JP2000294367A - 電気炉用黒鉛電極の接続構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 黒鉛電極の使用中にソケットのネジ谷での亀
裂発生を回避でき、そのための加工も容易にできる電気
炉用黒鉛電極の接続構造を提供する。 【解決手段】 黒鉛電極５３の端面にソケット５１を設
け、ソケット５１にニップル５２を螺着し、ニップル５
２に上記と同形状のソケットを端面に設けた別の黒鉛電
極５０を螺着してその軸線方向に接続する電気炉用黒鉛
電極の接続構造１において、ソケット５１のネジ山２及
び／又はニップル５２のネジ山３の反フランク面２ａ、
３ａを削りネジ山２、３を薄肉にして、これら薄肉のネ
ジ山２、３に撓み性を付与したことを特徴とする。ネジ
山２、３が撓み、ソケット５１のネジ山２のフランク面
４に加わる力が緩和されてネジ谷の応力集中が回避さ
れ、黒鉛電極５３の使用中、ソケット５１のネジ谷での
亀裂の発生及び成長が阻止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、製鋼用電気炉、製
銅用電気炉など、金属の精錬、溶解用電気炉において使
用される電気炉用黒鉛電極の接続構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気炉用黒鉛電極は、先端部分がアーク
放電に伴う高温度による昇華、酸化あるいはスラグによ
る浸蝕等によって損耗するため、使用中の黒鉛電極に随
時新しい黒鉛電極を接続してゆくことが必要である。こ
の接続は、図７に示すように、黒鉛電極５０の端面にソ
ケット５１を設け、このソケット５１に同材質の黒鉛製
のニップル５２を螺着し、このニップル５２を既設の黒
鉛電極５３に螺着してその軸線ＸＹ方向に接合すること
により行われる。

【０００３】この電気炉用黒鉛電極の使用中、ソケット
５１とニップル５２との熱膨張の差により熱応力が発生
する。この熱応力に起因した応力集中が、図８に示すよ
うに、ニップル５２の最先端にあるネジ山５４が螺着し
ているソケット５１のネジ谷５５の最深部Ａ点に起こり
亀裂Ｂが発生する。そして、この亀裂Ｂが発達すると、
電気炉操業中に黒鉛電極５３が脱落する危険性がある。

【０００４】この様な亀裂の発生を防ぐ試みは種々行わ
れており、例えば、図８の斜線で示す部分を削除して、
ニップル５２の最先端にあるネジ山５４が螺着するソケ
ット５１のネジ山５６からネジ底５７までを、曲面状底
部５８に形成し、ネジ谷５５の最深部Ａに起こる応力集
中を緩和する方法が提案され、これにより、応力集中が
５０％以上減少したことが報告されている（アメリカ特
許第4,161,619 号）。

【０００５】また、図９に示すように、ニップル５２の
小端径部６０（ニップル先端の最小径部）側のネジ山の
頭部を削徐して、この短頭のネジ山５９とこれに噛み込
むソケット５１のネジ山５６とに加わる応力集中を緩和
する方法もある（アメリカ特許第4,152,533 号）。更
に、ニップルの端面から長手方向に切込溝を入れて、ニ
ップルを径方向に撓み易くし、ニップルの熱膨張によ
り、ニップルのネジ山がソケットのネジ谷に食い込むの
を吸収する方法も提案されている（実公昭62-24957号公
報）。

【０００６】しかしながら、上記のソケット５１に曲面
状底部５８を形成する方法は、電極材料自体に多くの空
孔を有しているため、この空孔の端部に応力が集中し、
曲面状底部５８に存在する空孔を結んで亀裂が成長する
ことになり、ソケット５１のネジ底５７の横割れに対し
ては、十分な効果がなく、その曲面状底部５８の加工も
容易でないという難点もある。

【０００７】また、ニップル５２のネジ山を短頭のネジ
山５９とする方法は、電気炉が１つの電源を用いて２つ
の炉に交互に送電して、一方の炉の操業が終わると、隣
の炉に電源を繋ぎ変えて操業を継続するようなツイン炉
の場合には、ソケット５１とニップル５２との接続部分
の温度が上昇した時、ネジ底５７における噛み合いがき
つくなって、応力集中を緩和する効果が低くなり、亀裂
が発生成長し易く、ソケット５１のネジ底５７近辺の第
一噛み込みのネジ谷最深部Ａに横割れＢが生ずることに
なる。更に、ニップルに切込溝を入れる方法では、ニッ
プルが径方向に撓むので、ソケットの縦割れに対しては
有効であるが、ソケットの横割れに対しては有効に作用
せず、切込溝によりニップル自体の強度が低下して別な
弊害を生じるおそれがある。

