JPS596473B2 - 黒鉛電極の接続部 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えば電気製鋼アーク炉に使用する人造黒鉛
電極の接続部における折損事故を減少するために、接続
部のネジ部の熱的、機械的な応力集中緩和による実質的
な強度増加を目的として特殊なネジ加工を行つた黒鉛電
極の接続部に関する。

電気製鋼アーク炉において人造黒鉛電極の折損事故は鋼
生産性の低下、電極原単位の増大とともに、折損電極の
炉内からの取出し作業が高熱、高所作業であり非常に危
険を伴なう等のため、人造黒鉛電極折損対策が重要視さ
れている。人造黒鉛電極の折損事故の原因は原料スクラ
ップ中の電気不導体への電極の突込み、スクラップの部
分溶解によるスクラップの崩落等の機械的荷重によつて
大部分が発生する。

そして折損部位は構造上大部分が接続部である。電気製
鋼アーク炉の構造上、人造黒鉛電極は、上下方向に截頭
円錐形をなすニップルを用い、これを接続せんとする両
電極の両端の対応するソケットにねじ込んで継ぎたし接
続して使用される。

第１図は、９６インチ長の電極のホールドの例を示す説
明図であつて、図中のハ図の状態に電極長が消耗すると
、新電極をホールド中の旧電極の上部に継ぎたして、ホ
ルダーＡをつかみかえて、図中のイ図の状態にして使用
される。電極の消耗が進行すると図中口図の状態にホル
ダーＡをつかみかえてホルダー下の電極長さを一定に保
たれる。電極の消耗に伴つて図中ハ図の状態で上述のよ
うにして新電極が継ぎたされて使用される。使用中の電
極の接続部は、ホルダーＡから下へ、トップジョイント
Ｂ）セカンドジヨイントＣと呼ばれている。電極先端に
、既述せるように機械的荷重が加わった場合、電極各ジ
ョイント部位のモーメントからして折損事故は大部分ト
ップジョイントに発生するのが通例である。

また、トップジョイントに加わるモーメントは当然第１
図のイ図に示される状態の電極において最大となり、実
際の操業においても新電極接続直後（イ図の状態）の折
損事故が比較的多いのである。上記トップジョイントは
第１図のイ乃至ハ図に示す如＜ホルダー直下から最長約
２ｍ（ハ図）位置にあり、大電流操業の場合、電極の自
己発熱アークからの伝熱、放射熱等のためトップジョイ
ントのニップル部平均温度は５００℃から１５００℃に
なり、電極ソケットとニップルの平均温度差にツプル部
平均温度Ｎｔ−ソケット部平均温度Ｓｔ）は５０℃〜６
００℃になることがテンピルペレツト（ペレツトの溶融
の有無になる最高温度測定法）による測定によつて確認
した。

この測定結果は、電極自已発熱と熱伝、熱放射の理論か
ら求めたホルダー下５０ｃｍ１１００ｃｍ１２００ｃｍ
の位置に訃ける電極の中心と表面の温度差と相電流の関
係を示す第２図の図表からも類推される。上記のように
電極ソケツトとニツプルに温度差が生ずることによつて
ソケツトとニツプルのネジピツチに差が生ずる。そして
このピツチ差によつてソケツトネジとニツプルネジの圧
縮応力分布は常温での螺合時の応力分布から変化し、従
つて応力集中率も変化する。又電極ソケツトとニツプル
の熱膨脹係数が異なる場合にも使用中電極ソケツトとニ
ツプルの温度差、熱膨脹係数の差によつてネジピツチに
差が生じ、従つて応力集中率は変化する。この応力集中
率は電極ソケツトとニツプルの温度差、熱膨脹係数の差
に相当するだけあらかじめ電極ソケツトとニツプルのネ
ジピツチに差をつけておいて、常温にて螺合した場合の
応力集中率と同様と考えられる。すなわち電極ソケツト
とニツプルの熱膨脹係数の差、温度差とネジピッチの差
には関係があり、又ネジピツチ差は応力集中率と関係が
ある。各種熱膨脹係数の一ツプル材質を用いた場合につ
いて、ソケツトとニツプルの平均温度差とソケツトとニ
ツプルの熱膨脹係数の差における１ピツチ（３山／吋：
８．４７？ｍ）当りのソケツトと・ニツプルのネジピツ
チ差の関係値を第１表に示す。

