m2 of monoaluminum phosphate, which corresponds to about 1 to 3 liters / m2 of coating solution.
- the method enables the coating of graphite electrodes with simple means, as used in the water cooling of the electrode sheath, and the production of layers, which have a much better protective effect than the "water layers".
- the application of the method is not limited to graphite electrodes, but also extends to carbon electrodes, which are mainly used in thermal reduction furnaces.
- the sprayed amount of monoaluminum phosphate was about 400 g / m2.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Abbrands von Graphitelektroden bei ihrer Verwendung in einem Lichtbogenofen durch Beschichten der Mantelfläche mit einer oxidationsbeständigen Schutzschicht.The invention relates to a method for reducing the burn-up of graphite electrodes in their use in an electric arc furnace by coating the lateral surface with an oxidation-resistant protective layer.
Die in Lichtbogenöfen, besonders zur Erzeugung von Stahl, eingesetzten, oberhalb des Ofendeckels an einer Tragevorrichtung aufgehängten Graphitelektroden, werden durch die im Lichtbogen erzeugte Wärmeenergie und die Entwicklung Joulscher Wärme innerhalb der Elektroden auf Temperaturen erhitzt, bei denen Kohlenstoff mit dem Sauerstoff der umgebenden Luft zu Kohlenoxiden reagiert. Die kurz als Abbrand bezeichneten Reaktionen sind nicht auf die Mantelfläche der zylindrischen Elektrode beschränkt, sondern erstrecken sich unterhalb etwa 1000 °C fast über das ganze,durch das Porensystem zugängliche Volumen der Elektrode. Der Abbrand der Mantelfläche bewirkt eine Verringerung des Elektrodendurchmessers, der Abbrand im Inneren der Elektrode auch eine weitgehende Zerrüttung des Gefüges, wodurch kleinere Gefügeelemente gelockert und abgesplittert werden. Insgesamt beträgt der unmittelbare und mittelbare Abbrandverlust rund 50 % des auf den erzeugten Stahl bezogenen spezifischen Elektrodenverbrauchs von etwa 3 bis 6 kg/t Stahl. Bereits kurze Zeit nach Aufnahme der Elektrostahlerzeugung versuchte man den Mantelabbrand durch Überziehen des Elektrodenmantels mit oxidationsbeständigen Schutzschichten wenigstens zu verringern. Durch die US-PS 1 000 761 ist es beispielsweise bekannt, die Mantelfläche mit Substanzen zu beschichten, die beim Erhitzen der Elektrode einen dichten glasartigen Film bilden. Zur Herstellung des Films wurden Alkali- und Erdalkalisalze in Verbindung mit Flußmitteln, wie Borax, verwendet. Ein wesentlicher Nachteil dieser Filme ist ihr großer elektrischer Widerstand. Sie eignen sich daher nicht für Elektroden, z.B. für Lichtbogen-, Schmelz- oder Reduktionsöfen, bei denen der elektrische Strom über Kontaktbacken zugeführt wird, die am Elektrodenmantel anliegen. Für diese Elektroden sind deshalb metallische Schutzschichten vorgeschlagen worden, die den elektrischen Strom gut leiten, deren Temperaturbeständigkeit aber häufig nicht ausreicht. Eine bessere thermische Beständigkeit erreicht man durch Einarbeiten keramischer Füllstoffe in eine metallische Matrix (DE-PS 12 71 007) oder auch durch Verwendung von Silicium als Beschichtungsmaterial, das durch Plasmaspritzen im Vakuum aufgebracht wird (DE-OS 34 46 286). Metallische Schutzschichten haben den Nachteil, daß sie leicht mit den aus Kupfer bestehenden gekühlten Kontaktbacken verschweißen oder fritten und die Kontakte beschädigt oder zerstört werden. Zur Vermeidung der Schäden sind besondere graphithaltige Schlichten vorgeschlagen worden, die man auf die Kontaktbacken oder die metallisierte Mantelfläche der Elektrode aufträgt (DE-OS 30 28 348, DE-OS 32 15 831).The graphite electrodes used in arc furnaces, particularly for the production of steel, suspended above the furnace lid on a supporting device, are heated to temperatures at which carbon with the oxygen of the surrounding air is heated by the heat energy generated in the arc and the development of Joule heat inside the electrodes Carbon oxides reacts. The reactions, which are referred to simply as burn-up, are not limited to the lateral surface of the