EP1711973A1 - Verfahren zur herstellung von graphitelektroden - Google Patents

Verfahren zur herstellung von graphitelektroden

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Publication number
EP1711973A1
EP1711973A1 EP04803711A EP04803711A EP1711973A1 EP 1711973 A1 EP1711973 A1 EP 1711973A1 EP 04803711 A EP04803711 A EP 04803711A EP 04803711 A EP04803711 A EP 04803711A EP 1711973 A1 EP1711973 A1 EP 1711973A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode body
graphitization
electrode
impregnation
connecting element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04803711A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ludwig Kolb
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
Publication of EP1711973A1 publication Critical patent/EP1711973A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • H05B7/02—Details
    • H05B7/14—Arrangements or methods for connecting successive electrode sections
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a graphite electrode consisting of an electrode body and at least one connecting element arranged on one of the two end faces of the electrode body, in which the electrode body and the at least one connecting element are separated from one another by a method comprising the steps of forming a carbon-containing mass , Firing, impregnation and graphitization are produced before the electrode body and the at least one connecting element are connected to one another, and the graphite electrodes, electrode body and connecting elements obtainable with such a method.
  • Graphite electrodes are used, for example, in electric arc furnaces for steel production.
  • a voltage is applied to the graphite electrode, an arc is formed which leads from the lower end of the electrode to the melting material and which melts the melting material, for example steel scrap or sponge iron.
  • the lower end of the electrode burns slowly and the electrode is consumed.
  • electrode strands are usually used, which are pushed into the arc furnace to the extent that the lower end of the electrode burns off during furnace operation.
  • Such an electrode string usually consists of individual, interconnected cylindrical electrodes or electrode bodies, which over
  • the individual electrode bodies have for receiving the connecting elements truncated cone-like depressions with an internal thread on their two end faces, while the connecting elements have the shape of a double cone, that is to say two truncated cones joined together with their base surface, on the outer surfaces of which an external thread is arranged.
  • the electrode strands are pushed in the direction of the melt by appropriate movement of a support arm which is connected to the upper end of the electrode strand.
  • a new electrode body is screwed onto the upper end of the electrode string via a connecting element and the support arm is shifted upwards accordingly.
  • the electrode strands When operating the arc furnaces, the electrode strands are subjected to high mechanical loads. Particularly in the case of strong inhomogeneities in the steel melt, for example due to scrap parts floating on it, strong bending forces occur at the upper end of the electrode strand in the vicinity of the support arm, which lead to a breakage of the connecting elements on their equator or the electrode body on their recesses arranged on the end face can. The broken electrode strand then falls into the melt, which results in considerable production downtimes. A break in the upper part of the electrode strand in particular has particularly serious consequences, since in this case the entire strand falls into the melt and has to be recovered in a considerable amount of time.
  • US Pat. No. 6,058,133 discloses a cylindrical graphite electrode body which has a slot running helically along the electrode body. This slot is intended to prevent cracks from spreading by breaking through the slot as a result of the high temperature as it spreads, thereby preventing further spreading.
  • the crack phenomena on electrodes are very diverse, so that in general it cannot be predicted in which direction and at what depth cracks will form.
  • the slots on the electrode that were originally introduced to contain the cracks can themselves be the starting points for cracks or prevent the spreading of cracks at all or only insignificantly.
  • An impregnation cycle generally comprises the impregnation of the shaped bodies with pitch under vacuum, followed by afterburning at about 800 ° C. (cf. Ullmann's Encyclopedia for Industrial Chemistry 2002, Vol. 6, page 313).
  • the mechanical strength can only be increased slightly as the number of impregnation cycles increases.
  • this slight improvement is offset by the relatively high costs of a further impregnation step.
  • the cost-benefit ratio also deteriorates with every further impregnation cycle.
  • the penetration of the shaped body through the Impregnant severely restricted. There are undesirable inhomogeneities across the cross section of the resulting strand elements.
  • the invention is therefore based on the object of cost-effectively and effectively improving the strength of graphite electrodes.
  • this object is essentially achieved in a method of the type mentioned at the outset in that the electrode body and / or the at least one connecting element are at least one more time impregnated and re-fired after the graphitization.
  • electrode strands with a mechanical strength sufficient for use in electric arc furnaces were not can only be obtained by additional impregnation of the electrode body and connecting elements, but also if only either the electrode body or the connecting element of the graphite electrode is subjected to an impregnation step after the graphitization.