第１表からソケツトとニツプルの平均温度差が増加する
と、ソケツトネジピツチＤｐとニップルネジピッチＤＮ
の差ＤＮ−Ｄｐは増加し、またソケツトの軸方向熱膨脹
係数αｐとニツプルの軸方向熱膨張係数αＮの差αＮ−
αｐが増加するとネジピツチ差ＤＮ−Ｄｐは増加するこ
とがわかる。例えば〜第１表中のソケツトとニツブルの
平均温度差が５００℃の場合、ソケツトとニツプルの軸
方向熱膨脹係数の差αＮ−α，がＯのとき、すなわち、
ソケツトとニツプルの軸方向熱膨脹係数が等しいとき、
ネジピツチ差ＤＮ−Ｄｐは＋０．００９ｗｍ／ピツチで
あり、軸方向熱膨脹係数の差αＮ−α２が＋０．５０×
１０−６ｄｅｇ−１のとき、ネジピツチ差ＤＮ−Ｄｐは
＋０．０１４１ｖｎ／ピッチであり、同様にαＮ−αＰ
が１．５Ｘ１０−６ｄｅｇ−１のとき、賑−Ｄｐは＋０
．０４２ｍｆＬにもなる。第３図は１ピツチ（３山／イ
ンチ）当りのニツプルネジピツチ変更値（Ｔｍ）と応力
集中率の関係を示す図表であつて、標準ネジピツチ（３
山／インチ）のソケツトにネジピツチを変更したニツプ
ルを接続した場合、ネジ部に発生する応力集中率（任意
スケール）をネジ応力理論（但し、常温のとき）から計
算して求めた値である。

実際に、標準ネジピツチのソケツトに標準ネジピッチの
ニツプルを螺合した場合（）、１ピツチ当り＋０．０１
ｍ！ネジピツチを変更したニツプルを螺合した場合Φ入
１ピツチ当り−０．０１ＷＪネジピツチを変更したニツ
プルを螺合した場合４１１）の三種類について箔歪ゲー
ジにてネジ部に発生する応力を測定し、応力集中率を求
めたが第３図に示す値と同様に、（−０．０１ｍ）くＩ
（標準ネジピツチ）く（＋０．０１ｍ）の順に応力集中
率が増大した。第１表と第３図とのデータの比較から次
の事が推論される。

標準ネジピッチのソケツトとニツブルの接続の場合に訃
いても使用中にソケツトとニツプルの温度差のためソケ
ツトとニツプルのネジピツチに差を生じ、ソケツトとニ
ツプルのネジピツチ差０に較べて応力集中率が大きくな
る。

例えば、ソケツトとニツプルの平均温度差を５００℃と
すれば、ピツチ差ＤＮ−Ｄｐはα、−α２＝Ｏの場合、
第１表から＋０．００９１ｗｎ／ピッチとなり、第３図
から応力集中率は２．５となり、ソケツトとニツプルの
ネジピッチ差０の応力集中率が１．５であるから凡そ１
．７倍応力集中率が大きくなる。またニツプルの滅膨脹
がソケツトの熱膨脹より大きい場合には応力集中率は更
に大きくなる。例えばソケツトとニツプルの平均温度差
５００℃、ソケツトとニツプルの熱膨脹係数の差αＮ−
αＰが＋０．５０×１０−６ｄｅｇ−１とすれば、第１
表よりソケツトとニツプルのネジピツチ差は＋０．０１
４Ｗｆ１／ピツチとなり、応力集中率は第３図より３６
０となり、ソケツトとニツプルのネジピツチ差０の１．
５にくらべて２，０倍応力集中率が大きくなる。上記の
推論事実から使用中の電極接続部のネジ部応力集中を軽
減するために、ソケツトとニツプルの温度差、熱膨脹差
を考慮してニツプルのネジピツチを標準のネジピツチに
対してあらかじめ小さくしておくことが有効であること
が判明した。

