[0001] Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Lichtbogenöfen aus einem oberen Abschnitt
aus Metall und einem verzehrbaren unteren Abschnitt aus Kohlenstoffmaterial, 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 unterem Bereich durch eine hochtemperaturfeste Beschichtung geschützt sein
kann, sowie Verfahren zu deren Verwendung.
[0002] Lichtbogenöfen zur Erzeugung von Elektrostahl, Kupfer, Korund, Kobalt, Silizium,
etc., werden bisher mit Graphitelektroden als stromzuführenden Elementen betrieben.
i Üblicherweise setzt sich ein Elektrodenstrang aus mehreren, miteinander durch Schraubverbindungen
oder dergleichen verbundenden Graphiteinheiten zusammen. Häufig! werden drei Elektrodenstränge
als stromführende Elemente pro Ofen für diese elektrothermischen Hochtemperaturschmelzprozesse
eingesetzt.
[0003] Es sind auch bereits Kombinationselektroden aus einem Metallschaft, an denen durch
eine Schraubverbindung, wie Nippel, etc., eine Spitze aus Kohlenstoffmaterial angefügt
ist, für den Lichtbogenofenbetrieb beschrieben worden.
[0004] So sind in der DE-OS 15 65 751 Elektroden für elektrische Lichtbogenöfen beschrieben
worden, die aus einem obe- "ren metallischen Kopfstück, einem unteren metallischen
Kopfstück, aus beide miteinander verbindenden elektrischen Leitern, aus einer diese
Leiter und das untere Kopfstück einschliessenden keramischen Masse und aus einem unteren
Kopfstück auswechselbar befestigten Elektrodenspitze bestehen.
[0005] Eine flüssigkeitsgekühlte Elektrode ist auch aus der DE-OS 28 45 367 bekannt, die
einen am Elektrodentragarm befestigten zylindrischen Einspannteil, ein an diesem befestigtes,
den Elektrodenstrom führendes metallisches Kühlsystem, das am freien Ende einen Gewindeteil
zum Aufschrauben der Elektrodenspitze trägt, und einen rohrförmigen Hitzeschirm, der
das Kühlsystem in dem der Ofenatmosphäre ausgesetzten Bereich mit Abstand und in fester
räumlicher Zuordnung zu diesem enthält, aufweist.
[0006] Aus der europäischen Patentoffenlegungsschrift 12 573 geht eine Kombinationselektrode
hervor, bei der der seitlich aussenliegende metallische Kontakt des Metallschaftes
gegenüber dem innenliegenden metallischen Kühlungssystem isolierend gelagert ist.
Im unteren Teil des metallischen Kühlungsschaftes ist eine mit Haken gesicherte keramische
Beschichtung vorgesehen, die sich bis etwa auf die Höhe der Schraubnippelverbindung
erstreckt, mit der ein Kohlenstoffteil angefügt ist.
[0007] Derartige Kombinationselektroden sind im Prinzip bereits seit längerer Zeit bekannt,
so z.B. aus der im Jahre 1912 ausgegebenen DE-PS 268 660.
[0008] "Kombinationselektroden sind im Lichtbogenofenbetrieb starker Beanspruchung ausgesetzt.
Dies erklärt sich aus , den hohen Arbeitstemperaturen, z.B. bei Elektrostahlerzeugung,
bei der solche Elektroden am häufigsten eingesetzt werden.
[0009] Wegen der hohen Temperaturen ergeben sich Verluste durch Seitenoxidation des Kohlenstoffteils.
Auch besteht die Gefahr der Wanderung oder der seitlichen Ansetzung des Lichtbogens,
die im Störungsfall auch oberhalb des Kohlenstoffteils erfolgen kann und zu Kurzschlüssen
führt. Darüber hinaus sind die Elektroden unterschiedlichen Temperaturen im Vorlauf
und Rücklauf des Kühlmittels sowie im Bereich des Kohlenstoffteils gegenüber der Stromzuführungs-
und Kühlungseinheit unterworfen. Eine besonders gefährdete Stelle stellt hierbei der
Bereich des Schraubnippels dar. :
Die Elektroden müssen aber auch mannigfachen mechanischen Beanspruchungen genügen,
die beim Kippen des Ofens, durch Vibrationen - begünstigt durch zu grosses Spiel der
Tragarme, durch Schrottversetzungen beim Einschmelzen, sowie beim Aufsetzen des Stranges
auf isolierende Bestandteile beim Schrott unter anderem auftreten.
