NO820800L - Elektrode for lysbueovner. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en elektrode for lysbueovner, omfattende et øvre avsnitt av metall og et forbrukbart, nedre avsnitt av karbonmateriale, hvilke avsnitt har en i hovedsaken sylindrisk form og er forbundet med hverandre •via en skrunippel eller liknende, idet det øvre avsnitt oppviser en væskekjøleanordning med en fremløpskanal og en tilbakeløpskanal, og det øvre avsnitt i sitt nedre område fortrinnsvis kan være beskyttet av et høytemperaturfast belegg. Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte ved anvendelse av en sådan elektrode.

Lysbueovner for fremstilling av elektrostål, kobber, korund, cobolt, silicium etc. er hittil blitt drevet med grafittelektroder som strømførende elementer. Vanligvis er en elektrodestreng sammensatt av flere grafittenheter som er forbundet med hverandre ved hjelp av skrueforbindelser eller liknende. Ofte blir tre elektrodestrenger benyttet som strømførende elementer pr. ovn for disse elektrotermiske høytemperatur-smelteprosesser.

For lysbueovndrift er det også allerede blitt beskrevet kombinasjonselektroder bestående av et metallskaft til hvilket det ved hjelp av en skrueforbindelse, f.eks. nippel e.l., er tilføyd en spiss av karbonmateriale. Således er det i DE-OS 1 565 751 beskrevet elektroder for elektriske lysbueovner som består av et øvre metallisk hodestykke, et nedre metallisk hodestykke, av elektriske ledere som forbinder begge hodestykker med hverandre, av en keramisk masse som omslutter disse ledere og det nedre hodestykke,

og en elektrodespiss som er utskiftbart festet til det nedre hodestykke.

Fra DE-OS 2 845 367 er det kjent en væskekjølt elektrode som omfatter en på elektrodebærearmen festet, sylindrisk innspenningsdel, et til denne festet, metallisk kjølesystem som fører elektrodestrømmen og på den frie ende bærer en gjengedel for påskruing av elektrodespissen, og en rørformet varmeskjerm som i det for ovnsatmosfæren utsatte område inneholder kjølesystemet på avstand og i fast romlig tilordning til denne.

Fra det europeiske patentpubliseringsskrift 12 573 er det kjent en kombinasjonselektrode ved hvilken metall-skaftets på siden, utvendig beliggende, metalliske kontakt er isolerende lagret i forhold til det innvendig beliggende, metalliske kjølesystem. I den nedre del av det metalliske kjøleskaft er det anordnet et med haker sikret, keramisk belegg (tysk: Beschichtung) som strekker seg omtrent til høyden av en skruenippelforbindelse med hvilken en karbondel er tilføyd.

Sådanne kombinasjonselektroder har i prinsipp vært kjent i lengre tid, således eksempelvis fra det<1>året 1912 utgitte DE-PS 268 660.

Kombinasjonselektroder er ved lysbueovndrift utsatt for en sterk belastning eller påkjenning. Dette skyldes de høye arbeidstemperaturer, f.eks. ved elektrostålfremstilling, ved hvilke sådanne elektroder oftest blir benyttet. Som følge av de høye temperaturer oppstår det tap på grunn av sideoxydasjon av kullstoff- eller karbondelen. Det er også fare for vandring eller sideveis ansetting av lysbuen hvilket i forstyrrelsestilfelle også kan skje ovenfor karbondelen og fører til kortslutninger. Dessuten er elektrodene utsatt for forskjellige temperaturer i kjølemiddelets frem-løps- og tilbakeløpsdel, og også i området for karbondelen i forhold til strømtilførsels- og kjøleenheten. Et sted som i denne forbindelse er særlig utsatt for fare, er området for skruenippelen.

Elektrodene må imidletid også tåle mangfoldige mekaniske påkjenninger som ved tippingen av. ovnen blant annet er betinget av vibrasjoner - begunstiget av for stor klaring av bærearmene - på grunn av skrotblokkeringer ved innsmeltingen og også ved påsetting av strengen på isolerende bestanddeler i metallskrotet.

