NO123587B - - Google Patents

Description

Gjenget kullstoffelement for forbinding av kullstoff elektroder.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en

gjenget nippel bestående av kullstoff holdig materiale for å forbinde kullstoffelektroder med tilsvarende gjenger, og hvor de tilgjengelige porer i nevnte element fra hele overflaten og innover er fylt med en kullstoff holdig komposisjon som kan gjøres flytende og i en dybde som representerer fra 10—75 pst. av det totale porevolum i nevnte element, og hvor de utfylte porer i området ved elementets langsgående akse inneholder en gass.

Ved driften av elektrotermiske ovner av den art som anvendes for smelting av stål-legeringer og for fremstilling av kalsium-karbid, ferrolegeringer og andre produkter, anvendes gass-tørkede eller opphetete kullstoff- og grafittelektroder for å an-tenne en høytemperaturs lysbue mellom enden av elektroden og materialet som smeltes. Da den strømmengde som føres av disse elektroder er meget høy, ofte over-skridende 40.000 amp. for en elektrode med en diameter av ca. 50 cm, vil elektrodene utsettes for sterke påkjenninger som følge av de overordentlig høye temperaturer og termiske sjokkfenomener. En elektrode-sammenføying vil som følge herav danne et diskontinuerlig system som yter stor motstand mot strømmen av elektrisk ener-gi. Sammenføyningene i en elektrodeko-lonne har derfor en tendens til å bli var-mere enn elektrodeelementene. Disse for-hold, sammen med den strukturelle svak-het av den maskinelt fremstilte elektrode-sokkel gjør at der dannes sprekker i sam-menføyningen. Også under chargeringen av mange av disse ovner og avtapningen av metall eller annet materiale fra ovnene, vil ovnen og/eller elektrodesøylen bli vip-pet, hvorved elektrodesøylen utsettes for vibrerende og andre mekaniske påkjenninger og støt foruten det foran nevnte termiske sjokk.

Det har vært vanlig praksis å tilveiebringe en søyle eller streng av kullstoff-eller grafittelektroder hvor elektrodeseksjonene er sammenføyet ved hjelp av en gjenget nippel. I hver ende av elektrodeseksj onene er sentralt anordnet en sokkel i hvilken befinner seg en nippel som har en kontur av liknende art som elektrodesokkelen. Nå for tiden gjenges både sokkelen og nippelen f. eks. med en trapes-gjenge (Acme gjenge) i tilfelle av at det anvendes grafittelektroder. Denne sam-menføyning er ofte årsaken til høy elektrisk motstand som følge av en diskontinuerlig kontakt mellom de gjengete overflater av sokkelen og nippelen og mellom endeoverflåtene til elektrodeseksjonene. Videre er elektrodesøylen ofte svak ved sam-menføyningsstedet som følge av de tidligere nevnte spenninger som oppstår. Dessuten foreligger det vanligvis en forskjell med hensyn til de termiske utvidelseskoef-fisienter, både i langsgående og tversgående retninger, mellom kullstoffet i sokkelen og kullstoffet i nippelen, hvilket ofte resul-terer i sprekking av sokkelen, og ettersom elektrodesøylen forbrukes under ovnens drift vil de sprekkede sokkelender fra tid til annen falle ned i metallet eller kan be-virke at betydelige deler av elektroden fal-ler inn i metallet. Vibrering av elektrodesokkelen forårsaker også ofte at elektrode-sammenføyningen løsner, hvilket resulte-rer i at elektrodeseksj onene skrues av fra den sammenføyende nippel.