[0010] Dazu kommt, dass im Verlauf der letzten 10 bis 15 Jahre die Elektroden zur Verringerung
der Schmelzzeiten steigender elektrischer (und damit auch thermischer) Belastung ausgesetzt
sind. Durch die ständig zunehmenden Beanspruchungen an die Elektroden haben sich auch
extreme Forderungen an die Qualität der Kohlenstoffstränge, seien es 'solche, die
ausschliesslich aus Kohlenstoffmaterial bestehen, seien es solche die an einen gekühlten
Metallschaft angenippelt sind, ergeben. Hierbei wurden die Anforderungen an Graphitteile
im Hinblick auf deren Dichte, spezifischen elektrischen Widerstand, thermische Ausdehnung,
Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit und Elastizität sowie thermische Schockfestigkeit,
laufend gesteigert. Dies hat nicht nur zu einer Intensivierung der Graphitierungsprozesse,
die über längere Zeiträume bei höheren Temperaturen durchgeführt wurden, sondern auch
zu zusätzlichen Nachverdichtungsvorgängen, etc., geführt. Der zur Erfüllung derartiger
Anforderungen erforderliche sehr hohe Grad der Umwandlung in Graphit hat mit sich
gebracht, dass hierfür lediglich petrochemische Nadelkokse hoher Qualität als Ausgangsstoffe
herangezogen werden konnten. Die Verwendung solcher teuren, aus petrochemischen Rohstoffen
zugängigen Premiumkokse mit einem hohen Grad an struktureller Vororientierung bringt
andere Schwierigkeiten mit sich. Diese liegen unter anderem darin, dass die Herstellung
solcher Ausgangskokse aufgrund der begrenzt verfügbaren, schwefelarmen Erdölvorkommen
in ihrer Menge limitiert ist. Weiterhin muss in der Graphitierungsstufe des Herstellungsprozesses
der Elektrodenteile ein erhebliches Mass an elektrischer Energie zum Erreichen der
weitgehenden Graphitierung aufgewandt werden. Schliesslich ergeben sich im übergangsbereich
zwischen gekühltem Metallschaft und hieran angefügtem Graphitteil durch eine Temperaturdifferenz
in der Grössenordnung von 500 K oder mehr, unterschiedliche thermische Ausdehnungen
und elektrische überlastungen des Nippelbereiches.
[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Elektroden für den Lichtbogenofenbetrieb
zu schaffen, die den dort herrschenden erheblichen mechanischen, thermischen und elektrischen
Beanspruchungen in besonders geeigneter Weise gewachsen sind. Hierbei soll durch Abstimmung
von gekühltem Metallschaft und Kohlenstoffteil aufeinander, eine für den Praxisbetrieb
besonders geeignete Elektrode zur Verfügung gestellt werden, deren Herstellung bzw.
Betrieb in wirtschaftlicherer Weise als bislang erfolgen kann.
[0012] Diese Aufgabe wird durch die Schaffung einer Elektrode für Lichtbogenöfen der eingangs
genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Kohlenstoffmaterial
nur zum Teil aus graphitischen Strukturelementen gebildet oder hiervon frei ist.
[0013] Die Erfindung baut mit auf der überraschenden Feststel lung auf, dass sich bei Einsatz
von Kohlenstoffmaterialien geringerwertiger Qualität, als sie bislang für den Lichtbogenofenbetrieb
als unabdingbar erachtet worden ist, gleichwohl ein gutes Praxisverhalten bei Kombinationselektroden
ergibt. Insbesondere hat es sich herausgestellt, dass bei Einsatz von Kohlenstoffmaterial,
das nur zum Teil aus graphitischen Strukturelementen gebildet oder hiervon völlig
oder nahezu frei ist, die befürchtete Rissbildung oder Abplatzungen.nicht auftreten.
[0014] Das Kohlenstoffmaterial ist bei der erfindungsgemässen Elektrode über einen an sich
bekannten Schraubnippel, der z.B. aus Graphit oder auch aus Metall bestehen und auch
gekühlt sein kann, mit dem Metallschaft verbunden. Der Metallschaft, der auch als
Stromzuführung zu dem Kohlenstoffteil angesehen werden kann, besteht im allgemeinen
aus einem hochleitfähigen Metall, z.B. Kupfer. In dem Metallschaft ist ein Flüssigkeitskühlsystem
vorgesehen, das einen Vorlauf- und Rücklaufkanal aufweisen kann, der gegebenenfalls
auch zumindest einen Teil des Schraubnippels äusserlich oder auch innerlich zu kühlen
vermag. Derartige Konstruktionen des Metallschaftes, der zumindest teilweise durch
eine hochtemperaturfeste Beschichtung äusserlich geschützt sein kann, sind bekannt.
