DE1029959B

DE1029959B - Gewindenippel aus Kohlenstoffmaterial und Verfahren zur Herstellung des Gewindenippels

Info

Publication number: DE1029959B
Application number: DEG21548A
Authority: DE
Inventors: Bruce L Bailey; Leslie H Juel
Original assignee: GREAT LAKES CARBON CORP
Current assignee: GREAT LAKES CARBON CORP
Priority date: 1956-02-23
Filing date: 1957-02-22
Publication date: 1958-05-14
Also published as: ES233838A1; FR1172404A; BE555170A; US2862748A; LU34949A1; GB827763A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Gewindenippel aus Kohlenstoffmaterial zum Verbinden von Kohlenstoffelektroden mit entsprechenden Gewindeschachteln und betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen des Gewindenippels.

Beim Betrieb von Elektroöfen, wie sie zum Schmelzen von Legierungsstählen und zur Herstellung von Kalziumcarbid, Eisenlegierungen und anderen Produkten dienen, werden gasgetrocknete Kohlenstoff- und Graphitelektroden verwendet, um einen Lichtbogen hoher Temperatur zwischen dem Stirnende der Elektrode und dem zu schmelzenden Material herzustellen. Da die von diesen Elektroden geleitete Stromstärke sehr hoch ist und sehr oft mehr als 40 000 Amp. für eine Elektrode von 500 mm Durchmesser beträgt, treten infolge sehr hoher Temperaturen und Wärmestöße sehr schwere Betriebsverhältnisse auf. Eine Elektrodenstoßstelle, die eine unterbrochene Leitung darstellt, bietet dem Durchfluß des elektrischen Stromes einen hohen Widerstand. - Die Stoßstellen oder Gewindenippel in einer Elektrodensäule sind deshalb heißer als die Elektrodenkörper selbst. Dieses Betriebsverhältnis in Verein mit der Gefügeschwäche durch maschinelle Bearbeitung der Elektrodenfassung macht die Stoß- oder Verbindungsstelle anfällig gegen Absplittern. Bei der Beschickung vieler dieser Öfen und beim Abgießen von Metall oder anderem Material aus diesen Öfen wird der Ofen und/oder die Elektrodensäule geschwenkt, so daß die Elektrodensäule Erschütterungen, mechanischen Spannungen und Stoßen zusätzlich zu dem erwähnten Wärmestoß ausgesetzt ist.

Es ist bisher üblich, eine Säule oder einen Strang aus Kohlenstoff- oder Graphitelektroden herzustellen, in dem die Elektrodenabschnitte miteinander mittels eines Gewindenippels verbunden sind. In der Mitte jedes Endes dieser Elektrodenabschnitte ist eine Fassung vorhanden, in die ein Nippelverbindungsteil eingesetzt wird, dessen Außenumriß dem Umriß der Elektrodenfassung entspricht. Zur Zeit sind Fassungsteil und Nippelteil mit Gewinde versehen, das bei Graphitelektroden ein Trapezgewinde ist. Eine derartige Verbindungsstelle ist oft die Quelle von hohem elektrischem Widerstand, weil eine unterbrochene Berührung zwischen den Gewindeflächen der Fassung und des Nippels und zwischen den Stirnflächen der Elektrodenabschnitte vorhanden ist. Die Elektrodensäule ist außerdem oft an dieser Verbindungsstelle wegen der bereits erwähnten Beanspruchungen sehr schwach. Außerdem besteht für gewöhnlich ein Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten, und zwar sowohl in der Längsrichtung und in der Querrichtung zwischen dem Kohlenstoff der Fassung und dem Kohlenstoff des Nippels, so daß sehr oft die Fassung reißt. Wenn die Elektrodensäule während des Ofenganges verbraucht wird, können die gespaltenen Fassungsenden oder wesentliche Abschnitte der Elektrode in das Metall fallen. Eine Rüttelung der Elektrodensäule hat auch oft

Gewindenippel aus Kohlenstoffmaterial

und Verfahren zur Herstellung

des Gewindenippels

Anmelder:

Great Lakes Carbon Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau, Lauterstr. 37,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 27,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. Februar 1966

Leslie H. Juel, Lewiston, N. Y.,

und Bruce L. Bailey, Niagara Falls, N. Y. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

ein Lockern der Elektrodenverbindungsstelle zur Folge, so daß sich die Elektrodenabschnitte aus dem Verbindungsnippel herausschrauben.