【０００８】発明者らは、黒鉛電極の接続部における上
記従来の問題点を解決するために、ソケットの横割れに
ついて解析を行った結果、横割れはツイン炉に多く見ら
れることを見出した。その原因は、ツイン炉は交互に炉
が操業されるため、停止している炉の黒鉛電極の温度が
下がり、再び送電する時には送電による黒鉛電気の自己
発熱よりも外周雰囲気からの伝熱加熱が主体となるため
に接続部分の内外温度差が縮小し、この状態ではニップ
ルの接続方向の熱膨張量よりもソケットの接続方向の熱
膨張量が大きくなって、ニップルの小端径側のネジ山ほ
どソケットをより強く押しつけるためであり、このとき
アーク放電による強い振動や原料金属の落下に伴う横加
重を受けると、ソケットの第一噛み込みのネジ谷最深部
Ａに応力が集中し、亀裂が生じ操業回数を重ねる度に亀
裂が広がり、遂には脱落事故が発生することを究明し
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、黒鉛電極の
接続構造における上記の熱応力に起因するソケットのネ
ジ谷の亀裂発生を解消するために、上記の知見に基づい
て、ネジ谷の最深部での応力集中とソケット及びニップ
ルのネジ山の形状との関係について、種々の観点から検
討、実験を重ねた結果としてなされたもので、その目的
は、黒鉛電極の使用中にソケットのネジ谷での亀裂発生
を回避でき、そのための加工も容易である電気炉用黒鉛
電極の接続構造を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち、上記の目的を
達成するための本発明による電気炉用黒鉛電極の接続構
造は、黒鉛電極の端面にソケットを設け、該ソケットに
ニップルを螺着し、該ニップルに上記と同形状のソケッ
トを端面に設けた別の黒鉛電極を螺着してその軸線方向
に接続する電気炉用黒鉛電極の接続構造において、前記
ソケットのネジ山及び／又は前記ニップルのネジ山の反
フランク面を削ってネジ山を薄肉にし、該薄肉のネジ山
に撓み性を付与したことを第１の特徴とし、前記薄肉の
ネジ山は、ソケットの小端径部側及び／又はソケットの
小径底面部側に位置しかつニップル全長の１／４以下の
長さ範囲内に存在することを第２の特徴とする。

【００１１】また、前記ネジ山の反フランク面の削り量
は、前記ネジ山の断面積の５〜５０％の範囲であるこ
と、及び前記ネジ山の反フランク面の削り量は、前記ネ
ジ山がニップルの小端径部側及び／又はソケットの小径
底面部側に向かうに従い、前記ネジ山の断面積の５〜５
０％の範囲内で大きくしたことを第３及び第４の特徴と
する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を 図
１〜７に基づいて説明する。図１〜６はいずれも本発明
の実施形態を示す電気炉用黒鉛電極の接続構造の縦断面
図である。図１〜２において、電気炉用黒鉛電極の接続
構造１は、図７に示すように、黒鉛電極５０及び５３の
端面にソケット５１を設け、この黒鉛電極５０のソケッ
ト５１にニップル５２を螺着し、このニップル５２に黒
鉛電極５３のソケット５１を螺着して、その軸線方向Ｘ
Ｙに接続するものであり、本発明においては、図１〜２
に示すように、黒鉛電極５３のソケット５１のネジ山２
及び／又はニップル５２のネジ山３の反フランク面２
ａ、３ａを削ってネジ山２、３を薄肉にし、該薄肉のネ
ジ山２、３に撓み性を付与するように構成してなる。な
お、図１〜６中フランク面は符号４で示す。フランク面
４とは、図７に示すＸＹ軸におけるソケット５１のネジ
山２とニップル５２のネジ山３との当接面である。