[0015] Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Länge und der Durchmesser
des unteren Abschnittes aus Kohlenstoffmaterial derart gewählt, dass im Vergleich
zu Elektrodensträngen gleicher oder entsprechender Gesamtdimensionierung, die ausschliesslich
aus graphitischem Kohlenstoffmaterial bestehen, eine zumindest gleiche elektrische
Belastbarkeit gegeben ist.
[0016] Bei der erfindungsgemässen Elektrode ist die Dimensionierung des oberen Abschnittes
aus Metall und des unteten Abschnittes aus Kohlenstoffmaterial derart aufeinander
abgestimmt, dass der Metallschaft zumindest mit einem Teil in den Lichtbogenofen selbst
regelmässig eingeführt ist. Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass vorteilhaft der Kohlenstoffteil
eine Ausgangslänge von ca. 2 bis 3 m bei Gesamtelektrodenausgangslängen von ca. 5,5
bis 8 m, vorzugsweise 6 bis 7 m, aufweist.
[0017] Der Anteil an graphitischen Strukturelementen innerhalb des unteren Abschnittes aus
Kohlenstoffmaterial kann im Bereich von 0 bis 90 Gew.% liegen. Dabei hat es sich als
besonders günstig herausgestellt, wenn der Anteil an graphitischen Strukturelementen
im Bereich von 50 bis 85 Gew.%, besonders bevorzugt aber 60 bis 80 Gew.%, bezogen
auf das Gewicht des Kohlenstoffmaterials, beträgt.
[0018] Als "graphitische Strukturelemente" im Rahmen der Erfin-, dung sollen im wesentlichen
Naturgraphit oder Elektrographit oder ein Gemisch hiervon verstanden werden. Als Elektrographit
kann beispielsweise Abfallgraphit, z.B. aus der synthetischen Graphiterzeugung, herangezogen
werden.
[0019] Die "nichtgraphitischen" Strukturanteile des Kohlenstoffmaterials bestehen aus Anthrazit,
Zechenkoks und/oder Normalpetrolkoks, wobei im Rahmen der Erfindung der untere Abschnitt
auch vollständig aus diesen Materialien oder Gemischen hiervon bestehen kann. Wie
vorstehend bereits dargelegt worden ist, hat es sich als günstig erwiesen, wenn in
dem unteren Abschnitt das Kohlenstoffmaterial im Bereich von 0 bis 90 Gew.%, vorzugsweise
50 bis 85 Gew.%, besonders bevorzugt aber 60 bis 80 Gew.%, aus Elektrographit bzw.
Naturgraphit oder einem Gemisch hiervon und der Rest aus Anthrazit, Zechenkoks und/oder
Normalpetrolkoks gebildet ist.
[0020] Nachstehend werden einige typische Daten für die Qualitäten von Ausgangsmaterialien
angegeben, aus denen der untere Abschnitt teilweise oder vollständig bestehen kann:

[0021] Der untere Abschnitt der erfindungsgemässen Elektrode kann auf an sich bekannte Weise
hergestellt werden. ¦ Hierunter sind insbesondere aber die Herstellung durch Vibration
oder durch Strangpressung hervorzuheben. Derartige Verfahren sind bekannt.
[0022] Das als unterer Abschnitt in der erfindungsgemässen Elektrode verwendete Kohlenstoffmaterial
weist besonders vorteilhaft einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich
von 10 bis 30 Ωmm
2/m auf. Durch Versuche konnte jedoch ein besonders günstiges Betriebsverhalten der
Elektroden festgestellt werden, deren Kohlenstoffmaterial einen spezifischen elektrischen
Widerstand im Bereich von 10 bis 20 Ωmm
2/m und insbesondere 13 bis 20 Ωmm
2/m aufwies.
[0023] 'Der Durchmesser des unteren Abschnittes liegt im allgemeinen im Bereich von ca.
200 bis 600 mm. Besonders günstige Ergebnisse wurden mit Durchmessern des unteren
Abschnittes im Bereich von ca. 300 bis 400 mm erzielt. Der Durchmesser des oberen
Abschnittes aus Metall kann gegenüber dem Durchmesser des unteren Abschnittes grösser,
aber auch geringer gewählt sein.
