EP2377366A1

EP2377366A1 - Graphitelektrode mit elektrischem anschlussstück

Info

Publication number: EP2377366A1
Application number: EP10700745A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Reiser; Stefan Huwer
Original assignee: Ems Elektro Metall Schwanenmuehle GmbH
Current assignee: Ems Elektro Metall Schwanenmuehle GmbH
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-10-19
Also published as: DE102009000755A1; US20110268146A1; WO2010081888A1; CA2744301A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Graphitelektrode mit elektrischem Anschlussstück sowie einen Ofen zum Graphitisieren von kohlenstoffhaltigen Materialien mit derartigen Graphitelektroden. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch das Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen Graphitelektrode und Anschlussstück durch keilförmige Kontaktstücke die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile beseitigt werden. Der für die elektrische Leitfähigkeit des Übergangs notwendige Kontaktdruck zwischen Kontaktstück und keilförmiger Fläche an der Graphitelektrode ist über den Keilwinkel und die Kontaktfläche beeinflussbar.

Description

Grαphitelektrode mit elektrischem Anschlussstück

Die Erfindung betrifft eine Grαphitelektrode mit elektrischem Anschlussstuck sowie einen Ofen zum Grαphitisieren von kohlenstoffhaltigen Materialien mit derartigen Graphiteleklroden,

Bei der Umwandlung von amorphem Kohlenstoff zu polykristallinen Graphit werden Ofen zum Graphilisieren der kohlenstoffhaltigen Materialien verwendet. Bei der Graphitisierung erfolgt durch Erhitzen unter Luftabschluss auf ca, 3,000 ⁰C eine Umwandlung von amorphem Kohlenstoff zu polykristallinen Graphit. Die Erhitzung des kohlenstoffhaltigen Materials erfolgt durch elektrischen Strom, wobei die Stromeinleitung über bewegliche Graphitelektroden erfolgt, die stirnseitig an den beiden Ofenkopfen in den Ofen hineinragen und auf die Enden des kohlenstoffhaltigen Materials angepresst werden. Dies geschieht über stirnseitig angeordnete hydraulische Pressen, die die Graphitelektroden zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes gegen das kohlenstoffhaltige Material pressen.

Zur Einleitung der für die Graphitisierung notwendigen großen Stromlasten ergibt sich das Problem der Kontaktierung zwischen Graphitelektroden und der Siromversorgung. Bekannte Ausfuhrungen von derartigen Großflachenkontakten an Graphitelektroden sind beispielsweise seitlich verschraubte Meϊallkontakte Wegen des Platzbedarfs für die Verschraubung ergibt sich ein hoher unbenutzter Graphitanteil, der nicht der Kontaktgeometrie dient. Dieses verursacht hohe wiederkehrende Kosten beim Elektrodentausch und nutzt nur ca . 1 0 % der Kontaktflache zur eigentlichen Stromuberfragung wegen des großen Wiederstandsunterschieds der Kontaktmaterialien. Vereinfacht ausgedruckt, fließt der meiste Strom lediglich auf dem kürzesten Weg von den Metallkontakten über die Graphitelektrode zum kohlenstoffhaltigen Material und das Kontaktmaterial wird zu einem großen Teil nicht zur tatsächlichen Stromubertragung genutzt , Außerdem entsteht neben den erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen ein erheblicher Zeitaufwand zur manuellen Verschraubung der Kontaktstellen . Ein automatisches Verschrauben ist nicht üblich, weil es einen erheblichen Bauaufwand mit zusatzlichen Platzbedarf darstellen wurde, Zur Vermeidung dieser Nachteile sind auch stirnseitig aufgepresste Großflachenkontakte üblich. Ein Verschrauben ist hier nicht möglich, da die Gewindestange nicht durch die Graphitelektrode hindurchgefuhrt werden kann wie bei den seitlich verschraubten Kontakten Daher müssen die stirnseitigen Kontakte aufgepresst werden Dazu kann die ohnehin vorhandene Prozesshydraulik verwendet werden Allerdings ist wegen der Proportionalitat zwischen Strom- und Kraftbedarf die Kontaktkraft viel zu gering für den erforderlichen Kontaktdruck Der Druck kann nicht beliebig erhöht werden, da andernfalls das im Ofen befindliche Material zerstört wird. Wenn der Kontaktdruck allerdings zu niedrig ist, gibt es bedingt durch Ebenheitstoleranzen und Rauhigkeit verhältnismäßig wenig tragfahige elektrische Kontaktpunkte. Diese wenigen Kontaktpunkte müssen dann besonders viel Strom übertragen und es kommt zu lokalen Uberhitzungen, so dass diese Spitzen abschmelzen und andere Spitzen den Strom übernehmen und ebenfalls abschmelzen . Mit der Zeit verschlechtern sich solche Kontaktpaarungen zunehmend, da neben Oxidation der Oberflachen u.a auch die Kontaktkraft nachlasst, Dieses Phänomen wird als „Mikro Hot Spots" bezeichnet. Es gibt in der Regel eine stark ungleichmäßige Stromverteilung bei ein- oder mehrseitiger

Stromemleitung in die Kontaktplatte Wenn beispielsweise bedingt durch Unebenheit die Stromabnahme nur an einer kleinen Flache erfolgt, werden die Kontaktmateriahen an dieser Stelle sehr stark erwärmt. Im Fall von Graphit als Kontaktpartner verringert sich dort dann der elektrische Wiederstand und es fließt ein noch stärkerer Strom, was zu einer noch stärkeren Erwärmung fuhrt . In der Folge bildet sich ein großer Hot Spot, der zur teilweisen Zerstörung des beteiligten Mateπalkontakts fuhren kann,