Dertil kommer at elektrodene i løpet av de siste 10 - 15 år for reduksjon av smeltetidene er blitt utsatt for stigende elektrisk (og dermed også termisk) belastning. På grunn av de stadig tiltagende påkjenninger på elektrodene har det også fremkommet ekstreme krav til kvaliteten av karbonstrengene, enten det er sådanne som utelukkende består avkarbonmateriale eller sådanne som er forbundet med et avkjølt metallskaft. Herved er kravene til grafittdeler med henblikk på disses tykkelse, spesifikke elektriske motstand, termiske utvidelse, varmeledningsevne, fasthet og elastisitet og også varmesjokkfasthet, blitt stadig øket. Dette har ikke bare ført til en intensivering av grafLtte-ringsprosessen, som over lengre tidsrom utføres ved høyere temperaturer, men også til ekstra etterfortetningsprosesser etc. Den meget høye grad av omvandling til grafitt, som er nødvendig for oppfyllelse av sådanne krav, har medført at man bare har kunnet benytte petrokjemiske nålekokser av høy kvalitet som utgangsmateriale. Anvendelsen av sådanne dyre, fra petrokjemiske råstoffer tilgjengelige premium-kokser med en høy grad av strukturell fororientering, med-fører andre vanskeligheter. Disse består blant annet i at fremstillingen av sådanne utgangskokser på grunn av den begrenset disponible, svovelfattige jordoljeforekomst, er begrenset i mengde. Videre må det i grafitteringstrinnet av elektrodedelenes fremstillingsprosess brukes en betydelig mengde elektrisk energi for oppnåelse av den vidtgående grafittering. I overgangsområdet mellom avkjølt metallskaft og den til dette tilføyde grafittdel oppstar det også forskjellige termiske utvidelser og elektriske overbelastninger av nippelområdet på grunn av en temperaturforskjell av stør-relsesorden 500 K eller riner.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe elektroder for lysbueovndrift som på særlig egnet måte kan tåle de der herskende, betydelige mekaniske, termiske og elektriske påkjenninger. Ved avstemning av avkjølt metallskaft og karbondel til hverandre skal det herved stilles til dis-posisjon en for praktisk drift særlig egnet elektrode hvis fremstilling eller drift slik som hittil kan skje på øko-nomisk måte.

Ovennevnte formål oppnås ved tilveiebringelse av

en elektrode av den innledningsvis angitte type som er kjenne-tegnet ved at karbonmaterialet bare delvis er dannet av grafittiske strukturelementer eller er uten sådanne elementer.

Oppfinnelsen er basert på den overraskende konsta-tering at det ved anvendelse av karbonmaterialer av dårligere kvalitet, slik de hittil er blitt betraktet som "ikke-avpruttbare" for lysbueovndrift, likevel gir god praktisk oppførsel i forbindelse med kombinasjonselektroder. Spesielt har det vist seg at den fryktede sprekkdannelse eller avskallinger (tysk: Abplatzungen) ikke opptrer ved anvendelse av karbonmateriale som bare delvis er dannet av grafittiske strukturelementer eller er fullstendig eller nesten fritt for sådanne.

Ved elektroden ifølge oppfinnelsen er karbonmaterialet forbundet med metallskaftet over en i og for seg kjent skruenippel som f.eks. kan bestå av grafitt eller også av metall og også kan være avkjølt. Metallskaftet, som også kan betraktes som strømtilførsel for karbondelen,.består vanligvis av et metall med høy ledningsevne,.f.eks. kobber. 1 metallskaftet er det anordnet et væskekjølesystem som kan oppvise en fremløps- og tilbakeløpskanal som eventuelt også kan avkjøle i det minste en del av skruenippelen utvendig eller også innvendig. Sådanne konstruksjoner av metallplate, som i det minste delvis kan være utvendig beskyttet av et høytemperaturfast belegg eller overtrekk, er tidligere kjent.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er lengden og diameteren av det nedre avsnitt av karbonmaterialet valgt slik at det i sammenlikning med elektrodestrenger med den samme eller tilsvarende totaldimensjonering, som utelukkende består av grafittisk karbonmateriale, er gitt en i det minste like stor elektrisk belastbarhet.

