WO2010060932A1 - Kohlenstoffelektrode mit verlängerter standzeit - Google Patents

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WO2010060932A1
WO2010060932A1 PCT/EP2009/065845 EP2009065845W WO2010060932A1 WO 2010060932 A1 WO2010060932 A1 WO 2010060932A1 EP 2009065845 W EP2009065845 W EP 2009065845W WO 2010060932 A1 WO2010060932 A1 WO 2010060932A1
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WO
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graphite foil
carbon electrode
electrode
carbon
graphite
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Application number
PCT/EP2009/065845
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English (en)
French (fr)
Inventor
Oswin ÖTTINGER
Matthieu Schwartz
Werner Langer
Bastian Hudler
Martin Christ
Original Assignee
Sgl Carbon Se
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • H05B7/02—Details
    • H05B7/06—Electrodes
    • H05B7/08—Electrodes non-consumable
    • H05B7/085—Electrodes non-consumable mainly consisting of carbon

Definitions

  • the invention relates to a carbon electrode, in particular for use in an electric arc furnace, and to a process for its production. Furthermore, the invention relates to an electrode strand of such carbon electrodes and their use.
  • carbonized or graphitized carbon bodies including carbon electrodes and their connectors
  • carbon electrodes are to be understood below as both carbonized, partially graphitized or graphitized carbon electrodes, which are used in various dimensions especially in electric arc furnaces and other industrial processes as electrodes.
  • An electric arc furnace for producing steel contains at least one strand of carbon electrodes.
  • Such a strand is held at the upper end by a support arm, via which the electrical current also passes into the electrode strand.
  • the arc passes from the lower tip of the strand into the melt in the furnace.
  • the electrode string burns slowly at its lower end. The shortening of the electrode strand is compensated by the strand pushed piece by piece into the oven and, if necessary, at the upper end of the strand an additional electrode is screwed.
  • the carbon electrodes which are used in electric arc furnaces, especially for the production of steel, suspended above the furnace lid on a carrier with contact jaws, are heated by the arc energy generated in the arc and the development of Joule heat inside the electrodes to temperatures at which carbon with the oxygen the surrounding air reacts to carbon oxides.
  • the reactions referred to briefly as burn-off are not confined to the circumferential surface of the cylindrical electrode, the solar extending from about 600 0 C over almost the whole, accessible through the pore system volume of the electrode.
  • the burning of the lateral surface causes a reduction in the diameter of the electrode, the burning in the interior of the electrode also a substantial disruption of the structure, whereby smaller structural elements are loosened and splintered.
  • the direct and indirect burn-up loss is about 50% of the specific electrode consumption of about 3 to 6 kg / t steel related to the steel produced.
  • US Pat. No. 1,700,761 discloses coating the lateral surface with substances which form a dense vitreous film when the electrode is heated.
  • alkali and alkaline earth salts have been used in conjunction with fluxes such as borax.
  • fluxes such as borax.
  • a major disadvantage of these films is their high electrical resistance.
  • metallic protective layers have been proposed for these electrodes, which conduct the electric current well, but their temperature resistance is often insufficient.
  • a better thermal resistance is achieved by incorporating ceramic fillers in a metallic matrix (DE 12 71 007) or by using silicon as a coating material which is applied by plasma spraying in a vacuum (DE 34 46 286).
  • metallic protective layers have the disadvantage that they are light with copper welding or cementing existing cooled contact jaws and damaging or destroying the contacts.
  • special graphite-containing layers have been proposed, which are applied to the contact jaws or the metallized lateral surface of the electrode (DE 30 28 348, DE 32 15 831).
  • the electrode jacket is sprinkled with water, which is supplied via a nozzle ring attached to the electrode holder.
  • the protective effect is based on the cooling of the electrode surface below the critical reaction temperature and the formation of a steam inlet obstructing the steam jacket.
  • the electrode consumption could be reduced by the cooling process in some ovens by up to 15%, in other ovens, the consumption reduction was much lower, z. T. the Mantelabbrand even increased.
  • the causes of the different results are probably instabilities of the water film and steam jacket, caused for example by thermal convection currents, and the adsorption of water in the pore system of the carbon electrode.
  • the adsorbed water reacts with the carbon at higher temperatures and produces the sponge-like soft zones typical of wet electrodes.
  • a method for direct cooling of the electrode surface located between the contact jaws and the furnace lid is also described in EP 0 309 583.
  • a better utilization of the electrode via annular arranged below the contact jaws nozzle supplied water for cooling is effected.
  • film-forming substances such as calcium phosphate may be added in the order of 10% by weight. The application of such a film-like protective layer leads to only a slight improvement of the oxidation protection of 1 to 2%.
  • the invention has for its object to provide a carbon electrode on the lateral surface by simple technical means a durable oxidation-resistant protective layer is applied, which at the same time mitigates the impact of shocks to the electrode by the charging material when used in an electric arc furnace.
  • the object is achieved according to the invention by a carbon electrode according to claim 1, around whose carbon electrodes core at least partially an envelope is provided with a graphite foil, and by a method for producing a carbon electrode according to claim 18.
  • Graphite foil is produced by thermal expansion of a graphite intercalation compound and subsequent densification of the accordion-shaped particles (expandate) obtained by the expansion. During compression under pressure, these particles are interlocked with one another in such a way that, without the addition of binders, stable, flexible planar structures such as foils or plates can be produced. Prior to compaction, additives such as antioxidants can be added to the Expandat by mixing them with the Expandat powder. This method is particularly suitable for powdery additives.
  • Graphite foil is characterized by resistance to high temperatures and aggressive media, relatively low permeability to fluids, high compressibility of, for example, 40%, good resilience of, for example, 8% and a very low creep under pressure. This refers in particular to the thickness direction of graphite foil. These Properties justify the suitability of graphite foil as a sealing material, for which it is conventionally used.
  • Graphite foils have structural anisotropy due to the directional pressure applied during compaction of the expansion. Because of the preferential orientation of the graphite layer parallel to the plate surface in the graphite foils the current and heat conduction parallel to the foil plane (ie in the foil surface) is preferred to the current and heat conduction perpendicular to the foil surface. Depending on the thickness of the graphite foil, the anisotropy of the power and heat conduction ranges from 10: 1 to 200: 1.
  • One of the descriptions of the manufacture and use of graphite foil can be found in ULLMANN 'S S CYCLOPEDIA OF INDUSTRIAL CHEMISTRY, VOI. A5, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 2002, pp. 44 to 45.
  • the graphite foil has a thermal expansion coefficient (at temperatures between 20 and 1000 0th C) of about 1 - 10 "6 K parallel to the layering and about 30 - 10 " 6 K perpendicular to the layering.
  • the carbon electrode in the longitudinal direction section in which it has a covering with graphite foil, has a covering with the graphite foil substantially on the entire outer circumference. This is not absolutely necessary in order to mitigate impacts on the carbon electrode, but ensures high oxidation protection since the entire outer circumference of the carbon electrode is thus protected and enhanced oxidation does not occur at individual exposed areas of the lateral surface.
  • the carbon electrode core may consist of either carbon, partially graphitized carbon or graphite.
  • the carbon electrode is in no way limited in its dimensions, but in principle, the invention can be applied to any carbon electrode core, especially for use in the electric arc furnace. This has the advantage that conventional carbon electrodes can be used according to the invention as carbon electrode cores without the need to manufacture special carbon electrode cores.
  • the envelope has at least one winding, so that the graphite foil itself overlaps at least in a partial area.
  • the graphite foil does not overlap itself at least partially, so that there is a gap between the ends of the graphite foil.
  • the number of windings and thus the thickness of the graphite foil shell in relation to the diameter of the carbon electrode core depend on the dimensions of the carbon electrode and the conditions of use. Although even a winding ensures high oxidation protection, it may be useful, in particular because of the mechanical stress during use, to provide a higher number of windings. In order to save material and thus costs, however, one will try to keep the number of windings as low as possible. Thus, a number of turns between 2 and 10 may be advantageous.
  • the graphite foil can also be applied only in at least one of the two regions of the lateral surface, which adjoin the two electrode ends directly.
  • the graphite foil is applied only in the region of the lateral surface which directly adjoins the electrode end, which faces a melt in use of the electrode.
  • the graphite foil is applied only in the region of the lateral surface which directly adjoins an electrode end, but projects beyond the electrode end.
  • the protruding part of the graphite foil is pushed as a sleeve over the end of the adjacent electrode.
  • the graphite foil is in turn applied to the downwardly directed electrode end, which faces the melt.
  • a carbon electrode which is at least almost completely covered with graphite foil, to have a protruding part of graphite foil.
  • it must be ensured that an adjacent electrode which is to be connected to the carbon electrode has an uncovered area over which the protruding part of the graphite foil can be pushed.
  • the oxidation-protective effect of the graphite foil is advantageously increased by the fact that the graphite foil has an antioxidant which is present at least partially in the graphite foil and / or on the graphite foil.
  • the antioxidant preferably contains at least one carbide-forming metal and / or at least one glass former.
  • the carbide-forming metals and / or glass formers can be considered in the still intact graphite foil as particles of antioxidant, which are incorporated in a matrix of graphite binder.
  • the particles of antioxidant melt so far, or sinter together so far that they form a coherent surface as possible.
  • the need for the presence of a binder continues to decrease until the antioxidant itself forms a film-like layer.
  • An electrical conductivity of the former graphite foil is then no longer present in the lower region of the carbon electrode, which faces a melt, but is no longer necessary for use of the carbon electrode in the arc process.
  • Up to 80% by volume of antioxidants are possible for an inventive functionality of the graphite foil, preferably up to 50% by volume.
  • the antioxidant advantageously has grain sizes which are in the fine range with a dgo value below 10 microns or in the nano range with a dgo value below 100 nm.
  • the antioxidant is advantageously a substance selected from a group consisting of silicon, silica, silicates, aluminosilicates, MoSi 2 , borates, TiB 2 , silanes, silazanes, phosphates, ZnO 2 , aluminum, boron or a combination of at least two of these substances.
  • the lateral surface of the carbon electrode core has a certain roughness, whereby a sufficiently large and permanent adhesion between the carbon electrode core and the graphite foil is ensured, in particular a roughness R z of 0.5 to 5 mm.
  • the individual windings of the Graphitfolienumhüllung are so closely placed that is present by the contact of the windings with each other a large and permanent adhesion between the windings.
