Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupferkontaktbacke für ein elektrisches Einschmelzaggregat, insbesondere einen Elektrolichtbogenofen, die an einem Elektrodentragarm des Einschmelzaggregats anbringbar ist und über die eine Elektrode des Einschmelzaggregats mit dem Elektrodentragarm elektrisch leitend verbindbar ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kupferkontaktbacke.

Gattungsgemäße Kontaktbacken sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt, so beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 34 43 574 A1 sowie aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 005 051 A1.

Die Herstellung solcher aus reinem Kupfer bestehenden Kontaktbacken erfolgt derart, dass zunächst ein gewalzter oder geschmiedeter Kupferrohling bereitgestellt und sodann mechanisch bearbeitet wird, indem Bohrungen für die Wasserkühlung eingebracht werden. Aufgrund der Größe einer Kontaktbacke, die beispielsweise eine Länge von 750 mm, eine Breite von 600 mm und eine Dicke von 150 mm aufweisen kann, stellt das Tieflochbohren - nach wie vor - eine technische Herausforderung dar. Aus diesem Grund werden derzeit große Bohrdurchmesser von mindestens 24 mm verwendet, wobei die Bohrungen typischerweise über die jeweils einander gegenüberliegenden Stirnseiten in die Kontaktbacke gebohrt werden, so dass sich die Bohrungen in der Mitte treffen. Die beiden Öffnungen können sodann schweißtechnisch mit einem Kupferstopfen oder mittels Gewindeverschlussschrauben verschlossen werden.

Beim Schweißen von Kupfer muss das zu schweißende Material üblicherweise gleichmäßig auf eine Temperatur von ca. 600 °C vorgewärmt werden, was energie- und zeitintensiv ist. An den zu schweißenden Stellen entstehen sodann Temperaturen von größer 1200 °C, die zu einer lokalen Rekristallisation des Gefüges und damit einhergehend zu einem Verlust der ursprünglichen Härte, die das Material durch den Schmiede- oder Walzvorgang erhalten hat, führen. Auch das Verschließen mit Gewindeverschlussschrauben oder ähnlichen Mitteln kann aufgrund der hohen Umgebungstemperaturen im Aggregat nicht dauerhaft gewährleistet werden.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kupferkontaktbacke für ein elektrisches Einschmelzaggregat, insbesondere für einen Elektrolichtbogenofen, sowie ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kupferkontaktbacke bereitzustellen.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Kupferkontaktbacke mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.

Erfindungsgemäß umfasst die Kupferkontaktbacke, die an einem Elektrodentragarm des Einschmelzaggregats anbringbar ist und über die eine Elektrode des Einschmelzaggregats mit dem Elektrodentragarm elektrisch leitend verbindbar ist; einen Grundkörper mit einer rückseitigen Fläche, die üblicherweise einem Elektrodenarm zugewandt ist, und einer gegenüberliegend angeordneten vorderseitigen Fläche, die üblicherweise einer Elektrode zugewandt ist, einer ersten Stirnfläche und einer zweiten, axial gegenüberliegend angeordneten, Stirnfläche, die im eingebauten Zustand so dann der Schmelze im Einschmelzaggregat zugewandt ist, sowie zumindest einer ersten und einer zweiten Seitenfläche; zwei auf der vorderseitigen Fläche des Grundkörpers angeordnete Kontaktflächen, die zueinander spiegelsymmetrisch ausgebildet sind und sich axial entlang des Grundkörpers erstrecken; sowie ein Kühlkanalsystem mit einer Kühlmitteleinlauföffnung und einer Kühlmittelauslauföffnung sowie einer Vielzahl von Kühlkanälen, die sich durch den Grundkörper axial und radial erstrecken.

In gleicher Weise sieht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Kupferkontaktbacke vor, dass zunächst ein geschmiedeter oder gewalzter Kupferkontaktbackenrohling bereitgestellt wird, der einen Grundkörper mit einer rückseitigen Fläche und einer gegenüberliegend angeordneten vorderseitigen Fläche, einer ersten Stirnfläche und einer zweiten, axial gegenüberliegend angeordneten, Stirnfläche, zumindest einer ersten und einer zweiten Seitenfläche, sowie zwei auf der vorderseitigen Fläche des Grundkörpers angeordnete Kontaktflächen, die zueinander spiegelsymmetrisch ausgebildet sind und sich axial entlang des Grundkörpers erstrecken, umfasst; wobei anschließend eine Kühlmitteleinlauföffnung, eine Kühlmittelauslauföffnung sowie eine Vielzahl von durch den Grundkörper axial und radial verlaufenden Kühlkanälen mechanisch, vorzugsweise mittels tieflochbohren, eingebracht wird.

