Уплотняющее устройство для электродов электрических печей. Для электродов печь
Электрод для дуговой печи
В существующих электродуговых печах электроды как правило собраны в свечу, ко- . торая состоит из нескольких электродов, электрический контакт между которыми осуществляется по торцам, Контактное сопротивление между торцами соизмеримо с электрическим сопротивлением электрода и является существенным недостатком известных электродных конструкций. Увеличе ние диаметра полости может привести к уменьшению площади контакта на торцах, увеличению .контактного сопротивления и, как следствие, к дополнительному разогреву, разгару стыка и значительным потерям электроэнергии. Таким образом, увеличение диаметра полости (более размера ниппельного гнезда) в зоне стыка на торце электрода является нежелательным, т.к. ухудшает эксплуатационные свойства электрода.
Предложенное техническое решение представляет собой электрод, в средней части которого выполнена полость в виде аксиального канала, который имеет диаметр
0.3 — 0,78 диаметра электрода, переходящая на торце в ниппельное гнездо (фиг, 3).
На фиг. 4 в разрезе приведен общий вид электродной свечи, собрабранной из полых электродов. Электродная свеча содержит полые электроды 1 с коаксиальными каналами 2, ниппельными гнездами 3 и ввинченными ниппелями 4.
Электродная свеча, собранная из полых электродов. работает следующим образом.
При соединении полых электродов в свечу в ниппельные гнезда вворачивают ниппели и стягивают торцы электродов до получения плотного и качественного контакта между торцами свинчиваемых электродов, Верхний электрод свечи закрепляют в электрододержателе и пропускают через свечу электрический ток. В теле полого электрода
1774527 ток распространяется в его относительно тонкой (по сравнению со сплошным) стенке и в стенке ниппельного гнезда. В зоне ниппельного гнезда увеличение площади живого сечения электрода, проводящей ток, приводит к уменьшению плотности тока и снижение токовой и термической нагрузки на торцы электрода, обеспечивает наде>кный и стабильный контакт между полыми электродами. Следовательно, при введении канала в электрод ухудшения условий работы ниппельного гнезда и торцов полого электрода не происходит. Одновременно улучшаются условия работы тела электрода.
При введении свечи полых электродов в печь первоначально растет внешняя температура внутренних объемов электродов, Затем, через определенное время, при протекании тока в полом электроде, в силу малой (по сравнению со сплошным электродом) толщины его стенки происходит быстрый и равномерный прогрев всего объема электрода и быстрое достижение равновесного теплового состояния, которое характеризуется значительно меньшими (по сравнению со сплошным электродом) перепадами температур по радиусу электрода.
При изменении режима работы печи; изменении величины тока, завалки шихты, отключении тока, извлечении электродов из печи, тонкая стенка полого электрода быстро приобретает равновесное состояние, быстро охлаждается или нагревается с малым перепадом температур между поверхностью внешней электрода и поверхностью 3
его канала.
При этом сокращается время действия опасных радиальных перепадов температуры, что уменьшает вероятность наложения других опасных факторов на действие высоких термических напряжений и тем самым снижается опасность образования трещин.
В результате снижения напряжений не
5 образуютсятрещины, которые существенно снижают эксплуатационную стойкость и повышают расход сплошных электродов. Полый электрод расходуется более естественным путем — в дуге электрода. Его
10 расход и его надежность определяются в большей степени электрическими свойствами материала и стойкостью в дуге. Прочностные свойства материала перестают играть определяющую роль в формировании зкс15 плуатационной надежности электрода, работающего в условиях термических напряжений.
Электрическая дуга на торце нижнего электрода, касающегося металла, первона20 чально возникает в полости ниппельного гнезда, а затем, по мере расходования и электрода, дуга переходит в полость канала.
Поскольку горение дуги происходит в полости, она постоянно сфокусирована и направ25 лена на зеркало металла без существенных отклонений к стенкам печи. Следовательно, положительные эффекты, способствующие сохранению стен печи, стабилизации дуги, повышению КОД печных агрегатов и т.д., ре30 ализуются в течение всего времени работы свечи полых электродов.
Формула изобретения
Электрод для дуговой печи, выполненный в виде цилиндра с аксиальным каналом, 5 переходящим у торца в ниппельное гнездо, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной стойкости, аксиальный канал выполнен диаметром, составляющим 0,3 — 0,78 диаметра электрода.
1774527
1774527
Составитель Н.негуторов
Техред М.Моргентал Корректор С,Пекарь
Редактор Б,Федотов
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, yn,Гагарина, 101
Заказ 3937 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
www.findpatent.ru
Электроды дуговых печей - Справочник химика 21
В промышленности используются преимущественно дуговые печи, в которых необходимая энергия образуется вследствие возникновения электрической дуги между электродами и шихтой. Дуговая сталеплавильная печь за один раз (одна садка) выплавляет от 200 до 400 т, затрачивая на это 50—70 мин. Это в 10 раз быстрее, чем выплавка стали в мартене. Современная дуговая сталеплавильная печь сверхвысокой мощности имеет удельный расход энергии значительно более низкий, чем мартеновская печь. Немаловажен и тот факт, что труд сталевара у мартеновской печи значительно тяжелее и [c.152]
Важным научным результатом является установленная особенность природы твердых растворов СггОз в хромистом электрокорунде дуговой и индукционной выплавки и в рубине [6]. Показано, что де-баевское кольцо на рентгеновской картине электрокорунда дуговой выплавки имеет ореольную структуру, что свидетельствует о множестве расстояний dm, градиентах концентраций хрома в кристаллитах корунда и наличии в них внутренних напряжений [6]. Сделано предположение, что растворенный в а-корунде хром сегрегирует по межблочным границам. Это приводит к обогащению последних хромом и сильному структурному искажению. Такое поведение хрома связано с частичным восстановлением хромистого электрокорундово-го расплава углеродом электродов дуговых печей. [c.258]
ЭЛЕКТРОДЫ ДУГОВЫХ ПЕЧЕИ [c.273]
Дуговые печи косвенного действия дуга горит между электродами, а расплавляемому металлу тепло от дуги передается [c.4]
Нагревание электрической дугой проводят до температуры 3000 °С в дуговых печах за счет пламени дуги, возникающей между электродами. Дуговые печи применяются для плавки металлов, получения фосфора, карбида кальция. [c.219]
Примером целесообразного применения пневматического привода является механизм пружинно-пневматического зажима электрода дуговой печи. [c.263]
Нагревание электрической дугой применяется в дуговых печах и дает возможность развивать высокие температуры (1500— 2000° С и выше). Различают печи с открытой и закрытой дугой. В печах с открытой дугой пламя дуги образуется между электродами, расположенными над нагреваемым ма териалом, и тепло передается путем лучеиспускания. В печах с закрытой дугой пламя дуги образуется между электродом и самим нагреваемым материалом. Дуговые печи не обеспечивают равномерного обогрева и точного регулирования температур. Использу- [c.420]
В дуговых печах тепло выделяется в результате го электрической дуги. По расположению дуги относительно металлической шихты дуговые печи подразделяются на печи косвенного нагрева, печи прямого нагрева и печи комбинированного нагрева. Наиболее распространены печи прямого нагрева, в которых электрические дуги горят непосредственно ме цу каждым из электродов и металлом. [c.87]
Рабочее напряжение, подаваемое на электроды, колеблется в зависимости от емкости печи от 110 до 800 В. Для уменьшения потерь энергии электрический ток подается к печам под напряжением б—10 кВ через понижающий трансформатор. В табл. 5.4 приведены характеристики наиболее распространенных дуговых печей ДСП-100 и ДСП-200. [c.88]
Вакуумная дуговая печь 1 — электрод (очищаемый металл), [c.97]
Плазменно-дуговая печь 1 — плазмотрон, 2 — подовый электрод. 3 — жидкий металл, 4 — устройство для перемешивания металла, 5 — выпускное отверстие [c.97]
Нагревание электрической дугой. Нагревание производят в дуговых печах, где электрическая энергия превращается в тепло за счет пламеии дуги, которую создают между электродами. Над нагреваемым материалом либо помещают оба электрода, либо устанавли-пают над материалом один электрод, а сам материал выполняет роль второго электрода. Электрическая дуга позволяет сосредоточить большую электрическую мощность в малом объеме, внутри которого раскаленные газы и пары переходят в состояние плазмы. В результате удается получить температуры, достигающие 1500—3000 °С. [c.323]
В промышленности применяют преимущественно дуговые печи (рис. 68), в которых теплота получается вследствие образования электрической дуги между электродами и шихтой. [c.178]
