Elektrode für Lichtbogenöfen

Abstract

 Elektroden für Lichtbogenöfen aus einem oberen Abschnitt (5) aus Metall und einem ersetzbaren, unteren Abschnitt (6) aus sich ggf. nur langsam verbrauchendem Material, die eine im wesentlichen zylindrische Form aufweisen und durch einen Schraubnippel (1) oder dergleichen miteinander verbunden sind, wobei der obere Abschnitt eine Flüssigkeits-Kühleinrichtung mit einem Vorlaufkanal (2) und einem Rücklaufkanal (3) aufweist und der obere Abschnitt (5) vorzugsweise in dessen unteren Bereich durch eine hochtemperaturfeste, isolierende Beschichtung geschützt ist, die ein lösbar aufgesetztes Formteil- darstellt. Zwischen dem isolierenden Formteil und dem oberen Abschnitt geringeren Durchmessers kann eine elektrisch leitende, hochtemperaturbeständige Zwischenschicht vorgesehen sein. Die Elektroden besitzen geringere Störanfälligkeit, Notlaufeigenschaften, hohe mechanische Beanspruchbarkeit und sind reperaturfreundlich.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Lichtbogenöfen aus einem oberen Abschnitt aus Metall und einem ersetzbaren unteren Abschnitt aus sich verbrauchenden oder nur langsam sich verbrauchendem Material, die eine im wesentlichen zylindrische Form aufweisen und durch einen Schraubnippel oder dergleichen miteinander verbunden sind, wobei der obere Abschnitt eine Flüssigkeits-Kühleinrichtung mit einem Vorlaufkanal und einem _Rücklaufkanal aufweist und der obere Abschnitt vorzugsweise in dessen unteren Bereich durch eine hochtemperaturfeste, isolierende Beschichtung geschützt ist.

[0002] Derartige Elektroden sind bereits aus der BE-PS 867 876 bekannt. Bei den dort beschriebenen Elektroden ist der Metallschaft, der das Kühlsystem enthält, durch eine aussenliegende hochtemperaturbeständige Masse überzogen. Hierbei handelt es sich offensichtlich um eine kontinuierliche.Beschichtung, zu deren Haftungsverbesserung Haken im Metallschaft eingezogen sind.

[0003] Ähnliche Elektroden sind auch aus der GB-PS 1 223 162 bekannt, bei denen der gesamte.Metallschaft mit einer schützenden keramischen Beschichtung beaufschlagt ist. Nach dieser Lösung wird darauf geachtet, dass die keramische Beschichtung in möglichst geringer Stärke vorliegt und auch in den Metallschaft selbst zur Isolierung der dort laufenden Rohre zu erheblichem Anteil eindringt. Diese Rohre stellen gleichzeitig die Kühlwasserführung als auch die elektrische Verbindung zu dem Verbrauchselektrodenteil aus Graphit dar.

[0004] Schliesslich ist in der europäischen Patentanmeldung 79302809.3 eine Elektrode beschrieben, bei der der seitlich aussenliegende metallische Kontakt des Metallschaftes gegenüber dem innenliegenden metallischen Kühlungssystem isolierend gelagert ist. Im unteren Teil des metallischen _Küh- lungsschaftes ist dann wiederum eine mit Haken gesicherte keramische Beschichtung vorgesehen, die sich bis auf etwa die Höhe der Schraubnippelverbindung erstreckt.

[0005] Elektroden für Lichtbogenöfen sind starker Beanspruchung ausgesetzt. Diese erklärt sich aus den hohen Arbeitstemperaturen, z.B. bei der Elektrostahlherstellung, bei der solche Elektroden am häufigsten eingesetzt werden. Durch den Lichtbogen, der nur im Idealfall an der unteren Elektrodenspitze in die Schmelze führt, ergeben sich auch Verluste durch Seitenoxidation. Schliesslich besteht die Gefahr der Wanderung oder der seitlichen Ansetzung des Lichtbogens, die im Störungsfall auch oberhalb des Verbrauchsteiles erfolgen kann und zu Kurzschlüssen führt. Darüber hinaus sind die Elektroden unterschiedlichen Temperaturen im Vorlauf und Rücklauf des Kühlmittels sowie im Bereich des Verbrauchsteiles gegenüber der Stromzuführungs- und Kühlungseinheit unterworfen. Eine besonders gefährdete Stelle stellt hierbei der Bereich des Schraubnippels dar. Beim Einfahren der Elektroden, durch Siedeverzüge und in die Schmelze einrutscherde Schrotteile, ergeben sich zusätzlich erhebliche mechanische Belastungen.

