DE2453012A1

DE2453012A1 - Elektrodenfassung fuer lichtbogenoefen

Info

Publication number: DE2453012A1
Application number: DE19742453012
Authority: DE
Inventors: Ottmar Dipl Chem Dr Re Rubisch
Original assignee: SIGRI ELEKTROGRAPHIT GmbH
Current assignee: SIGRI ELEKTROGRAPHIT GmbH
Priority date: 1974-11-08
Filing date: 1974-11-08
Publication date: 1976-05-13
Also published as: DE2453012B2; GB1505920A; DE2453012C3

Description

SIGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH Meitingen, den 5. 1.¹V/. ';■?■'»

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Elektrodenfassung für Lichtbogenofen

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenfassung für Kohlenstoff- und Graphitelektroden zur Verwendung in einem Lichtbogenofen mit wassergekühlten Kontaktbacken und mit diesen lösbar verbundenen segmentförmigen Kontaktstücken.

Aufgabe der in Lichtbogenofen, beispielsweise zur Erzeugung von Elektrostahl, verwendeten Elektrodenfassungen ist die Fixierung der Kohlenstoff- und Graphitelektroden und die Übertragung des zum Betreiben des Lichtbogens erforderlichen Stroms. Da die Fassungen nicht nur der in den Leitermaterialien und in den Kontaktstellen entstehenden Jouleschen Wärme ausgesetzt sind, sondern ebenfalls durch die Wärmestrahlung des Ofens und durch Wärmeleitung der Elektrodenstränge erhitzt werden, ist es zur Vermeidung überhöhter, die Kontakte zerstörender Temperaturen erforderlich, die Kontaktstücke auf eine werkstoffgerechte Temperatur zu kühlen. Wassergekühlte Kontaktbacken und Kontaktstücke aus Kupfer oder Kupferlegierungen weisen unterhalb einer für die jeweilige Ofenkonstruktion charakteristischen Stromstärke eine befriedigende Standzeit auf und haben sich weitgehend bewährt. Die Verwendung von Kontaktstücken aus Kupfer in den sogenannten Hochlastöfen, deren Elektroden mit sehr hohen Strömen belastet werden, ist weniger befriedigend, da die Kontaktstücke

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infolge thermischer und ebenfalls korrosiver Schädigungen in verhältnismäßig kurzer Zeit unbrauchbar werden.

Zur Vermeidung dieses Nachteils sind Kontaktstücke aus beständigeren Materialien vorgeschlagen worden. Nach der deutschen Offenlegungsschrxft·2 222 858 ist es beispielsweise bekannt, gesinterte Kontaktstücke aus Wolfram und Kupfer zu verwenden, deren Wolframanteil vorzugsweise etwa 60 - 68 % und deren Kupferanteil etwa 32 - 40 % betragen. Derartige Kontaktstücke sind jedoch wegen des verhältnismäßig hohen Kupfergehalts nicht für die Verwendung in solchen Lichtbogenöfen geeignet, deren Elektroden mit metallischen oder metallhaltigen Schutzschichten versehen sind. Die Oberfläche derartiger den Abbrand der Elektroden vermindernden Schutzschichten ist aufgrund der jeweiligen Beschichtungsverfahren mehr oder weniger rauh ausgebildet, so daß der Strom nur über wenige Kontaktstellen von den Kontaktstücken zur Elektrode fließt. Die unvermeidbare starke Erhitzung der Kontaktstelle führt dabei zu einem Versintern oder Legieren der sich im Kontakt berührenden Metalle. Beim periodischen, den Spitzenabbrand ausgleichenden Nachstellen der Elektrode werden die versinterten bzw. legierten Kontaktstellen abgeschert, wobei auf der Oberfläche des Kontaktstücks narbenförmige Vertiefungen oder pilzförmige Erhöhungen entstehen. Nach einigen Nachstellzyklen ist die Oberfläche des Kontaktstückes derartig zerklüftet, daß der Spannungsabfall im Kontakt die zulässige Grenze übersteigt und das Kontaktstück unbrauchbar wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrodenfassung mit thermisch und chemisch beständigen Kontaktstücken zu schaffen, die insbesondere für mit metallischen

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Schutzschichten versehene Elektroden geeignet ist und die Nachteile der bekannten Fassungen vermeidet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Elektrodenfassung der- eingangs genannten Art gelöst, deren Kontaktstücke aus einem oder mehreren Metallen der IV. und/oder V. Nebengruppe des Periodensystems oder einer metallischen Verbindung eines Elements aus diesen Gruppen bestehen und deren der Elektrode zugekehrten Flächen, mit einer Deckschicht bestehend aus einem Carbid, Oxicarbid, Carbonitrid, Nitrid, Oxinitrid oder Suboxid eines oder mehrerer Elemente der IV. oder V. Nebengruppe des Periodensystems versehen sind.

Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Kontaktstücke durch Sintern eines durch Pressen verdichteten Metallpulvers, vorzugsweise Titanpulver, hergestellt. Die der Elektrode zugekehrte Deckschicht besteht vorzugsweise aus Titancarbid.

Die Elemente der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems zeichnen sich durch verhältnismäßig hohe Schmelztemperaturen, die gute Beständigkeit gegen korrodierende Stoffe und metallische Leitfähigkeit aus. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Oberflächen von aus diesen Elementen oder metallischen Verbindungen der Elemente hergestellten Kontaktstücken in einfacher Weise mit einer festhaftenden carbidischen oder nitridischen Deckschicht oder einer sauerstoffhaltigen Mischschicht versehen werden können, die eine außergewöhnliche Temperatur- und Verschleißbeständigkeit aufweist und mit den metallischen oder metallhaltigen Schutzschichten von Elektroden keine die Schutzschichten und die Kontaktstücke zerstörenden Verbindungen bilden. Die günstigen chemischen und physikali-

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sehen Eigenschaften der Deckschicht bedingen eine beträchtliche Verlängerung der Standzeiten von Kontaktstücken, wobei auch bei langer Betriebszeit der Kontaktwiderstand praktisch unverändert bleibt·

Erfindungsgemäße Kontaktstücke bestehen beispielsweise aus einem oder· mehreren aufeinandergestapelten Metallblechen, deren der Elektrode zugekehrte Fläche mit einer temperatur- und verschleißbeständigen Deckschicht versehen ist. Bevorzugt werden zum Herstellen erfindungsgemäßer Kontaktstücke ein oder mehrere pulverförmige Metalle der IV. und/oder V. Nebengruppe des Periodensystems oder metallische Verbindungen, wie Hydride oder Suboxide dieser Elemente gegebenenfalls mit Zusätzen von Preßhilfsmitteln, wie z.B. Stearinsäure oder Wachsen und/oder Bindemitteln, wie z.B. Methylcellulose oder Polyvinylalkohol durch Pressen mit einer Gesenkpresse oder auch durch Vibrationsverdichtung zu Kontaktstücken der gewünschten Maße und Formen verpreßt. Die Preßlinge werden anschließend in inerter Atmosphäre, vorzugsweise in Argon, oder im Vakuum gesintert, wobei die Sintertemperaturen ca» 1200 - 1400⁰C betragen. Der jeweilige Sinterschwund kann durch einfache Vorversuche mit ausreichender Genauigkeit ermittelt und durch entsprechende Auslegung der Sinterform berücksichtigt werden, so daß die gesinterten Körper im allgemeinen bereits die für ihre Anwendung erforderlichen Maße aufweisen und eine Nachbearbeitung entfallen kann. Unumgängliche Bearbeitungsschritte, wie z.B. das Einschneiden eines Schraubgewindes, werden zweckmäßig vor der Beschichtung des Kontaktstücks vorgenommen.

Das gesinterte Kontaktstück wird dann mit einer verschleißfesten, chemisch inerten Deckschicht versehen, z.B. durch

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pyrolytische Abscheidung von Carbiden oder Nitriden oder durch Reaktion einer pulverförmigen kohlenstoffhaltigen Schüttung oder eines stickstoff- oder sauerstoffhaltigen Gases oder eines Gasgemisches mit dem Sintermetall, wobei die Abscheidungs- bzw. Reaktionstemperatur mindestens 800⁰C, bevorzugt etwa 1200 - 1300⁰C beträgt. Die Dicke der erzeugten Carbid- bzw. Nitridschicht beträgt zweckmäßig 0,1 - 1,0 mm, vorzugsweise etwa 0,4 - 0,6 mm. Werden zum Herstellen der gesinterten Kontaktstücke Suboxide verwendet, so entstehen unter den Beschichtungsbedingungen oxicarbid- bzw. oxinitridhaltige Schichten, die.sich durch einen besonders hohen Verschleißwiderstand auszeichnen.

Nach einem weiteren Verfahren zum Herstellen erfindungsgemäßer Kontaktstücke werden die Preßkörper direkt im Kontakt mit einem kohlenstoffhaltigen Material auf etwa 1200 - 1300°C erhitzt, wobei der Preßling gesintert und die Oberfläche gleichzeitig carburiert wird. Dieses besonders einfache Verfahren eignet sich wegen der großen Härte der Deckschicht allerdings nur für solche Kontaktstücke, die einer Nachbearbeitung nicht bedürfen.

Das die Form eines Zylindersegments aufweisende Kontaktstück ist in bekannter Weise durch Schrauben oder Klemmstücke an der wassergekühlten, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Kontaktbacke lösbar befestigt, wobei bevorzugt für jede Kontaktbacke ein einteiliges Kontaktstück vorgesehen ist. Zur Verminderung des Spannungsabfalls zwischen Kontaktbacke und Kontaktstück ist es vorteilhaft, die an der Kontaktbacke anliegende Fläche des Kontaktstücks zu verkupfern oder zwischen diesen Flächen eine dünne Kupferfolie oder ein

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Kupfernetz einzulegen. Die mit der verschleißbeständigen Deckschicht versehene konvexe Fläche des segmentförmigen Kontaktstücks liegt an der Mantelfläche der Elektrode bzw. der metallischen Schutzschicht der Elektrode an.

Von den Elementen der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems ist insbesondere Titan aufgrund seiner Verfügbarkeit und des vergleichsweise niedrigen Preises für die Herstellung von Kontaktstücken geeignet. Als Deckschicht wird Titancarbid wegen der Einfachheit und Reproduzierbarkeit der Carbonisierungsreaktion bevorzugt.

Die Kontaktstücke sind außerordentlich beständig gegenüber den hohen Temperaturen im Kontakt und den heißen Ofengasen und ermöglichen eine betriebssichere elektrische Verbindung mit einer verlängerten Lebensdauer, die auch durch die Verwendung von Elektroden mit metallischen Schutzschichten nicht beeinträchtigt wird. Die gegen mechanische und korrosive Einwirkungen beständige Deckschicht gewährleistet schließlich eine gleichbleibende Güte der Kontaktfläche und eine Senkung des Kontaktwiderstands.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft erläutert:

Beispiel 1

Körniger Titanschwamm mit einem Titangehalt von etwa 99 % und einer Korngröße von 0,5 - 4 mm wurde gleichmäßig in eine segmentförmige Stahlmatrize gefüllt und auf einer

2 Gesenkpresse mit einem spezifischen Druck von 1 Mp/cm verdichtet. Die segmentförmige Platte wurde dann in einen

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Sinterkasten eingesetzt, dessen Bodenfläche mit einer ca· 2 cm-dicken Rußschicht bedeckt war, wobei die konvexe Fläche des Segments in innigem Kontakt mit der Rußschicht stand. Anschließend wurde in einer Argonatmosphäre innerhalb von drei Stunden auf eine Temperatur von 1250 C erhitzt und diese Temperatur eine Stunde lang gehalten. Unter den genannten Bedingungen sinterte der Preßling zu einem Kontaktstück mit einer Rohdichte von 3,5 g/cm und einem spezifischen

2 elektrischen Widerstand von 0,6-TL mm /m mit einer 0,7 mm-dicken Titancarbidschicht.

Zur Prüfung der Funktionstüchtigkeit wurde das Kontaktstück durch an dessen Seitenflächen angreifende Klemmhalter an die wassergekühlten Kontaktplatten eines Elektrodenhalters geklemmt und gegen die Mantelfläche einer mit einem aluminiumhaltigen Schutzüberzug versehenen Graphitelektrode gedrückt und dabei mit einem Strom von

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30 Ampere/cm beaufschlagt. Nach jeweils 5 Minuten wurde die Verbindung gelöst, die Elektrode um etwa 10 cm verschoben und dann erneut mit Strom belastet. Nach 50 Zyklen war die Oberfläche des Kontaktstückes unverändert, während vergleichsweise geprüfte Kupferkontaktstücke bereits nach 10 Zyklen zahlreiche,eine weitere Verwendung ausschließende Krater und Hocker aufwiesen.

Beispiel 2

61,4 Gew.-Teile Titanpulver, Korngröße <0,06 /um, 38,6 Gew. Teile Rutilpulver, Korngröße< 0,01 ,um - Molverhältnis ca. 8:3- wurden nach Zusatz von 5 Gew.-Teilen einer 2 %igen wässrigen Polyvinylalkohollösung in einem Schnellmischer gemischt und anschließend auf einer Gesenkpresse mit einem

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Druck von ca. 50 kp/cm zu quaderförmigen Platten verpreßt. Die bei einer Temperatur von 10 5 C getrockneten Vorpreßlinge wurden dann innerhalb von 4 Stunden in einer Argonatmosphäre auf 1250 C erhitzt, anschließend auf einem Backenbrecher zerkleinert und in einer Schwingmühle auf eine Körnung <0,06 ,um gemahlen. Das spröde, graugußfarbene Pulver hatte die Zusammensetzung TiO « ^c*

100 Gew.-Teile Pulver wurden dann mit 5 Gew.-Teilen einer 10 %igen Lösung von Hartparaffin in Toluol versetzt, 5 Minuten in einem Wirbelmischer gemischt und auf einer Gesenkpresse mit einem Druck von 2,5 Mp zu segmentförmigen Platten verpreßt. Anschließend wurden die Platten bei einer Temperatur von 110 C getrocknet und in einem Durchstoßofen in einer Argonatmosphäre auf 1300 C erhitzt. Die Verweilzeit betrug 3 Stunden. Der elektrische Widerstand

ρ der dichtgesinterten Segmente beträgt ca. 1,8 Jl mm /m.

Die Platten wurden dann mit vier Gewindebohrungen versehen und anschließend in einer Stickstoffatmosphäre auf 1200 C erhitzt, wobei sich eine etwa 0,8 mm dicke Titanoxinitridschicht bildete.

Die Kontaktstücke wurden dann an Kupferkontaktbacken geschraubt und wie im Beispiel 1 beschrieben geprüft. Unter den Prüfbedingungen veränderte sich weder die Oberflächenbeschaffenheit der Kontaktfläche, noch der Spannungsabfall im Kontakt.

4 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1.1 Elektrodenfassung für Kohlenstoff- und Graphit- _mm^ elektroden zur Verwendung in einem Lichtbogenofen mit wassergekühlten Kontaktbacken und mit diesen lösbar verbundenen segmentförmigen Kontaktstücken, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstücke aus einem oder mehreren Metallen der XV. und/oder V. Nebengruppe des Periodensystems oder einer metallischen Verbindung eines Elements aus diesen Gruppen bestehen und die der Elektrode zugekehrten Flächen der Kontaktstücke mit einer Deckschicht bestehend aus einem Carbid, Oxicarbid, Carbonitrid, Nitrid, Oxinitrid oder Suboxid eines oder mehrerer Elemente der IV. oder V. Nebengruppe des Periodensystems versehen sind.

2. Elektrodenhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstücke durch Sintern eines durch Pressen verdichteten Metallpulvers hergestellt sind.

3. Elektrodenhalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstücke aus Titan bestehen.

4. Elektrodenhalter nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstücke mit einer aus Titancarbid bestehenden Deckschicht versehen sind.

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