JPH043640B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 少なくとも２個の黒鉛電極をニツプルを介し
て上下方向に接続して下方の電極を先端消耗電極
として使用する電気アーク炉用電極において、先
端消耗電極の上方に接続する電極が中心孔を有す
る管状黒鉛体と、管状黒鉛体の下端に取付けた中
空ニツプルと、管状黒鉛体の上端に設けたヘツダ
ーと、ヘツダーを貫通して黒鉛体の中心孔に挿通
し端部を中空ニツプルに接続した冷却媒体供給管
と、ヘツダーの頂部より突出した冷却媒体供給管
に設けたばね・ナツトアセンブリから成る張力付
与装置とより成り、該張力付与装置により冷却媒
体供給管に張力を付与することにより黒鉛体をヘ
ツダーとニツプル間で圧縮保持する電気アーク炉
の水冷複合管状電極。

２ 冷却媒体供給管は前記黒鉛体の孔の内径より
も実質上小さい外径を有する管からなり、該管と
前記孔との間に冷却媒体を戻す環状通路を形成す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
の電極。

３ 冷却媒体は冷却媒体供給管に入り、該管を介
してニツプルの内部に達し、冷却媒体戻し環状通
路を介してヘツダーに戻り、ヘツダーで電極から
出ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載の電極。

４ ０乃至50℃の温度範囲における横方向の熱膨
張係数が15×10^-7cm／cm／℃よりも小さい黒鉛体
からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
に記載の電極。

５ 黒鉛体を圧縮状態に保持する手段は平坦なば
ねワツシヤのアセンブリからなることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載の電極。

６ 管状黒鉛体の内孔は表面コーテイング材でシ
ールされていることを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の電極。

７ 圧縮力はヘツダーとニツプルのフランジを介
して黒鉛体に加えられることを特徴とする特許請
求の範囲第１項に記載の電極。

８ 圧縮力は前記黒鉛体の各端部に設けられたソ
ケツトのねじを介して黒鉛体に加えられることを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電極。

９ 黒鉛体に加えられる圧縮力は、黒鉛体に接続
する先端電極の重力に耐え、電極の下部ソケツト
に対して前記ニツプルに上向きの力モーメントが
かかり、前記ニツプルの上部を圧縮保持するに十
分な力であることを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載の電極。

１０ 圧縮力は、約1.8Kg／cm²（25psi）であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電
極。

発明の背景 １ 発明の分野 本発明は電気アーク炉用電極、より詳しく云う
と液体で冷却される連結手段によつて通常の電極
（消耗性先端部材）に取付けられた、耐久性のあ
る液体冷却式消耗性上部部材を備える複合電極に
関する。

２ 先行技術の記載 通常電気アーク炉の電極には、黒鉛が使用され
る。かかる電極は、例えば、アーク製鋼炉におい
て、浸蝕及び酸化により生ずる腐蝕、昇華、スポ
ーリングその他の要因により、使用中に消耗す
る。この消耗には、先端の損失、カラムの破壊に
よる損失及び特に表面酸化による損失を包含す
る。平均的な電気炉では、製造される鋼１メート
ルトン当り４〜８キログラムの黒鉛が消耗する。

電気炉における黒鉛電極の消耗を低減させる方
法の１つとして、保護被覆又はクラツド材を耐酸
化材とともに電極を施用することが行なわれてい
る。この被覆は、一般に、電極パワークランプ
（power clamp）に対する接触抵抗を増大させ、
しかもこれらの被覆のある種のものは燐酸を使用
するので腐蝕性がある。

黒鉛電極の消耗を低減させる別の方法として、
完全な非消耗電極システムを利用するものがあ
る。これらのシステムは、充分な長さの液冷電極
を所定の装置とともに使用し、電極を著しく高温
のアークから保護するものである。このようなシ
ステムは特許文献には記載されているが、このタ
イプのものは商業的には成功するに至つていな
い。

