NO831449L - Beskyttelsesmateriale for elektrodementallskaft - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Oppfinnelsen angår et beskyttende belegg av temperaturfast materiale for metallskaftet for en kombinasjonselek-trode for fremstilling av elektrostål.

Oppfinnelsens bakgrunn

Kombinasjonseleketroder som anvendes i elektriske lysbueovner for fremstilling av elektrostål har vært kjent i en viss tid. De omfatter en øvre metallisk seksjon til hvilken en lavere seksjon av forbrukbart carbonmateriale er festet ved hjelp av en gjenget nippel eller en lignende innretning. De to seksjoner kan også være direkte forbundet med hverandre. På grunn av de anvendte høye temperaturer, muligheten for vandring av lysbuen, forekomsten av sprut av flytende metall og slagg og dessuten andre ugunstige påvirkninger har det allerede vært foreslått å benytte beskyttende belegg for metallskaftet. I den publiserte europeiske patentsøknad 00012573 er et belegg av ildfast materiale/slagg beskrevet som hviler direkte på metallskaf tet .

I britisk patentskrift 1223162 er en avkjølingssyklus beskrevet som omfatter bruk av metallkanaler som er innleiret i et keramisk materiale som består f.eks. av et krystallisert glassmateriale på sillimanittbasis eller av et ildfast materiale som inneholder aluminiumoxyd. Denne løsning kan imidlertid ikke tillempes hva gjelder den praktiske drift av elektriske lysbueovner. Elektrodene blir her ofte utsatt for sterke mekaniske påkjenninger på grunn av vibrasjoner, sprut av flytende metall og forskyv-ning av elektrodene eller håndtering av elektrodene, og dette vil hurtig føre til beskadigelse av den keramiske del.

I US patentskrift 4145564 er anvendelse av elektrisk ledende, keramiske materialer beskrevet som hviler på metallskaf tet i form av formstykker. Disse keramiske formstykker anbringes på metalliske krokelementer og holdes på plass av metalliske spredere. Spesifikke eksempler på temperatur-faste keramiske materialer er ikke gitt. Heller ikke denne elektrode er egnet for lengre tids fremstilling av elektro stål. Forsøk med keramiske ringer av ildfaste aluminater har vist at disse beskyttende keramiske elementer uten at de blir beskadiget blir dekket med klebende metall- og slaggpartikler som ikke kan fjernes, slik at det ikke lenger er mulig å trekke elektroden ut gjennom åpningen i lysbueovnens lokk. Mangel på sikkerhet og høye energitap har vært årsak til at de ekstremt høye temperaturer som forekom-mer i metallskaftet under drift av lysbueovnen,ikke lenger kunne tolereres.

Oppfinnelsens formål

Det tas ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe beskyttende belegg for kombinasjonselektroders metallskaft. Foruten at de har en lang brukslevealder er disse beskyttende belegg blitt utviklet slik at de garanterer en beskyttelse av elektroden som er tilstrekkelig for praktisk drift av elektriske lysbueovner. De bør også garantere økonomisk drift av elektroden hva gjelder energi, uten at dette går ut over den mekaniske håndtering av elektroden, omfattende innføringen av denne i og fjernelsen av .denne fra den elektriske lysbueovn.

Dette problem er ifølge oppfinnelsen løst ved et beskyttende belegg av den ovennevnte type som er særpreget ved at det omfatter et komposittmateriale av en carbondel sammen med grafittiske konstruksjonselementer, og en del av minst ån keramisk komponent.

Det sammensatte materiale inneholder generelt en carbon-andel av 20-80 vekt%, mens den keramiske komponent utgjør den gjenværende prosent. Det er ifølge oppfinnelsen spesielt fordelaktig at carbonmaterialet utgjør 35-60 vekt%, helst 40-55 vekt%.