В дуговой печи короткое замыкание (КЗ) электродов на металл — нормальное эксплуатационное явление в период расплавления число КЗ доходит до 5—10 в минуту. Поэтому необходимо ограничить ток КЗ приемлем ым для надежной работы электрооборудования значением. Обычно стараются, чтобы кратность тока КЗ к-номиналь-ному току не превосходила 3—4. Это достигается введением последовательно с дугами дополнительных индуктивностей. В мощных печах для этой цели достаточно индуктивности трансформатора и короткой сети — токоподвода от электропечного трансформатора к электрододержателям эти естественные индуктивности настолько велики, что ограничивают ток КЗ у самых крупных печей до двукратного номинального значения. Поэтому в мощных печах приходится заботиться об уменьшении, на-СКОЛЬКО ЭТО возможно, индуктивности контура из-за снижения коэффициента мощности установки, а также о согласовании параметров трансформатора и вторичного токоподвода. Наоборот, у малых печей естественной ин- [c.193]
В 1892 г, Ачесон разработал процесс получения карборунда в электрической печи прямого действия. Печь работала как печь сопротивления ток проходил через керн между двумя группами электродов, нагревая его до температуры 1 800° С, необходимой для получения карборунда, В этом же году Муассан впервые получил в небольшой дуговой печи карбид кальция. [c.7]
В последнее время появились вакуумные дуговые печи (рис. 0-2,6), которые также можно отнести к дуговым печам прямого действия. В вакуумных дуговых печах с нерасходуемым электродом дуга горит между последним и ванной жидкого металла в печах с расходуемым электродом дуга горит между расплавляемым металлом (расходуемый электрод) и жидкой ванной. Камера печи не имеет футеровки стенки ванны (кристаллизатор, тигель гарниссаж-ной печи) охлаждаются водой электрод — металлический вертикальный, поэтому в печах можно получить еще большие объемные мощности, чем в сталеплавильных, и проводить наиболее высокотемпературные процессы (плавка тугоплавких металлов — молибдена, вольфрама, ниобия, тантала). [c.4]
Печи руднотермические для возгонки желтого фосфора. Общие сведения. Руднотермическая печь является основным агрегатом для электротермического получения желтого фосфора и относится к печам прямого нагрева. Теплота, необходимая для проведения технологического процесса, выделяется непосредственно в ванне печи при горении дуг и в результате активного сопротивления шихты и шлака прохождению электрического тока, подведенного самоспекающимися электродами. Поэтому руднотермические. печи относятся к классу дуговых печей сопротивления. [c.119]
К дуговым печам косвенного действия можно отнести также плазменные установки (плазмотроны) и дуговые нагреватели газа. В этих установках дуга постоянного или переменного тока горит между электродами в потоке газа, нагревая последний (рис. 0-2,ж). Нагретый газ может быть использован для химических, металлургических и испытательных целей (дуговые нагреватели газа) или обрабатываемый материал может вводиться непосредственно в плазмотрон, в зону дуги (например, установки для напыления). [c.5]
Несколько конструкций лабораторных дуговых печей было создано в 1878— 1880 гг. Сименсом в них дуга горела в тигле между двумя горизонтально расположенными электродами и между электродом и расположенной в тигле загрузкой. Сименс впервые предложил автоматически регулировать ток дуги перемещением электрода и использовать магнитное поле для отклонения дуги. Первые промышленные установки и электротермические процессы [c.7]
Как видио из рис. 0-8, в подину дуговой печи закладывалась медная, охлаждаемая водой катушка, включаемая последовательно с электродом. Взаимодействие поля этой катушки с дугой приводило последнюю во вращение дуга закручивалась и сильно [c.15]
Возросшая потребность в таких металлах, как титан, молибден, вольфрам, ниобий н др., привела к разработке способов переплава их в вакууме с целью дегазации и получения достаточно чистого металла. Распространение получили почти исключительно вакуумные дуговые печи с расходуемым электродом, работающие на постоянном токе. Питание их осуществлялось от машинных преобразователей. Сейчас начат переход на преобразователи па кремниевых вентилях с питанием от параметрических источников тока. [c.17]
При наладке схемы автоматики перемещения электродов дуговой печи механизмы перемещения элехгтродов и противовесы должны быть ограждены. [c.357]
Для подавляющего больши НСт а механизмов электро-печного оборудования к. п. д. и расход электроэнергии имеет подчиненное значение, за исключением случаев, когда за счет повышения к. п. д. целесообразно существенно уменьшить размеры приводного двигателя и маховой момент вращающихся масс. Последнее важно, в частности, для. привода механизма перемещения электрода дуговой печи, где инерция движущихся масс существенно сказывается на условиях поддержания электрического режима печи. [c.266]
Механизмы перемещения электродов дуговых печей выполняются с электром еханическим и с гидравлическим приводом. [c.281]
Процесс происходит с поглощением большого количества тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через слой загруженной шихты, расплава от электродов к поду печи, а также за счет тепла, выделяемого электрической дугой. Карбидные печи работают как дуговые печи сопротивления. [c.130]
Дуговые печи. Для электроплавки применяются главным образом трекфазные дуговые печи переменного тока с тремя электродами и непроводящим подом. В соответствии с ГОСТ 7206-63 подобные печи выпускаются емкостью от 0,5 до 400 т. [c.87]
Г. Кливер [73] предложил интересный вариант этого метода, объединив кар-бидизацию и хлорирование в одном процессе с расходуемыми электродами. Процесс проводится в дуговой печи. Одним электродом служит графитовый стержень, другим — графитовая трубка, заполненная шихтой из берилла и 15% мягкого угля. Хлор вдувают в пламя дуги высокой интенсивности (8300—11 000°). По мере испарения расходуемого электрода его опускают в печь с тем, чтобы расстояние между электродами было постоянным (25 мм). Позднее предложено оба электрода делать расходуемыми. Исследователи встретились с трудностями конструктивного порядка, особенно в связи с коррозией дуговой камеры. Сведений о продолжении работы в этом направлении нет. [c.202]
Первоначально применялись дуговые печи с нерасходуемым электродом (вольфрам, графит). Плавка в них страдает существенными недостатками слиток загрязняется материалом электрода, проплавляется плохо, вследствие чего при последующей его обработке до 25% Т1 уходит в отходы необходим вторичный переплав слитка. Более совершенна плавка с расходуемым электродом, который сваривают из блоков, спрессованных из титановой губки (рис. 85). Этот способ позволяет получать более однородные слитки большого диаметра (до 600 мм) и массой до нескольких тонн как чистого титана, так и его сплавов. Печи для плавки титана — взрывоопасные агрегаты, поэтому при работе на них необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. Основная опасность вакуумной плавки — прожигание стенкм кристаллизатора дугой. Перспективна электрошлаковая плавка с флю- [c.275]
Описанный процесс называют основным, так как в нем используются основные — известковые шлаки, поэтому и футеровка печи должна быть из основного материала (магнезита). Выплавку стали основным процессом можно проводить в мартеновской или в дуговой сталеплавильной печи. В последней получается сталь более высокого качества, так как дуговая печь может быть довольно хорошо герметизирована, сгорающие графитовые электроды поддерживают в ней восстановительный характер атмосферы, что пвзволяет полностью раскислить металл, тогда как в мартеновской печи поддерживается окислительная атмосфера (иначе не будет сгорать топливо). Кроме того, дуговая печь представляет собой более гибкий агрегат, в котором легко управлять выделяемой мощностью. Поэтому наиболее ответственные сорта стали, требующие тщательной очистки, или высоколегированные, такие, как шарикоподшипниковая, электротехническая, инструментальная, нержавеющая, жароупорная, выплавляют в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). В настоящее время в СССР около 10% вырабатываемой стали получают в ДСП. В связи с тем что мартеновские печи вытесняются кислородными конверторами, в которых выплавляют сталь примерно такого же качества, но более дешевую, объем производимой электростали должен резко возрасти. Кислородный конвертор работает на жидком чугуне и может утилизировать лишь 20—257о лома в садке. Поэтому часть лома не может быть использована в конверторах и должна быть переплавлена в ДСП. Это предполагает в будущем резкое увеличение выплавки электростали (примерно вдвое за ближайшие 10 лет). Такое количество дорогих высоколегированных сталей превышает народнохозяйственную потребность в них, поэтому в ДСП будут выплавлять и обычные (углеродистые) стали. Так как последние выплавляются в больших количествах, для них целесообразно строить печи большой емкости. [c.187]