  • the electrode bodies or connecting elements are burned in a manner known per se, preferably at temperatures between 700 and 1,300 ° C., particularly preferably at about 800 ° C., for about 500 hours in an oven under an inert gas or reducing atmosphere before the Electrodes are subjected to an impregnation step one or more times and then graphitized at temperatures of more than 2,500 ° C., particularly preferably more than 2,750 ° C. and very particularly preferably at about 3,000 ° C.
  • the impregnation of the electrode body and / or the connecting element to be carried out after the graphitization can be carried out in any manner known to the person skilled in the art, in particular with the customary impregnation agents.
  • the same impregnating agent, particularly preferably impregnating pitch is preferably used both in the at least one impregnation step to be carried out before the graphitization and in the at least one impregnation step after the graphitization.
  • the objects to be treated are incubated with the impregnating agent for a time known to the person skilled in the art for this purpose.
  • the electrode body and / or the at least one connecting element incubated with the impregnating agent for 2 to 10 hours, particularly preferably 4 to 6 hours.
  • afterburning takes place between 600 and 1000 ° C., preferably between 700 and 900 ° C. and very particularly preferably between 750 and 850 ° C.
  • the afterburning is preferably carried out for 60 to 180 hours, particularly preferably 75 to 100 hours.
  • the method according to the invention is not limited with regard to the number of impregnation steps to be carried out before or after the graphitization. Particularly good results are obtained, however, if an electrode body is impregnated once before the graphitization and after the graphitization. For connection elements, however, a double impregnation before the graphitization followed by an impregnation after the graphitization is preferred. It goes without saying that the mechanical strengths, in particular bending strengths, both of the electrode body and of the connecting elements can be increased further if they are each subjected to two impregnation cycles after the graphitization.
  • Electrode strands with the best possible mechanical properties are obtained if both the individual electrode bodies and the connecting elements are subjected to an impregnation after the graphitization.
  • electrode strands with sufficient mechanical strength in particular sufficient bending strength at the upper end, can also be obtained if only the individual electrode bodies or the individual connecting elements are subjected to an impregnation after the graphitization.
  • the graphite electrodes, electrode bodies and connecting elements obtainable with the method according to the invention are distinguished by improved mechanical properties, in particular higher mechanical strengths against bending forces, compared to those produced by a method according to the prior art.
  • the mechanical strength can be increased by up to 20%.
  • Electrode bodies with a diameter of 500, 600, 700 or 800 mm or connecting elements, for example with a diameter of 325 mm, obtainable with the method according to the invention by a single impregnation step after the graphitization typically have the following properties:
  • graphite electrodes consisting of an electrode body and at least one connecting element, which can be obtained with the method according to the invention. These graphite electrodes are distinguished from the electrodes known from the prior art by their higher mechanical strength, in particular by their higher flexural strength.
  • the present invention relates to an electrode body, which for the purposes of the present invention are also graphite electrodes, obtainable by a method comprising the steps of forming a carbon-containing mass, firing, single or multiple impregnation and graphitization, in which the electrode body has at least one after the graphitization is impregnated and re-fired again.
  • the present invention relates to a connecting element obtainable by a method comprising the steps of forming a carbon-containing mass, firing, single or multiple impregnation and graphitization, in which the connecting element is impregnated and after-fired at least one more time after the graphitization.
  • Both the electrode bodies according to the invention and the connecting elements according to the invention are distinguished by a higher mechanical strength compared to those known from the prior art, in particular with respect to bending forces, and are therefore ideally suited for producing electrode strands to be used in arc furnaces.
  • Needle coke is preferably used as the starting material for the electrode bodies and the connecting elements as starting materials as a pyrolysis product in a mixture with coal tar pitch, the maximum particle size of the pyrolysis products for electrode bodies preferably being less than 35 mm, particularly preferably less than 30 mm and very particularly preferably a maximum of 25 mm and for connecting elements is preferably less than 10 mm, particularly preferably less than 5 mm and very particularly preferably a maximum of 3 mm.
  • the carbon-containing mass is preferably shaped by extrusion, although other methods known to the person skilled in the art for this purpose, such as isostatic molding or vibration molding, can also be used.
  • a molding compound was produced from 100 parts of needle coke with a maximum particle size of 25 mm and 25 parts of coal tar pitch.
