ДЕРЖАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОДА В СБОРЕ И СОДЕРЖАЩАЯ ЕГО ПЕЧЬ
ELECTRODE HOLDER ASSEMBLY AND FURNACE EQUIPPED THEREWITH

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обычный карботермический процесс в усовершенствованном реакторе представляет собой многостадийную систему, в которой на низкотемпературной стадии в ванне жидкого шлака, содержащей глинозем и углерод, осуществляются реакции с получением карбида алюминия. Получающийся в результате шлак глинозема-карбида алюминия затем поступает на высокотемпературную стадию, где карбид алюминия вступает в реакцию с глиноземом с получением металлического алюминия. Алюминий имеет меньшую плотность, чем шлак, и скапливается в виде слоя, плавающего поверх шлака. Низкотемпературная и высокотемпературная стадии расположены в общем реакционном сосуде и разделены перегородкой для перетекания снизу. Высокотемпературная стадия имеет выпуск для непрерывного выпуска расплавленного алюминия. На высокотемпературную стадию подают дополнительный углеродный материал для обеспечения соответствия стехиометрии реакции.
Энергия, требуемая для расплавления и предварительного восстановления на низкотемпературной стадии, подводится за счет высокоинтенсивного контактного электронагрева шлака с использованием вертикальных углеродистых электродов, погруженных в расплавленный шлак. Аналогичным образом, энергия, подаваемая на высокотемпературную стадию, обеспечивается за счет высокоинтенсивного контактного электронагрева шлака посредством множества пар горизонтально расположенных электродов, проходящих через боковую стенку реактора в фазу шлака ниже фазы металла.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте осуществления раскрыт предназначенный для зажимания, перемещения и передачи электроэнергии держатель электрода в сборе, способный подводить электрический ток с высокими плотностями. В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения раскрыт держатель электрода в сборе, который включает в себя токоподводящее основание, имеющее контактную поверхность, выполненную с достаточной возможностью распределения электрического тока; шинную плиту, выполненную с достаточной возможностью подачи электрического тока к токоподводящему основанию; узел с башмаками и кольцом, содержащий: множество электрических башмаков, причем каждый из электрических башмаков имеет ближний конец, дальний конец, наружную поверхность и внутреннюю поверхность, при этом электрический ток от контактной поверхности токоподводящего основания распределяется ко множеству электрических башмаков, и при этом электрический ток от множества электрических башмаков распределяется к электроду; множество двухходовых цилиндров, равное по числу множеству электрических башмаков, при этом каждый из двухходовых цилиндров сопряжен с ближним концом каждого из электрических башмаков и отделен от него, при этом каждый из двухходовых цилиндров индивидуально управляет каждым из электрических башмаков, при этом каждый из двухходовых цилиндров выполнен с достаточной возможностью приложения давления к каждому из электрических башмаков для контакта с электродом, и при этом каждый из двухходовых цилиндров выполнен с достаточной возможностью отвода каждого из электрических башмаков для обеспечения возможности скольжения электрода; и монтажное кольцо, имеющее множество отверстий, равное по числу множеству двухходовых цилиндров, при этом множество двухходовых цилиндров простираются через множество отверстий; и гидравлический узел, содержащий: зажимное кольцо, имеющее центральное отверстие, выполненное с достаточной возможностью сопряжения с наружной поверхностью электрода, при этом зажимное кольцо включает в себя подвижные друг относительно друга детали; поджимающий цилиндр, выполненный с достаточной возможностью стягивания и ослабления зажимного кольца, при этом поджимающий цилиндр сопрягается с деталями зажимного кольца; и по меньшей мере один двухходовой цилиндр, выполненный с достаточной возможностью управления горизонтальным перемещением зажимного кольца и электрода.
