LU88638A1 - Bodenelektrode fuer einen Lichtbogenofen - Google Patents

Description

Bodenelektrode für einen Lichtbogenofen

Diese Erfindung betrifft eine Bodenelektrode, wie sie in einem Lichtbogenofen,insbesondere einem Elektrostahlofen, eingesetzt wird.

Eine Schwierigkeit im Zusammenhang mit Bodenelektroden für Lichtbogenöfenliegt darin, daß die Elektrode einerseits in dem Ofen mit der heißenMetallschmelze in Kontakt steht, andererseits jedoch zum Anschluß an dieStromversorgung aus dem Ofen hinausreichen muß. Die Elektrode muß folglichdie feuerfeste Ausmauerung des Ofens durchdringen, wobei die Abdichtungdes Ofens sichergestellt sein muß.

Für Elektrostahlofen werden die Elektrodenstäbe aus Gründen der Abnutzungund der Reinhaltung der Schmelze aus Stahl hergestellt. Das mit derMetallschmelze in Verbindung stehende Ende des Elektrodenstabs wird dabeiauf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes aufgeheizt. Die Elektrodebeginnt folglich an dem oberen Ende zu schmelzen, wonach sich die Grenzezwischen der festen und der flüssigen Phase in der Elektrode nach untenverlagert. Aus diesem Grund müssen Bodenelektroden an dem unteren Endein geeigneter Weise gekühlt werden, um den Durchbruch der Metallschmelzenach außen zu verhindern.

Die Kühlung kann dabei im wesentlichen auf zwei verschiedene Arten erfolgen:durch eine Spritzkühlung, bei der Kühlflüssigkeit von außen auf ein an derElektrode befestigtes Kühlelement gespritzt wird, oder durch einengeschlossenen Kühlkreis, der in einem an der Elektrode befestigtenKühlelement integriert ist und durch den ein flüssiges Kühlmedium fließt.

So wird in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 472 254 z.B. eineBodenelektrode vorgeschlagen, deren Elektrodenstab nach unten bis an denäußeren Ofenmantel heranreicht und durch ein Kühlelement aus gutwärmeleitendem Material aus dem Ofen heraus verlängert ist. In diesemKühlelement sind von unten Sackbohrungen ausgeführt, in welche einKühlmittel hineingespritzt wird. Diese Spritzkühlung ist relativ einfach im

Aufbau und ermöglicht eine kompakte Bauweise der Elektrode. Allerdings weistdiese Spritzkühlung den Nachteil auf, daß das Material des Kühlelementes, imallgemeinen Kupfer, durch die Bespritzung mit dem Kühlmittel oxidiert. In denBohrungen bildet sich eine Oxydschicht, die eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzt, als das eigentliche Material des Kühlelementes. DerWärmeaustausch mit dem Kühlmittel wird merklich verringert, wodurch dieKühlwirkung der Anordnung herabgesetzt wird und die Gefahr desDurchbruchs der Schmelze steigt.

Eine Bodenelektrode mit kombinierter Spritzkühlung/geschlossener Kühlung istin der Patentanmeldung EP-A-0 423 003 beschrieben. Bei dieser Elektroderagt der Elektrodenstab nach unten aus der Ofenwand heraus und ist mit einemkombinierten Kühlsystem versehen. Dazu ist das herausragende Teilstück desElektrodenstabes unten mit einem axialen Ansatz aus gut wärmeleitendemMaterial versehen und mit diesem fest verbunden. In den Ansatz ist eingeschlossener Kühlkreislauf integriert, durch den ein Kühlmittel zirkuliert.Zusätzlich dazu ist außen radial um das herausragende Teilstück desElektrodenstabes eine Hülse aus gut wärmeleitendem Material angebracht, diemit einem Kühlmittel bespritzt wird. Auch bei dieser Elektrode liegt der Nachteilin der Oxydation des Materials des Kühlelementes durch das aufgespritzteKühlmittel und der dadurch bedingten Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeitdes Materials der Hülse. Der Wärmeaustausch mit der Kühlflüssigkeit wirddeutlich herabgesetzt und die Gefahr des Durchbruchs der Schmelze steigt.Zudem ist diese Elektrode relativ sperrig.

In der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 235 465 ist eine Bodenelektrodebeschrieben, deren Elektrodenstab nach unten aus der Ofenwand herausragt,und die an dem unteren herausragenden Teilstück durch einen geschlossenenKühlkreis gekühlt wird. Das herausragende Teilstück des Elektrodenstabes istdazu unten mit einem Ansatz aus gut wärmeleitendem Material versehen undmit diesem fest verbunden. Um das herausragende Teilstück desElektrodenstabes ist eine Hülse aus einem gut wärmeleitendem Materialangeordnet, die an der Ofenwand angebracht ist. Sowohl die Hülse als auch der Ansatz sind mit einem geschlossenen Kühlkreislauf versehen, die denElektrodenstab derart kühlen, daß eine dünne äußere Schicht desElektrodenstabes in festem Zustand bleibt. Ein Nachteil dieser Elektrode liegtin der aufwendigen Gestaltung der Kühlung der Hülse.

Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, einewesentlich vereinfachte, kompakte Bodenelektrode mit einem geschlossenenKühlsystem bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bodenelektrode zumMontieren in eine Ofenwand eines Lichtbogenofens, umfassend einenElektrodenstab mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das ersteEnde des Elektrodenstabs im Betriebszustand in das Metallbad hineinragt, undein Kühlelement mit einem geschlossenen Kühlkreislauf, welches eineKühlfläche aufweist die mit dem zweiten Ende des Elektrodenstabs in Kontaktist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kühlelement ein Gehäuseaufweist das die Kühlfläche für den Elektrodenstab innerhalb der Ofenwandausbildet und das einen Hohlraum in axialer Verlängerung des Elektrodenstabsunterhalb dieser Kühlfläche aufweist, und daß in diesem Hohlraum desGehäuses ein Kern derart angeordnet ist, daß zwischen Gehäuse und Kernunterhalb der Kühlfläche ein stirnseitiger spaltförmiger Zwischenraum für dasKühlmittel ausgebildet ist, der in einen den Kern umgebenden peripherenZwischenraum einmündet, wobei im Kern ein Vorlaufkanal angeordnet ist, dereine zentrale Einmündung für das Kühlmittel in den spaltförmigen stirnseitigenZwischenraum ausbildet, so daß das Kühlmittel zentral in den stirnseitigenspaltförmigen Zwischenraum einströmt und über den peripheren Zwischenraumabgeführt wird.

Die erfindungsgemäße Bodenelektrode ist also mit einem Kühlelementversehen, das im wesentlichen aus nur zwei Teilen besteht. Dabei ist dieHerstellung der beiden Teile vergleichbar einfach. So können die Teile zumBeispiel rotationssymmetrisch sein, so daß sie im wesentlichen durch Drehenhergestellt werden können. Die einfache Herstellung des Kühlelementes reduziert natürlich die Herstellungskosten der gesamten Bodenelektrode. Diein EP-A-0 423 003 und EP-A-0 235 465 vorgesehene Hülse entfällt da dieKühlfläche innerhalb der Ofenwand angeordnet ist.

Damit die Kühlfläche innerhalb der Ofenwand angeordnet werden kann mußdie Kühlung dieser Fläche äußerst intensiv und zuverlässig sein, zugleichjedoch auch äußerst kompakt gestaltet sein. Dies erfolgt durch dieerfindungsgemäße Gestaltung des Kühlkreislaufs im Kühlelement. DieKühlfläche wird von unten zentral durch den Vorlauf angeströmt und dasKühlmittel verteilt sich radial in den stirnseitigen Zwischenraum. In diesemspaltförmigen Zwischenraum entstehen hohe Strömungsgeschwindigkeiten, sodaß die vom Gehäuse auf das Kühlmittel übergegangene Wärme schnell vonder Kühlfläche abgeführt wird. Strömungsarme Zonen und damit die Gefahreiner lokalen Dampfblasenbildung werden verhindert.

Der symmetrische Aufbau des Kühlsystems bewirkt zudem eine gleichmäßigeKühlung der zu kühlenden Fläche da die Wärmeaufnahmefähigkeit derKühlflüssigkeit besser ausgenutzt werden kann. In der Tat ist durch diezentrale Anströmung der Kühlfläche die Weglänge der Flüssigkeit entlang derzu kühlenden Fläche nach allen Richtungen hin gleich. Daraus resultiert einesymmetrische Kühlwirkung, die im Zentrum am höchsten ist und die wegensteigender Kühlmitteltemperatur radial nach außen hin abnimmt. Bei einemasymmetrischen Kühlsystem hingegen kommt es aufgrund derunterschiedlichen Weglängen der Flüssigkeit entlang der zu kühlenden Flächezu einer asymmetrischen Kühlwirkung. Dies wirkt sich dahingegen aus, daßdas gesamte Kühlsystem größer dimensioniert werden muß wodurch sowohldie Produktionskosten als auch die Betriebskosten ansteigen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist innen in dem Gehäuseunterhalb der Kühlfläche eine konusförmige Nase ausgebildet, die sich axial inden Hohlraum des Gehäuses erstreckt.

