HochIeistungs-EIektrodenteiikreis für Lichtbogenöfen High-performance electrode circuit for electric arc furnaces
Die Erfindung betrifft die elektrischen Einrichtungen des EIektrodenteiikreises der Lichtbogenöfen bei der EIektrostahIgewinnung. Zu dem Elektrodenkreis gehören die Stromführungsbahn, d i e Kontaktbacken und die Gra phiteIektroden. AIle diese Einrichtungen sind den Anforderungen der Hoch- und Höchstleistungsöfen nicht ohne weiters gewachsen.The invention relates to the electrical devices of the electrode circuit of the arc furnaces in the production of electrical steel. The electrode circuit includes the current guideway, the contact jaws and the graphite electrodes. All these facilities are not easily able to meet the requirements of high and high performance furnaces.
Die Stromführungsbahn verläuft direkt über den massiven Tragarm. Infolge der starken Ströme entstehen er hebliche Verluste durch Induktionsströme,The current track runs directly over the massive support arm. As a result of the strong currents, there are considerable losses due to induction currents,
Die Kontaktbacken werden schnell abgenutzt infolge von unkontrollierbaren, von unvermeidlichen Verunreinϊgungea verursachten, Ueberhitzungserscheinungen auf den Kontaktflächen, die zum, Ueberspringen von Funken und Lichtbogen, zur Bildung von Kavernen und am Ende zum Schmelzen des Kupfers führen. Die Reduzierung des Umfassungswinkels, die Erhöhung des spezifischen Andrucks, die Verbesserung der Kühlung, sowie das Einsetzen von Graphitzwischenr ingen, die zwangsmäss i g zu einer Verminderung des Elektrodendurchmessers und damit zu einer Herabsetzung der Ofenleistung führen, haben diese Nachteile nicht ganz beseitigen können.The contact jaws wear out quickly as a result of uncontrollable, caused by unavoidable impurities, overheating on the contact surfaces, which leads to the jumping of sparks and arcs, to the formation of caverns and ultimately to the melting of the copper. The reduction of the circumferential angle, the increase of the specific pressure, the improvement of the cooling, as well as the use of graphite interstices, which inevitably lead to a reduction in the electrode diameter and thus to a reduction in the furnace performance, could not completely eliminate these disadvantages.
Diese Ueberhitzungserscheinungen treten bei Elektroden, die mit Schutzschicht überzogen sind, infolge des starken Andrucks der Backen entschieden stärker auf und stellen den Einsatz der auf AIuminiumibasis entwickelten Schutzschichten in Frage.
Den neuen Anforderungen für eine weitere Erhöhung der Strombelastbarkeit der Elektroden kann durch eine Vergrösserung ihres Durchmessers über 000 mm nicht entgegengekommen werden, da dies infolge des "Skin" und "Proximϊty-Effektes" zu einer relativen Erhöhung dar spezifischen Verlustleistungsdϊchte im Bereich der Elektrodenoberfläche führen würde und dadurch einen übrmässigen Seitenabbrand und Rissbildungen verursachen. Mit der Entwicklung der "ACX''-Elektroden ist der spezifische Ohm'sche Widerstand bis auf 5,0 - 6,5 Ohm mm2/m herabgesetzt worden, auf Kosten allerdings einer 17 - 20 %-igen Preiserhöhung.These overheating phenomena occur significantly more strongly in electrodes which are coated with a protective layer due to the strong pressure on the jaws and question the use of the protective layers developed on aluminum basis. The new requirements for a further increase in the current carrying capacity of the electrodes cannot be met by increasing their diameter over 000 mm, as this would lead to a relative increase in the specific power loss density in the area of the electrode surface due to the "skin" and "proximity effect" and thereby cause residual side burn and cracking. With the development of the "ACX" electrodes, the specific ohmic resistance has been reduced to 5.0 - 6.5 ohm mm 2 / m, but at the cost of a 17 - 20% price increase.