Вторичный переплав стали для ее дополнительной очистки может быть осуществлен не только в установках ЭШП, но и в вакуумных дуговых печах. Условия переплава стали в вакууме очень благоприятны, так как при этом имеет место мощное газовыделение из жидкого металла, а также испарение части неметаллических включений. Такой переплав можно проводить в вакуумных индукционных печах, однако их эксплуатация дорога, а главное — расплавленный металл в них соприкасается с футеровкой тигля и получает от нее неметаллические включения. Поэтому гораздо большее распространение получил переплав стали в вакуумных дуговых печах (ВДП), в которых металл расплавляется, как и при ЭШП, в медном кристаллизаторе, что обеспечивает направленную кристаллизацию и плотную структуру слитка. Поэтому в ВДП, как и в установках ЭШП, переплавляют наиболее ответственные сорта стали и выплавляют слитки массой в десятки тонн. В самых ответственных случаях прибегают к двукратному переплаву, причем иногда комбинируют переплав в ВДП с переплавом в установках ЭШП слиток, полученный в ВДП, служит электродом при электрошлаковом переплаве. При этом получается особо высокая степень очистки стали как от газов, так и от неметаллических включений креме того, вторичный слиток не требует обдирки (после переплава в ВДП приходится производить обдирку поверхности слитка на станке, ЧТООЫ СНЯТЬ покрывающую его корку). [c.230]
Дуговые печи прямого дейстзия ду-пга горит между электродами и расплавляе- [c.4]
Почти до конца XIX в. дуговые печи не выходили за пределы лабораторий. Это понятно, так как в то время мощных источ-ликов электрической энергии не было. Первую собственно дуговую лабораторную печь построил в 1849 г. Депре. В ней дуга горела между стенками небольшой реторты и помещенным внутри нее электродом. Почти одновременно в 1853 г. были выданы первые патенты (Пишон, Джонсон) на плавление металлов в электрической дуге. В печи Пишона предполагалось плавить рулы или металлы при их падении через дуги, горящие между горизонтально расположенными электродами (рис. 0-3,6). [c.7]
Промышленное развитие дуговые печи получили на границе XIX и XX вв,, когда появились первые промышленные печи прямого действия Эру, Стассано построил первую шахтную электродомну для выплавки чугуна из руд, а Ачесон разработал процесс получения графитированных электродов в печах прямого действия. Тогда же приобрели промышленный масштаб процессы получения карбида кальция и ферросплавов в шахтных дуговых печах (рис, 0-3), [c.7]
Так как выплавка чугуна из руды в дуговой печи в то время не могла экономически ко нкурировать с доменным процессом, то печи Стассано вскоре были переоборудованы для плавки стали из скрапа и были первыми промышленными дуговыми печами косвенного действия. Сталеплавильная печь Стассано (рис. 0-3,6) была значительно сложнее современных печей в ней было предусмотрено механическое перемешивание жидкого металла в садке, для чего печь вращалась на специальной платформе с роликами, установленной наклонно, так что ее ось описывала кояус. Это, естественно, затрудняло подвод энергии к электродам, который приходилось осуществлять через щетки, скользящие по бронзовым контактным кольцам. Еще труднее выполнить подвод воды, охлаждающей электрододержатели трех электродов (печь работала на трехфазном токе), скользящие вдоль направляющих и управляемые с помощью гидравлических приводов. Электроды, окруженные пустотелыми цилиндрами, охлаждаемыми водой, установлены слегка наклонно и их оси пересекаются на оси печи. Футеровка печи была выполнена из магнезита плавильное пространство ввиду сильного излучения дуг на свод было сделано очень высоким свод имел вид купола и составлял одно целое с кладкой стен. Сверху свода имелся слой теплоизоляции, что сильно ухудшало условия работы огнеупоров. Шихту загружали через боковое отверстие. [c.7]
Первые дуговые печн прямого действия для выплавки стали были построены Эру в 1899 г. (рис. 0-3,а и 0-4). Их конструкция была очень проста в прямоугольную вытянутую ванну сверху через отверстие в съемном своде входили два электрода, закрепленные в электрододержателях, перемещающихся вверх и вниз вдоль вертикальных стоек, чем и осуществлялось регулирование тока дуги. Печь загружали через торцевые дверки, металл сливали через летку прн ее наклоне. Основным недостатком этих печей были невысокие удельная мощное) I) и рабочее напряжение, из-за чего расплавление металла шло медленно, тепловые потери и удельный расход были велики. Основное преимущество печей прямого действия — возможность концентрации больших мощностей и тем самым ускорение плавки здесь использовано не было, н поэтому индукционные печн со стальным сердечником и дуговые печи косвенного действия могли в то время успешно конкурировать с ними. [c.11]
Внедрение дуговых печей прямого действия в металлургию стали сильно замедлилось, из-за того что конструкторская мысль шла по неправильному пути. Исходя из идеи, что эффективность работы печи можно заметно повысить, если организовать в се вапие усиленную конвекцию путем подогрева ее не только сверху, но и снизу, конструкторы сосредоточили усилия иа создании такого подогрева пропусканием рабочего тока через всю толщу металла и подину ванны. В 1900—1915 гг. появился ряд конструкций дуговых печей прямого действия с подовыми электродами, [c.11]
Ныне все сталеплавильные дуговые печи строятся без подовых электродов. Попытки фирм Фиат и Мур сохранить подовый электрод с присоединением его к нулевой точке трехфазного печного трансформатора, соединенного в звезду, не дали положительных результатов. Как правило, печи работали с отключенными подовыми электродами, п вскоре фирмы от них отказались. Не привилось также предложение фирмы Демаг подключать заложенную в кладку подины электродную пластину через амперметр к нулевой точке печного трансформатора. Сопротивление подины в нормальных условиях настолько велико, что прибор не отмечает тока. В случае же повреждения подины, когда жидкий металл начинает проникать в глубь ее слоев, температура у электродной пластины повышается, ток через нее резко возрастает и регистрируется амперметром. Таким образом, подовый электрод являлся индикатором, сигнализирующим о начале аварии подины. Одиако с улучшением качества огнеупорных материалов и квалификации персонала прорывы подины стали крайне редкими, надобность в таком сигнализаторе отпала, и от него отказались. К тому же печные трансформаторы выполняются теперь обычно со вторичными обмотками, включенными в треугольник. [c.13]
У современных дуговых печей электроды в подине сохранились лишь для обслуживания дифференциальных автоматических регуляторов режима. В этом случае сопротивление подины может быть в тысячи раз большим, чем тогда, когда через нее пропускались рабочие токи печи, что легко достигалось закладкой в магиезит нескольких стальных прутков, приваренных к корпусу печи. [c.13]
Еще в 1928 г. Л, И, Морозенский предложил встраивать в кожух дуговой печи катушки, создающие вращающееся магнитное поле. Предполагалось, что оно приведет во вращение жидкий металл ванны и обеспечит его перемешивание не только в горизонтальной плоскости, яо и в вертикальной, что улучшит однородность состава и температуры металла и повысит скорость диффузии в ванне. Кроме того, предполагалось, что переключением катушек можно будет управлять дугами, заставляя ях вращаться или выдуваться к центру печи или по окружности распада электродов, ускоряя расплавление шихты. На небольшой печи (0,5 т) оба эффекта проявились, а вращение металла существенно ускорило его очищение от серы, фосфора и углерода. Однако при переходе на промышленные печи (3—5 т) эффект исчез, несмотря на увеличение мощности, затрачиваемой на вращение поля. Объяснялось это применением для создания бегущего поля тока промышленной частоты (малая глубина проникновения поля в металл) и неправильно принятым направлением вращения, [c.16]
chem21.info
Электродный блок для газоэлектрической печи
Изобретение относится к электродной системе для газоэлектрических печей, предназначенных для производства волокон из горных пород, преимущественно базальта. Электрод (7) выполнен из высокохромистого жаропрочного сплава в виде цельнолитых сегментов с резьбовым выступом (9) с одной стороны и резьбовым углублением (10) с другой стороны, установлен с зазором внутри охлаждающего электрододержателя (2), выполненного по типу «труба в трубе». Устройство снабжено трубками подвода (3 ) и отвода (4) хладагента. Электрод (7) снабжен съемной шпилькой-токоподводом (8). Сегменты электрода наращиваются по мере сгорания без остановки производственного цикла. За счет выполнения электрода из жаропрочного высокохромистого сплава, при заявленном соотношении компонентов, достигается увеличение срока эксплуатации электрода. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к электродной системе для газоэлектрических печей, предназначенных для производства волокон из горных пород, преимущественно базальта.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является электродная система для стекловарочных печей, содержащая электрод, охлаждающее устройство в виде трубы с хладагентом, узел крепления электрода к печи (патент РФ №2288895). Недостатком является небольшой срок эксплуатации электродов в системе, сложность конструкции и вследствие этого трудоемкость в обслуживании и при ремонтных работах.
Задачей технического решения является увеличение срока эксплуатации электродов, упрощение конструкции и снижение стоимости.