Durch die Nase, die sich in dem Gehäuseinneren an dem Auftreffpunkt deszugeführten Kühlmittelstrahls befindet, wird der Strahl symmetrisch aufgeweitet und radial nach außen abgeleitet. Dadurch kann die Bildung von Wirbelnvermieden werden. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da WirbelBereiche enthalten, in denen die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelsgleich Null ist. In diesen sogenannten Totzonen wird die anfallende Wärmefolglich nicht abgeführt und es kommt zu lokaler Dampfblasenbildung. ImBereich dieser Totzonen heizt sich die Kühlfläche stark auf, was bewirkt, daßdie Grenze zwischen der festen und der flüssigen Phase in demElektrodenstab nach unten wandert und es zu einem Durchbruch derMetallschmelze kommen kann. Daneben enthält ein Wirbel Bereiche in denendie Strömungsgeschwindigkeit stark erhöht ist. In diesen Bereichen kommt esaufgrund der Zunahme der Geschwindigkeit zu Kavitation und der dadurchbedingten Kavitationserosion des Kühlelementes weshalb dieses häufig ersetztwerden muß. Die Vermeidung solcher Wirbel ist also ein entscheidenderVorteil einer solchen Nase. Darüber hinaus erhöht sich durch die Nase in demGehäuseinneren die zu kühlende Fläche. Hierdurch kann der Wärmeaustauschder Fläche mit der Flüssigkeit erhöht und somit die Temperatur der Flächegesenkt werden.

Passend zu der konusförmigen Nase unterhalb der Kühlfläche des Gehäuses,kann die Mündung des Vorlaufkanals trichterförmig ausgebildet sein, so daßdie konusförmige Nase axial-symmetrisch in die Mündung des Vorlaufkanalshineinragen kann.

Durch eine derartige Ausgestaltung des stirnseitigen Zwischenraumes wird dieEntstehung von abrupten lokalen Veränderungen der Abmessungen desZwischenraumes vermieden. An solchen abrupten lokalen Veränderungen derAbmessungen ändert sich ebenfalls die Durchflußgeschwindigkeit desKühlmittels abrupt. Dies führt jedoch zu einer örtlich sehr ungleichmäßigenKühlwirkung was im Hinblick auf eine genaue Anpassung des Kühlkreislaufesan die bestehenden Erfordernisse zu vermeiden ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung nimmt die axiale Ausdehnung desstirnseitigen spaltförmigen Zwischenraumes radial nach außen hin ab.

Diese Abnahme der axialen Ausdehnung des Zwischenraumes kann zumBeispiel proportional zum Radius sein, so daß das Volumen eines infinitesimalbreiten, ringförmigen Ausschnittes aus dem stirnseitigen Zwischenraum radialnach außen hin über die gesamte Stirnfläche des Kernes gleichbleibt. Diesgarantiert eine über die gesamte Stirnfläche gleichbleibende

Durchlaufgeschwindigkeit eines in dem spaltförmigen Zwischenraum von derAchse radial nach außen hin abfließenden Kühlmittels.

Um eine gleichbleibende Ausdehnung des Zwischenraumes für das Kühlmittelzu gewährleisten, wird die Ausdehnung des stirnseitigen, spaltförmigenZwischenraumes bevorzugt durch Abstandshalter zwischen Kern undKühlfläche festgelegt.

Eine gleichbieibende Abmessung des spaltförmigen Zwischenraumesgarantiert eine gleichbleibende Kühlmittelgeschwindigkeit und damit einegleichmäßig gute Kühlung der Elektrode. Zudem wird eine übermäßigeVerengung des spaltförmigen Zwischenraumes zwischen dem Kern und derKühlfläche verhindert. Damit kann verhindert werden, daß derKühlmitteldurchfluß und damit die Wärmeabfuhr wegen einer solchenVerengung derart gehemmt wird, daß es zu einem Durchbruch derMetallschmelze nach außen kommt.

Um die Kühlflüssigkeit nach dem Wärmeaustausch mit der Kühlflächeabzuführen, wird sie in den peripheren Zwischenraum abgeleitet. Dieser istbevorzugt an dem vom Ofen abgewandten Ende des Gehäusesabgeschlossen, wobei in diesem Bereich ein Sammelkanal ausgebildet ist. DasKühlmittel kann sich in diesem Bereich des peripheren Zwischenraumessammeln und es kann anschließend durch eine in dem Gehäuse ausgeführteÖffnung abgeführt werden, die in den Sammelkanal hineinreicht.

Um ein Abreißen des Kontaktes zwischen dem Elektrodenstab und demKühlelement zu verhindern, ist es weiterhin sinnvoll, das zweite Ende desElektrodenstabs mit der Kühlfläche des Gehäuses zu verschweißen. Da dieSchweißnaht zwischen dem Elektrodenstab und dem Kühlelement besonders anfällig für Risse ist, sollte diese Schweißnaht jedoch möglichst dünn sein. Ausdiesem Grund werden die beiden Elektrodenteile bevorzugt nach demReibschweißverfahren verschweißt, wodurch die Dicke der Schweißnahtzwischen 0.1 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0.1 und 1 mm, liegt.

Zum Befestigen der Bodenelektrode an dem Lichtbogenofen können an demGehäuse Befestigungsmittel angebracht sein. Diese Befestigungsmittelumfassen in einer bevorzugten Ausführung einen außen an dem Gehäuseangebrachten umlaufenden Vorsprung und zwei Klemmringe, von denen eineran der Ofenwand befestigt ist, wobei der umlaufende Vorsprung zur Montageder Elektrode an den Ofen zwischen die beiden Klemmringe eingeklemmt wird.