Man versucht die starke oxydierende Korrosion der Graphitelektroden herabzusetzen, indem man auf diesen eine Schutzschicht aus Aluminium und/oder dessen Legierungen ode.r aus hochschmelzenden Oxyden, Carbiden oder Nitriden aufträgt. Die hohe Oxydationsbeständigkeit des Aluminiums beruht auf der Bildung auf seiner Oberfläche von einer dünnen, infolge ihrer ausserordentlieh grossen Oberflächenspannung fest zusammenhaltenden, gasundurchlässigen Aluminiumoxydschicht.Attempts are being made to reduce the strong oxidizing corrosion of the graphite electrodes by applying a protective layer of aluminum and / or its alloys or of high-melting oxides, carbides or nitrides. The high resistance to oxidation of aluminum is due to the formation on its surface of a thin, gas-impermeable aluminum oxide layer which holds together firmly due to its extremely high surface tension.
Das Auftragen einer AluminIumschϊcht allein kann aber die Graphitelektrode nicht ausreichend in alIen Temperaturbereichen schützen, da sich die AluminiumoxydSchicht erst über 600 °C bildet, während der Graphit schon bei 350 °C zu oxydieren beginnt, sodass die Elektrode während der Anheizreit - ca 2 Stunden lang - der oxydierenden Korrosion ausgesetzt ist.
Es sind verschiedene Schutzschichten auf Aluminiumbasis mit dem Zweck einer Ueberbrückung des kritischen Temperaturbereiches von 350 - 600 °C vorgeschlagen worden:However, the application of an aluminum layer alone cannot adequately protect the graphite electrode in all temperature ranges, since the aluminum oxide layer only forms above 600 ° C, while the graphite begins to oxidize at 350 ° C, so that the electrode heats up for about 2 hours - is exposed to oxidizing corrosion. Various protective layers based on aluminum have been proposed with the purpose of bridging the critical temperature range of 350-600 ° C:
Nach einem solchen Verfahren wird die Aluminiumschicht mit einer wässrigen Suspension von Titan, Bohrsäure, Siliciumcarbid und Silicium aufgetragen, die Elektroden dann in besonderen Oefen getrocknet und anschlies send mit einem Lichtbogen erwärmt.According to such a process, the aluminum layer is applied with an aqueous suspension of titanium, drilling acid, silicon carbide and silicon, the electrodes are then dried in special ovens and then heated with an arc.
Bei einem anderen Verfahren wird auf die Graphitoberfläche zunächst eine Schicht aus elementarem Silicium und dann eine aus Aluminium aufgetragen, wobei sich dann Siliciumcarbid und SiIicium-AIuminiumIegierungen b i I den so I l ten.In another method, a layer of elemental silicon and then one of aluminum is first applied to the graphite surface, with silicon carbide and silicon-aluminum alloys then becoming so.
Bei einem dritten Verfahren wird auf der Graphitoberfläche eine Zwischenschicht aus Tantal-, Hafnium- und Titancarbiden aufgetragen und dann die ganze Elektrode in einem mit inertem Gas gefüllten Ofen bis auf 300 °C erwärmt. AnschIiessend wird eine Aluminiumschicht aufgetragen. Im Ofen soll sich dann eine gasundurchlässige Zwischenschicht aus einer Uebergangsverbindung C-TaC-AI und Ta-Al bilden.In a third method, an intermediate layer of tantalum, hafnium and titanium carbides is applied to the graphite surface and the entire electrode is then heated to 300 ° C. in an oven filled with inert gas. An aluminum layer is then applied. A gas-impermeable intermediate layer should then be formed in the furnace from a transition compound C-TaC-AI and Ta-Al.
Alle diese Schutzschichten haben entscheidende Nachteile, wie hohe Fertigungskosten, komplizierte HerstelIungsverfahren, unvol Ikommener Schutz im Temperaturbereich 350 - 600 °C und verursachen Betriebsstörungen und starke Korrosionserscheinungen in folge des unvermeidlichen Anhaftens der Aluminiumschicht auf die Kupferoberfläche der Kontaktbacken.
Alle diese Schutzschichtverfahren weisen folgende gemeinsame Kennzeichen:All of these protective layers have decisive disadvantages, such as high manufacturing costs, complicated manufacturing processes, incomplete protection in the temperature range of 350-600 ° C and cause malfunctions and strong corrosion phenomena as a result of the inevitable adhesion of the aluminum layer to the copper surface of the contact jaws. All of these protective layer processes have the following common characteristics:
- Erwärmung der Graphitoberfläche um das Haften der Schutzschicht an ihr zu verbessern; - Auftragen des Aluminiums nach den bekannten Fiamm oder LichtbogenraetalIspritzverfahren;- heating the graphite surface to improve the adhesion of the protective layer to it; - Application of the aluminum according to the known Fiamm or arcing retal injection processes;
- Benutzung beim Auftragen der Schutzschicht von drehbankähnlichen Einrichtungen.- Use when applying the protective layer of lathe-like devices.