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Graphitelektrode mit elektrischem Anschlussstuck zu schaffen , Diese Aufgabe wird durch eine Graphitelektrode mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteranspruche,

Erfindungsgemaß wurde erkannt, dass durch das Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen Graphitelektrode und Anschlussstuck durch keilförmige Koniaktslucke die oben genannten Nachteile beseitigt werden, Der für die elektrische Leitfähigkeit des Übergangs notwendige Kontaktdruck zwischen Kontaktstuck und keilförmiger Flache an der Graphitelektrode ist über den Keilwinkel und die Kontaktflache beeinflussbar, Beim oben beschriebenen Großflachenkontakt ist das Verhältnis des Kontaktdrucks zur Kontaktkraft dagegen nur über die Flache beeinflussbar, Der Kontaktdruck kann daher gesteigert werden, ohne dass eine erhöhte Kontaktkraft, z, B , durch hydraulische Pressen, erforderlich wäre

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kontaktstucke einzeln oder in Gruppen, insbesondere zu 2 -3 Kontaktstucken, federnd im Anschlussstuck gelagert sind, Dadurch sind Setzungen oder Lageanderungen der Graphitelektrode oder des Anschlussstucks bedingt durch Fertigungstoleranzen oder warmbedingte Dehnung ausgleichbar. Darüber hinaus kann jedes Kontaktstuck zusatzlich ein gewisses Spiel um alle Achsen aufweisen, welches es ermöglicht gröbere Winkel- und Lagetoleranzen auszugleichen , Dieses spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn die keilförmigen Flachen, in die die Kontaktstucke eingesetzt werden, unmittelbar aus dem Graphit der Graphitelektrode herausgearbeitet sind, Dabei treten größere Winkel- und Lagetoleranzen sowie stärkere Abweichungen durch Wärmedehnung auf Ware das elektrische Anschlussstuck dagegen starr mit einer Vielzahl von Kontaktstucken versehen, so wurden diese Winkel- oder Lagetoleranzen einen gleichermaßen optimalen Kontakt aller Kontakistucke verhindern Es ergäbe sich eine ungleichmäßige Stromverteilung und Stromeinleitung in die Graphitelektrode, Wenngleich die Frfindung auch durch lamellenariige Kontaktsϊucke umgesetzt werden kann, wird vorzugsweise das Kontaktstuck durch einen einzigen oder mehrere massive Keile bzw, Teilkeile gebildet. Massive Kontaktstucke, z B. aus Kupfer können mehr Strom als die sonst üblichen Kontaktlamellen übertragen und vertragen auch einen höheren Kontaktdruck, Sie verformen sich nicht so leicht wie Lamellen oder Federlamellen und ermöglichen einen besseren Flachenkontakt. Teilkeile können federnd verbunden sein und einen In sich federelastischen Keil bilden . Die Teilkeile können durch z, B senkrecht zur Keilπchtung verlaufende Federn verbunden . Diese Federn bestehen z, B. aus

Spiralfedern oder federfahigem Material . Die Teilkeile können auch aus einem massiven Keil herausgearbeitet sein, sodass nur ein Steg des Keilmateπals in der Mitte des Keils stehen bleibt.

Vorzugsweise bilden die keilförmigen Flachen bzw. Gegenflachen einen Keilwinkel In Versuchen hat sich ein Keilwinkel von 5 bis 45 Grad als besonders vorteilhaft erwiesen. Dabei entsteht ein im Verhältnis zum Kontaktkraft ausreichend hoher Kontaktdruck zwischen den Flachen, Durch die erfindungsgemaße keilförmige Ausgestaltung wird die durch die Feder übertragene Kontaktkraft zur Seite hin auf die keilförmigen

Flachen umgeleitet und gemäß dem Kräfteparallelogramm verstärkt. Die stirnseitig in die Graphitelektrode eingeleiteten Kräfte bleiben daher vergleichsweise gering und dennoch wird ein ausreichender Kontaktdruck erzeugt.

Vorzugsweise ist ein flexibler Stromleiter unmittelbar mit jedem einzelnen Kontaktstuck verbunden, Dies ist zum Ausgleich des Federweges und des Spiels der Kontaktstucke sowie für die Bewegung der Elektrode erforderlich. Dabei kann es sich um gestapeile Metallfolien oder Metallgeflechte oder Kabel handeln, die jeweils mit einem der

Kontaktstucke bzw. einer der Gruppen von Kontaktstucken verbunden sind ,

Vorzugsweise sind alle Kontaktstucke so angeordnet, dass sie in die gleiche Richtung weisen Dieses ermöglicht ein einfaches Einfuhren aller Kontαkistucke in die Keilflαchen , Die Kontαktstucke müssen dabei nicht zwingend parallel zueinander stehen .