cylindrical electrode, but extend below about 1000 ° C. almost over the entire volume of the electrode accessible through the pore system. The burning of the lateral surface causes a reduction in the diameter of the electrode, the burning in the interior of the electrode also a substantial disruption of the structure, whereby smaller structural elements are loosened and splintered. Overall, the direct and indirect erosion loss is around 50% of the total produced steel specific electrode consumption of about 3 to 6 kg / t steel. Already a short time after the electrical steel production was started, it was attempted to at least reduce the jacket erosion by coating the electrode jacket with oxidation-resistant protective layers. It is known, for example, from US Pat. No. 1,006,761 to coat the lateral surface with substances which form a dense vitreous film when the electrode is heated. To prepare the film, alkali and alkaline earth salts were used in conjunction with fluxes such as borax. A major disadvantage of these films is their high electrical resistance. They are therefore not suitable for use with electrodes, for example for arc furnaces, melting furnaces or reduction furnaces, in which the electric current is supplied via contact jaws which rest against the electrode jacket. Therefore metallic protective layers have been proposed for these electrodes, which conduct the electric current well, but their temperature resistance is often insufficient. A better thermal resistance can be achieved by incorporating ceramic fillers in a metallic matrix (DE-PS 12 71 007) or by using silicon as a coating material which is applied by plasma spraying in a vacuum (DE-OS 34 46 286). Metallic protective layers have the disadvantage that they are easily welded or fritted with the cooled contact pads made of copper and the contacts are damaged or destroyed. To avoid the damage, special graphite-containing sizes have been proposed, which are applied to the contact jaws or the metallized lateral surface of the electrode (DE-OS 30 28 348, DE-OS 32 15 831).
Es ist schließlich auch bekannt, glasartige, keramische Schichten ausschließlich unterhalb der Kontaktbacken auf den Elektrodenmantel aufzutragen. Die aus mehreren miteinander verschraubten Abschnitten bestehende Graphitelektrode wird beim Betrieb des Lichtbogenofens verbraucht, außer durch Mantelabbrand vor allem durch Spitzenverluste, die eine Verkürzung des Elektrodenstrangs bewirken. Zum Ausgleich der Verkürzung werden periodisch neue Elektrodenabschnitte auf den Elektrodenstrang aufgeschraubt und die Tragvorrichtungen mit den Kontaktbacken um diesen Betrag in axialer Richtung versetzt. Auf die unbeschichtete Mantelfläche der Elektrode unterhalb der Kontaktbacken kann dann eine feuerfeste, oxidationsbeständige Beschichtung aufgetragen werden, die ein elektrischer Isolator sein kann (DE-PS 576 938, EP-OS 0 070 100). Diese Art der Beschichtung wird durch die hohen Temperaturen am Ofen erheblich erschwert, so daß es zur Erzeugung einer geschlossenen Schicht mit ausreichender Haftfestigkeit eines großen technischen Aufwands bedarf (EP-OS 0 200 983). Es ist schließlich vorgeschlagen worden, die Oberfläche der Elektrode zwischen Kontaktbacke und Ofendeckel direkt mit Wasser zu kühlen (Metal Bulletin Monthly, Nr. 204, Dez. 1987, S. 56). Bei diesem Verfahren wird der Elektrodenmantel mit Wasser berieselt, das über einen am Elektrodenhalter befestigten Düsenring zugeführt wird. Die Schutzwirkung beruht auf Kühlung der Elektrodenoberfläche unter der kritischen Reaktionstemperatur und der Bildung eines den Luftzutritt behindernden Dampfmantels. Der Elektrodenverbrauch konnte durch das Kühlverfahren in einigen Öfen um bis zu 15 % vermindert werden, in anderen Öfen war die Verbrauchsminderung wesentlich geringer, z.T. nahm der Mantelabbrand sogar zu. Ursachen der unterschiedlichen Ergebnisse sind vermutlich Instabilitäten des Wasser films und Dampfmantels, ausgelöst etwa durch thermische Konvektionsströmungen, und die Adsorption von Wasser im Porensystem der Graphitelektrode. Das