Durch eine solche Ausführung der Befestigungsmittel erhöht sich diemechanische Stabilität der Anordnung. In der Tat wird die gesamteBodenelektrode durch das Kühlelement getragen, so daß sich die mechanischeBeanspruchung durch thermische Verspannungen und durch von demLichtbogen ausgelöste Vibrationen auf den Befestigungspunkt desKühlelementes überträgt. Dieser Befestigungspunkt darf folglich nicht zu warmwerden um die mechanische Stabilität nicht zu gefährden. Dies wird bei dererfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung durch die räumliche Distanz derKlemmnase zu der Kühlfläche erreicht.

Zur Optimierung des Kühlkreislaufes ist der Hohlraum bevorzugt zylindrischund ein erstes, dem Ofen zugewandtes Teilstück des Kerns ist bevorzugtzylinderförmig, wobei der Durchmesser des zylindrischen Teilstücks kleiner istals der Durchmesser des Hohlraumes, so daß der periphere Zwischenraumzwischen dem Gehäuse und dem Kern einen ringförmigen Querschnittaufweist. Ein zweites, mittleres Teilstück des Kerns kann dann einen axial nachaußen hin sich verjüngenden Querschnitt aufweisen, so daß sich der periphereZwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Kern axial nach außen hinaufweitet und ein drittes, dem Ofen abgewandtes Teilstück des Kerns kannwiederum zylinderförmig ist, wobei der Durchmesser des dritten Teilstücks demDurchmesser des Hohlraumes entspricht.

Durch die zylinderförmige Form des oberen Teilstücks des Kerns bildet sich indem oberen Bereich des peripheren Zwischenraumes eine Druckstufe aus.Diese verhindert dabei ein zu schnelles Ablaufen der Kühlflüssigkeit undbewirkt dadurch den Aufbau eines Überdrucks in dem stirnseitigenZwischenraum. Dieser Überdruck bewirkt ein Ansteigen der Siedetemperaturdes Kühlmittels und wirkt somit ebenfalls einer Dampfblasenbildung entgegen.In dem mittleren Bereich des peripheren Zwischenraumes, auf Höhe desmittleren Teilstücks des Kerns, findet anschließend ein langsamer Druckabbaustatt bevor die Kühlflüssigkeit in dem unten als Sammelkanal ausgebildetenBereich gesammelt wird. Das untere Teilstück des Kernes bildet dabei denAbschluß des peripheren Zwischenraumes und bewirkt gleichzeitig, daß derKern in dem Gehäuse axial verschiebbar geführt wird.

Zur Regulierung der Kühlmittelgeschwindigkeit in dem stirnseitigenZwischenraum kann die der Kühlfläche zugewandte Stirnfläche des Kerneseine oder mehrere von der zentralen Einmündung radial nach außenverlaufende Nuten aufweisen.

Zur Abdichtung des peripheren Zwischenraumes nach unten hin ist es vonNutzen, um das dritte Teilstück des Kerns radial mindestens eine umlaufendeRingdichtung anzubringen. Diese Ringdichtung kann zum Beispiel in einer Nutangebracht sein, die in dem dritten Teilstück des Kerns radial umlaufendausgeführt ist.

Zur Befestigung des Kernes in dem Gehäuse kann das dritte, dem Ofenabgewandte Teilstück des Kerns zusätzlich an einem äußeren Ende radial miteinem ringförmigen Befestigungsflansch versehen sein.

Die Befestigung erfolgt in vorteilhafter Weise durch ein elastischesBefestigungsmittel, das den Kern durch eine axiale Federkraft in das Gehäusehineindrückt.

Die elastischen Befestigung des Kernes kann zum Beispiel durch Schraubenerfolgen, die mit elastischen Federn umgeben sind. Diese Federn können sichzwischen dem Schraubenkopf und dem Befestigungsflansch erstrecken und den Kern aufgrund ihrer Vorspannung in das Gehäuse hineindrücken. Aufdiese Art können unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Kern undGehäuse aufgenommen werden, ohne daß die beiden Teile mechanischbeansprucht werden.

Um die unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Kern und Gehäuse zureduzieren, ist es weiterhin vorteilhaft, das Gehäuse und der Kern aus demgleichen Material zu fertigen. Dieses Material kann zum Beispiel Kupfer sein,das sich durch gute Wärmeleitfähigkeit auszeichnet und sich darüber hinaussehr gut bearbeiten läßt.

Im folgenden wird eine erfindungsgemäße Bodenelektrode anhand der Fig. 1beschrieben, die einen vertikalen Schnitt durch eine solche Anordnung inmontiertem Zustand zeigt.

