ES2276173T3 - Electrodos de carbono y sus elementos de union con superficies de contacto direccionalmente estructuradas. - Google Patents
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Abstract
Columna de electrodos provista de electrodos de carbono (1) con cajas y roscas internas (4) frontales y con racores de carbono (2) que unen cada uno de ellos dos de tales electrodos (1), o provista de electrodos de carbono (1) con caja y rosca interna (4) en un lado frontal y con racor integrado en el otro lado frontal, cuya columna está prevista para su utilización en un horno de arco eléctrico destinado a la producción de metales de alto punto de fusión, teniendo los electrodos de carbono (1) y los racores de carbono (2) una superficie de contacto idealmente configuradas con resaltos escamosos que sobresalen de ella y están direccionalmente estructurados, caracterizada porque los resaltos escamosos direccionalmente estructurados sobresalen de la superficie de contacto idealmente configurada en un pequeño intervalo de altura de 1 a 100 micrómetros, y porque las superficies de contacto contiguas de una unión atornillada tienen una presión de apriete en el intervalo de 0, 1 a 80 N/mm2.
Description
Electrodos de carbono y sus elementos de unión
con superficies de contacto direccionalmente estructuradas.
La invención concierne a elementos de una
columna de electrodos que está constituida por electrodos de carbono
con cajas y roscas internas frontales y por racores de carbono que
unen cada uno de ellos dos de tales electrodos o que consta de
electrodos de carbono con una caja dotada de rosca interna en un
lado frontal y de un racor integrado en el otro lado frontal, cuyos
elementos están previstos para una columna de electrodos destinada a
utilizarse en un horno de arco eléctrico para la obtención de
metales de alto punto de fusión, teniendo los elementos unas
superficies de contacto idealmente configuradas con resaltos a
manera de escamas, o sea, escamosos, que sobresalen de ellas y
están direccionalmente estructurados.
La fabricación de cuerpos de carbono
carbonizados o grafitizados es una técnica que se ha dominado desde
hace más de un centenar de años y que se aplica en el campo
tecnológico a escala industrial y, por tal motivo, está
perfeccionada en muchos puntos y optimizada en cuanto a los costes.
Una de las descripciones de esta técnica se encuentra en ULLMANN'S
ENCYCLOPEDIA OF INDUSTRIAL CHEMISTRY, Vol. A5, VCH
Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1986, páginas 103 a 113.
La aplicabilidad de los electrodos, racores y
columnas de electrodos de carbono en horno de arcos eléctrico
depende de las propiedades logradas durante la fabricación,
especialmente también de las propiedades de la superficie. Estas
propiedades de la superficie dependen, por ejemplo, de la clase del
material (grado de grafitización), del contenido de poros, del
tamaño del grano o de la clase de mecanización que determina la
aspereza de la superficie. Los factores antes citados determinan los
coeficientes de rozamiento, los cuales tienen un cometido importante
al ensamblar dos cuerpos - por ejemplo, un electrodo y un racor o
dos electrodos - y al deslizar dos superficies una sobre otra.
Un horno de arco eléctrico contiene al menos una
columna de electrodos de carbono. Esta columna se sujeta en el
extremo superior por medio de un brazo portante a través del cual
llega también la corriente eléctrica a la columna de electrodos.
Durante el funcionamiento del horno, el arco eléctrico pasa de la
punta inferior de la columna al material fundido que se encuentra en
el horno. Debido al arco voltaico y a las altas temperaturas
reinantes en el horno, la columna de electrodos se consume
lentamente por combustión en su extremo inferior. El acortamiento de
la columna de electrodos se compensa haciendo que la columna avance
por tramos hacia dentro del horno y atornillando, en caso
necesario, un electrodo adicional en el extremo superior de la
columna. En caso necesario, una columna consumida en parte
es retirada también como una unidad del brazo portante y sustituida por una nueva columna de longitud suficiente.
es retirada también como una unidad del brazo portante y sustituida por una nueva columna de longitud suficiente.
El atornillamiento de electrodos de carbono
individuales sobre una columna situada en el horno o el
atornillamiento de electrodos unos con otros para formar una columna
nueva se efectúa a mano o con un equipo mecánico. Especialmente en
el caso de electrodos con un diámetro grande de 600 mm o más, hay
que aplicar considerables fuerzas y pares de giro o realizar
considerables trabajos de atornillamiento para asegurar la cohesión
de una columna de electrodos. La cohesión de una columna es de
importancia decisiva para el funcionamiento de un horno de arco
eléctrico.
La cohesión de una columna está amenazada
durante el transporte, pero sobre todo durante el funcionamiento de
un horno. Durante el funcionamiento de un horno se producen
reiteradamente considerables momentos flectores sobre la columna d
electrodos debido a la basculación de la cuba del horno, incluida la
propia columna, o bien la columna de electrodos está sometida a una
persistente vibración; también los golpes sobre la columna
originados por el material de carga gravitan sobre la cohesión de la
columna. Todas las clases de cargas - momentos flectores repetidos,
vibraciones y golpes - pueden originar un aflojamiento de la unión
atornillada de los electrodos. Un aflojamiento ha de considerarse
como el resultado de procesos inevitables y/o no deseados.