Foruten carbonmaterialet og den keramiske komponent kan det sammensatte materiale også inneholde bindemidler, impregneringsmidler eller lignende hjelpemidler som i alminnelighet svarer for ca. 15 vekt% av det samlede materiale. Selv om slike ytterligere bindemidler. eller impregneringsmidler etc. ikke alltid er nødvendige, har det ofte vist seg fordelaktig å anvende bindemidler og impregneringsmidler i en mengde av 1-9 vekt% i forhold til det samlede materiale, i avhengighet av den valgte type av carbonkomponent og av keramisk komponent. Binde- og impregneringsmidler kan hjelpe til med å oppnå et tettere, mindre porøst og mer kompakt materiale av en enkeltkomponent, f.eks. carbon, eller de kan gjøre det lettere å oppnå en gunstigere kombinasjon av carbon-komponenter og keramiske komponenter. Bindemidler og impreg-nering smidler er f.eks. materialer som tradisjonelt er blitt anvendt for fremstilling av elektrografitt på basis av premiumkoks. De omfatter bek, tjære, tjærebek eller fenoliske harpikser etc.

Det sammensatte materiale kan imidlertid også inneholde keramiske komponenter som selv har bindeevne, f.eks. duktile og ekstremt ildfaste leirer etc.

Det foretrekkes ifølge oppfinnelsen at carbonandelen i det sammensatte materiale inneholder grafittiske byggeelementer som i alminnelighet svarer for 25-90 vekt% av carbonandelen. Gustige resultater fås som regel dersom andelen av grafittiske byggeelementer i carbonkompone-nten ligger mellom 4 0 og 80 vekt% i forhold til carbonkomponenten.

Det foreligger ifølge oppfinnelsen forskjellige mulig-heter for valg av carbonkomponenten i avhengighet av de betingelser som elektroden utsettes for ved fremstillingen av elektrostål. De grafittiske byggeelementer kan bestå av naturlig grafitt, elektrografitt eller blandinger derav. Den del av carbonkomponenten som ikke utgjøres av grafitt, kan utgjøres av antrasitt, biproduktkoks, petroleumkoks, tjære-bekkoks eller sot etc. Carbonkomponenten kan derfor ut-gjøres av en blanding av grafitt av varierende opprinnelse og av antrasitt eller koks av forskjellige spesifikasjoner etc.

Dersom fremstillingen av elektrostål omfatter ekstremt kraftige betingelser, f.eks. innen HP og UHP-området, som elektroden utsettes for, foretrekkes det at carbonkomponenten utelukkende består av grafitt. De oppnådde resultater var spesielt gunstige da naturlig grafitt ble anvendt for dette formål. Når naturlig grafitt anvendes, foretrekkes mørk skifergrafitt med store skall.

Når naturlig grafitt anvendes, bør de anvendte kvaliteter være frie for forurensninger med lavt smelte-punkt eller for tilblandinger som i nærvær av oxygen og ved høye temperaturer danner eller avgir gassformige pro-dukter, f.eks. pyritt eller carbonater som er spaltbare ved høye temperaturer, etc.

Imidlertid krever ikke alle betingelser at carbonkomponenten inneholder grafittiske elementer, hvilket inne-bærer at i enkelte tilfeller kan carbonmaterialet være fritt for slike elementer. Dette er tilfellet når elektroden er utsatt for mindre kraftige betingelser ved elektrostålproduksjonen. I alminnelighet fås lengre brukslevealdre, forbedrede varmeoverføringsverdier og mindre ved-heftning av slaggmateriale dersom andelen av grafitt i det sammensatte materiale er høyere. Dette kan oppnås på den ene side ved typen av den anvendte carbonkomponent og på

den annen side ved mengden av den anvendte carbonkomponent.

Det foretrekkes ifølge oppfinnelsen å tilveiebringe beskyttende belegg som inneholder grafittiske byggeelementer i en mengde av 30-50 vekt% i forhold til den samlede vekt av det sammensatte materiale. Som nevnt ovenfor er det imidlertid i avhengighet av arbeidsbetingelsene eller den anvendte type elektroder etc. mulig å oppnå tilfredsstillende resultater selv dersom grafittandelen i forhold til det sammensatte materiale ligger utenfor det spesifiserte foretrukne område.