AIle diese drei Kennzeichen können keine Patentansprüehe sein.All of these three characteristics cannot be patent claims.
Die angeführten Unzulänglichkeiten der elektrischen Einrichtungen des Elektrodenteilkreises werden erfindungsgemäss auf folgende weise beseitigt:According to the invention, the stated shortcomings of the electrical devices of the electrode subcircuit are remedied in the following manner:
- Eliminierung der stromzufChrenden Funktion der Halte backen durch eine axiale StromanschIussvorrichtung, bei gIeichzeitigem Verlegen der Stromzuführungsbahn auf ein höheres Niveau über den Tragarm,- Elimination of the current-carrying function of the holding jaws by means of an axial current connection device, with simultaneous laying of the current supply path to a higher level via the support arm,
- Entwicklung der MetaIlkernelektrode und- Development of the metal core electrode and
- Entwicklung der Agglo-Schutzschicht- Development of the agglo protective layer
Die axiale Stromanschlussvorrichtung - Fig. 2, 3 und 4 besteht aus einem Tragnippel (1), der mit dem eingeschmolzenen MetaIIkern (2) über den konusförmigen Kontaktring aus Kupfer (4) und die Kupferschienen (3) verbunden ist. Der MetalIkern besteht aus einer Legierung von Aluminium und einem ZusatzrnetaIl.The axial power connection device - Fig. 2, 3 and 4 consists of a support nipple (1) which is connected to the melted metal core (2) via the conical contact ring made of copper (4) and the copper bars (3). The metal core consists of an alloy of aluminum and an additional metal.
Ueber den Tragnippel sitzt die Glocke (5), die mit einem konusförmigen wassergekühlten Kontaktring aus Kupfer (6) versehen ist, der auf den entsprechenden Kontaktring des Tragnippels (4) passt.
Die Glocke hat einen segmentförmigen Schiitz (7), i n dem dasSeil(10), das den Tragnippel mit der angeschraubten Elektrodenkolonne (8) trägt, sich seitwärts ein und aus bewegen kann. Die Glocke, an der die stromzuführenden Kabel oder Rohre (9) angeschlossen sind, kann in ihrer obersten Stellung durch ferngesteuerte Klammer, die an dem Obergerüst befestigt sind, oder, wenn sie mit einer auf den Tragarm montierten leichten Teleskopsäule - Fig. 1 - fest verbunden ist, durch l etzt ere arretiert werden. Durch das Herunterlassen des Seiles werden die beiden Teile der Vorrichtung voneinander getrennt und der Tragnippel mit der angeschraubten Elektrodenkolonne zu dem EIektrodenstand befördert, wo eine zweite Elektrodenkolonne mit schon aufgeschraubtem TragnippeI fertig wartet um zurückbefördert, an die Glocke angeschlossen und nach Lösung der Arretiervorrichtung in den Ofen heruntergelassen zu werden.The bell (5) sits above the support nipple and is provided with a conical water-cooled copper contact ring (6) which fits on the corresponding contact ring of the support nipple (4). The bell has a segment-shaped slot (7) in which the cable (10), which carries the support nipple with the screwed-on electrode column (8), can move in and out sideways. The bell, to which the current-carrying cables or pipes (9) are connected, can be fixed in its uppermost position by means of remote-controlled clamps, which are fastened to the upper frame, or if they are fixed with a light telescopic column - Fig. 1 - on the support arm connected, can be arrested by the latter. By lowering the rope, the two parts of the device are separated from each other and the support nipple with the screwed-on electrode column is transported to the electrode stand, where a second electrode column with the screwed-on support shaft is waiting to be transported back, connected to the bell and after releasing the locking device into the oven to be lowered.
Der Strom wird über die Kontaktringe und die Kontaktschienen dem MetaIIkern des Tragnippels zugeleitet und gelangt über diesen und die Gewindeverbindung zu der EIektrode.The current is fed to the metal core of the support nipple via the contact rings and the contact rails and reaches the electrode via this and the threaded connection.