Para caracterizar la cohesión de una columna de
electrodos de carbono con un tamaño metrotécnico se propone el
"par de suelta". El par de suelta para desatornillar una unión
de electrodos se determina con un aparato de medida. Por debajo de
la zona de un daño metálico de las roscas implicadas, el
aflojamiento de una unión atornillada es tanto más improbable y el
funcionamiento con la columna de electrodos es tanto más seguro
cuanto más alto sea el par de suelta de una unión de dos elementos
de una columna de electrodos.
Para facilitar la comprensión, se han bosquejado
las consecuencias de un aflojamiento de las uniones atornilladas de
una columna de electrodos durante el funcionamiento del horno:
En el caso de un aflojamiento, hay que partir de
la consideración de que se reduce el afianzamiento de la unión
atornillada. Por tanto, disminuyen también las fuerzas de apriete de
las superficies de contacto de elementos contiguos de la columna. El
aflojamiento puede progresar hasta que algunas de las superficies de
contacto se separen una de otra.
Como consecuencia, se incrementa la resistencia
eléctrica en la unión. Las superficies que se mantienen en contacto
son solicitadas con una densidad de corriente incrementada. La
densidad de corriente incrementada conduce a un sobrecalentamiento
térmico local.
En caso de que se afloje una unión atornillada,
el racor es expuesto generalmente a una fuerte solicitación térmica
y mecánica. Finalmente, se registra el fallo mecánico del racor
debido al sobrecalentamiento y a la solicitación mecánica. Como
consecuencia, se desprende la punta de la columna de electrodos y
cae en la masa fundida de acero, se interrumpe el arco eléctrico y
queda concluido el proceso de fusión.
Para afrontar los problemas de la cohesión
insuficiente y del paso insuficiente de corriente de una parte de
una columna de electrodos a la siguiente, se han hecho
consideraciones muy diferentes y se aplica la práctica que se
describe más abajo.
En un artículo de J. K. LANCASTER "Transitions
in the Friction and Wear of Carbons and Graphites Sliding Against
Themselves" de ASLE TRANSACTIONS, Vol. 18, 3, páginas 187 a 201,
se analizan las condiciones de rozamiento entre cuerpos de carbono,
preferiblemente a velocidades de rozamiento diferentes. No se puede
deducir de esta publicación ninguna enseñanza referente al modo en
que dos cuerpos de carbono pueden atornillarse uno con otro en la
forma más sólida posible, si se prescinde de la consideración
general de que a bajas velocidades relativas de los dos cuerpos de
carbono se observan bajos coeficientes de rozamiento; véanse las
figuras 1, 2 y 6. Esta consideración alude más bien a un fácil
deslizamiento de cuerpos de carbono en reposo para separarse uno de
otro.
En otros sectores especializados se ha intentado
también resolver el problema del aflojamiento de elementos de
fijación. En la publicación alemana DE 41 37 020 se describen
elementos de fijación autobloqueantes, como, por ejemplo, tornillos
y tuercas de materiales no descritos. El elemento tiene en la
superficie frontal cooperante con una pieza estructural un número de
salientes a manera de tetones. Los salientes están configurados en
forma de pirámides o conos con una altura de menos de 1 mm, siendo
el ángulo en el vértice de las pirámides o de los conos de al menos
90º. Las pirámides o los conos deberán hincarse a presión durante el
atornillamiento en las superficies de las piezas estructurales a
afianzar y deberán impedir así el giro de retroceso de los elementos
de fijación. En la publicación se alude en la columna 2, línea 9, al
"asentamiento" y a la reducción inherente del pretensado. Las
pirámides o los conos están distribuidos uniformemente por la
superficie frontal del elemento de fijación. Este elemento de
fijación no tiene ninguna superficie de contacto direccionalmente
estructurada, es decir que no tiene una dirección preferente con una
acción especial.
Referido al atornillamiento de columnas de
electrodos de carbono, cabe consignar que unos tetones macroscópicos
formados en las superficies de contacto de los electrodos o de los
racores serían arrancados durante el atornillamiento a causa del
carácter cerámico y, por tanto, frágil de los carbonos.
Posiblemente, incluso saltarían trozos considerables desde las
superficies frontales de los elementos de la columna.
En la solicitud internacional WO 92/14939 se
describen tetones asimétricos en las superficies de contacto de
elementos de fijación especiales. Con esta dirección preferente, un
número limitado de tetones "macroscópicos" distribuidos por el
perímetro impide que se suelte involuntariamente la unión
atornillada descrita constituida por dos o tres piezas. Una
característica no poco importante de tales uniones atornilladas es
el coeficiente de rozamiento, el cual es más bajo entre las partes
de subida planas de dos tetones enfrentados de dos elementos de
unión que entre las partes de subida empinadas de dos tetones
enfrentados. Contribuye a esto una capa de deslizamiento que está
aplicada sobre las partes de subida planas. Por tanto, se requiere
un coste no despreciable para fabricar estos elementos de fijación
contra la suelta involuntaria de uniones atornilladas.