Die Elektrode besteht im wesentlichen aus einem im allgemeinen zylindrischenElektrodenstab 2, und einem Kühlelement, das sich aus einem Gehäuse 4 undeinem Kern 6 zusammensetzt. Der Elektrodenstab 2 steht an seinem oberenEnde in der Ausmauerung 8 des Ofens mit der Metallschmelze (nicht gezeigt)in Verbindung. Unten endet der Elektrodenstab oberhalb der metallischenOfenwand 10 und stützt sich unter dem Einfluß der Schwerkraft auf einerKühlfläche 9 des Gehäuses 4 des Kühlelementes ab, so daß ein elektrischerKontakt zwischen dem Elektrodenstab 2 und dem Gehäuse 4 desKühlelementes entsteht. Um den Elektrodenstab 2 mit der

Versorgungsspannung zu beaufschlagen, ist an dem Kühlelement eineAnschlußfahne 11 angebracht, die an die Versorgungsspannung angeschlossen wird. Damit der elektrische Kontakt zwischen demElektrodenstab 2 und dem Gehäuse 4 nicht unterbrochen wird, sind die beidenTeile bevorzugt miteinander verschweißt. Aus Gründen der Wärmeleitfähigkeitund der mechanischen Stabilität soll dabei die Schweißnaht 12 allerdingsmöglichst dünn sein und etwa in dem Bereich von 0.1 bis 5 mm, vorzugsweisein dem Bereich von 0.1 bis 1 mm, liegen. Eine solche Schweißnaht kann zum

Beispiel durch Reibschweißen oder Elektronenstrahlschweißen hergestelltwerden.

Das Gehäuse 4 ist in der hier beschriebenen Ausführung im wesentlichenzylindrisch, wobei es im oberen Teil an die Öffnung in der Ofenwand angepaßtist, so daß es zum Teil in diese eingeführt werden kann. Dierotationssymmetrische Gestaltung des Kühlelementes ist selbstverständlich nureine Ausführungsmöglichkeit die aus herstellungstechnischen Gründengewählt wurde. Der Querschnitt des Kühlelementes könnte ebensogut unrund,z.B. oval sein. Zur Befestigung des Kühlkörpers an der Ofenwand 10 ist außenan dem Gehäuse 4 ein umlaufender Vorsprung 14 angebracht. Der Vorsprung14 wird zur Montage des Kühlkörpers an die Ofenwand zwischen zweiKlemmringe 16 und 18 eingespannt. Dies kann zum Beispiel durch Schrauben20 erfolgen, die durch axiale Bohrungen in dem unteren Klemmring 18 geführtsind und in Gewindebohrungen in dem oberen Klemmring 16 eingeschraubtsind. Der untere Klemmring 18 ist mit mehreren Bohrungen 22 versehen. Durchdie Bohrungen 22 wird der untere Klemmring 18 an der Ofenwand 10 mittelsSchrauben befestigt. Dies geschieht bevorzugt elastisch, so daß dieBefestigung eine temperaturbedingte Ausdehnung des Kühlkörpers aufnehmenkann. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel um jede Schraube, zwischen demSchraubenkopf und dem Klemmring 18, eine Feder angebracht sein, die einegewisse Vorspannung aufweist.

Der obere Klemmring 16 liegt nach der Montage an der Ofenwand 10 an. Umdie Ofenwand 10 elektrisch gegen die Elektrode zu isolieren, ist zwischen demKlemmring 16 und der Ofenwand 10 ein isolierendes Element 24 angebracht.Es kann sich hierbei zum Beispiel um eine Scheibe aus isolierendem Materialhandeln, die zwischen den Klemmring 16 und die Ofenwand 10 eingeklemmtwird. Weiterhin ist das Gehäuse 4 auch radial gegen die Ofenwand 4 isoliert.Dies geschieht durch eine Hülse 26 aus elektrisch isolierendem Material, diezwischen dem Gehäuse 4 und der Öffnung in der Ofenwand 10 angebracht ist.Ist das isolierende Material der Hülse 26 zusätzlich elastisch, so kann dieHülse 26 darüber hinaus eine thermisch bedingte, radiale Ausdehnung aufnehmen. Das Gehäuse 4 bleibt so trotz thermisch bedingter Ausdehnung inder Öffnung der Ofenwand 10 zentriert und geführt.

Im Inneren ist im Gehäuse 4 ein zylindrischer Hohlraum 27 ausgebildet,welcher axial unter der Kühlfläche 9 liegt und nach unten offen ist.

An der offenen Seite des Gehäuses 4 wird der Kern 6 eingeführt. Dieserumfaßt ein oberes, zylinderförmiges Teilstück 28, wobei der Durchmesser deszylindrischen Teilstücks 28 kleiner ist als die lichte Weite der inneren,zylindrischen Ausformung des Gehäuses 4. Zwischen dem Gehäuse und demKern bildet sich folglich ein peripherer Zwischenraum 30 aus, der beizentriertem Kern 6 einen axial-symmetrischen, ringförmigen Querschnittaufweist. Die radiale Ausdehnung dieses Zwischenraumes 30 ist bevorzugtderart bemessen, daß über die Länge der axialen Ausdehnung des oberenzylinderförmigen Teilstücks 28 eine Druckstufe für das Kühlmittel ausgebildetwird.