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения раскрыта печь, которая включает в себя кожух, включающий в себя множество боковых стенок и нижнюю чашу; свод; электрическую систему; и держатель в сборе для электрода, горизонтально прерывающего по меньшей мере две из боковых стенок, причем держатель в сборе содержит: токоподводящее основание, выполненное с достаточной возможностью распределения электрического тока; шинную плиту, выполненную с достаточной возможностью подачи электрического тока к токоподводящему основанию, причем электрический ток подается электрической системой; узел с башмаками и кольцом, содержащий: множество электрических башмаков, причем каждый из электрических башмаков имеет ближний конец, дальний конец, наружную поверхность и внутреннюю поверхность, при этом электрический ток от токоподводящего основания распределяется ко множеству электрических башмаков, при этом электрический ток от множества электрических башмаков распределяется к электроду; множество двухходовых цилиндров, равное по числу множеству электрических башмаков, при этом каждый из двухходовых цилиндров сопряжен с ближним концом каждого из электрических башмаков и отделен от него, при этом каждый из двухходовых цилиндров индивидуально управляет каждым из электрических башмаков, при этом каждый из двухходовых цилиндров выполнен с достаточной возможностью приложения давления к каждому из электрических башмаков для контакта с электродом, и при этом каждый из двухходовых цилиндров выполнен с достаточной возможностью отвода каждого из электрических башмаков для обеспечения возможности скольжения электрода; и монтажное кольцо, имеющее множество отверстий, равное по числу множеству двухходовых цилиндров, при этом множество двухходовых цилиндров простираются через множество отверстий; и гидравлический узел, содержащий: зажимное кольцо, имеющее центральное отверстие, выполненное с достаточной возможностью сопряжения с наружной поверхностью электрода, при этом зажимное кольцо включает в себя подвижные друг относительно друга детали; поджимающий цилиндр, выполненный с достаточной возможностью стягивания и ослабления зажимного кольца, при этом поджимающий цилиндр сопрягается с деталями зажимного кольца; и по меньшей мере один двухходовой цилиндр, выполненный с достаточной возможностью управления горизонтальным перемещением зажимного кольца и электрода.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение будет разъяснено далее со ссылкой на приложенные чертежи, на которых аналогичные конструктивные элементы обозначены аналогичными ссылочными позициями на нескольких видах. Показанные чертежи необязательно выполнены в масштабе, а вместо этого акцент в основном был сделан на иллюстрацию принципов настоящего изобретения.
Фиг.1 показывает изометрическое изображение одного варианта держателя электрода в сборе по настоящему изобретению, расположенного горизонтально и сопрягающегося с боковой стенкой печи.
Фиг.2 показывает вид сбоку держателя электрода в сборе по Фиг.1.
Фиг.3 показывает выполненное с пространственным разделением изометрическое изображение некоторых из деталей держателя электрода в сборе по Фиг.1.
Фиг.4 показывает вид сбоку в сечении держателя электрода в сборе по Фиг.1.
Фиг.5А-5С показывают некоторые из признаков деталей держателя электрода в сборе по Фиг.1. Фиг.5А представляет собой вид в плане сверху одного электрического башмака, сопряженного с одним двухходовым цилиндром и отделенного от него посредством штифта. Фиг.5В представляет собой вид в сечении, выполненном по линии В-В на Фиг.5А. Фиг.5С представляет собой увеличенный вид зоны С Фиг.5В, показывающий сопряжение штифта с одним электрическим башмаком.
Фиг.6 показывает изометрическое изображение гидравлического узла держателя электрода в сборе по Фиг.1.
