ПОДОВЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ПЛАВКИ МЕТАЛЛА

Полезная модель относится к области электротермии, в частности к плавильным печам, плавка металла в которых проводится в футерованной огнеупорными неэлектропроводными материалами ванне, через дно которой для подвода тока к металлу пропущен один или несколько подовых электродов. Такими печами, например, являются дуговые печи постоянного тока, плазменные и индукционно-плазменные.
Подовые электроды (ПЭ) подвержены термическим нагрузкам, особенно в период нагрева расплава, сопровождающегося его (расплава) интенсивным перемешиванием, и воздействию дуги и джоулева тепла при плохом контакте подового электрода с материалом расплава в процессе его расплавления.
В плавильных печах получили распространение подовые электроды, выполненные в виде медного (материала с высокой электропроводностью или теплопроводностью) водоохлаждаемого стержня, к которому со стороны переплавляемого металла прикреплена сваркой или другим методом стальная (металлическая) головка, контактирующая с расплавом (патент US 5,233,625 МПК H05B 7/06 1993 г., US 4,982,411 МПК H05B 7/00 1991 г., RU 2061998 МПК H05B 7/06 1996 г.). Медный стержень с внутренним водоохлаждением обеспечивает хороший отвод тепла от части подового электрода, расположенной в футеровке, а контакт стальных листов с металлом немедленно после включения печи обеспечивает контакт электрода и шихты.
Эта конструкция имеет ряд недостатков, основными из которых являются сложность конструкции, высокое термическое сопротивление между медным стержнем и стальной головкой, а так же низкая теплоотдача водоохлаждаемых стенок медного стержня.
Из-за высокой температуры и интенсивной конвекции расплава происходит перегрев подового электрода и расплавление стальной головки подового электрода, что увеличивает тепловые потери через подовый электрод, уменьшает ресурс работы подины, затрудняет последующий ремонт подового электрода.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, по наибольшему количеству совпадающих признаков и назначению является изобретение по патенту US 5,651,024 МПК H05B 7/00 1997 г. «Охлаждаемый подовый электрод для электрической печи постоянного тока». Подовый электрод содержит один или более стальные стержни, включенный(ые) в огнеупорную подовую печь и имеющий(ие) ее верхний конец в контакте с ванной расплавленного металла в печи и нижнюю твердую часть вдоль стального стержня и разделен на зоны, нижняя часть ассоциируется с охлаждающими элементами. Охлаждающие элементы выполнены из меди и соединены с твердой частью стального стержня. При этом охлаждающая жидкость вода течет по каналам охлаждения медных элементов по направлению к внутренней части печи.
Недостатком известного изобретения является сложность изготовления, т.к. необходимо точно изготовить сложные оребренные поверхности контакта верхней стальной части (головки) и нижней медной так, чтобы собрать подовый электрод и получить хороший контакт между верхней (стальной) и нижней (медной) частью. Кроме этого, также необходима дополнительная организация тепло- и токопередачи от медного стержня к стальной головке, вследствие сложности организации хорошего контакта между двумя поверхностями из различных материалов, что приводит к повышению термического и электрического сопротивления. Также слабо организован отвод тепла охлаждающей жидкостью от медного стержня, так как в верхней части канала охлаждения будут скапливаться пузырьки вскипевшей жидкости, образованные в результате пузырькового кипения, что приведет к пленочному кипению и снижению теплоотвода. Вышеуказанные факторы ведут к перегреву подового электрода, повышенной эрозии и, как следствие, быстрому выходу его из строя.
Заявленное техническое решение позволяет устранить указанные недостатки.
Решаемая техническая задача заявленного подового электрода -повышение скорости теплоотвода от поверхности контакта с расплавом, что приведет к увеличению срока службы электрода.
Решаемая техническая задача в подовом электроде, содержащем медный охлаждаемый стержень, состоящем из корпуса и крышки узла охлаждения, с каналом охлаждения и токоподводом, достигается тем, что верхняя часть медного стержня, защищенная образовавшимся электропроводным монолитом, непосредственно контактирует с расплавом, а в его нижней части выполнены ребра охлаждения, закрученные по спирали вдоль стержня оребрения с определенным шагом и закрытые крышкой. В процессе плавок металла в месте контакта электрода с расплавом образуется сплошной электропроводный монолит за счет разницы температур расплава и медного стержня, что защищает медный стержень от эрозии. В процессе работы печи с заявляемым подовым электродом особенности конструкции позволяют поддерживать подовый электрод в твердом состоянии с температурой, не превышающей температуру плавления.
Канал охлаждения расположен вдоль ребер, изготовленных в теле медного стержня, закрученных по спирали вдоль корпуса, охлаждающая жидкость движется по спирали каналов снизу вверх. Узел охлаждения закрыт крышкой. Шаг ребер, длина ребер и расстояние между стенкой и вершиной ребер рассчитаны таким образом, чтобы охлаждаемая жидкость двигалась в межреберном пространстве, совершая наибольший путь вдоль поверхности охлаждения, тем самым производя наилучший съем теплоты, вследствие особенности конструкции заявленного подового электрода практически исключается пузырьковое вскипание охлаждающей жидкости, поддерживается высокая теплопроводность подового электрода и, как следствие, повышается срок службы подового электрода в целом.