そしてニツプルネジピツチの変更値を第３図に基いてニ
ツプルとソケツトの使用中のピツチ差ＤＮ一Ｄｐを１ピ
ツチ当り−０．０１ｍ〜−０．０２？になるように、ニ
ツプルネジピツチをあらかじめ変更しておけばよいので
あるが、実際に、炉に使用する場合は、ニツプルネジピ
ツチの変更量は電極の使用状況によつて異なる。先きに
指摘したように、電極使用中に卦いて最も折損し易いト
ップジョイントのニツプル部平均温度は５００℃〜１５
００℃、平均温度差（Ｎｔ−Ｓｔ）５０℃〜６００℃で
あるので、この温度条件下では上記ピツチ差−０．０１
？〜−０．０２ｍｎ／ピツチの範囲になるように、両方
のネジを加工して｝けば最も望ましいことである。例え
ば温度１０００℃、温度差５００℃のとき、ニツプルネ
ジの伸びとソケツトネジの伸びの差が＋０．０１ｍとす
れば、あらかじめ、ニツプルネジを−０．０３Ｔｍ〜−
０．０２Ｗｒ！ｎ標準ネジピツチより小さく変更してお
けばよい。ところが、電極接続部の温度範囲が上記５０
０〜１５００℃、温度差５０〜６００℃全体にわたつて
、ピツチ差が−０．０１ｗｎ〜−０．０２ｍの範囲に入
れば最も望ましいが、その温度範囲は非常に広いので、
熱膨脹係数を考慮してすべての温度にわたつてピツチ差
一０．０１Ｗｆ１〜−０．０２ｗｎになるように設定す
ることがむずかしいので、近似的又は最も効果のある目
安として採られる方法としては、上記の電極接続部のニ
ツプル部温度、平均温度差のほぼ中間点の温度（５００
＋１５００℃／２、５０＋６００℃／２）でピツチ差−
０．０１ＷＩＢ〜−０．０２ｗ１ｎの範囲になるように
定めればよい。上記ピツチ差−０．０１ＴＷＬ〜−０．
０２ｍの範囲はソケツトとニツブルの熱膨脹係数が、−
０．５０×１０−６ｄｅｇ−１くα、−α，く＋１．５
×１０−６ｄｅｇ−１の範囲の場合に適用される。

αＮ−αＰく−０．５０Ｘ１０−６ｄｅｇ−１ではニツ
プルネジピツチを小さくする必要がない。また、αＮ−
α２〉１．５×１０ネ１ｄｅｇ−１の場合には、中間点
の温度においてピッチ差−０．０１１ｒｒ！ｎ〜−０．
０２ＴＶｆｉの範囲に入るようにするためには二ツプル
ネジピツチを０．０４Ｔｍ以上小さくしなければならな
い。

そうするとソケツトにニツプルを螺合した場合、電極接
続部の温度が低くニツプルが熱膨脹してネジピッチが伸
びないのでソケツトとニツプルのネジ部の１部しか螺合
せず、第３図からも類推されるが応力集中率が大きくな
り本特許の目的である応力集中率の低下に反することに
なる。この発明は土述のように黒鉛電極のソケツトとニ
ツプルの接続部における夫々の軸方向の熱膨脹係数が−
０．５０Ｘ１０−６ｄｅｇ−１くα、−α２く＋１．５
×１０−６ｄｅｇ−１の範囲において、ニツプルネジの
有効ネジ部長さのすべてのネジピッチを黒鉛電極のソケ
ツトネジのピツチより１ピツチ当り０．０１〜０．０４
？小さく加工することにある。

