HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Graphitelektrode
mit Verbindungsstellen, die für einen elektrischen Ofen
zur Stahlherstellung verwendet wird. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine Graphitelektrode,
bei welcher die Stromleitung durch eine Verbindungsstelle
des Elektrodenabschnittes verringert wird, um die
Hitzeerzeugung an der Verbindungsstelle auszuschalten und
dadurch zu verhindern, dass ein Nippel bricht.
2. Beschreibung des Stroms der Technik
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Um die Abschnitte der Graphitelektrode, die für einen
elektrischen Ofen verwendet wird, zu verbinden, wird im
Allgemeinen ein Nippel mit Schraubengewinde verwendet.
Dieser Nippel 3 wird in die Fassung 4 der Abschnitte 1
und 2 der Graphitelektrode eingeschraubt, wie in Fig. 1
dargestellt.
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In Verbindung mit der Weiterentwicklung des
Hochlastbetriebs elektrischer Öfen zur Stahlherstellung
sind die Graphitelektroden und ihre Verbindungsstellen
hoher elektrischer und mechanischer Belastung ausgesetzt.
Das Brechen der Graphitelektrode, welche im Folgenden
einfach als Elektrode bezeichnet wird, tritt deshalb
häufig auf, meistens an den Verbindungsstellen.
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Eine Elektrode dieser Art ist im Prinzip aus DE-C-3319
769 bekannt. Die vorbekannte Elektrode umfasst zwei
Elektrodenabschnitte, von welchen der untere Teil aus
Graphit besteht, wohingegen der obere Teil aus Metall
hergestellt ist. Die Abschnitte der vorbekannten
Elektrode werden durch einen Nippel verbunden, welcher in
eine Fassung, die in den Abschnitten vorgesehen ist,
eingeschraubt wird. Der Nippel ist aus isolierendem
Material hergestellt, das den Strom, der durch den Nippel
geht, verringert, um zu verhindern, dass der Nippel
bricht.
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Wie schon bekannt ist, wird die Temperatur in dem
mittleren Bereich einer Elektrode in den neueren, mit
Gleichstrom betriebenen elektrischen Öfen zur
Stahlherstellung höher als in herkömmlichen, mit
Wechselstrom betriebenen elektrischen Öfen zur
Stahlherstellung. Der Nippel, welcher in dem mittleren
Bereich einer Elektrode angeordnet ist, ist demzufolge
einer hohen Temperatur ausgesetzt, mit dem Ergebnis, dass
leicht mit dem Eintreten eines Bruches gerechnet werden
muss.
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Es wird nun beschrieben wie der Bruch geschieht, wobei
Bezug auf Fig. 2 genommen wird, welche verbundene
Elektrodenabschnitte darstellt. In Fig. 2 sind die drei
Elektrodenabschnitte an den Verbindungsstellen "a" und
"b "verbunden und hängen integral an dem Haltearm 5. Im
Vergleich zu der Verbindungsstelle "a", ist die
Verbindungsstelle "b" höherer mechanischer Belastung
durch die Elektrodenabschnitte und höherer seitlicher
mechanischer Belastung ausgesetzt, aufgrund von
Rohmaterial und dergleichen, welches auf das Ende der
Spitze der Elektrode trifft, und ein Biegemoment erzeugt.
Obwohl diese Belastungen an der Verbindungsstelle "a"
hoch sind, geschieht der Bruch überwiegend an dem Nippel
der Verbindungsstelle "a". Ganz gleich wie sich die
äußere Umfangsfläche einer Elektrode durch Oxidation
abnutzt und dadurch geschwächt wird, geschieht darüber
hinaus der Bruch nicht an den Elektrodenabschnitten,
sondern in dem Nippel. Es scheint deswegen, dass ein
Hauptgrund für den Bruch eher in thermischer Belastung
liegt als in der mechanischen Belastung.
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Es ist vordem vorgeschlagen worden, den Bruch des
Verbindungsbereiches der Elektrode zu verhindern, indem
die Form des Nippels und der Schraube verändert wird, so
dass die Belastungskonzentration an diesen Teilen
gemildert wird, wie aus dem geprüften Japanischen
Gebrauchsmuster, Veröffentlichung Nr. 57-45,676 und Nr.