Den keramiske komponent kan utgjøre 20-80 vekt%, fortrinnsvis 40-65 vekt% da dette mengdeområde gir spesielt gunstige resultater, av den samlede vekt av det sammensatte materiale.

Det sammensatte materiale inneholder i alminnelighet carbonkomponenten og den keramiske komponent i form av partikler, fibre eller lag med homogen eller heterogen fordeling. Som regel bidrar dette til at det oppnås en keramisk "grunnmasse" hvori carbonandelen er innleiret og selektivt fordelt. Høytemperaturegenskapene for begge komponenter supplerer således hverandre på en gunstig måte som fører til overraskende lange brukslevealdre. I enkelte tilfeller er det imidlertid mulig tilsiktet å oppnå uhomogenitet for de enkelte komponenter i det sammensatte materiale selv om dette bare gjøres for spesielle anvendelser.

Det sammensatte materiale som skal anvendes ifølge op<p>finnelsen, kan fremstilles på en rekke forskjellige måter. Som regel vil de vanlige fremstillingsmetoder for sammensatte materialer kunne anvendes idet hensyn tas til de ildfaste, dvs. keramiske, komponenters og carbonkomponentenes egenskaper.

En typisk metode for fremstilling av et sammensatt materiale er å blande de opprinnelige partikler, dvs. carbonkomponenten og den keramiske komponent, om nødvendig med tilsetning av vann og bindemidler, for derefter å forme og til slutt brenne disse. Det er ofte gunstig å tilsette vann da dette gjør det lettere å kna materialet inntil det er blitt fullstendig homogent.

I visse tilfeller som er avhengige av hvorledes den keramiske komponent tilsettes og hvor meget av den keramiske komponent tilsettes, kan en modningsperiode følge. I løpet av denne periode overlates materialene til seg selv i noen timer eller i noen uker, om nødvendig i en atmosfære med øket fuktighetsinnhold.

Efter at det er blitt blandet og "modnet", blir materialet formet ved pressing, stamping eller støping. Det tas ifølge oppfinnelsen fortrinnsvis sikte på å tilveiebringe et beskyttende belegg av formstykker som kan anbringes på kombinasjonselektrodens metallskaft slik at de kan fjernes. Slike formstykker er f.eks. rør, rørseksjoner, ringer eller ringsektorer. For å kunne oppnå en spesielt gunstig til-dekning av metallskaftet kan disse enkelte formstykker være utformet på en spesiell måte. Hva gjelder utformningen av slike fjernbare formstykker, kan henvisning gjøres til vest-tysk patentskrift 3102776.8. [- lO^ h

Formningen av slike deler som anbringes på metallskaftet slik at de kan fjernes, kan også utføres ved hjelp av spesielle metoder som omfatter, vibreringsformning og ekstrudering.

Det foretrekkes ifølge oppfinnelsen at det sammensatte materiale inneholder carbonpartiklene slik at de hovedsakelig har en anisotrop linjeorientering. En preferensiell orientering i lengderetningen fås ved anvendelse av de følgende metoder: Ekstrudering, kontinuerlig vibrering, isostatisk pressing med bevegbar form, manuell formning eller sentrifugal-støping. Slike sammensatte materialer som inneholder carbonpartiklene hovedsakelig med orientering i lengderetningen, er særpregede ved at de har høy oxydasjonsfasthet, er lite utsatt for klebende slagg og har gode avskallings-egenskaper, dersom de er anordnet parallelt på linje med elektrodens akse.

Det sammensatte materiale som anvendes ifølge oppfinnelsen, kan imidlertid også inneholde carbonpartiklene orientert i tverretning, og dette oppnås ved blokkpressing, stamping, sprøytestøping, kald- og varmisostatisk pressing, vibrering, støping eller sprøyting. Spesielt gunstige orienteringer som fører til øket varmeledningsevne for form-stykket, oppnås ved hjelp av slag eller vibrering.

Det foretrekkes ifølge oppfinnelsen at det sammensatte materiale har en varmeledningsevne av under 210 kJ/mhK.

