ОХЛАЖДАЕМЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ
COOLABLE ELECTRODE FOR A METALLURGICAL ELECTRIC FURNACE

[0001] Настоящее изобретение в основном относится к области плавления металлов с помощью электропечи.
[0002] Более конкретно, настоящее изобретение относится к электроду электропечи для плавления металлов, например, для электродуговой печи или для печей вторичной металлургии, таких как печи-ковши.
[0003] В сталелитейной промышленности известно плавление металлов в плавильных печах, таких как электродуговые печи (ДСП), которые производят сталь с использованием электрической дуги для плавления металлолома, горячих металлов, материалов на основе железа или других металлических материалов, помещенных внутрь печи.
[0004] На этапе плавления электрическая дуга и горелки плавят загрузку металла в ванну жидкого металла. Как правило, в процессе плавления используются графитовые электроды.
[0005] Тепло, необходимое для плавления металлов, образуется при пропускании тока между одним или несколькими электродами с последующим возникновением электрической дуги между электродами и металлом. Высокая температура, создаваемая электрической дугой, плавит металлы и другие компоненты, помещенные в печь. Как правило, электроды, используемые в сталеплавильных печах, состоят из электродных колонн, то есть ряда электродов, соединенных вместе так, чтобы образовывать колонну. Таким образом, по мере того, как постепенно изнашивается электрод, ближе всего расположенный к плавящейся стали, к верхней части колонны могут быть присоединены другие электроды, чтобы обеспечить ту же длину колонны и продолжить процесс плавления.
[0006] Благодаря высокой теплопроводности графита не только наконечник электрода, но и вся электродная колонна также нагревается до очень высоких температур. Известно, что для компенсации такого повышения температуры на наружную поверхность электродов распыляют воду для снижения их внешней температуры.
[0007] К сожалению, несмотря на эти меры, из-за такой тепловой нагрузки и повышения температуры характеристики графитового электрода существенно ухудшаются с точки зрения продолжительности периода износа. Из-за этого необходимо всегда иметь под рукой запас графитовых электродов, чтобы постоянно заменять электроды по мере их изнашивания.
[0008] Задача настоящего изобретения - устранение вышеупомянутых недостатков графитовых электродов из предшествующего уровня техники. В частности, одной из задач настоящего изобретения является создание электрода для электропечи, который имеет улучшенные эксплуатационные характеристики по сравнению с графитовыми электродами известного уровня техники и, таким образом, более длительный срок службы и не требует непрерывных замен.
[0009] Согласно настоящему изобретению, решение этих задач обеспечивается с помощью электрода для металлургической электропечи и дуговой печи в соответствии с прилагаемыми независимыми пунктами формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
[0010] Признаки и преимущества электрода для металлургической электропечи и дуговой печи будут очевидны из описания, приведенного ниже в качестве неограничивающего примера, в соответствии с прилагаемыми иллюстрациями, на которых:
- на фиг. 1 показан вид в перспективе трех электродов для металлургической электропечи, например электродуговой печи, в соответствии с настоящим изобретением, при этом каждый электрод поддерживается соответствующим рукавом электрододержателя;
- на фиг. 2 показан вид сбоку электрода для металлургической электропечи в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
- на фиг. 3 показан вид сверху электрода для электропечи, показанного на фиг. 2;
- на фиг. 4 показан вид с продольным разрезом по плоскости I-I, показанной на фиг. 3, варианта осуществления электрода для электропечи согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 4а показан вид в разрезе по плоскости G-G, показанной на фиг. 2, варианта осуществления электрода для электропечи согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 4b показан вид в разрезе по плоскости Н-Н, показанной на фиг. 2, варианта осуществления электрода для электропечи согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 5 показан вид в продольном разрезе по плоскости I-I, показанной на фиг. 3, второго варианта осуществления электрода для электропечи согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 5а показан вид в разрезе по плоскости G-G, показанной на фиг. 2, второго варианта осуществления электрода для электропечи согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 5b показан вид в разрезе по плоскости Н-Н, показанной на фиг. 2, второго варианта осуществления электрода для электропечи согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 6 показан вид в продольном разрезе по плоскости I-I, показанной на фиг. 3, третьего варианта осуществления электрода для электропечи согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 6а показан вид в разрезе по плоскости G-G, показанной на фиг. 2, третьего варианта осуществления электрода для электропечи согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 6b показан вид в разрезе по плоскости Н-Н, показанной на фиг. 2, третьего варианта осуществления электрода для электропечи согласно настоящему изобретению.