水冷の金属片に炭素又は黒鉛部分を取付けてな
る複合電極は、アーク炉での電極消耗が少ないと
されてきた。特定の複合電極構造に関し、数多く
の特許が付与されている。例えば、ベケツト
（Becket）に付与された米国特許第896429号、マ
ツキンタイア（Mclntyre）等に付与された同第
2471531号、オストバーグ（Ostberg）に付与さ
れた同第3392227号、プレン（Prenn）に付与さ
れた同第4121042号及び第4168392号、シユウエイ
ブ（Schwabe）等に付与された同第4189617号及
び4256918号、並びに、モンゴメリー
（Montgomery）に付与された同第4287381号は、
アーク炉の液体冷却複合電極に関するものであ
る。また、シー・コンラツテイ（C.Conradty）、
ナーンバーグ（Nurnburg）の出願に係るヨーロ
ツパ特許出願第50682号、第50683号及び第53200
号は複合電極の形状に関するものである。

発明の目的 本発明の目的は、電気アーク炉用の改良された
複合電極を提供することにある。

本発明の他の目的は、黒鉛の消耗を著しく低減
させることができる複合電極を提供することにあ
る。

本発明の別の目的は、アーク炉の苛酷な環境に
耐えることができ、耐用年数の長い複合電極を提
供することにある。

本発明の更に別の目的は、永久電極として使用
することができなくなつたのちは、消耗電極とし
て使用し得る複合電極を提供することにある。

本発明の別の目的は、黒鉛の圧縮強度を充分に
利用することができる複合電極を提供することに
ある。

発明の概要 本発明は、中心孔を有する厚肉の管状黒鉛体
と、孔に配設された水供給管と、在来の黒鉛電極
の付属装置として使用される管状黒鉛体の炉端部
に取付けられた中空の金属ニツプルと、管状黒鉛
体の上端に設けられた金属ヘツダーと、前記黒鉛
体と前記ニツプルを冷却する液体冷却媒体供給シ
ステムと、電極の管状黒鉛主体部を圧縮保持する
システムとを備えてなり、黒鉛の耐破損性を向上
させることができる水冷複合電極に関する。

管状の黒鉛構造体主要部は、各端部にねじ付き
ソケツトを備えたアーク炉黒鉛電極からつくられ
る。中心孔の壁部は、黒鉛体の壁部に対する水の
漏洩と浸透を防止するためシールするのが好まし
い。黒鉛体の外面は、コーテイング又は含浸によ
り酸化防止剤で処理してもよいが、これは必ずし
も必要ではない。電極には、通常の穿孔操作によ
り、ソケツトの小さい方の直径よりも大きくない
直径の中心孔があけられ、電極の肉厚を好ましく
は電極の外径の少なくとも約1/4としている。金
属製の接続ニツプルは中空である。電極の内径
（ID）よりも小さい外径（OD）を有する冷却媒
体供給管がヘツダからキヤビテイに挿通され、冷
却媒体を黒鉛チユーブの中心を介してニツプルに
導くようにしている。冷却媒体は次に、冷却媒体
導入管と黒鉛構造体の孔との間の環状通路を通つ
てヘツダーの出口へ向けて上方へ戻る。ヘツダー
は通常黒鉛体の上端に設けたソケツトのねじでも
つて黒鉛体の頂部に取付けられる。

冷却媒体供給管は、管状黒鉛体に圧縮力を付与
する手段としても使用される。この供給管はニツ
プルとヘツダーに取付けられ、ヘツダーにおいて
張力付与装置によつて張力をかけた状態に保持さ
れる。平坦なばね、例えば、さらばねワツシヤが
好ましいが、コイルばね、空気シリンダ又は水圧
シリンダのような他の張力付与手段も使用するこ
とも可能である。

管状黒鉛体の内孔は、黒鉛に対する水の浸透及
び漏洩を防止するためシーラントで被覆してもよ
い。２液系（two−package）エポキシコーテイ
ングが好ましいが、フエノール、アルキド、シリ
コーン、ポリウレタン、ポリエステル又はアクリ
ルの各樹脂のような他の耐水性の面形成コーテイ
ング剤も使用することができる。

本発明の電極は、電気アーク炉の高温で侵食性
のある雰囲気に対し著しい耐性を有しており、取
付けられた消耗電極の炉の中にある頂部は、使用
中に暗色を呈しており、酸化温度よりも低い温度
に有効に冷却されていることを示している。これ
により、本発明の電極は、黒鉛だけからなる通常
の中実の電極を使用する場合に比べ、酸化が少な
く、金属の単位製造量当りの黒鉛の消耗が少なく
なる。