Det sammensatte materiale blir i alminnelighet brent ved temperaturer opp til 1600°C, fortrinnsvis ved temperaturer mellom 1200 og 1400°C. Dersom brennings- og sintrings-temperaturene er høyere enn 500°C, bør operatøren påse at frisk luft ikke tilføres og at luftsirkulasjon unngås. I enkelte tilfeller kan brenningen utføres i flere trinn, slik at et brenningstrinn ved lav temperaturer efterfølges av et brenningstrinn ved høy temperatur. Dersom sammensatte materialer av grafitt og MgO anvendes, er det vanlig å ut-føre et foreløpig brenningstrinn innen et temperaturområde mellom 900 og 1400°C som i avhengighet av mengden av MgO

kan efterfølges av fornyet brenning ved en høyere temperatur. Det er i alminnelighet å foretrekke å starte med et foreløpig tørketrinn ved en forholdsvis lav temperatur for å fjerne eventuell gjenværende fuktighet, for derefter å

øke temperaturen bare gradvis i løpet av lengre tid inntil brenningstemperaturen er blitt nådd.

Den keramiske komponent i de sammensatte materialer

for det beskyttede belegg ifølge oppfinnelsen kan velges ut fra en lang rekke forskjellige ildfaste forbindelser. Disse forbindelser er i alminnelighet ildfaste oxyder, carbider, nitrider eller blandinger derav. Kombinasjoner av oxyder eller silikater av Zr, Al eller Mg eller nitrider av Ti, Si, borforbindelser av Ti eller Zr eller carbider av Si, Zr eller Ti er gode eksempler. Sjamotte, leire, kaoliner, siliciumdioxyd, sillimanitt, A^O^, MgO, sintret dolomitt, magnesium-kromoxydmalm, forsteritt, siliciumcarbid, siliciumnitrid, zirkoniumoxyder, zirkoniummineral, titan-oxyd, aluminiumtitanat som inneholder silikat, spineller eller blandinger derav har vist seg å være nyttige keramiske komponenter for det sammensatte materiale for det beskyttende belegg ifølge oppfinnelsen. Blant disse er ildfaste leirer, MgO, siliciumcarbid, siliciumnitrider eller aluminiumtitanater som inneholder silikater, foretrukne.

Det kan være ønskelig at den keramiske komponent og/ eller carbonkomponenten i det minste delvis foreligger i form av fibre, f . eks . k:aolinittf ibre, asbestfibre eller carbonfibre etc. Boroxyder og/eller ildfaste forbindelser av sjeldne jordarter kan tilsettes til de ovennevnte keramiske komponenter.

Kombinasjonen av den keramiske komponent og carbonkomponenten hva gjelder type og mengde og dessuten den på-følgende pressing og sintring, reguleres ved å holde det sammensatte materiales varmeekspansjonskoeffisient under 15 x 10 6/K. Sammensatte materialer som er foretrukne for de beskyttende belegg ifølge oppfinnelsen, har en varme-ekspans jonskoef f isient innen området (2 - 12) 10 /K. Når disse verdier tilfredsstilles, vil varmen som tilføres de beskyttende elementer på grunn av smelteprosessen, føres vekk via elektrodens kjølesystem på en slik måte at det beskyttende beleggs temperatur kan holdes forholdsvis lav uten å måtte opprettholde høye trykk for kjølevæsken. De beskyttende elementer vil derfor få spesielt lange brukslevealdre.

Det kan være nyttig å utforme formstykkene på en slik måte at temperaturen for kobberskaftet som avkjøles med vann med et trykk under 8 bar, holdes under 300°C.

En spesiell anvendelse av materialene for det beskyttende belegg ifølge oppfinnelsen er at disse skall fremstilles som formstykker i form av rør, ringer, segmenter eller sek-torer som anbringes på elektrodens metallskaft slik at de kan fjernes. Ifølge en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen hviler formstykkene på elektroden eller de er festet til denne ved hjelp av tildekkede skrueforbindelser eller gjenger etc. Det er i denne forbindelse spesielt viktig at i det minste den nedre del av metallskaftet som er ført inn i lysbueovnen, er fullstendig dekket med det beskyttende belegg ifølge oppfinnelsen. Den ytre beskyttende sone av formstykkene bør være frie for støtteelementer eller spredere som lett kan smelte da disse vil utgjøre foretrukne baner for den elektriske strøm dersom lysbuen uønsket skulle forskyve seg. Metallskaftet kan da smelte selv om det er nesten fullstendig dekket.