  • the tight windings are preferably achieved by a high tensile stress on the graphite foil during winding.
  • a suitable adhesive is provided at least partially between the carbon electrode core and the graphite foil and / or between the winding layers of the graphite foil. This increases the adhesion even more.
  • an adhesive between the carbon electrode core and the graphite foil and between the layers of graphite foil are preferably adhesives which even at high temperatures, ie above 1000 0 C, show an adhesion effect.
  • adhesives include, for example, pitch, phenolic resins, furan resins, as well as other resins, which preferably have a high carbon yield, and organosilicon compounds.
  • the adhesive converts into an adhesive layer at high temperatures high carbon content and low porosity, which has high strength and durability.
  • the adhesive is cured at temperatures between 160 and 200 0 C, in particular at about 180 0 C and carbonized at temperatures between 750 and 850 0 C, in particular at about 800 0 C.
  • the adhesive may be mixed with various additives and solvents, antioxidants and reinforcing materials.
  • additives are added which improve the bond within the graphite foil. These include carbon or graphite powder.
  • the adhesive may be introduced between the carbon electrode and graphite foil as well as between all windings of the graphite foil.
  • the adhesive is introduced only partially.
  • it can advantageously only on the first winding layer and / or the last winding layer be applied to the graphite foil. This causes a high mechanical inner stability of the envelope with a simultaneous low cost of adhesive.
  • the provision of depressions in the electrode core jacket surface is preferred, which in particular prevents the graphite foil from slipping.
  • a composite of winding layers of the graphite foil with one another and / or with the carbon electrode core can advantageously also be effected with at least one mechanical fastening means, such as, in particular, spit plate, staples or nails. Particularly preferred are metal staples. These can be introduced into the graphite foil or through the graphite foil into the electrodes core without much effort. Surprisingly, the
  • the graphite foil may be selected from different densities and thicknesses depending on the purpose and geometry of the carbon electrode to be coated. If no further additives and / or reinforcing materials are used, the density of the graphite foil used is preferably in the range between 0.5 and 1.8 g / cm 3 . Their thickness is between 50 microns and 3 mm, preferably between 0.1 and 1, 5 mm. When using additives and / or reinforcing materials, density and thickness may change accordingly.
  • the mechanical stability of graphite foil against mechanical influences can be increased by embedding reinforcing inserts, for example of metal, such as sheet metal or foil, as a sandwich within a layer of graphite foil or between graphite foil layers.
  • the reinforcing inserts may have spit plate, expanded sheet, Velcro or smooth sheet metal.
  • the graphite foil can be made by woven or non-woven fiber mats or
  • Mesh be reinforced in particular of plastic fibers, glass fibers, carbon fibers, ceramic fibers, metal fibers or combinations thereof. Preference is given to fiber networks with mesh sizes between 1 and 5 cm are used.
  • Such carbon electrodes may be advantageous, for example, for use in small furnaces, such as experimental ovens. There, no electrodes must be connected by nipples, ie connecting pieces, to a longer electrode strand, which would not or only with difficulty be possible with carbon electrodes according to the invention without carbon electrode core.
  • the graphite foil is wound onto a carbon core.
  • a temporary winding core can be used, which can be removed after the winding process.
  • This winding core is advantageously so thin that there is no appreciable cavity after its removal.
  • a metal wire is suitable.
  • the resulting cavity can be advantageously closed or filled with a resin having a high carbon yield. In a subsequent temperature treatment, the resin is at least largely converted to carbon, so that there is a closed carbon electrode.
  • a winding core can be produced from the graphite foil itself, around which the graphite foil is then further wound up.
  • an electrode is understood in this context as a coreless carbon electrode.
  • reinforcing agents are introduced into the enclosure.
  • the reinforcing agents can first be introduced by calendering between two layers of graphite foil or only applied during the wrapping of the carbon electrode core on the graphite foil as an additional layer, which is then stored during the winding process between two graphite foil layers.
  • An adhesive may be applied to the carbon electrode core and the graphite foil, for example by known methods such as spraying, brushing or doctoring on the electrodes core and / or the graphite foil.
  • the adhesive is preferably cured at slightly elevated temperatures, preferably between 150 and 200 0 C, in particular between 160 and 190 0 C.
  • the adhesive may also be carbonized if necessary by pyrolysis, preferably at temperatures between 600 and 900 0 C, in particular between 750 and 850 ° C. For this purpose, the entire carbon electrode is heated before use. However, the steps of hardening and carbonizing can also take place only when the carbon electrode is used in the melting furnace.
  • the adhesive can also be applied only to the first and last winding layer of the graphite foil or otherwise applied according to advantageous patterns.
  • the mechanical compaction can be achieved by round hammers or preferably by calendering the graphite foil using the carbon electrode itself.
  • the carbon electrode, on which the graphite foil has just been wound serves as a calender roll, which corresponds to at least one further conventional counter-roll.
  • An antioxidant can be introduced into the graphite foil already during its production or can be subsequently applied to the film.
  • a step of applying is integrated into the method according to the invention for producing the carbon electrode.
  • the application can be carried out, for example, by known methods such as spraying, brushing or doctoring onto the electrode core and / or the graphite foil.
  • the application of the film to the electrode core is preferably carried out by placing the graphite foil by means of a blank holder and subsequent controlled rotation of the electrode core about its own axis, the graphite foil Role, from which the graphite sheet used is unrolled, preferably readjusted in a controlled manner.
  • the graphite foil is preferably under tension, with tensile stresses of 0.1 to 10 MPa, in particular of 1 to 5 MPa, being advantageously applied.
  • the tensile stress is achieved, for example, by unwinding the graphite foil from a braked roll.
  • the winding of the graphite foil can take place at right angles to the electrode axis and / or diagonally thereto.
  • the graphite foil is wound on site in the electric steelworks directly on the electrode strand onto the carbon electrode.
  • the compressibility of the graphite foil significantly improves the electrical contact between the electrode and a support arm which holds the electrode.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a carbon electrode according to the invention.
  • a carbon electrode according to the invention 1 was prepared as follows: graphite foil 2 SIGRAFLEX F02012Z SGL Technologies GmbH (thickness 0.20 mm, density 1, 2 g / cm 3 ) with a width of 1 m was on a 1 m long rod as carbon electrodes core 3 wound with a diameter of 25 mm of extruded graphite.
  • the graphite rod 3 was thereby rotated at 14 U / min on a winding machine around its own axis, and pulled so the graphite foil 2 from a braked roll.
  • the tension was set at 1 MPa. Before the graphite foil 2 reached the electrode core 3, it was uniformly sprayed with Norsophen 1203 phenolic resin from Bakelite as an adhesive.
  • the basis weight of the resin was about 10 g / m 2 .
  • the winding process was terminated when the carbon electrode 1 had reached a diameter of 50 mm, thus achieving a covering 8 of graphite foil with a thickness of 12.5 mm.
  • the adhesive was cured at 180 0 C and carbonized at 800 0 C.
  • the electrodes and reference electrodes produced according to the invention were tested in a small electric arc furnace with an output of 96 kVA, a diameter of 20 cm and a height of 50 cm.
  • a melt of 2.0 kg of steel scrap and 0.35 kg of slag (CaO-SiO 2) was used; the furnace was operated for 2 h with 10 to 15 kW power.
  • the electrodes were cleaned and measured. From the changes in the electrode geometry and the electrode mass, the change in length or the mass loss per hour was calculated. Both figures showed a lower electrode consumption of the embodiment according to the invention.
  • Table 1 The results are summarized in Table 1.
  • two electrode cores 3 made of extruded graphite with a diameter of 450 mm and a length of 1200 mm with graphite foil SIGRAFLEX F04212Z from SGL Technologies GmbH (width 1, 3 m, thickness 0.42 mm, density 1, 2 g / cm 3 ) wrapped.
  • Both electrode cores 3 were each provided with a nipple box 4 at both ends. This allows the connection with other electrodes 1 with a conventional connection technique with so-called graphite nipen 5 as connecting pieces.
  • both extruded electrode cores 3 were thereby rotated on their own axis at 10 rpm on a winding machine, thus drawing the graphite foil 2 from a braked roll.
  • the tension was set at 2 MPa.
  • the basis weight of the resin was about 12 g / m 2 .
  • the winding process was terminated when the electrode 1 had reached a diameter of 550 mm.
  • the winding process can be completed even after winding only one winding, wherein the end of the graphite foil 2 but overlaps at least its beginning to completely protect the carbon electrode core 3 from oxidation.
  • the adhesive was cured at 150 0 C and carbonized at 900 0 C.
  • the graphite foil 2 was subsequently shortened to a length of 1202 mm, so that the graphite foil 2 at each end survived by 1 mm beyond the end faces 7 of the extruded cores 3.
  • electrode cores 3 were made of extruded graphite with a diameter of 545 mm and a length of 1400 mm with graphite foil SIGRAFLEX F05011APX (width 1, 3 m, thickness 0.50 mm, density 1, 1 g / cm 3 , oxidation-protected) wrapped.
  • SIGRAFLEX F05011APX width 1, 3 m, thickness 0.50 mm, density 1, 1 g / cm 3 , oxidation-protected
  • an electrode core 3 made of extruded graphite with a diameter of 456 mm and a length of 2200 mm with graphite foil SIGRAFLEX F0501 1APX (width 2.5 m, thickness 0.50 mm, density 1, 1 g / cm 3 , oxidation-protected) wrapped.
  • a thread was cut with a depth of 0.8 mm, which gave a targeted surface roughness.
  • the electrode core 3 was rotated at 20 U / min on a winding machine around its own axis, and thus pulled the graphite foil 2 from a braked roll. The tension was set at 0.5 MPa.
  • the adhesive was cured at 150 0 C for 3 h.
  • the invention prepared electrode and two reference electrodes were tested in an electric arc furnace (ladle furnace) without water cooling the electrodes. In this case, the electrode produced according to the invention was mounted in an electrode strand between the two reference electrodes. The mass loss of the electrode according to the invention was reduced by about 10% compared to the reference electrodes.
  • the electrode core 3 was rotated on its own axis at 20 rpm on a winding machine, thus pulling the graphite foil 2 from a braked roll. The tension was set at 0.5 MPa.
  • the winding process was terminated when the electrode 1 had reached a diameter of 458 mm.