Referido al atornillamiento de columnas de
electrodos de carbono, cabe consignar que unos tetones macroscópicos
aplicados sobre las superficies de contacto de los electrodos o los
racores serían arrancados durante el atornillamiento a causa del
carácter cerámico y, por tanto, frágil de los carbonos.
Posiblemente, incluso saltarían trozos considerables desde las
superficies frontales de los elementos de la columna.
En la publicación alemana DE 34 42 316 A1 se
describe un racor doblemente cónico con parte central desprovista de
rosca; con este racor se atornillan electrodos de grafito. Entre el
tramo central del racor y las cajas de los electrodos de carbono
está prevista una rendija de dilatación que se llena de una masa
compresible.
Este principio deberá aminorar en primer lugar
las puntas de tensión (tangenciales) en la caja de los electrodos y
deberá prevenir roturas de los electrodos, con lo que se diferencia
completamente del principio según la invención para aminorar el
aflojamiento de electrodos de carbono atornillados.
En la patente americana US 2,527,294 se
describen electrodos de carbono y/o racores en los que se mejora su
resistencia a choques térmicos y su resistencia a impactos formando
unas hendiduras longitudinales en estos elementos. De manera análoga
al documento DE 34 42 316 A1, este principio deberá aminorar puntas
de tensión (tangenciales) en la caja de los electrodos y prevenir
roturas de electrodos. Por tanto, se diferencia también
completamente del principio según la invención para aminorar el
aflojamiento de electrodos de carbono atornillados.
En la solicitud de patente europea EP 056127 B1
se proponen electrodos de grafito que presentan en al menos una
superficie de contacto con el tramo de electrodo contiguo unos
elementos de contacto planos que sobresalen en dirección a la otra
superficie de contacto y que tienen zonas de superficie
sobresalientes elásticamente deformables que, en el estado unido de
los tramos de electrodo, están en contacto con la otra superficie de
contacto. Se pretende asegurar así una alta conductividad eléctrica
entre tramos de electrodo contiguos, a pesar de que, a causa de la
mecanización, el contactado de las superficies de contacto de los
electrodos es parcialmente insuficiente. Por tanto, el objetivo de
esta invención no es evitar el aflojamiento de la columna de
electrodos. Además, se introducen elementos de contacto separados
que gravan la columna de electrodos con una complejidad y unos
costes adicionales.
En la práctica de la acería se intenta
atornillar los electrodos uno a otro en la forma más sólida que sea
posible. Como se ha mencionado más arriba, las fuerzas, pares de
giro o trabajos de atornillamiento que pueden aplicarse a mano son
limitados. Con equipos mecánicos se pueden incrementar
considerablemente estas magnitudes, pero solamente en una parte de
las acerías se trabaja con tales equipos de atornillamiento
mecánico. La práctica de las acerías muestra que se presentan una y
otra vez aflojamientos en las columnas de electrodos.
Por tanto, existía el problema de realizar los
sitios de unión de una columna de electrodos de carbono de modo que
no se presente ningún aflojamiento entre los distintos elementos de
la columna o que se proporcione una alta seguridad de la cohesión de
una columna.
Otro problema consistía en incrementar el par de
suelta mensurable entre electrodos contiguos de una columna de
electrodos.
Según la invención, elementos de una columna de
electrodos son electrodos de carbono con cajas y roscas internas
frontales y racores de carbono que unen cada uno de ellos dos de
tales electrodos, o bien electrodos de carbono con una caja dotada
de rosca interna en un lado frontal y de un racor integrado en el
otro lado frontal (llamados también monotrodos).
Por consiguiente, elementos contiguos de una
columna de electrodos en el sentido de la invención son siempre dos
electrodos de carbono contiguos que están unidos por medio de un
racor de carbono separado o por medio de un racor de carbono
integrado en los dos electrodos. Además, elementos contiguos de una
columna de electrodos en el sentido de la invención son un racor de
carbono separado y los dos respectivos electrodos de carbono que
están unidos por este racor.
El problema se resuelve según la parte
caracterizadora de la reivindicación 1 por el hecho de que el
electrodo de carbono y/o un respectivo racor de carbono que une dos
electrodos presentan en superficies de contacto con el siguiente
elemento de la columna de electrodos una estructura superficial
cuyos resaltos escamosos direccionalmente estructuradas sobresalen
de la superficie de contacto idealmente configurada en un intervalo
de altura de 1 a 100 micrómetros, y por el hecho de que las
superficies de contacto contiguas de una unión atornillada tienen
una presión de apriete en el intervalo de 0,1 a 80 N/mm^{2}.
El problema adicional se resuelve según la parte
caracterizadora de la reivindicación 10 por el hecho de que las
direcciones tangenciales de la misma clase -dirección de fijación o
de disolución de la unión atornillada- de las superficies de
contacto direccionalmente estructuradas de dos elementos contiguos
de una columna de electrodos están orientadas en respectivos
sentidos contrarios.
Mediante la invención que aquí se presenta se
excluyen precisamente los inconvenientes del estado de la técnica.