本発明の電極はまた、誘導加熱損失
（inductive heating loss）あるいはアーク電流に
大きなドレン（drain）を形成しかつ冷却システ
ムに対し大きな熱損失を及ぼす寄生渦電流を生じ
させないので、従来の金属製複合電極に比べ、電
気消費量が少ない。

本発明の電極は更に、黒鉛構造体が長時間の使
用後に性態が劣化した場合には、これを分解し
て、金属部品は新しい黒鉛チユーブに使用するこ
とができ、しかも黒鉛体は通常の態様で消耗電極
として使用することができる。

本発明の電極は更にまた、黒鉛だけからなり圧
縮力を受けていないカラムに比べて、著しく向上
した強度を有するという利点を備えている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、黒鉛のメインチユーブ１０と、さら
ばねワツシヤ・アセンブリ１４、ナツト１６、水
導入口１８、遮断ワツシヤ２０、排水口２４、上
部Ｏ−リングシール２６、水導入管３８、ヘツダ
ーニツプル３０、及びＯ−リング３６を有する遮
断シール・ブツシユ３４を備えたヘツダーアセン
ブリ１２とからなる複合電極を示す。下端には、
ねじが形成されているスパイダ４０によつて所定
の位置に保持された水導入管３８と、中空の水冷
金属ニツプル４２と、スパイダ４０に設けられた
冷却媒体戻り通路４４と、下部Ｏ−リングシール
４８と、通常の黒鉛先端電極５０とが配設されて
いる。

黒鉛のメインチユーブ１０は、ナツト１６を介
してさらばねワツシヤ１４に加えられる張力によ
り、スパイダ４０でもつてニツプル４２に保持し
た水導入管３８に対し圧縮保持する。水導入管３
８に加わる張力により、ニツプルによる上方向の
スラスト即ち力のモーメントが電極本体１０の下
部ソケツトに対してかかり、しかもニツプル４２
の上部を圧縮状態におく。水は導入口１８に入
り、水導入口３８を介してニツプルの内部を通
り、スパイダ４０内の通路４４を介して水導入管
３８とメインチユーブ１０との間の環状通路、ヘ
ツダー１２及び出口２４へ戻る。電極はＯ−リン
グによりシールされている。

第２図は、電極６２、ヘツダーアセンブリ６４
及びフランジ６８を有するニツプル６６を備え
た、本発明に係る複合電極の別の実施例を示し、
ニツプル６６は穴ぐり７０に収容されており、境
界面７４で下部電極７２を電極６２と面接触さ
せ、電極６２を圧縮保持している。

第３及び３Ａ図は、本発明の更に別の実施例を
示すもので、黒鉛のメインチユーブ８２の孔８０
は冷却水の導入口としても作用し、環状に配列さ
れている通路８４は、冷却効率を一層高めるよう
に、黒鉛の表面により接近して黒鉛を通る冷却水
出口として作用するように構成されている。

ニツプル、水導入管及びヘツダーアセンブリ
は、鋼、ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、アルミニ
ウム、銅又はステンレス鋼のような適宜の金属か
らつくることができる。アルミニウムは、低コス
トでかつ軽量であるから、ヘツダー及び水導入管
に使用するのが好ましく、また、ニツプルには
銅、ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄又はアンバー
（Invar）が好ましい。装置が使用中に突然故障し
た場合、ニツプルが銅、アンバー又はアルミニウ
ムから形成されているとニツプル材料の溶融物へ
の混入は溶融物の分析に悪影響を与えるが、ニツ
プルがねずみ鋳鉄又はダクタイル鋳鉄から形成さ
れていれば、このような悪影響が生ずることはな
い。

メインチユーブは、０乃至50℃の温度範囲にお
いて熱膨張係数（coefficient of thermal
expansion）（以下「CTE」という）が15X10^-7
よりも小さい黒鉛から形成するのが好ましく、こ
れ以外の黒鉛を使用すると耐熱衝撃性が劣化する
ことになる。

電極のCTEは、押出に際して起こる黒鉛の結
晶配向により、長手方向と横方向で異なつたもの
となる。本明細書においてCTEとは、円筒体の
長軸方向と直交する横方向のCTEを指すもので
ある。