  • the graphite foil 2 was then shortened to a length of 2200 mm, so that it terminated at both ends in the longitudinal direction of the electrode 1 flush with the end faces 7 of the extruded core 3.
  • the curing of the adhesive at elevated temperature was omitted.
  • the electrode and reference electrodes produced according to the invention were tested in an electric arc furnace (ladle furnace) without water cooling of the electrodes. In this case, the electrode produced according to the invention was mounted in an electrode strand between two reference electrodes. The mass loss of the electrode according to the invention was reduced by about 10% compared to the reference electrodes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kohlenstoffelektrode (1) mit einem Kohlenstoffelektrodenkern (3), wobei um den Kohlenstoffelektrodenkern (3) wenigstens teilbereichsweise eine Umhüllung (8) mit einer Graphitfolie (2) vorgesehen ist, sowie eine Kohlenstoffelektrode, die im Wesentlichen aus Wicklungen einer Graphitfolie (2) gebildet ist. Die Kohlenstoffelektrode (1) findet insbesondere als Elektrode für einen Lichtbogenschmelzofen Verwendung und wird durch Aufwickeln einer Graphitfolie (2) hergestellt.

Description

KOHLENSTOFFELEKTRODE MIT VERLÄNGERTER STANDZEIT
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Kohlenstoffelektrode insbesondere zur Verwendung in einem Lichtbogenofen sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Des weiteren betrifft die Erfindung einen Elektrodenstrang aus solchen Kohlenstoffelektroden und deren Verwendung.
Die Herstellung von carbonisierten oder graphitierten Kohlenstoffkörpern, dar- unter auch Kohlenstoffelektroden und deren Verbindungsstücke, ist eine inzwischen seit über einhundert Jahren beherrschte Technik, die im industriellen Maßstab großtechnisch angewandt wird und deshalb in vielen Punkten ausgefeilt und bezüglich der Kosten optimiert ist. Eine der Beschreibungen dieser Technik findet man in ULLMANN'S ENCYCLOPEDIA OF INDUSTRIAL CHEMISTRY, Vol. A5, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 2002, S. 23 bis 36. Unter dem Begriff Kohlenstoffelektroden sind nachfolgend sowohl karbonisierte, teilgraphitierte oder graphitierte Kohlenstoffelektroden zu verstehen, welche in den verschiedensten Dimensionen insbesondere in Lichtbogenöfen sowie anderen industriellen Prozessen als Elektroden zum Einsatz kommen. Ein Lichtbogenofen zur Erzeugung von Stahl enthält mindestens einen Strang aus Kohlenstoffelektroden. Ein solcher Strang wird am oberen Ende von einem Tragarm gehalten, über den auch der elektrische Strom in den Elektrodenstrang gelangt. Im Ofenbetrieb geht von der unteren Spitze des Stranges der Lichtbogen in das im Ofen befindliche Schmelzgut. Verursacht durch den Lichtbogen und die hohen Temperaturen im Ofen brennt der Elektrodenstrang an seinem unteren Ende langsam ab. Die Verkürzung des Elektrodenstranges wird dadurch ausgeglichen, dass der Strang stückweise in den Ofen nachgeschoben wird und bei Bedarf am oberen Ende des Stranges eine zusätzliche Elektrode aufgeschraubt wird.
Die in Lichtbogenöfen, besonders zur Erzeugung von Stahl, eingesetzten, oberhalb des Ofendeckels an einer Tragevorrichtung mit Kontaktbacken aufgehäng- ten Kohlenstoffelektroden, werden durch die im Lichtbogen erzeugte Wärmeenergie und die Entwicklung Joulscher Wärme innerhalb der Elektroden auf Temperaturen erhitzt, bei denen Kohlenstoff mit dem Sauerstoff der umgebenden Luft zu Kohlenoxiden reagiert. Die kurz als Abbrand bezeichneten Reaktionen sind nicht auf die Mantelfläche der zylindrischen Elektrode beschränkt, son- dem erstrecken sich ab etwa 600 0C fast über das ganze, durch das Porensystem zugängliche Volumen der Elektrode. Der Abbrand der Mantelfläche bewirkt eine Verringerung des Elektrodendurchmessers, der Abbrand im Inneren der Elektrode auch eine weitgehende Zerrüttung des Gefüges, wodurch kleinere Gefügeelemente gelockert und abgesplittert werden. Insgesamt beträgt der un- mittelbare und mittelbare Abbrandverlust rund 50% des auf den erzeugten Stahl bezogenen spezifischen Elektrodenverbrauchs von etwa 3 bis 6 kg/t Stahl. Bereits kurze Zeit nach Aufnahme der Elektrostahlerzeugung versuchte man, den Mantelabbrand durch Überziehen des Elektrodenmantels mit oxidationsbestän- digen Schutzschichten wenigstens zu verringern. Durch die US 1 ,000,761 ist es beispielsweise bekannt, die Mantelfläche mit Substanzen zu beschichten, die beim Erhitzen der Elektrode einen dichten glasartigen Film bilden. Zur Herstellung des Films wurden Alkali- und Erdalkalisalze in Verbindung mit Flussmitteln, wie Borax, verwendet. Ein wesentlicher Nachteil dieser Filme ist ihr großer elektrischer Widerstand. Sie eignen sich daher nicht für Elektroden, z.B. für Licht- bogen-, Schmelz- oder Reduktionsöfen, bei denen der elektrische Strom über Kontaktbacken zugeführt wird, die am Elektrodenmantel anliegen. Für diese Elektroden sind deshalb metallische Schutzschichten vorgeschlagen worden, die den elektrischen Strom gut leiten, deren Temperaturbeständigkeit aber häufig nicht ausreicht. Eine bessere thermische Beständigkeit erreicht man durch Einarbeiten keramischer Füllstoffe in eine metallische Matrix (DE 12 71 007) oder auch durch Verwendung von Silicium als Beschichtungsmaterial, das durch Plasmaspritzen im Vakuum aufgebracht wird (DE 34 46 286). Metallische Schutzschichten haben jedoch den Nachteil, dass sie leicht mit den aus Kupfer bestehenden gekühlten Kontaktbacken verschweißen oder -kitten und die Kontakte beschädigt oder zerstört werden. Zur Vermeidung der Schäden sind besondere graphithaltige Schichten vorgeschlagen worden, die man auf die Kontaktbacken oder die metallisierte Mantelfläche der Elektrode aufträgt (DE 30 28 348, DE 32 15 831 ).
Es ist schließlich auch bekannt, glasartige, keramische Schichten ausschließlich unterhalb der Kontaktbacken auf den Elektrodenmantel aufzutragen. Auf die unbeschichtete Mantelfläche der Elektrode unterhalb der Kontaktbacken kann dann eine feuerfeste, oxidationsbeständige Beschichtung aufgetragen werden, die ein elektrischer Isolator sein kann (DE 576 938, EP 0 070 100). Diese Art der Beschichtung wird durch die hohen Temperaturen am Ofen erheblich erschwert, so dass es zur Erzeugung einer geschlossenen Schicht mit ausreichender Haftfestigkeit eines großen technischen Aufwands bedarf (EP 0 200 983). Es ist schließlich vorgeschlagen worden, die Oberfläche der Elektrode zwischen Kontaktbacke und Ofendeckel direkt mit Wasser zu kühlen (Metal Bulletin Monthly, Nr. 204, Dez. 1987, S. 56). Bei diesem Verfahren wird der Elektrodenmantel mit Wasser berieselt, das über einen am Elektrodenhalter befestigten Düsenring zugeführt wird. Die Schutzwirkung beruht auf Kühlung der Elektrodenoberfläche unter die kritische Reaktionstemperatur und der Bildung eines den Luftzutritt behindernden Dampfmantels. Der Elektrodenverbrauch konnte durch das Kühlverfahren in einigen Öfen um bis zu 15% vermindert werden, in anderen Öfen war die Verbrauchsminderung wesentlich geringer, z. T. nahm der Mantelabbrand sogar zu. Ursachen der unterschiedlichen Ergebnisse sind vermutlich Instabilitäten des Wasserfilms und Dampfmantels, ausgelöst etwa durch thermische Konvektionsströmungen, und die Adsorption von Wasser im Porensystem der Kohlenstoffelektrode. Das adsorbierte Wasser reagiert bei höheren Temperaturen mit dem Kohlenstoff und es entstehen die für feuchte Elektroden typischen schwammartigen weichen Zonen. Ein Verfahren zur direkten Kühlung der zwischen den Kontaktbacken und dem Ofendeckel befindlichen Elektrodenoberfläche ist auch in EP 0 309 583 beschrieben. Durch dieses Verfahren wird eine bessere Ausnützung des der Elektrode über ringförmig unterhalb der Kontaktbacken angeordnete Düsen zugeführten Wassers für die Kühlung bewirkt. Zur weiteren Senkung der Oxidations- - A - rate können dem Kühlwasser nach Verdampfen des Wassers bei höherer Temperatur oxidationshemmend wirkende, filmbildende Substanzen, wie z. B. Calciumphosphat in einer Größenordnung von 10 Gew.-% zugesetzt werden. Die Aufbringung einer solchen filmartigen Schutzschicht führt zu einer nur ge- ringen Verbesserung des Oxidationsschutzes von 1 bis 2 %. Dieses Verfahren ist im wesentlichen mit den gleichen Nachteilen behaftet, wie sie im Vorstehenden für die Direktkühlung mit Wasser beschrieben sind, wie z.B. die Ausbildung von durch In-Poren-Oxidation des Wasserdampfes verursachten schwammigen Zonen. Die Wirkung der auf diese Weise erzeugten Beschichtung ist gering und zudem ungleichmäßig. Beim Betrieb der Elektroden unterhalb des Ofendeckels existieren dann ungenügend geschützte Zonen und Zonen, an denen die Beschichtung wegen zu großer Schichtdicke aufreißen kann. Die Folge ist eine zonenweise oxidative Schwächung des Elektrodenstranges unterhalb des Ofendeckels. Darüber hinaus haben herkömmliche Oxidationsschutz-Beschichtungen den Nachteil, dass sie unterhalb des Ofendeckels aufgrund unterschiedlicher Wär- meausdehungskoeffizienten Risse bekommen, abplatzen und in die Schmelze fallen. Damit ist die Mantelfläche der Kohlenstoffelektrode ohne weiteren Schutz unmittelbar den aggressiven Einflüssen oberhalb der Schmelze ausgesetzt. Hinzu kommen noch weitere, mechanische, Belastungen des Elektrodenstranges. Beim Betrieb eines Ofens wirken wiederholt beträchtliche Biegemomente durch das Schwenken des Ofengefäßes einschließlich des Stranges auf den Elektrodenstrang, beziehungsweise ist der Elektrodenstrang einer anhaltenden Vibration ausgesetzt; auch Schläge auf den Strang durch das Chargiergut be- lasten die mechanische Integrität der Kohlenstoffelektroden sowie den Zusammenhalt des Stranges. Speziell die Schläge durch das Chargiergut können zum Abplatzen von Elektrodenstücken und damit später oder unmittelbar zum Absturz der Spitze des Elektrodenstranges in die Stahlschmelze führen.