【００１３】本発明の電気炉用黒鉛電極の接続構造は、
ソケット５１のネジ山２の反フランク面２ａ及び／又は
ニップル５２のネジ山３の反フランク面３ａを削り、ネ
ジ山２及びネジ山３を薄肉にし、撓み易くして亀裂発生
箇所の応力集中を防ぐものである。従って、図１〜２の
ソケット５１及びニップル５２の双方のネジ山２及び３
を削り薄肉とする場合、図３〜５のソケット５１のネジ
山２のみを削り薄肉とする場合、図６のニップル５２の
ネジ山３のみを削り薄肉とする場合の３通りの方式があ
る。これらのソケット５１のネジ山２及びニップル５２
のネジ山３の薄肉の度合い、すなわち、ネジ山２及び３
の反クランク面の削り量は、その断面積の５〜５０％の
範囲とするのが好ましい。５％未満では撓み難く、５０
％を越えると強度が不足しネジ山２及び３が欠落するお
それがある。

【００１４】図１に示す実施形態は、ソケット５１のネ
ジ山２及びニップル５２のネジ山３の反フランク面２ａ
及び３ａを削り、ソケット５１及びニップル５２双方の
薄肉のネジ山２及び３に撓み性を付与した電気炉用黒鉛
電極の接続構造１である。これら薄肉のネジ山２及び３
は、その断面積の５０％を削ったものである。従って、
薄肉のネジ山２及び３の間には広い空間５が出来ると共
に、双方のネジ山２及び３が互いに撓み易くなってい
る。図２に示す実施形態は、薄肉のネジ山２及び３は、
その断面積の３０％を削ったものであり、その他の構成
は図１に示す実施形態と同様である。

【００１５】図３に示す実施形態は、ソケット５１のネ
ジ山２の反フランク面２ａを削り、ソケット５１の薄肉
のネジ山２にのみ撓み性を付与した電気炉用黒鉛電極の
接続構造１ａである。この薄肉のネジ山２は、その断面
積の５０％を削ったものである。従って、薄肉のネジ山
２及び通常厚みのネジ山３の間には広い空間５が出来る
と共に、薄肉のネジ山２のみが撓み易くなっている。図
４に示す実施形態は、ソケット５１の薄肉のネジ山２
は、その断面積の３０％を削ったものであり、その他の
構成は図３に示す実施形態と同様である。また、図５に
示す実施形態は、ソケット５１の薄肉のネジ山２は、そ
の断面積の５％を削ったものであり、その他の構成は図
３に示す実施形態と同様である。

【００１６】図６に示す実施形態は、ニップル５２のネ
ジ山３の反フランク面３ａを削り、ニップル５２の薄肉
のネジ山３にのみ撓み性を付与した電気炉用黒鉛電極の
接続構造１ｂである。この薄肉のネジ山３は、その断面
積の５０％を削ったものである。従って、薄肉のネジ山
３及び通常厚みのネジ山２の間には広い空間５が出来る
と共に、薄肉のネジ山３のみが撓み易くなっている。

【００１７】亀裂発生箇所の応力集中は、図８に示した
ように、ソケット５１のネジ底５７近辺の第一噛み込み
のネジ谷最深部Ａで起きることから、ネジ底５７近辺の
第一噛み込みのネジ谷最深部Ａで起きる、すなわち、ニ
ップル５２の小端径部６（ニップル先端の最小径部）側
及び／又はソケット５１の小径底面部（ニップル先端の
最小径部と対向するソケット底部の最小径部）側に位置
するネジ山２、ネジ山３のみを薄肉にして撓み易くして
も良く、この場合には、薄肉にするネジ山２、３の部分
をニップル全長の１／４以下の長さ範囲内に存在させる
のが好ましい。この態様においても、ネジ山２のみを薄
肉とする方式（図３〜５）、ネジ山３のみを薄肉とする
方式（図６）並びにネジ山２及びネジ山３双方を薄肉に
する方式（図１〜２）の３通りの方式がある。薄肉の度
合いは、前記と同様、その断面積の５〜５０％の範囲と
するのが好ましい。また、この範囲内でニップルの小端
径部側、ソケットの小径底面部側に向かうに従い、ネジ
山２及びネジ山３を、例えば連続的に又は段階的に徐々
に薄肉にする形態を採ることも出来る。なお、このネジ
山２及びネジ山３を徐々に薄肉にして行く考え方は、図
１〜６に示す実施形態に適用しても良い。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の効果を確認するための実施例
を比較例と対比して説明する。 実施例１ 口径３６８．３３ｍｍ、深さ２８８．４０ｍｍのソケッ
トを設けた直径２８インチ、長さ２７００ｍｍの円柱状
の黒鉛電極と、このソケットに螺着する有効径３７４．
６５ｍｍ（先端部直径２７１．７８ｍｍ）、長さ５５
８．８０ｍｍのニップルとを使用し、図５に示すよう
に、ソケットのネジ山の反フランク面側からネジ山の断
面積の５％を削り、薄肉のネジ山とする。上記の黒鉛電
極のソケットにニップルを螺着し、実際に操業中の製鋼
用電気炉にセットし、同一条件で連続操業したのち、先
端脱落長さを測定した。