Das mittlere Teilstück 32 des Kerns 6 weist bevorzugt einen sich axial nachaußen hin verjüngenden Querschnitt auf, so daß sich der periphereZwischenraum 30 zwischen dem Gehäuse 4 und dem Kern 6 in diesem Bereichaxial nach außen hin aufweitet.

Das untere Teilstück 34 des Kerns 6 ist bevorzugt zylinderförmig, wobei derDurchmesser des unteren Teilstücks 34 derart gewählt ist, daß der Kern 6 indem Gehäuse 4 axial verschiebbar geführt wird. Mit anderen Worten, derDurchmesser des unteren Teilstücks 34 entspricht im wesentlichen demInnendurchmesser des Gehäuses, wodurch der periphere Zwischenraum 30oberhalb dieses unteren Teilstücks 34 begrenzt wird. An seinem unteren Endeist der Kern 6 radial mit einem Befestigungsflansch 36 versehen.

Die Befestigung des Kernes 6 innerhalb des Gehäuses 4 erfolgt durchSchrauben 38, die durch Bohrungen in dem Befestigungsflansch 36 gestecktund in entsprechende Bohrungen im Gehäuse 4 eingeschraubt werden. AxialeAbstandshalter 52 legen hierbei die axiale Lage des Kerns in dem Hohlraum 23fest, so daß die Spaltbreite stets konstant ist. Um eine thermisch bedingte Längenausdehnung des Kerns aufzunehmen ist es auch hier sinnvoll dieBefestigung elastisch zu gestalten. Aus diesem Grund sind die Schrauben 38bevorzugt von elastischen Federn 40 umgeben, die sich zwischen denSchraubenköpfen und dem Befestigungsflansch 36 erstrecken, und dieaufgrund ihrer Vorspannung, den Kern 6 in das Gehäuse 4 hineindrücken. Alselastischen Federn 40 können hierzu Tellerfedern, Spiralfedern o.ä.vorgesehen sein.

Um den peripheren Zwischenraum 30 nach unten hin abzudichten, ist in demunteren Teilstück 34 des Kernes 6 mindestens eine radiale Nut eingedreht. Indieser Nut ist bevorzugt eine Ringdichtung 42 angebracht, die denZwischenraum zwischen dem unteren Teilstück 34 des Kerns 6 und derInnenfläche des Gehäuses 4 radial abdichtet.

In dem Kern 6 ist auf der Längsachse der Elektrode ein Vorlaufkanal 44 zumZuführen des Kühlmittels ausgeführt. Dieser Vorlaufkanal 44 bildet in der demOfen zugewandten Stirnfläche des Kernes eine Mündung aus, die bevorzugttrichterförmig ist. Dabei ist der Durchmesser der Mündung in der Stirnflächekleiner als der Außendurchmesser des oberen, zylinderförmigen Teilstücks 28des Kerns 6, so daß um die Mündung herum ein verbreiterter Rand ausgebildetist. Im Hinblick auf ein günstiges Strömungsverhalten des Kühlmittels sindweiterhin die Übergänge zwischen der Mündung und dem verbreiterten Rand,sowie zwischen dem verbreiterten Rand und dem zylinderförmigen Teilstückabgerundet. Innen in dem Gehäuse ist an der oberen, verschlossenen Seiteunterhalb der Kühlfläche 9 auf der Achse eine konusförmige Nase 46ausgebildet, deren abgerundete Spitze sich bei eingeführtem Kern axial in dieMündung erstreckt. Auch hier ist der Durchmesser der Basis derkonusförmigen Nase 46 kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses 4 unddie Übergänge zwischen den einzelnen Flächen sind abgerundet.

Die Nase 46 verhindert, daß das im Betrieb der Anordnung durch denVorlaufkanal 44 herangeführte Kühlmittel beim Auftreffen auf dieGehäuseinnenwand Wirbel ausbildet. In der Tat wird der heranströmende Kühlmittelstrahl durch die Nase 46 strömungsgünstig geteilt und unter derKühlfläche verteilt. Anschließend wird das erwärmte Kühlmittel radial nachaußen hin abgeführt. Durch die strömungsgünstige Verteilung desKühlmittelstrahls und die anschließende Abführung des Kühlmittels entlangglatter Flächen und abgerundeter Kanten wird die Bildung von Wirbelnverhindert. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da ein Wirbel Zonenenthält, in denen die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels gleich Null ist.In diesen sogenannten Totzonen wird die anfallende Wärme folglich nichtabgeführt und es kommt zu lokaler Dampfblasenbildung. Im Bereich dieserTotzonen heizt sich die Kühlfläche 9 stark auf, was bewirkt, daß die Grenzezwischen der festen und der flüssigen Phase in dem Elektrodenstab 2 nachunten wandert und es zu einem Durchbruch der Metallschmelze kommen kann.Daneben enthält ein Wirbel Bereiche in denen die Strömungsgeschwindigkeitstark erhöht ist. In diesen Bereichen kommt es aufgrund der Zunahme derGeschwindigkeit zu Kavitation und der dadurch bedingten Kavitationserosiondes Kühlelementes weshalb dieses häufig ersetzt werden muß.