  • the mass was mixed for 0.5 hours in a kneading mixer at 160 ° C, then extruded at 120 ° C into a cylindrical strand and then fired in a conventional furnace at 800 ° C for 500 hours.
  • the fired cylindrical carbon bodies were then impregnated once with an impregnation pitch for 5 hours and post-fired at 800 ° C. for 80 hours.
  • the conventionally impregnated and afterburned carbon bodies were graphitized at about 3,000 ° C. in a manner known to the person skilled in the art.
  • the graphite blanks thus obtained were again impregnated with impregnating pitch for 5 hours and after-baked at 800 ° C. for 80 hours.
  • An electrode body was produced and measured by a method according to the prior art, namely analogously to Example 1 but without impregnation and afterburning after the graphitization.
  • the inherent shadows of these electrode bodies are summarized in Table 1.
  • a molding compound was produced from 100 parts of needle coke with a maximum particle size of 3 mm and 25 parts of coal tar pitch.
  • the mass was mixed in a kneading mixer at 160 ° C for 0.5 hours, then extruded into a cylindrical strand at 120 ° C and then fired in a conventional furnace at 800 ° C for 500 hours.
  • the fired cylindrical carbon bodies were then impregnated twice with an impregnation pitch for 5 hours and post-fired at 800 ° C. for 80 hours. it the conventionally impregnated and afterburned carbon bodies were then graphitized at about 3,000 ° C. in a manner known to the person skilled in the art.
  • the graphite blanks thus obtained were again impregnated with impregnating pitch for 5 hours and after-baked at 800 ° C. for 80 hours.
  • a connecting element blank was produced and measured using a method according to the prior art, namely analogously to example 2, but without impregnation and afterburning after the graphitization and with a total of three impregnation steps carried out before the graphitization.
  • the properties of these electrode bodies are summarized in Table 1.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Graphitelektrode bestehend aus einem Elektrodenkörper und wenigstens einem an einer der beiden Stirnseiten des Elektrodenkörpers angeordnetem Verbindungselement, bei dem der Elektrodenkörper und das wenigstens eine Verbindungselement getrennt voneinander durch ein Verfahren umfassend die Schritte Formen einer kohlenstoffhaltigen Masse, Brennen, ein- oder mehrmalige Imprägnierung sowie Graphitierung hergestellt werden, bevor der Elektrodenkörper und das Verbindungselement miteinander verbunden werden. Um die mechanischen Festigkeit, insbesondere die Biegefestigkeit, der Graphitelektrode zu erhöhen wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, nach der Graphitierung den Elektrodenkörper und/oder das Verbindungselement ein weiteres Mal zu imprägnieren und nachzubrennen.

Description

Verfahren zur Herstellung von Graphitelektroden
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Graphitelektrode bestehend aus einem Elektrodenkörper und wenigstens einem an einer der beiden Stirnseiten des Elektrodenkörpers angeordnetem Verbindungselement, bei dem der Elektrodenkörper und das wenigstens eine Verbindungselement getrennt voneinander durch ein Verfahren umfassend die Schritte For- men einer kohlenstoffhaltigen Masse, Brennen, Imprägnierung und Graphitierung hergestellt werden, bevor der Elektrodenkörper und das wenigstens eine Verbindungselement miteinander verbunden werden, sowie die mit einem solchen Verfahren erhältlichen Graphitelektroden, Elektrodenkörper und Verbindungselemente.
Graphitelektroden werden bspw. in elektrischen Lichtbogenöfen zur Stahlherstellung eingesetzt. Beim Anlegen einer Spannung an die Graphitelektrode entsteht ein vom unteren Elektrodenende zu dem Schmelzgut führender Lichtbogen, der das Schmelzgut, bspw. Stahlschrott oder Eisenschwamm, zum Schmelzen bringt. Verursacht durch den Lichtbogen und die hohen Temperaturen innerhalb des Ofens brennt das untere Elektrodenende langsam ab und die Elektrode wird verbraucht. Aus diesem Grund werden üblicherweise Elektrodenstränge eingesetzt, welche in dem Maße, in dem das untere Elektrodenende während des Ofenbetriebs abbrennt, in den Lichtbogenofen nachgeschoben werden.