[0024] Die Rohdichte des Kohlenstoffmaterials des unteren Abschnittes liegt besonders bevorzugt
im Bereich zwischen 1,50 und 1,65 g/cm
3.
[0025] Eine im Rahmen der Erfindung besonders günstige Elektrode, bei der der obere Abschnitt
aus Metall etwa die Hälfte der Gesamtlänge der Elektrode oder mehr ausmacht, besitzt
einen Kohlenstoffteil mit ca. 50 bis 85 % an graphitischen Strukturelementen aus Naturgraphit
und/ oder Elektrographit, wobei die nichtgraphitischen Strukturanteile aus Anthrazit,
Zechenkoks und/oder Normalpetrolkoks bestehen, wobei der spezifische elektrische Widerstand
des unteren Abschnittes im Bereich von 10 bis 20 Ωmm
2/m bei einer Rohdichte im Bereich zwischen 1,50 und 1,65 g/cm
3 liegt.
[0026] Die erfindungsgemässen Elektroden zeichnen sich durch günstiges Betriebsverhalten
bei störungsfreiem Betrieb aus. Die Kohlenstoffmaterialien des unteren Abschnittes
lassen sich gegenüber den herkömmlich eingesetzten Vollgraphitelektroden aus billigeren
Rohstoffen durch einfachere Herstellungsverfahren erzeugen. Daher wird bei gleicher
elektrischer Belastbarkeit eine Verbilli--gung des Elektrodenbetriebes ermöglicht.
[0027] Obwohl gegenüber den herkömmlich eingesetzten, hochwertigen Graphitqualitäten ein
Kohlenstoffmaterial geringerer Qualität Einsatz findet, werden Abplatzungen, Rissbildung
auch im übergangsbereich zwischen oberem und unterem Abschnitt im wesentlichen nicht
beobachtet. Dabei hat sich die Verwendung von Nippeln aus Hochqualitätsgraphit mit
einer gegenüber dem Kohlenstoffmaterial des unteren Abschnittes erhöhten Dichte und
gleichzeitig vermindertem elektrischen Widerstand besonders bewährt.
[0028] Die erfindungsgemässe Elektrode hat ihre bevorzugte Anwendung zur Herstellung von
Stahl im Lichtbogenofenbetrieb. Sie kann aber auch zur Herstellung von Buntmetallen,
wie Kupfer oder Kobalt, aber auch zur Herstellung von Korund, Silizium, etc., eingesetzt
werden.
[0029] Bei der Herstellung von Elektrostahl werden die erfindungsgemässen Kombinationselektroden
bei Durchmessern des unteren Abschnittes aus Kohlenstoffmaterial im Bereich von 300
bis 400 mm vorzugsweise mit maximalen Phasenströmen im Bereich von 10 bis 30 KA mit
besonderem Vorteil eingesetzt.
[0030] Nachstehend wird eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Elektrode im Längsschnitt
in der Figur gezeigt, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
[0031] Bei der gezeigten Elektrode 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 hier 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 Kohlenstoffmaterial darstellt, das nur zum Teil aus graphitischen Strukturelementen
gebildet ist oder hiervon frei ist. Die hochtemperaturfeste Beschichtung 4 ist aus
einer Anzahl einzelner Formteile gebildet, die auf einem Lager 7 getragen sein können.
An die hochtemperaturfeste Isolierung 4 schliesst sich hier eine elektrisch leitende
Zwischenschicht 11 an, die nach innen durch den vorgezogenen, innenliegenden Metallschaft
bzw. dessen Abschnitt geringeren Durchmessers 12 begrenzt ist.
[0032] Neben den Kühlbohrungen 15 können zusätzliche Bohrungen vorgesehen sein, durch die
eingeführte Stifte über eine Feder für einen guten Sitz der hochtemperaturfesten Formteile
sorgen.
[0033] In der Figur sind schliesslich Backen 18 gezeigt, über die der Strom der Elektrode
zugeführt wird.