[0011] На прилагаемых иллюстрациях электрод для электропечи в совокупности обозначен позицией 1.
[0012] Электрод 1 пригоден для применения в металлургической электропечи, предпочтительно электродугового типа, имеющей ванну для плавления металлов. Следовательно, настоящее изобретение также направлено на металлургическую дуговую печь, содержащую, по меньшей, мере один электрод 1 согласно настоящему изобретению.
[0013] Электрод 1 содержит тело 2 электрода, изготовленное из электропроводящего материала, предпочтительно из меди или медного сплава, продолжающегося между головным концом 21 и хвостовым концом 22 вдоль продольного направления X. Предпочтительно тело 2 электрода имеет, по существу, цилиндрическую форму с осью цилиндра, которая параллельна продольному направлению X.
[0014] Изготовление тела 2 электрода из меди или медного сплава позволяет максимально увеличить рассеивание тепла и в то же время гарантировать приемлемую электрическую проводимость и длительное время работы без износа.
[0015] Электрод 1 дополнительно содержит головку 3, соединенную с телом 2 электрода, предпочтительно с возможностью отсоединения от тела 2 электрода, например с помощью винтового или байонетного соединения.
[0016] Головка 3 предпочтительно изготовлена из материала, отличающегося от материала, используемого для изготовления тела 2 электрода, предпочтительно из вольфрама. Вольфрам отличается превосходной стойкостью к воздействию высоких температур, создаваемых электрической дугой, и в то же время обладает достаточной электропроводностью.
[0017] В предпочтительном варианте осуществления тело 2 электрода частично или, предпочтительно, полностью выполнено из меди, а его головка - из вольфрама.
[0018] Тело 2 электрода и/или головка 3 имеют охлаждающие каналы 61, 200, 201, 202, 203, 204, 205, 220, 221, 300, 302, 61, предназначенные для прохождения охлаждающей текучей среды, например воды или охлаждающего газа, для охлаждения электрода 1.
[0019] Предпочтительно такие охлаждающие каналы проходят через тело 2 электрода от головного конца 21 до хвостового конца 22 в продольном направлении X. Более того, предпочтительно, чтобы охлаждающие каналы были выполнены только внутри тела электрода так, чтобы охлаждающая текучая среда, циркулирующая во внутренних каналах, не контактировала с внешней средой.
[0020] В предпочтительном варианте осуществления электрод 1 содержит удлинитель 4, соединяемый, с возможностью отделения, с телом 2 электрода на стороне, противоположной головке 3, рядом с хвостовым концом 22.
[0021] Удлинитель 4 позволяет по желанию удлинять электрод 1 в продольном направлении так, чтобы длину электрода 1 можно было регулировать в соответствии с размером печи и расстоянием до металлического материала, подлежащего плавлению в этой печи.
[0022] Предпочтительно, электрод 1 содержит соединительный ниппель 5, который соединяет тело 2 электрода и удлинитель 4, как, например, показано на фиг. 5-6. Соединительный ниппель предпочтительно изготовлен из нержавеющей стали. Как альтернативный вариант, удлинитель 4 непосредственно соединен с телом 2 электрода с помощью средства резьбового или байонетного крепления, как показано, например, на фиг. 4.
[0023] В предпочтительном варианте осуществления тело 2 электрода и удлинитель 4 идентичны. В дополнительном варианте тело 2 электрода и удлинитель 4 идентичны, за исключением части, расположенной рядом с головным концом 21 тела 2 электрода.
[0024] Предпочтительно охлаждающие каналы 61, 200, 201, 202, 203, 204, 205, 220, 221, 300, 302 содержат каналы 200, 202, 204, 220а, 220 подачи, пригодные для переноса охлаждающей текучей среды в направлении, исходящем от хвостового конца 22 к головному концу 21, и, по меньшей мере, один возвратный канал 61, 201, 203, 205, пригодный для переноса охлаждающей текучей среды в направлении, исходящем от головного конца 21 к хвостовому концу 22. Такие каналы 200, 202, 204, 220а, 220 подачи и возвратный канал(ы) 61, 201, 203, 205 получены в теле 2 электрода, в частности в оболочке тела 2 электрода, например, когда тело 2 электрода выполнено, по существу, в форме цилиндра.