Forsøk er blitt utført i den senere tid for å unngå de ovennevnte sammenføy-ningsvanskeligheter. En fremgangsmåte går ut på en kombinasjon av mekaniske og klebende hjelpemidler, men sistnevnte går ut på en låsepinne-sikret sammenføyning. Andre fremgangsmåter er blitt foreslått for å nedsette den elektriske motstand av sammenføyningene såvel som å forhindre oppspaltingen og avskruingen av elektrodene fra nippelen, for eks. ved å fylle ram-mene mellom kontaktoverflatene med en sammenføyningsforbindelse sammensatt av et kullstoffholdig materiale som f. eks. kullstoff eller grafitt med eller uten tilset-ningen av tjære eller bek, og likeledes er det foreslått å anvende flytende bindemid-ler som glykose, melasse osv. Disse sam-menføyninger har vist seg ikke å være tilfredsstillende i praksis som følge av at mange av disse komposisjoner mangler til-strekkelige sementerende egenskaper når de forkulles under ovnens drift eller for-øvrig viser seg ikke å kunne bearbeides som følge av at materialene er vanskelige å håndtere av arbeiderne som passer ovnene. Senere er det blitt foreslått å tilveiebringe en kullstoff- eller grafittsammenføyning hvor det tilveiebringes et reservoar for det materiale som kan forkulles, som f. eks. kulltjærebek, ved bunnen av holderen til elektrodeelementet eller i en ko-aksial ut-boring i nippelen som dessuten utstyres med maskinelt utførte indre kanaler, hvorved beken kan strømme fra reservoaret til grenseflatene mellom de gjengete deler på holderen og nippelen. Denne sammenføy-ningstype har imidlertid ikke ført til tilfredsstillende resultater av forskjellige år-saker.

Fig. 1 er et oppriss av en grafittnippel i henhold til oppfinnelsen og fig. 2 er et oppriss av en kullstoffelektrode i henhold til oppfinnelsen utført med en annen type gjenger. I henhold til foreliggende oppfinnelse fremstilles sammenføyninger for en sokkel av kullstoff- eller grafittelektroder ved maskinelt å bearbeide en ko-aksial sokkel ved hver ende av elektrodene. I tilfelle av at det foreligger store grafittelektroder skråner sokkelen innover fra elektrodens overflate. En grafittnippel som er gitt en kontur av tilsvarende art er anordnet og både sokkelen og nippelen er gjenget, van-

ligvis med en trapes-gjenge (Acme-gjenge). I tilfelle av at det foreligger amorfe eller gasstørkede elektroder er sokkelen og nippelen generelt i form av en fast sylinder og nippelen har en rund gjenge i motsetning til Acme-gjengen på en grafittnippel.

I henhold til foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en sammenføyning som opp-viser de ovennevnte forbedrete egenskaper ved at nippelelementet impregneres med en betydelig mengde av en kullstoffholdig komposisjon som kan bli flytende i øyemed å fylle de tilgjengelige porer over hele overflaten av nippelen og for å fylle endel av de tilgjengelige hulrum i den indre struktur, mens det opprettholdes en tilstrekkelig mengde av luft eller annen' gass som er innesluttet i den porøse indre struktur av nippelen i området ved den langsgående akse. Ved opphetning av sammenføynin-gen vil under bruken den innesluttete luft eller annen gass utvide seg og tvinge kom-posisjonen som blir flytende ut av nippelen og på dennes overflate og inn mellom de gjengete overflater på nippelen og holderen, og i en mindre utstrekning mellom endeoverflatene på elektrodene. Den flytende komposisjon vil da forkulle etter som sammenføyningen opphetes og det tilveiebringes herved en fast sammenbinding mellom de gjengete overflater på nippelen og holderen og mellom endeoverflatene til elektrodeelementet. Som det vil forklares i det følgende er det dreiemoment som kreves for å bryte i stykker den resulterende sammenbinding 4 ganger så stort som det som kreves for å bryte i stykker en sam-menføyning som er blitt opphetet uten anvendelse av det her angitte inventive ar-beidsprinsipp.

