NO844492L - Forbrent kompositt-karbonelektrode for bruk i elektriske lysbueovner. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår på forhånd brente karbon-elektroder anvendt ved bueordner og nærmere bestemt neddykket i bueovner for elektrometallurgiske prosesser.

Det er kjent at ved elektrometallurgiske prosesser neddykket elementer i bueovner som tilføres strømmen til reaksjonsområdet bestående av elektrodesøyler fremstilt av et karbonmaterial.

Disse elektrodesøylene består av individuelle komponenter, elektroder, generelt av en sylindrisk form, og er forbundet med hverandre ved deres ender ved hjelp av egnede forbindelser som sikrer mekanisk og elektrisk kon-tinuitet i søylene.

Med hensyn til de sylindriske elektrodene består disse tradisjonelt av et sylindrisk faststofflegeme eller et aksialt boret legeme fremstilt av karbonmateriale av hovedsaklig jevn karakteristikk gjennom hele legemet.

I løpet av ovnsdriften blir enden av elektrodesøylen neddykket i en viss grad i ovnens charge, mens ved et høyere nivå har søylen metalliske blokker for tilførsler av strøm kalt kontaktklemmer forsynt med tvunget vannkjøling. Strømmen gjennom kolonnens lengde innbefattet mellom disse kontaktklemmene og den nedre enden av kolonnen.

Det er kjent at av industrielle grunner er det ved elektriske ovner viktig både av tekniske og økonomiske grunner at elektrodene kan arbeide ved høy strømintensitet og strømtetthet.

Det er også kjent at dersom strømmen overskrider en viss intensitet for en gitt elektrode blir denne elektroden utsatt for en hurtig utleggelse og brudd.

I sonen for kolonnen som er innbefatter mellom kontaktklemmene og den nedre enden er temperaturelektroden ikke konstant og betydelige temperaturforskjeller er ikke i de forskjellige områdene p.g.a. varmen utviklet av skjult effekt i elektrodene gjennom hvilke strømmen flyter og p.g.a. overgangen av denne varmen fra elektroden til omgivelsen.

Disse temperaturforskjellene bevirker termomekaniske spenninger i elektrodene. Disse spenningene er forskjellig fordelt elektroden og virker på materialet også i fravær av ytre krefter.

Størrelsen og fordelingen av disse termomekaniske spenningene er hovedsaklig i forhold til følgende faktorer:

a) strømtetthet i elektroden,

b) elektriske resitivitet til elektroden,

c) termisk konduktivitet for elektroden,

d) termisk overføringskoeffisienter mellom den ytre overflaten til elektrodene og omgivelsen,

e) temperaturene til omgivelsene,

f) en termisk ekspansjonskoeffisienten til elektrodene,

g) elektrodens elastiske modul.

Faktorene a) - e) bestemmer temperaturverdien i elektrodene mens faktorene f) og g) bestemmer verdiene for de-indre spenningene p.g.a. temperaturfordelingen.

Siden, som beskrevet ovenfor, spenningsverdiene er bragt i forhold til ovenfornevnte parametere kan det skje at ved spesielle driftsforhold overskrider de høyeste verdiene til disse indre spenningene lokalt den mekanisk styrken til materialet som således bevirker sprekkformas joner som forhindrer elektrodekolonnen fra en normal drift.

Disse sprekkene tvinger generelt ovnsoperatøren til enten å senke ovnens drift, som således betyr produksjonstap, eller å utføre slike målinger som er ansett nødvendig, kjedsomlig eller ikke for å unngå den totale ødeleggelsen av elektroden.

Tilfellet av en stubbing av ovnen blir operatøren tvunget, som kjent, til å stoppe ovnsdriften for å ta ut den brutte delen av elektroden som er glidd ut av kolonnen og erstatteren av en ny del ekvivalent med den brutte delen.

Denne operasjonen bevirker et produksjonstap og krever ytterligere arbeid ved vanskelige omgivelsesforhold og ved oppgjenstarting av ovnen dannes flere farlige forhold for elektrodene (termisk sjokk).