Es sind bereits Versuche unternommen worden, die erwähnten Schwierigkeiten zu beheben. Bei dem einen Verfahren wird eine Kombination aus mechanischen und klebenden Bauteilen verwendet, während ein anderes Verfahren eine durch Dübel hergestellte Verbindung bevorzugt. Es sind auch andere Verfahren vorgeschlagen worden, um den elektrischen Widerstand der Verbindungsstellen zu senken oder das Aufreißen und Herausdrehen der Elektroden aus dem Nippel zu verhüten. Zu diesem Zweck sind beispielsweise die Zwischenräume zwischen den Kontaktflächen mit einer Verbindungsmasse gefüllt worden, die aus einem kohlenstoffartigen Material, beispielsweise Kohlenstoff oder Graphit mit oder ohne Zusatz von Teer oder Pech besteht, und es sind auch flüssige Bindemittel, beispielsweise Stärkezucker, Melasse usw., verwendet worden.

Die Verbindungen haben sich in wirtschaftlicher Hinsicht als nicht zufriedenstellend erwiesen, da vielen dieser Verbindungen beim Karbonisieren während des Ofenganges die genügenden Zementiereigenschaften fehlt oder weil diese Massen unbearbeitbar sind und von den die Öfen bedienenden Personen nur schwer gehandhabt werden können. Es ist auch eine Kohlenstoff- oder Graphit-

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verbindung vorgeschlagen worden, in der ein Vorrats- nelle Bearbeitung hergestellt wird. Bei großen Graphitbehälter für ein karbonisierbares Material, z. B. Kohlen- elektroden verläuft die Fassung kegelförmig von der teerpech, am Boden der Fassung des Elektrodenkörpers Stirnseite der Elektrode. Ein entsprechend geformter oder in einer koaxialen Bohrung des Nippels vorgesehen Graphitnippel wird zusammen mit dieser Fassung verist, die zusätzlich noch maschinell hergestellte Innen- 5 wendet. Fassung und Gewindenippel werden mit Gekanäle aufweist, in denen das Pech aus dem Vorrats- winde versehen, und zwar üblicherweise mit einem Trapezbehälter zwischen die aneinanderliegenden Flächen der gewinde. Bei amorphen oder gasgetrockneten Elektroden Gewindeabschnitte der Fassung und des Nippels fließen haben Fassung und Gewindenippel im allgemeinen die kann. Diese Verbindungsart ist aus verschiedenen Grün- Form eines vollwandigen Zylinders, und der Gewindeden wirtschaftlich nicht von Erfolg gewesen. ¹⁰ nippel hat im Gegensatz zu dem Trapezgewinde eines

Gegenüber diesen bekannten Ausführungen kennzeich- Graphitnippels ein Rundgewinde.

net sich der Gewindenippel aus Kohlenstoffmaterial zum Ein Gewindenippel mit den erwähnten verbesserten

Verbinden von Kohlenstoffelektroden mit entsprechen- Eigenschaften wird dadurch hergestellt, daß der Ge-

den Gewindeschachteln dadurch, daß die im Kohlenstoff- windenippel mit einer ziemlich großen Menge einer ver-

material vorhandenen Poren des Gewindenippels von der i-5 flüssigbaren kohlenstoffhaltigen Masse imprägniert wird,

gesamten Außenfläche her nach innen mit einer verflüssig- um die vorhandenen Poren über die gesamte Oberfläche

baren karbonisierbaren Masse auf eine Tiefe gefüllt sind, des Gewindenippels und auch einen Teil der vorhandenen

die 10 bis 75 °/₀ der vorhandenen gesamten Porosität des Hohlräume im Innengefüge des Gewindenippels zu füllen,

Gewindenippels beträgt, während im Bereich der Längs- während gleichzeitig eine genügend große Menge an in

achse des Gewindenippels vorhandene ungefüllte Poren 20 dem porigen Innengefüge des Gewindenippels eing&-

ein Gas enthalten. schlossener Luft oder einem anderen Gas im Bereich der

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines derartigen Längsachse des Gewindenippels zurückgehalten wird.