Durch das Kühlkanalsystem, welches eine Kühlmitteleinlauföffnung, eine Kühlmittelauslauföffnung sowie einer Vielzahl von Kühlkanälen umfasst, die durch den Grundkörper axial und radial verlaufen, wird zum einen, bedingt durch die erhöhte Anzahl von Kühlkanälen, eine verbesserte Wärmeabführung erzielt. Ferner können die Kühlkanäle durch ihren im Vergleich zum Stand der Technik viel kleineren Durchmesser näher an die hoch beanspruchten Kontaktflächen platziert werden, wodurch die Kühlwirkung dieser erheblich verbessert werden kann. Fertigungstechnisch muss die erfindungsgemäße Kupferkontaktbacke nicht mehr geschweißt werden. Hierdurch wird zum einen erzielt, dass das Material keine Rekristallisation erfährt und somit das während des Schmiede- oder Walzvorgang eingestellte Gefüge beibehält, wodurch längere Standzeiten gewährleistet werden können. Zum anderen entfällt eine zweite mechanische Bearbeitung inklusive Rüstzeit, wodurch zudem die Fertigungskosten reduziert werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.

Unter dem Begriff „Vielzahl von Kühlkanälen“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass das Kühlsystem mindestens zehn, bevorzugt mindestens zwanzig, mehr bevorzugt mindestens dreißig, noch mehr bevorzugt mindestens vierzig, und am meisten bevorzugt mindestens fünfzig einzelne Kühlkanäle umfasst.

Vorteilhafterweise sind die Vielzahl von Kühlkanälen derart in dem Grundkörper ausgebildet und miteinander fluidisch verbunden, dass diese über eine einzige zentrale Kühlmitteleinlauföffnung und eine einzige zentrale Kühlmittelauslauföffnung mit einem Kühlmittel versorgt werden können.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die 1 bis 3 großen Bohrungen von mindestens 24 mm durch eine Vielzahl von kleinen Tieflochbohrungen ersetzt, die miteinander fluidisch verbunden sind. Durch die Vielzahl an Kühlkanälen kann die erforderliche Kühlwassermenge von beispielsweise 5000 L/h gewährleistet werden. Weiterhin erlaubt die Vielzahl von Kühlkanäle, die durch eine einseitig geöffnete Tieflochbohrung gebildet sind bzw. werden, dass diese derart in der Kupferkontaktbacke platziert werden können, dass die Gewindeverschlussschrauben zum Verschließen der Öffnungen nicht direkt der Strahlungswärme einer Schmelze ausgesetzt sind, wenn die Kupferkontaktbacke im Einsatz ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass jeder der Kühlkanäle einen Durchmesser im Bereich von 4,0 bis 16,0 mm, mehr bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 5,0 bis 14,0 mm, noch mehr bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 6,0 bis 12,0 mm, und am meisten bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 6,00 bis 10,0 mm, aufweist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante beträgt der Durchmesser einer jeden Tieflochbohrung und somit eines jeden Kühlkanals einen Durchmesser von 8,0 mm.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Vielzahl von Kühlkanälen aus einer Mehrzahl von Kühlkanalgruppen gebildet sind, die sich jeweils axial oder radial durch den Grundkörper der Kupferkontaktbacke erstrecken. In diesem Zusammenhang ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass jede der Mehrzahl von Kühlkanalgruppen zumindest zwei, bevorzugt zumindest drei, mehr bevorzugt zumindest vier oder mehr Kühlkanäle umfasst. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante umfasst jede der Mehrzahl von Kühlkanalgruppen vier Kühlkanäle. Durch das Zusammenfassen der Vielzahl von Kühlkanälen zu einzelnen Gruppen kann der Fertigungsprozess nochmals vereinfacht werden, da mehrere Tieflochbohrungen in einem einzigen Arbeitsschritt erzeugt werden können. In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem ein elektrisches Einschmelzaggregat, insbesondere einen Elektrolichtbogenofen, umfassend einen Elektrodentragarm sowie eine an dem Elektrodenarm angeordnete erfindungsgemäße Kupferkontaktbacke.

Figurenbezeichnung

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:

Fig. 1a/1 b eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Kupferkontaktbacke in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 2 bis 6 unterschiedliche Schnittansichten der in Figur 1 gezeigten Kupferkontaktbacke, und

Fig. 7 eine Ausführungsvariante eines Elektrodenarms umfassend die Kupferkontaktbacke.