Несмотря на то что вышеуказанные чертежи показывают раскрытые сейчас варианты осуществления, также предусмотрены и другие варианты осуществления, как отмечено в описании. В данном описании приведены иллюстративные варианты осуществления в качестве представления, а не ограничения. Специалистами в данной области техники могут быть разработаны многочисленные другие модификации и варианты осуществления, которые находятся в пределах объема и сущности принципов настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг.1 и 2 совместно с Фиг.3 показывают один вариант держателя 100 электрода в сборе по настоящему изобретению. Держатель 100 в сборе включает в себя кольцеобразное пустотелое токоподводящее основание 105, имеющее ближний конец 107, дальний конец 109 и контактную поверхность 204 между ними. Ближний конец 107 токоподводящего основания 105 расположен горизонтально, проходя через боковую стенку 510 печи 500, как проиллюстрировано на Фиг. 1 и 2. Держатель 100 в сборе также включает в себя шинную плиту 200, которая соединена с кабелями 230, проходящими от расположенного рядом с печью трансформатора (не показан). Кабели 230 могут охлаждаться водой или охлаждающей средой. Узел 225 с башмаками и кольцом включает в себя множество электрических башмаков 120, соответствующее множество двухходовых (гидравлических) цилиндров 190, равное по числу множеству электрических башмаков 120, и монтажное кольцо 220, имеющее множество отверстий 222, равное по числу множеству двухходовых цилиндров 190. Отверстия 222 монтажного кольца 220 разнесены на приблизительно одинаковое расстояние друг от друга. В одном варианте осуществления электрические башмаки 120 расположены вокруг периметра монтажного кольца 220 сквозь отверстия 222, например, равномерно/одинаково разнесенными вокруг периметра монтажного кольца 220 (например, в положениях, соответствующих положениям стрелок традиционных настенных часов в 1 час, 2 часа, 3 часа и т.д.). Множество электрических башмаков 120 могут быть расположены таким образом посредством множества соединительных штифтов 191. Множество двухходовых цилиндров 190 простираются через множество отверстий 222. Монтажное кольцо 220 может быть прикреплено к токоподводящему основанию 105 комплектом изолированных болтов 160. Каждый из двухходовых цилиндров 190 индивидуально управляет каждым из соответствующих электрических башмаков 120, как будет подробно описано ниже. Каждый из двухходовых цилиндров 190 выполнен с достаточной возможностью приложения давления к каждому из электрических башмаков 120 для контакта с электродом 400. Каждый из двухходовых цилиндров 190 выполнен с достаточной возможностью отвода каждого из электрических башмаков 120 для обеспечения возможности скольжения электрода 400.
Шинная плита 200 выполнена с достаточной возможностью подачи электрического тока к контактной поверхности 204 токоподводящего основания 105, а контактная поверхность 204 токоподводящего основания 105 выполнена с достаточной возможностью распределения электрического тока к электрическим башмакам 120. Электрический ток от множества электрических башмаков 120 распределяется к электроду 400. Электрод 400 типично состоит из любого токонесущего материала. Например, электрод 400 может быть выполнен из графита, меди, самоспекающейся углеродсодержащей электродной массы или их комбинации. Полая внутренность монтажного кольца 220, шинная плита 200 и токоподводящее основание 105 выполнены с размерами, обеспечивающими возможность вталкивания электрода 400 через них без контактирования их внутренних поверхностей с наружной поверхностью 410 электрода 400. Гидравлический узел 300 обеспечивает возможность введения электрода 400 в печь 500, исходя из набора заданных параметров.
Фиг.4 показывает вид сбоку в сечении держателя 100 электрода в сборе по Фиг.1 (печь и шинная плита не проиллюстрированы). Токоподводящее основание 105 включает в себя полую камеру 111, проходящую концентрически относительно окружной периферии, через которую нагнетается охлаждающая среда, в результате чего обеспечивается средство регулирования температуры контактной поверхности 204. Полую камеру 111 разделяет перегородка. С одной стороны перегородки имеется впуск для охлаждающей среды. Охлаждающая среда протекает по всей полой камере 111 и выходит с другой стороны перегородки. Охлаждающая среда входит и выходит по трубам 219, которые могут представлять собой часть встроенной системы охлаждения или могут представлять собой отдельную водяную систему. В одном варианте осуществления охлаждающая среда выбрана из одной из воздуха, воды, масла (например, перфторполиэфирного масла или гидрофторполиэфирного масла), гликоля или их комбинаций. Регулирование температуры контактной поверхности 204 обеспечивает держатель 100 электрода в сборе, способный выдерживать большую амперную нагрузку без выгорания электрода 400 снаружи печи 500. Это приводит к стабилизации расходования электрода 400, а также стабильности тока, подаваемого в процесс (что является результатом равномерно распределенной электрической энергии вокруг окружной периферии электрода 400 в точках контакта. Это позволяет устранить пики мощности на любой части электрода 400 и потери мощности, вызванные плохим контактом в других частях). Большая стабильность мощности в процессе должна также обеспечивать возможность большей стабильности самого процесса. Как проиллюстрировано на Фиг.4, электрические башмаки 120 обычно электрически изолированы от монтажного кольца 220 благодаря расстоянию между дальним концом 122 электрических башмаков 120 и ближней стороной 224 монтажного кольца 220, а также благодаря использованию изоляционных шайб 192 на соединительных штифтах 191. Кроме того, изоляционные втулки по существу электрически изолируют болты 160 от остальной части узла 225 с башмаками и кольцом. При этом изоляционные втулки обычно по существу окружают по меньшей мере часть наружной поверхности болтов 160.