Det er klart at virkningsgraden til elektrodene er svært viktig, idet virkningsgraden i forhold til elektrodekapa-siteten for å tilføre strøm med høy intensitet og motstår kjemiske angrep og mekaniske og termomekaniske spenninger, som elektrodene blir underlagt i løpet av bruk ved elek-trodeovnens drift, både ved stabil og transiente betingelser.

Et hvert tilfelle, selv om elektroden ikke brytes, er det klart at tilstedeværelsen av interne spenninger er en begrensende faktor for bruk av elektrodene og både ovns-operatøren og elektrodefremstilleren har alltid forsøkt å begrense de maksimale verdiene for disse spenningene.

Med hensyn til fremstillingen har utallige forsøk blitt utført i årene som har gått med hensyn til følgende kriterier: 1) Tilveiebringelse av gunstigere verdier for elektrodens fysikalske karakteristikker som har en influens på verdienefor de indre termomekaniske spenningene (elektrisk resitivitet, termisk konduktivitet, termisk ekspansjonskoeffisient og elastisitetskoeffisienten). 2) Dannelse av langsgående lisser i elektrodelegemet av forskjellige størrelser for å lette de indre spenningene som ville forekomme dersom elektrodene ikke var forsynt med disse åpningene. 3) Dannelse av elektrodelegemet med et koaksialt hull for å reduserende den maksimale verdien for de indre spenningene.

Med hensyn til punkt 1) kan det bemerkes at en forbedring ved elektrodenes fysikalske karakteristikker som har en influens på de indre spenningens verdier kan bli tilveiebragt ved å ta hensyn til råmaterialet og fremstillings-teknologien. Denne forbedringen kan imidlertid ikke over-skride visse grenser p.g.a. dets kostnader. Gode karakteristikker har imidlertid allerde blitt tilveiebragt ved å anvende materialer som inneholder høy prosentandel av elektrografitt og elektriske kalsinerte antrasitt, som har som kjent en lav elektrisk resistans, høy termisk konduktivitet, lav termisk ekspansjonskoeffisient og lav elasti-sitetkoeffisient.

Den mekaniske styrken til materialet kan likeledes bli forbedret ved å påvirke råmaterialene og produksjonstekno-logien for å redusere risikoen for å sprekke, idet den indre spenningen har samme verdien.

Med henvisning til punkt 2) skal det vises til US-patent nr. 1,058,057 som angår en elektrode forsynt med en langsgående sliss og et hull og US-patent nr. 2,527,295 som viser til en elektrode som har gjengede ender og forsynt med en eller flere langsgående slisser. Videre tysk patent nr. 2,554,606 som beskriver en elektrode forsynt med en skrulinjeformet sliss og US-patent nr. 2,603,669 som beskriver en elektrode forsynt med flere langsgående indre og ytre slisser.

Det er kjent mange patenter som beskriver slisser fremstilt i områder av de gjengede forbindelsene og gjengede nipler av grafittelektroder anvendt ved bueovner for stål-produksjon.

Med henvisning til punkt 3) skal nevnes følgende patenter: US-patent nr. 1,058,057, tysk patent nr. 2,113,465 som beskriver en elektrode som har hull og US-patent nr. 2,063,669, som forøvrig også er nevnt ovenfor.

Andre patenter er også kjent som henvisning til elektroder som har huller, men disse hullene er ment for å sabilisere buen på elektrodetoppen.

Tysk patent nr. 1,790,172 er også kjent og henviser til en boret elektrode med et rør fremstilt av et kjemisk motstandsdyktig materiale anbragt i boringen for å tillate en tilførsel av en gass i røret og boringen blir beskyttet mot kjemisk angrepet og oksydasjon.

Det er imidlertid kjent at på tross av ovenfornevnte oppfinnelse innbefatter elektrode anvendt ved elektrometallurgiske prosesser nesten alltid sylindriske faststoff-legemer eller sylindriske legemer som aksiale boringer med liten størrelse.

For produksjonsformål ved moderne ovner er imidlertid strømtettheten i elektroden alltid høy og elektrode-arbeidsbetingelsene blir alltid mer kritiske og nærmere opptil sikkerhetsgrensene. Det er derfor ekstremt viktig å tilveiebringe elektroder som kan bli elektriske charget med en høyere grad enn elektrode anvendt tidligere og generelt har en høyere resistans i forhold til ovenfornevnte termomekaniske spenninger.

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe elektroder med ovenfornevnte karakteristikker.

Ved oppfinnelsen blir øket resistans mot sprekker bevirket av indre mekaniske spenninger tilveiebragt ved å anvende sammensatte elektroder. Disse elektrodene består av to koaksiale sylindere forbundet med hverandre (fig. 1), en ytre sylinder av et materiale A (heretter kalt skall, og en indre sylinder av et annet materiale B, heretter kalt kjerne.

Som det vil fremgå i det påfølgende har bruk av to forskjellige materialer som har egnet karakteristikker til formål å redusere maksimalverdiene for de mekaniske spenningene som er direkte årsaken til sprekker. Ved sammensatte elektroder ifølge oppfinnelse har bruken av to forskjellige materialer dessuten til formål å redusere de maksimale spenningene ved de ytre overflatene siden disse maksimale spenningene, som kjent, generelt forekommer ved elektroder ved denne ytre overflaten.

For å tilveiebrige ovenfor nevnte formål og bedre vurdere fordelene som kan bli tilveiebragt er det ved oppfinnelsen blitt bestemt ved nøyaktige målingsverdier for elektriske og termiske ledere, mekaniske egenskaper på termiske ekspansjonskoeffisienter ved drifttemperaturene til elektrodene tilveiebragt av forskjellige råmaterialer og som anvender forskjellige fremstillingsteknologier og termiske brennesykluser. Dessuten er blitt utført studier ved de mest typiske termiske transientsykluser som elektrodene blir underlagt i løpet av drift.

Ved å anvende ovenfor nevnte informasjoner og en egnet matematisk modell er det blitt mulig å foreta vurderinger av fordelingen av materialspenningene ved hver seksjon av elektrodekolonnen, både ved elektrodens normale arbeids-betingelse, som er stabile termiske betingelser og ved spesielle betingelser slik som periodiske glipping av elektroden, en strømutfall eller en gjenoppstartings-operasjon, som er ved transiente termiske betingelser.

Fordelingen av de mekaniske spenningene har blitt be-regnet ved forskjellige strømtettheter og for forskjellig elektrodediametere også i området av forbindelsen av elektrodekolonnene.

Den riktig kunnskapen om hvordan spenningene blir utviklet og sammensatt av muliggjort en konstruksjon og fremstilling ifølge oppfinnelsen som skal bli nærmere beskrevet.

Reduksjonen av spenningene på elektrodeoverflaten blir tilveiebragt ved å fremstille skallet fra et material som har en høyere elektrisk og termisk konduktivitet med hensyn til materialet B anvendt for den indre kjernen. Materialet B til den indre kjernen skulle altså ha en lavere termisk ekspansjonskoeffisient og en lavere elastisitetskoeffisient sammenlignet med materialet A til skallet ved driftstemperaturene i praksis.

Forholdet mellom skallet og kjerneradiusen skulle naturligvis bli fortrinnsvis valgt.

Sammenlignes sammensatt elektrode med to tradisjonelle elektroder, en fremstilt av materialet B og en andre fremstilt kun av materialet A har ved den sammensatte elektroden forskjellen mellom aksetemperaturen og peri-feritemperaturen en mellomliggende verdi med hensyn til temperaturen tilveiebragt ved elektroden fremstilt fra materialet A og B og maksimumsspenningen har en lavere verdi.

Med andre ord, den nye sammensatte elektroden er forskjellig fra en konvensjonell elektrode av samme størrelse og underlagt samme driftsbetingelse p.g.a. at maksimumsverdiene til de mekaniske spenningen (uttrykt i N/mm ) som forekommer deri er lavere enn maksimumsverdiene til de mekaniske spenningene som forekommer ved en konvensjonell elektrode fremstilt fra kun et av materialene fra hvilke den sammensatte elektroden er fremstilt.