Ein solcher Elektrodenstrang besteht üblicherweise aus einzelnen, miteinander verbundenen zylindrischen Elektroden bzw. Elektrodenkörpern, welche über
Verbindungselemente mechanisch und elektrisch leitend verbunden sind. Dabei weisen die einzelnen Elektrodenkörper zur Aufnahme der Verbindungselemente an ihren beiden Stirnseiten kegelstumpfartige Vertiefungen mit Innengewinde auf, während die Verbindungselemente die Form eines Doppelkonus, d. h. zweier mit ihrer Grundfläche aneinandergefügter Kegelstümpfe haben, an deren Mantelflächen jeweils ein Außengewinde angeordnet ist. Zur Kompensierung des Elektrodenabbrands während des Ofenbetriebes werden die Elektrodenstränge durch entsprechende Bewegung eines Tragarms, der mit dem oberen Ende des Elektrodenstrangs verbunden ist, in Richtung der Schmelze nachgeschoben. Sobald der Elektrodenstrang eine festgelegte Mindestlänge unterschreitet, wird an das obere Ende des Elektrodenstranges über ein Verbin- dungselement ein neuer Elektrodenkörper aufgeschraubt und der Tragarm entsprechend nach oben verschoben.
Beim Betrieb der Lichtbogenöfen werden die Elektrodenstränge mechanisch stark beansprucht. Insbesondere bei starken Inhomogenitäten in der Stahl- schmelze, etwa durch darauf schwimmende Schrottteile, treten an dem oberen Ende des Elektrodenstranges in der Nähe des Tragarms starke Biegekräfte auf, die zu einem Bruch der Verbindungselemente an deren Äquator oder der Elektrodenkörper an deren stirnseitig angeordneten Vertiefungen führen können. Der gebrochene Elektrodenstrang fällt dann in die Schmelze, was erhebliche Pro- duktionsausfälle nach sich zieht. Insbesondere ein Bruch im oberen Teil des Elektrodenstranges hat besonders schwerwiegende Folgen, da in diesem Fall der komplette Strang in die Schmelze fällt und unter beträchtlichem Zeitaufwand geborgen werden muss.
Um diesen Problemen zu begegnen, wurde bereits eine Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen, um die mechanische Festigkeit von Graphitelektroden zu erhöhen.
Aus der US 6,500,022 beispielsweise sind speziell geformte Verbindungsele- mente zur Verbindung von Elektroden bekannt, bei denen die das Gewinde bil- denden Seitenwände des Doppelkonus bezüglich der zentralen Achse einen Winkel zwischen 75 und 90 ° aufweisen. Durch diese spezielle Anordnung sollen die mechanischen Spannungen im Bereich der Verbindung mit den Elektrodenkörpern verringert werden. Allerdings ist die Herstellung dieser Verbin- dungselemente sehr kostenaufwendig.
In der US 6,058,133 wird ein zylindrischer Graphitelektrodenkörper offenbart, welcher einen entlang des Elektrodenkörpers helixförmig verlaufenden Schlitz aufweist. Dieser Schlitz soll die Ausbreitung von Rissen verhindern, indem ein durch die hohe Temperatur ausgelöster Bruch bei seiner Ausbreitung den Schlitz durchkreuzt und dadurch an einer weiteren Ausbreitung gehindert wird. Allerdings sind die Rissphänomene an Elektroden sehr vielfältig, so dass sich im Allgemeinen nicht vorhersagen lässt, in welche Richtung und in welcher Tiefe sich Risse bilden. So können in vielen Fällen die ursprünglich zur Risseindäm- mung eingeführten Schlitze an der Elektrode selber Ausgangspunkte für Risse sein oder die Ausbreitung von Rissen gar nicht oder nur unwesentlich verhindern.
Es ist außerdem bekannt, dass sich die mechanische Festigkeit von Elektroden- körpern und Verbindungselementen durch mehrfache Imprägnierzyklen vor der Graphitierung erhöhen lässt. Ein Imprägnierzyklus umfasst dabei im Allgemeinen das Imprägnieren der Formkörper mit Pech unter Vakuum gefolgt von einem Nachbrennen bei etwa 800 °C (vgl. Ullmann's Encyclopedia for Industrial Chemistry 2002, Vol. 6, page 313). Allerdings lässt sich die mechanische Fes- tigkeit mit zunehmender Zahl der Imprägnierzyklen nur noch geringfügig steigern. Dieser leichten Verbesserung stehen aber relativ hohe Kosten eines weiteren Imprägnierschrittes entgegen. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis verschlechtert sich zudem mit jedem weiteren Imprägnierzyklus. Außerdem wird mit steigender Zahl der Imprägnierschritte die Durchdringung der Formkörper durch das Imprägniermittel stark eingeschränkt. Es kommt zu unerwünschten Inhomogenitäten über den Querschnitt der resultierenden Strangelemente hinweg.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Festigkeit von Graphit- elektroden kostengünstig und wirksam zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Ver ahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der Elektrodenkörper und/oder das wenigstens eine Verbindungselement nach der Graphitierung we- nigstens ein weiteres Mal imprägniert und nachgebrannt werden.