メインチユーブ１０の外面には、ウイルソン
（Wilson）の発明に係る1982年11月18日付出願の
米国特許出願第442651号明細書に開示されている
ような酸化防止コーテイングを施す。

好ましい実施例の記載 直径が41cm（16インチ）で長さが203cm（80イ
ンチ）の黒鉛電極の中心に10cm（４インチ）の孔
をあけ、この孔にシーラントを被覆して電極をつ
くつた。この電極は、電極産業において通常使用
されるタイプの、ねじを切つてある２つの截頭円
錐状ソケツトを備えている。ねじが形成されたア
ダプターニツプルを備えたヘツダーアセンブリ、
Ｏ−リングシール、平坦なさらばねワツシヤアセ
ンブリ、張力付与ナツト、水導入管及び水導出管
を上端に取付け、冷却媒体管に取付けた中空のね
じ付き双円錐ニツプルを下端に取付けた。張力付
与ナツトにより冷却媒体供給管に張力をかけ、黒
鉛電極に約1.8Kg／cm²（25psi）の圧縮力を付与し
た。黒鉛は、圧縮強度が大きく、高い圧縮応力に
耐えることができた。ソケツトのねじの破壊強度
により、有効応力が極限応力限界よりも遥かに低
くなるように、圧縮応力の大きさを制限した。36
cm（14インチ）の中実黒鉛電極をニツプルに取付
けることもできる。次に、電極を水供給系に接続
し、炉の固定装置に配置した。

冷却媒体供給管はステンレス鋼製であり、ヘツ
ダーアセンブリは本実施例ではアルミニウム製で
あつた。しかしながら、これらの素子は所用の引
張り強度を持つ他の材料からもつくることもでき
る。ニツプルは銅製であつたが、高力黒鉛、ダク
タイル鋳鉄、ねずみ鋳鉄、鋼、アルミニウム、ア
ンバー36（Invar 36）その他の低CTE材からもつ
くることもできる。

黒鉛先端電極を炉から離れた場所でニツプルに
取付け、炉の固定装置に配置し、冷却媒体をヘツ
ダーの導入管と導出管に接続した。強度の増大が
この電極により得られたが、これは特に、長い黒
鉛先端電極を使用する炉、例えば、長さが約2.4
ｍ（８フイート）の３本の電極を使用する屋根が
高い炉に有用である。

ニツプルの部分でアークを発生する金属構造の
複合電極において生ずる問題は、金属製のニツプ
ルと交換可能とすることができる本発明により除
去されるものであり、これにより故障が起きた場
合に交換を容易にする。

本発明の電極の好ましい実施例では、各端部
に、電気炉において広く使用されているのと同一
の通常の截頭円錐状のねじ付きソケツトを設け、
通常の両円錐状ニツプルを取付けてあるが、ヘツ
ダーとニツプルは別の手段によつて取付けること
もでき、本発明は特定の構成に限定されるもので
はない。両端は全く異なつた態様で容易に機械加
工することができ、取付部材も異なる態様で組立
てることができる。

黒鉛を圧縮状態に保持した構成の固有周波数は
比較的高く、カラムが振動又は動揺により割れる
可能性は著しく小さい。

ニツプルは、銅、チタン又は鉄合金のような適
宜の金属からつくることができるのは当然である
が、導電性を良好なものにし、コストを低減さ
せ、強度を大きくしかつCTEを低いものにする
ためには、他の材料、例えば、銅と鉄とを組合わ
せたものからつくることもできる。

アンバーはCTEが実質上ゼロのニツケル合金
であり、ASMハンドブツク第９版には、Ni36
％、Mn、Si及びＣが全量で１％未満、残り（63
％）がFeからなると記載されている。

殆んどのアーク炉では、電極の上方の作業空間
が厳しく制限されているので、平坦なさらばねワ
ツシヤ張力付与システムはサイズが小さくしかつ
簡単であるため好ましい。平坦なさらばねワツシ
ヤは、数多くの製造者がつくつている周知のばね
であり、ばね鋼製の弾性さら形ワツシヤである。

電極の最小肉厚は、電極の外径とソケツトベー
スの最大径との差から定められる。