Det er kjent at i alle kullstoff- og gra-fittlegemer som fremstilles ved bakning og graffittisering av formete stykker som består av kullstoff aggregat og kulltjærebek-bindemidler, vil det oppstå en viss grad av indre porøsitet som skyldes forgassingen av bindemidlet under bakningen. Porøsitets-graden kan i noen grad reguleres ved hjelp av gjentatt impregnering med bek, etterfulgt av bakning og grafittisering, men det vil alltid forbli en viss indre porøsitet. I henhold til foreliggende oppfinnelse utnyttes den gjenværende indre porøsitet ved at det anvendes en regulert del av de tilgjengelige porer i bestemte områder av nippelen som et reservoar for en kullstoffholdig komposisjon som kan bli flytende, fortrinnsvis kulltjærebek. Det er imidlertid viktig at ikke alle de indre tilgjengelige porer i nippelelementet er mettet eller fylt med den kullstoff holdige komposisjon som kan gjøres flytende, fordi i dette tilfelle kan man ikke oppnå de ønskete sammenføy-ningsegenskaper som vi har oppdaget og fyllingen kan eventuelt i så fall også virke skadelig. Det er også av viktighet at en tilstrekkelig mengde av den kullstoffholdige komposisjon som kan gjøres flytende tvin-ges inn i porene for deretter å tilveiebringe en tilfredsstillende sammenbinding av sam-menføyningsstedet. Vi har funnet at det er av vesentlig betydning å impregnere kull-stoffniplene uten evakuering av porene og å fylle de tilgjengelige porer i nippelen fra hele overflaten og innover ved trykkbe-handling i en kontrollert dybde som svarer til eller representerer fra ca. 10—75 pst. av den totalt tilgjengelige porøsitet, mens innesluttet luft eller annen gass holdes til-bake eller forblir i de gjenværende tilgjengelige porer i den indre nippelstruktur. Ved en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen bearbeides et fast stoff- eller grafitt-element maskinelt til den generelle kontur av elektrodesokkelen som den skal skrues inn med. Det maskinelt bearbeidede kullstofflegeme neddykkes uten trykk i kulltjærebek med et bløtgjørelsespunkt av mellom ca. 60 og 120° C og holdes ved en temperatur av ca. 250° C under et trykk av 3.5 kg pr. cm<2> eller inntil ca. 10—75 pst. av de totalt tilgjengelige porer innover fra hele overflaten er blitt fylt med bek. Dette kan på en annen måte uttrykkes som vekt-prosentøkning av kullstoff elementet som vil utgjøre omtrent fra 1—15 pst., alt etter den indre porøsitet (tilsynelatende tetthet) i kullstoffelementet. Det impregnerte element fjernes derpå fra den flytende bek, avkjøles og bearbeides maskinelt på en nøy-aktig måte. Ovnsarbeideren vil herved ha å gjøre med en ren, ikke klebrig overflate. Vi har funnet at når en nippel som er fremstilt på denne måte anvendes i en elek-trodesammenføyning og sammenføyningen opphetes til 700° C i 24 timer, vil det dreiemoment som kreves for å bryte i stykker sammenføyningen ved rumtemperatur være 3—4 ganger så stort som det dreiemoment som må anvendes for å bryte i stykker en sammenføyning som ikke inneholder noe bindemiddel og som er blitt utsatt for en tilsvarende termisk behandling.

Ved det her anvendte uttrykk «forkull-bar komposisjon som kan bli flytende» skal forstås materialer som er faste eller bare svakt plastiske ved rumtemperatur, som naturlig tjære og bek innbefattet harpiksbek, trebek, gilsonitt, kulltjærebek og bek som fås fra petroleumsprodukter. Det til-siktes også anvendelse av syntetiske harpikser, slike som fremstilles ved preliminær kondensering av fenol og formaldehyd og lignende materialer, harpikser fremstilt av furfural- og furfurylalkohol ved hjelp av syre eller alkalisk katalysator, harpikser fremstilt ved polymerisering av stoffer som styren og butadien, akrylsyreharpikser osv. Fortrinnsvis anvendes en kulltjærebek med et bløtgjørelsespunkt av fra 60° C—120° C av økonomiske grunner og fordi dette materiale har et gunstig koksresidu.

På fig. 1 er det vist en grafittnippel 11 av den type som anvendes ved oppfinnelsen og som er utstyrt med en Acme-gjenge 12 bestemt til å tre i inngrep med en tilsvarende gjenget elektrodeholder. Den indre del 15 på nippelen er vist med en porøs struktur og ved 14 og 16 er det antydet et impregneringsmiddel som for eks. kulltjærebek som har trengt inn i og fylt porene i veggene og endeflatene på nippelen i en avstand av omtrentlig en halv radius. På lignende måte er det på fig. 2 vist en amorf kullstoff nippel 11 med en avrundet gjenge 13, bestemt til å sammenføyes med en amorf kullstoffelektrode utstyrt med en tilsvarende gjenget sylindrisk holder. De gassfylte porer er vist ved 15, og porene som - er fylt med impregneringsmidlet er vist ved 14 og 16.