Überraschenderweise können durch die zusätzliche Imprägnierung nach der Graphitierung Graphitelektroden mit einer ausgezeichneten mechanischen Stabilität erhalten werden, so dass diese den bei dem Betrieb eines Elektrolichtbo- genofens auftretenden mechanischen Belastungen, insbesondere Biegekräften, zuverlässig standhalten. Vor dem Hintergrund der nur geringen Festigkeitssteigerung durch zusätzliche Imprägnierzyklen vor der Graphitierung war es für den Fachmann unerwartet, dass ein zusätzlicher Imprägnierschritt nach der Graphitierung zu einer unvergleichbar größeren Steigerung der mechanischen Festig- keit, insbesondere der Biegefestigkeit, des behandelten Elektrodenkörpers und/oder Verbindungselements führt. Beispielsweise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach zweimaliger Imprägnierung vor der Graphitierung durch einen zusätzlichen Imprägnierschritt nach der Graphitierung Verbindungselemente mit einer um 15 bis 20 % höheren Biegefestigkeit erhalten wer- den, wohingegen ein zusätzlicher Imprägnierschritt vor der Graphitierung bei ansonsten gleicher Behandlung nur zu Verbindungselementen mit einer um 5 bis 10 % höheren Biegefestigkeit führt.
Zudem war es überraschend, dass Elektrodenstränge mit einer für den Einsatz in elektrischen Lichtbogenöfen ausreichenden mechanischen Festigkeit nicht nur durch zusätzliche Imprägnierung von Elektrodenkörper und Verbindungselementen erhalten werden können, sondern auch dann, wenn nur entweder der Elektrodenkörper oder das Verbindungselement der Graphitelektrode nach der Graphitierung einem Imprägnierschritt unterzogen wird.
Nach dem Formen werden die Elektrodenkörper bzw. Verbindungselemente in an sich bekannter Weise, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 700 und 1.300 °C, besonders bevorzugt bei etwa 800 °C, für etwa 500 Stunden in einem Ofen unter Inertgas- oder reduzierender Atmosphäre gebrannt, bevor die Elekt- roden ein oder mehrmals einem Imprägnierschritt unterzogen werden und anschließend bei Temperaturen von mehr als 2.500 °C, besonders bevorzugt mehr als 2.750 °C und ganz besonders bevorzugt bei etwa 3.000 °C graphitiert werden.
Erfindungsgemäß kann die nach der Graphitierung durchzuführende Imprägnierung des Elektrodenkörpers und/oder des Verbindungselementes auf jede dem Fachmann bekannte Weise, insbesondere mit den üblichen Imprägniermitteln, erfolgen. Vorzugsweise wird sowohl bei dem wenigstens einen vor der Graphitierung als auch bei dem wenigstens einen nach der Graphitierung vorzuneh- menden Imprägnierschritt das gleiche Imprägniermittel, besonders bevorzugt Imprägnierpech, eingesetzt. Alternativ dazu ist es jedoch selbstverständlich auch möglich, wenn auch weniger bevorzugt, für die einzelnen Imprägnierschritte unterschiedliche Imprägniermittel oder -bedingungen einzusetzen.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, alle oder zumindest einen Teil der Imprägnierschritte unter Vakuum durchzuführen.