この場合、上記説明においては標準ネジピツチとして３
山／インチ＝８．４７（＋２５．４１ｆｍ／３）につい
て説示したが、ピツチがＰ（山数ｎ／インチ）の場合は
Ｐ／８．４７倍、例えば４山／インチ＝６．３５即ち６
．３シ侶．４７゛倍すればよい。従つて（０．０１〜０
．０４ｔｆＳ１）Ｐ／８．４７小さく加工される。また
、ニツプルネジピツチを標準ネジピツチに合わせ；ソケ
ツトネジをニツプルネジピツチより１ピツチ当り（０．
０１〜０．０４Ｔｍ）Ｐ／８．４７大きく加工しても同
様な結果が得られる。

第４図は使用前の顎準ネジピツチのソケット１とニツプ
ル２との螺合によつて電極を接続した状態を示す断面図
であり、ニツプルの最大径付近の各ネジの螺合部３を拡
大してＡ図に、端面付近の螺合部４を拡大してＢ図に夫
々示した。

Ａ図及びＢ図に見られるようにソケツトネジとニツプル
ネジのネジ面が互いに接触して螺合されている。第５図
は使用前の本発明のネジピツチ変更したニツプル２′（
標準よりネジピツチ小）と標準ネジピツチのソケツト１
との螺合によつて電極を接続した状態を示す断面図であ
り、ニツプルの最大径付近の各ネジの螺合部５を拡大し
てＣ図に、端面付近の螺合部６を拡大してＤ図に夫々示
した。同図に見られるように、ニツブルの端面付近６で
はソケツトネジとニツプルネジ面は接触するが）ニツプ
ルの最大径付近５ではソケツトネジとニツプルネジに間
隙がある。すなわち、ニツプルの端面付近で強く螺合さ
れた状態となり、全体の応力集中が軽減されている。第
６図は使用前のネジピツチを標準ピツチより大きくした
ニツプル２〃と標準ネジピツチのソケツト１の螺合状態
を示す断面図であり、ニツプルの最大径付近の螺合部７
をＥ図、ニツプル端面付近の螺合部８をＦ図に夫々示し
た。

ニツプルの最大径付近のネジＴはソケツトネジとニツブ
ルネジ面が接触して螺合しているが、ニツプル端面付近
のネジ８はソケツトネジとニツプルネジに間隙がある。
すなわち、ニツプルの最大径付近で強く螺合した状態で
あり、応力集中は第４図の螺合にくらべて増加している
。電極使用中においては、第４図に示す螺合のものは、
ソケツトとニツプルの温度差、軸方向熱膨脹差（ニツプ
ルがソケツトより大きい場合）によつて第６図に示す螺
合の状態になる。

すなわち、応力集中が増大する。そこで、使用中におい
てもソケツトとニツプルの螺合状態が第５図又は第４図
の螺合状態になるように、あらかじめ、ニツプルのネジ
ピツチをソケツトネジのピツチより１ピツチ当り（０．
０１〜０．０４ｍ）Ｐ／８．４７小さく加工して訃けば
、応力集中は軽減されることになり、電極接続部の実質
強度が増大し、折損事故が減少する。次に実施例を示し
て、この発明の効果を明確にする。

実施例 １ ネジピツチを３種類に変更したニツブル（＋０．０１Ｗ
ＷＬ１−０．０１？、−０．０３簡）と標準ネジピツチ
（３山／インｆ）のニツプルで２０インチ電極を夫々接
続して、ユーザーＡ，Ｂの炉で使用した。