Ved elektroden ifølge oppfinnelsen er dimensjone-ringen av det øvre avsnitt av metall og det nedre avsnitt av karbonmateriale avstemt på en slik måte i forhold til hverandre at metallskaftet i det minste med en del er regelmes-sig innført i selve lysbueovnen. Ved forsøk har det vist seg at karbondelen med fordel har en utgangslengde på ca. 2 - 3 m ved total-elektrodeutgangslengder på ca. 5 1/2 - 8, fortrinnsvis 6 - 7 m.

Andelen av grafittiske strukturelementer i det nedre avsnitt av karbonmaterialet kan ligge i området fra 0 til 90 vekt%. Det har her vist seg å være gunstig når andelen av grafittiske strukturelementer ligger i området fra 50 til 85 vekt%, og særlig foretrukket 60 - 80 vekt%, referert til karbonmaterialets vekt.

Som "grafittiske strukturelementer" innenfor rammen av oppfinnelsen skal det i det vesentlige forstås naturgrafitt eller elektrografitt eller en blanding av disse. Som elektrografitt kan det eksempelvis benyttes avfallsgrafitt, f.eks. fra syntetisk grafittfremstilling.

De "ikke-grafittiske" strukturandeler av karbonmaterialet består av antrasitt, steinkullkoks og/eller normalpetroleumskoks, hvorved det nedre avsnitt innenfor rammen av oppfinnelsen også kan bestå fullstendig av disse materialer eller blandinger av disse. Slik som allerede foran angitt, har det vist seg å være gunstig at karbonmaterialet i det nedre avsnitt er dannet av elektrografitt eller naturgrafitt eller en blanding av disse i området 0-90, fortrinnsvis 50 - 85, men særlig foretrukket 60 - 80 vekt%, og resten av antrasitt, steinkullkoks og/eller normalpetroleumkoks.

Nedenfor er angitt noen typiske data for kvalite-tene av utgangsmaterialer av hvilke det nedre avsnitt kan bestå delvis eller fullstendig:

Data for elektrodekvaliteter

Det nedre avsnitt av elektroden ifølge oppfinnelsen kan fremstilles på i og for seg kjent måte. Blant de kjente måter skal imidlertid fremstilling ved vibrasjon eller ved ekstrudering fremheves. Sådanne metoder er tidligere kjent.

Det karbonmateriale som benyttes som nedre avsnitt i elektroden ifølge oppfinnelsen, har særlig hensikts-messig en spesifikk elektrisk motstand i området fra 10 til 30 ftmm^/m. ved forsøk kunne det imidlertid konstateres en særlig gunstig driftsoppførsel av elektroder hvis karbonmateriale hadde en spesifikk elektrisk motstand i området

2 9

fra 10 til 20 fimm /m og særlig 13 - 20 fiitun /m.

Det nedre avsnitts diameter ligger vanligvis i området fra ca. 200 til 600 mm. Spesielt gunstige resulta-ter ble oppnådd med diametre av det nedre avsnitt i området fra ca. 300 til 400 mm. Diameteren av det øvre avsnitt av metall kan velges større, men imidlertid også mindre, enn diameteren av det nedre avsnitt.

Råtettheten av karbonmaterialet i det nedre avsnitt ligger særlig foretrukket i området mellom 1,50 og 1,65 g/cm<3>.

En innenfor rammen av oppfinnelsen særlig gunstig elektrode ved hvilken det øvre avsnitt av metall utgjør ca. halvparten eller mer av elektrodens totale lengde, har en karbondel med ca. 50 - 85 % grafittiske strukturelementer av naturgrafitt og/eller elektrografitt, idet de ikke-grafittiske strukturandeler består .av antrasitt, steinkullkoks og/eller normalpetroleumkoks, idet det nedre avsnitts spesifikke elektriske motstand ligger i området fra 10 - 20 fimm /m ved en råtetthet i området mellom 1,50 og 1,65 g/cm<3>.'