Et spesielt anvendelsesområde for de beskyttende belegg ifølge oppfinnelsen er for å beskytte kombinasjonselektroders metallskaft som er innvendig avkjølt. De beskyttende belegg ifølge oppfinnelsen er spesielt tilpasset dette formål fordi deres foretrukne varmeledningsevnesone muliggjør en optimal vekkledning av varme på de beskyttende elementer.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter også formstykkene som sådanne, f.eks. i form av beskyttende ringer, rør, sek-torer eller segmenter, som er laget av det her beskrevne sammensatte materiale.

Av tegningene viser

Fig. 1 en dekkring med innvendige styrespor og

Fig. 2 segmentet eller sektoren for en beskyttende ring.

Ved hjelp av styrespor.ene kan ringen ifølge Fig. 1 anbringes på kombinasjonselektrodens metallskaft. Dersom flere av de på Fig. 1 og Fig. 2 viste elementer forbindes med hverandre, er det mulig å dekke hele metallskaftet. Disse elementer kan være festet til elektroden f.eks. ved hjelp av en innvendig gjenge (ikke vist).

Oppfinnelsen byr på en rekke overraskende fordeler.

Ved de betingelser som hersker i lysbueovner, oppviser de beskyttende belegg lange brukslevealdre og en overraskende lav tilbøyelighet til å bli oxydert. De oppviser gode mekaniske egenskaper, spesielt høytrykksfasthet. På grunn av de sammensatte materialers varmeledningsevne kan temperaturen for elektrodens metallskaft holdes innen det ønskede område som vanligvis er under 500°C, uten for høyt trykk og for høye sirkulasjonshastigheter for kjølevæsken eller uten for sterk varmeavgivelse fra ovnen. Selv da kombinasjons-elektroden ble anvendt i lengre tid, forekom intet problem med klebende metall eller klebende slagg, og elektroden kunne innføres i og fjernes gjennom åpningen i elektrodelokket.

Det skal endelig bemerkes at fordi det beskyttende belegg

er påført i form av fjernbare formstykker, er lite ved-likehold og få reparasjoner nødvendige.

Eksempel 1

Den øvre seksjon av en anvendt elektrode besto av

kobber som ble avkjølt med vann via et system av tilførsels-og tilbakeførselskanaler. Den nedre seksjon av grafitt var forbundet med kobberskaftet ved hjelp av en gjenget grafitt-nippel.

Den del av kobberskaftet som var ført inn i lysbueovnen, var fullstendig dekket med 3 ringer som hvilte på hverandre, og den laveste ring var skrudd fast til den nedre del av kobberskaftet ved hjelp av en innvendig gjenge. 3 elektroder ble ført inn i en 50 tonns ovn med fast skrap som ovnscharge. Ovnen ble drevet med 3 faser med en maksimal fasestrøm av 50 kA og en spenning av 490 V.

Det sammensatte materiale for de beskyttende ringer besto av naturlig grafitt fra Sri Lanka (49 vek.t.%) , naturlig leire (37 vekt% med den tilnærmede sammensetning 56% Si02/ 33% A1203, 1,5% FeO, 0,9% CaO + MgO, 1,4% alkali,rest fuktighet) , SiC (6%) og kvartssand (restprosent).

Utgangsmaterialene ble tørrmalt og blandet i flere timer i en kollergang idet vann ble tilsatt for å lette blandingen.

Efter dette trinn ble materialet overlatt til seg selv

i en uke ved værelsetemperatur, og det ble derefter formet

slik at det fikk den ønskede form av en ring. Efter at de var blitt tørket ved en temperatur av 110-140°C, ble ringene langsomt brent i en muffelovn ved en temperatur av ca. 1370°C.

