DE69431829T2 - Befestigungselement zur Lagesicherung von Elektrodenverbindungsstellen - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine Kohlenstoffelektrodenverbindung, wie in Patentanspruch 1 definiert, und ein Befestigungselement, wie in Patentanspruch 9 definiert, zur Lagesicherung von Verbindungsstellen durch einen Gewindenippel, der benachbarte, aneinander angrenzende Abschnitte von Kohlenstoffelektroden, Graphitelektroden eingeschlossen, miteinander verbindet, um eine stabile, langgezogene Elektrodenstange bzw. -reihe zur Verwendung in einem Lichtbogenofen bereitzustellen. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein Befestigungselement für Elektrodenverbindungen aus Kohlenstoff, Graphit eingeschlossen, gerichtet; das derart ausgestaltet ist, daß es reibschlüssig in einen Kanal an der Elektrodenverbindung eingepaßt werden kann.
Hintergrund der Erfindung
• Bei üblichen, aus dem Stand der Technik bekannten Kohlenstoffelektroden ist ein Paar von langgezogenen, vertikal angeordneten Elektrodenabschnitten verbunden durch Verwendung eines Graphitnippels mit einem Gewinde, der in mit einem entsprechenden Gewinde versehene gegenüberliegende Buchsen der Elektrodenabschnitte geschraubt wird, mit dem Ergebnis, daß die entsprechenden einander gegenüberliegenden Stirnflächen der vertikalen Elektrodenabschnitte in aneinander angrenzenden Kontakt gebracht werden. Wenn ein Elektrodenabschnitt während des Ofenbetriebs verbraucht ist, so wird ein neuer Elektrodenabschnitt unmittelbar an den vorangehenden in derselben Weise angefügt, so daß der Ofenbetrieb ohne Unterbrechung fortgeführt werden kann. Das heißt, wenn das untere Ende der Stange im Ofen verbraucht ist, wird die gesamte Stange abgesenkt, um den Betrieb aufrechtzuerhalten, und Elektrodenabschnitte werden mit dem oberen Ende der Stange verbunden, um die verbrauchten Stangen wieder zu ergänzen. Jedoch tritt ein gelegentliches Lockerwerden der verschraubten Verbindung auf, was zu einem erhöhten elektrischen Widerstand und auch zu mechanischem Versagen führen kann, d. h. Bruch einer geschraubten Nippelverbindung, die die Unterbrechung des Elektroofenbetriebs erforderlich macht.
• Eine frühe, aus dem Stand der Technik bekannte Anstrengung, um diesem Problem zu begegnen, ist hinsichtlich horizontal angeordneter Kohlenstoffelektrodenabschnitte im US-Patent 1,572,534 von Hinckley offenbart, das eine Vielzahl von blau- bzw. lamellenförmigen Metallvorrichtungen beschreibt, die in die Elektrodenverbindung gedrückt werden und als Keil dienen, um ein Lockerwerden der Verbindung zu verhindern. Aufgrund der Temperaturen, die in modernen Lichtbogenöfen auftreten, würde ein Metallkeil schmelzen und ineffektiv sein, wenn sich die Elektrodenverbindung von oben dem Hochtemperaturlichtbogen nähert.
• Die DE-C-90 12 22 offenbart ein Befestigungselement, das geeignet ist, eine Verbindung zwischen einander gegenüberliegenden, aneinander angrenzenden Elektrodenabschnitten zu sichern, das einen langgezogenen, aus synthetischem Kohlenstoff gebildeten Gegenstand aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, daß das Versagen von verschraubten Nippelverbindungen im allgemeinen auftritt, wenn die verbundenen Kohlenstoffelektrodenabschnitte, Graphitelektrodenabschnitte eingeschlossen, und/oder Nippel locker werden und nicht mehr in festem, aneinander angrenzendem Kontakt sind. Die Beobachtung solcher Elektroden während des Ofenbetriebs und die Untersuchung einer Zahl von mit Nippelverbindungen verschraubten Elektroden, die versagt haben, hat gezeigt, daß die verbundenen Elektrodenabschnitte deutlich voneinander getrennt waren aufgrund eines Lockerwerdens, d. h. aufgrund von Rotation der Schraubverbindung und somit abhängig von einer Relativbewegung während des Ofenbetriebs, wobei dieser Zustand oft zum Versagen der Verbindungen führte.
• Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Mittel bereitzustellen, das die Erhaltung einer stabilen Schraubverbindung für Kohlenstoffelektrodenabschnitte, Graphitelektrodenabschnitte eingeschlossen, sicherstellt, um ein Versagen der Elektrodenverbindung zu vermeiden.
• Dieses und andere Ziele werden erreicht durch ein langgezogenes Befestigungselement aus Kohlenstoff, Graphit eingeschlossen, das kraftschlüssig bzw. im Preßsitz in einen Kanal eingepaßt wird, der von der Außenseite einer verschraubten Elektrodenverbindung durch einen Teil der Kontaktverbindung zwischen den aneinander angrenzenden Kohlenstoffelektrodenabschnitten, Graphitelektrodenabschnitte eingeschlossen, verläuft.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Fig. 1(A) und 1(B) zeigen, teilweise im Schnitt, Seitenansichten unterschiedlicher Ausführungsformen von Gewindenippelverbindungen aus dem Stand der Technik;
• Fig. 2 ist eine Teilseitenansicht, die eine teilweise nichtverschraubte, locker gewordene Elektrodenverbindungsanordnung zeigt;
• Fig. 3 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Schraubverbindung, die mit einem Kanal zur Aufnahme eines Befestigungselements entsprechend der vorliegenden Erfindung versehen ist;
• Fig. 3(A) ist eine Draufsicht der Vorrichtung nach Fig. 3;
• Fig. 4 ist eine Teilseitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 3;
• Fig. 5 und Fig. 5(A) zeigen ein längliches Graphitbefestigungselement entsprechend der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 6 und Fig. 6(A) zeigen Graphitausgangsmaterial, aus dem das Befestigungselement nach Fig. 5 hergestellt wird;
• Fig. 7 und Fig. 7(A) zeigen das Befestigungselement nach Fig. 5 kraftschlüssig eingepaßt in den Kanal nach Fig. 3;
• Die Fig. 8(A), 8(B) zeigen alternative Ausführungsformen des in Fig. 5 gezeigten Befestigungselements.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1(A) zeigt eine übliche Kohlenstoff oder Graphitelektrodenverbindungsanordnung zum Verbinden der Kohlenstoff oder Graphitelektrodenabschnitte 10 und 20, was auch in Fig. 1(B) gezeigt ist. Die einander gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte 10, 20 sind wünschenswerterweise koaxial ausgerichtet und miteinander verschraubt, um in aneinander angrenzender Beziehung über die Kontaktverbindung 110 zwischen den querverlaufenden Stirnflächen 113, 115 zu stehen, die entsprechende mit einem Gewinde versehene Buchsen 117, 119 haben, um mechanische Spannungen zu vermeiden, wobei ihre Längsachsen 30, 40 übereinstimmen, wie in Fig. 1(A) und Fig. 1 (B) gezeigt, und auch mit der zentralen Längsachse 60 des zylinderförmigen Gewindenippels 70, wie gezeigt; übereinstimmen. Eine alternative und häufig verwendete übliche Verbindungsanordnung ist in Fig. 1(B) gezeigt, wobei der Gewindenippel 70 doppelkegelförmig ist. Während des Ofenbetriebs kann die Verbindung mit dem Gewindenippel und den einander gegenüberliegenden Elektrodenabschnitten locker werden, und es entstehen Spannungen, die zu einem Bruch der Elektrodenabschnitte führen können. Aufgrund starker Vibrationen, die während des Elektroofenbetriebs auftreten, kann sich die Verschraubung des Nippels 70 etwas lösen und der Nippel 70 mit einem Abstand 80 (etwas übertrieben in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt), der zwischen den einander gegenüberliegenden Elektrodenabschnitten entsteht, locker werden. Es wurde herausgefunden, daß dieser Zustand deutlich zu den Spannungen beiträgt, die zu einem mechanischen Versagen der Elektrodenverbindung, d. h. einem Bruch, führen.