Die Inkubation der zu behandelnden Gegenstände mit dem Imprägniermittel erfolgt für eine dem Fachmann zu diesem Zweck bekannte Zeit. Vorzugsweise wird der Elektrodenkörper und/oder das wenigstens eine Verbindungselement für 2 bis 10 Stunden, besonders bevorzugt 4 bis 6 Stunden, mit dem Imprägniermittel inkubiert.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt nach jedem Imprägnierschritt, ungeachtet dessen, ob es sich um eine Imprägnierung vor oder nach der Graphitierung handelt, ein Nachbrennen zwischen 600 und 1.000 °C, bevorzugt zwischen 700 und 900 °C und ganz besonders bevorzugt zwischen 750 und 850 °C, erfolgt. Vorzugsweise erfolgt das Nachbrennen für 60 bis 180 Stunden, besonders bevorzugt 75 bis 100 Stunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bezüglich der Anzahl der vor bzw. nach der Graphitierung durchzuführenden Imprägnierschritte nicht begrenzt. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn ein Elektrodenkörper vor der Graphitierung sowie nach der Graphitierung jeweils einmal imprägniert wird. Für Verbindungselemente hingegen ist eine zweimalige Imprägnierung vor der Graphitierung gefolgt von einer Imprägnierung nach der Graphitierung bevorzugt. Es versteht sich von selbst, dass sich die mechanischen Festigkeiten, insbesondere Biegefestigkeiten, sowohl der Elektrodenkörper als auch der Verbindungselemente noch weiter erhöhen lassen, wenn diese nach der Graphitierung jeweils zwei Imprägnierzyklen unterworfen werden.
Elektrodenstränge mit den bestmöglichen mechanischen Eigenschaften werden erhalten, wenn sowohl die einzelnen Elektrodenkörper als auch die Verbindungselemente nach der Graphitierung einer Imprägnierung unterzogen wer- den. Allerdings lassen sich auch Elektrodenstränge mit ausreichender mechanischer Festigkeit, insbesondere ausreichender Biegefestigkeit am oberen Ende, erhalten, wenn lediglich die einzelnen Elektrodenkörper oder die einzelnen Verbindungselemente nach der Graphitierung einer Imprägnierung unterzogen werden. Je nach Verwendungszweck kann es somit aus wirtschaftlichen Erwägun- gen sinnvoll sein, nur die Elektrodenkörper oder die Verbindungselemente erfindungsgemäß nach der Graphitierung zu imprägnieren.
Überraschenderweise zeichnen sich die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Graphitelektroden, Elektrodenkörper und Verbindungselemente, verglichen mit den durch ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellten, durch verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere höhere mechanische Festigkeiten gegenüber Biegekräften, aus. Je nach Durchführung des Verfahrens kann eine Steigerung der mechanischen Festigkeit um bis zu 20 % erreicht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch einmaligen Imprägnierschritt nach der Graphitierung erhältliche Elektrodenkörper mit einem Durchmesser von 500, 600, 700 oder 800 mm bzw. Verbindungselemente bspw. mit einem Durchmes- ser von 325 mm weisen typischerweise folgende Eigenschaften auf:
Elektrodenkörper Dichte [g/cm3] 1 ,7 bis 1 ,8 Elastizitätsmodul* [GPa] 9 bis 13 Biegefestigkeit* [MPa] 12 bis 17 Spezifischer elektrischer Widerstand [μΩ m] 5,0 bis 5,7
Verbindungselement Dichte [g/cm3] 1 ,8 bis 2 Elastizitätsmodul* [GPa] 23 bis 30 Biegefestigkeit* [MPa] 25 bis 35 Spezifischer elektrischer Widerstand [μΩ m] 3,0 bis 3,6 * parallel zur Extrusionsrichtung, d.h. longitudinal Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Graphitelektroden bestehend aus einem Elektrodenkörper und wenigstens einem Verbindungselement, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind. Diese Graphitelektroden zeichnen sich gegenüber den aus dem Stand der Technik be- kannten Elektroden durch höhere mechanische Festigkeit, insbesondere durch höhere Biegefestigkeit, aus.
Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Elektrodenkörper, welche im Sinne der vorliegenden Erfindung ebenfalls Graphitelektroden sind, erhältlich durch ein Verfahren umfassend die Schritte Formen einer kohlenstoffhaltigen Masse, Brennen, ein- oder mehrmalige Imprägnierung und Graphitierung, bei dem der Elektrodenkörper nach der Graphitierung wenigstens ein weiteres Mal imprägniert und nachgebrannt wird. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verbindungselement erhältlich durch ein Verfahren umfassend die Schritte For- men einer kohlenstoffhaltigen Masse, Brennen, ein- oder mehrmalige Imprägnierung und Graphitierung, bei dem das Verbindungselement nach der Graphitierung wenigstens ein weiteres Mal imprägniert und nachgebrannt wird.