58-958 bekannt, indem leitendes Material zwischen den
Boden der Fassung und das Ende des Nippels eingefügt
wird, so dass das Entstehen von lokalem Strom (geprüftes
Japanisches Gebrauchsmuster, Veröffentlichung Nr. 63-
36,639) verhindert wird, oder durch Veränderung der
Struktur des Nippels, so dass seine thermische Ausdehnung
einfach absorbiert werden kann (geprüftes Japanisches
Gebrauchsmuster, Veröffentlichung Nr. 59-1,357).
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Die vorhergehenden Mittel zur Verhinderung des Brechens
der Elektrode liegen in unterschiedlichen Veränderungen
der Nippelform oder der Einfügung von leitendem Material
wie oben beschrieben, aber sind nicht darauf ausgelegt,
den Strom zu verringern, der durch den Nippel geht. Da
die Temperatur eines Nippels in dem mit Gleichstrom
betriebenen derzeitigen elektrischen Ofen ganz besonders
hoch ist, kann mit den vorbekannten Methoden kein
zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden.
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In dem mit Gleichstrom betriebenen elektrischen Ofen mit
beispielsweise einer 30 Zoll Elektrode, beträgt der Strom
durch den Nippel und der Strom durch die Kontaktstelle
zwischen den Elektrodenabschnitten angenommenerweise
jeweils 50%, auf der Basis des Flächenverhältnisses
zwischen Ersterem zu Letzerem. Da jedoch der Nippel in
die Fassung eingeschraubt und durch sie befestigt ist,
wird die Dichte des Nippels erhöht, woraus eine
Verringerung des Widerstandes resultiert. Es ist daher
eher zu erwarten, dass der Strom durch den Nippel als
durch die Kontaktstelle zwischen den
Elektrodenabschnitten fließen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
neuartige Graphitelektrode zu schaffen, bei der der Bruch
ihrer Verbindungsstellen verhindert wird, indem der
Strom, der durch den Nippel fließt, verringert wird und
demzufolge seine Überhitzung vermieden wird.
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Die betreffenden Erfinder haben die Ursache für den Bruch
einer Graphitelektrode aufgeklärt, verschiedene Versuche
durchgeführt und haben zweckdienliche Gegenmaßnahmen
ergriffen. Die betreffenden Erfinder haben dann
herausgefunden, dass die Stromleitung durch die
Verbindungsstellen einer Elektrode keinesfalls verhindert
wird, auch dann nicht, wenn der Strom, der durch den
Nippel geführt wird, unterbunden wird.
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Die so vervollständigte vorliegende Erfindung führt zu
einer Graphitelektrode, die Elektrodenabschnitte umfasst,
welche miteinander durch eine Fassung und einen Nippel
verbunden sind, wobei elektrisch isolierendes Material
zwischen den Schraubenflächen des Nippels und den
Fassungen vorhanden ist, wodurch der Strom durch den
Nippel verringert wird.
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Die Graphitelektrode nach der vorliegenden Erfindung
umfasst:
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Elektrodenabschnitte, die axial miteinander an ihren
jeweiligen Enden verbunden werden;
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eine Fassung in der Form an dem Ende ausgebildeten mit
Innengewindes, das sich axial in den Körper dBs
Elektrodenabschnittes hinein erstreckt und darauf eine
Schraubenfläche aufweist;
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einen Nippel in der Form einer Schraube mit Außengewinde,
der in die Fassung eines Paares der Elektrodenabschnitte
eingeschraubt werden soll und eine Schraubenfläche
aufweist; und
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ein elektrisch isolierendes Material, das zwischen den
Schraubenflächen des Nippels und den Fassungen vorhanden
ist.
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Das elektrisch isolierende Material kann aus irgendeinem
der verschiedenen Materialien bestehen, die isolierende
Eigenschaften aufweisen und hitzebeständig bei
Temperaturen von 500ºC und mehr sind. Insbesondere BN, Ca(OH)&sub2;,
Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2; und dergleichen in Pulverform sind dafür
geeignet. Von diesen weist hexagonales BN eine
Schmiereigenschaft auf, und der Nippel kann geschmeidig
in die Fassung eingesetzt werden, wenn hexagonales BN auf
die Schraubenfläche eines Nippels oder einer Fassung
aufgetragen wird. Das hexagonale BN weist ebenfalls eine
hohe elektrisch isolierende Eigenschaft und
Hitzebeständigkeit auf, und wird von daher besonders
bevorzugt.