Gewindenippels wird eine verflüssigbare karbonisierbare Beim Erwärmen des Gewindenippels dehnt sich die eüV

Masse unter Anwendung äußeren Druckes eingebracht, geschlossene Luft oder das eingeschlossene Gas aus und

und ein Gas wird in dem Teil der nicht zu füllenden Poren 25 drückt die verflüssigte Masse aus dem Gewindenippel

im Bereich der Längsachse des Gewindenippels gehalten. auf die Oberfläche des Gewindenippels und zwischen die

Gegenüber den bekannten Verbindungsnippeln werden Gewindeflächen des Gewindenippels und der Fassung

hierdurch folgende Vorteile erzielt: sowie in einem geringeren Ausmaß zwischen die Stirn-

1. In den inneren Poren des Gewindenippels wird keine flächen der Elektroden. Die flüssige Masse wird dann Luft oder kein anderes Gas eingeschlossen, wie dies bei 30 beim Erwärmen der Verbindung oder des Anschlusses den bekannten Nippeln der Fall ist. Es wird infolgedessen karbonisiert, und es wird infolgedessen eine feste Bindung kein von innen her wirkender Gasdruck auf das Im- zwischen den Gewindeflächen des Nippels und der prägnierungsmittel ausgeübt, wenn eine Erwärmung bei Fassung sowie zwischen den Stirnflächen der Elektroden der Aufwärmung der Elektroden erfolgt. Es verbleibt hergestellt. Wie später noch erläutert wird, ist das Drehdaher eine sehr große Menge des Imprägnierungsmittels 35 moment, das zum Zerbrechen der Verbindung erforderinnerhalb des Gewindenippels und dient nicht zu einer lieh ist, etwa viermal so groß wie das Drehmoment, das die Verbindungsstelle verkittenden Oberflächenkarbo- zum Zerbrechen einer Verbindung erforderlich ist, die nisierung. nicht erwärmt worden ist.

2. Es ist gegenüber den bekannten Verfahren eine Es ist bekannt, daß in allen Kohlenstoff- und Graphitwesentlich geringere Imprägnierungsmittelmenge er- 40 körpern, die durch Trocknen und Graphitisieren von aus forderlich, die einen mit Pech imprägnierten Mantel um Kohlenstoffmassen und Kohlenteerpechbindemitteln bedie Außenfläche des Gewindenippels und um eine in dem stehenden geformten Stücken hergestellt sind, eine geinneren des Gewindenippels eingeschlossene gashaltige wisse innere Porosität vorhanden ist, und zwar infolge Zone bildet. Beim Erwärmen der Elektrodenverbindung der Vergasung des Bindemittels beim Trocknen. Die dehnt sich das eingeschlossene Gas aus und drückt im 45 Porositätsgröße kann durch wiederholtes Imprägnieren wesentlichen das gesamte Imprägnierungsmittel aus dem mit Pech und nachfolgendem Trocknen und Graphiti-Gewindenippel heraus und zwischen die angrenzenden sieren etwas geregelt werden, jedoch bleibt immer noch Kohlenstoffoberflächen der Elektrodenverbindung. Es eine gewisse innere Porosität zurück. Bei der Erfindung tritt infolgedessen eine wesentliche Ersparnis an Im- wird nun die restliche oder zurückbleibende innere Porosiprägnierungsmittehnenge ein. 50 tat ausgenutzt, indem eine geregelte Menge der vorhan-