Die Mündung des Vorlaufkanals 44 und der Rand um die Mündung sindbevorzugt derart ausgestaltet, daß bei eingeführtem Kern 6 die Höhe desspaltförmigen Zwischenraumes 48 zwischen der Stirnwand des Kerns 6 unddem Gehäuse 4 radial nach außen hin abnimmt. Diese Abnahme der Höhekann zum Beispiel proportional zum Radius sein, so daß das Volumen einesinfinitesimal breiten, ringförmigen Ausschnittes aus dem spaltförmigenZwischenraum 48 radial nach außen hin über die gesamte Stirnfläche desKernes 6 gleichbleibt. Dies garantiert eine über die gesamte Stirnflächegleichbleibende Durchlaufgeschwindigkeit eines in dem Zwischenraum 48 vonder Achse radial nach außen hin abfließenden Kühlmittels.

Um den Kern in dem Gehäuse zu zentrieren, sind radiale Abstandshalter 50zwischen den Kem 6 und das Gehäuse 4 montiert. Aus fertigungstechnischenGründen sind diese Abstandshalter 50, ebenso wie die axialen Abstandshalter52, bevorzugt an dem Kern 6 befestigt. So sind die radialen Abstandshalter 50 zum Beispiel an den oberen, zylindrischen Teilstück 28 des Kerns 6angebracht.

Im Betrieb der Anordnung wird der von dem stirnseitigen Zwischenraum 48 unddem peripheren Zwischenraum 30 gebildete Hohlraum von einem Kühlmitteldurchspült. Dazu ist der Vorlaufkanal 44 an der dem Ofen abgewandtenStirnfläche des Kernes 6 mit einem Flansch 54 verlängert, an den eineKühlmittelzuführung angeschlossen werden kann. Weiterhin ist in dem Bereichder größten radialen Ausdehnung des peripheren Zwischenraumes 30 in demGehäuse 4 eine Bohrung 56 ausgeführt, um das Kühlmittel abzuführen. ZumAnschluß an eine Kühlmittelabführung ist außen an der Bohrung 56 einFlansch 58 angebracht ist, der in radialer Richtung von dem Gehäuse 4absteht.

Das Kühlmittel wird folglich über die Kühlmittelzuführung herangeführt unddurch den Vorlaufkanal 44 in den stirnseitigen Zwischenraum 48 und auf dieKühlfläche 9 geleitet. Die Anströmung der Kühlfläche 9 erfolgt also axial, wobeider Kühlmittelstrom durch die Nase 46 aufgeteilt wird. Das Kühlmittel verteiltdann radial unter der Kühlfläche 9, wobei es zu einem Wärmeaustausch derKühlfläche mit dem Kühlmittel kommt. Die Menge der aufgenommenen undabgeführten Wärme ist dabei eng mit der Strömungsgeschwindigkeit desKühlmittels unterhalb der Kühlfläche 9 verbunden. Die Geschwindigkeit solltedaher derart eingestellt werden, daß die Wärmeaufnahmeeigenschaften desKühlmittels möglichst optimal ausgenutzt werden, wodurch sich je nachaufzunehmender Wärmeenergie Geschwindigkeiten in einem Bereich von 8 bis20 m/s ergeben. Die hohen Kühlmittelgeschwindigkeiten machen deutlich, daßdie strömungsgünstige Ausgestaltung der Übergänge zwischen den einzelnenBegrenzungsflächen der Zwischenräume im Hinblick auf die Vermeidung vonWirbelbildung und der damit verbundenen Dampfblasenbildung unerläßlich ist.Diese Geschwindigkeiten erreicht man insbesondere durch die geschickteAusgestaltung des stirnseitigen Zwischenraumes 48 und des peripherenZwischenraumes 30. Zur Regulierung der Kühlmittelgeschwindigkeit in demstirnseitigen Zwischenraum kann weiterhin die Stirnfläche des Kernes eine oder mehrere von der zentralen Einmündung radial nach außen verlaufendeNuten aufweisen, die als Ablaufkanäle für das Kühlmittel dienen.

Nach der Wärmeaufnahme durch die Kühlflüssigkeit wird diese dann radial inden peripheren Zwischenraum 30 abgeführt. Die in dem oberen Bereich desperipheren Zwischenraumes 30 ausgebildete Druckstufe verhindert dabei einzu schnelles Ablaufen der Kühlflüssigkeit und bewirkt dadurch den Aufbaueines Überdrucks in dem stirnseitigen Zwischenraum 48. Dieser Überdruckbewirkt ein Ansteigen der Siedetemperatur des Kühlmittels und wirkt somitebenfalls einer Dampfblasenbildung entgegen. Der Aufbau des Überdrucksbewirkt somit zusammen mit der Regelung der Kühlmittelgeschwindigkeit durchdie Gestaltung des stirnseitigen Zwischenraumes, daß dieWärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmittels möglichst optimal ausgenutzt wird. Indem mittleren Bereich des peripheren Zwischenraumes 30, auf Höhe desmittleren Teilstücks 32 des Kerns, findet anschließend ein langsamerDruckabbau statt bevor die Kühlflüssigkeit in dem unten als Sammelkanalausgebildeten Bereich gesammelt und durch die Bohrung 56 abgeführt wird.

Claims (15)

1. Bodenelektrode zum Montieren in eine Ofenwand eines Lichtbogenofens,umfassend einen Elektrodenstab mit einem ersten und einem zweitenEnde, wobei das erste Ende des Elektrodenstabs im Betriebszustand in dasMetallbad hineinragt, und ein Kühlelement mit einem geschlossenenKühlkreislauf, welches eine Kühlfläche aufweist die mit dem zweiten Endedes Elektrodenstabs in Kontakt ist, dadurch gekennzeichnet, daß dasKühlelement ein Gehäuse aufweist das die Kühlfläche für denElektrodenstab innerhalb der Ofenwand ausbildet, und das einen Hohlraumin axialer Verlängerung des Elektrodenstabs unterhalb dieser Kühlflächeaufweist, und daß in diesem Hohlraum des Gehäuses ein Kern derartangeordnet ist, daß zwischen Gehäuse und Kern unterhalb der Kühlflächeein stirnseitiger spaltförmiger Zwischenraum für das Kühlmittel ausgebildetist, der in einen den Kern umgebenden peripheren Zwischenraumeinmündet, wobei im Kern ein Vorlaufkanal angeordnet ist, der einezentrale Einmündung für das Kühlmittel in den spaltförmigen stirnseitigenZwischenraum ausbildet, so daß das Kühlmittel zentral in den stirnseitigenspaltförmigen Zwischenraum einströmt und über den peripherenZwischenraum abgeführt wird.

2. Bodenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innen indem Gehäuse unterhalb der Kühlfläche eine konusförmige Naseausgebildet ist, die sich axial in den Hohlraum des Gehäuses erstreckt.

3. Bodenelektrode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung des Vorlaufkanals trichterförmigausgebildet ist und daß die konusförmige Nase axial-symmetrisch in dieMündung des Vorlaufkanals hineinragt.

4. Bodenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Ausdehnung des stirnseitigen spaltförmigenZwischenraumes radial nach außen hin abnimmt.

5. Bodenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durchAbstandshalter zwischen Kern und Kühlfläche, welche die Ausdehnung desstirnseitigen, spaltförmigen Zwischenraumes festlegen.

6. Bodenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der periphere Zwischenraum an dem vom Ofenabgewandten Ende des Gehäuses abgeschlossen ist, wobei in diesemBereich ein Sammelkanal ausgebildet ist, und daß in dem Gehäuse eine inden Sammelkanal hineinreichende Öffnung zum Abführen des Kühlmittelsausgeführt ist.

7. Bodenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende des Elektrodenstabs mit derKühlfläche des Gehäuses verschweißt ist.

8. Bodenelektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickeder Schweißnaht zwischen 0.1 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0.1 und1 mm liegt.

9. Bodenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durchan dem Gehäuse angebrachte Befestigungsmittel, um die Bodenelektrodean dem Lichtbogenofen zu befestigen, und daß die Befestigungsmitteleinen außen an dem Gehäuse angebrachten umlaufenden Vorsprung undzwei Klemmringe umfassen, von denen einer an der Ofenwand befestigt ist,wobei der umlaufende Vorsprung zur Montage der Elektrode an den Ofenzwischen die beiden Klemmringe eingeklemmt wird.

10. Bodenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum zylindrisch ist und daß ein erstes, demOfen zugewandtes Teilstück des Kerns zylinderförmig ist, wobei derDurchmesser des zylindrischen Teilstücks kleiner ist als der Durchmesserdes Hohlraumes, so daß der periphere Zwischenraum zwischen demGehäuse und dem Kern einen ringförmigen Querschnitt aufweist.

11. Bodenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites, mittleres Teilstück des Kerns einen axial nach außen hin sich verjüngenden Querschnitt aufweist, so daß sich derperiphere Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Kern axial nachaußen hin aufweitet und daß ein drittes, dem Ofen abgewandtes Teilstückdes Kerns zylinderförmig ist, wobei der Durchmesser des dritten Teilstücksdem Durchmesser des Hohlraumes entspricht.

12. Bodenelektrode nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß um dasdritte Teilstück des Kerns radial mindestens eine umlaufende Ringdichtungangebracht ist, um den peripheren Zwischenraum zwischen dem Kern unddem Gehäuse abzudichten.

13. Bodenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kühlfläche zugewandte Stirnfläche desKernes eine oder mehrere von der zentralen Einmündung radial nachaußen verlaufende Nuten aufweist.

14. Bodenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß elastische Befestigungsmittel den Kern mit demGehäuse derart verbinden, daß der Kern durch eine axiale Federkraft indas Gehäuse gedrückt wird.

15. Bodenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, daß das Gehäuse und der Kern aus dem gleichen Materialgefertigt sind.