In den Figuren 1a und 1b ist eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Kupferkontaktbacke 1 in zwei unterschiedlichen perspektivischen Darstellungen gezeigt. Die vorliegende Kupferkontaktbacke 1 besteht aus reinem geschmiedetem Kupfer (99,98 Gew.-%) und ist zur Verwendung in einem elektrischen Einschmelzaggregat, wie beispielsweise einem Elektrolichtbogenofen, vorgesehen. Ein solches Einschmelzaggregat bzw. der Elektrolichtbogenofen kann einen oder mehrere Elektrodentragarme 2 (siehe Figur 7) umfassen, an deren distalem Ende jeweils die Kupferkontaktbacke 1 befestigt ist. Über die Kupferkontaktbacke 1 sowie ein Befestigungsmittel 3 wird eine Elektrode des Einschmelzaggregats, wie beispielsweise eine Grafitelektrode, mit dem Elektrodentragarm 2 elektrisch leitend verbunden. Üblicherweise wird die Elektrode (nicht dargestellt) hierbei über das Befestigungsmittel 3 kraftschlüssig mit dem Elektrodentragarm 2 fixiert.

Wie anhand der Figuren 1 bis 6 dargestellt, umfasst die Kupferkontaktbacke 1 einen Grundkörper 4 mit einer einem Elektrodenarm 2 zugewandten rückseitigen Fläche 5 und einer der rückseitigen Fläche 5 gegenüberliegend angeordneten, und sodann der Elektrode zugewandten, vorderseitigen Fläche 6. Um zwischen der Elektrode und der Kupferkontaktbacke 1 eine ausreichend hohe elektrische Kontaktierung zu erzielen, weist die vorderseitige Fläche 6 zwei, jeweils eine konkave Einwölbung umfassende, Kontaktflächen 7, 8 auf, die sich entlang des Grundkörpers 4 axial erstrecken und zueinander spiegelsymmetrisch ausgebildet sind. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorderseitige Fläche 6 alternativ zu der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante auch durch eine durchgehende konkave Oberflächenausgestaltung ausgebildet sein kann. In diesem Fall bilden die beiden Kontaktflächen 7, 8 einen integralen Bestandteil dieser.

Weiterhin umfasst der Grundkörper 4 eine erste Stirnfläche 9, eine der ersten Stirnfläche 9 axial gegenüberliegend angeordnete, und im eingebauten Zustand sodann der Schmelze zugewandten, zweite Stirnfläche 10, sowie jeweils zwei Seitenflächen 11a, 11 b, 12a, 12b.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kupferkontaktbacke 1 ein Kühlkanalsystem mit einer Kühlmitteleinlauföffnung 13, einer Kühlmittelauslauföffnung 14 sowie einer Vielzahl von Kühlkanälen 15 umfasst, die sich durch den Grundkörper 4 in axialer und in radialer Richtung erstrecken.

In der vorliegenden Ausführungsvariante sind die Kühlmitteleinlauföffnung 13 als auch die Kühlmittelauslauföffnung 14 in einem, in axialer Richtung gesehen, oberen Drittel und somit in einem der ersten Stirnfläche 9 zugewandten Bereich angeordnet, so dass diese im Einsatz nicht unmittelbar der Strahlungswärme der Schmelze ausgesetzt sind. Wie anhand der Darstellungen weiterhin erkennbar, weist die Kupferkontaktbacke 1 jeweils eine einzige und somit zentrale Kühlmitteleinlauföffnung bzw. Kühlmittelauslauföffnung 13, 14, die fluidisch mit der Vielzahl der Kühlkanäle 15 verbunden sind. Die Vielzahl von Kühlkanälen 15 werden in der gezeigten Ausführungsvariante aus einer Mehrzahl von einzelnen Kühlkanalgruppen 16 bis 30 gebildet, die jeweils axial 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30 oder radial 17, 19, 21 , 23, 25, 27, 29 durch den Grundkörper 4 verlaufen und somit jeweils zueinander alternierend angeordnet sind. Jede der Kühlkanalgruppen 16 bis 30 besteht vorliegend aus vier einzelnen Kühlkanälen 15, wobei jeder dieser einzelnen Kühlkanäle 15 durch eine separate Tieflochbohrung gebildet wird, die durch eine entsprechende Fläche 5, 9, 11a, 11 b, 12a, 12b in den Grundkörper 4 gebohrt worden ist. Mit anderen Worten wird jeder der Kühlkanäle 15 durch eine einseitig geöffnete Tieflochbohrung gebildet, die anschließend über Gewindeverschlussschrauben (nicht dargestellt) verschlossen werden.