Die MetaIIkerneIektrode stellt eine Graphitelektrode dar, in der ein Metallkern parallel zu ihrer Achse eingeschmolzen ist. Der MetaIIkern besteht aus einer Legierung von Aluminium und einem oder mehreren Metallen, wie z.B. 90,5 % AI und 9,5 % Cu.
Die Bestimmung des spezifischen Ohm'schen Widerstandes einer Metallkernelektrode (25x220mm) ergab 3,7269 Ohm mm-2/m bis 2,1608 Ohm mm-2/m gegenüber 7,922 Ohm mm2/m bei derselben Elektrode ohne MetaIlkern, d.h. um 52,6 % bis 72,8 % niedrigeren spezifischen Ohm'schen Widerstand - Prüfungsbericht Nr. 121'525/2 vom 16.12.81 des Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins.The metal core electrode is a graphite electrode in which a metal core is melted parallel to its axis. The metal core consists of an alloy of aluminum and one or more metals, such as 90.5% Al and 9.5% Cu. The determination of the specific ohmic resistance of a metal core electrode (25x220mm) gave 3.7269 Ohm mm 2 / m to 2.1608 ohm mm 2 / m versus 7.922 Ohm mm 2 / m at the same electrode without MetaIlkern, ie 52, 6% to 72.8% lower specific ohmic resistance - test report No. 121'525 / 2 of December 16, 1981 by the Swiss Electrotechnical Association.
Erst die Einführung der axialen StromanschIussvorrichtung und der MetaIIkerneIektrode ermöglicht den effektiven Einsatz der Agglo-Schutzschicht, die die oxydierende Korrosion des Graphits stark beschränkt und zu einer 14 bis 25 %- i ger Herabsetzung des Elektrodenverbrauchs führt.Only the introduction of the axial current connection device and the metal core electrode enables the effective use of the agglo-protective layer, which severely limits the oxidizing corrosion of the graphite and leads to a 14 to 25% reduction in electrode consumption.
Die Agglo-Schutzschicht besteht aus einem Agglomerat aus Aluminium und mindestens einem bei einer Temperatur unter 350 °C schmelzenden Zusatzstoff. Als ZusatzStoffe werden Gläser und glasförmige Oxyde mit niedrigem Schmelzpunkt benutzt. Der kritische Temperaturbereich von 350 - 600 °C, in dem das Aluminium noch im festen Zustand und infolgedessen gasdurchlässig ist, wird durch die schützende Wirkung der schon unter 350 °C geschmolzenen Zusatzstoffeύberbrückt. Lieber 600 °C entsteht Aluniniumoxyd und die Zusatzstoffe bi iden, sofern sie nicht verdampft sind, mit dem geschmolzenen Aluminium eine schmelzflüssige Emulsion. Bei der weiteren Erhöhung der Temperatur werden immer höher schmelzende Glasformen gebildet, die ihrerseits die Schutzwirkung verbessern.
Das Verfahren zur Herstellung der Agglo-Schutzschicht besteht darin, dass die auf einer Drehbank rotierende Elektrode an die stationär montierten Werkzeuge vorbeigeführt wird. Das Aluminium wird mit Hilfe eines Flamm oder Lichtbogenspritzgerätes auf die aufgeraute Graphit oberfläche aufgetragen. In den Strahl von geschmolzenen Aluminiumtropfen werden die Zusatzstoffe in festem, trockenen, puIverförmigen Zustand über einen Zerstäuber aufgegeben. Das aufgespritzte Gemisch bildet nach dem Verfestigen auf der Graphitoberfläche eine zusammenhängende, feste AggIomeratschicht aus den Körner der Zusatzstoffe und dem als Bindemittel wirkenden AIuminium.The protective agglomer layer consists of an agglomerate of aluminum and at least one additive that melts at a temperature below 350 ° C. Glasses and glassy oxides with a low melting point are used as additives. The critical temperature range of 350 - 600 ° C, in which the aluminum is still solid and therefore gas-permeable, is bridged by the protective effect of the additives, which have already melted below 350 ° C. Aluminum oxide is preferably produced at 600 ° C and the additives form a molten emulsion with the molten aluminum, provided they have not evaporated. As the temperature increases further, glass molds that melt more and more are formed, which in turn improve the protective effect. The process for producing the protective agglomeration layer consists in that the electrode rotating on a lathe is guided past the stationary tools. The aluminum is applied to the roughened graphite surface using a flame or arc spray device. In the jet of molten aluminum drops, the additives are applied in a solid, dry, powdery state via an atomizer. After solidification, the sprayed-on mixture forms a coherent, solid agglomerate layer on the graphite surface from the grains of the additives and the aluminum, which acts as a binder.