• Bezug nehmend auf die Fig. 3, 3(A) und 4, wird dieses Problem vermieden durch Vorsehen eines Kanals oder einer Bohrung 100, der oder die sich von außerhalb der Kohlenstoff oder Graphitelektrodenverbindung durch einen Teil der Kontaktverbindung 110 durch die Stirnflächen 113, 115 der aneinander angrenzenden Bereiche 120, 122 und durch die einander gegenüberliegenden, aneinander angrenzenden Bereiche 120, 122 der Elektrodenabschnitte 10, 20 erstreckt. Die Elektrodenabschnitte 10, 20 sind, wenn sie aus Graphit hergestellt werden, üblicherweise aus extrudiertem und gebrannten Ausgangsmaterial gebildet und, wie bekannt ist, haben eine Ausrichtung in Extrusionsrichtung, die sich aus der Extrusion ergibt, die in der Richtung ihrer Längsachsen erfolgt. Dieser Zustand ist beschrieben in "Carbon and Graphite Handbook"; Charles L. Mantell, Robert E. Krieger Publishing Company 1979, und in "Erdöl & Kohle Erdgas Petrochemie", Vol. 43, Nr. 1, Januar 1990, "Anisotropy of Graphite Electrode Properties"; M. H. Wagner, G. Wilhelmi. Der Nippel 70 ist auch aus Graphit gebildet und ist aus in gleicher Weise extrudiertem und gebranntem Ausgangsmaterial hergestellt, so daß er eine Ausrichtung in Extrusionsrichtung in Richtung seiner Längsachse 60 hat. Die Anisotropie einer extrudierten Graphitelektrode ist besonders ausgeprägt, was ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten ("Coefficient of Thermal Expansion", CTE) angeht, der bei einer besonderen Güte der Graphitelektrode 10% bis 300% größer in der Richtung quer zur Extrusionsrichtung im Vergleich zur Extrusionsrichtung sein kann. Dies ergibt sich ohne weiteres aus den Tabellen auf den Seiten 328 bis 336 des zuvor angesprochenen "Carbon and Graphite Handbook". Bezug nehmend auf die Fig. 5, 5(A) wurde in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für eine Graphitelektrodenverbindung ein längliches Graphitbefestigungselement durch Herstellung aus extrudiertem und gebranntem Ausgangsmaterial 210 erhalten, indem ein Kernstück 21 S entnommen wird, das quer zur Längsachse 220 des extrudierten und gebrannten Ausgangsmaterials 210 verläuft. Dieses Kernstück wurde vorher mit einer sichtbaren Kennung 225 markiert, z. B. durch ein Bohrloch, um die Extrusionsrichtung oder Ausrichtung des Kernstücks 215 zu kennzeichnen. Eine diametrale Nut 230, die von der sichtbaren Kennung 225 aus indiziert wurde, kennzeichnet ferner die Ausrichtung in Extrusionsrichtung des länglichen Graphitbefestigungselements 200. Die Nut 230 kann sich über die Länge des Befestigungselements 200 erstrecken, wie bei 231 gezeigt, um ein geringfügiges Zusammendrücken des Elements 200 zu erlauben, wenn es in geeigneter Weise geformt ist und im Preßsitz in den Kanal 100 eingepaßt wird, wie in den Fig. 7 und 7(A) gezeigt, um im wesentlichen, z. B. zu 80% oder mehr, den Kanal auszufüllen. Wenn nötig kann jeder Bereich des Befestigungselements, der sich über die Bohrung hinaus erstreckt, z. B. durch Schleifen entfernt werden, so daß das Befestigungselement nicht über den äußeren Umfang der Elektrodenabschnitte hinausgeht. Wie in Fig. 7(A) gezeigt ist, sind die sichtbare Kennung 225 und die Nut 230 so angeordnet, daß die Extrusionsrichtung 220 des Graphitbefestigungselements 200 dieselbe ist, wie die Extrusionsrichtungen 30, 40, 60 der Graphitelektrodenabschnitte 10, 20 und des Gewindenippels 