adsorbierte Wasser reagiert bei höheren Temperaturen mit dem Kohlenstoff und es entstehen die für feuchte Elektroden typischen schwammartigen weichen Zonen.Finally, it is also known to apply vitreous, ceramic layers exclusively underneath the contact jaws onto the electrode jacket. The graphite electrode consisting of several screwed-together sections is consumed during operation of the arc furnace, except by Mantelabbrand especially by peak losses, which cause a shortening of the electrode strand. To compensate for the shortening new electrode sections are periodically screwed onto the electrode strand and offset the support devices with the contact jaws by this amount in the axial direction. On the uncoated surface of the electrode below the contact pads then a refractory, oxidation-resistant coating can be applied, which may be an electrical insulator (DE-PS 576 938, EP-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Mantelfläche von Graphitelektroden mit einfachen technischen Mitteln eine oxidationsbeständige Schutzschicht herzustellen, die die Elektrode bei allen Belastungen im Lichtbogenofen wirksam gegen den Angriff von Luftsauerstoff schützt.The invention has for its object to produce on the lateral surface of graphite electrodes by simple technical means an oxidation-resistant protective layer, which protects the electrode under all loads in the electric arc furnace effectively against the attack of atmospheric oxygen.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß auf die Mantelfläche der Elektrode unterhalb der Kontaktbacken die wässerige Lösung wenigstens eines, bei erhöhter Temperatur glasartige Filme bildenden Salzes gesprüht wird.The object is achieved by a method of the type mentioned above in that the aqueous solution of at least one, at elevated temperature glassy films forming salt is sprayed onto the lateral surface of the electrode below the contact jaws.
Das Beschichten von Kohlenstoff- und Graphitkörpern mit filmbildenden wässerigen Salzlösungen und das Tempern der Schichten zur Entwicklung von oxidationsbeständigen Filmen sind an sich bekannt. Eine gute Schutzwirkung haben beispielsweise aus Aluminiumphosphat-Lösungen hergestellte Schutzschichten oder Filme (US-PS 2 685 539). Auch andere lösliche Phosphate, wie Zinkphosphat, Magnesiumphosphat, Eisenphosphat, Kupferphosphat, Kaliumphosphat und Manganphosphat bilden allein oder in Gemischen auf Kohlenstoff- und Graphitkörpern oxidationsbeständige Schutzschichten (EP-OS 0 223 205). Es ist auch bekannt, Borat- oder Silicat-haltige wässerige Lösungen für diesen Zweck zu verwenden (US-PS 1 000 761). Graphitelektroden werden bei Raumtemperatur in die Lösung eines oder mehrerer Salze getaucht oder die Lösung wird durch Bürsten oder Spritzen auf die Mantelfläche aufgebracht. Die Elektroden werden dann getrocknet und auf etwa 500 bis 600 °C erhitzt, wobei die Erhitzungsgeschwindigkeit ca. 60 bis 600 K/h beträgt. Dabei bildet sich ein wasserunlöslicher, fest in den Poren verankerter oxidationsbeständiger Film.The coating of carbon and graphite bodies with film-forming aqueous salt solutions and the annealing of the layers for the development of oxidation-resistant films are known per se. For example, protective layers or films made from aluminum phosphate solutions have a good protective effect (US Pat. No. 2,685,539). Other soluble phosphates, such as zinc phosphate, magnesium phosphate, iron phosphate, copper phosphate, potassium phosphate and manganese phosphate form oxidation-resistant protective coatings alone or in mixtures on carbon and graphite bodies (EP-OS 0,223,205). It is also known to use borate or silicate-containing aqueous solutions for this purpose (US Pat. No. 1,006,761). Graphite electrodes are at room temperature in the solution immersed one or more salts or the solution is applied by brushing or spraying on the lateral surface. The electrodes are then dried and heated to about 500 to 600 ° C, the heating rate is about 60 to 600 K / h. This forms a water-insoluble, firmly anchored in the pores oxidation resistant film.