Eine Schutzschicht wird in einem Arbeitsgang aufgetragen. Dieser Arbeitsgang dauert bei einer Graphitelektrode 508x1900 mm nur 36 Minuten und ist damit um ca 50 % kürzer im Vergleich zu den bis jetzt bekannten Verfahren. Für eine Anlage mit einer Jahresproduktivität bei einschichtiger Arbeit und 2 Mann Bedienung von 1600 t GraphiteIektroden 508x1900 mm beträgt die für die Produktion benötigte Grundfläche nur 90 m2, die installierte Leistung 50 kVA und die Selbstkosten der Schutzschicht unter 30 SFR/m2 - Preis- und Lohnniveau in der Schweiz 1981.A protective layer is applied in one operation. With a graphite electrode 508x1900 mm, this process only takes 36 minutes and is therefore approx. 50% shorter compared to the previously known methods. For a system with an annual productivity for single-shift work and 2-man operation of 1600 t graphite electrodes 508x1900 mm, the footprint required for production is only 90 m 2 , the installed capacity 50 kVA and the cost of the protective layer below 30 SFR / m 2 - price- and wage level in Switzerland 1981.
Alle diese Umstände erlauben, dass das Auftragen der Schutzschicht nach dem "do it yourself" Verfahren von jedem Stahlwerk selbst durchgeführt werden kann und dies auf Elektroden jedes beiiebigen Herstellers.
Die erfindungsgemässe neue Gestaltung des Elektrodenteilkreises durch das Versetzen der Stromführungsbahn auf ein höheres Niveau, durch die Einführung der axialen Stromanschlussvorrichtung und den dadurch ermöglichten Einsatz einer Agglo-Schutzschicht entspricht den gewachsenen Anforderungen der Hoch- und HöchstIeistungsöfen.All these circumstances allow the protective layer to be applied by any steelworks themselves using the "do it yourself" method, and this on electrodes from any manufacturer. The new design of the electrode subcircuit according to the invention by moving the current guideway to a higher level, by introducing the axial power connection device and the use of an agglomer protective layer made possible thereby corresponds to the growing requirements of the high and maximum performance furnaces.
Die Figuren stellen Varianten des Versetzens der Stromführungsbahn auf ein höheres Niveau über den Tragarm und ein Ausführungsbeϊspiel der axialen Stromanschlussvorrichtung dar.The figures represent variants of moving the current guideway to a higher level via the support arm and an exemplary embodiment of the axial power connection device.
Auf Fig, Ia erfolgt die Stromzuführung zu der axialen StromanschIussvorrichtung über flexible Kabel, während auf Fig. lb der Strom über Kupferrohre, die auf den vertikalen Teleskopsäule, die auf den Tragarmaufgestellt ist und mit der Glocke der axialen Stromanschlussvorrichtung starr verbunden ist, zugeführt wird.In Fig. Ia, the current is supplied to the axial current connection device via flexible cables, while in Fig. 1b the current is supplied via copper pipes, which are mounted on the vertical telescopic column, which is mounted on the support arm and is rigidly connected to the bell of the axial current connection device.
Fig. 2 veranschaulϊehr die einzelnen Teile der axiaIen Stromanschlussvorrichtung in getrennter Stellung: Glocke mit Kontaktring (a), Tragnippel mit Metallkern und Kontaktnippel (b) und Elektrodenkolonne (c).2 illustrates the individual parts of the axial power connection device in a separate position: bell with contact ring (a), support nipple with metal core and contact nipple (b) and electrode column (c).
Fig. 3a stellt einen vertikalen Schnitt durch die zusammengeschraubte und angenippelte StromanschIussvorrichung dar.Fig. 3a shows a vertical section through the screwed together and nippled current connection device.
Auf Fig 3b sind die einzelnen Teile der axialen Stromanschlussvorrichtung abgeschraubt und abgenippelt dargestellt. Die entsprechende Ouerschnitte sind aus der Fig. 4 zu ersehen.
The individual parts of the axial power connection device are unscrewed and nippled on FIG. 3b. The corresponding cross sections can be seen from FIG. 4.