3. Bei den bekannten Gewindenippeln besteht kein denen Poren in bestimmt begrenzten Flächen des GeUnterschied zwischen der Wirksamkeit eines völlig im- windenippels als ein Vorratsbehälter für eine verflüssigprägnierten Gewindenippels und eines teilweise imprä- bare, karbonisierbare Masse, vorzugsweise Kohlenteergnierten Gewindenippels. Im vorliegenden Falle besteht pech, verwendet wird. Wichtig ist jedoch, daß nicht alle ein sehr deutlicher Unterschied, weil die bekannten Elek- 55 vorhandenen Innenporen des Gewindenippels mit der trodennippel infolge der Karbonisierung des imprägnier- verflüssigbaren karbonisierbaren Masse gesättigt oder ten Nippels eine ziemlich große Menge an zusätzlichem gefüllt werden, weil in diesem Falle die gefundenen erKohlenstoff enthalten, während der neue Gewindenippel wünschten Eigenschaften der Verbindung nicht nutzbar eine Kleinstmenge an karbonisiertem Imprägnierungs- gemacht werden können und sogar schädlich sind. Es mittel aufweist. 60 ist auch wichtig, daß eine genügende Menge der ver-

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beschrieben. flüssigbaren karbonisierbaren Masse in die Poren ge-

In der Zeichnung zeigt drückt wird, damit sie anschließend eine genügende Bin-

Fig. 1 eine Ansicht eines aus Kohlenstoffmaterial be- dung der Verbindungsstellen herstellt. Wesentlich ist,

stehenden Gewindenippels, und daß die Kohlenstoffnippel ohne Evakuieren der Poren

Fig. 2 ist eine Ansicht einer aus Kohlenstoff bestehen- 65 imprägniert werden und daß die vorhandenen Poren der

den Elektrode. Gewindenippel von der gesamten Außenfläche nach

Die Verbindungsstellen für eine Säule von Kohlenstoff- innen durch Druckbeaufschlagung über eine kontrollierte

oder Graphitelektroden werden dadurch geformt, daß an Tiefe gefüllt werden, die gleich ist oder dargestellt wird

jedem Ende jedes Elektrodenkörpers der Säule eine von 10 bis 75% der vorhandenen gesamten Porosität,

koaxiale Fassung oder Gewindeschachtel durch maschi- 70 während die eingeschlossene Luft oder das eingeschlossene

andere Gas im restlichen Teil der vorhandenen Poren des inneren Nippelgefüges zurückgehalten wird.

Bei der bevorzugten Ausführung wird ein aus Kohlenstoff oder Graphit bestehender vollwandiger Teil auf den allgemeinen Umriß der Elektrodenfassung, in die er eingeschraubt wird, maschinell bearbeitet. Der maschinell bearbeitete Kohlenstoffnippel wird dann ohne Druckbeaufschlagung in Kohlenteerpech getaucht, das einen Erweichungspunkt zwischen 60 und 120° C hat, wobei eine Temperatur von etwa 250° C unter einem Druck von 3,5 kg/cm² so lange aufrechterhalten wird, bis etwa 10 bis 75% der vorhandenen Poren einwärts der gesamten Oberfläche mit Pech gefüllt worden sind. Dieser Vorgang kann auch in einer Gewichtsprozentzunahme des Kohlenstoffnippels ausgedrückt werden, die zwischen 1 bis 15 % beträgt und von der inneren Porosität oder Dichte des Kohlenstoffnippels abhängt. Der imprägnierte Gewindenippel wird dann aus dem flüssigen Pech herausgehoben, gekühlt und genau bearbeitet. Der Gewindenippel zeigt dann eine saubere, nicht klebende Oberfläche. Wenn ein in dieser Weise vorbereiteter Gewindenippel in einer Elektrodenverbindung verwendet und die Verbindung für die Dauer von 24 Stunden auf 700° C erwärmt wird, beträgt das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Verbindung bei Raumtemperatur aufzubrechen, das Dreibis Vierfache des Drehmomentes, das benötigt wird, um eine Verbindung aufzubrechen, die kein Zementierungsmittel enthält und die in ähnlicher Weise thermisch behandelt wird.