Una ventaja importante de la invención consiste en las pequeñas
dimensiones de los tetones o escamas asimétricos dispuestos sobre la
superficie de contacto. Las escamas pequeñas no originan
desconchados en los cuerpos cerámicos de los electrodos o racores de
carbono o de grafito al presentarse deformaciones durante el proceso
de atornillamiento.
Otra ventaja consiste en que no es necesario
aplicar una capa de deslizamiento sobre los tetones/escamas o sobre
las superficies de contacto.
Otra ventaja consiste en que las presiones de
apriete usuales de elementos contiguos en las columnas de electrodos
son suficientes para suprimir un aflojamiento. A las presiones de
apriete usuales se enganchan los resaltos escamosos orientados en
sentidos contrarios de los elementos contiguos de la columna.
Los términos utilizados en el texto siguiente
han de entenderse del siguiente modo:
- Los extremos de un electrodo se denominan
también lado frontal.
- Un electrodo tiene una superficie envolvente
cilíndrica y a ambos lados presenta sendas superficies
frontales dispuestas perpendicularmente al eje del
electrodo.
- Una caja es una cavidad coaxialmente
dispuesta en el lado frontal de un electrodo. En las paredes
internas coaxiales de una caja están practicadas roscas internas
generalmente cilíndricas o cónicas.
- Un racor es un tornillo cilíndrico o
doblemente cónico con sendas superficies frontales dispuestas por
ambos lados perpendicularmente al eje del racor. Un racor se
atornilla aproximadamente hasta la mitad de sendas cajas de
electrodos contiguos con miras a unir dos electrodos.
- Un preconjunto consiste en un electrodo
y un racor atornillado hasta la mitad en una caja del electrodo.
- Algunos electrodos tienen solamente en un lado
frontal una caja y en el otro lado frontal una rosca coaxial que
mira hacia fuera. Esta rosca coaxial que mira hacia fuera se
denomina racor integrado.
\newpage
- No sólo un electrodo y un racor tienen
superficies frontales, sino que también el racor integrado tiene una
superficie frontal exterior dispuesta perpendicularmente al
eje del racor.
- Por las superficies de contacto de
elementos contiguos se entienden aquellas superficies de
contacto que son presionadas una contra otra por atornillamiento de
los elementos.
- Superficies de contacto idealmente
configuradas son aquellas superficies curvas o planas que no
están afectadas de resaltos o cavidades.
- Cuando unos resaltos escamosos asimétricos
están dispuestos en el mismo sentido sobre una superficie de
contacto idealmente configurada, este conjunto se denomina entonces
estructura superficial dirigida.
- Cuando una superficie de contacto en una
columna de electrodos de carbono presenta una estructura superficial
dirigida, no carece entonces de importancia la dirección en la que
se utilice la superficie de contacto. En un primer caso, la
estructura superficial dirigida puede ser recorrida desde la parte
de subida plana hasta la parte de subida empinada de los flancos de
los resaltos escamosos, mientras que en el segundo caso la
estructura superficial dirigida puede ser recorrida desde la parte
de subida empinada hasta la parte de subida plana de los flancos de
los resaltos escamosos. En el primer caso, la resistencia
-observando condiciones marginales convenientes para las pequeñas
alturas reivindicadas de los resaltos escamosos- contra un
movimiento sobre la estructura superficial dirigida es más pequeña
que en el segundo caso. No se necesita para estas consideraciones un
movimiento sobre la estructura superficial dirigida que discurra en
dirección sensiblemente perpendicular a los dos movimientos
primeramente citados. Es conveniente ahora que, en el caso de
tornillos de giro a derechas, se oriente la estructura superficial
dirigida de modo que, al producir un giro a derechas (fijación de la
unión atornillada), la estructura superficial dirigida sea recorrida
desde la parte de subida plana hasta la parte de subida empinada de
los flancos de los resaltos escamosos, lo que corresponde al primer
caso arriba citado - con baja resistencia -, esta orientación de la
estructura superficial se denomina dirección de fijación con
este movimiento de atornillamiento.
- Si, en el caso de una estructura superficial
dotada de la misma orientación, se gira hacia la izquierda el
tornillo de giro a derechas (disolución de la unión atornillada), lo
que corresponde al segundo caso arriba citado - con alta resistencia
-, la dirección de este movimiento de atornillamentol se denomina
entonces dirección de disolución.
- Los resaltos escamosos tienen un peine
orientado en dirección sustancialmente radial - referido a los ejes
longitudinales de los elementos generalmente cilíndricos de una
columna de electrodos -.
- La longitud de peine de un resalto
escamoso viene definida por la proyección del peine usualmente
irregular sobre un rayo radial que parte del eje longitudinal de los
elementos generalmente cilíndricos de una columna de electrodos.