Заявленное техническое решение иллюстрируется следующими фигурами:
На фиг. 1 схематично представлен подовый электрод.
На фиг. 2 показаны каналы охлаждения подового электрода. Схема прямоугольного по сечению ребра.
Подовый электрод (Фиг. 1) содержит медный стержень 1, в нижней части которого жестко, например, посредством резьбового соединения закреплена крышка узла охлаждения 2. В теле медного стержня 1 выполнены ребра охлаждения 3, представляющие собой плоское тело прямоугольного сечения, закрученные по спирали вдоль стержня оребрения с определенным шагом. При этом верхняя часть медного стержня контактирует непосредственно с расплавом.
В процессе плавок металла в месте контакта электрода с расплавом образуется сплошной электропроводный монолит. Подвод электрического тока и отвод тепла осуществляется через медный стержень. Термическое сопротивление через электрод уменьшается также за счет того, что отвод тепла от него проводится через ребра.
В связи с ожидаемым перегревом ПЭ рекомендовано увеличить количество отводимой теплоты за счет создания ребристой поверхности со стороны охлаждающей жидкости.
Ребра в поперечном сечении могут иметь профиль самой различной геометрической конфигурации (прямоугольник, круг, треугольник и др. фигуры, в том числе и неправильной геометрической формы, ведущие к увеличению площади контакта с охлаждающей жидкостью).
op
1
2
На фиг. 2 представлена схема прямоугольного по сечению ребра. R1 внутренний диаметр охлаждаемого канала и R2 наружный диаметр оребренной поверхности, δ толщина ребер и расстояние между ребрами. При расчете размеров ребер важен коэффициент оребрения E, (который определяется по графику из литературы: Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. - Изд. 5-е перераб. и доп. - М.: Атомиздат, 1979, 416 с. в главе 7.8. коэффициент эффективности оребрения в зависимости от коэффициента теплоотдачи а, размеров ребра (R R и δ) и т.д.).
Тепловой поток от оребренной поверхности определяется по формуле:
CuH20
op
ст1
ж
op
Q=α∗F∗(t-t)∗E,
где α - среднее по омываемой поверхности значение коэффициента теплоотдачи,
ор
F - площадь оребрения,
ст1
ж
t, t - температуры стенок электрода и охлаждающей жидкости, соответственно.
Расчет температуры
Рассмотрим систему «расплав-ПЭ-охлаждающая жидкость (вода)»
Теплопередача между расплавом и электродом, между электродом и водой определяется по формуле конвективной теплоотдачи,
а через сам электрод по формуле теплопередачи через стенку.
,
где α1 - среднее по омываемой поверхности значение коэффициента теплоотдачи от расплава к ПЭ; 1 - толщина стенки ПЭ; λ - коэффициент теплопроводности среды.
При расчете по формуле Ньютона-Рихмана коэффициент а определялся по книге «Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров». Уонг Х. 1979 г.
Необходимо определить термические сопротивления и распределение температур R.
1
2
1
FeCu
Cu
2
CuH2O
Видно, что полное термическое сопротивление складывается из частных термических сопротивлений 1/α, δ/λ, 1/α причем 1/α=R - термическое сопротивление теплоотдачи от горячей жидкости к поверхности стенки; δ/λ=R - термическое сопротивление теплопроводности стенки; 1/α=R - термическое сопротивление теплоотдачи от поверхности стенки к холодной жидкости.
Общий вид рассчитанного подового электрода для плавки металла при температуре 2000 C° в конкретной реализации представлен на фиг. 3.
кр
Fe
кр
3
Приведем графики (1, 2, 3) расчета критического теплового потока Q(максимально допустимого теплового потока при отсутствии эрозии электрода) в зависимости от диаметра d ПЭ контакта расплава с ПЭ (и соответственно площади контакта с расплавом в форме круга диаметра d), длины 1 ПЭ и температуры расплава T. По температуре расплава подбирается критический тепловой поток Q, диаметр d и длина 1 ПЭ. Данные графики (Фиг. 5, 6, 7) построены для предложенной конструкции ПЭ (с определенным количеством ребер, размером ребер, площадью проходного сечения) и расхода охлаждающей жидкости (воды) 2 м/ч.
В процессе работы печи с заявляемым подовым электродом особенности конструкции позволяют поддерживать подовый электрод в твердом состоянии с температурой, не превышающей температуру плавления.
Гарантированный длительный срок службы подового электрода по сравнению с прототипом обеспечивается также тем, что передача тока осуществляется через поверхность медного стержня по большой интенсивно охлаждаемой контактной поверхности.
Подовый электрод предлагаемой конструкции, по сравнению с прототипом, позволяет повысить скорость охлаждения и ресурс работы. Кроме того, упрощается сама конструкция, уменьшаются габариты, достигается равномерный нагрев электрода.