Поставленная задача достигается тем, что в электродном блоке для газоэлектрической печи, содержащем электрододержатель, охлаждающее устройство в виде трубы с хладагентом и электрод, согласно изобретению электрододержатель прикреплен к корпусу печи посредством узлов крепления, электрод выполнен в виде цельнолитых сегментов с резьбовым выступом с одной стороны и резьбовым углублением с другой и установлен с зазором внутри электрододержателя, выполненного в виде охлаждающего устройства по типу «труба в трубе» и снабженного трубками подвода и отвода хладагента, трубка подвода выполнена со скосом на конце и расположена по всей длине электрододержателя, а трубка отвода хладагента выведена за пределы узла крепления, причем электрод соединен со съемной шпилькой-токоподводом, выполненной с наружной резьбой. Электродный блок устанавливается в боковых стенках печи. Сегменты электрода выполнены из жаропрочного сплава при следующем соотношении компонентов, мас. %:
хром - 60-65%
фосфор - 0,012-0,024%
сера - 0,001-0,004%
углерод - 0,02-0,05%
кремний - 0,01-0,06%
алюминий - 0,1-0,8%)
железо - остальное.
Выполнение электрода, соединенного со съемной шпилькой-токоподводом, в виде цельнолитых сегментов с резьбовым выступом с одной стороны и резьбовым углублением с другой, посредством которых сегменты соединяются между собой за счет резьбового соединения, и установка электрода внутри охлаждающего электрододержателя с зазором позволяет производить наращивание электрода и проталкивание его тела в расплавленную массу базальта по мере их выгорания без остановки производственного цикла.
Выполнение охлаждающего электрододержателя по типу «труба в трубе» позволяет охлаждать электрод по всей его наружной поверхности. Установка трубки подвода хладагента в трубном пространстве по всей длине охлаждающего электрододержателя обеспечивает подачу хладагента к расплаву, остужая его в зоне соприкосновения с охлаждающим электрододержателем, что предотвращает вытекание расплава через технологический зазор. Кроме того, указанная установка трубки подвода обеспечивает протекание хладагента по всему внутреннему объему охлаждающего электрододержателя, а также стабильное охлаждение электрода, что в результате приводит к увеличению срока эксплуатации электрода.
Выполнение трубки подвода хладагента со скосом на конце обеспечивает вихревое и кольцевое движение хладагента между трубами охлаждающего устройства.
Выведение трубки отвода хладагента за пределы узла крепления обеспечивает удобство в эксплуатации и обслуживании и позволяет достичь максимальную площадь охлаждения электрода.
Выполнение шпильки-токоподвода съемной и резьбовой обеспечивает восстановление подачи электроэнергии после наращивания очередного сегмента электрода при минимальных трудозатратах.
Установка электродного блока в боковых стенках печи плавления обеспечивает прогревание глубинных слоев на всем протяжении течения расплава, что позволяет получить однородный и стабильный по химическому составу и физическим свойствам расплав требуемой вязкости и гомогенности.
От сплава, применяемого в электроде, требуется жаростойкость, способность сплава сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.
За счет выполнения электрода из жаропрочного высокохромистого сплава, при заявленном соотношении компонентов, достигается увеличение срока эксплуатации электрода.
Хром является основным элементом заявляемого сплава. Сочетание в сплаве железа с хромом повышает жаропрочность и износостойкость электрода, а чувствительность сплава к поверхностным повреждениям компенсируется вакуумным литьем и последующей обработкой. Концентрация хрома в изделии менее 60% влияет на точку кристаллизации, т.е. снижается жаропрочность, при концентрации более 65% существенно увеличивается твердость изделия, что приводит к трудностям при механической обработке.
Содержание алюминия в указанных пределах в сочетании с хромом увеличивает жаростойкость электрода и придает ему высокую тепло- и электропроводность.
Содержание фосфора в сплаве в сочетании с железом повышает износостойкость электрода. При содержании фосфора меньше заявленного снижается износостойкость металла, а при содержании фосфора больше заявленного увеличивается вероятность образования трещин в металле.
Кремний удаляет из металла кислород, образуя с кислородом оксиды с плотным строением кристаллической решетки, и повышает прочность и коррозионную стойкость сплава электрода. Указанное содержание обеспечивает требуемую текучесть металла.
Сера повышает обрабатываемость износостойких сталей.
Углерод придает твердость и прочность стали. Содержание углерода в заявленном диапазоне придает заявляемому сплаву незначительную пластичность.
Получение сегментов электрода осуществляют в условиях вакуума, что позволяет эффективно очищать металл от газов - азота, кислорода, водорода, примесей и неметаллических включений, придавая ему повышенную плотность, облегчает обработку заготовки в последующем.
Заявляемое устройство представлено на фиг. 1.
На фиг. 1 изображены керамическая стенка печи плавления 1 с внешним металлическим корпусом 6 печи, электрододержатель 2 с трубкой подвода 3 хладагента и трубкой отвода 4 хладагента. Электрододержатель 2 крепится к металлическому корпусу 6 печи посредством двух узлов крепления 5. Электрод 7 снабжен съемной шпилькой-токоподводом 8, выполнен в виде цельнолитых сегментов с резьбовым выступом 9 с одной стороны и резьбовым углублением 10 с другой стороны, электрод устанавливается в электрододержатель 2 с зазором 11.
Установка электродного блока в боковую стенку печи плавления базальта происходит следующим образом.
В отверстия, выполненные соосно в керамической стенке 1 печи и металлическом корпусе 6 печи, устанавливается охлаждающий электрододержатель 2 и закрепляется при помощи узлов крепления 5 таким образом, чтобы трубка подвода 3 хладагента располагалась в нижней точке, а трубка отвода 4 хладагента - в верхней точке. Хладагент насосом подается в межтрубное пространство охлаждающего электрододержателя 2, затем выводится через трубку отвода 4 хладагента в охладитель (на фиг. 1 не показан), где, остужаясь, вновь подается через трубку подвода 3 в охлаждающий электрододержатель 2 в замкнутом цикле. Сегменты электрода 7 (требуемое количество) соединяются между собой посредством резьбового выступа 9 и резьбового углубления 10 и устанавливаются в электродержатель 2 с зазором 11. В углубление 10 последнего сегмента электрода 7, находящегося снаружи корпуса печи, вворачивается шпилька-токоподвод 8. Токоподводящий кабель (на фиг. 1 не показан) крепится на шпильку-токоподвод 8.
По мере сгорания электрода осуществляют наращивание длины электрода без остановки технологического процесса плавки. Для этого отключается подача хладагента и электроэнергии на электрод, выворачивают шпильку-токоподвод 8, на это место, в углубление 10 вворачивают очередной сегмент электрода. В углубление 10 установленного сегмента вновь вворачивают шпильку-токоподвод 8, на которую монтируют токоподводящий кабель. Далее осуществляется механическое проталкивание электрода в расплав базальта на расчетную длину. Включается циркуляция хладагента и восстанавливается подача электроэнергии на электрод.
При соблюдении требуемых параметров эксплуатации срок работы электрода может достигать нескольких лет.
1. Электродный блок для газоэлектрической печи, содержащий электрододержатель, охлаждающее устройство в виде трубы с хладагентом и электрод, отличающийся тем, что электрододержатель прикреплен к корпусу печи посредством узлов крепления, электрод выполнен в виде цельнолитых сегментов с резьбовым выступом с одной стороны и резьбовым углублением с другой и установлен с зазором внутри электрододержателя, выполненного в виде охлаждающего устройства по типу «труба в трубе» и снабженного трубками подвода и отвода хладагента, трубка подвода выполнена со скосом на конце и расположена по всей длине электрододержателя, а трубка отвода хладагента выведена за пределы узла крепления, причем электрод соединен со съемной шпилькой-токоподводом, выполненной с наружной резьбой.
2. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что он устанавливается в боковых стенках печи.
3. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что сегменты электрода выполнены из жаропрочного сплава при следующем соотношении компонентов, мас.%:хром - 60-65%фосфор - 0,012-0,024%сера - 0,001-0,004%углерод - 0,02-0,05%кремний - 0,01-0,06%алюминий - 0,1-0,8%железо - остальное.
www.findpatent.ru
Графитовый электрод для печей электротермического восстановления, электродная колонна и способ изготовления графитовых электродов
Изобретение относится к графитовому электроду для печи электротермического восстановления, в частности для карботермического восстановления глинозема, электродной колонне и способу их изготовления. Графитовый электрод формируют из кокса анодного качества и графитизируют при температуре графитизации ниже 2700°С. Он имеет содержание железа примерно 0,05% по массе, удельное электрическое сопротивление свыше 5 мкОм·м и удельную теплопроводность менее 150 Вт/м·К. Графитовый электрод изготавливают, смешивая сначала прокаленный анодный кокс со связующим каменноугольным пеком, и из этой смеси формируют сырой электрод при температуре, близкой к точке размягчения связующего пека. Затем сырой электрод обжигают для коксования связующего пека до твердого кокса. После необязательной дополнительной обработки получаемый ококсованный электрод затем графитизируют при температуре ниже 2700°С в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать организацию атомов углерода в ококсованном электроде в кристаллическую структуру графита. Обеспечивается возможность исключения загрязнения расплава железом и возможность использования в богатых СО атмосферах плавильных печей, более экономичных в производстве. 4 н. и 17 з.п. ф-лы.