Wenn vorzugsweise die keilförmigen Flachen auf der Stirnseite der Graphitelektrode angeordnet sind, ergibt sich die Möglichkeit, die ohnehin vorhandenen stirnseitig angeordneten hydraulischen Pressen, die die Graphitelektroden zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes gegen das kohlenstoffhaltige Material pressen auch gleichzeitig zum Anpressen des Anschlussstucks gegen die stirnseitigen keilförmigen Flachen der Graphitelektrode zu benutzen . Durch die keilförmige Ausgestaltung ist der mit Rucksicht auf das kohlenstoffhaltige Material nicht beliebig erhohbare hydraulische Anpressdruck nun vollkommen ausreichend zum Herstellen einer ausreichend stromtragfahigen Verbindung zwischen Anschlussstuck und Graphitelektrode

Aufgrund des im Verhältnis zu Kupfer vergleichsweise hohen elektrischen Wiederstands von Graphit, neigt der Strom dazu, den kürzesten Weg durch die meist quaderförmige Graphitelektrode zu nehmen, Um dies zu berücksichtigen sind die keilförmigen Flachen vorzugsweise derart auf der Stirnseite der Graphitelektrode angeordnet, dass sich unter

Berücksichtigung des o.g . spezifischen Widerstands von Graphit für alle Kontaktstucke im Betrieb ein vergleichbarer elektrischer Strom ergibt. Dies ist dann gegeben, wenn samtliche durch die unterschiedlichen Kontaktstucke geführten Strome in einem Bereich von +/- 20 % liegen. Meist ergibt sich daraus eine punkt- oder spiegelsymmetrische

Anordnung, z, B, entlang parallele Linien oder Bogen- bzw. kreisförmig .

Vorzugsweise sind die keilförmigen Flachen unmittelbar in der Graphitelekfrode bzw. der Stirnflache der Graphitelektrode angeordnet, z. B durch Einfrasen . Das Kontaktstuck, welches zumeist aus Kupfer besteht, wird also unmittelbar mit den keilförmigen Flachen aus Graphiϊ in Eingriff gebracht. Es erübrigt sich das arbeitsaufwendige Ansetzen einer Kontaktplatte aus z. B, Kupfer mit den entsprechenden keilförmigen Flachen Es wird daher ein unnötiger weiterer Materialubergang vermieden Dennoch fallt es auch unter die Erfindung, wenn eine fest mit der Oberflache der Graphitelektrode verbundene Kontaktplatte vorgesehen ist, welche die erfmdungsgemaßen keilförmigen Flachen aufweist, Eine solche Platte kann beispielsweise aus Kupfer bestehen . Die Befestigung an der Stirnseite der Graphitelektrode erfolgt beispielsweise durch die Verschraubung mit herkömmlichen Gewindeschrauben und Quergewindebolzen, die durch Querbohrungen in die Graphitelektrode eingebracht werden und für eine gleichmaßige Verteilung von Gewindebohrungen über die Stirnflache der Graphitelektrode benutzt werden Durch diese Art der Befestigung kann die Platte mi f einer großen Kraft gegen die stirnseitige Oberflache der Graphitelektrode gezogen werden Dieser Druck wird jedoch nicht an das im Ofen zu graphitisierende kohlenstoffhaltige Material weitergegeben .

Vorzugsweise ist die Graphitelektrode mehrstuckig ausgebildet mit mehreren - vorzugsweise gleichartigen und/oder quaderartigen Einzelelektroden, welche Seite an Seite nebeneinander angeordnet sind, Vorzugsweise hat jede Einzelelektrode seitliche Anfasungen, insbesondere zwei Anfasungen, welche die Keilflachen bilden, derart, dass je zwei benachbart zueinander liegende Anfasungen bzw Keilflachen von benachbarten Einzelelektroden zusammen eine Keilnut bilden . Dieser mehrteilige Aufbau der Graphitelektrode ist unabhängig von der Ausgestaltung der Anschlussstuckes einsetzbar.

Vorzugsweise sind seitlich angeordnete kraftmaßig gegeneinander wirkende Mittel zum Zusammenhalten der Einzelelektroden vorgesehen, dessen Kraftrichtung um ca . 90° versetzt zur Trennfuge und axialen Bewegungsrichtung der Kontaktstucke steht

Vorzugsweise sind die Mittel zum Zusammenhalten der Einzelelektroden derart, dass diese beim oder nach dem Andrucken des Anschlussstuckes gegen die Graphitelektrode wirksam werden,

Vorzugsweise haben alle Einzelelektroden die gleiche Geometrie, Vorzugsweise ist der Keilwinkel so gewählt wird, dass Selbsthemmung auftritt, also der Keil durch entgegenwirkende Reibkrafte nicht aus seiner V-formigen Nut herausgleiten kann.

Im Folgenden wird die Erfindung in nicht beschrankender Weise mittels Figuren beispielartig beschrieben und erläutert,

Fig. 1 .1 , 1 .2 zeigen eine quaderartige Graphitelektrode 2, an deren rückwärtigen nicht dargestellten Stirnflache das zum Graphitisieren bestimmte kohlenstoffhaltige Material zur Umwandlung von amorphem Kohlenstoff zum polykristallinen Graphit befestigt ist. Die entgegengesetzte Stirnflache 23 weist Keilnuten auf, die durch zwei keilförmige Flachen 21 gebildet werden. Die Keilnuten erstrecken sich senkrecht zur Stirnflache 23, Gegen die freie Stirnflache 23 der

Graphitelektrode 2 wird ein elektrisches Anschlussstuck 1 durch einen nicht dargestellten Hydraulikstempel gedruckt, Das elektrische Anschlussstuck 1 weist dabei eine Vielzahl einzeln gelagerter Kontaktstucke 1 1 auf, die ebenfalls keilförmig angeordnete Gegenflachen 1 2 aufweisen, Diese können im Eingriff mit den Flachen 21 der Keilnut stehen zur Herstellung eines elektrischen Flachenkontakts, Das keilförmige Kontaktstuck 1 1 ist aus massivem Kupfer und ist unmittelbar mit einem flexiblen elektrischen l eiter verbunden , Dieser kann beispielsweise aus gestapelten Metallfolien oder einem Metallgeflecht oder Kabel bestehen ,