Dette faktumet baseres på følgende viktige praktiske punkter: Ved samme driftsbetingelser er den sammensatte elektroden mer pålitelig enn den konvensjonelle elektrode,

Dersom påliteligsnivået er det samme kan den sammensatte elektroden føre en strøm av høyere intensitet sammenlignet med den konvensjonelle elektroden,

Den sammensatte elektroden kan bedre motstå termiske spenninger som forekommer ved transientbetingelser, slik som i tilfellet av stopp og gjenoppstartning av ovnsopera-s jonen.

Ved hjelp av et eksempel, som imidlertid ikke skulle begrense oppfinnelsen, skal det henvises tre forskjellige elektroder som har en diameter på 1 200 mm. Den første av elektroden er en sammensatt elektrode (skall A og kjerne B), de andre og tredje elektrodene er konvensjonelle og fremstilt av materialer A og B henholds-vis. De tre elektrodene får tilført en totalstrøm på 68 000 ampere.

Materialet A er et elektrografitt basert materiale og følgende hovedkarakteristikker ved romtemperaturer: Elektrisk resitivitet: 25 ftym;

Termisk konduktivitet: 24 W/mK;

Termisk ekspansjonskoeffisient: 3,10~^/K;

Elastisitetskoeffisient: 6x10^ N/mm<2>.

Materialet B er et antrasittbasert materiale og har følgende hovedkarakteristikker ved romtempertur: Elektrisk resitivitet: 35 fiy m;

Termisk konduktivitet: 12 W/mK;

Termisk ekspansjonskoeffisient: 2,5 10~^/K; Elastisitetskoeffisient: 5x10^ N/mm<2>.

Ovenfor nevnte karakteristikker for materialene varierer på en kjent måte i samsvar med temperaturvariasjoner.

Den sammensatte elektroden består av et skall fremstilt av materialet A med en tykkelse 150 mm og en kjerne fremstilt av materialet B med en radius på 450 mm.

I praksis blir denne sammensatte elektroden fremstilt ved å anbringe, ved fremstillingstrinnene, den grønne blandingen av materialet B i aksialområdet av sylinderen og så fulle sylinderen fullstendig med den grønne blandingen av materialet A. Råelektrodesylinderen blir så underlagt en normal brennersyklus.

Resultatet av følgende beregninger er begrenset av enkel-hetsgrunner til en enkel transversal seksjon av en elektrode anbragt i en neddykket elektrisk bueovn, ovnen er av åpen eller halvåpen type slik som en ovn for produksjon av silikonmetall.

Ved disse betingelser er det ved å anvende en egnet matematisk og fysikalsk modell mulig å vurdere fordelingen av temperaturen hvor indre spenninger ved tre tilfeller ved forskjellige betingelser og for elektrodekolonneseksjonen under kontaktklemmene (fig. 2).

Denne seksjonen har blitt lukket p.g.a. at det er kjent ved teknisk drift av elektriske ovner at dette området er hvor brudd generelt forekommer.

Følgende tabell I viser beregnede resultater tilveiebragt for temperaturen ved de tre ovenfornevnte elektroder ved dens akse og dens periferi. Disse resultatene viser til en elektrodeseksjon som er anbragt mellom nedre kant av kontaktklemmene og den øvre overflaten av chargen siden dette er seksjonen hvor de høyeste termiske spenningene generelt forekommer ved elektroder og hvor det er mest sannsynlig av brudd forekommer.

Som det fremgår har temperaturforskjellen mellom aksen og periferien til den sammensatte elektroden en mellomliggende verdi med hensyn til elektrodene A og B, men den er imidlertid tett opp til temperaturdifferansen for elektroden A.

Følgende tabell II viser verdier som følge av beregningen av høyest aksialstrekkspenninger som forekommer ved elek-trodeperiferien.

Den laveste verdien for strekkspenningen ved elektrode-periferien blir som det fremgår tilveiebragt ved den sammensatte elektroden.

Det er mulig å vise at fordelen ved de sammensatte elektrodene med hensyn til konvensjonelle elektroder øker både med økning av elektrodediameteren og med reduksjon av elastisitetskoeffisienten til kjernematerialet. Denne fordelen er dessuten tilstede også ved transiente betingelser (stopp og gjenoppstarting av ovnsdriften).