Предпосылки создания изобретения
Область техники
Настоящее изобретение относится к графитовым электродам для печей электротермического восстановления, в частности для производства алюминия, титана, кремния, ферросплавов, фосфора. Данное изобретение также касается способа изготовления таких графитовых электродов.
Описание предшествующего уровня техники
На протяжении столетия алюминиевая промышленность основывается на способе Холла-Эру по выплавке алюминия. По сравнению со способами, используемыми для получения конкурирующих материалов, таких как сталь и пластмассы, данный способ является энергозатратным и дорогостоящим. Поэтому продолжается поиск альтернативных способов получения алюминия.
Одним из таких альтернативных способов является способ прямого карботермического восстановления глинозема. Как описано в патенте США № 2974032 (Грюнерт и др.), протекает процесс, который может быть обобщен суммарной реакцией
или же он может протекать в две стадии:
Реакция (2) происходит при температуре между 1900 и 2000°С. Реакция (3) фактического получения алюминия происходит при температурах, составляющих 2200°С и выше; скорость этой реакции повышается с повышением температуры. Помимо веществ, указанных в реакциях (2) и (3), в ходе этих реакций (2) и (3) образуются летучие алюминийсодержащие вещества, включая Al2O, которые уносятся вместе с отходящим газом. Такие летучие вещества, если они не улавливаются, представляют собой потери выхода алюминия. Обе реакции (2) и (3) являются эндотермическими.
Были предприняты различные попытки разработать эффективную производственную технологию прямого карботермического восстановления глинозема (см. Маршалл Бруно, «Легкие металлы» (Marshall Bruno, Light Metals) 2003, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society) 2003). В патенте США № 3607221 (Кибби) описан процесс, согласно которому все продукты быстро испаряются до по существу только газообразного алюминия и СО, эту парообразную смесь приводят в контакт со слоем жидкого алюминия при температуре, достаточно низкой для того, чтобы давление паров жидкого алюминия было меньше парциального давления паров алюминия, находящихся в контакте с ним, и достаточно высокой для того, чтобы предотвратить реакцию монооксида углерода и алюминия, и извлекают по существу чистый алюминий.
Другие патенты, относящиеся к карботермическому восстановлению для производства алюминия, включают патенты США №№ 4486229 (Троуп и др.) и 4491472 (Стивенсон и др.). Сдвоенные реакционные зоны описаны в патенте США № 4099959 (Дьюинг и др.). Более поздние разработки фирм Alcoa и Elkem привели к созданию новой конструкции двухкамерного реактора, описанного в патенте США № 6440193 (Йохансен и др.).
В этом двухкамерном реакторе реакция (2) по существу ограничена низкотемпературной камерой. Расплавленная ванна из Al4С3 и Al2O3 протекает под перегородкой придонного перетекания в высокотемпературную камеру, где происходит реакция (3). Полученный таким образом алюминий образует слой поверх слоя расплавленного шлака и выпускается из высокотемпературной камеры. Выходящие из низкотемпературной камеры и из высокотемпературной камеры газы, содержащие пары Al и летучий Al2O, реагируют в отдельных установках улавливания паров, образуя Al4С3, который повторно вводят в низкотемпературную камеру. Энергия, необходимая для поддержания температуры в низкотемпературной камере, может быть подведена путем высокоинтенсивного резистивного нагрева, например, при помощи графитовых электродов, погруженных в расплавленную ванну. Подобным же образом энергия, необходимая для поддержания температуры в высокотемпературной камере, может быть подведена при помощи нескольких пар электродов, расположенных по существу горизонтально в боковых стенках такой камеры реакционного сосуда.
За исключением производства алюминия, электротермическое восстановление различных металлов и неметаллов, таких как титан, кремний, ферросплавы, а также фосфор, представляет собой общепринятые промышленные процессы. Из-за относительно низких плотностей тока, находящихся в диапазоне от 6 до 10 А/см2, во многих из таких процессов используются самообжигающиеся угольные электроды (также называемые «электродами Содерберга»).
Использование самообжигающихся угольных электродов было известно очень давно (см. патенты США №№ 1440724 и 1441037 на имя Содерберга). Самообжигающиеся угольные электроды в основном состоят из пастообразной смеси углеродсодержащего материала, такого как антрацит, кокс, смола, и пека, которой заполняют металлический кожух, удерживаемый в определенном положении в дуговой электропечи при помощи контактных колодок и подвесного/скользящего устройства. Применение сильных электрических токов плюс теплота дуги, зажигаемой электродом во время работы печи, дают достаточно теплоты для плавления загруженного в кожух материала и образования пасты, затем коксования образовавшейся таким образом пасты и, наконец, спекания электрода. В соответствии со скоростью его расходования электрод постепенно опускают, к верхней части прикрепляют новый лист кожуха, этот кожух заполняют упомянутой смесью и среднюю часть обжигают. В одном из вариантов электрод может быть частично обожжен при низкой температуре, составляющей примерно от 600° до 700°С. В случае электрода Содерберга нижняя часть стального кожуха растворяется в ванне расплавленного металла, что приводит к попаданию железа в ванну. Было предложено несколько путей предотвращения такого загрязнения железом, которые все заключаются в механическом разъединении электрода и стального кожуха, так что электрод можно заставить скользить без стального кожуха.
В патенте США № 6635198 (Ватланд и др.) описан способ непрерывного изготовления самообжигающихся составных электродов с использованием секционных металлических кожухов. Каждую новую секцию кожуха устанавливают на расположенную ниже секцию кожуха без применения сварки или иных средств жесткого прикрепления секций одна к другой. Поскольку секции кожуха жестко не прикреплены одна к другой при помощи сварки или т.п., кожух легко удалить после того, как электрод был обожжен.
Другое решение заключается в монтажной конфигурации, описанной в патенте США № 4575856 (Перссон), которая подразумевает поддержание массы электрода посредством колонны, сформированной из предварительно обожженных угольных или графитовых электродов, окруженных обжигаемой пастой, при этом как колонна, так и паста расходуются одновременно.
Современные дуговые электропечи для производства стали работают при плотности тока свыше 25 А/см2 и поэтому требуют использования высокопроводящих графитовых электродов. Для достижения электрических сопротивлений ниже 10 мкОм·м такие графитовые электроды изготавливают с использованием хорошо упорядоченных игольчатых коксов и графитизируют их при температурах выше 3000°С. Использование дорогостоящего игольчатого кокса и высокая стоимость электричества для графитизации препятствуют применению таких электродов в электропечах небольшой мощности, которые используют для производства нестальных материалов. Кроме того, к смеси исходных электродных материалов добавляют оксиды железа с целью ингибирования растрескивания (вызываемого высвобождением серы из ее связанного с углеродом состояния внутри частиц кокса). Поэтому повышенное содержание железа может загрязнить расплав и вызвать сильную эрозию электродов в атмосферах плавильных печей, которые богаты СО, как, например, в случае с карботермическим восстановлением глинозема.
Сущность изобретения
Соответственно, целью данного изобретения является предложение графитового электрода для печей электротермического восстановления, в частности, для производства алюминия, титана, кремния, ферросплавов и фосфора, а также способа изготовления таких электродов и электродных колонн, которые позволяют преодолеть вышеупомянутые недостатки известных до настоящего времени устройств и способов такого общего типа и которые обеспечивают графитовые электроды, не загрязняющие расплав железом, которые могут быть применены в богатых СО атмосферах плавильных печей и которые являются экономичными в производстве.
С учетом вышеперечисленных и других целей, в соответствии с изобретением предложен графитовый электрод для печи электротермического восстановления, содержащий формованное графитовое тело электрода, образованное из кокса анодного качества, графитизированное при температуре графитизации ниже 2700°С и имеющее содержание железа менее 0,1% по массе, а предпочтительно - примерно 0,05% по массе.
В соответствии с дополнительным признаком изобретения, такой электрод имеет удельное электрическое сопротивление выше 5 мкОм·м и удельную теплопроводность менее 150 Вт/м·К.
Предложенный графитовый электрод особенно подходит для применения в печах электротермического восстановления для производства алюминия, титана, кремния, ферросплавов или фосфора. Особый акцент делается на прямое карботермическое восстановление глинозема.
В соответствии с еще одним дополнительным признаком изобретения, в тело электрода внедрено некоторое количество углеродных нановолокон и/или углеродных волокон для повышения механической прочности и корректировки его коэффициента теплового расширения.
В соответствии с другим признаком изобретения, кокс анодного качества имеет средний размер частиц, составляющий приблизительно от 5 до 10 мм, а предпочтительно - между 5 и 7 мм.