[0034] Der Gegenstand der Erfindung ist jedoch nicht auf die in der Figur gezeigte Konstruktion
beschränkt. So sind z.B. im Rahmen der Erfindung Konstruktionen besonders vorteilhaft,
die Abweichungen zu dem in der Figur gezeigten Elektrodentyp aufweisen. Bei solchen
Elektroden, die im Rahmen der Erfindung bevorzugt sind, weist der Metallschaft einen
im wesentlichen konstanten Durchmesser auf. Auf diesen können Ringe aus hochtemperaturfestem
Material - mit Vorzug solche aus Graphit - aufgeschraubt werden. Das Kühlsystem kann
hierbei mit Vorzug derart ausgebildet sein, dass der Nippel in seinem oberen äusseren
Bereich durch das Kühlmedium umströmt wird, dieses aber in den Nippel selbst nicht
eintritt. Eine elektrisch leitende Zwischenschicht ist bei solchen Konstruktionen
nicht immer vorgesehen. Solche und andersartige Ausführungsformen der erfindungsgemässen
Elektrode sind im Rahmen der Erfindung mit eingeschlossen, soweit das Kohlenstoffmaterial
des verzehrbaren unteren Abschnittes nur zum Teil aus graphitischen Strukturelementen
gebildet oder hiervon frei ist.
[0035] Der Einsatz einer erfindungsgemässen Elektrode wird im nachstehenden Beispiel beschrieben.
BEISPIEL:
[0036] Es wurde eine Kombinationselektrode aus einem wassergekühlten Kupferschaft eingesetzt,
der durch ein Kühlsystem aus Vor- und Rücklauf mit Wasser gekühlt wurde. Der Kupferschaft
war im Bereich des Ofens durch einen hochtemperaturbeständigen Belag geschützt. Der
Kupferschaft war über einen Graphitnippel mit dem Kohlenstoffmaterial verschraubt,
das im wesentlichen aus Abfallgraphit aus der synthetischen Graphiterzeugung bestand.
Das Kohlenstoffmaterial wies eine Rohdichte von 1,62 g/cm
3 und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 18,5 Ωmm
2/m auf.
[0037] Drei derartige Elektroden wurden in einem Ofen mit 50 t Fassungsvermögen und drei
Phasen mit einem maximalen
"Phasenstrom von 50.000 A bei einer Betriebsspannung von 490 V eingesetzt.
[0038] Es ergab sich ein spezifischer Elektrodenverbrauch im Bereich von 4,8 kg/t Stahl,
bei im wesentlichen störungsfreiem Betrieb.
1. Elektrode für Lichtbogenöfen aus einem oberen Abschnitt aus Metall und einem verzehrbaren
unteren Abschnitt aus Kohlenstoffmaterial, 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 unterem
Bereich durch eine hochtemperaturfeste Beschichtung geschützt sein kann, dadurch gekennzeichnet
, dass das Kohlenstoffmaterial nur zum Teil aus graphitischen Strukturelementen gebildet
oder hiervon frei ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Länge und der Durchmesser
des unteren Abschnittes derart gewählt sind, dass im Vergleich zu Elektrodensträngen
gleicher oder entsprechender Gesamtdimensionierung, die ausschliesslich aus graphitischem
Kohlenstoffmaterial bestehen, eine zumindest gleiche elektrische Belastbarkeit gegeben
ist.
3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Anteil an graphitischen
Strukturelementen 0 bis 90 Gew.% beträgt.
4. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
, . dass der Anteil an graphitischen Strukturelementen 50 bis 85 Gew.% beträgt.
5. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
, dass die graphitischen Strukturelemente aus Naturgraphit und/oder Elektrographit
bestehen.
6. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
, dass die nichtgraphitischen Strukturanteile aus Anthrazit, Zechenkoks und/oder Normalpetrolkoks
gebildet sind.
7. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
, dass der untere Abschnitt vollständig aus Anthrazit, Zechenkoks und/oder Normalpetrolkoks
gebildet ist.
8. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
, dass der untere Abschnitt durch Vibration oder Strangpressung erzeugt ist.
9. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
, dass der spezifische elektrische Widerstand des unteren Abschnittes im Bereich von
10 bis 30 Ωmm2/m liegt.
10. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
, dass der spezifische elektrische Widerstand des unteren Abschnittes im Bereich von
10 bis 20 Ωmm2/m liegt.
11. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
, dass der Durchmesser des unteren Abschnittes im Bereich von ca. 200 bis 800 mm liegt.
12. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
, dass der Durchmesser des unteren Abschnittes im Bereich von ca. 300 bis 400 mm liegt.
13. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
, dass der Durchmesser des unteren Abschnittes geringer als der des oberen Abschnittes
aus Metall ist.
14. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
, dass die Rohdichte im Bereich zwischen 1,50 und 1,65 g/cm3 liegt.
15. Verfahren zur Erzeugung von Stahl im Lichtbogenofenbetrieb unter Verwendung von
Elektroden nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass man bei Elektrodendurchmessern
von ca. 300 bis 400 mm maximale Phasenströme von 10 bis 30 KA einsetzt.