Efter 150 charger av høykvalitetsstål ga ringene fremstilt avdette materiale fremdeles tilstrekkelig beskyttelse av elektroden, og driften av denne var fri for forstyrr-elser .

Eksénpel 2

Det sammensatte materiale ble fremstilt på lignende måte ved homogenisering, formning, tørking og brenning av de følgende materialer:

Eksempel 3 Eksempel 4

Eksempel 5

De homogeniserte materialer ble suspendert i vann og presset under vakuum. Efter en tørkeperiode på 2 timer ved en temperatur av 170-190°C ble materialet brent ved temperaturer mellom 500 og 600°C.

Eksempel 6

De beskyttende ringer av materialer som hadde en sammensetning som angitt ovenfor og som ble fremstilt på lignende måte, gjorde det mulig å anvende elektroden uten forstyrr-elser samtidig som lange brukslevealdre ble oppnådd.

S ammenl ign ing s for søk

Den anvendte elektrode var en elektrode ifølge US patentskrift 4145564. De anvendte beskyttende ringer var laget av ildfast leire med lavt innhold av jernoxyd (leire som beskrevet i eksempel 1).

Imidlertid forekom flere svikt under bruk av denne elektrode. Allerede efter noen få charger var slaggved-heftningen slik at det ikke lenger var mulig å fjerne elektroden gjennom åpningen i lysbueovnens lokk. Ved et ytterligere forsøk forårsaket vandring av lysbuen at metallskaftet smeltet via de metalliske spredere og opphengnings-elementer.

Claims (10)

1. Beskyttende belegg av temperaturfast materiale for metallskaftet til kombinasjonselektroder for fremstilling av elektrostål, karakterisert ved at det omfatter et komposittmateriale av en carbondel med grafittiske byggeelementer og en del av minst én keramisk komponent.

2. Belegg ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter 20-80 vekt% av en carbondel og 20-80 vekt% av en keramisk del.

3. Belegg ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det omfatter 35-60 vekt% av en carbondel, 40-65 vekt% av en keramisk del og 0-15 vekt% bindemidler og impregneringsmidler.

4. Belegg ifølge krav 1-3, karakterisert ved at carbondelen omfatter 25-90 vekt% av grafittiske byggeelementer som består av naturlig grafitt og/eller elektrografitt, og at de ikke-grafittiske deler utgjøres av antrasittbiproduktkoks, tjære, bekkoks og/eller petroleumskoks.

5. Belegg ifølge krav 1-3, karakterisert ved at hele carbondelen består av grafitt.

6. Belegg ifølge krav 1-5, karakterisert ved at komposittmaterialet utgjøres av partikler, fibre eller lag med homogen eller heterogen fordeling.

7. Belegg ifølge krav 1-3 eller 6, karakterisert ved at komposittmaterialet er fremstilt ved å blande utgangskomponentene med eventuell tilsetning av bindemidler og vann, formning og brenning, slik at carbonpartiklene er orientert i en hovedretning.

8. Belegg ifølge krav 1-3 eller 6, karakterisert ved at den keramiske komponent er fra gruppen sjamotte, leire, kaoliner, siliciumdioxyd, sillimanitt, A^O^, MgO, sintret dolomitt, magnesium-kromoxydmalm, forsteritt, siliciumcarbid, siliciumnitrid, zirkoniumoxyder, zirkoniummineral, titan-oxyd, aluminiumtitanat inneholdende silikat, spineller og/eller blandinger derav og/eller omfattende porøse materialer fra gruppen kiselgur, ekspandert sjamotte, ekspandert leire, ekspandert vermiculitt, ekspandert perlitt, kulekorund og blandinger derav.

9. Belegg ifølge krav 8, karakterisert ved at den keramiske komponent omfatter en blanding av boroxyd og høyildfaste sjeldne jordarter.

10. Belegg ifølge krav 1-3, 6 eller 9, karakterisert ved at komposittmaterialet har form av ringer, ringsektorer eller rør for anordning rundt metallskaf tet for en kombinas jonselektrode i en lysbueovn.