Фиг. 5А-5С показывают, как электрические башмаки 120 механически взаимосвязаны с двухходовыми цилиндрами 190 посредством установочных пазов/заглушек 194 и штифтов 191. Каждый электрический башмак 120 обычно имеет дальний конец 122 и ближний конец 124. Каждый электрический башмак 120 обычно расположен так, что наружная поверхность 123 электрического башмака 120 способна сопрягаться (соприкасаться) с контактной поверхностью 204 токоподводящего основания 105. Каждый электрический башмак 120 гидравлически заклинен между контактной поверхностью 204 токоподводящего основания 105 и электродом 400. Каждый из двухходовых цилиндров 190 способен прикладывать давление для заклинивания соответствующего электрического башмака 120 для создания электрического контакта с электродом 400, или же для отвода соответствующего электрического башмака 120 для обеспечения возможности скольжения электрода 400. Держатель 100 электрода в сборе по настоящему изобретению «разделяет» подачу тока на множественные контакты, позволяя лучше регулировать площадь контакта между каждым из электрических башмаков 120 и электродом 400. Выполнение каждого электрического башмака 120 гидравлически управляемым позволяет устранить проблемы, связанные с расширением, сжатием и приложением сосредоточенной нагрузки, как правило имеющие место в устройствах зажима электродов. За счет наличия множественных точек контакта и постоянного давления на каждом электрическом башмаке 120 ток может быть равномерно распределен вокруг электрода 400, что обеспечивает выравнивание температуры, создаваемой энергией, подведенной посредством электрода 400.
Фиг.6 показывает изометрическое изображение гидравлического узла 300. Гидравлический узел 300 включает в себя зажимное кольцо 310, имеющее центральное отверстие, выполненное с достаточной возможностью сопряжения с наружной поверхностью 410 электрода 400, поджимающий цилиндр 320, выполненный с достаточной возможностью стягивания и ослабления зажимного кольца 310, и по меньшей мере один двухходовой цилиндр 330, выполненный с достаточной возможностью управления горизонтальным перемещением зажимного кольца 310 и электрода 400. Комплект болтов 345, простирающихся по всей толщине зажимного кольца 310, скрепляет гидравлический узел 300 с монтажным кольцом 220. Зажимное кольцо 310 включает в себя подвижные друг относительно друга детали 312, 314 и 316. Зажимное кольцо 310 представляет собой гидравлически регулируемое кольцо, которое стягивается вокруг окружной периферии электрода 400 для перемещения электрода 400 в печь 500 и затем ослабляется для перемещения его назад в исходное положение. Поджимающий цилиндр 320 сопрягается с деталями 312 и 316 зажимного кольца 310. В одном варианте осуществления гидравлический узел 300 включает в себя три двухходовых цилиндра 330, хотя настоящее изобретение не должно быть ограничено числом двухходовых цилиндров 330, рассматриваемых как часть гидравлического узла 300. Двухходовые цилиндры 330 интегрированы с возможностью работать синхронно с двухходовыми (гидравлическими) цилиндрами 190 и управляются одной и той же системой управления.
При первоначальной сборке электрод 400 заталкивают в центр гидравлического узла 300. В это время ближние концы 124 электрических башмаков 120 обычно физически не взаимодействуют с дальним концом 109 токоподводящего основания 105. Однако ближние концы 124 электрических башмаков 120 будут физически сопрягаться с наружной поверхностью 410 электрода 400, в то время как дальние концы 122 электрических башмаков 120 физически не сопрягаются с наружной поверхностью 410 электрода 400 вследствие клинообразной формы электрических башмаков 120. После того как электрод 400 перемещен в надлежащее положение, давление в двухходовых цилиндрах 190 повышается. Ближние концы 124 электрических башмаков 120 прижимаются к дальнему концу 109 токоподводящего основания 105 посредством двухходовых цилиндров 190, в результате чего обеспечивается механическое давление между электрическими башмаками 120 и контактной поверхностью 204 токоподводящего основания 105. В одном варианте осуществления в сочетании с соединительными штифтами 191 могут быть использованы пружинные шайбы 192, чтобы способствовать равномерному распределению давления между каждым из электрических башмаков 120, контактной поверхностью 204 и поверхностью электрода 400 (как ясно проиллюстрировано в варианте осуществления, показанном на Фиг.5С). В одном варианте осуществления каждый электрический башмак 120 удерживается в поджатом состоянии пружинными шайбами 192, что дает возможность теплового расширения и сжатия держателя 100 в сборе.