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Die vorliegende Erfindung wird mit Bezugnahme auf die
Zeichnungen nun detaillierter beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Zeichnung, die allgemein die
Verbindungsteile einer Graphitelektrode und eines
Nippels darstellt.
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Fig. 2 ist eine Zeichnung, die allgemein eine
Graphitelektrode darstellt, die fest durch
Nippel verbunden ist.
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Fig. 3 ist eine Zeichnung, die allgemein die
Positionen der Temperaturmessung an den
verbundenen Bereichen zwischen einer
Graphitelektrode und einem Nippel darstellt.
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Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen
der Stromleitungsdauer und der Temperatur
darstellt.
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Elektrisch isolierendes Material wird entweder auf die
Schraubenfläche eines Nippels 3 oder auf die
Schraubenfläche einer Fassung 4 oder auf beide
Schraubenflächen aufgebracht. Dies kann in Form eines
Pulvers, das in Wasser oder einem organischen
Lösungsmittel suspendiert ist, geschehen. Die erzielte
Suspension kann einfach auf die betreffende(n)
Oberfläche(n) durch Sprühen oder Aufpinseln aufgetragen
werden. Ein oberflächenaktives Mittel wird vorzugsweise
dem Wasser zugefügt. Methylethylketon und Dimethylether
können vorzugsweise als das organische Lösungsmittel
verwendet werden. Das elektrisch isolierende Material
braucht nicht auf die Oberseite 3a oder die Unterseite 3b
eines Nippels aufgetragen werden, weil normalerweise ein
Zwischenraum zwischen diesen beiden Flächen 3a und 3b und
den verbundenen Elektrodenabschnitten 1 und 2 gebildet
wird, so dass kein Strom durch 1 und 2 fließt. Die
geeignete Dicke des elektrisch isolierenden Materiales
liegt normalerweise zwischen 1 bis 10 um, obwohl die
geeignete Dicke erst festgelegt werden sollte, nachdem
bestätigt wurde, dass durch das aufgetragene isolierende
Material absolut keine Blockierung der Stromführung
verursacht wird. In dieser Hinsicht sei angemerkt, dass
eine besonders hohe Isolierung zwischen dem Nippel 3 und
der Fassung 4 zu einer derartigen Blockierung der
Stromführung führen würde, dass der Betrieb des
elektrischen Ofens zur Stahlherstellung schwierig werden
würde. Vorzugsweise ist die Spannung zwischen der
Oberseite und der Unterseite der Elektrode nicht
wesentlich verändert, aber die Temperatur in der Mitte
des Nippels verringert sich durch das Auftragen von
elektrisch isolierendem Material in der Größenordnung von
20 auf 200ºC.
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Das elektrisch isolierende Material wird vorzugsweise auf
die gesamte Fläche des Nippels 3 und/oder der Fassung 4
aufgetragen, inklusive der Oberseite 3a und der
Unterseite 3b. Das elektrisch isolierende Material kann
jedoch auf entweder die Oberseite oder die Unterseite des
Nippels 3 und/oder der Fassung 4 aufgetragen werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend auf der Basis
eines Beispieles und eines Vergleichsbeispieles
beschrieben.
Beispiel 1
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Es wurden 6 Zoll Elektrodenabschnitte mit 60 Zoll Länge,
wie von JIS (Japanische Industrie Norm) festgelegt, für
ein Experiment im Labor verwendet. Kalk wurde auf die
gesamte Schraubenfläche eines Nippels aufgetragen. Für
diese Anwendung wurde in Wasser dispergiert, gelöschter
Kalk gesprüht. Die aufgetragene Menge betrug 3 g an
gelöschtem Kalk pro Nippel. Nach dem Auftragen wurde der
Nippel bei 20ºC getrocknet. Die 6 Zoll
Elektrodenabschnitte wurden, wie in Fig. 3 dargestellt,
mittels des Nippels 2 miteinander verbunden. Wechselstrom
wurde bei einer Stromdichte von 37,6 A/cm² und einer
Spannung von 36,0 V von einem Ende zu dem anderen Ende
der Elektrode geführt.