用いたソケツトとニツプルの軸方向熱膨脹係数は同一で
ある。その使用結果をニツプルネジピツチの変更値と電
極折損事故率の関係にて第２表に示した。

上表よりニツプルネジピツチ変更値を−０．０１能、−
０．０３？とすることが折損事故率を減少することに有
効であることがわかつた。実施例 ２ 第３表に示すように、ネジピツチを４種類に変更したニ
ツプルと標準ネジピツチ（３山／インチ）のニツブルの
５種類と、軸方向熱膨脹係数の異なるニツプル４種類（
ソケツトとニツプルの熱膨脹係数の差αＮ−αｐ−０．
２×１０−６、０、＋０．５×１０−６＋１．５×１０
−６ｄｅｇ−りとを組合わせたものの２０インチ電極に
ついて使用した結果を第３表に示す。

上表の結果が示すように、ソケツトとニツプルの熱膨脹
係数の差αＮ−αｐ（Ｄｅｇ−りが小さくなる程、すな
わちニツプルの熱膨脹係数がソケツトの熱膨脹係数より
小さくなる程折損事故は減少しており、またニツプルネ
ジピツチを小さくすると折損事故は減少する。さらに顕
著なことはソケツトとニツプルの熱膨脹係数の差α、−
α２が＋０．５ｘ１０−６（Ｄｅｇ−りの場合、ネジピ
ッチが標準のニツブルでは１５．５％の折損事故率、−
０．０１？ピツチ変更値で４．５９６の折損事故率とな
り、熱膨脹係数の差αＮ−αｐ＝０で標準のネジピツチ
のニツプルの場合の折損事故率５．０％とほぼ同様にな
つている。以上の実施例の結果から考察すると、電極使
用中におけるソケツトとニツブルの温度差が大きい場合
とニツプルの熱膨脹係数がソケツトの熱膨脹係数より大
きい場合に電極接続部の応力集中が増大して電極折損事
故率が増大するが、ソケツトとニツプルの温度差、熱膨
脹差（αＮ−α，）を考慮して、あらかじめニツプルの
ネジピツチを設定された値に小さくして電極を接続する
と、その接続部の応力集中が軽減されて電極折損事故率
が著しく減少することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電極ホールドの状態を示す説明図、第２図は二
次相電流と電極中心と表面の温度差との関係を示す図表
、第３図は１ピツチ当りのニツプルネジピツチ変更値と
応力集中の関係を示す図表、第４図は標準ネジピツチの
ソケツトとニツブルで電極を接続した例を示す状態図、
第５図と第６図はニツプルネジピツチに変更を加えて電
極を接続した例を示す状態図である。 Ａ・・・・・・ホルダー、Ｂ・・・・・・トップジョイ
ント、Ｃ・・・・・・セカンドジヨイント、１・・・・
・・ソケツト、２，２′，２〃・・・・・・ニツプル、
３，５，７・・・・・・ニツプルの最大径付近の螺合部
、４，６，８・・・・・・ニツブルの端面付近の螺合部
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 黒鉛電極のソケットとニップルの軸方向の熱膨脹係
   数α＿ｐ、α＿Ｎが−０．５０×１０＾−＾６ｄｅｇ＾
   −＾１＜α＿Ｎ−α＿Ｐ＜＋１．５×１０＾−＾６ｄｅ
   ｇ＾−＾１の範囲において、ニップルネジの有効ネジ部
   長さｌのすべてのピッチＰ（ｍｍ）を黒鉛電極のソケッ
   トネジのピッチより１ピッチ当り（０．０１〜０．０４
   ｍｍ）Ｐ／８．４７（但し、８．４７■２５．４／ネジ
   山数３）より小さく加工したことを特徴とする黒鉛電極
   の接続部。 ２ ソケットネジの有効ネジ部長さのすべてのピッチＰ
   （ｍｍ）を黒鉛電極のニップルネジのピッチ当り（０．
   ０１〜０．０４ｍｍ）Ｐ／８．４７より大きく加工した
   特許請求の範囲第１項記載の黒鉛電極の接続部。