Электрическая нагрузка подается к контактной поверхности 204 посредством шинной плиты 200. Данный ток течет через электрические башмаки 120 и в электрод 400 через клинообразные ближние концы 124 электрических башмаков 120. Благодаря одинаковому расстоянию между электрическими башмаками 120 на электрод 400 и, следовательно, от электрода 400 к печи 500 может быть подана довольно равномерная электрическая нагрузка. Со временем электрод 400 вследствие использования в печи 500 может подвергаться износу. Держатель 100 в сборе может быть использован для введения дополнительной части электрода 400 в печь 500. Для выполнения этого протекание электрического тока к контактной поверхности 204 может быть прекращено. Далее, двухходовые цилиндры 190 могут отвести электрические башмаки 120 относительно контактной поверхности 204 и электрода 400, тем самым располагая электрические башмаки 120 ближе к более дальней части электрода 400 и устраняя физический контакт между электрическими башмаками 120 и контактной поверхностью 204. Гидравлический узел 300 может вынуждать зажимное кольцо 310 физически сопрягаться с наружной поверхностью 410 электрода 400 за счет «стягивания» окружной периферии поджимающим цилиндром 320, после чего гидравлический узел 300 может вызвать принудительное смещение взаимосвязанного с ним электрода 400 посредством зажимного кольца 310 к контактной поверхности 204, тем самым вталкивая дополнительную часть электрода 400 в печь 500. Впоследствии может быть повышено давление в двухходовых цилиндрах 190. Данный процесс может повторяться по мере необходимости для подачи дополнительного электрода 400 вовнутрь печи 500, после чего электрические башмаки 120 могут быть снова сопряжены с контактной поверхностью 204, и электрический ток может подаваться к электроду 400 через электрические башмаки 120, как описано выше.
В одном варианте осуществления электрические башмаки 120 равномерно разнесены вокруг монтажного кольца 220 и обеспечивают равномерное распределение тока по электроду 400, что устраняет «точечные» токи, которые могут вызвать чрезмерное увеличение нагрева. Кроме того, давление на каждый электрический башмак 120 может быть отрегулировано по отдельности посредством регулирования гаек и/или пружинных шайб, что способствует равномерному распределению давления по электрическим башмакам 120, контактной поверхности 204 и электроду 400. Такое по существу одинаковое прижимание электрических башмаков 120 может способствовать равному падению напряжения вокруг электрода 400, что может дополнительно способствовать равномерной передаче тока. Кроме того, несовершенства на наружной поверхности 410 электрода 400 не могут влиять на эксплуатационные характеристики электрода 400, поскольку отдельные электрические башмаки 120 могут быть отрегулированы так, чтобы соответствовать наружной поверхности 410 электрода 400, в результате чего обеспечивается возможность применения электродов в «состоянии поставки», и, следовательно, уменьшаются проблемы, связанные с использованием несовершенных/неправильных электродов, и возможные связанные с этим затраты средств и времени. Отсутствует необходимость в «идеальных» электродах, поскольку электрические башмаки 120 могут подгоняться под изменяющиеся диаметры, некруглости и неправильные поверхности.
Держатель 100 электрода в сборе по настоящему изобретению находит применение в различных типах промышленных печей, включая, но не ограничиваясь ими, нагревательные печи, плавильные печи, восстановительные печи, рудоплавильные печи, дуговые печи, реакционные печи и печи реакционного типа, и может быть спроектирован для электрода любого размера. В одном варианте осуществления держатель 100 электрода в сборе установлен на печи с погруженной дугой.