Als wichtige Voraussetzung für die Bildung eines festhaftenden glasartigen Films galt bisher das sorgfältige Tempern oder "Härten" der aufgetragenen Beschichtungslösung. Es wurde nun überraschend gefunden, daß sich stabile Schutzschichten auch bei sehr großer Erhitzungsgeschwindigkeit bilden und auch dann, wenn die wässerige Beschichtungslösung auf die heiße Mantelfläche der Elektrode aufgebracht wird. Die Manteltemperatur beträgt in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Lichtbogenofens unterhalb der Kontaktbacken und oberhalb des Ofendeckels etwa 400 bis 700 °C, so daß das Lösemittel der Beschichtungslösung beim Auftreffen auf den Mantel innerhalb einiger Sekunden verdampft. Trotz der schnellen Verdampfung des Lösemittels bildet sich eine geschlossene, auf der Mantelfläche der Elektrode festhaftende Schicht aus.An important prerequisite for the formation of a firmly adhering glassy film so far was the careful tempering or "hardening" of the applied coating solution. It has now surprisingly been found that stable protective layers form even at very high heating rates and even when the aqueous coating solution is applied to the hot surface of the electrode. The jacket temperature is depending on the operating conditions of the arc furnace below the contact jaws and above the furnace cover about 400 to 700 ° C, so that the solvent of the coating solution evaporates when hitting the jacket within a few seconds. Despite the rapid evaporation of the solvent, a closed, adherent to the outer surface of the electrode layer forms.
Zum Aufbringen der Beschichtungslösung auf die Mantelfläche verwendet man zweckmäßig einen oder mehrere Düsenringe, die unterhalb der Kontaktbacken am Elektrodenhalter befestigt sind und den Elektrodenstrang umschließen. Nach jeder der oben beschriebenen Versetzung des Elektrodenstrangs in axialer Richtung wird der freie Abschnitt der Elektrode zwischen Kontaktbacke und Ofendeckel mit der Beschichtungslösung besprüht, wobei die Dauer der Beschichtung vom Aufwachsen der Schutzschicht abhängt.To apply the coating solution to the lateral surface, it is expedient to use one or more nozzle rings, which are fastened to the electrode holder underneath the contact jaws and enclose the electrode strand. After each of the above-described displacement of the electrode strand in the axial direction, the free portion of the electrode is sprayed between the contact shoe and furnace cover with the coating solution, wherein the duration of the coating depends on the growth of the protective layer.
Wichtige Parameter, die man zweckmäßig durch einfache Vorversuche bestimmt, sind Manteltemperatur, Porosität der Elektrode, Salzkonzentration in der Lösung und der Massestrom. Es ist auch möglich, die Beschichtungslösung über die gesamte Verweilzeit des Elektrodenabschnitts auf den Mantel aufzutragen. Eine größere, die Wechselfestigkeit der Schicht möglicherweise beeinträchtigende Schichtdicke vermeidet man dabei durch Verwendung von Lösungen mit geringerer Salzkonzentration. Als Beschichtungsmittel sind grundsätzlich alle Salze geeignet, die in Wasser löslich sind und nach Verdampfen des Lösemittels bei höheren Temperaturen geschlossene Filme bilden, die oxidationsbeständig und für Fluide undurchlässig sind. Beispiele geeigneter Salze sind die obengenannten Phosphate, Borate und Silicate. Besonders vorteilhaft ist wegen der einfachen Handhabung und der Qualität der gebildeten Schutzschicht Monoaluminiumphosphat - Al(H₂PO₄)₃. Die wässerige Beschichtungslösung sollte etwa 15 bis 25 % Monoaluminiumphosphat enthalten und zur Ausbildung einer geschlossenen, die Graphitelektrode schützende Schicht braucht man zweckmäßig 300 bis 500 g/m² Monoaluminiumphosphat, was etwa 1 bis 3 l/m² Beschichtungslösung entspricht.Important parameters that are suitably determined by simple preliminary tests are jacket temperature, porosity of the electrode, salt concentration in the solution and the mass flow. It is also possible to apply the coating solution to the shell over the entire residence time of the electrode section. A larger layer thickness, possibly impairing the alternating strength of the layer, is thereby avoided by using solutions with a lower salt concentration. Suitable coating agents are in principle all salts which are soluble in water and, after evaporation of the solvent at elevated temperatures, form closed films which are resistant to oxidation and impermeable to fluids. Examples of suitable salts are the abovementioned phosphates, borates and silicates. Particularly advantageous is because of the ease of handling and the quality of the protective layer formed monoaluminum phosphate - Al (H₂PO₄) ₃. The aqueous coating solution should contain about 15 to 25% monoaluminum phosphate, and to form a closed, graphite electrode protective layer it is desirable to use 300 to 500 g / m2 of monoaluminum phosphate, which corresponds to about 1 to 3 liters / m² of coating solution.