Elektrodene ifølge oppfinnelsen utmerker seg ved gunstig driftsoppførsel ved forstyrrelsesfri drift. Karbon-materialene i det nedre avsnitt kan i forhold til de tradisjonelt benyttede helgrafittelektroder fremstilles av bil-ligere råstoffer ved hjelp av enklere fremstillingsmetoder. Med samme elektriske belastbarhet muliggjøres derved en bil-ligere elektrodedrift.

Selv om det i forhold til de tradisjonelt benyttede, høyverdige grafittkvaliteter benyttes et karbonmateriale av dårligere kvalitet, blir det i det vesentlige ikke obser-vert avskallinger eller sprekkdannelse, heller.ikke i overgangsområdet mellom øvre og nedre avsnitt. Anvendelsen av nipler av høykvalitetsgrafitt med en i forhold til det nedre avsnitts karbonmateriale øket tetthet og samtidig redusert elektrisk motstand, har her vist seg å være særlig fordelak-tig.

Elektroden ifølge oppfinnelsen har sin foretrukne anvendelse for fremstilling av stål ved lysbueovndrift.

Den kan imidlertid også benyttes for fremstilling av sammen-satte metaller, såsom kobber eller cobolt, men også for fremstilling av korund, silicium etc.

Ved fremstilling av elektrostål blir kombinasjons-elektrodene ifølge oppfinnelsen med særlig fordel benyttet med diametre av det nedre avsnitt av karbonmateriale i området fra 300 til 400 mm, fortrinnsvis med maksimale fase-strømmer i området 10 - 30 kA.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende

i forbindelse med et ikke-begrensende utførelseseksempel under henvisning til tegningen som viser et lengdesnitt av en utførelse av en elektrode ifølge oppfinnelsen.

I den viste elektrode blir kjølemediet, vanligvis vann, tilført gjennom en fremløpskanal 2 og returnert gjennom en tilbakeløpskanal 3. Derved strømmer kjølemediet også inn i et kammer inne i skruenippelen1 som f.eks. er.dannet av støpejern. Elektrodens øvre avsnitt 5 av metall består her av et øvre område med større diameter og et dyperelig-gende område som har mindre diameter og er trukket helt inn i skruenippelen 1 som danner forbindelsen med det nedre avsnitt 6 av karbonmaterialet som bare delvis er dannet av grafittiske strukturelementer eller er fritt for sådanne.

Det høytemperaturfaste belegg 4 er. dannet av et antall enkeltstående formdeler som kan være båret på et lager 7.

Til den høytemperaturfaste isolering 4 slutter det seg her

et elektrisk ledende mellomsjikt 11 som i retning innover er begrenset av det foretrukne, innenforliggende metallskaft hhv. dettes avsnitt 12 med mindre diameter.

Ved siden av de viste kjøleboringer 15 kan det

være anordnet ytterligere boringer gjennom hvilke innførte stifter over en fjær sørger for en god fastholdelse av de høy-temperaturf aste formdeler.

Gjenstanden for oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til den på figuren viste konstruksjon. Innenfor rammen av oppfinnelsen er således f.eks. konstruksjoner særlig fordelaktige som oppviser avvikelser i forhold til den på figuren viste elektrodetype. Ved sådanne elektroder, som er foretrukket innenfor oppfinnelsens ramme, oppviser metallskaftet en i hovedsaken konstant diameter. På dette kan det være påskrudd ringer av høytemperaturfast materiale, med fordel ringer av grafitt. Kjølesystemet kan herved med fordel være utformet på en slik måte at nippelen i det øvre, ytre område omstrømmes av kjølemediet, men dette imidlertid ikke strømmer inn i selve nippelen. Et elektrisk ledende mellomsjikt er ikke alltid anordnet ved sådanne konstruksjoner. Sådanne og forskjellige utførelsesformer av elektroden ifølge oppfinnelsen ligger innenfor rammen av oppfinnelsen forsåvidt karbonmaterialet i det forbrukbare, nedre avsnitt bare delvis er dannet av grafittiske strukturelementer eller er fritt for sådanne.