Es wurden in den letzten Jahrzehnten unterschiedliche Maßnahmen ergriffen, um die mechanische Festigkeit von Kohlenstoffelektroden zu verbessern. Im Wesentlichen wurde dabei an der Rezeptur der Ausgangsstoffe optimiert sowie zusätzliche Nachverdichtungs-Zyklen eingeführt. Vor kurzem wurde auch die Zugabe von Carbonfasern in die Ausgangsstoffe als Verstärkungskomponente vorgeschlagen (US 7,276,284).
Während man den beeinflussbaren bzw. kalkulierbaren mechanischen Be- lastungen durch das Schwenken sowie durch Vibrationen zumindest teilweise mittels verbesserter Elektrodenrezepturen sowie Fahrweise des Ofens gerecht werden kann, ist bislang noch keine wirkungsvolle Maßnahme gegen die Einwirkung von Schlägen durch das Chargiergut auf die Elektrode gefunden worden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kohlenstoffelektrode bereitzustellen, auf deren Mantelfläche mit einfachen technischen Mitteln eine dauerhafte oxidationsbeständige Schutzschicht aufgebracht ist, die bei einem Einsatz im Lichtbogenofen gleichzeitig die Einwirkung von Schlägen durch das Chargiergut auf die Elektrode abmildert.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Kohlenstoffelektrode nach Anspruch 1 gelöst, um deren Kohlenstoffelektroden kern wenigstens teilbereichsweise eine Umhüllung mit einer Graphitfolie vorgesehen ist, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffelektrode nach Anspruch 18.
Graphitfolie wird hergestellt durch thermische Expansion einer Graphitinterkala- tionsverbindung und anschließende Verdichtung der durch die Expansion erhaltenen ziehharmonikaförmigen Partikel (Expandat). Diese Partikel werden beim Verdichten unter Druck so miteinander verzahnt, dass daraus ohne Zusatz von Bindern stabile, flexible flächige Gebilde wie Folien oder Platten hergestellt werden können. Vor der Verdichtung können dem Expandat Additive, z.B. mit oxi- dationshemmender Wirkung, zugegeben werden, indem sie mit dem Expandat- pulver vermischt werden. Besonders geeignet ist dieses Verfahren für pulver- förmige Additive. Graphitfolie zeichnet sich aus durch Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und aggressive Medien, relativ geringe Durchlässigkeit für Fluide, hohe Kompressibilität von beispielsweise 40 %, gutes Rückfederungsvermögen von beispielsweise 8 % und eine sehr geringe Kriechneigung unter Druck. Dies bezieht sich insbesondere auf die Dickenrichtung von Graphitfolie. Diese Eigenschaften begründen die Eignung von Graphitfolie als Dichtungsmaterial, wofür sie herkömml icherweise eingesetzt wird.
Aufgrund der gerichteten Druckeinwirkung während der Verdichtung des Expan- dats weisen Graphitfolien eine strukturelle Anisotropie auf. Wegen der Vorzugsorientierung der Graphitschichtebenen parallel zur Plattenfläche ist in den Graphitfolien die Strom- und Wärmeleitung parallel zur Folienebene (d.h. in der Folienfläche) bevorzugt gegenüber der Strom- und Wärmeleitung senkrecht zur Folienfläche. Die Anisotropie der Strom- und Wärmeleitung liegt je nach Dicke der Graphitfolie im Bereich von 10:1 bis 200:1. Eine der Beschreibungen der Herstellung und Verwendung von Graphitfolie findet man in ULLMANN'S ENCYCLOPEDIA OF INDUSTRIAL CHEMISTRY, VOI . A5, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 2002, S. 44 bis 45.
Es ist überraschend, dass eine erfindungsgemäße Kohlenstoffelektrode, deren Mantelfläche wenigstens teilbereichsweise eine Umhüllung mit Graphitfolie aufweist, entwickelt werden konnte, denn die dauerhafte Gewährleistung des Zusammenhalts eines Kohlenstoffelektrodenkerns mit einer, diese umhüllenden, Graphitfolie im Lichtbogenofen war vor der vorliegenden Erfindung nicht vor- stellbar. Bei der Zuführung der Elektrode zur Schmelze hin unterliegt diese einem starken Thermoschock. Die damit verbundene Ausdehnung der Elektrode ist aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht kompatibel mit der Ausdehnung der Graphitfolie. Während der Wärmeausdehnungskoeffizient (bei Temperaturen zwischen 20 und 1000 0C) einer Kohlenstoffelek- trode mit hoher Isotropie zwischen 0,5 bis 3,5 ■ 10~6 K"1 liegt, weist die Graphitfolie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (bei Temperaturen zwischen 20 und 1000 0C) von ca. 1 - 10"6 K parallel zur Schichtung und ca. 30 - 10"6 K senkrecht zur Schichtung auf. Darüber hinaus wirken während des Schmelzvorgangs auf die Elektrode, insbesondere durch die Bildung eines Lichtbogens, enorme thermomechanische Kräfte, welche den Zusammenhalt zwischen Graphitfolie und Elektrode bedrohen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Oxidationsschutz-Beschichtungen bleibt die Graphitfolie während des Schmelzvorgangs deutlich länger erhalten, schützt also die Kohlenstoffelektrode länger vor Oxidation.
Da die Graphitfolie während des Schmelzvorgangs länger erhalten bleibt, schützt diese die Kohlenstoffelektrode nicht nur vor Oxidation, sondern mildert auch die Wirkung von starken Schlägen durch das Chargiergut ab. Durch sowohl hohe Kompressibilität als auch gutes Rückfederungsvermögen der Graphitfolie wird die mechanische Krafteinwirkung auf die Kohlenstoffelektrode je nach Anzahl der Graphitfolien-Wicklungen teilweise abgefedert. Auch können scharfkantige Stücke des Chargierguts nicht unmittelbar an der Kohlenstoffelektrode ihre Wirkung entfalten, sondern werden durch die Graphitfolie abgebremst. Dies gilt insbesondere für eine Mehrzahl von Wicklungen.
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kohlenstoffelek- trode sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhafterweise weist die Kohlenstoffelektrode in dem Längsrichtungsabschnitt, in dem sie eine Umhüllung mit Graphitfolie aufweist, im Wesentlichen am gesamten Außenumfang eine Umhüllung mit der Graphitfolie auf. Dies ist zum Abmildern von Schlägen auf die Kohlenstoffelektrode nicht zwingend notwendig, gewährleistet aber einen hohen Oxidationsschutz, da so der gesamte Außenumfang der Kohlenstoffelektrode geschützt ist und nicht an einzelnen freiliegenden Stellen der Mantelfläche eine verstärkte Oxidation auftritt.
Der Kohlenstoffelektrodenkern kann entweder aus Kohlenstoff, teilweise graphi- tiertem Kohlenstoff oder aus Graphit bestehen. Die Kohlenstoffelektrode ist in ihren Dimensionen in keiner Weise eingeschränkt, sondern prinzipiell kann die Erfindung auf jeden Kohlenstoffelektrodenkern vor allem für den Einsatz im Lichtbogenofen angewandt werden. Dies hat den Vorteil, dass herkömmliche Kohlenstoff- elektroden erfindungsgemäß als Kohlenstoffelektrodenkerne eingesetzt werden können, ohne dass die Notwendigkeit besteht, spezielle Kohlenstoffelektrodenkerne zu fertigen. Bevorzugt besitzt die Umhüllung mindestens eine Wicklung, so dass sich die Graphitfolie wenigstens in einem Teilbereich selbst überlappt.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, dass sich die Graphitfolie wenigstens teilbe- reichsweise nicht selbst überlappt, so dass zwischen Enden der Graphitfolie ein Zwischenraum vorliegt.
Die Anzahl der Wicklungen und damit die Dicke der Graphitfolien-Hülle im Verhältnis zum Durchmesser des Kohlenstoffelektroden kerns hängen von den Di- mensionen der Kohlenstoffelektrode sowie den Einsatzbedingungen ab. Obwohl bereits eine Wicklung einen hohen Oxidationsschutz gewährleistet, kann es insbesondere wegen der mechanischen Belastung im Einsatz sinnvoll sein, eine höhere Anzahl von Wicklungen vorzusehen. Um Material und damit Kosten zu sparen wird man jedoch versuchen, die Anzahl der Wicklungen möglichst nied- rig zu halten. Somit kann eine Wicklungsanzahl zwischen 2 und 10 vorteilhaft sein.
Die Graphitfolie kann auch nur in zumindest einem der beiden Bereiche der Mantelfläche, die unmittelbar an die beiden Elektrodenenden angrenzen, aufge- bracht sein. Bevorzugt ist die Graphitfolie nur in dem Bereich der Mantelfläche aufgebracht, der unmittelbar an das Elektrodenende angrenzt, welches im Einsatz der Elektrode einer Schmelze zugewandt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Graphitfolie nur in dem Bereich der Mantelfläche, der unmittelbar an ein Elektrodenende angrenzt, aufgebracht, jedoch über das Elektrodenende hinausragend. Beim Anschrauben einer solchen Elektrode an einen Elektrodenstrang bestehend aus mehreren Kohlenstoffelektroden wird somit der überstehende Teil der Graphitfolie als Hülse über das Ende der benachbarten Elektrode geschoben. Dadurch wird ein zusätzlicher Schutz der Verbindungsfläche der beiden Elektroden erreicht. Vorzugsweise ist die Graphitfolie wiederum an dem nach unten gerichteten Elektrodenende, welches der Schmelze zugewandt ist, aufgebracht. Es kann aber auch eine zumindest nahezu vollständig mit Graphitfolie umhüllte Kohlenstoffelektrode einen überstehenden Teil Graphitfolie aufweisen. Es muss allerdings gewährleistet sein, dass eine benachbarte Elektrode, die mit der Kohlenstoffelektrode verbunden werden soll, einen nicht umhüllten Bereich auf- weist, über den der überstehende Teil der Graphitfolie geschoben werden kann.