Также предложен промежуточный продукт при изготовлении графитового электрода, содержащий частицы кокса анодного качества, имеющего средний размер частиц между 5 и 10 мм и зольность (содержание золы) менее 0,5%, смешанные со связующим каменноугольным пеком и сформованные в сырой электрод, подлежащий обжигу и графитизации с образованием графитового электрода.
С учетом вышеперечисленных и иных целей, в соответствии с изобретением также предложен графитовый штифт, образованный из кокса анодного качества, графитизированный при температуре графитизации ниже 2700°С и имеющий содержание железа менее 0,1% по массе. Графитовый штифт сформирован с возможностью сопряжения с графитовым телом электрода с образованием электродной колонны.
В соответствии с дальнейшим признаком изобретения, вышеописанный графитовый электрод расположен с образованием центральной колонны самообжигающегося составного электрода в печи электротермического восстановления.
С учетом вышеперечисленных и иных целей, в соответствии с изобретением также предложен способ изготовления графитового электрода. Данный способ включает в себя следующие стадии:
- обеспечение прокаленного анодного кокса со средним размером частиц от 5 до 10 мм и смешивание этого анодного кокса со связующим каменноугольным пеком с получением смеси;
- формирование тела электрода из этой смеси с получением сырого электрода при температуре вблизи точки размягчения связующего пека;
- обжиг сырого электрода при температуре между приблизительно 700°С и приблизительно 1100°С для коксования связующего пека до твердого кокса с получением ококсованного электрода;
- графитизацию ококсованного электрода с помощью термической обработки при конечной температуре от 2100°С до 2700°С в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать организацию атомов углерода в ококсованном электроде в кристаллическую структуру графита.
Предпочтительно, температура графитизации составляет от 2200°С до 2500°С, а сырой электрод обжигают при температуре между 800°С и 1000°С. Также предпочтительным является обжиг сырого электрода при относительном отсутствии воздуха со скоростью нагревания до конечной температуры, составляющей от приблизительно 1 К до приблизительно 5 К в час.
В соответствии с еще одним дополнительным признаком изобретения, после обжига электрод может быть пропитан по меньшей мере один раз каменноугольным или нефтяным пеком. Это приводит к отложению дополнительного пекового кокса в открытых порах электрода. Каждую стадию пропитки сопровождают дополнительной стадией обжига.
Сырой электрод может быть сформирован путем экструзии. В таком случае выгодным является добавление к смеси масел или других смазок с целью повышения производительности экструзии. Альтернативно, сырой электрод может быть сформирован путем прессования в обычной формующей пресс-форме или путем виброформования в форме с перемешиванием.
В соответствии со следующим дополнительным признаком изобретения, графитизированный электрод, полученный на стадии графитизации, подвергают механической обработке для придания окончательной формы графитовому электроду.
В соответствии с сопутствующим признаком изобретения, формируют множество охарактеризованных выше графитовых электродов, формируют один или более ниппелей по существу в такой же технологической последовательности и таким образом, что эти ниппели и электроды могут сцепляться, и соединяют ниппели и электроды, образуя графитовую электродную колонну.
В итоге, данное изобретение предусматривает графитовые электроды для печей электротермического восстановления, в частности, для производства алюминия, титана, кремния, ферросплавов, а также фосфора. Такие электроды изготавливают с использованием кокса анодного качества и температур графитизации ниже 2700°С.
Данное изобретение также предусматривает применение графитовых штифтов, подлежащих сопряжению с вышеописанными графитовыми электродами с образованием электродных колонн. Штифты предпочтительно изготавливают таким же образом, как и электроды согласно данному изобретению. Поэтому штифты (также называемые ниппелями) имеют такие же характеристики, например, КТР (коэффициент теплового расширения) и механические свойства, как и электроды.
Эти новые электроды проявляют себя с наилучшей стороны при их применении в качестве центральных колонн для самообжигающихся составных электродов для печей электротермического восстановления.
Другие признаки, которые рассматриваются как характеризующие данное изобретение, представлены в прилагаемой формуле изобретения.
Несмотря на то что данное изобретение проиллюстрировано и описано здесь воплощенным в графитовом электроде для электротермического восстановления и способе его изготовления, оно, тем не менее, не должно ограничиваться описанными подробностями, поскольку в нем могут быть сделаны различные модификации и структурные изменения без отклонения от сущности изобретения и в рамках объема и диапазона эквивалентов формулы изобретения.
Однако суть изобретения, вместе с его дополнительными целями и преимуществами, станут более понятными из нижеследующего описания конкретных примеров и вариантов воплощения данного изобретения.
Подробное описание наилучшего примерного варианта воплощения
Первая стадия при изготовлении графитовых электродов включает в себя объединение прокаленного кокса и пека. Как указано выше, графитовые электроды для производства стали изготавливают с использованием хорошо упорядоченных игольчатых коксов, характеризующихся коэффициентом теплового расширения (КТР) в 0,3-1,0×10-6 К-1 и анизотропией теплового расширения в 1,8, и при этом они обладают крупноволокнистой микроструктурой. Согласно данному изобретению, графитовые электроды для печей электротермического восстановления изготавливают с использованием анодного кокса. Анодные коксы имеют КТР выше 1,2×10-6 К-1, анизотропию теплового расширения в 1,5 и мозаичную микроструктуру. Такие коксы являются очень чистыми. Они имеют зольность менее 0,3%. Они легко доступны по существенно более низкой цене, чем игольчатые коксы, и они используются в больших количествах для изготовления угольных анодов, предназначенных для процесса выплавки алюминия способом Холла-Эру.
Раздробленный, отсортированный по крупности и измельченный анодный кокс смешивают с каменноугольным пеком. Размер частиц прокаленного кокса выбирают согласно конечному применению электрода. Обычно в случае графитовых электродов, предназначенных для применения при обработке стали, в шихте используют частицы со средним диаметром вплоть до примерно 25 миллиметров (мм). Для графитовых электродов согласно данному изобретению подходит средний размер частиц, составляющий от 5 до 10 мм, более предпочтительно - от 5 до 7 мм. Другие ингредиенты, которые могут быть введены в шихту в небольших количествах, включают углеродные нановолокна или углеродные волокна для обеспечения дополнительной механической прочности или для корректировки КТР готового электрода, а также масла или другие смазки для облегчения экструзии этой шихты.
После смешивания прокаленного кокса и связующего пека формируют (или формуют) тело электрода либо путем экструзии через экструзионную головку, либо прессования в обычных пресс-формах, либо виброформования в формах с перемешиванием с образованием так называемого «сырого» («неспеченного») электрода. Стадию формирования проводят при температуре, близкой к точке размягчения пека, обычно составляющей примерно 100°С или более. Несмотря на то, что головка или форма может формовать электрод по существу конечных формы и размера, обычно требуется механическая обработка готового электрода, пусть и самая минимальная, для нарезания резьбы или иных выемок, которые могут потребоваться для сопряжения со штифтом или ниппелем при формировании электродной колонны. Контур графитовых электродов согласно данному изобретению может быть прямоугольным или круглым.
Сырой электрод затем обжигают при температуре между примерно 700°С и примерно 1100°С, более предпочтительно - между примерно 800°С и примерно 1000°С, для коксования связывающего пека до твердого кокса с приданием электроду постоянства формы, высокой механической прочности, хорошей теплопроводности и сравнительно низкого электрического сопротивления. Стадию обжига осуществляют при относительном отсутствии воздуха со скоростью нагревания до конечной температуры, составляющей от примерно 1 К до примерно 5 К в час. После обжига электрод может быть пропитан один или более раз каменноугольным или нефтяным пеком либо другими видами известных в промышленности пеков для отложения дополнительного пекового кокса во все открытые поры электрода. В этом случае каждую пропитку сопровождают дополнительной стадией обжига. Предпочтительно, электрод пропитывают таким пеком всего лишь один раз.
После обжига электрод, на данной стадии называемый «ококсованным электродом», затем графитизируют путем термической обработки при конечной температуре от 2100°С до 2700°С, более предпочтительно - от 2200°С до 2500°С, в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать трансформацию атомов углерода в прокаленном коксе и связывающем пековом коксе из плохо упорядоченного состояния в кристаллическую структуру графита. Благодаря чистоте анодного кокса, для достижения требуемых зольностей готового электрода достаточны сравнительно низкие температуры графитизации. В случае графитовых электродов для производства стали графитизацию осуществляют при температуре между примерно 2700°С и примерно 3200°С. При таких высоких температурах все элементы, кроме углерода, улетучиваются и удаляются в виде паров. Время, необходимое для выдержки при температуре графитизации, составляет не более чем примерно 12 часов, предпочтительно - от примерно 30 минут до примерно 3 часов. Графитизация может быть осуществлена в печах Ачесона или в печах продольной графитизации (LWG, от англ. «lengthwise graphitization»), при этом последние также могут эксплуатироваться в непрерывном режиме. После того как графитизация завершена, готовый электрод может быть разрезан до нужного размера, а затем обработан механически или каким-либо иным образом для придания ему конечной конфигурации.