Anvendelsen av en elektrode ifølge oppfinnelsen skal beskrives i det etterfølgende eksempel.

Eksempel

Det ble benyttet en kombinasjonselektrode omfattende et vannkjølt kobberskaft som ble avkjølt med vann ved hjelp av et kjølesystem med fremløp og tilbakeløp. Kobberskaftet var i området for ovnen beskyttet ved hjelp av et høytemperaturbestandig belegg. Kobberskaftet var over en grafittnippel sammenskrudd med karbonmaterialet som i det vesentlige besto av avfallsgrafitt fra den syntetiske grafittfremstilling. Karbonmaterialet hadde en råtetthet på 1,62 g/cm 3 og en spesifikk elektrisk motstand på 18,5 !2mm 2/m.

Tre sådanne elektrodér ble benyttet i en ovn med

50 tonns kapasitet og tre faser med en maksimal fasestrøm på

50 000 A ved en driftsspenning på 490 V.

Det fremkom et spesifikt elektrodeforbruk i området 4,8 kg/t stål, ved i hovedsaken forstyrrelsesfri drift.

Claims (16)

1. Elektrode for lysbueovner, omfattende et øvre avsnitt av metall og et forbrukbart, nedre avsnitt av karbonmateriale, hvilke avsnitt har en i hovedsaken sylindrisk form og er forbundet med hverandre via en skruenippel eller liknende, idet det øvre avsnitt oppviser en væskekjøleanordning med en fremløpskanal og en tilbakeløpskanal, og det øvre avsnitt i sitt nedre område fortrinnsvis kan være understøttet av et høytemperaturfast belegg, karakterisert ved at karbonmaterialet bare delvis er dannet av grafittiske strukturelementer eller er fritt for sådanne elementer.

2. Elektrode ifølge krav 1, karakterisert ved at lengden og diameteren av det nedre avsnitt er valgt slik at det i sammenlikning med elektrodestrenger av samme eller tilsvarende totaldimensjonering, som utelukkende består av grafittisk karbonmateriale, er til stede en i det minste like stor elektrisk belastbarhet.

3. Elektrode ifølge krav 1, karakterisert ved at andelen av grafittiske strukturelementer beløper seg til 0 - 90 vekt%.

4. Elektrode ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at andelen av grafittiske strukturelementer beløper seg til 50 - 85 vekt%.

5. Elektrode ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at de grafittiske strukturelementer består av naturgrafitt og/eller elektro-graf itt.

6. Elektrode ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at de ikke-grafittiske strukturandeler er dannet avan trasitt, steinkullkoks og/eller normalpetro1eumkoks.

7. Elektrode ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det nedre avsnitt er dannet fullstendig av antrasitt, steinkullkoks og/eller normalpetroleumkoks.

8. Elektrode ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det nedre avsnitt er fremstilt ved vibrasjon eller ekstrudering.

9. Elektrode ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det nedre avsnitts spesifikke elektriske motstand ligger i området fra 10 til 30 Qmm 2/m..

10. Elektrode ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det nedre avsnitts spesifikke elektriske motstand ligger i området fra 10 til 20 fimm2/m.

11. Elektrode ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det nedre avsnitts diameter ligger i området fra ca. 200 til 800. mm.

12. Elektrode ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det nedre avsnitts diameter ligger i området fra ca. 300 til 400 mm.

13. Elektrode ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det nedre avsnitts diameter er .mindre enn diameteren av det øvre avsnitt av metall.

14. Elektrode ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at råtettheten ligger i området mellom 1,50 og 1,65 g/cm <3> .

15. Fremgangsmåte for fremstilling av stål ved lysbueovndrift under anvendelse av elektroder ifølge ett el-ler flere av de foregående krav.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at man ved elektrodediametre på ca. 300 til 400 mm benytter maksimale fasestrømmer på fra 10 til 30 kA.