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Im Vergleich wurde derselbe Wechselstrom wie oben durch
die oben genannte Elektrode geführt, mit dem Unterschied,
dass kein Kalk aufgetragen wurde. Es sei angemerkt, dass
die Spannung in dem Vergleichsbeispiel 36,0 V betrug,
wobei die Stromdichte dennoch gleich gehalten wurde.
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Während der Stromleitung wurde die Temperatur mittels
eines Temperaturfühlers gemessen, der an einem zentralen
Punkt "c" des Nippels angeordnet war und eines anderen
Temperaturfühlers, der an dem Punkt "d" in einer
Entfernung angeordnet war, die gleich der Länge eines
Nippels von dem Punkt "c", wie in Fig. 3 dargestellt,
war. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 dargestellt.
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Die Spannung war praktisch durch das Auftragen des
elektrisch isolierenden Materiales unverändert, und deswegen
kam es nicht zu einer Behinderung in der Stromleitung.
Die gemessenen Temperaturen in der Mitte des Nippels "c"
und in der Mitte der Elektrode "d" waren in dem Falle, in
dem Kalk auf den Nippel aufgetragen wurde, niedriger als
in dem Falle, in dem keine Auftragung stattgefunden
hatte. Darüberhinaus war der Temperaturunterschied
zwischen den Punkten "d" und "c" in dem Falle der
Kalkauftragung auf den Nippel geringer als in dem Falle,
indem keine Auftragung stattgefunden hatte. Es sieht so
aus, als ob die Temperaturen an den Punkten "d" und "c"
abnehmen und die Oberflächentemperatur durch die
Anwendung von Kalk ansteigt.
Beispiel 2
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Experimente, bei denen ein wirklicher Ofen verwendet
wurde, wurden in der Okayama Fabrik von Tokyo Steel Mfg.
Co., Ltd. durchgeführt. Der verwendete Ofen war ein mit
Gleichstrom betriebener elektrischer Ofen zur
Stahlherstellung, mit einer Graphitelektrode von 30 Zoll
Durchmesser und von 110 Zoll Länge. Hexagonales,
pulverförmiges Bornitrid (BN) wurde in dem
Lösungsmittelgemisch aus Methylethylketon und
Dimethylether dispergiert. Der Gehalt des Bornitrides
betrug 2,6% Gewicht. Die Dispersion aus Bornitrid wurde
durch Aufsprühen auf die untere Hälfte eines jeden
Nippels aufgetragen. Das pro Nippel aufgetragene
Bornitrid betrug ungefähr 1 g. 62 Nippel wurden insgesamt
getestet. Bei 29 Nippeln wurde das Bornitrid nur auf den
Nippel aufgebracht, wohingegen bei den verbleibenden 33
Nippeln dieselbe Menge an Bornitrid sowohl auf den Nippel
als auch auf die untere Fassung, die mit der unteren
Hälfte des Nippels verbunden wird, aufgetragen wurde.
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Zum Vergleich wurde in 34 Fällen kein Bornitrid auf den
Nippel aufgetragen.
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Die Betriebsbedingungen des elektrischen Ofens wurden für
jeden Fall der Bornitrid-Auftragung und diejenigen ohne
Auftragung konstant gehalten. Die Ergebnisse werden in
der nachfolgenden Tabelle dargestellt.
TABELLE 1
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Bei diesen Versuchen erfolgte der Bruch jeweils an dem in
Fig. 2 dargestellten Verbindungsteil "a".
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Wie hier vorstehend beschrieben kann das Brechen der
Nippel drastisch verringert werden. Es wird angenommen,
dass dies aufgrund der Tatsache ist, dass ein
verbesserter Kontakt zwischen dem Nippel und den
Elektrodenabschnitten beibehalten wird, der durch die
Regulierung der durch sie gehenden Stromführung erzielt
wird und demzufolge durch eine Reduzierung des
Temperaturunterschiedes zwischen ihnen. Bis jetzt brach
die Fassung häufig an dem Bodenabschnitt der Elektrode
und dadurch fiel er ab. Solche Vorfälle könnten auch
vermieden werden, wenn der Temperaturunterschied
verringert wird. Die vorliegende Erfindung beinhaltet
deswegen beachtliche praktische Vorteile.