Et annet viktig eksempel er hvor material A fremdeles har samme karakteristikker som i forrige eksempel, men hvor materialet B har følgende karakteristikker:

Elektrisk resitivitet: 45 fiym

Termisk konduktivitet: 11 W/mk

Termisk ekspansjonskoeffisient: 2,5 x 10~^/K

Elastisitetskoeffisient: 3,8 x 10 N/mm

Den sammensatte elektroden er 1,200 mm i diameter med- et skall av material A 150 mm tykt og en kjerne av material B med en radius på 450 mm. Den totale strømmen er 68 000 ampere. I dette tilfellet gir stabiltilstands-beregningene følgende karakteristikker.

Aksial strekkspenning o „ ( N/ mm ) ved stabile tilstandbetingelser

Som det fremgår er fordelene ved sammensatt elektrode betydelige siden den maksimale strekkspenning er praktisk talt redusert til halvdelen.

Tar man med i betrakningen for elektroden i et eksempel den termiske transienttilstandsbetingelsen som forekommer i løpet av kolonneavkjølingen som følger enhver ovnstopp får man følgende resultat:

Forts.

Aksial spenning oz ( N/ mm ) ved avkjølings betingelser

Som det fremgår er det også her fordeler ved den sammensatte elektroden, og disse er betydelig.

Ovenfornevnte generelle beskrivelse i eksempel henviser generelt til elektrodelegemet, men oppfinnelsen angår også forbindelsen uten hensyn til hvilken anvendt forbindelse. De sammensatte elektrodene ifølge oppfinnelsen kan bli anvendt med spesiell fordel ved bueovner for fremstilling av silisiummetall. Men naturligvis kan også de andre an-vendes ved andre områder.

Tegningen viser et aksialt snitt av en sammensatt elektrode ifølge oppfinnelsen. De sammensatte elektrodene ifølge oppfinnelsen kan bli tilveiebragt ved ekstrudering, vibrasjon, støping eller annen egnet prosess som er i og for seg kjent. Skallet A og kjernen B kan bestå av ethvert karbonholdig materiale uten begrensninger.

Claims (7)

1 • På forhånd brent karbonelektrode for elektriske bueovner av nærmere bestemte ved neddykkere bueovner slik som ovner for fremstilling av silisiummetall, fosfor, ferrolegeringer og andre metaller, bestående av et legeme og en eller flere forbindelser for å danne en elektrodekolonne, karakterisert ved at elektroden har en sammensatt konstruksjon siden den består av en ytre del eller skall fremstilt av et første material (A) og en indre del eller kjerne fremstilt av et andre materiale (B) som har en mekanisk og/eller termisk og/eller elektrisk karakteristikk forskjellig fra karakteristikken til det første materialet (A).

2. Elektrode ifølge krav 1, karakterisert ved at de to delene til elektroden er fremstilt av forskjellige materialer ved en sylindrisk form og er koaksi-altidet det første materialet (A), som danner en elektrodedel innbefatter mellom den ytre radiusen r til elektroden av en radius er kortere enn r og det andre materialet (B) danner en elektrodedel innbefatter mellom radiusen r og elektrodeaksen.

3. Elektrode ifølge krav 2, karakterisert ved at forholdet R/r kan ha enhver verdi>l.

4. Elektrode ifølge krav 1 og/eller 2, karakterisert ved at de to materialene (A) og (B) kan bestå av ethvert karbonholdig materiale, at de er forskjellig fra hverandre i de anvendte råmaterialene, og/eller i sammensetning, idet det er mulig å anvende kun en type råmateriale.

5. Elektrode ifølge krav 1 og/eller 2 og/eller 3, karakterisert ved at de to materialene er forskjellig fra hverandre med hensyn til den teknolog-iske produksjonssyklusen anvendt for dets fremstilling.

6. Elektrode ifølge et hvilket av de foregående krav, karakterisert ved at det oppstår skjøtene som forbinder til en elektrode i forhold til hverandre har en sammensatt konstruksjon i samsvar med foregående krav uten hensyn til anvendt syklus.

7. Elektrode ifølge et hvilket av de foregående krav, karakterisert ved at det første materialet (A) er et elektrodegrafisk basert materiale og at det andre materialet (B) er et antrasittbasert materiale.