Usualmente, se atornillan electrodos de carbono
con racores de carbono para formar una columna de electrodos,
presentando los electrodos una caja en ambos lados frontales. No
todos los electrodos tienen cajas con roscas internas dispuestas
coaxialmente en ambos lados frontales. Por el contrario, existen
electrodos que presentan solamente en un lado frontal una caja de
esta clase y que tienen en el otro lado frontal un racor coaxial
integrado. Ambas clases de electrodos tienen la estructura
superficial según la invención formada en la superficie de contacto
deseada y los resaltos escamosos direccionalmente estructurados
sobresalen entonces de las superficies de contacto idealmente
configuradas. La superficie de contacto deseada está constituida en
cada lado frontal de los electrodos usuales por una o ambas de las
superficies consistentes en la superficie frontal del electrodo y
las superficies roscadas de la caja del electrodo. Esto último se
aplica también para los electrodos con una sola caja. En el otro
lado frontal del electrodo con una sola caja la superficie de
contacto deseada está constituida por una o ambas de las superficies
consistentes en la superficie frontal del electrodo y las
superficies de la rosca del racor coaxial integrado.
Las superficies de contacto de ambos elementos
contiguos están direccionalmente estructuradas. Las estructuras
superficiales dirigidas de las superficies de contacto que inciden
una en otra están orientadas siempre en sentidos contrarios.
Se consiguen uniones atornilladas seguras o que
no se vuelven a aflojar cuando se cumplen dos criterios: En primer
lugar, cuando la presión de apriete de superficies de contacto
contiguas está en el intervalo de 0,1 a 80 N/mm^{2} y, en segundo
lugar, cuando los resaltos escamosos direccionalmente estructurados
sobresalen de la superficie de contacto idealmente configurada en un
pequeño intervalo de altura de 1 a 100 micrómetros. No era evidente
esperar de los pequeños resaltos escamosos una protección
sustancialmente mejor contra aflojamiento en el estado mutuamente
atornillado de los elementos de una columna. Se ha visto que los
pequeños resaltos escamosos ofrecen también resistencia a la
solicitaciones mecánicas de las vibraciones.
La solución de los problemas se configura de
manera más ventajosa por medio de las partes caracterizadoras de las
reivindicaciones 2 a 15.
En los documentos DE 41 37 020 y WO 92/14939
citados en el estado de la técnica se describen tetones solamente
sobre superficies funcionales planas de los elementos de fijación. A
causa de la mayor facilidad de fabricación de tetones de
configuraciones regulares, esta clase de configuración de los
tetones es evidente. Sin embargo, los resaltos escamosos
direccionalmente estructurados según la invención son tan pequeños
que se aplican sobre superficies planas, tales como lados frontales
de electrodos, y también sobre superficies curvas, tales como, por
ejemplo, los filetes de rosca de los racores.
En el caso de cierres velcro, la regla es que el
cierre propiamente dicho está constituido por un material diferente
del de las partes que han de ser unidas una con otra. Si los
resaltos escamosos direccionalmente estructurados en una columna de
electrodos de carbono se hicieran de un material distinto del
material de los propios electrodos, esto se traduciría en un
problema apenas superable para la elección del material. La mayoría
de los materiales no aguantan la solicitación térmica que se
presenta en el uso de una columna de electrodos así ensamblada y la
columna se desmoronaría durante el funcionamiento de un horno de
arco eléctrico. Por tanto, una configuración importante de la idea
de la invención consiste en que los resaltos escamosos dispuestos
sobre las superficies de contacto direccionalmente estructuras de la
columna de electrodos sean de un material de la misma clase que el
de los elementos de la columna.
Los resaltos escamosos tienen una configuración
sustancialmente asimétrica caracterizada por una parte de subida de
diferente pendiente de los flancos. La asimetría se expresa en que
los flancos de los resaltos escamosos tienen en la dirección de
fijación de la unión atornillada una parte de subida sustancialmente
plana y en la dirección de disolución opuesta de la unión
atornillada una parte de subida sustancialmente empinada. Con esta
configuración de las escamas se consigue una mejor protección contra
aflojamiento que con escamas de conformación simétrica.
Se consigue una restricción de la orientación de
las escamas y, por tanto, una mejora de la protección contra
aflojamiento haciendo que las alturas máximas de los resaltos
escamosos estén configuradas como puntas o como peines orientados
sustancialmente en dirección radial - referido a los ejes
longitudinales de los elementos generalmente cilíndricos de una
columna de electrodos -.
Si las escamas asimétricas estuvieran
distribuidas en direcciones diferentes sobre la superficie de
contacto idealmente configurada, el comportamiento de aflojamiento
sería entonces semejante al de las escamas de conformación
simétrica. Para conseguir una mejor protección contra aflojamiento,
se disponen todas las escamas asimétricas en el mismo sentido. Según
la invención, se dispone la respectiva parte de subida plana de
todos los resaltos escamosos en la dirección de fijación en una
superficie de contacto - de un elemento de una columna de electrodos
según la reivindicación 1 -.
La protección contra aflojamiento de la unión de
una columna de electrodos no se logrará con pocos resaltos escamosos
asimétricos de la misma clase. Para conseguir una protección
técnicamente útil contra aflojamiento, hay que disponer
considerables cantidades de escamas sobre las superficies de
contacto. Se pueden citar los números siguientes: Desde las
respectivas superficies de contacto idealmente configuradas
sobresalen al menos 100 metros de longitud de peine de los resaltos
escamosos por cada metro cuadrado de la superficie de contacto,
preferiblemente 300 metros de longitud de peine de los resaltos
escamosos por cada metro cuadrado de la superficie de contacto. Esta
cantidad de resaltos escamosos está distribuida estadísticamente por
la respectiva superficial o bien cubre la superficie solamente en
parte o formando dibujos.
El éxito de la protección contra aflojamiento es
óptimo cuando la resistencia contra un movimiento sobre la
superficie de contacto direccionalmente estructurada es máxima. Esto
se aplica también cuando cooperan dos superficies de contacto
estructuradas, tal como ocurre en un tornillo. En el caso de un
tornillo de giro a derechas, la resistencia contra un aflojamiento
es máxima según la invención cuando se gira el tornillo hacia la
izquierda, es decir que se le hace girar en la dirección de
disolución. Condición previa para ello es que las direcciones
tangenciales de la misma clase - aquí dirección de disolución de la
unión atornillada - de las dos superficies de contacto
direccionalmente estructuradas de dos elementos contiguos de una
columna de electrodos están orientadas siempre en sentidos
contrarios.
Las diferentes posibilidades de configuración de
la invención admiten un ancho de banda de pares de suelta
detectables para una unión atornillada de columnas de electrodos con
dos direcciones tangenciales del mismo tipo según la invención,
orientadas en sentidos contrarios, de las superficies de contacto
direccionalmente estructuradas. Parámetros variables importantes son
la altura de los resaltos escamosos, el ángulo de las partes de
subida en los flancos de las escamas, las anchuras de las escamas y
la cantidad y distribución de las escamas. Utilizando estos
parámetros se tiene que, a una presión de apriete en el intervalo de
0,1 a 80 N/mm^{2} de los elementos contiguos atornillados de una
columna de electrodos, se detectan según la invención pares de
suelta al menos un 20% mayores que en el caso de elementos contiguos
de una columna de electrodos provistos de superficies no
direccionalmente estructuradas y atornillados a una presión de
apriete en el intervalo de 0,1 a 80 N/mm^{2}. Esta mejora de los
pares de suelta de uniones atornilladas generalmente por vía
mecánica es aún superada por los pares de suelta de uniones
atornilladas a mano de elementos de una columna de electrodos.
Tales uniones se caracterizan por unas presiones de apriete
relativamente bajas de 0,1 a 2 N/mm^{2} de elementos contiguos de
una columna de electrodos. Según la invención, con tales uniones se
detectan pares de suelta al menos un 30% mayores que en el caso de
elementos contiguos de una columna de electrodos provistos de
superficies
de contacto direccionalmente estructuradas y atornillados a una presión de apriete en el intervalo de 0,1 a 2 N/mm^{2}.
de contacto direccionalmente estructuradas y atornillados a una presión de apriete en el intervalo de 0,1 a 2 N/mm^{2}.
Una forma de suministro conveniente para el
usuario de los electrodos, generalmente una acería eléctrica, es el
preconjunto. La superficie de contacto del preconjunto es construida
en el fabricante de los electrodos con estructura superficial
dirigida y el electrodo y el racor son atornillados uno con otro. La
estructura superficial dirigida está aplicada entonces sobre las
superficies de la rosca de la caja del electrodo y sobre las
superficies de la rosca del racor; en casos especiales, solamente
sobre las superficies de la rosca de la caja del electrodo o sobre
las superficies de la rosca del racor.
\global\parskip0.900000\baselineskip
Si se instala un preconjunto en el horno de arco
eléctrico, el preconjunto tiene entonces según la invención sobre
una o varias de las superficies de contacto con el preconjunto
siguiente o con la parte siguiente de la columna de electrodos una
estructura superficial dirigida con orientación en sentidos
contrarios. El preconjunto tiene entonces en un lado frontal una
superficie de contacto que está constituida por una o ambas de las
superficies consistentes en la superficie frontal del electrodo y
las superficies de la rosca de la caja del electrodo, y en el otro
lado el preconjunto tiene una superficie de contacto que está
constituida por una o ambas de las superficies consistentes en la
superficie frontal del electrodo y las superficies de la rosca del
racor.
Mientras que hasta ahora el riesgo de
aflojamiento de uniones atornilladas a mano ha podido limitarse
únicamente mediante un coste adicional, debido en parte a medidas de
protección posteriores adoptadas en la acería, la realización según
la invención se integra ya inteligentemente en el proceso de
fabricación.
En un puesto de atornillamiento de la firma
Piccardi (Dalmine (Bergamo)/Italia) con la designación "estación
de aplicación de racores", año de construcción 1997, se
atornillaron dos electrodos de grafito, cada uno de un diámetro de
600 mm, con un racor conjugado para formar una columna de
electrodos. Se utilizó entonces un preconjunto formado por un
electrodo y un racor preatornillado ya en una caja del electrodo. Se
atornillaron el preconjunto y el electrodo uno con otro. Se concluyó
el atornillamiento cuando se alcanzó un par de apriete de 4000
Nm.
Para caracterizar la seguridad de la cohesión de
la unión atornillada, se volvió a abrir la unión seguidamente y se
midió entonces el par de suelta.
Este principio de actuación se desarrolló en
tres variantes A, B y C:
Variante
A
Las superficies de contacto del preconjunto y
del electrodo no habían recibido ninguna estructura dirigida de las
superficies de contacto según la invención y se atornillaron como
sistema de referencia.
Variante
B
Se atornillaron uno con otro un preconjunto y un
electrodo individual con la estructura de las superficies de
contacto realizadas según la invención y orientada en sentidos
contrarios. Como superficies de contacto se eligieron las
superficies frontales de los electrodos.
Variante
C
Las superficies de contacto del preconjunto y
del electrodo individual fueron provistas de una capa de
deslizamiento. La capa de deslizamiento estaba constituida por la
grasa de cojinete con la designación de tipo arcanol 12V de la firma
FAG Kugelfischer (Schweinfurt/Alemania). Como superficies de
contacto se seleccionaron la superficie frontal del electrodo y las
superficies libres de la rosca del racor. El espesor de la capa de
deslizamiento ascendió a 0,1 mm.
\global\parskip0.990000\baselineskip
Como se desprende de la Tabla, el par de suelta
dependía de la clase de construcción o tratamiento de la superficie.
El par de suelta más bajo se alcanzó con superficies de contacto sin
medidas especiales (Variante A). En el caso de superficies frontales
con estructura orientada en sentidos contrarios de las superficies
de contacto de los elementos atornillados, se midieron pares de
suelta muy altos.
La Variante C da como resultado ciertamente un
par de suelta aún mayor que la Variante B, pero esto es posible
solamente con ayuda de un tratamiento adicional. Por el contrario,
en la Variante B se alcanza el par de suelta favorable sin
tratamiento adicional.
Se explica adicionalmente la invención a título
de ejemplo con ayuda de las figuras siguientes. Muestran:
La figura 1, una sección paralelamente al eje
longitudinal a través de un electrodo 1 con cajas introducidas por
ambos lados en las superficies frontales 3, cada una de ellas con
rosca interna cilíndrica, así como una vista del lado longitudinal
de un racor independiente 2 con rosca cilíndrica;
La figura 2, una vista del lado longitudinal de
un electrodo 1 con un racor coaxial integrado conformado en un lado
frontal 3. En el otro lado frontal está rota la vista lateral del
electrodo con una sección paralela al eje longitudinal. La sección
muestra en este sitio una caja con rosca interna cónica;
La figura 3, una sección paralela al eje
longitudinal a través de un preconjunto 9 que está constituido por
un electrodo 1 con cajas cónicas y un racor 2 con rosca doblemente
cónica 5;
La figura 4, una representación en perspectiva
de la superficie frontal 3 de un electrodo 1 con superficie de
contacto direccionalmente estructurada; y
La figura 5, una representación estructurada a
título de modelo de una superficie frontal de electrodo
direccionalmente estructurada 3 (superficie de contacto).
Según la figura 1, se pueden citar como
superficies de contacto de los electrodos 1:
La superficie frontal 3 del electrodo 1 y las
superficies 4 de la rosca de la caja coaxialmente dispuesta del
electrodo.
El fondo 10 de la caja del electrodo no es
ninguna superficie de contacto.
En el caso de un racor independiente 2, existen
como superficies de contacto las superficies 5 de la rosca del racor
2.
Las superficies frontales 6 de ambos lados del
racor 2 no son superficies de contacto.
Según la figura 2, se pueden citar como
superficies de contacto de los electrodos 1 con racor integrado:
La superficie frontal 3 del electrodo 1 y las
superficies 7 de la rosca del racor coaxial integrado, así como, en
el otro lado frontal del electrodo 1 la superficie frontal 3 de éste
y las superficies 4 de la rosca de la caja.
La superficie frontal exterior 8 del racor axial
integrado no es una superficie de contacto que deba ser provista de
una capa de deslizamiento.
El fondo 10 de la caja del electrodo no es una
superficie de contacto.
Según la figura 3, se pueden citar como
superficies de contacto interiores del preconjunto 9:
Las superficies 4 de la rosca de la caja
coaxialmente dispuesta del electrodo y las superficies 5 de la rosca
del racor independiente 2.
Las superficies frontales 6 del racor 2 no son
superficies de contacto.
Como superficies de contacto exteriores del
preconjunto 9 se pueden citar en el lado del racor atornillado
2:
Las superficies 5 de la rosca del racor
independiente y la superficie frontal 3 del electrodo 1.
Las superficies frontales 6 del racor 2 no son
superficies de contacto.
Como superficies de contacto exteriores del
preconjunto 9 se pueden citar en el lado sin racor atornillado:
La superficie frontal 3 del electrodo 1 y las
superficies 4 de la rosca de la caja coaxialmente dispuesta del
electrodo.
El fondo 10 de la caja del electrodo no es una
superficie de contacto.
Según la figura 4, el electrodo 1 tiene en la
superficie frontal plana 3 una superficie de contacto
direccionalmente estructurada. Los distintos resaltos escamosos
asimétricos tienen una orientación preferente que corresponde a la
dirección de fijación 11 para tornillos de giro a derechas. La
dirección de fijación 11 ha de entenderse en el sentido de que están
inmovilizados el electrodo 1 mostrado en la figura 4 y un racor
atornillado en el mismo. Se atornilla desde arriba otro electrodo no
dibujado. Este electrodo gira en la dirección de la flecha 11 cuando
se realiza la fijación. Es proceso corresponde al que se desarrolla
en la acería. La estructura superficial del campo V de la figura 4
se representa ampliada en la figura 5.
La figura 5 muestra la ampliación parcial del
campo V de la superficie de contacto 3 del electrodo 1 de la figura
4. Se muestra la representación a título de modelo de la superficie
frontal direccionalmente estructurada del electrodo.
- 1
- Electrodo
- 2
- Racor independiente
- 3
- Superficie frontal del electrodo
- 4
- Superficies de la rosca de la caja del electrodo
- 5
- Superficies de la rosca del racor
- 6
- Superficie frontal del racor
- 7
- Superficie de la rosca del racor integrado
- 8
- Superficie frontal exterior del racor integrado
- 9
- Preconjunto
- 10
- Fondo de la caja
- 11
- Dirección de fijación tangencial para rosca de giro a derechas; la dirección de fijación coincide sustancialmente con la dirección de la superficie de contacto direccionalmente estructurada
Claims (11)
1. Columna de electrodos provista de electrodos
de carbono (1) con cajas y roscas internas (4) frontales y con
racores de carbono (2) que unen cada uno de ellos dos de tales
electrodos (1), o provista de electrodos de carbono (1) con caja y
rosca interna (4) en un lado frontal y con racor integrado en el
otro lado frontal, cuya columna está prevista para su utilización
en un horno de arco eléctrico destinado a la producción de metales
de alto punto de fusión, teniendo los electrodos de carbono (1) y
los racores de carbono (2) una superficie de contacto idealmente
configuradas con resaltos escamosos que sobresalen de ella y están
direccionalmente estructurados, caracterizada porque los
resaltos escamosos direccionalmente estructurados sobresalen de la
superficie de contacto idealmente configurada en un pequeño
intervalo de altura de 1 a 100 micrómetros, y porque las
superficies de contacto contiguas de una unión atornillada tienen
una presión de apriete en el intervalo de 0,1 a 80 N/mm^{2}.
2. Columna de electrodos según la reivindicación
1, caracterizada porque las superficies de contacto
idealmente configuradas de los electrodos de carbono (1) y los
racores de carbono (2) son planas o están curvadas.
3. Columna de electrodos según las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque los resaltos
escamosos dispuestos en las superficies de contacto
direccionalmente estructuradas son del mismo material de los
electrodos de carbono (1) y los racores de carbono (2).
4. Columna de electrodos según una o más de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque los resaltos
escamosos tienen una configuración sustancialmente asimétrica
caracterizada por una parte de subida de pendiente diferente
de los flancos, teniendo los flancos de los resaltos escamosos, en
la dirección de fijación de la unión atornillada, una parte de
subida sustancialmente plana y, en la dirección de disolución
opuesta de la unión atornillada, una parte de subida
sustancialmente empinada.
5. Columna de electrodos según una o más de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque las alturas
máximas de un resalto escamoso están configuradas como una punta o
como un peine sustancialmente orientado en dirección radial -
referido a los ejes longitudinales de los elementos generalmente
cilíndricos de una columna de electrodos -.
6. Columna de electrodos según la reivindicación
4, caracterizada porque la parte de subida plana de todos
los resaltos escamosos está dispuesta siempre, en la dirección de
fijación, en una superficie de contacto de los electrodos de
carbono (1) y los racores de carbono (2).
7. Columna de electrodos según una o más de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque los resaltos
escamosos están estadísticamente distribuidos sobre la respectiva
superficie de contacto de los electrodos de carbono (1) y los
racores de carbono (2).
8. Columna de electrodos según una o más de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque los resaltos
escamosos cubren parcialmente la respectiva superficie de contacto
idealmente configurada de los electrodos de carbono (1) y los
racores de carbono (2) o están dispuestos en forma de dibujos.
9. Columna de electrodos según una o más de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque las respectivas
superficies de contacto contienen al menos 100 metros de longitud de
peine de los resaltos escamosos por cada metro cuadrado de la
superficie de contacto, preferiblemente 300 metros de longitud de
peine de los resaltos escamosos por cada metro cuadrado de la
superficie de contacto.
10. Columna de electrodos constituida por
electrodos de carbono (1) y racores de carbono (2) según una o más
de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque las
direcciones tangenciales de la misma clase - dirección de fijación
o dirección de disolución de la unión atornillada - de las
superficies de contacto direccionalmente estructuradas de dos
electrodos de carbono contiguos (1) y/o del racor de carbono (2) que
une estos electrodos de carbono (1) están dirigidas siempre en
sentidos contrarios.
11. Columna de electrodos según una o más de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque un electrodo
de carbono (1) y un racor de carbono (2) están agrupados formando un
preconjunto (9) y porque las superficies de contacto interiores del
preconjunto (9) están direccionalmente estructuradas y las
superficies de contacto interiores están constituidas por las
superficies de las roscas de la caja de electrodo (4) y del racor
(5).
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