Готовые электроды могут быть установлены в печах электротермического восстановления в виде целиковых («монолитных») электродов, в виде пучков электродов либо они могут непрерывно подаваться в виде электродных колонн, соединенных графитовыми штифтами.
В последнем случае электрод обычно имеет внутренний вырез, который аксиально сужается от конца к продольной средней части, для размещения в нем графитового штифта, и затем в этой сужающейся части электрода нарезают резьбу, обеспечивающую сопряжение с соответствующей резьбой штифта, получая электродную колонну. Благодаря своей природе, графит допускает обработку с высокой степенью допуска, тем самым обеспечивая прочное соединение между штифтом и электродом.
Графитовые штифты, используемые для соединения электродных колонн, могут представлять собой по существу такие же штифты, как и используемые для электродных колонн при производстве стали, или, более предпочтительно, их изготавливают таким же образом, как и графитовые электроды согласно данному изобретению. В последнем случае штифты будут иметь сходные с электродами свойства, что является выгодным для предотвращения растрескивания электродной колонны по причине неравномерного теплового расширения электродов и штифтов. Однако штифты должны выдерживать более сильную механическую нагрузку, чем электроды. Для достижения нужных механических свойств, но все-таки с поведением при тепловом расширении, соответствующем поведению электродов, смесь исходных материалов для штифтов обычно несколько изменяют, в то время как последовательность обработки остается такой же самой, как описанная для электродов.
Кроме того, электроды и штифты могут быть снабжены средствами для предотвращения расшатывания электродной колонны во время работы, такими как отверстия или углубления, содержащие связующий пек, или иные средства.
Дополнительный вариант воплощения данного изобретения заключается в применении вышеописанных графитовых электродов в качестве центральных колонн для самообжигающихся составных (сложных) электродов для печей электротермического восстановления. Как описано в патенте США № 4575856 (Перссон), чтобы избежать загрязнения железом, электроды типа Содерберга могут быть изготовлены в виде составных электродов, состоящих из угольной или графитовой электродной колонны-сердцевины, заделанной в пасту Содерберга. Однако использование традиционных графитовых электродов для производства стали вызвало бы повышение затрат, а также загрязнение железом. Более того, было установлено, что природа связи между графитом и обжигаемой до графита пастой состоит во взаимопроникновении этой пасты на поверхности их контакта. Традиционные графитовые электроды для производства стали обычно имеют низкую открытую пористость, составляющую примерно 15% или менее. Следовательно, поверхность контакта с пастой Содерберга была бы ограниченной.
В противоположность этому, графитовые электроды, изготавливаемые согласно вышеописанному, предоставляют экономичный путь изготовления таких самообжигающихся составных электродов для печей электротермического восстановления, имеющих низкое содержание железа и обладающих тесным (плотным) поверхностным контактом между графитовой колонной-сердцевиной и пастой Содерберга.
Следующая цель данного изобретения заключается в создании способа изготовления электродов на основе кокса анодного качества для печей электротермического восстановления с использованием последовательности изготовления самообжигающегося угольного электрода с последующей графитизацией при температурах ниже 2700°С.
Как описано выше, традиционные самообжигающиеся электроды включают в себя вертикально расположенный цилиндрический металлический кожух, который простирается вниз через отверстие в своде печи электротермического восстановления. Верхний конец этого кожуха является открытым для обеспечения загрузки углеродистого пастообразного материала, который вначале плавится, а затем отверждается до твердого состояния по мере того, как он проходит вниз по кожуху, в результате воздействия теплоты, которая подводится вверх от отвержденной части электрода, выступающей вниз за нижний конец кожуха. Такая паста может быть получена, например, путем прокаливания антрацита либо нефтяного или асфальтового кокса, который затем смешивают со связующим материалом, таким как пек или смола.
Согласно данному варианту воплощения изобретения, на первой стадии подобным образом получают самообжигающийся угольный электрод с использованием пасты, состоящей из прокаленного кокса анодного качества и пека. Вместо подачи электрода непосредственно в печь электротермического восстановления, его, при необходимости, отсоединяют от окружающего его металлического кожуха и подвергают графитизации при конечной температуре от 2100°С до 2700°С, более предпочтительно - от 2200°С до 2500°С. Стадия графитизации может быть осуществлена в отдельной печи графитизации, такой как печь Ачесона или печь LWG, либо в печи графитизации непрерывного действия, которая, в идеале, расположена между установкой самообжига и печью электротермического восстановления.
Электроды, полученные в соответствии с настоящим изобретением, обладают многочисленными преимуществами по сравнению с известным уровнем техники. В случае печей электротермического восстановления они являются экономичной альтернативой высокотемпературным графитовым электродам для производства стали и, одновременно, обеспечивают альтернативу с высокой чистотой электродам Содерберга. Кроме того, они могут быть изготовлены с использованием нескольких технологических маршрутов, которые по существу основаны на уже имеющемся производственном оборудовании.
Следующие примеры представлены с целью дальнейшей иллюстрации и пояснения настоящего изобретения и никоим образом не должны рассматриваться как ограничивающие. Если не указано иное, то все части и процентные содержания даны по массе и приведены в расчете на массу продукта на конкретной стадии указанной обработки.
Пример 1
85% анодного кокса, имеющего средний размер частиц 6 мм, и 15% каменноугольного пека перемешивали в высокоинтенсивной мешалке при 150°С. Затем смесь охлаждали и экструдировали в виде сырых электродов с размерами примерно 600 мм в диаметре × примерно 2400 мм в длину. Сырые электроды далее обрабатывали согласно вышеприведенному описанию. Физические свойства этих электродов (ГЭэлектротермический) по сравнению со свойствами графитовых электродов для производства стали (ГЭсталь), а также электродов Содерберга представлены ниже.
| Тип электрода | ГЭэлектротермический | ГЭсталь | Содерберг | |
| Объемная плотность | (г/см3) | 1,62 | 1,75 | 1,38 |
| Открытая пористость | (%) | 25 | 16 | 34 |
| Удельное электрическое сопротивление | (мкОм·м) | 11 | 4,5 | 29 |
| Удельная теплопроводность | (Вт/м·К) | 100 | 180 | 8 |
| Содержание железа | (%) | 0,05 | 0,2 | >1 |
Благодаря низким температурам графитизации, графитовые электроды согласно данному изобретению (ГЭэлектротермический) имеют более высокое удельное электрическое сопротивление и более низкую теплопроводность по сравнению с такими же свойствами графитовых электродов для производства стали (ГЭсталь). Это делает их соответствующими требованиям, предъявляемым печами электротермического восстановления, имеющими сравнительно низкие плотности тока. Помимо существенного преимущества в стоимости, графитовые электроды согласно данному изобретению отличаются своей высокой чистотой, особенно относительно содержания в них железа. Обычные электроды Содерберга могут вызывать загрязнение электротермического расплава, особенно железом. Кроме того, их относительно плохие электропроводность и теплопроводность по сравнению с графитовыми электродами также оказывают отрицательное влияние на потребление энергии во время процессов выплавки.
Пример 2
80% анодного кокса, имеющего средний размер частиц 6 мм, и 20% каменноугольного пека перемешивали в высокоинтенсивной мешалке при 150°С, охлаждали и экструдировали в виде сырых цилиндрических тел с размерами примерно 330 мм в диаметре × примерно 2100 мм в длину. Эти сырые цилиндрические тела далее обрабатывали так же, как и электроды, согласно вышеприведенному описанию. После графитизации из каждого цилиндрического тела вытачивали по 3 имеющих двухконусную форму графитовых штифта, имеющих поверхность с нарезанной резьбой, соответствующей резьбе в электродах. Физические свойства и тех и других, т.е. штифтов и соответствующих электродов, были по существу одинаковыми. Собранная электродная колонна не растрескивалась под воздействием термического напряжения.
Вышеприведенное описание предназначено для того, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники осуществить на практике настоящее изобретение. Оно не предназначено для подробного раскрытия всех возможных вариантов и модификаций, которые станут очевидными квалифицированному специалисту после прочтения данного описания. Однако подразумевается, что все такие модификации и варианты входят в объем данного изобретения, который определяется приведенной ниже формулой изобретения. Формула изобретения предназначена охватывать указанные элементы и стадии в любой компоновке или последовательности, которая является эффективной для достижения намеченных для данного изобретения целей, если контекст специально не указывает на обратное.
1. Графитовый электрод в печи электротермического восстановления, содержащий формованное графитовое тело электрода, образованное из кокса анодного качества, графитизированное при температуре графитизации ниже 2700°С и имеющее содержание железа менее 0,1 мас.%.