Unter dem hier verwendeten Ausdruck » verflüssigbare karbonisierbare Masse« ist die Verwendung von Stoffen zu verstehen, die bei Raumtemperatur fest oder wenig plastisch sind, beispielsweise natürliche Teere und Peche, einschließlich Harzpech, Holzpech, Gilsolit, Kohlenteerpech und Pechen aus Petroleum. Der Ausdruck umfaßt auch die Verwendung von synthetischen Harzen, wie sie beispielsweise durch die Kondensation von Phenol und Formaldehyd und ähnlichen Stoffen erhalten werden, ferner Kunstharze, die durch die Kondensation von Furfural und Furfurylalkohol mittels saurer oder alkalischer Katalysatoren hergestellt sind, oder Kunstharze, die durch Polymerisation von Substanzen, wie beispielsweise Styrol und Butadien, Acrylkunstharz usw., hergestellt werden. Vorzugsweise wird ein Kohlenteerpech mit einem Erweichungspunkt von 60 bis 120° C verwendet, und zwar aus wirtschaftlichen Gründen und weil dieses Material einen günstigen Koksrückstand oder Rohkoks hat.

In Fig. 1 ist ein Gewindenippel 11 aus Kohlenstoff mit Trapezgewinde 12 dargestellt. Der Gewindenippel kann also in eine entsprechende gewindetragende Elektrodenfassung eingeschraubt werden. Der Innenabschnitt 15 des Gewindenippels hat einen porigen Aufbau, der bei 14 und 16 beispielsweise mit einem Kohlenteerpech imprägniert ist, das die Poren der Wände und der Endflächen des Gewindenippels auf eine Strecke von etwa dem halben Radius durchdringt und füllt. Ähnlich ist in Fig. 2 ein aus armorphem Kohlenstoff bestehender Gewindenippel 11 mit einem Rundgewinde 13 dargestellt. Der Gewindenippel wird an eine aus armorphem Kohlenstoff bestehende Elektrode geschraubt, die eine mit entsprechendem Gewinde versehene zylindrische Fassung oder Gewindeschachtel aufweist. Die gasgefüllten Poren sind bei 15 und die mit Imprägnierungsmittel gefüllten Poren bei 14 und 16 dargestellt.

In jeder Ausführung füllt der ImprägnierungsVorgang vorzugsweise und notwendigerweise die vorhandenen Poren des Gewindenippels von der gesamten Oberfläche nach innen auf eine vorbestimmte Tiefe, die am besten in Ausdrücken der vorhandenen Gesamtporosität des Gewindenippels ausgedrückt oder dargestellt wird und die 10 bis 75% der vorhandenen Gesamtporosität beträgt. Hierdurch wird im Gewindenippel ein ziemlich scharf umgrenzter Kern (15 in Fig. 1 und 2) belassen, dessen Poren nicht mit Imprägnierungsmittel getränkt sind, sondern eingeschlossene Luft oder ein anderes Gas enthalten, das beim Betrieb des Gewindenippels verwendet wird.

Bei Ausführung der Erfindung wird nicht nur ein maschinell vorbereitetes Nippelrohstück wie bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführung getränkt, sondern das Imprägnieren kann auch an einem fertigbearbeiteten Gewindenippel geschehen, wobei die Oberfläche von überschüssigem Pech gereinigt wird. Dieser Reinigungsvorgang wird selbsttätig ausgeführt, wenn ein maschinell vorbereitetes Werkstück imprägniert wird und dann ein abschließender Bearbeitungsvorgang folgt. In beiden Fällen hat der fertiggestellte Gewindenippel eine saubere Oberfläche, die mit einem klebrigen Material nicht verunreinigt ist. Dies steht im Gegensatz zu dem pech-' artigen Überzugsmaterial, das früher verwendet wurde, um die Elektrodenverbindungen zu kitten, das aber stets von den Bedienungspersonen als Nachteil angesehen wurde.