70. Folglich liegen die Anisotropieeigenschaften der entsprechenden CTEs der Elektrodenabschnitte und des Gewindenippels in einer Linie mit denen des Befestigungselements, und die Erzeugung zusätzlicher Spannungen aufgrund von Temperaturausdehnung dieser Teile während des Hochtemperaturofenbetriebs ist minimiert und praktisch beseitigt, und das Lockerwerden der verschraubten Elektrodenverbindung wird durch die mechanische Blockierung durch das Befestigungselement vermieden. Bei einigen Verwendungen im Ofen ist es nicht wesentlich, daß die Anisotropieeigenschaften des Befestigungselements mit denen der Elektrodenabschnitte und des Nippels auf einer Linie liegen, und in diesem Fall kann das Befestigungselement in den Kanal eingepaßt werden, der durch die Elektrodenverbindung verläuft, ungeachtet der Anisotropielinie und ohne jegliche Kennung der Anisotropielinie.
• Das folgende Beispiel soll die vorliegende Erfindung veranschaulichen:
BEISPIEL
• Ein Graphitbefestigungselement mit zylindrischem Querschnitt und der Form, die in Fig. 8(A) dargestellt ist, wurde hergestellt, um die verschraubte Verbindung von zwei aneinander angrenzenden Graphitelektrodenabschnitten mit 24 Zoll (600 mm) zu sichern. Das Befestigungselement hatte einen Durchmesser von 1,253 Zoll (31,83 mm) und eine Länge von 4 Zoll (101, 6 mm). Die Ausrichtung des Befestigungselements in Extrusionsrichtung war durch eine Nut in seiner flachen (äußeren) Stirnseite kenntlich gemacht. Ein Bohrer mit einem Durchmesser von 1,25 Zoll (31,75 mm) wurde mit einer schnurlosen 10,8 Volt-Bohrmaschine verwendet, um einen radial horizontalen, zylindrischen Kanal, d. h. eine Bohrung, in die vertikale Graphitelektrode an der Kontaktverbindung der Elektrodenabschnitte zu bohren. Der zylindrische Kanal (Bohrung) war 4 Zoll (101,6 mm) tief Die Bohrung wurde durch Verwendung einer Druckluftdüse von Graphitteilchen gesäubert. Das Befestigungselement mit seiner in Extrusionsrichtung verlaufenden Nut wurde in vertikaler Anordnung, in einer Linie mit der vertikalen Elektrode liegend, in die Bohrung in der Verbindungsstelle mit einem Hammer hineingeschlagen, bis sie bündig mit der Elektrode und im Preßsitz innerhalb der Bohrung war und im wesentlichen die Bohrung ausfüllte. Die verbundenen Elektrodenabschnitte wurden erfolgreich im Elektroofenbetrieb ohne Versagen der Nippelverbindung verwendet.
• Die Fig. 8(A), 8(B) zeigen alternative Formen für das Graphitbefestigungselement, die so eingebaut werden, daß sie mit den Elektrodenabschnitten der Verbindungen einen Reibsitz und eine Ausrichtung in Extrusionsrichtung haben.
• Bei der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die Bohrung zur Aufnahme des Befestigungselements vorzugsweise durch jede der aneinander angrenzenden Elektrodenabschnitte für etwa 15 bis 75% des Abstands von der Außenseite der Elektrodenabschnitte zur Nippelbuchse und liegt vorzugsweise in radialer Richtung, bezogen auf die Längsachse der Elektrodenabschnitte, und quer dazu. In einigen Fällen kann es jedoch für die Bohrung zweckmäßig sein, zur radialen Querrichtung versetzt zu sein, wie es etwas schematisch bei 1100 und 2100 in den Fig. 3 und 3(A) gezeigt ist.
• Der Eingriff bzw. die Befestigung des Befestigungselements mit den Elektrodenabschnitten ist ein Fest- oder Reibsitz, der erreicht wird durch Einschlagen eines leicht überdimensionierten Befestigungselements mit glatten Seiten von Hand mit einem Hammer in ein Bohrloch oder durch Einschrauben eines leicht überdimensionierten, mit einem Gewinde versehenen Befestigungselements in eine Gewindebohrung.

Claims (9)

1. Kohlenstoffelektrodenverbindung, umfassend:

- zwei aneinander angrenzende Elektrodenabschnitte (10, 20),

-- vertikal positioniert,

-- der Länge nach koaxial ausgerichtet,

-- jeder mit einer Stirnfläche (113, 115) quer zu seiner Längsachse (30, 40),

-- jeder mit einer Gewindeverbindung (117, 119) an seiner Stirnfläche,

-- jeder geformt aus extrudiertem und gebranntem Kohlenstoffausgangsmaterial (210), welches in Richtung seiner jeweiligen Längsachsen (30, 40) extrudiert wurde, so daß sich die jeweiligen Längsachsen (30, 40) und Elektrodenabschnitte (10, 20) in eine Extrusionsrichtung erstrecken,

- einen dementsprechenden Gewindenippel (70),

-- der Länge nach koaxial ausgerichtet und die Elektrodenabschnitte (10, 20) in einer angrenzenden Anordnung verbindend, um eine Kontaktverbindung zwischen den Stirnflächen (113, 115) der Elektrodenabschnitte (10, 20) festzulegen, welche sich quer zu den Längsachsen (30, 40) der Elektrodenabschnitte (10, 20) erstrecken,

-- geformt aus extrudiertem und gebranntem Kohlenstoffausgangsmaterial (210), welches in Richtung seiner jeweiligen Längsachsen (30, 40) extrudiert wurde, so daß sich die jeweiligen Längsachsen (30, 40) und der Gewindenippel (70) in eine Extrusionsrichtung erstrecken,

- einen Kanal (100), der sich von außerhalb der Elektrodenverbindung durch einen Teil der Kontaktverbindung (110) und durch die gegenüberliegenden angrenzenden Bereiche (120, 122) der Elektrodenabschnitte (10, 20) erstreckt; und

- ein langgezogenes Kohlenstoffbefestigungselement (200), geformt aus extrudiertem und gebranntem Ausgangsmaterial, reibschlüssig angepaßt an den Kanal (100).

2. Elektrodenverbindung nach Anspruch 1, bei der das Befestigungselement (200) eine aus seiner Extrusion resultierende Extrusionsrichtung und eine Längsachse (60) aufweist, welche quer zur Extrusionsrichtung angeordnet ist, wobei die Extrusionsrichtung des Befestigungselements (200) mit der Extrusionsrichtung der Elektrodenabschnitte (10, 20) übereinstimmt.

3. Elektrodenverbindung nach Anspruch 1, bei der der Kanal (100) eine sich quer zu den koaxialen Längsachsen (30, 40) der Elektrodenabschnitte (10, 20) ausdehnende ringförmige Querschnittsbohrung ist und im wesentlichen gleichmäßig zwischen den jeweiligen Elektrodenabschnitten (10, 20) aufgeteilt ist.

4. Elektrodenverbindung nach Anspruch 3, bei der das Befestigungselement aus extrudiertem und gebranntem Ausgangsmaterial geformt ist und eine aus seiner Extrusion resultierende Extrusionsrichtung und eine Längsachse aufweist, welche quer zu ihrer Extrusionsrichtung angeordnet ist, die Extrusionsrichtung des Befestigungselements mit der Extrusionsrichtung der Elektrodenabschnitte übereinstimmt und das Befestigungselement einen ringförmigen Querschnitt und eine sichtbare Kennung aufweist, von der aus seine Extrusionsrichtung bestimmt werden kann.

5. Elektrodenverbindung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Bohrung (100) mit einem Innengewinde versehen ist und das Befestigungselement ein dementsprechendes Außengewinde aufweist.

6. Elektrodenverbindung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Bohrung (100) innenwandig konisch zuläuft und das Befestigungselement (200) dementsprechend konisch zuläuft.

7. Elektrodenverbindung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Bohrung (100) und das Befestigungselement (200) zylindrisch geformt sind.

8. Elektrodenverbindung nach Anspruch 3 oder 4, bei der das Befestigungselement (200) mindestens eine äußere Nut (230) aufweist, die sich in die gleiche Richtung wie die Bohrung erstreckt (100).

9. Befestigungselement zur Lagesicherung von Verbindungsstellen zwischen einander gegenüberliegenden, aneinander angrenzenden Graphitelektrodenabschnitten (10, 20), umfassend einen langgezogenen Graphitgegenstand (200), geformt aus extrudiertem und gebranntem Ausgangsmaterial (210), mit einer Extrusionsrichtung quer zu seiner Längsachse (60) und einer sichtbaren Kennung (225) seiner Extrusionsrichtung.