Die vor Oxidation schützende Wirkung der Graphitfolie ist vorteilhafterweise dadurch erhöht, dass die Graphitfolie ein Oxidationsschutzmittel aufweist, das wenigstens teilbereichsweise in der Graphitfolie und/oder auf der Graphitfolie vor- liegt.
Das Oxidationsschutzmittel enthält vorzugsweise zumindest ein carbidbildendes Metall und/oder zumindest einen Glasbildner. Dadurch kann die Graphitfolie bei ihrem Einsatz veraschen, ohne dass ihre schützende Wirkung völlig verloren geht. Die carbidbildenden Metalle und/oder Glasbildner können in der noch intakten Graphitfolie als Partikel aus Oxidationsschutzmittel aufgefasst werden, die in einer Matrix aus Graphit-Binder eingebunden sind. Während eines Ver- aschens des Binders Graphit schmelzen die Partikel aus Oxidationsschutzmittel so weit auf, bzw. sintern so weit zusammen, dass sie eine möglichst zusam- menhängende Fläche bilden. Dadurch sinkt die Notwendigkeit des Vorhandenseins eines Binders immer weiter, bis das Oxidationsschutzmittel selbst eine folienartige Schicht bildet. Eine elektrische Leitfähigkeit der ehemaligen Graphitfolie ist dann im unteren Bereich der Kohlenstoffelektrode, die einer Schmelze zugewandt ist, nicht mehr gegeben, jedoch für einen Einsatz der Kohlenstoffelektrode im Lichtbogenverfahren auch nicht mehr nötig. Es sind für eine erfindungsgemäße Funktionsfähigkeit der Graphitfolie bis zu 80 Vol.-% an Oxidationsschutzmittel möglich, vorzugsweise bis zu 50 Vol.-%.
Eine Sinteraktivität des Oxidationsschutzmittels wird durch eine höhere Oberflä- che erhöht. Daher weist das Oxidationsschutzmittel vorteilhafterweise Korngrößen auf, die im feinen Bereich mit einem dgo-Wert unter 10 μm oder im Nano- bereich mit einem dgo-Wert unter 100 nm liegen. Das Oxidationsschutzmittel ist vorteilhafterweise eine Substanz, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Silicium, Siliciumoxid, Silicaten, Aluminosilicaten, MoSi2, Boraten, TiB2, Silanen, Silazanen, Phosphaten, ZnO2, Aluminium, Bor oder eine Kombination aus mindestens zwei dieser Substanzen.
Bevorzugt weist die Mantelfläche des Kohlenstoffelektroden kerns eine gewisse Rauhigkeit auf, wodurch eine genügend große und dauerhafte Adhäsion zwischen dem Kohlenstoffelektroden kern und der Graphitfolie gewährleistet ist, insbesondere eine Rauhigkeit Rz von 0,5 bis 5 mm.
Vorteilhafterweise sind die einzelnen Wicklungen der Graphitfolienumhüllung derart eng gelegt, dass durch den Kontakt der Wicklungen untereinander eine große und dauerhafte Adhäsion zwischen den Wicklungen vorliegt. Die engen Wicklungen sind bevorzugt durch eine hohe Zugspannung auf die Graphitfolie bei einem Aufwickeln erzielt.
Dies gilt insbesondere in Kombination mit der Rauhigkeit der Mantelfläche des Kohlenstoffelektrodenkerns, die bei den engen Lagen der Graphitfolienwicklungen eine besonders hohe Adhäsion zwischen Mantelfläche und Kohlenstoff- elektrodenkern bewirkt.
Vorteilhafterweise ist wenigstens teilbereichsweise zwischen dem Kohlenstoffelektrodenkern und der Graphitfolie und/oder zwischen den Wickellagen der Graphitfolie ein geeignetes Haftmittel vorgesehen. Dadurch wird die Adhäsion noch verstärkt.
Als Haftmittel zwischen dem Kohlenstoffelektroden kern und der Graphitfolie sowie zwischen den Lagen der Graphitfolie eignen sich bevorzugt Haftmittel, welche auch noch bei hohen Temperaturen, also über 1000 0C, eine Haftwirkung zeigen. Hierzu gehören zum Beispiel Pech, Phenolharze, Furanharze, sowie andere Harze, die vorzugsweise eine hohe Kohlenstoffausbeute aufweisen, und siliciumorganische Verbindungen. Durch eine bevorzugte hohe Kohlenstoffausbeute wandelt sich das Haftmittel bei hohen Temperaturen in eine Haftschicht mit hohem Kohlenstoffgehalt und geringer Porosität um, die dadurch eine hohe Festigkeit und Lebensdauer besitzt.
Vorzugsweise ist das Haftmittel bei Temperaturen zwischen 160 und 200 0C, insbesondere bei etwa 180 0C ausgehärtet und bei Temperaturen zwischen 750 und 850 0C, insbesondere bei etwa 800 0C carbonisiert.
Dabei kann es auch sinnvoll sein, für die Haftung zwischen Kohlenstoffelektrodenkern und Graphitfolie ein anderes Haftmittel zu verwenden als für die Haf- tung zwischen den Lagen der Graphitfolie.
Dem Haftmittel können diverse Zusatzstoffe und Lösungsmittel, Oxidations- schutzmittel und Verstärkungsmaterialien beigemischt sein. Vorteilhafterweise sind Additive zugemischt, welche den Verbund innerhalb der Graphitfolie ver- bessern. Hierzu zählen auch Kohlenstoff- oder Graphitpulver.
Die Wirkung der Adhäsionskräfte gegenüber den im Ofenbetrieb erzeugten thermomechanischen Kräften ist jedoch nur begrenzt. Allerdings kommt es überraschenderweise im Ofenbetrieb dennoch nicht zum Zerreißen der Umhüllung aus Graphitfolie. Dies wäre zu erwarten, denn der Kohlenstoffelektrodenkern dehnt sich beim Erhitzen in radialer Richtung aus, die Graphitfolie jedoch in ihrer Hauptebene praktisch nicht. Sie erfährt jedoch in ihrer Dickenrichtung eine starke Dehnung. Aufgrund dieser Ausdehnungsverhältnisse sind mechanische Spannungen zu erwarten, die ein Zerreißen der Umhüllung aus Graphitfolie be- wirken. Dies ist überraschenderweise jedoch nicht der Fall. Vermutlich bewirkt die Kompressibilität der Graphitfolie einen Ausgleich der thermomechanischen Kräfte, wodurch ein Einsatz der erfindungsgemäßen Kohlenstoffelektrode bei hohen Temperaturen erst möglich wird.
Das Haftmittel kann sowohl zwischen Kohlenstoffelektrode und Graphitfolie als auch zwischen allen Wicklungen der Graphitfolie eingebracht sein. Alternativ ist das Haftmittel nur teilbereichsweise eingebracht. Es kann beispielsweise vorteilhafterweise nur auf der ersten Wickellage und/oder der letzten Wickellage der Graphitfolie aufgebracht sein. Dies bewirkt eine hohe mechanische innere Stabilität der Umhüllung bei gleichzeitig geringem Materialaufwand an Haftmittel.
Es hat sich auch gezeigt, dass man alternativ auf den Einsatz eines Haftmittels zwischen Kohlenstoffelektrodenkern und der Graphitfolie verzichten kann, insbesondere wenn die Manteloberfläche des Kohlenstoffelektrodenkerns eine Rauhigkeit Rz von 0,5 bis 10 mm aufweist. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist der gezielte Verzicht der bislang üblichen mechanischen Glättung der Manteloberfläche der Kohlenstoffelektrode, so dass Kohlenstoffelektroden ab Werk mit ihrer herstellungsbedingten Rauhigkeit eingesetzt werden können. Umgekehrt kann jedoch bei Bedarf die Manteloberfläche der Kohlenstoffelektrode gezielt mechanisch aufgeraut werden, sowie können gezielt Vertiefungen, wie etwa Rillen oder Aussparungen, oder andere Gestaltungselemente in die Manteloberfläche eingebracht werden, welche für die weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dienlich sind. Dies kann auch ein geschnittenes Gewinde oder eine Rändelung sein, so dass vorteilhafterweise herkömmliche Bearbeitungsverfahren eingesetzt werden können.
Speziell für die Ausführungsformen, in denen die Elektrodenkern-Mantelfläche nur teilbereichsweise von der Graphitfolie bedeckt ist, ist das Vorsehen von Vertiefungen in der Elektrodenkern-Mantelfläche bevorzugt, welche insbesondere ein Verrutschen der Graphitfolie verhindern.
Ein Verbund von Wickellagen der Graphitfolie untereinander und/oder mit dem Kohlenstoffelektrodenkern kann vorteilhafterweise auch mit mindestens einem mechanischen Befestigungsmittel, wie insbesondere Spießblech, Klammern oder Nägeln bewirkt sein. Besonders bevorzugt sind Metallklammern. Diese lassen sich ohne großen Aufwand in die Graphitfolie bzw. durch die Graphitfolie hindurch in den Elektroden kern einbringen. Überraschenderweise sind die
Klammern mechanisch sehr gut im Elektrodenkern verankert und zerstören darüber hinaus unerwarteterweise nicht die Graphitfolie. Die Graphitfolie kann abhängig von Einsatzzweck und Geometrie der zu umhüllenden Kohlenstoffelektrode aus unterschiedliche Dichten und Dicken ausgewählt sein. Wenn keine weiteren Additive und/oder Verstärkungsmaterialien zum Einsatz kommen, liegt die Dichte der verwendeten Graphitfolie bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 bis 1 ,8 g/cm3. Deren Dicke liegt zwischen 50 μm und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 1 ,5 mm. Bei Einsatz von Additiven und/oder Verstärkungsmaterialien können sich Dichte und Dicke entsprechend ändern.
Die mechanische Stabilität von Graphitfolie gegen mechanische Einwirkungen, wie die von Chargiergut, lässt sich durch die Einbettung von Verstärkungseinlagen beispielsweise aus Metall, wie Blech oder Folie, als Sandwich innerhalb einer Lage Graphitfolie oder zwischen Graphitfolien-Lagen vergrößern. Die Verstärkungseinlagen können Spießblech, Streckblech, Klettblech oder Glattblech aufweisen.
Bevorzugt werden Schichtverbundwerkstoffe aus mehreren nur einige hundert μm starken Graphitfolien, zwischen denen Metalleinlagen eingebettet sind, eingesetzt.
Die Graphitfolie kann durch gewebte oder nicht-gewebte Fasermatten oder
Netze insbesondere aus Kunststofffasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Metallfasern oder Kombinationen daraus verstärkt sein. Bevorzugt kommen Fasernetze mit Maschenweiten zwischen 1 und 5 cm zum Einsatz.
Daneben oder zusätzlich können auch andere, lose Verstärkungsmaterialien, wie etwa Fasern, zur Verwendung kommen. Diese erhöhen außerdem vermutlich aufgrund von Kapillareffekten eine saugende Wirkung auf Flüssigkeiten, wie flüssige Harze, so dass mit diesen eine innigere Verbindung erzielbar ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn gemäß einer Ausführungsform der Erfindung imprägnierte Graphitfolie eingesetzt wird. Auch führt dieser Effekt insbesondere bei der Verwendung von Harz als Haftmittel zu besonders innigen und stabilen Verbindungen einzelner Wickellagen der Graphitfolie untereinander und/oder zum Elektrodenkern. Es kann für bestimmte Anwendungen auch vorteilhaft sein, dass innerhalb mindestens einer Wicklung aus Graphitfolie kein Elektrodenkern vorgesehen ist, sondern die Kohlenstoffelektrode selbst im Wesentlichen aus einer aufge- wickelten Graphitfolie gebildet ist. Derartige Kohlenstoffelektroden können beispielsweise für den Einsatz in kleinen Öfen, wie Versuchsöfen, von Vorteil sein. Dort müssen keine Elektroden durch Nippel, d.h. Verbindungsstücke, zu einem längeren Elektrodenstrang verbunden werden, was bei erfindungsgemäßen Kohlenstoffelektroden ohne Kohlenstoffelektrodenkern nicht oder nur schwer möglich wäre.
Weitere Ausbildungen, wie Merkmale der Graphitfolie selbst, eventuelle Zusatzstoffe und Verstärkungsmaterialien, können wie für die Kohlenstoffelektrode mit Kohlenstoffelektrodenkern beschrieben auf die Kohlenstoffelektrode ohne Kern übertragen werden, und sollen hier als offenbart gelten, ohne dass diese im Einzelnen aufgezählt werden. Dies betrifft selbstverständlich nicht Ausbildungen, für die ein Kern erforderlich ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffelekt- rode wird eine Graphitfolie aufgewickelt.
Soll die herzustellende Kohlenstoffelektrode einen Kern aufweisen, wird die Graphitfolie auf einen Kohlenstoffkern aufgewickelt. Soll die herzustellende Kohlenstoffelektrode im Wesentlichen allein aus aufgewickelter Graphitfolie be- stehen, kann vorteilhafterweise ein temporärer Wickelkern verwendet werden, der sich nach dem Wickelvorgang entfernen lässt. Dieser Wickelkern ist vorteilhafterweise so dünn, dass sich nach seinem Entfernen kein nennenswerter Hohlraum ergibt. Geeignet ist beispielsweise ein Metalldraht. Der sich ergebende Hohlraum lässt sich vorteilhafterweise mit einem Harz, das eine hohe Kohlenstoffausbeute aufweist, verschließen oder füllen. Bei einer anschließenden Temperaturbehandlung wird das Harz zumindest größtenteils in Kohlenstoff umgewandelt, so dass sich eine geschlossene Kohlenstoffelektrode ergibt. Alternativ kann aus einem Ende der aufzuwickelnden Graphitfolie beispielsweise durch mehrfaches Knicken ein Wickelkern aus der Graphitfolie selbst erzeugt werden, um den dann die Graphitfolie weiter aufgewickelt wird. Eine derartige Elektrode wird in diesem Zusammenhang jedoch auch als kernlose Kohlenstoff- elektrode aufgefasst.
Vorteilhafterweise werden Verstärkungsmittel in die Umhüllung mit eingebracht.
Generell können die Verstärkungsmittel zunächst durch Kalandrieren zwischen zwei Graphitfolien-Lagen eingebracht werden oder erst bei der Umwicklung des Kohlenstoffelektrodenkerns auf die Graphitfolie als zusätzliche Schicht aufgebracht werden, die dann während des Wickelvorgangs zwischen zwei Graphitfolien-Lagen eingelagert wird.
Ein Haftmittel kann auf den Kohlenstoffelektrodenkern sowie die Graphitfolie beispielsweise durch bekannte Verfahren wie Sprühen, Streichen oder Rakeln auf den Elektroden kern und/oder die Graphitfolie aufgebracht werden. Das Haftmittel wird bevorzugt bei leicht erhöhten Temperaturen ausgehärtet, bevorzugt zwischen 150 und 200 0C, insbesondere zwischen 160 und 190 0C. Das Haftmittel kann darüber hinaus bei Bedarf durch Pyrolyse carbonisiert werden, bevorzugt bei Temperaturen zwischen 600 und 900 0C, insbesondere zwischen 750 und 850 0C. Zu diesem Zweck wird die gesamte Kohlenstoffelektrode vor ihrem Einsatz aufgeheizt. Die Schritte des Aushärtens und Carbonisierens können aber auch erst beim Einsatz der Kohlenstoffelektrode im Schmelzofen statt- finden.
Das Haftmittel kann durch Unterbrechen des Beschichtungsschritts auch nur auf die erste und letzte Wickellage der Graphitfolie aufgetragen werden oder sonst nach vorteilhaften Mustern aufgetragen werden.
Desgleichen kann man auf Haftmittel zwischen den Wickellagen der Graphitfolie verzichten, wenn man Graphitfolien mit geringer Dichte, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,7 und 1 ,0 g/cm3, verwendet, welche während des Wickelvor- gangs mechanisch verdichtet werden. Hierdurch erfolgt eine mechanische Verzahnung der einzelnen Lagen der Graphitfolie. Die mechanische Verdichtung kann durch Rundhämmern oder bevorzugt durch Kalandrieren der Graphitfolie mithilfe der Kohlenstoffelektrode selber erreicht werden. Hierbei dient die Koh- lenstoffelektrode, auf die die Graphitfolie gerade aufgewickelt wurde, als eine Kalanderwalze, welche mit mindestens einer weiteren herkömmlichen Gegenwalze korrespondiert.
Ein Oxidationsschutzmittel lässt sich in die Graphitfolie bereits während ihrer Herstellung einbringen oder kann nachträglich auf die Folie aufgebracht werden. Vorteilhafterweise ist ein solcher Schritt des Aufbringens in das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Kohlenstoffelektrode integriert. Das Aufbringen kann beispielsweise durch bekannte Verfahren wie Sprühen, Streichen oder Rakeln auf den Elektrodenkern und/oder die Graphitfolie durchgeführt wer- den.
Das Aufbringen der Folie auf den Elektrodenkern erfolgt bevorzugt durch Auflegen der Graphitfolie mittels eines Niederhalters und anschließende kontrollierte Drehung des Elektroden kern um die eigene Achse, wobei die Graphitfolien-Rol- Ie, von der die verwendete Graphitfolie abgerollt wird, vorzugsweise kontrolliert nachjustiert wird. Die Graphitfolie steht dabei bevorzugt unter Zugspannung, wobei vorteilhafterweise Zugspannungen von 0,1 bis 10 MPa, insbesondere von 1 bis 5 MPa, angelegt werden. Die Zugspannung wird beispielsweise dadurch erzielt, dass die Graphitfolie von einer gebremsten Rolle abgewickelt wird. Die Wicklung der Graphitfolie kann rechtwinklig zur Elektrodenachse und/oder diagonal dazu erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Graphitfolie vor Ort im Elektrostahl- werk direkt am Elektrodenstrang auf die Kohlenstoffelektrode aufgewickelt.
Neben den oben bereits genannten Vorteilen der hier beschriebenen Erfindung ergeben sich noch weitere Vorteile für den Einsatz der Elektroden insbesondere für die Effizienz der Stahlschmelze. Zum einen wird durch die hohe Anisotropie der Graphitfolie der Strom besser entlang des Elektrodenstranges geleitet, wodurch die Effizienz des Schmelzprozesses weiter gesteigert wird. Da Strom bevorzugt durch Gebiete niedrigen elektrischen Widerstands fließt, stellt die Graphitfolienumhüllung den bevorzugten Strompfad dar. Somit ist durch die Aus- prägung der Umhüllung mit Graphitfolie auch die Temperaturverteilung in der erfindungsgemäßen Kohlenstoffelektrode gezielt einstellbar und positiv beeinflussbar.
Zum anderen wird durch die Kompressibilität der Graphitfolie der elektrische Kontakt zwischen der Elektrode und einem Tragarm, der die Elektrode hält, deutlich verbessert.
Darüber hinaus kann in Kombination mit der geringeren Dichte der Graphitfolie gegenüber herkömmlichen Kohlenstoffelektroden mit kleineren und leichteren Elektroden gearbeitet werden, was den betreffenden Handhabungs-Aufwand am Ofen sowie beim Transport dorthin minimiert. Dies gilt insbesondere für kernlose Kohlenstoffelektroden, deren Körper im Wesentlichen aus Wicklungen von Graphitfolie gebildet ist. Durch das Verhältnis von Graphitfolienanteil zu Kohlenstoffelektrodenanteil ist gezielt die mittlere Dichte der Kohlenstoffelektrode einstellbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen anhand einer Figur beschrieben. Die einzige
Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kohlenstoffelektrode.
Eine erfindungsgemäße Kohlenstoffelektrode 1 wurde folgendermaßen hergestellt: Graphitfolie 2 SIGRAFLEX F02012Z der Firma SGL Technologies GmbH (Dicke 0,20 mm, Dichte 1 ,2 g/cm3) mit einer Breite von je 1 m wurde auf eine 1 m lange Stange als Kohlenstoffelektroden kern 3 mit einem Durchmesser von 25 mm aus extrudiertem Graphit gewickelt. Die Graphitstange 3 wurde dabei mit 14 U/min auf einer Wickelmaschine um die eigene Achse gedreht, und zog so die Graphitfolie 2 von einer gebremsten Rolle. Die Zugspannung wurde mit 1 MPa eingestellt. Bevor die Graphitfolie 2 den Elektrodenkern 3 erreichte, wurde sie mit Phenolharz Norsophen 1203 der Firma Bakelite als Haftmittel gleichmäßig besprüht. Das Flächengewicht des Harzes betrug ca. 10 g/m2. Der Wickelprozess wurde beendet, als die Kohlenstoffelektrode 1 einen Durchmesser von 50 mm erreicht hatte, somit eine Umhüllung 8 aus Graphitfolie mit einer Dicke von 12,5 mm erzielt wurde. Das Haftmittel wurde bei 180 0C ausgehärtet und bei 800 0C carbonisiert. Die Elektrode 1 wurde an ihren Endflächen 7 anschließend um jeweils 1 cm gestutzt, so dass die endgültigen Elektrodendimen- sionen L = 980 mm und D = 50 mm betrugen.
Als Referenzelektroden wurden Graphitelektroden mit den gleichen Dimensionen aus extrudiertem Graphit ohne Graphitfolienumhüllung verwendet.
Die erfindungsgemäß hergestellten Elektroden und Referenzelektroden wurden in einem kleinen Lichtbogenofen zur Elektrostahlerzeugung mit einer Leistung von 96 kVA, einem Durchmesser von 20 cm und einer Höhe von 50 cm getestet. Es wurde eine Schmelze aus 2,0 kg Stahlschrott und 0,35 kg Schlacke (CaO- Siθ2) eingesetzt; der Ofen wurde für 2 h mit 10 bis 15 kW Leistung betrieben. Anschließend wurden die Elektroden gesäubert und vermessen. Aus den Änderungen der Elektrodengeometrie und der Elektrodenmasse wurde die Längenänderung bzw. der Massenverlust pro Stunde berechnet. Beide Kennzahlen zeigten einen geringeren Elektrodenverbrauch der erfindungsgemäßen Ausführung. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1 :
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In einem zweiten Beispiel wurden zwei Elektrodenkerne 3 aus extrudiertem Graphit mit Durchmesser 450 mm und Länge 1200 mm mit Graphitfolie SIGRAFLEX F04212Z der Firma SGL Technologies GmbH (Breite 1 ,3 m, Dicke 0,42 mm, Dichte 1 ,2 g/cm3) umwickelt. Die extrudierten Elektrodenkerne 3 waren nicht mechanisch nachbehandelt, so dass sie eine Oberflächenrauhigkeit von Rz = 5 mm aufwiesen. Beide Elektrodenkerne 3 waren jeweils an beiden Enden mit einer Nippelschachtel 4 versehen. Dies ermöglicht die Verbindung mit anderen Elektroden 1 mit einer üblichen Verbindungstechnik mit so genannten Graphit- nippein 5 als Verbindungsstücken. Zum Umwickeln mit Graphitfolie 2 wurden beide extrudierten Elektrodenkerne 3 dabei mit 10 U/min auf einer Wickelmaschine um die eigene Achse gedreht, und zogen so die Graphitfolie 2 von einer gebremsten Rolle. Die Zugspannung wurde mit 2 MPa eingestellt. Bevor die Graphitfolie 2 den Elektrodenkern 3 erreichte, wurde sie über Fellrollen mit Phenolharz Norsophen 1203 der Firma Bakelite als Haftmittel bei ihrer ersten und ihrer letzten Wicklung beschichtet. Das Flächengewicht des Harzes betrug ca. 12 g/m2. Der Wickelprozess wurde beendet, als die Elektrode 1 einen Durchmesser von 550 mm erreicht hatte. Vorteilhaft kann der Wickelprozess auch bereits nach Aufwickeln von lediglich einer Wicklung beendet werden, wobei das Ende der Graphitfolie 2 aber zumindest seinen Anfang überlappt, um den Kohlenstoffelektrodenkern 3 vollständig vor Oxidation zu schützen. Das Haftmittel wurde bei 150 0C ausgehärtet und bei 900 0C carbonisiert. Die Graphitfolie 2 wurde anschließend auf eine Länge von 1202 mm gekürzt, so dass die Graphitfolie 2 an beiden Enden jeweils um 1 mm über die Endflächen 7 der ex- trudierten Kerne 3 überstand.
Um die Handhabbarkeit der Elektroden 1 zu testen, wurden sie auf einem Prüfstand mit Hilfe eines Graphitnippels 5 verschraubt. Dabei konnte ein Anzugsmoment von 3500 Nm aufgebracht werden. Dadurch wurde die über die Endflächen 7 der extrudierten Kerne 3 überstehende Graphitfolie 2 so weit gestaucht, dass sich die beiden Endflächen 7 der Kerne 3 berührten.
In einem dritten Beispiel wurden Elektrodenkerne 3 aus extrudiertem Graphit mit Durchmesser 545 mm und Länge 1400 mm mit Graphitfolie SIGRAFLEX F05011APX (Breite 1 ,3 m, Dicke 0,50 mm, Dichte 1 ,1 g/cm3, oxidationsge- schützt) umwickelt. In die Elektrodenkerne 3 war ein Gewinde mit einer Tiefe von 0,8 mm geschnitten, das eine gezielte Oberflächenrauhigkeit ergab. Zum Umwickeln mit Graphitfolie 2 wurde der Elektroden kern 3 dabei mit 20 U/min auf einer Wickelmaschine um die eigene Achse gedreht, und zog so die Graphitfolie
2 von einer gebremsten Rolle. Die Zugspannung wurde mit 0,5 MPa eingestellt. Es wurde kein Haftmittel aufgetragen. Nachdem die Graphitfolie 2 den Elektrodenkern 3 erreichte, wurde sie durch handelsübliche Metallklammern mit Hilfe eines druckluftbetriebenen Tackers auf dem extrudierten Kern 3 befestigt. Die Klammern wurden zickzackförmig über die Mantelfläche 6 des Elektrodenkerns
3 verteilt, wobei der Abstand der Klammern voneinander in axialer Richtung ca. 10 cm betrug und in radialer Richtung ca. 15 cm. Der Wickelprozess wurde beendet, als die Elektrode 1 einen Durchmesser von 558 mm erreicht hatte. Die Graphitfolie 2 wurde anschließend auf eine Länge von 1400 mm gekürzt, so dass sie an beiden Enden in Längsrichtung der Elektrode 1 bündig mit den Endflächen 7 des extrudierten Kerns 3 abschloss. Da kein Haftmittel verwendet wurde, konnte auf die Schritte des Aushärtens und Carbonisierens verzichtet werden.
In einem vierten Beispiel wurden ein Elektrodenkern 3 aus extrudiertem Graphit mit Durchmesser 456 mm und Länge 2200 mm mit Graphitfolie SIGRAFLEX F0501 1APX (Breite 2,5 m, Dicke 0,50 mm, Dichte 1 ,1 g/cm3, oxidationsge- schützt) umwickelt. In den Elektroden kern 3 war ein Gewinde mit einer Tiefe von 0,8 mm geschnitten, das eine gezielte Oberflächenrauhigkeit ergab. Zum Umwickeln mit Graphitfolie 2 wurde der Elektroden kern 3 mit 20 U/min auf einer Wickelmaschine um die eigene Achse gedreht, und zog so die Graphitfolie 2 von einer gebremsten Rolle. Die Zugspannung wurde mit 0,5 MPa eingestellt. Als Haftmittel wurde eine dünne Schicht Phenolharz aufgetragen. Der Wickelprozess wurde beendet, als die Elektrode 1 einen Durchmesser von 458 mm erreicht hatte. Die Graphitfolie 2 wurde anschließend auf eine Länge von 2200 mm gekürzt, so dass sie an beiden Enden in Längsrichtung der Elektrode 1 bündig mit den Endflächen 7 des extrudierten Kerns 3 abschloss. Das Haftmittel wurde bei 150 0C für 3 h ausgehärtet. Die erfindungsgemäß hergestellte Elektrode und zwei Referenzelektroden wurden in einem Lichtbogenofen (Pfannenofen) ohne Wasserkühlung der Elektroden getestet. Dabei wurde die erfindungsgemäß hergestellte Elektrode in einem Elektrodenstrang zwischen den zwei Referenzelektroden montiert. Der Masseverlust der erfindungsgemäß hergestellten Elektrode war im Vergleich zu den Referenzelektroden um ca. 10 % verringert.
In einem fünften Beispiel wurden ein Elektroden kern 3 aus extrudiertem Graphit mit Durchmesser 454 mm und Länge 2200 mm mit Graphitfolie SIGRAFLEX F0501 1APX (Breite 2,5 m, Dicke 0,50 mm, Dichte 1 ,1 g/cm3, oxidationsge- schützt) umwickelt. In Oberfläche des Elektrodenkerns 3 war glatt bearbeitet. Zum Umwickeln mit Graphitfolie 2 wurde der Elektrodenkern 3 mit 20 U/min auf einer Wickelmaschine um die eigene Achse gedreht, und zog so die Graphitfolie 2 von einer gebremsten Rolle. Die Zugspannung wurde mit 0,5 MPa eingestellt. Als Haftmittel wurde eine dünne Schicht Phenolharz aufgetragen. Der Wickel- prozess wurde beendet, als die Elektrode 1 einen Durchmesser von 458 mm erreicht hatte. Die Graphitfolie 2 wurde anschließend auf eine Länge von 2200 mm gekürzt, so dass sie an beiden Enden in Längsrichtung der Elektrode 1 bündig mit den Endflächen 7 des extrudierten Kerns 3 abschloss. Auf das Aushärten des Haftmittels bei erhöhter Temperatur wurde verzichtet. Die erfindungsgemäß hergestellte Elektrode und Referenzelektroden wurden in einem Lichtbogenofen (Pfannenofen) ohne Wasserkühlung der Elektroden getestet. Dabei wurde die erfindungsgemäß hergestellte Elektrode in einem Elektrodenstrang zwischen zwei Referenzelektroden montiert. Der Masseverlust der erfindungsgemäß hergestellten Elektrode war im Vergleich zu den Referenzelektroden um ca. 10 % verringert.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Kohlenstoffelektrode (1 ) mit einem Kohlenstoffelektroden kern (3), da- durch gekennzeichnet, dass um den Kohlenstoffelektrodenkern (3) wenigstens teilbereichsweise eine Umhüllung (8) mit einer Graphitfolie (2) vorgesehen ist.
2. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass um den Kohlenstoffelektrodenkern (3) in einem Längsrichtungsabschnitt des Kohlenstoffelektrodenkerns (3), in dem er eine Umhüllung (8) mit Graphitfolie (2) aufweist, im Wesentlichen am gesamten Außenumfang eine Umhüllung (8) mit einer Graphitfolie (2) vorgesehen ist.
3. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (8) mindestens eine Wickellage der Graphitfolie (2) aufweist, so dass sich die Graphitfolie (2) wenigstens teilbereichsweise selbst überlappt.
4. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Graphitfolie (2) wenigstens teilbereichsweise nicht selbst überlappt, so dass zwischen Enden der Graphitfolie (2) ein Zwischenraum vorliegt.
5. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (2) nur in einem Bereich der Elektrode (1 ), der unmittelbar an ein Elektrodenende angrenzt, aufgebracht ist.
6. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (2) über ein Ende des Elektrodenkerns (3) hinausragend aufgebracht ist.
7. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (6) des Kohlenstoffelektroden kerns (3) eine Oberflächenstruktur in Form einer Rauhigkeit, insbesondere mit Rz von 0,5 bis 10 mm, oder von Vertiefungen aufweist.
8. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffelektroden kern (3) eine Mantelfläche (6) eines unbearbeiteten extrudierten und graphi- tierten Kohlenstoffelektrodenkerns mit einer herstellungsbedingten Rauhigkeit Rz < 10 mm aufweist.
9. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens teilbereichsweise zwischen dem Kohlenstoffelektroden kern (3) und der Graphitfolie (2) und/oder zwischen den Wicklungen der Graphitfolie (2) ein Haftmittel vorgesehen ist.
10. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Haftmittel wenigstens ein Haftmittel aus einer Gruppe bestehend aus
Pech, Phenolharz, Furanharz, sowie anderen Harzen, die vorzugsweise eine hohe Kohlenstoffausbeute aufweisen, und siliziumorganischen Verbindungen ist.
1 1. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kohlenstoffelektrodenkern (3) und der Graphitfolie (2) und/oder zwischen Wicklungen der Graphitfolie (2) wenigstens ein mechanisches Befestigungsmittel, wie insbesondere Spießblech, Klammern oder Nägel, vorgesehen ist.
12. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder auf der Gra- phitfolie (2) wenigstens teilbereichsweise ein Oxidationsschutzmittel vorgesehen ist.
13. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsschutzmittel zumindest ein carbidbildendes Metall und/oder zumindest einen Glasbildner enthält.
14. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsschutzmittel Korngrößen aufweist, die im feinen Bereich mit dgo kleiner als 100 μm oder im Nanobereich mit dgo kleiner als 100 nm liegen.
15. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsschutzmittel eine Sub- stanz ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Silicium, Siliciumoxid,
Silicaten, Aluminosilicaten, MoSi2, Boraten, TiB2, Silanen, Silazanen, Phosphaten, ZnO2, Aluminium und Bor ist oder eine Kombination aus mindestens zwei dieser Substanzen.
16. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Graphitfolie (2) bezogen auf Graphitfolie (2) ohne Additive und/oder Verstärkungsmaterialien im Bereich zwischen 0,5 bis 1 ,8 g/cm3 und deren Dicke zwischen 50 μm und 3 mm, insbesondere zwischen 0,1 bis 1 ,5 mm liegt.
17. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Lage Graphitfolie (2) oder zwischen Graphitfolien-Lagen Verstärkungseinlagen eingebettet sind.
18. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinlagen Metall, wie Blech oder Folie, insbesondere Spießblech, Streckblech, Klettblech oder Glattblech aufweisen.
19. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinlagen gewebte oder nicht-gewebte Fasermatten oder Netze insbesondere aus Kunststofffasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Metallfasern oder Kombinationen aufweisen.
20. Kohlenstoffelektrode (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Graphitfolie (2) lose Ver- Stärkungsmaterialien, wie etwa Fasern, eingebettet sind.
21. Elektrodenstrang, insbesondere für den Einsatz in einem Lichtbogenofen, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens zwei Kohlenstoffelektroden (1 ) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20 zusammen- gesetzt ist.
22. Kohlenstoffelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Wesentlichen aus Wicklungen einer Graphitfolie (2) gebildet ist.
23. Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffelektrode (1 ), insbesondere gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Graphitfolie (2) aufgewickelt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphit- folie (2) unter Zugspannung, insbesondere zwischen 0,1 und 10 MPa, aufgewickelt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Haftmittel auf den Kohlenstoffelektrodenkern (3) und/oder auf die Graphit- folie (2) insbesondere durch einen Verfahrensschritt wie Sprühen,
Streichen oder Rakeln aufgebracht wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Haftmit- tel insbesondere bei Temperaturen zwischen 150 und 200 0C ausgehärtet und/oder insbesondere bei Temperaturen zwischen 600 und 900 0C car- bonisiert wird.
27. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Graphitfolie (2) geringer Dichte, insbesondere zwischen 0,5 und 1 ,0 g/cm3, bezogen auf reines Graphitfolienmaterial ohne Additive und Verstärkungsmaterial, verwendet wird, die während des Wickelvorgangs mechanisch verdichtet wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verdichtung durch Rundhämmern oder Kalandrieren erzielt wird.
29. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Graphitfolie (2) verwendet wird, in der und/oder auf der zumindest ein Zusatzstoff, wie Oxidationsschutzmittel oder Lösungsmittel, Additiv, das den Verbund innerhalb der Graphitfolie verbessert, wie Kohlenstoff- oder Graphitpulver, oder Verstärkungsma- terial vorliegt.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Zusatzstoffe in einem Schritt des Verfahrens auf die Graphitfolie insbesondere durch ein Verfahren wie Sprühen, Streichen oder Rakeln auf die Graphitfolie aufgebracht wird.
31. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass doppelte Graphitfolien-Lagen aufgewickelt werden, zwischen denen Verstärkungsmittel eingebracht sind.
32. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungsmittel während des Umwickeins des Kohlenstoffelektrodenkerns (3) mit Graphitfolie (2) als zusätzliche Schicht aufgewickelt werden.
33. Verwendung einer insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 23 bis 32 hergestellten Kohlenstoffelektrode (1 ), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 und 22, für eine Elektrode für einen Lichtbogenschmelzofen.
34. Verwendung eines Elektrodenstrangs gemäß Anspruch 21 als Elektrode für einen Lichtbogenschmelzofen.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8923360B2 (en) 2010-07-01 2014-12-30 Graftech International Holdings Inc. Graphite electrodes

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108184279A (zh) * 2017-12-28 2018-06-19 湖南博溥立材料科技有限公司 一种电弧炉石墨电极

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0092649A2 (de) * 1982-04-28 1983-11-02 C. CONRADTY NÜRNBERG GmbH & Co. KG Verfahren zur Aufbringung eines Graphit und Kunstharz enthaltenden pulverförmigen Materials auf eine mit einem metallischen Überzug versehene Kohlenstoffelektrode, insbesondere Graphitelektrode
DE3442316A1 (de) * 1984-11-20 1986-05-22 Sigri GmbH, 8901 Meitingen Verbindung von graphit- und kohlenstoffelektroden
WO2005074325A1 (en) * 2004-01-20 2005-08-11 Ucar Carbon Company Inc. End-face seal for graphite electrodes
US20060291524A1 (en) * 2004-01-20 2006-12-28 Brian Bowman Joint strengthening ring for graphite electrodes

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1000761A (en) 1910-09-06 1911-08-15 Nat Carbon Co Process of applying protecting-glaze to carbon electrodes.
DE576938C (de) 1930-09-05 1933-05-19 Siemens Planiawerke Akt Ges Fu Verfahren zum Schutz der Elektroden elektrischer OEfen gegen Abbrand
DE1271007B (de) 1962-04-16 1968-06-20 Metalurgitschen Zd Lenin Verfahren zum Schutze von Kohlenstoffmaterialien vor Oxydation
DE3028348C2 (de) 1980-07-25 1985-05-15 C. Conradty Nürnberg GmbH & Co KG, 8505 Röthenbach Kohlenstoffelektrode für Lichtbogenöfen
EP0200983A3 (de) 1981-06-26 1989-01-04 Foseco International Limited Protektion von Graphitelektroden
DE3446286A1 (de) 1984-12-19 1986-06-19 Sigri GmbH, 8901 Meitingen Verfahren zum beschichten von kohlenstoff- und graphitkoerpern
JPH0795474B2 (ja) 1987-03-17 1995-10-11 日本カ−ボン株式会社 電気ア−ク製鋼等金属の溶解および精錬法ならびにそれに供する電極冷却装置
US7276284B2 (en) 2003-12-18 2007-10-02 Sgl-Carbon Ag Carbon fiber reinforced coke from the delayed coker

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0092649A2 (de) * 1982-04-28 1983-11-02 C. CONRADTY NÜRNBERG GmbH & Co. KG Verfahren zur Aufbringung eines Graphit und Kunstharz enthaltenden pulverförmigen Materials auf eine mit einem metallischen Überzug versehene Kohlenstoffelektrode, insbesondere Graphitelektrode
DE3442316A1 (de) * 1984-11-20 1986-05-22 Sigri GmbH, 8901 Meitingen Verbindung von graphit- und kohlenstoffelektroden
WO2005074325A1 (en) * 2004-01-20 2005-08-11 Ucar Carbon Company Inc. End-face seal for graphite electrodes
US20060291524A1 (en) * 2004-01-20 2006-12-28 Brian Bowman Joint strengthening ring for graphite electrodes

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8923360B2 (en) 2010-07-01 2014-12-30 Graftech International Holdings Inc. Graphite electrodes
US9253827B2 (en) 2010-07-01 2016-02-02 Graftech International Holdings, Inc. Graphite electrodes
US9497804B2 (en) 2010-07-01 2016-11-15 Graftech International Holdings Inc. Graphite electrode

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