2. Графитовый электрод по п.1, в котором упомянутое тело электрода имеет удельное электрическое сопротивление выше 5 мкОм·м и удельную теплопроводность менее 150 Вт/м·К.
3. Графитовый электрод по п.1, в котором упомянутое тело электрода имеет содержание железа приблизительно 0,05 мас.%.
4. Графитовый электрод по п.1, который предназначен для печи электротермического восстановления для производства одного из алюминия, титана, кремния, ферросплавов и фосфора.
5. Графитовый электрод по п.1, который дополнительно содержит некоторое количество углеродных нановолокон, внедренных в упомянутое тело электрода для повышения механической прочности и корректировки его коэффициента теплового расширения.
6. Графитовый электрод по п.1, который дополнительно содержит некоторое количество углеродных волокон, внедренных в упомянутое тело электрода для повышения механической прочности и корректировки его коэффициента теплового расширения.
7. Графитовый электрод по п.1, в котором упомянутый кокс анодного качества имеет средний размер частиц от приблизительно 5 до приблизительно 10 мм.
8. Графитовый электрод по п.7, в котором упомянутый средний размер частиц составляет между 5 и 7 мм.
9. Графитовый электрод по п.1, который расположен с образованием центральной колонны самообжигающегося составного электрода в печи электротермического восстановления.
10. Графитовый штифт в сочетании с графитовым электродом по п.1, образованный из кокса анодного качества, графитизированный при температуре графитизации ниже 2700°С, имеющий содержание железа менее 0,1 мас.% и выполненный с возможностью сопряжения с упомянутым графитовым телом электрода с образованием электродной колонны.
11. Способ изготовления графитового электрода, который включает в себя обеспечение прокаленного анодного кокса со средним размером частиц от 5 до 10 мм и смешивание этого анодного кокса со связующим каменноугольным пеком с получением смеси, формирование тела электрода из этой смеси с получением сырого электрода при температуре вблизи точки размягчения связующего пека, обжиг сырого электрода при температуре между приблизительно 700 и приблизительно 1100°С для коксования связующего пека до твердого кокса с получением ококсованного электрода, графитизацию ококсованного электрода с помощью термической обработки при конечной температуре между 2100 и 2700°С в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать организацию атомов углерода в ококсованном электроде в кристаллическую структуру графита.
12. Способ по п.11, который включает в себя графитизацию при температуре между 2200 и 2500°С.
13. Способ по п.11, который включает в себя обжиг сырого электрода при температуре между 800 и 1000°С.
14. Способ по п.11, который включает в себя обжиг сырого электрода при относительном отсутствии воздуха со скоростью нагревания до конечной температуры от приблизительно 1 до приблизительно 5 К в час.
15. Способ по п.11, который включает в себя после упомянутого обжига пропитку электрода по меньшей мере один раз каменноугольным или нефтяным пеком для отложения дополнительного пекового кокса в открытых порах электрода, и при этом после каждой стадии пропитки следует дополнительная стадия обжига.
16. Способ по п.11, который включает в себя добавление в упомянутую смесь масел или других смазок и формирование сырого электрода путем экструзии.
17. Способ по п.11, который включает в себя формирование сырого электрода путем прессования в формующей пресс-форме или путем виброформования в форме с перемешиванием.
18. Способ по п.11, который включает в себя добавление относительно небольшой доли углеродных волокон или углеродных нановолокон в смесь для формирования сырого электрода.
19. Способ по п.11, который дополнительно включает в себя механическую обработку графитизированного электрода, полученного на стадии графитизации, для придания графитовому электроду окончательной формы.
20. Способ по п.11, который включает в себя обеспечение прокаленного анодного кокса со средним размером частиц от 5 до 7 мм.
21. Способ изготовления графитовой электродной колонны, который включает в себя изготовление множества графитизированных электродов способом по п.11, изготовление ниппеля, выполненного с возможностью сцепления с графитизированными электродами, и соединение этих электродов и ниппеля с образованием графитовой электродной колонны.
www.findpatent.ru
Уплотняющее устройство для электродов электрических печей
.1У:
ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ
ОПИСАНИЕ уплотняющего устройства для электродов электрических печей.
К патенту ин-ной фирмы „Акционерное Общество Сименс и
Гальске" (Siemens und Halske Aktiengesellschaft), Берлин, Германия, заявленному 27 мая 1926 года (заяв. свид. ¹ 8325).
Действительный изобретатель ин-ц А. Ренш (А. Ronsch).
Приоритет от 20 мая 1925 года на основании ст. 4 Советско-Германского Соглашения об охране промышленной собственности.
0 выдаче патента опубликовано 81 мая 1928 года. Действие патента распространяется на 15 лет от 31 мая 1928 года.
Охлаждающий цилиндр известных уплотняющих устройств для электродов электрических печей расположен в некотором расстоянии вокруг электродов, вследствие чего его нельзя считать направляющим электрод органом; в таком случае электрод поддерживается лишь захватывающим его зажимом (служащим также для подводки тока), так что свободно свисающая длина электрода весьма велика; при опрокидывании печи может легко произойти поломка электродов. Охлаждающий цилиндр установлен либо на самом своде печи, либо укреплен к особому мостику над печью.
Печной свод смещается при высоких температурах не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Если охлаждающий цилиндр лежит на своде, вертикальное расширение последнего не имеет вредных последствий, так как цилиндр может перемещаться в осевом направлении вдоль электрода. Наоборот, горизонтальный сдвиг свода вызывает напряжение в электроде в радиальном направлении, т.-е. приводит к поломке электрода. В виду этого, при таком устройстве приходится располагать охлаждающий цилиндр вокругэлектрода на довольно большом расстоянии от последнего. Если охлаждающий цилиндр укреплен к мостику над печью, он не сдвигается при боковом смещении свода, но препятствует вертикальному расширению последнего. Предлагаемое изобретение имеет целью устранить все эти недостатки; для этого охлаждающий цилиндр, тесно охватывающий электрод и уплотненный относительно него сальником, может выполнять по отношению к мостику осевые движения.
На чертеже изображен продольный разрез предлагаемого устройства.
Электрод 1 укреплен к непоказанному на чертеже поддерживающему и токоподводящему зажиму и проходит сквозь отверстие 2 в печном своде 3. На этом своде, над отверстием, укреплено окружающее электрод с большим зазором охлаждающее кольцо 4, которое своим воронкообразным уширением 5 принимает нижнюю часть цилиндра б, тесно охватывающего электрод и снабженного водяным охлаждением. У верхнего конца этого охлаждающего цилиндра предусмотрен сальник 7, при помощи которого достигается уплотнение между электродом и цилиндром. Охлаждающий цилиндр проходит подвижно сквозь особый мостик 8, укрепленный вне печи на подпорках, несущих также приводное присособление для электродов. В этом мостике предусмотрена цилиндрическая направляющая 9, внутри которой охлаждающий цилиндр б может перемещаться в осевом направлении.
Нижний конец цилиндра б снабжен особого вида кольцевой закраиной
10, которая входит в воронкообразную часть 5 охлаждающего кольца 4, при чем уплотнение 11 цилиндра б относительно кольца 4 достигается песочной засыпкой воронки. Охлаждающее кольцо 4 можно соединить также в одно целое с охлаждающим цилиндром 6, при чем необходимо принять меры, чтобы печной свод мог выполнять некоторое движение в горизонтальном направлении относительно охлаждающего цилиндра.
В предлагаемом устройстве получаются следующие результаты: при опрокидывании печи электрод опирается на охлаждающее кольцо; свободно свисающая часть его, поэтому, имеет незначительную длину, и поломка электрода избегается; печной свод может сдвигаться в сторону вместе с охлаждающим кольцом, не оказывая никакого влияния на электрод; это смещение нижнего охлаждающего кольца относительно охлаждающего цилиндра возможно, благодаря уплотнению из эластичной песочной засыпки 11; с другой стороны, благодаря подвижности охлаждающего цилиндра в осевом направлении относительно мостика, возможно также расширение свода вверх или вниз; электрод и набивка сальника над охлаждающим цилиндром остаются вполне свободными и доступными; сальник можно легко подтягивать или сменять даже во время работы печи.
Предмет патента.
Уплотняю щее устройство для электродов электрических печей с непосредственно окружающим электрод охлаждающим цилиндром, характеризующееся тем, что уплотненный, напр., сальником, тесно окружающий электрод 1 охлаждающий цилиндр б расположен подвижно в осевом направлении в направляющих 9 мостика 8, при чем, для присоединения охлаждающего цилиндра к печному своду или к впущенному в него охлаждающему кольцу 4, применено эластичное уплотнение 11, напр., из песочной засыпки.
E. С..
Типо-пихоирафия «Красный Печатнии», Ленинград, Международный, 75.
www.findpatent.ru