Zur weiteren Verdeutlichung werden die nachfolgenden Beispiele gegeben. In dieser Gruppe von Beispielen wurden kegelförmige Graphitnippel von 215 mm Höhe und 290 mm Durchmesser verwendet. Diese Nippel wurden in handelsübliches, zum Imprägnieren dienendes Kohlenteerpech eingetaucht, das in einem Autoklav auf einer Temperatur von 220° C und unter einem Druck von 3,5 kg/cm² gehalten wurde. Nach dem Herausnehmen aus dem Autoklav wurden die Nippel abschließend mit Gewinde versehen und wurden in Elektrodenfassungen von 355 mm Durchmesser eingeschraubt. Die Verbindung wurde mit einem Schraubenschlüssel auf 81 mkg festgezogen. Die Elektrodenverbindung wurde dann für die Dauer von 24 Stunden in einem Ofen bei 700° C erwärmt, wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt und mit einem Drehmomentschlüssel zerbrochen. Die erzielten Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:

Verbindung	Pechaufgabe in Gewichts prozent	Imprägnierte Hohlräume in ⁰Zo	Drehmomente in mkg zum Brechen der Verbindung
1 (roh) 2 3 4 5	0 2,45 1,83 1,9 7,3	0 33,6 25,1 26,09 100,0	83,7 243,0 337,0 270,0 Bruch im Ofen

Andere Kohlenstoff- und Graphitverbindungsnippel sind in ähnlicher Weise zusammengesetzt worden, wobei Petroleumpech (Erweichungspunkt 100° C) und Harzpech als die Imprägnierstoffe für die Verbindungsnippel verwendet wurden. In allen Fällen wurde gefunden, daß das zum Zerbrechen der Verbindung nach der Wärmebehandlung erforderliche Drehmoment mindestens das Dreifache des Drehmomentes betrug, das erforderlich war, um eine ähnlich behandelte Verbindung zu zerbrechen, in der kein Zementierungsmittel verwendet wurde. Es wurde ferner gefunden, daß das Zementierungsmittel über die Zwischenflächen der Gewindeabschnitte der Fassung und des Nippels gleichmäßig verteilt war. Die entstehende zementierte Verbindung verringerte Fassungssplitterungen, die bei den üblichen Ausführungen auftreten. Es wurde auch nicht gefunden, daß sich die Elektrodenteile aus dem Nippel herausschraubten.

Die hier beschriebenen Elektrodenverbindungen können durch Verfahren geformt werden, die ähnlich oder gleichwertig den im besonderen dargestellten Verfahren sind, und es können andere verfiüssigbare kohlenstoffhaltige Massen verwendet werden, die gleichwertig den beschriebenen Stoffen sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche: IO

1. Gewindenippel aus Kohlenstoffmaterial zum Verbinden von Kohlenstoffelektroden mit entsprechenden Gewindeschachteln, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kohlenstoffmaterial vorhandenen Poren des Gewindenippels von der gesamten Außenfläche her nach innen mit einer verflüssigbaren karbonisierbaren Masse auf eine Tiefe gefüllt sind, die 10 bis 75 °/₀ der vorhandenen gesamten Porosität des Gewindenippels beträgt, während im Bereich der Längsachse des Ge-

windenippels vorhandene ungefüllte Poren ein Gas
enthalten.

2. Gewindenippel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die karbonisierbare Masse ein
Kohlenteerpech ist, das einen Erweichungspunkt
zwischen 60 und 120° C hat.

3. Gewindenippel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch n gekennzeichnet, daß das Gas in den ungefüllten Poren ί Luft ist. »

4. Gewindenippel räch Anspruch 1, 2 und 3, da- ^! durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des imprä^ * gnierten Gewindenippels im wesentlichen frei von " überschüssigem Pech ist.

5. Verfahren zum Herstellen eines aus Kohlenstoff
bestehenden Gewindenippels nach den Ansprüchen 1 ;': bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß verflüssigbare kar- :' bonisierbare Masse unter Anwendung äußeren Druckes ■■ eingebracht und daß ein Glas in dem Teil der nicht ^i!; zu füllenden Poren im Bereich der Längsachse des':. Gewindenippels gehalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen