DE3809361A1 - Verfahren zur verringerung des abbrands von graphitelektroden - Google Patents
Verfahren zur verringerung des abbrands von graphitelektrodenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung
des Abbrands von Graphitelektroden bei ihrer Verwendung
in einem Lichtbogenofen durch Beschichten der Mantel
fläche mit einer oxidationsbeständigen Schutzschicht.
Die in Lichtbogenöfen, besonders zur Erzeugung von Stahl,
eingesetzten, oberhalb des Ofendeckels an einer Trage
vorrichtung aufgehängten Graphitelektroden, werden durch
die im Lichtbogen erzeugte Wärmeenergie und die Ent
wicklung Joulscher Wärme innerhalb der Elektroden auf
Temperaturen erhitzt, bei denen Kohlenstoff mit dem
Sauerstoff der umgebenden Luft zu Kohlenoxiden reagiert.
Die kurz als Abbrand bezeichneten Reaktionen sind nicht
auf die Mantelfläche der zylindrischen Elektrode beschränkt,
sondern erstrecken sich unterhalb etwa 1000°C fast
über das ganze, durch das Porensystem zugängliche Volumen
der Elektrode. Der Abbrand der Mantelfläche bewirkt eine
Verringerung des Elektrodendurchmessers, der Abbrand im
Inneren der Elektrode auch eine weitgehende Zerrüttung
des Gefüges, wodurch kleinere Gefügeelemente gelockert
und abgesplittert werden. Insgesamt beträgt der unmittel
bare und mittelbare Abbrandverlust rund 50% des auf den
erzeugten Stahl bezogenen spezifischen Elektroden
verbrauchs von etwa 3 bis 6 kg/t Stahl. Bereits kurze
Zeit nach Aufnahme der Elektrostahlerzeugung versuchte
man den Mantelabbrand durch Überziehen des Elektroden
mantels mit oxidationsbeständigen Schutzschichten
wenigstens zu verringern. Durch die US-PS 10 00 761
ist es beispielsweise bekannt, die Mantelfläche mit
Substanzen zu beschichten, die beim Erhitzen der
Elektrode einen dichten glasartigen Film bilden. Zur
Herstellung des Films wurden Alkali- und Erdalkali
salze in Verbindung mit Flußmitteln, wie Borax, ver
wendet. Ein wesentlicher Nachteil dieser Filme ist
ihr großer elektrischer Widerstand. Sie eignen sich daher
nicht für Elektroden, z.B. für Lichtbogen-, Schmelz- oder
Reduktionsöfen, bei denen der elektrische Strom über
Kontaktbacken zugeführt wird, die am Elektrodenmantel
anliegen. Für diese Elektroden sind deshalb metallische
Schutzschichten vorgeschlagen worden, die den elektrischen
Strom gut leiten, deren Temperaturbeständigkeit aber
häufig nicht ausreicht. Eine bessere thermische Be
ständigkeit erreicht man durch Einarbeiten keramischer
Füllstoffe in eine metallische Matrix (DE-PS 12 71 007)
oder auch durch Verwendung von Silicium als Beschichtungs
material, das durch Plasmaspritzen im Vakuum aufgebracht
wird (DE-OS 34 46 286). Metallische Schutzschichten
haben den Nachteil, daß sie leicht mit den aus Kupfer
bestehenden gekühlten Kontaktbacken verschweißen oder
fritten und die Kontakte beschädigt oder zerstört werden.
Zur Vermeidung der Schäden sind besondere graphithaltige
Schlichten vorgeschlagen worden, die man auf die Kontakt
backen oder die metallisierte Mantelfläche der Elektrode
aufträgt (DE-OS 30 28 348, DE-OS 32 15 831).
Es ist schließlich auch bekannt, glasartige, keramische
Schichten ausschließlich unterhalb der Kontaktbacken auf
den Elektrodenmantel aufzutragen. Die aus mehreren
miteinander verschraubten Abschnitten bestehende Graphit
elektrode wird beim Betrieb des Lichtbogenofens ver
braucht, außer durch Mantelabbrand vor allem durch
Spitzenverluste, die eine Verkürzung des Elektroden
strangs bewirken. Zum Ausgleich der Verkürzung werden
periodisch neue Elektrodenabschnitte auf den Elektroden
strang aufgeschraubt und die Tragvorrichtungen mit den
Kontaktbacken um diesen Betrag in axialer Richtung
versetzt. Auf die unbeschichtete Mantelfläche der
Elektrode unterhalb der Kontaktbacken kann dann eine
feuerfeste, oxidationsbeständige Beschichtung auf
getragen werden, die ein elektrischer Isolator sein
kann (DE-PS 5 76 938, EP-OS 00 70 100). Diese Art der
Beschichtung wird durch die hohen Temperaturen am Ofen
erheblich erschwert, so daß es zur Erzeugung einer
geschlossenen Schicht mit ausreichender Haftfestigkeit
eines großen technischen Aufwands bedarf (EP-OS 02 00 983).
Es ist schließlich vorgeschlagen worden, die Oberfläche
der Elektrode zwischen Kontaktbacke und Ofendeckel direkt
mit Wasser zu kühlen (Metal Bulletin Monthly, Nr. 204,
Dez. 1987, S. 56). Bei diesem Verfahren wird der Elektroden
mantel mit Wasser berieselt, das über einen am Elektroden
halter befestigten Düsenring zugeführt wird. Die Schutz
wirkung beruht auf Kühlung der Elektrodenoberfläche unter
der kritischen Reaktionstemperatur und der Bildung eines
den Luftzutritt behindernden Dampfmantels. Der Elektroden
verbrauch konnte durch das Kühlverfahren in einigen Öfen
um bis zu 15% vermindert werden, in anderen Öfen war die
Verbrauchsminderung wesentlich geringer, z.T. nahm der
Mantelabbrand sogar zu. Ursachen der unterschiedlichen
Ergebnisse sind vermutlich Instabilitäten des Wasser
films und Dampfmantels, ausgelöst etwa durch thermische
Konvektionsströmungen, und die Adsorption von Wasser im
Porensystem der Graphitelektrode. Das adsorbierte
Wasser reagiert bei höheren Temperaturen mit dem
Kohlenstoff und es entstehen die für feuchte Elektroden
typischen schwammartigen weichen Zonen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der
Mantelfläche von Graphitelektroden mit einfachen
technischen Mitteln eine oxidationsbeständige Schutz
schicht herzustellen, die die Elektrode bei allen
Belastungen im Lichtbogenofen wirksam gegen den Angriff
von Luftsauerstoff schützt.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß auf die Mantelfläche
der Elektrode unterhalb der Kontaktbacken die wässerige
Lösung wenigstens eines, bei erhöhter Temperatur glas
artige Filme bildenden Salzes gesprüht wird.
Das Beschichten von Kohlenstoff- und Graphitkörpern mit
filmbildenden wässerigen Salzlösungen und das Tempern
der Schichten zur Entwicklung von oxidationsbeständigen
Filmen sind an sich bekannt. Eine gute Schutzwirkung
haben beispielsweise aus Aluminiumphosphat-Lösungen
hergestellte Schutzschichten oder Filme (US-PS 26 85 539).
Auch andere lösliche Phosphate, wie Zinkphosphat,
Magnesiumphosphat, Eisenphosphat, Kupferphosphat,
Kaliumphosphat und Manganphosphat bilden allein oder
in Gemischen auf Kohlenstoff- und Graphitkörpern
oxidationsbeständige Schutzschichten (EP-OS 02 23 205).
Es ist auch bekannt, Borat- oder Silicat-haltige wässerige
Lösungen für diesen Zweck zu verwenden (US-PS 10 00 761).
Graphitelektroden werden bei Raumtemperatur in die Lösung
eines oder mehrerer Salze getaucht oder die Lösung wird
durch Bürsten oder Spritzen auf die Mantelfläche auf
gebracht. Die Elektroden werden dann getrocknet und
auf etwa 500 bis 600°C erhitzt, wobei die Erhitzungs
geschwindigkeit ca. 60 bis 600 K/h beträgt. Dabei
bildet sich ein wasserunlöslicher, fest in den Poren
verankerter oxidationsbeständiger Film.
Als wichtige Voraussetzung für die Bildung eines fest
haftenden glasartigen Films galt bisher das sorgfältige
Tempern oder "Härten" der aufgetragenen Beschichtungs
lösung. Es wurde nun überraschend gefunden, daß sich
stabile Schutzschichten auch bei sehr großer Erhitzungs
geschwindigkeit bilden und auch dann, wenn die wässerige
Beschichtungslösung auf die heiße Mantelfläche der
Elektrode aufgebracht wird. Die Manteltemperatur beträgt
in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Licht
bogenofens unterhalb der Kontaktbacken und oberhalb des
Ofendeckels etwa 400 bis 700°C, so daß das Lösemittel
der Beschichtungslösung beim Auftreffen auf den Mantel
innerhalb einiger Sekunden verdampft. Trotz der schnellen
Verdampfung des Lösemittels bildet sich eine geschlossene,
auf der Mantelfläche der Elektrode festhaftende Schicht
aus.
Zum Aufbringen der Beschichtungslösung auf die Mantel
fläche verwendet man zweckmäßig einen oder mehrere Düsen
ringe, die unterhalb der Kontaktbacken am Elektroden
halter befestigt sind und den Elektrodenstrang umschließen.
Nach jeder der oben beschriebenen Versetzung des Elektroden
strangs in axialer Richtung wird der freie Abschnitt der
Elektrode zwischen Kontaktbacke und Ofendeckel mit der
Beschichtungslösung besprüht, wobei die Dauer der
Beschichtung vom Aufwachsen der Schutzschicht abhängt.
Wichtige Parameter, die man zweckmäßig durch einfache
Vorversuche bestimmt, sind Manteltemperatur, Porosität
der Elektrode, Salzkonzentration in der Lösung und der
Massestrom. Es ist auch möglich, die Beschichtungs
lösung über die gesamte Verweilzeit des Elektroden
abschnitts auf den Mantel aufzutragen. Eine größere,
die Wechselfestigkeit der Schicht möglicherweise
beeinträchtigende Schichtdicke vermeidet man dabei
durch Verwendung von Lösungen mit geringerer Salz
konzentration. Als Beschichtungsmittel sind grund
sätzlich alle Salze geeignet, die in Wasser löslich
sind und nach Verdampfen des Lösemittels bei höheren
Temperaturen geschlossene Filme bilden, die oxidations
beständig und für Fluide undurchlässig sind. Beispiele
geeigneter Salze sind die obengenannten Phosphate,
Borate und Silicate. Besonders vorteilhaft ist wegen
der einfachen Handhabung und der Qualität der gebildeten
Schutzschicht Monoaluminiumphosphat - Al(H2PO4)3. Die
wässerige Beschichtungslösung sollte etwa 15 bis 25%
Monoaluminiumphosphat enthalten und zur Ausbildung einer
geschlossenen, die Graphitelektrode schützende Schicht
braucht man zweckmäßig 300 bis 500 g/m2 Monoaluminium
phosphat, was etwa 1 bis 3 l/m2 Beschichtungslösung
entspricht.
Des Verfahren ermöglicht die Beschichtung von Graphit
elektroden mit einfachen Mitteln, wie sie bei der
Wasserkühlung des Elektrodenmantels gebraucht werden,
und die Erzeugung von Schichten, die eine sehr viel
bessere Schutzwirkung als die "Wasserschichten" haben.
Die Anwendung des Verfahrens ist nicht auf Graphit
elektroden beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf
Kohlenstoffelektroden, die vor allem in thermischen
Reduktionsöfen verwendet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beipiels
und einer Zeichnung erläutert.
Ein Graphitzylinder, Durchmesser 40 mm, Höhe 100 mm,
wurde auf 700°C erhitzt und auf die heiße Mantelfläche
eine 20%ige wässerige Lösung von Monoaluminiumphosphat
aufgesprüht. Es bildete sich sofort eine dünne weißliche
Schicht, die fest auf der Mantelfläche haftete. Die
aufgesprühte Menge Monoaluminiumphosphat betrug etwa
400 g/m2.
Unter Beibehaltung der Temperatur von 700°C wurde der
Zylinder und zum Vergleich ein nichtbeschichteter
Graphitzylinder in einem Laborofen oxidiert, die Beauf
schlagung betrug 100 l-Luft/h. Die Ergebnisse des Ab
brandtestes sind in der Fig. 1 dargestellt. Nach 2 h
hat die beschichtete Probe (ausgefüllte Kreise) etwa
5% des Ausgangsgewichts von ca. 200 g durch Abbrand
verloren, die Vergleichsprobe fast 30% (leere Kreise).
Claims (4)
1. Verfahren zur Verringerung des Abbrands von Graphit
elektroden bei ihrer Verwendung in einem Lichtbogen
ofen durch Beschichten der Mantelfläche mit einer
oxidationsbeständigen Schutzschicht,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Mantelfläche unterhalb der Kontaktbacken
die wässerige Lösung wenigstens eines, bei erhöhter
Temperatur glasartige Filme bildenden Salzes gesprüht
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Mantelfläche eine wässerige Lösung von
Monoaluminiumphosphat gesprüht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Mantelfläche eine 15 bis 20%ige wässerige
Aluminiummonophosphatlösung gesprüht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mantelfläche mit 300 bis 500 g/m2 Aluminium
monophosphat beschichtet wird.
Priority Applications (3)
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DE (2) | DE3809361A1 (de) |
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