[0006] Aufgrund der hohen Beanspruchung der Elektroden bedürfen diese der ständigen Verbesserung. Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Elektroden hoher Arbeitssicherheit mit geringem Strom- und Spannungsabfall in der Zuführung zu schaffen, die möglichst wenig störungsanfällig, aber auch herstellungs- und reparaturfreundlich sind. Die Elektroden sollen insbesondere im Falle der unerwünschten Verschiebung des Lichtbogens, selbst im Falle von Teilbeschädigungen eine Weiterführung des Elektrodenvorgangs in gegenüber herkömmlichen Elektroden verbesserter Weise gestatten..

[0007] Diese Aufgabe wird durch eine Elektrode der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die isolierende Beschichtung ein Formteil darstellt, das lösbar aufgesetzt ist.

[0008] Das hochtemperaturfeste, isolierende Formteil kann ein Einzelrohr darstellen. Es kann aber auch mit Vorteil eine Serie von Rohrabschnitten, Segmenten, Halbschalen oder dergleichen umfassen, die den unteren Bereich des oberen Abschnittes der Elektrode bis in den Bereich des Schraubnippels, gegebenenfalls darüber hinaus,umgeben. Das Material des isolierenden Formteils kann z.B. aus hochtemperaturfester Keramik bestehen, aber auch z.B. Graphit darstellen, das mit einem Coatinq beaufschlagt ist. Derartige isolierende, hochtemperaturfeste keramische oder andere Materialien sind bekannt..

[0009] Durch den Einsatz eines lösbar aufgesetzten Formteiles, insbesondere in Form einer Serie.von Rohrabschnitten, Segmenten oder Halbschalen wird eine Reihe von Vorteilen, auf die noch einzugehen ist, erzielt.

[0010] Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrode ist das isolierende Formteil zwischen einem unteren Teilbereich des oberen Abschnittes aus Metall und dem unteren, sich verbrauchenden Abschnitt derart angeordnet, dass die in Richtung der Elektrodenachse laufenden Aussenkanten des Formteiles und die des äusseren Bereiches des oberen Abschnittes aus Metall im wesentlichen zueinander bündig sind.

[0011] Bei der erfindungsgemässen Elektrode bestehen keine Einschränkungen im Hinblick auf das Gegenlager, auf dem das Formteil getragen ist. Es kann dies ein ebenfalls aus hochtemperaturbeanspruchbarem, isolierenden Material bestehendes Gegenstück, der Schraubnippel selbst, gegebenenfalls sogar ein Teil des Verbrauchsteiles selbst oder eine Kombination hiervon darstellen. Im allgemeinen wird jedoch das isolierende Formteil nicht allein auf dem Verbrauchsteil aufsitzen, sondern zumindest teilweise durch ein nicht-"verbrauchbares", hitzebeständiges, isolierendes Material getragen sein.

[0012] Die Lage des Formteiles kann naturgemäss bei der Herstellung der Elektrode in geeigneter Form gesteuert werden. In einer bevorzugten Form der erfindungsgemässen Elektrode kann das isolierende Formteil aber auch während des Betriebes der Elektrode, ohne dass die Elektrode aus dem Ofen geführt werden muss, durch in dem oberen Abschnitt vorgesehene Bohrungen mittels Stiften, Gewindeschrauben etc., auf das Gegenlager, z.B. durch die zusätzliche Vorsehung von Federn,gedrückt werden. Unabhängig von der Vorsehung von Bohrungen, Gewindeschrauben oder dergleichen, kann es aber auch vorteilhaft sein, das isolierende Formteil derart gleitend oder lose ge-. genüber dem Metallschaft aufzusetzen, dass bei Ausfall eines Teilsegmentes oder Abbruch des Einzelrohres, z.B. durch mechanische Beschädigung, die verbleibenden intakten Teilsegmente oder das Einzelrohr selbst nachzurutschen vermögen, bzw. in Richtung der Elektrcdenlängsachse beweglich sind.

[0013] Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrode ist darauf gerichtet, dass zwischen dem isolierenden, hochtemperaturfesten Formteil und dem innenliegenden Teil des Metallschaftes eine elektrisch leitende, hochtemperaturbeständige Zwischenschicht eingebracht ist. Analog zu dem aussenliegenden, isolierenden Formteil kann die elektrisch leitende Zwischenschicht ebenfalls ein Einzelrohr, aber auch eine Serie von Rohrabschnitten, Segmenten, Halbschalen oderdergl. darstellen. Anstelle von vorgeformten Formteilen kann jedoch auch elektrisch leitender, hochtemperaturfester Filz oder Gewebe als solche Zwischenschicht Anwendung finden. Für manche Anwendungszwecke der erfindungsgemässen Elektrode kann auch die elektrisch leitende Zwischenschicht aus einer Kombination einer Reihe von z.B. Rohrabschnitten mit hochtemperaturfestem Filz bzw. Gewebe bestehen. Der Einsatz von hochtemperaturfestem leitenden Filz bzw. Fasern, Vliesen oder Geweben ist insbesondere bei solchen Anwendungszwecken bevorzugt, wo die Elektrode im Betrieb mechanischen Erschütterungen oder Vibrationen ausgesetzt ist. Durch die Einbringung der Filze etc. können die aussenliegenden isolierenden Teile elastisch abgefangen werden, was zur zusätzlichen Stabilisierung der Elektrode beiträgt.

[0014] Soweit es auf eine extreme Sicherheitsauslegung der Elektrode ankommt, ist es noch zusätzlich möglich, den innenliegenden Metallschaft, der durch die elektrisch isolierende und die elektrisch leitende Beschichtung geschützt ist, zusätzlich mit einer hochbeanspruchbaren, leitenden dünnen Beschichtung zu beaufschlagen. Dies kann beispielsweise ein Keramik-Coating darstellen.

[0015] Die elektrisch leitende Zwischenschicht kann beispielsweise aus leitender Keramik, Graphit, keramischen, mineralischen oder Kohlenstoffasern, Geweben oder Filzen oder einer Kombination hiervor bestehen.

[0016] Je nach Anwendungszweck der Elektrode ist es möglich, sowohl das isolierende Formteil als auch die leitende Zwischenschicht auf Halterungen aufzusetzen, die vorzugsweise am Metall der inneren Kühlungseinheit angefügt sein können. Dies wird aber primär bei solchen Anwendungen der Elektroden in Betracht gezogen, wo es auf die freie Beweglichkeit bzw. das "Nachrücken" intakter (isolierender bzw. elektrisch leitender) Einzelsegmente im Falle der Beschädigung eines unterliegenden Segmentes nicht ankommt.

[0017] Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass das isolierende Formteil nicht den gesamten Bereich des zu schützenden Metallschaftes umfasst, wobei in einer Zone, wo mit geringerer Beanspruchung gerechnet werden kann, anstelle des weitergeführten Formteils eine isolierende, hochfeuerfeste Spritzmasse, die mit Haltestücken verankert ist, zum Einsatz kommt. Derartige isolierende Spritzmassen sind an sich bekannt, die mit Haltcstückcn, die z.B. angelötet werden, befestigt werden können.

[0018] Durch die erfindungsgemässen Elektroden wird eine Reihe von Vorteilen erzielt. Zunächst sind das isolierende Formteil wie auch die elektrisch leitende Beschichtung bei'der Herstellung einfach in gezielter Position einbringbar. Durch die Verwendung eines isolierenden, aussenliegenden Massivteiles kann die mechanische Beanspruchbarkeit verbessert werden. Dies ist insbesondere für Elektroden wichtig, die zur Herstellung von Elektrostahl zum Einsatz kommen. Durch das Eintauchen von Schrottteilen in die Schmelze kann es zu erheblichen Bewegungen der Schmelze mit entsprechender mechanischer Belastung kommen. Durch die Aufgliederung der isolierenden aber auch der leitenden Aussenzonen in Segmente ist es im Falle von Störungen bzw. Beschädigungen nicht erforderlich, die gesamte Elektroden auszutauschen, da der Schaden durch die Einbringung des entsprechenden Teilstücks ökonomisch und schnell behebbar ist. Durch die lose Aufsetzung des isolierenden Formteiles, aber auch der leitenden Beschichtung, soweit diese aus Formteilen gebildet ist, kommt es im Falle einer mechanischen oder anderweitigen Zerstörung untenliegender Schutzsegmente zu einem "automatischen" Nachgleiten der obenliegenden Segmente, was gegebenenfalls durch angebrachte Federn zusätzlich gesichert ist. Daher ist die Elektrode auch im Falle einer bereits erfolgten.Beschädigung weiterhin arbeitsfähig, da der am meisten gefährdete untenliegende Elektrodenbereich, der der Arbeitszone der Elektrode am nächsten liegt, durch das Nachgleiten intakter Elemente "automatisch" geschützt wird. Mechanische Erschütterungen durch einrutschende Schrottteile, Siedeverzüge etc., werden durch die federnde Lagerung der Isolierschicht im axialen Teil der Elektrode wie auch die Innenpolsterung der elektrisch leitenden Beschichtung aus Fasern, Kohlefilzen und Geweben etc. in besonders günstiger Weise abgefangen. <

[0019] Obwohl das isolierende Formteil bzw. die isolierende Beschichtung, wenn diese aus einer Serie von Einzelsegmenten, Halbschalen oder dergl. besteht, ein gewisses Spiel durch die Art der axialen wie auch die Innenabstützung besitzen kann, ergibt sich beispielsweise aufgrund des Nut-Feder-Systems der Segmente ein vollständiger und umfassender Schutz des empfindlichen Metallbereiches der Elektrode. Kommt es trotzdem zu einer Beschädigung des "Schutzschildes" der Elektrode, kann diese im Regelfall noch bis zum ohnehin notwendigen Einsatz des Verbrauchsteiles weiterarbeiten. Bei der Herausnahme der Elektrode kann dann der entsprechende Ersatz des beschädigten Einzelsegmentes etc. ohne weiteren Aufwand leicht erfolgen.

[0020] Die innenliegende elektrisch leitende Beschichtung aus hochtemperaturfestem Material, wie leitender Keramik oder Graphit bzw. den Kohlefilzen etc., vermag der Elektrode schliesslich Notlaufeigenschaften zu verleihen. Kommt es zum Bruch des äusseren Ringes, so ist die innenliegende, elektrisch leitende Beschichtung in der Lage, den Temperaturen eines sich eventuell bildenden Lichtbogens zu widerstehen. Dadurch wird der relativ empfindliche, innenliegende Metallschaft vor der Hitze des ggfs. seitlich ansetzenden Lichtbogens geschützt, so dass es nicht zu einem sofortigen Ausfall der Elektrode kommt. Letzteres ist bei herkömmlichen Elektroden dann zu befürchten, wenn die aussenliegende, isolierende Beschichtung mechanisch oder auf andere Weise zerstört ist und der Lichtbogen direkt auf dem Metallschaft ansetzt, der dann den auftretenden extremen Temperaturen des Lichtbogens nicht gewachsen ist.

[0021] .Nachstehend werden besonders bevorzugte Elektrodenkonstruktionen der Erfindung in den Fig. 1 bis 4 gezeigt. Es sind insbesondere Elektroden dargestellt, bei denen der obere Abschnitt aus leitendem Metall einen oberen Teil grösseren Durchmessers und einen unteren Teil geringeren Durchmessers-aufweist. Der Teil geringeren Durchmessers ist dann durch das isolierende Formteil und die leitende Beschichtung zumindest teilweise abgedeckt. Diese Anordnung ist im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugt, wenngleich die Erfindung weder hierauf noch auf die besonders vorteilhaften Ausführungsformen gemäss nachstehenden Figuren beschränkt ist. In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Elektrode,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Elektrode, bei der der durch Isolierungen geschützte Bereich nicht vollständig sowie der anschliessende Verbrauchsteil nicht gezeigt sind.

_Fig. 3 Querschnitte durch den oberen

sowie 4 Abschnitt aus Metall bzw. dessen Teilbereich geringeren Durchmessers.

[0022] Bei der Elektrode gemäss Fig. 1 wird das Kühlmedium, im Regelfall Wasser, durch den Vorlaufkanal 2 ein- und durch den Rücklaufkanal 3 zurückgeführt. Dabei tritt das-Kühlmedium auch in eine Kammer innerhalb des Schraubnippels 1, der z.B. aus Gusseisen gebildet ist, ein. Der obere Abschnitt 5 aus Metall besteht aus einem oberen Bereich grösseren Durchmessers und einem tieferliegenden Bereich geringeren Durchmessers, der bis in den Schraubnippel 1 eingezogen ist, der die Verbindung zu dem unteren Abschnitt 6 aus verbrauchsfähigem Material, z.B. Graphit,bildet. Das isolierende Formteil 4 ist durch ein Gegenlager 7, z.B. aus hochtemperaturbeständiger, isolierender Keramik, gelagert. Im oberen Bereich ist das isolierende Formteil 4 durch die Oberkante des Bereiches grösseren Durchmessers des Metallschaftes begrenzt. An das isolierende Formteil 4 schliesst sich die elektrisch leitende Zwischenschicht 11 an, die nach innen durch den vorgezogenen, innenliegenden Metallschaft bzw. dessen Abschnitt geringeren Durchmessers 12 begrenzt ist. Bei der in Fig. T gezeigten Elektrode sind sowohl das isolierende Formteil 4 als auch die elektrisch leitende Zwischenschicht 11 in Segmente unterteilt, die beim Ausbrechen eines (unteren) Segmentes in Richtung der Elektrodenachse gleitfähig sind.