Sowohl die erfindungsgemäßen Elektrodenkörper als auch die erfindungsgemä- ßen Verbindungselemente zeichnen sich verglichen mit den aus dem Stand der Technik bekannten durch eine höhere mechanische Festigkeit, insbesondere gegenüber Biegekräften, aus und sind somit zur Herstellung von in Lichtbogenöfen einzusetzenden Elektrodensträngen bestens geeignet.
Beispiele
Im folgenden wird die Erfindung anhand von den Erfindungsgedanken demonstrierenden, diesen jedoch nicht einschränkenden Beispielen erläutert. Als Ausgangsmaterialien können sowohl für den Elektrodenkörper als auch das Verbindungselement alle dem Fachmann für Graphitelektroden als geeignet bekannte Materialien eingesetzt werden, insbesondere Pyrolyseprodukte von Pech und Kohle, wie bspw. Petroleumkoks, Pechkoks, metallurgischer Koks oder Anthrazit, zusammen mit den bekannten Bindemitteln. Die beiden Komponenten, nämlich Pyrolyseprodukt und Bindemittel, werden vor dem Formen durch ein geeignetes Verfahren miteinander vermischt. Vorzugsweise werden sowohl für die Elektrodenkörper als auch die Verbindungselemente als Ausgangsmaterialien Nadelkoks als Pyrolyseprodukt in Mischung mit Steinkohleteerpech als Bindemittel eingesetzt, wobei die maximale Teilchengröße der Pyrolyseprodukte für Elektrodenkörper bevorzugt weniger als 35 mm, besonders bevorzugt weniger als 30 mm und ganz besonders bevorzugt maximal 25 mm und für Verbindungselemente bevorzugt weniger als 10 mm, besonders bevorzugt weniger als 5 mm und ganz besonders bevorzugt maximal 3 mm beträgt. Das Formen der kohlenstoffhaltigen Masse erfolgt bevorzugt durch Extrusion, wobei jedoch auch andere dem Fachmann zu diesem Zweck bekannte Verfahren, wie bspw. isostatisches Formen oder Vibrationsformen, angewendet werden können.
Beispiel 1 (Elektrodenkörper)
Aus 100 Teilen Nadelkoks mit einer maximalen Teilchengröße von 25 mm und 25 Teilen Steinkohleteerpech wurde eine Formmasse hergestellt. Die Masse wurde für 0,5 Stunden in einem Knet-Mischer bei 160 °C gemischt, danach bei 120 °C zu einem zylindrischen Strang extrudiert und anschließend für 500 Stun- den bei 800 °C in einem herkömmlichen Ofen gebrannt. Die gebrannten zylindrischen Kohlenstoffkörper wurden anschließend einmal mit einem Imprägnierpech 5 Stunden lang imprägniert und bei 800 °C für 80 Stunden nachgebrannt. Daran anschließend wurden die herkömmlicherweise imprägnierten und nachgebrannten Kohlenstoffkörper bei etwa 3.000 °C auf eine dem Fachmann bekannte Weise graphitiert. Die so erhaltenen Graphitrohlinge wurden erfindungsgemäß noch einmal mit Imprägnierpech 5 Stunden lang imprägniert und für 80 Stunden bei 800 °C nachgebrannt.
Schließlich wurden die so erhaltenen Rohlinge mit CNC-Fräsen in ihre endgültige Form (600 mm Durchmesser und 1.800 mm Länge) gebracht und vermessen. Die Eigenschaften der so erhaltenen Elektrodenkörper sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
In Praxistests zeigte sich, dass ein Elektrodenstrang, der aus nach Beispiel 1 produzierten Elektroden zusammengesetzt war, aufgrund seiner erhöhten mechanischen Festigkeit keine Risse aufwies.
Vergleichsbeispiel 1
Es wurde ein Elektrodenkörper nach einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik, nämlich analog zu Beispiel 1 aber ohne Imprägnierung und Nachbrennen nach der Graphitierung, hergestellt und vermessen. Die Eigen- schatten dieser Elektrodenkörper sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beispiel 2 (Verbindungselement)
Aus 100 Teilen Nadelkoks mit einer maximalen Teilchengröße von 3 mm und 25 Teilen Steinkohleteerpech wurde eine Formmasse hergestellt. Die Masse wurde für 0,5 Stunden in einem Knet-Mischer bei 160 °C gemischt, danach bei 120 °C zu einem zylindrischen Strang extrudiert und anschließend für 500 Stunden bei 800 °C in einem herkömmlichen Ofen gebrannt. Die gebrannten zylindrischen Kohlenstoffkörper wurden anschließend zweimal mit einem Imprägnierpech 5 Stunden lang imprägniert und bei 800 °C für 80 Stunden nachgebrannt. Daran anschließend wurden die herkömmlicherweise imprägnierten und nachgebrannten Kohlenstoffkörper bei etwa 3.000 °C auf eine dem Fachmann bekannte Weise graphitiert.
Die so erhaltenen Graphitrohlinge wurden erfindungsgemäß noch einmal mit Imprägnierpech 5 Stunden lang imprägniert und für 80 Stunden bei 800 °C nachgebrannt.
Die so erhaltenen zylindrischen Rohlinge für Verbindungselemente mit einem Durchmesser von 325 mm und einer Länge von 2.350 mm wurden vermessen. Die Eigenschaften dieser Rohlinge sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Vergleichsbeispiel 2
Es wurde ein Verbindungselementrohling nach einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik, nämlich analog zu Beispiel 2 aber ohne Imprägnierung und Nachbrennen nach der Graphitierung und mit insgesamt drei jeweils vor der Graphitierung durchgeführten Imprägnierschritten, hergestellt und vermessen. Die Eigenschaften dieser Elektrodenkörper sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Ein Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass die erfindungsgemäßen Verbindungselemente bei gleicher Anzahl an Imprägnierschritten und damit gleichbleibenden Produktionskosten signifikant höhere mechanische Festigkeiten aufweisen als die nach dem Stand der Technik hergestellten Verbindungselemente. Tabelle 1 :
parallel zur Extrusionsrichtung, d.h. longitudinal

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer Graphitelektrode bestehend aus einem Elektrodenkörper und wenigstens einem an einer der beiden Stirnseiten des E- lektrodenkörpers angeordnetem Verbindungselement zum Verbinden zweier Elektrodenkörper, bei dem der Elektrodenkörper und das wenigstens eine Verbindungselement getrennt voneinander durch ein Verfahren umfassend die Schritte Formen einer kohlenstoffhaltigen Masse, Brennen, ein- oder mehrmalige Imprägnierung sowie Graphitierung hergestellt werden, bevor der Elektrodenkörper und das wenigstens eine Verbindungsmittel miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkörper und/oder das wenigstens eine Verbindungselement nach der Graphitierung wenigstens ein weiteres Mal imprägniert und nachgebrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Imprägnierschritt vor der Graphitierung und der wenigstens eine Imprägnierschritt nach der Graphitierung unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Imprägniermittel Pech, besonders bevorzugt Imprägnierpech, eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnierung des Elektrodenkörpers und/oder des wenigstens einen Verbindungselements unter Vakuum erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkörper und/oder das wenigstens eine Verbindungselement bei der Imprägnierung für 2 bis 10 Stunden, vorzugsweise für 4 bis 6 Stunden mit dem Imprägniermittel inkubiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkörper und/oder das wenigstens eine Verbindungselement nach der Imprägnierung bei 600 bis 1.000 °C, vorzugsweise bei 700 bis 900 °C und insbesondere zwischen 750 und 850 °C, nachgebrannt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkörper und/oder das wenigstens eine Verbindungselement für 2 bis 10 Stunden, vorzugsweise für 4 bis 6 Stunden nachgebrannt wird.
8. Graphitelektrode bestehend aus einem Elektrodenkörper und wenigstens einem Verbindungselement erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Elektrodenkörper erhältlich durch ein Verfahren umfassend die Schritte Formen einer kohlenstoffhaltigen Masse, Brennen, ein- oder mehrmalige Imprägnierung und Graphitierung, bei dem der Elektrodenkörper nach der Graphitierung wenigstens ein weiteres Mal imprägniert und nachgebrannt wird.
10. Verbindungselement erhältlich durch ein Verfahren umfassend die Schritte Formen einer kohlenstoffhaltigen Masse, Brennen, ein- oder mehrmalige Imprägnierung und Graphitierung, bei dem das Verbindungselement nach der Graphitierung wenigstens ein weiteres Mal imprägniert und nachgebrannt wird.
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