Ved hver utførelsesform fyller impreg-neringsprosessen fortrinnsvis og nødven-digvis de tilgjengelige porer av nippelen fra dennes hele overflate og innover i en forut bestemt dybde som best kan uttrykkes eller representeres uttrykt som det totalt tilgjengelige porevolum av nippelen, dvs. fra ca. 10—75 pst. av det totalt tilgjengelige porevolum. Dette etterlater en temmelig veldefiniert kjerne i nippelen hvor de tilgjengelige porer ikke er fylt med impregneringsmidlet (15 på fig. 1 og 2), men inneholder derimot innesluttet luft eller annen gass som utnyttes når nippelen anbringes på plass for bruk under ovns-driften.

Ved den praktiske utførelse av oppfinnelsen forutsettes impregnering ikke bare av et på forhånd maskinelt bearbeidet nip-pelemne, slik som forklart i forbindelse med den ovenfor nevnte fortrinnsvis anvendte utførelsesform, men også impregnering av en ferdig, maskinelt bearbeidet nippel, i hvilket tilfelle overflaten renses for over-skudd av bek. Denne renseprosess utføres automatisk når et på forhånd maskinelt bearbeidet emne impregneres, etterfulgt av en avsluttende maskinell bearbeidelse. I begge tilfeller har den ferdige nippel en ren overflate som ikke er forurenset med et klebrig materiale. Dette er i motsetning til anvendelsen av bekaktige belegningsmate-rialer som tidligere ble anvendt for å sam-menbinde elektrodesammenføyninger, noe arbeiderne ved anlegget har ansett som en ulempe.

For ytterligere å klargjøre oppfinnelsen skal det anføres de følgende spesielle eksempler.

I disse eksempler blir det anvendt av-skrånende grafittnippelemner med en høyde av ca. 22 cm og en diameter av ca. 32 cm. Disse ble neddykket i en impregnerings kulltjærebek som ble holdt i en autoklav ved en temperatur av 220° C under et trykk av 3.5 kg pr. cm<2>. Etter fjernelsen fra utoklaven ble nippelen sluttlig maskinelt forsynt med gjenger og ble skruet inn i sokkelen med en diameter på 36 cm. Sammenføyningen ble gjort helt fast ved hjelp av en skiftenøkkel under anvendelse av 830 meterkg. Elektrodesam-menføyningen ble derpå anbragt i en ovn ved 700° C i 24 timer, hvoretter den ble av-kjølt til rumtemperatur og sammenføynin-gen ble brutt opp eller løsnet med skifte-nøkkel.

De oppnådde resultater er anført i Ta-bell I:

Andre kullstoff- og grafittsammenføynin-ger er blitt fremstilt på lignende måte under anvendelse av petroleumsbek (bløtgjø-relsespunkt 100° C) og harpiksbek som impregneringsmiddel for de sammenføyende nipler. I alle tilfeller viste det seg at det dreiemoment som kreves for å bryte i stykker sammenføyningene etter termiske pro-sesser var i det minste 3 ganger det dreiemoment som kreves for å bryte i stykker en på lignende måte termisk behandlet sammenføyning hvor det ikke var blitt anvendt noe sementerende eller bindende middel. Videre viste det seg at det sam-menbindende middel var blitt jevnt fordelt over hele grenseflatene mellom de gjengete deler på holderen og nippelen. Den resulterende sammenbundne sammenføy-ning nedsatte til et minimum den holder-avspaltning som så ofte oppstår ved vanlig praksis. Videre kunne det ikke iakttas noe tegn på at elektrodeelementene skrudde seg løs fra nippelen.

Claims (3)

1. Gjenget nippel bestående av kull-holdig materiale for sammenbinding av kullelektroder som er forsynt med tilsvarende gjenger og hvor porene i det kullstoff holdige materiale i den gjengede nippel er fylt med en forkoksbar masse som ved oppvarming blir flytende, karakterisert ved at den forkoksbare masse fyller nippelen regnet fra nippelens overflate innover i en dybde som utgjør fra 10 til 75 pst. av det totale porevolum i den gjengete nippel, idet i de porer i området omkring nippelens lengdeakse som ikke er fylt med impreg-neringsmasse er innesluttet en gass, særlig luft.

2. Gjenget nippel som angitt i påstand 1, karakterisert ved at den forkoksbare masse som i og for seg kjent består av en stenkulltjærebek med et mykningspunkt som ligger mellom 60° C og 120° C.

3. Gjenget nippel som angitt i påstand 1 eller 2, karakterisert ved at overflaten av den impregnerte, gjengete nippel er i det vesentlige fri for overflødig bek.