【００１９】実施例２ 図４に示すように、ソケットのネジ山における断面積の
削り量を３０％にしたこと以外、実施例１と同条件で先
端脱落長さを測定した。

【００２０】実施例３ 図３に示すように、ソケットのネジ山における断面積の
削り量を５０％にしたこと以外、実施例１と同条件で先
端脱落長さを測定した。

【００２１】実施例４ 図２に示すように、ニップル及びソケットのネジ山にお
ける断面積の削り量を３０％にしたこと以外、実施例１
と同条件で先端脱落長さを測定した。

【００２２】実施例５ 図６に示すように、ニップルのネジ山における断面積の
削り量を５０％にしたこと以外、実施例１と同条件で先
端脱落長さを測定した。

【００２３】実施例６ 図１に示すように、ニップル及びソケットのネジ山にお
ける断面積の削り量を５０％にしたこと以外、実施例１
と同条件で先端脱落長さを測定した。

【００２４】比較例１ ニップル及びソケットの双方のネジ山における断面積の
削り量を０％（従来例）にしたこと以外、実施例１と同
条件で先端脱落長さを測定した。

【００２５】比較例２ ソケットのネジ山における断面積の削り量を６０％にし
たこと以外、実施例１と同条件で先端脱落長さを測定し
た。

【００２６】上記実施例および比較例での測定結果を表
１に示す。表１に示すように、本発明に従う実施例１〜
６のものは比較例１のものより先端脱落長さが短く、亀
裂発生防止効果が認められた。また、ソケットのネジ山
を５％以上削れば効果があり、ニップルよりソケットの
ネジ山を削った方が効果があり、更に、ニップル及びソ
ケットの双方のネジ山を削るのが最も効果的であること
が確認された。なお、削り量を本発明の範囲を外れる６
０％にした場合には、ネジ山の強度が不十分となりネジ
の欠落が多発した。

【００２７】

【表１】

【００２８】実施例７〜１３ 実施例７〜１３は、ソケットのネジ底近辺、すなわち、
ニップルの小端径部側、ソケットの小径底面部側に位置
しかつニップル全長の１／４以下の長さ範囲内に存在す
るネジ山を薄肉にする形態である。実施例７〜１３にお
いては、ニップル及びソケットの削り量を表２に示すよ
うにしたこと以外、実施例１と同条件で先端脱落長さを
測定した。なお、ニップル全長のネジ山は４２山×２倍
＝８４山である。測定結果を表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】表２にみられるように、実施例７〜１３の
ものは比較例１のものより先端脱落長さが短く、亀裂発
生防止効果が認められる。これら実施例７〜１３中、実
施例１２は、小端径部側に位置するニップル及びソケッ
トのネジ山の各５つを３０％削ったもので、ニップル及
びソケットの全てのネジ山を３０％削ったもの（実施例
４）に比べ顕著に良好な結果が得られた。

【００３１】実施例１４ ソケットのネジ底近辺、すなわち、小端径部側、小径底
面部側から数えて１０山目のニップル及びソケットのネ
ジ山を起点にして、小端径部側、小径底面部側に向かっ
て各ネジ山の削り量を５〜５０％の範囲で徐々に増やす
こと以外、実施例１と同条件で先端脱落長さを測定し
た。

【００３２】実施例１５ 実施例１４と同様に、小端径部側から数えて１０山目の
ニップルのネジ山を起点にして、小端径部側に向かって
ニップルのみの各ネジ山の削り量を５〜５０％の範囲で
徐々に増やすこと以外、実施例１と同条件で先端脱落長
さを測定した。

【００３３】実施例１６ 実施例１４と同様に、小径底面部側から数えて１０山目
のソケットのネジ山を起点にして、小径底面部側に向か
ってソケットのみの各ネジ山の削り量を５〜５０％の範
囲で徐々に増やすこと以外、実施例１と同条件で先端脱
落長さを測定した。