Jedes der Kontaktsϊucke 1 1 ist einzeln federnd im Anschiussstuck 1 gelagert Bei der Kontaktierung betragt der Federweg dabei mindestens 1 mm . Dabei betragt die minimale Federlange mindestens das zehnfache des sich ergebenden Federwegs um eine nahezu gleichmäßige Federkraft über den benotigten Federweg zu erreichen, Es ergibt sich somit für jedes Kontaktstuck ein nahezu gleicher Kontaktdruck mit den Flachen 21 der Keilnut, unabhängig von etwaigen Lageabweichungen der unterschiedlichen Keilnuten 21 . Fig, 2.1 , 2.2 entsprechen im Wesentlichen Fig, 1 , jedoch sind die Keilnuten 21 nicht unmittelbar in der Graphitelektrode 2 eingebracht, Vielmehr ist eine Kontaktplatte 4 - typischerweise aus Kupter - an der treien Stirnseite 23 angebracht. Diese Kontaktplatte 4 weist - hier aufgesetzte - Keilnuten 21 auf, in die die keilförmigen Anschlussstucke 1 1 eingesetzt werden können . Das Befestigen der Kontaktplatte 4 an der Graphitelektrode 2 erfolgt beispielsweise durch die Verschraubung mit herkömmlichen Gewiπdeschrauben 41 und Quergewindebolzen 42, die durch Querbohrungen 24 in die Graphitelektrode eingebracht werden und für eine gleichmäßige Verteilung von Gewindebohrungen über die Stirnflache der Graphitelektrode benutzt werden.

Fig. 3 zeigt einen Detailansicht eines Kontaktstuckes 1 1 mit dessen keilartig angeordneten Gegenflachen 1 2 , Das Kontaktstuck 1 1 ist außen auf zwei Bolzen 1 3 verschiebbar gelagert. Auf den Bolzen sitzen Federn 1 4, die das Kontaktstuck 1 1 in Keilrichtung drucken . Die Bolzen sind verschiebbar in Abstandshaltern 1 8 gelagert, die rückseitig mit dem nicht dargestellten Abstandsstuck 1 verbunden sind, Am Kontaktstuck 1 1 sind die flexiblen Leiter 3 mechanisch fest und elektrisch gut leitend, zum Beispiel durch Verschrauben, Loten oder Schweißen verbunden ,

Fig. 4 entspricht der Ansicht der aus Fig , 3 und unterscheidet sich davon nur in der Form des keilförmigen Kontaktstuckes. Dieses ist so in der Horizontalebene geschlitzt, dass die obere und die untere Hälfte des keilförmigen Kontaktstucks nur noch durch einen schmalen Steg verbunden sind, der als Drehgelenk für den Ausgleich von Winkelfehlern dient und einen Ausgleichstrom fuhren kann.

Fig. 5 entspricht der Ansicht der aus Fig , 4 und unterscheidet sich davon nur in der Form des keilförmigen Kontaktstuckes, Dieses ist zweiteilig - hier auf Umschlag passend zur Befestigung der Bolzen - aufgebaut und weist anstelle eines Steges ein Drehlager für Winkelanpassungen der Keilstucke auf , Das Drehlager kann als ein eigenes Bauteil in Form einer Welle oder eines Zwischenstucks ausgeführt sein, Es kann aber auch durch die spezielle Form von Ober- und Unterteil des keilförmigen Kontαktstuckes ausgebildet werden (nicht dargestellt),

Fig, 6.1 , 6.2, 6,3 zeigen einen zweiteiligen Kontaktkeil, bestehend aus zwei Einzelkeilen 1 01 , die jeweils so ausgebildet sind, dass sich durch Horizontalschlitze 1 1 1 im Keilsockel eine Federwirkung in Druckrichtung gemäß Fig .7 ergibt Außerdem erlauben die Horizontalschlitze 1 1 1 eine federnde Winkelbewegung und Torsionsbewegung der keilförmigen Spitze um die Langsachse Die Schlitze sind hier über die Hohe abwechselnd von links und rechts und parallel zueinander in das Sockelstuck der

Einzelkeile eingebracht, wobei sich die Horizontalschlitze 1 1 1 von oben gesehen teilweise überlagern , Dadurch ergibt sich eine besondere Federbarkeit in Richtung der Schlitze, d , h, nach rechts und links in Fig , 6 2, Eine verbesserte Federbarkeit in alle Richtungen, d, h . nach vorne, hinten, rechts und links in Fig , 6, 2, ergibt sich, wenn die Schlitze über die Hohe abwechselnd von allen vier Seiten, z, B von vorne, links, hinten und rechts in das Sockelstuck der Einzelkeile eingebracht Das Keilstuck ist also einstuckig und derart ausgestaltet, dass dessen Form die Funktion der Federn aus Fig , 1 übernehmen kann,

Durch Vertikalschlitze 1 1 4 getrennt entstehen einzelne Kontaktflachen 1 2, die sich, gegenseitig abgestutzt durch eine Kugel 20, relativ zueinander in allen Freiheitsgraden bewegen können

Fig, 7 zeigt die mittels Gewindebohrungen 1 1 5 (s, Fig , 6. 1 ) an einer Druckplatte 40 befestigten Einzelkeile 1 01 , die so zu einem oder mehreren Kontaktkeilen kombiniert werden und mil einer Druckkraft F und mit elektrischem Strom beaufschlagt werden, Keilnuten in einem Gegenstuck 2, hier der Graphilelektrode, können erfindungsgemaß Feri igungsungenauigkeiten im Rahmen von unublich groben Toleranzen hinsichtlich Winkeligkeit, Parallelität und Nuttiefe aufweisen, ohne dass ein guter elektrischer Kontakt gefährdet wäre, Insbesondere bei einer Kombination von einer mit Einzelkeilen 1 01 bestuckten Druckplatte 40 mit mehreren verschiedenen Gegenstucken, also beispielsweise unterschiedlichen Graphitelektroden 2, bei einer feststehenden Stromversorgungseinheit und mehreren beweglichen Abnehmern, wie zum Beispiel bei Rundtαkttischen oder Transferstraßen sowie der umgekehrte Fall von einer beweglichen Stromversorgungseinheiϊ und mehreren feststehenden Abnehmern, wie sie beispielsweise bei Großofenanlagen mit taktender Stromversorgung der feststehenden Einzelofen zu finden sind, ist die Anpassungsfähigkeit der Einzelkeile an die jeweils vorliegende Gegengeometrie besonders hilfreich, da durch die häufig wechselnden Gegenstucke 2 eine Anpassung eines massiven Einzelkeils an die ideale Kontaktgeometrie zum Gegenstuck durch Abrieb und plastische Verformung nicht möglich wäre,

Ein Flachenkon fakt weist immer eine statistisch zufallig auftretende Zahl von Kontaktpunkten zwischen den Flachen auf, die von der Ebenheit und der Rauhigkeit der Flachen abhangen, Je mehr Kontaktpunkte es gibt, desto besser sind der elektrische Kontakt und der Wärmeübergang zwischen den Bauteilen verschiedener Potentiale, die zum Beispiel ein trennbares Schaltelement bilden können ,

Die vorliegende Konstruktion erlaubt durch Ihren Federcharakter, sowohl in Druckrichtung als auch bezuglich der Beweglichkeit der Einzelflachen 1 2 zueinander, eine aus statistischer Sicht „2 x (N + l )"-fache häufigere Bildung von Kontaktpunkten als bei einem vergleichbaren, einteiligen, ungeschlitzten Bauteil auf, wobei „N" die Anzahl der Vertikalschlitze 1 1 4 ist

Fig, 7 zeigt einen typischen Aufbau von einer Druckplatte 40, Kontaktkellen 1 01 und einem Gegenstuck 2, hier die Graphitelektrode oder die Kontaktplatte, Durch die Anordnung einer Anzahl von „M" zweiteiligen Kontaktkeilen mit „N" Vertikalschlitzen 1 1 4 liegt die statistische Anzahl der Kontaktpunkte zwischen den Einzelkeilen 1 01 und dem Gegenstuck 2 um den Faktor M - 2 - (N + l) hoher als bei das bei einteiligen ungeschützten Kontaktkeilen der Fall wäre, In dem mit Fig , 6 1 und Fig , 7 gezeigtem Beispiel waren das 6 - 2 - (4 + l) = 60 mal mehr Kontaktpunkte, als bei der Ausfuhrung mit massiven Kontaktkeilen , Die Kontaktkraft an den Keilflachen lasst sich durch den Keilwinkel Phi des Einzelkeils über die Beziehung Kontαktkrαft F _N = Aπdruckkrαft F_v/ sιn(Phi) errechnen Je kleiner der Winkel Phi des Einzelkeils wird, desto großer wird die Kontαktkrαft,

Vergleicht man einen einfachen flachen Kontakt zwischen Druckplatte 40 und Gegenstuck 2, bei gleichen Flachenverhaltnissen und gleicher Druckkraft, so erhöht sich bei Einzelkeilwinkeln von 30° bis ca , 1 0° die Kontaktkraft F _N circa um den Faktor 2 bis 6. Die statistische Wahrscheinlichkeit der Anzahl der Kontaktpunkte steigt mit höherer Kontaktkraft nahezu proportional an, so dass man von einem Faktor von 1 ,8 bis 5 ausgehen kann . Im Vergleich zum flachen Großflachenkontakt bietet die dargestellte Losung mit mehrfach geschlitzten Einzelkeilen also eine um den Faktor 1 00 bis 300 bessere Kontaktierung dar.

Fig, 8 zeigt das Kräfteverhältnis zwischen Normalkraft F _N auf der

Keilflache, der Horizontalkomponente F_H und der Vertikalkomponente F_v (Andruckkraft) der Kraft,

Fig. 9 zeigt einen geschlitzten Einzelkeil 1 01 , der aus einem Vollmateπal durch einfach Arbeitsverfahren wie Sagen, Fräsen, Bohren und

Gewindeschneiden herstellbar ist. Die Ausfuhrung eignet sich für die Fertigung kleinerer Stuckzahlen . Es werden keine separaten Bauteile zur federnden Lagerung benotigt, Außerdem zeigt die Fig . die Position der Kugeln 20, die es den Einzelkeilen ermöglichen sich gegenseitig abzustutzen und die Horizontalkomponente, der auf die Flachen wirkenden Normalkraft sich gegenseitig aufheben zu lassen .

Fig. 1 0 zeigt einen im Vergleich zu Fig . 9 für das Feriigungsverfahren Strangpressen oder Strangziehen optimierten Einzelkeil, der sich für die Fertigung höherer Stuckzahlen eignet, Die Horizontalschlitze 1 1 1 erstrecken sich über die Lange des Profils und können daher ohne weitere Bearbeitung unmittelbar beim Pressen/Ziehen hergestellt werden,

Fig, 1 1 zeigt ein im Vergleich zu Fig , 1 0 weiter optimierten Querschnitt, der es ermöglicht den in Fig , 6 1 gezeigten zweiteiligen Kontaktkeil, unter Beibehaltung der vorteilhaft beschriebenen Federeigenschaften und der Freiheitsgrade, einstuckig auszufuhren. Das ermöglicht, insbesondere bei sehr hohen Stuckzahlen, die Einsparung von Fertigungs- und Montagekosien Die notwendigen Kugeln können in dieser Ausfuhrung unter Ausnutzung der Federwirkung der beiden Schenkel und unter Zuhilfenahme eines einfachen Lochbandes als Kugelkafig (nicht dargestellt) durch die Schlitze 61 montiert und fixiert werden ,

Fig, 1 2.1 , 1 2, 2, 1 2.3 zeigen einen im Vergleich zu Fig 9 als geschlitzten Kegelstumpf ausgeführten, einstuckigen Kontaktbolzen, der mit einem zentralen Gewinde 75 und/oder mehrerer Einzelgewindebohrungen 76 auf einer stromführenden Druckplatte 40 befestigt wird und in den über die Kontaktflache 71 der Strom eingeleitet wird Die spitz zulaufende Form verringert die Querschnittsflache entlang der Kontaktflache zum Gegenstuck (nicht dargestellt) und ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die Stromverteilung entlang der Kontaktflache verbessert wird, insbesondere wenn das Gegenstuck einen deutlich niedrigeren elektrischen Leitwert besitzt als der Kontaktbolzen . Für den kürzesten Stromweg steht weniger Kontaktflache zur Verfugung als für den Langeren Weg . Der Strom nutzt daher gleichmaßiger die Kontaktflache. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn das Gegenstuck aus Graphit besteht. Das Gegenstuck kann auf einfache Weise mittels Kegelbohrungen hergestellt werden . Idealerweise orientiert man sich bei der Wahl des Winkels an bereits verfugbaren Werkzeugen zur Herstellung von Werkzeugaufnahmen für Bohr- oder Fräsmaschinen, aber auch andere beliebige Winkel können gewählt werden. Es sind von Außen oder wechselweise von Außen und Innen angebrachte umlaufende Horizontalnuten 73 im Bereich des Kegelsockels als Feder und mittig eingebrachte Vertikalschlitze 74, vorzugsweise kreuzartig, vorgesehen , Durch die Bohrung 72 wird eine Kugel (nicht dargestellt) eingeführt, die es den durch die Schlitze 74 abgetrennten Teilkeilen erlaubt sich gegenseitig abzustutzen und die Horizontalkomponenten, der auf die Flachen wirkenden Normalkrafte sich gegenseitig aufheben zu lassen Die Bohrung 72 kann durch Aufweiten der Schlitze 74 an der Spitze des Kegelstumpfes so hergestellt werden, dass sich nach dem Bohren und Wegnehmen der Aufweitung am Ende der Bohrung ein größerer Durchmesser ergibt als im Bereich der Kegelstumpfspitze Dadurch wird sichergestellt, dass die danach eingesetzte Kugel an ihrer vorgesehenen Position bleibt,

In den Ausfuhrungsbeispielen wurde die Erfindung anhand von keilförmigen Kontaktstucken und keilnutformigen Gegenstucken beschrieben Umgekehrt kann natürlich auch das Kontaktstuck als Keilnut ausgebildet sein und das entsprechende Gegenstuck in der Graphitelektrode als Keil ausgebildet sein , Die Keilform ist vorzugsweise symmetrisch , Ebenfalls lediglich exemplarisch wurde die Erfindung in Zusammenhang mit der Graphitisierung beschrieben, Die erfindungsgemaße Kontaktierung einer Graphitelektrode mit einem metallischen Leiter kann in gleicher Weise auch bei Graphitelektroden zur Erschmelzen von Metallen verwendet werden, z B, aus Erzen, Stahl aus Roheisen oder Schrott, Nickel aus Nickelerz oder bei Reduktionsprozessen, z B , in der Aluminiumproduktion ,

Fig, 1 3 und 1 4 zeigen schematisch eine alternative Ausgestaltung der Graphitelektrode 2, welche mehrstuckig ausgebildet ist, in der Draufsicht bzw, Seitenansicht, je nachdem wie die durch die je zwei keilförmigen Flachen 21 gebildeten Keilnuten ausgerichtet sind , Die Elekfrode 2 ist dabei aus mehreren - vorzugsweise gleichartigen und/oder quaderartigen Einzelelektroden 2a-2d aufgebaut, welche Seite an Seite nebeneinander angeordnet sind, Jede Einzelelektrode hat seitliche Anfasungen, insbesondere zwei Anfasungen, welche die Keilflachen 21 bilden, Je zwei benachbart zueinander liegende Anfasungen bzw, Keilflachen 21 von benachbarten Einzelelektroden bilden zusammen eine Keilnut, In der Trennfuge zwischen zwei benachbarten Einzelelektroden liegt der Nutgrund der Keilnut, In der dargestellten Ansicht sind es vier nebeneinander angeordnete Einzelelektroden , Es können aber auch außerdem mehrere solcher Reihen übereinander, d , h sich in die Tiefe der Ansicht erstreckend, vorhanden sein

Die einzelnen Einzelelektroden 2a-2d können bei der notwendigen Bearbeitung der Seitenflachen auf die erforderlichen Nennmaße auf einfache Weise die eine oder mehrere abgeschrägte keilförmigen Flachen 21 erhalten, die spater im Zusammenbau die Keilnut bzw v- formigen Kontaktflachen zur elektrischen Kontaktierung bilden können Dieser mehrteilige Aufbau der Graphitelektrode ist unabhängig von der Ausgestaltung der Anschlussstuckes 1 in Fig 1 3 und 1 4 einsetzbar

Das Anschlussstuck 1 tragt eine Mehrzahl von keilartigen Kontaktstucken 1 1 und entspricht im Wesentlichen den zuvor genannten Ausfuhrungsbeispielen Auch die Konϊaktstucke 1 1 können wie bereits oben beschrieben ausgestaltet sein und sind federnd mit dem

Anschlussstuck 1 verbunden, was durch die Federn angedeutet wird Durch den mehrteiligen Aufbau der Graphitelektrode 2 kann gegebenenfalls auf den zweiteiligen Aufbau des Kontaktstuckes verzichtet werden, da die einzelnen Teile 2a-2d gegebenenfalls Setzungen aufnehmen können Die Kontaktstucke 1 1 können daher steif und/oder massiv sein und somit leichter herstellbar sein

Nicht dargestellt sind der elektrische Anschluss an den federnd gelagerten Kontaktstucken 1 1 , sowie die zur Graphitierung vorgesehenen Werkstucke aus Rohkohle

Da die Trennfugen beim Kontakl ieren durch die Kontaktstucke auf Zug belastet sind und einen sich öffnenden Spalt bilden wurden, sind seitlich gegeneinander wirkende Mittel zum Zusammenhalten 51 , I a, z B in Form von Niederhaltern vorgesehen, deren Kraftrichtung um ca 90° versetzt zur Trennfuge und axialen Bewegungsrichtung der Kontaktstucke 1 1 steht

Diese Mittel können statisch sein, z B eine Zwinge Vorzugsweise werden aber dynamische Mittel vorgeschlagen, die beim oder nach dem

Andrucken des Anschlussstuckes 1 gegen die Graphitelektrode wirksam werden Letzterer Fall hat folgenden Vorteil Zum Aufbau eines hohen Kontaktdruckes zwischen den Keilflachen 21 und den daran anliegenden Oberflachen der Kontaktstucke 1 1 können die Kontaktstucke zunächst mit einer vergleichsweise geringen Kontaktkraft in axialer Richtung zwischen die Keilflαchen 21 geschoben werden , Der Kontαktdruck ist zu diesem Zeitpunkt noch gering und für die Stromleitung nicht optimal . Danach erst werden die Mittel zum Zusammenhalten 51 , I a wirksam. Diese drucken wegen der flachen Keilform der Kontaktstucke 1 1 die Keilflachen 21 gegen die Oberflache der Kontaktstucke 1 1 . Es baut sich der beabsichtigte hohe Kontaktdruck auf, ohne die aus dem Stand der Technik bekannten hohen axialen Kontaktkrafte. Die nebeneinander liegenden Einzelelektroden 2a-2d sind durch die Mittel zum Zusammenhalten wegen der Trennfuge ausreichend zusammendruckbar, Je nach Auslegung kann auch eine einstuckige Graphitelektrode ausreichend zusammendruckbar sein ,

Fig. 1 3 zeigt, dass die Mittel zum Zusammenhalten 51 separat, z, B, als zusätzlicher Druckzylinder, ausgebildet sein können , Dieser übt einen seitlicher Druck aus, der unabhängig von der Kraft zum Andrucken des Anschlussstuckes 1 gegen die Graphitelektrode ausgeübt werden kann, Bei beweglicher Lagerung der seitlichen Druckzylinder kann diese Art der Kontaktierung unter Nutzung der Selbsthemmung zur axialen Ruckbewegung der Graphitelektrode zusammen mit dem Anschlussstuck genutzt werden, wenn der seitliche Druck erst nach der ausgeführten Ruckbewegung gelost wird .

Fig. 1 4 zeigt, dass vorzugsweise die Mittel zum Zusammenhalten I a auch abhangig, z B. über eine Hebel- und Federkonstruktion, ausgebildet sein können Diese übt einen seitlicher Druck aus, der abhangig von der Kraft zum Andrucken des Anschlussstuckes 1 gegen die Graphitelektrode ausgeübt werden kann Im Beispiel wird zunächst über die Feder eine axial wirkenden Kraft auf das Anschlussstuck 1 ausgeübt, welche die Kontaktstucke 1 1 zunächst mit einer vergleichsweise geringen Kontaktkraft in axialer Richtung zwischen die Keilflachen 21 schieben , Erst bei Stauchung der Feder beginnen die über ein Gestänge 6 und Hebel wirkenden Mittel zum Zusammenhalten I a zu wirken , Der Fachmann vermag mittel üblicher Überlegungen die Federn, Gestänge, Hebelverhaltnisse und Winkel der Konstruktion entsprechend auszulegen, dass bei geringer Kontaktkraft ein ausreichender Kontaktdruck erzielt wird, Der Vorteil diesen Aufbαus hegt darin, dass nur Druckgeber in axialer Richtung eingesetzt werden müssen und sich der zeitliche Ablauf rein mechanisch gesteuert durch Hebel und Feder ergibt

Fig. 1 3 und 1 4 zeigen ferner, dass randseitige Kontaktstucke 1 1 a an der Graphitelektrode 2 anliegen, wobei die Mittel zum Zusammenhalten 51 , I a gegen die randseitigen Kontaktstucke 1 I a wirken Es ergibt sich eine gleichmäßiger Stromeinleitung Ferner können identische Finzelelektroden 2a-2d hergestellt werden, da die randseitigen Elektroden 2a, 2d keine andere Geometrie benotigen

Eine weitere oder alternative Maßname zur Erzielung der Unabhängigkeit des Kontaktdruckes von der axialen Kontaktkraft wird erreicht, wenn der Keilwinkel so gewählt wird, dass Selbsthemmung auftπtr, also der Keil durch entgegenwirkende Reibkrafte nicht aus seiner V-formigen Nut herausgleiten kann Die axiale Kontaktkraft kann daher sogar wegfalllen oder negativ werden, ohne dass der Kontaktdruck nennenswert nachlasst Bei dem Ausfuhrungsbeispiel aus Fig 1 3 ermöglicht dies bei einer beweglichen Lagerung der Druckzylinder 51 das axiale Bewegen der Graphitelektrode 2 zusammen mit dem anhaftenden Kontaktstuck 1 solange die Mittel zum Zusammendrucken wirken Das ist bei sehr kleinen Keilwinkeln PHI, vorzugsweise kleiner 5°, der Fall Der maximale Winkel wird dabei durch die vorliegenden oder auch durch die erzielbaren Reibverhaltnisse bestimmt und ist vom Fachmann zu ermitteln Selbsthemmung tritt auf, wenn der Tangens von PHI kleiner oder gleich dem Reibwert μ ist Bei kleinen Winkeln ist der Tangens des Winkels ungefähr gleich dem Winkel (in Bogenmaß)

Claims

EiliMlMDSfilücJie

. Grαphitelektrode mit elektrischem Anschl ussstuck (1 )

dadurch gekennzeichnet, dass

die Graphitelektrode (2) eine Mehrza hl keilförmiger Flachen (21 ) aufweist,

das Anschlussstuck ( 1 ) eine Mehrzahl von Kontaktstucken ( 1 1 ) mit keilförmigen Gegenflachen ( 1 2) aufweist, wobei die Flachen und Gegenflachen derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Flachen (21 ) und Gegenflachen ( 1 2) zur Herstellung eines Flachenkontakts in Eingriff stehen und Strom in die Graphitelθktrode über das Ansc hlussstuck eingeleitet werden kann

Elektrode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstucke ( 1 1 ) einzeln oder in Gruppen federnd im Anschlussstuck ( 1 ) gelagert sind, derart dass Setzungen, warme- und/oder toleranzbedingten Lageanderungen der Graphitelektrode oder des Anschlussstuckes ausgleichbar sind, wobei vorzugsweise ein Spiel um alle Achsen von mindestens 1 °, vorzugsweise 2° gegeben ist. , Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Federdruck in Richtung des durch die kei lförmigen F lachen gebildeten Keils wirkt, 4 Elektrode nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein massiver Keil das Konta ktstuck bildet,

5 , Elektrode nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keilförmigen F lachen bzw.

Gegenflachen unter einem Keilwinkel zwischen 5 - 45° angeordnet si nd ,

6 , Elektrode nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein flexibeler Stromleiter (3) jeweils mit einem der Kontaktstucke bzw, einer der Gruppen von Kontaktstuckeπ verbunden ist,

7 , Elektrode nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keilförmigen Flachen a uf der Stirnseite

(23) der Graphitelektrode angeordnet sind ,

8 Elektrode nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keilförmigen Flachen derart auf der Stirnseite (23) der Graphitelektrode angeordnet si nd, dass sich unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstandes von Graphit für alle Kontaktstucke im Betrieb ein vergleichbarerer elektrischer Strom ergibt, i nsbesondere in ei nem Bereich von +/- 20 %

9 , Elektrode nach ei nem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine fest mit der Oberflache der Graphitelektrode verbundene Kontaktplatte (4) vorgesehen ist, wobei die Mehrzahl keilförmiger F lachen (21 ) auf der Oberflache der der Graphitelektrode abgewandten Seite der Kontaktplatte vorgesehen ist

1 0 , Elektrode nach einem der vorherigen Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflache der Graphitelektrode unmittelbar die keilförmigen Flachen bildet, Elektrode nac h einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktstuck mehrere Einzelkeile ( 1 01 ) mit als Feder wirkenden Horizontalschlitzen ( 1 1 1 ) im Keilsockel aufweist

Elektrode nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (2) mehrstuckig ausgebildet mit mehreren - vorzugsweise gleichartigen und/oder quaderartigen - Einzelelektroden (2a-2d), welche Seite an Seite nebeneina nder angeordnet sind

Elektrode nac h einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich an der Elektrode (2) gegeneinander wirkende Mittel (51 , I a) zum Zusammenhalten der Einzelelektroden (2a-2d) vorgesehen sind

Elektrode nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel (PHI ) so gewählt ist, dass Selbsthemmung auftritt

Ofen zum Gra phitisieren von kohlenstoffhaltigen Materialien zur Umwandlung vom amorphen Kohlenstoff zum polykπstalli nen Graphit mit zwei Graphitelektroden nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen den beiden Graphitelektroden das kohlenstoffhaltige Material angeordnet ist und die elektrischen

Anschlussstucke stirnseitig an den die Graphitelektroden angeordnet si nd