Ein über die zentrale Kühlmitteleinlauföffnung 13 eingebrachtes Kühlmittel, beispielsweise Wasser, strömt daher zunächst über die vier einzelnen Kanäle 15 der ersten Gruppe 16 in Richtung der zweiten Stirnfläche 10 (siehe Pfeil 31 in Figur 2). Über die vier Kanäle 15 der zweiten Gruppe 17 wird das Kühlmittel sodann den Kühlkanälen 15 der dritten Gruppe 18 zugeführt (siehe Pfeil 32 in Figur 2), über die es die Kupferkontaktbacke 1 in Richtung der ersten Stirnfläche 9 durchströmt (siehe Pfeil 33 in Figur 2). Anschließend gelangt das Kühlmittel über die vier Kanäle 15 der vierten Gruppe 19 zu den Kanälen 15 der fünften Gruppe 20, über die es die Kupferkontaktbacke 1 erneut in Richtung der zweiten Stirnfläche 10 durchströmt (siehe Pfeile 34, 35 in Figur 4). Wie anhand der Figuren 4 und 5 weiterhin erkennbar, strömt das Kühlmittel sodann über die in axialer Richtung mittig angeordneten und in radialer Richtung verlaufenden vier Kanäle 15 der sechsten Gruppe 21 in die Kühlkanäle 15 der siebenten Gruppe 22, über die es die Kupferkontaktbacke 1 in Richtung der zweiten Stirnfläche 9 durchströmt (siehe Pfeil 36 in Figur 5 sowie Pfeil 37 in Figur 2). Über die sich sodann anschießenden vier Kanäle 15 der achten Gruppe 23 strömt das Kühlmittel von der in Figur 2 gezeigten linken Kupferkontaktbackenhälfte in die in radialer Richtung gegenüberliegende rechte Kupferkontaktbackenhälfte (siehe Pfeil 38 in Figur 2), in der es die einzelnen Gruppen 24 bis 30 in zu der linken Kupferkontaktbackenhälfte umgekehrter Richtung durchströmt, wie es anhand den Pfeilen 39 bis 43 in den Figuren 2, 3 und 5 dargestellt ist.

In der vorliegenden Ausführungsvariante weist die Kupferkontaktbacke 1 eine axiale Länge von 750 mm, eine Breite von 600 mm und eine Dicke von 150 mm auf. Die einzelnen Kühlkanäle 15 wurden mit einem Tieflochbohrer mit einem Durchmesser von 8,0 mm erzeugt, so dass über das gesamte Kühlkanalsystem ein Mindestvolumenstrom von 5000 L/h realisierbar ist.

Wie insbesondere anhand der Darstellungen in den beiden Figuren 1a/1 b erkennbar, sind sämtliche Tieflochbohrungen möglichst weit von der zweiten, im Einsatz der Schmelze zugewandten Stirnfläche 10, beabstandet, so dass die Gewindeverschlussschrauben, über die die einzelnen Öffnungen der Tieflochbohrungen verschlossen werden, nicht direkt der Strahlungswärme der Schmelze ausgesetzt sind.

Bezugszeichen

1 Kupferkontaktbacke

2 Elektrodentragarm

3 Befestigungsmittel

4 Grundkörper

5 rückseitige Fläche

6 vorderseitige Fläche

7 Kontaktfläche

8 Kontaktfläche

9 erste Stirnfläche

10 zweite Stirnfläche

11a Seitenfläche

11b Seitenfläche

12a Seitenfläche

12b Seitenfläche

13 Kühlmitteleinlauföffnung

14 Kühlmittelauslauföffnung

15 Kühlkanäle

16 axiale Kühlkanalgruppe

17 radiale Kühlkanalgruppe

18 axiale Kühlkanalgruppe

19 radiale Kühlkanalgruppe

20 axiale Kühlkanalgruppe

21 radiale Kühlkanalgruppe

22 axiale Kühlkanalgruppe

23 radiale Kühlkanalgruppe

24 axiale Kühlkanalgruppe

25 radiale Kühlkanalgruppe

26 axiale Kühlkanalgruppe io 27 radiale Kühlkanalgruppe

28 axiale Kühlkanalgruppe

29 radiale Kühlkanalgruppe

30 axiale Kühlkanalgruppe 31 Pfeil

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