【００３４】以上の測定結果を表３に示す。表３に示す
ように、実施例１４〜１６のものは比較例１のものより
先端脱落長さが短く、亀裂発生防止効果が認められる。
これら実施例１４〜１６中、実施例１６は小径底面部側
に向かってソケットのみのネジ山の削り量を５〜５０％
の範囲で徐々に増やしたものであり、先端脱落が完全に
防止されている。

【００３５】

【表３】

【００３６】以上、本発明の好ましい実施形態について
説明したが、具体的な構成はこれに限定されず、本発明
の要旨を逸脱しない範囲での変更、追加は本発明の範囲
内である。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、ソケットのネジ山及び／又はニップルのネジ山の反
フランク面を削りネジ山を薄肉にしたから、薄肉のネジ
山が撓み、ソケットのネジ山のフランク面に加わる力が
緩和されてネジ谷に応力が集中することを回避でき、亀
裂の発生及び成長を抑制することができる。従って、黒
鉛電極の使用中にソケットのネジ谷の亀裂発生による脱
落が防止される。そのための加工もネジ山を薄肉にする
だけであるから容易である。

【００３８】請求項２の発明によれば、前記薄肉のネジ
山が小端径側に位置しかつニップル全長の１／４以下の
長さ範囲内に存在しているだけで良いから、上記効果に
加え加工量が少なくなる分有利となる。

【００３９】請求項３の発明によれば、前記ネジ山の反
フランク面の削り量は、前記ネジ山の断面積の５〜５０
％の範囲とするだけで良いから、上記効果に加え、加工
が容易になる分有利となる。

【００４０】請求項４の発明によれば、前記ネジ山の反
フランク面の削り量は、前記ネジ山が小端径部側、小径
底面部側に向かうに従い、前記ネジ山の断面積の５〜５
０％の範囲内で大きくするだけで良いから、上記効果に
加え、加工量が少なく且つ加工が容易になる分有利とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す電気炉用黒鉛電極の接
続構造の縦断面図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す電気炉用黒鉛電極の
接続構造の縦断面図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す電気炉用黒鉛電極の
接続構造の縦断面図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す電気炉用黒鉛電極の
接続構造の縦断面図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す電気炉用黒鉛電極の
接続構造の縦断面図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す電気炉用黒鉛電極の
接続構造の縦断面図である。

【図７】電気炉用黒鉛電極の基本的な接続構成を示すの
縦断面図である。

【図８】図７のＡ１部の拡大縦断面図である。

【図９】従来例を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ 電気炉用黒鉛電極の接続構造 ２、３、５６ ネジ山 ２ａ、３ａ 反フランク面 ４ フランク面 ５ 空間 ６、６０ ニップルの小端径部 ５０、５３ 黒鉛電極 ５１ ソケット ５２ ニップル ５４ ニップルのネジ山 ５５ ネジ谷 ５７ ネジ底 ５８ 曲面状底部 ５９ 短頭ネジ山 Ａ 最深部 Ｂ 亀裂

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 黒鉛電極の端面にソケットを設け、該ソ
   ケットにニップルを螺着し、該ニップルに上記と同形状
   のソケットを端面に設けた別の黒鉛電極を螺着してその
   軸線方向に接続する電気炉用黒鉛電極の接続構造におい
   て、前記ソケットのネジ山及び／又は前記ニップルのネ
   ジ山の反フランク面を削ってネジ山を薄肉にし、該薄肉
   のネジ山に撓み性を付与したことを特徴とする電気炉用
   黒鉛電極の接続構造。
2. 【請求項２】 前記薄肉のネジ山は、ニップルの小端径
   部側及び／又はソケットの小径底面部側に位置し且つニ
   ップル全長の１／４以下の長さ範囲内に存在することを
   特徴とする請求項１記載の電気炉用黒鉛電極の接続構
   造。
3. 【請求項３】 前記ネジ山の反フランク面の削り量は、
   前記ネジ山の断面積の５〜５０％の範囲であることを特
   徴とする請求項１又は２記載の電気炉用黒鉛電極の接続
   構造。
4. 【請求項４】 前記ネジ山の反フランク面の削り量は、
   前記ネジ山がニップルの小端径部側及び／又はソケット
   の小径底面部側に向かうに従い、前記ネジ山の断面積の
   ５〜５０％の範囲内で大きくしたことを特徴とする請求
   項１又は２記載の電気炉用黒鉛電極の接続構造。