[0023] Neben den Kühlbohrungen 15 können zusätzliche Bohrungen 8 vorgesehen sein, durch die eingeführte Stifte 9 über die Feder 10 für einen guten Sitz des isolierenden Formteils sorgen.

[0024] Aus Fig. 2 wie auch Fig. 4 geht die Verwendung von Halbschalen im Verband oder von Ringen, z.B. aus Graphit, der mit einem isolierenden Coating beschichtet ist, sowie von leitendem Filz 13, z.B. aus Kohlefaser, hervor. Zwischen dem vorgezogenen, innenliegenden Metallteil 12 und dem leitenden Filz 13 ist ein elektrisch leitender 4 Schutzring, z.B. aus Keramik, wie ZrO₂, SnO₂, SiC, etc. oder Graphit, zusätzlich eingezogen. Die Verwendung von leitendem, schwingüngsdämpfenden Material, wie Filz, etc., in Kombination mit elektrisch leitenden Massivteilen aus Keramik oder Graphit ist bei der erfindungsgemässen Elektrode besonders bevorzugt.

Ansprüche

1. Elektrode für Lichtbogenöfen aus einem oberen Abschnitt (5) aus Metall und einem ersetzbaren unteren abschnitt (6) aus sich verbrauchendem bzw. langsam sich verbrauchendem Material, die eine im wesentlichen zylindrische Form aufweisen und durch einen Schraubnippel (1) oder dergleichen miteinander verbunden sind, wobei der obere Abschnitt eine Flüssigkeits-Kühleinrichtung mit einem Vorlaufkanal (2) und einem Rücklaufkanal (3) aufweist und der obere Abschnitt (5) vorzugsweise in dessen unteren Bereich durch eine hochtemperaturfeste, isolierende Beschichtung geschützt ist, dadurch gekennzeichnet , dass die isolierende Beschichtung ein Formteil (4). darstellt, das lösbar aufgesetzt ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Formteil (4) ein Einzelrohr, eine Serie von Rohrabschnitten, Segmenten oder Halbschalen umfasst, die den unteren Bereich des oberen Abschnittes (5) bis zum oder bis in die Nähe des Schraubnippels (1) umgeben.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Formteil (4) und die Aussenkanten des oberen Abschnittes (5) im wesentlichen zueinander bündig angeordnet sind.

4. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass das Formteil (4) zwischen einem Einschnitt des Metalls des oberen Abschnittes (5) und einem etwa im Bereich des Schraubnippels (1) angeordneten Gegenlager (7) bzw. dem Schraubnippel (1) selbst oder einer Kombination hiervon getragen ist.

5. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass das Formteil durch in Bohrungen (8) des Metallteils geführte Stifte bzw. Gewindeschrauben (9), vorzugsweise federnd, auf dem Gegenlager (7) gehalten wird.

6. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass zwischen dem Formteil (4) und dem oberen Abschnitt geringeren Durchmessers (12) eine elektrisch leitende, hochtemperaturbeständige Zwischenschicht (11) eingebracht ist.

7. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass die elektrisch leitende Zwischenschicht (11) aus einem Einzelrohr, einer Serie von Rohrabschnitten, Segmenten, Halbschalen oder hochtemperaturfestem Filz (13) bzw. Gewebe oder einer Kombination hiervon besteht.

8. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass das innenliegende Metallteil (12) mit einer hochbeanspruchbaren, leitenden Beschichtung, vorzugsweise aus Keramik, gecoatet ist.

9. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , dass das isolierende Formteil (4) aus hochtemperaturfester Keramik oder mit isolierendem Coating beschichtetem Graphitrohr besteht.

10. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass die elektrisch leitende Zwischenschicht (11) aus Keramik, Graphit, keramischen oder mineralischen Geweben, Filzen oder einer Kombination hiervon besteht.

11. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass das isolierende Formteil (4) und/oder die leitende Zwischenschicht (11) auf Halterungen (14) aufgesetzt ist bzw. sind, die vorzugsweise am Metall der inneren Kühlungseinheit angefügt sind.

12. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass das isolierende Formteil (4) im oberen Bereich des Metallteils teilweise ersetzt ist durch isolierende, hochfeuerfeste Spritzmasse, die mit Haltestücken verankert ist.

13. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , dass das isolierende Formteil (4) und/oder die elektrisch leitende Zwischenschicht (11) derart gelagert sind, dass bei Ausfall eines Teilsegmentes oder Beschädigung des Einzelrohres die verbleibenden intakten Teilsegmente oder das Einzelrohr selbst in Richtung der Elektrodenlängsachse zur Beanspruchungszone beweglich sind.

Zeichnung