Das Verfahren ermöglicht die Beschichtung von Graphitelektroden mit einfachen Mitteln, wie sie bei der Wasserkühlung des Elektrodenmantels gebraucht werden, und die Erzeugung von Schichten, die eine sehr viel bessere Schutzwirkung als die "Wasserschichten" haben. Die Anwendung des Verfahrens ist nicht auf Graphitelektroden beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf Kohlenstoffelektroden, die vor allem in thermischen Reduktionsöfen verwendet werden.The method enables the coating of graphite electrodes with simple means, as used in the water cooling of the electrode sheath, and the production of layers, which have a much better protective effect than the "water layers". The application of the method is not limited to graphite electrodes, but also extends to carbon electrodes, which are mainly used in thermal reduction furnaces.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beipiels und einer Zeichnung erläutert.The invention will be explained below with reference to an example and a drawing.
Ein Graphitzylinder, Durchmesser 40 mm, Höhe 100 mm, wurde auf 700 °C erhitzt und auf die heiße Mantelfläche eine 20 %ige wässerige Lösung von Monoaluminiumphosphat aufgesprüht. Es bildete sich sofort eine dünne weißliche Schicht, die fest auf der Mantelfläche haftete. Die aufgesprühte Menge Monoaluminiumphosphat betrug etwa 400 g/m².A graphite cylinder,
Unter Beibehaltung der Temperatur von 700 °C wurde der Zylinder und zum Vergleich ein nichtbeschichteter Graphitzylinder in einem Laborofen oxidiert, die Beaufschlagung betrug 100 l-Luft/h. Die Ergebnisse des Abbrandtestes sind in der Fig. 1 dargestellt. Nach 2 h hat die beschichtete Probe (ausgefüllte Kreise) etwa 5 % des Ausgangsgewichts von ca. 200 g durch Abbrand verloren, die Vergleichsprobe fast 30 % (leere Kreise).Maintaining the temperature of 700 ° C, the cylinder and, for comparison, an uncoated graphite cylinder were oxidized in a laboratory furnace, the loading was 100 l-air / h. The results of the burn-up test are shown in FIG. After 2 hours, the coated sample (filled circles) lost about 5% of the initial weight of about 200 g by burnup, the control sample nearly 30% (open circles).
Claims (4)
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Mantelfläche unterhalb der Kontaktbacken die wässerige Lösung wenigstens eines, bei erhöhter Temperatur glasartige Filme bildenden Salzes gesprüht wird.A method of reducing the burn-up of graphite electrodes when used in an electric arc furnace by coating the shell surface with an oxidation-resistant protective layer,
characterized,
in that the aqueous solution of at least one glassy film forming at elevated temperature is sprayed onto the lateral surface underneath the contact jaws.
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Mantelfläche eine wässerige Lösung von Monoaluminiumphosphat gesprüht wird.2. Method according to claim 1,
characterized,
in that an aqueous solution of monoaluminum phosphate is sprayed onto the lateral surface.
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Mantelfläche eine 15 bis 20 %ige wässerige Aluminiummonophosphatlösung gesprüht wird.3. Method according to claims 1 and 2,
characterized,
that on the lateral surface of a 15 to 20% aqueous aluminum monophosphate solution is sprayed.
daß die Mantelfläche mit 300 bis 500 g/m² Aluminiummonophosphat beschichtet wird.4. Method according to claims 1 to 3, characterized
that the lateral surface is coated with 300 to 500 g / m² of aluminum monophosphate.
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| DE3809361 | 1988-03-19 | ||
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| EP0334007A1 true EP0334007A1 (en) | 1989-09-27 |
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Country Status (2)
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| DE (2) | DE3809361A1 (en) |
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