[0025] Предпочтительно тело 2 электрода имеет центральное сквозное отверстие 221 от головного конца 21 до хвостового конца 22. Такое сквозное отверстие 221 содержит, по меньшей мере, один из каналов 220, 220а подачи и/или, по меньшей мере, один из возвратных каналов 61.
[0026] Предпочтительно сквозное отверстие 221 само образует один из возвратных каналов 61 или один из каналов 220 подачи.
[0027] Охлаждающие каналы дополнительно содержат, по меньшей мере, один канал 300 подачи в головку, пригодный для подачи охлаждающей текучей среды к вершине 31 головки 3, и, по меньшей мере, один возвратный канал 3 02 головки, пригодный для отвода охлаждающей текучей среды от верхушки 31 головки 3. Соответственно, канал 300 подачи в головку и возвратный канал 3 02 головки имеют гидравлическое сообщение, по меньшей мере, с одной частью каналов 220, 220а подачи и, по меньшей мере, с одной частью возвратных каналов 61 тела 2 электрода.
[0028] Канал 300 подачи головки или возвратный канал 3 02 головки предпочтительно получены непосредственно в головке 3.
[0029] Предпочтительно электрод 1 содержит соединитель 7, пригодный для соединения с телом 2 электрода или с удлинителем 4 и с рукавами 8 электрододержателя металлургической печи. В соединителе 7 выполнены охлаждающие каналы 71 соединителя, которые с одной стороны гидравлически сообщаются с охлаждающими каналами, выполненными в теле 2 электрода или удлинителе 4, ас другой стороны сообщаются с системой подачи охлаждающей текучей среды (на чертеже не показаны), пригодные для переноса и приема текучей среды, поступающей в охлаждающие каналы 71 соединителя или из них.
[0030] Система подачи охлаждающей текучей среды предпочтительно оборудована средством теплообмена для охлаждения горячей текучей среды, выходящей из электрода 1, и повторного переноса текучей среды после ее охлаждения в электрод 2.
[0031] Другими словами, охлаждающая текучая среда циркулирует из системы подачи текучей среды к охлаждающим каналам электрода 1 и наоборот, по замкнутому контуру.
[0032] Первый вариант осуществления электрода 2 подробно показан на фиг. 4-4b. В этом варианте электрод 1 содержит впускной порт ВХ (IN) для охлаждающей текучей среды и выпускной порт ВЫХ для охлаждающей текучей среды, предпочтительно выполненные в соединителе 7 и соединенные с системой (контуром) подачи охлаждающей текучей среды, например посредством линий подачи и возврата охлаждающей текучей среды, предпочтительно воды.
[0033] Впускной порт ВХ для охлаждающей текучей среды и выпускной порт ВЫХ для охлаждающей текучей среды непосредственно связаны с охлаждающими каналами тела 2 электрода или имеют гидравлическое сообщение с телом 2 электрода через охлаждающие каналы 420, 61' удлинителя, выполненные в удлинителе 4.
[0034] В этом варианте предпочтительно удлинитель и тело 2 электрода являются идентичными.
[0035] Тело 2 электрода содержит сквозное отверстие 221, ограниченное по периметру стенкой 220' отверстия. Такое сквозное отверстие 221 имеет гидравлическое сообщение с выпускным портом ВЫХ (OUT). для охлаждающей текучей среды и ограничивает возвратный канал 61 технологической текучей среды.
[0036] В этом варианте тело 2 электрода содержит множество каналов 22 0 подачи охлаждающей текучей среды, выполненных в оболочке тела 2 электрода и имеющих гидравлическое сообщение с впускным портом ВХ для охлаждающей текучей среды.
[0037] Охлаждающие каналы 220 подачи в основном продолжаются вокруг продольной оси X параллельно друг другу с промежутком между ними, как показано, например, на фиг. 4а. Такие каналы 220 подачи пригодны для переноса охлаждающей текучей среды в направлении, противоположном направлению потока в возвратном канале 61.
[0038] В этом варианте головка 3 предпочтительно содержит две камеры 32, 33 головки, разделенные перегородкой 34, которая может продолжаться в возвратном канале 61, когда головка закреплена на теле 2 электрода.
[0039] Кроме того, предпочтительно, удлинитель 4, тело 2 электрода, головка 3 и, возможно, соединитель 7 соединены непосредственно друг с другом посредством резьбового или байонетного соединения, непосредственно выполненного в теле электрода, в головке и/или в соединителе.
[0040] В этом варианте охлаждающая текучая среда переносится от впускного порта ВХ к головке 3 через каналы 22 0 подачи, возможно, сначала проходя через каналы 420 подачи удлинителя 4, достигает камер 32, 33 головки и из них поступает в возвратный канал 61, то есть в сквозное отверстие 221 тела 2 электрода до тех пор, пока не достигнет выпускного порта ВЫХ. для охлаждающей текучей среды, возможно, проходя через удлинитель 4, то есть через возвратный канал 61' удлинителя 4 и каналы соединителя 7.
[0041] Второй вариант осуществления электрода 2 подробно показан на фиг. 5-5b. В этом варианте электрод 1 содержит впускной порт ВХ. охлаждающей текучей среды и выпускной порт ВЫХ. для охлаждающей текучей среды, как описано выше.
[0042] В этом варианте удлинитель и тело 2 электрода отличаются участком, расположенным около головного конца 21 тела электрода.
[0043] Как и в предыдущем варианте на фиг. 4, тело 2 электрода содержит сквозное отверстие 221, ограниченное по периметру стенкой 220' отверстия. Такое сквозное отверстие 221 имеет гидравлическое сообщение с выпускным портом ВЫХ. для охлаждающей текучей среды и ограничивает возвратный канал 61 технологической текучей среды.
[0044] Таким же образом тело 2 электрода содержит множество каналов 220 подачи охлаждающей текучей среды, выполненных в оболочке тела 2 электрода и имеющих гидравлическое сообщение с впускным портом ВХ. для охлаждающей текучей среды.
[0045] Охлаждающие каналы 220 подачи в основном продолжаются вокруг продольной оси X параллельно друг другу с промежутком между ними, как показано, например, на фиг.5а. Такие каналы 220 подачи пригодны для переноса охлаждающей текучей среды в направлении, противоположном направлению потока в возвратном канале 61.
[0046] В этом варианте предпочтительно головка 3 содержит множество охлаждающих каналов 300 подачи в головку, которые в основном продолжаются вокруг продольной оси X параллельно друг другу с промежутком между ними, как показано, например, на фиг. 5b. Такие каналы 300 подачи в головку предпочтительно ведут к единственной нижней камере 32 головки, из которой охлаждающая текучая среда продолжает свой путь к возвратному каналу 302 головки.
[0047] В предпочтительном варианте осуществления, например, согласно фиг. 5, 6 и 7, внутренний канал 6 установлен и предпочтительно непосредственно закреплен в сквозном отверстии 221 тела 2 электрода.
[0048] Внутренний канал 6 ограничивает один из возвратных каналов 61 и, в частности в варианте на фиг. 5, ограничивает возвратный канал 302 головки.
[0049] Внутренний канал 6 отстоит от стенки 220' отверстия, которая ограничивает сквозное отверстие 221.
[0050] В варианте фиг. 5 внутренний канал 6 продолжается между головкой 3 и телом 2 электрода возле головного конца 21. В частности, внутренний канал 6 продолжается до нижней камеры 32 головки 3 и на определенную конечную длину L в сквозном отверстии 221, измеряемую между головным концом 21 и концом 62 внутреннего канала, который лежит в сквозном отверстии 221. Такая конечная длина L предпочтительно меньше полной длины тела 2 электрода в направлении X и, даже более предпочтительно, меньше четверти общей длины тела 2 электрода.
[0051] Таким образом, в версии, показанной на фиг. 5, охлаждающая текучая среда протекает из впускного порта ВХ. к головке 3 через каналы 220 подачи, возможно, сначала проходя через каналы 420 подачи удлинителя 4, и достигает нижней камеры 32 головки, проходящей через каналы 300 подачи в головку. Из нижней камеры 32 головки охлаждающая текучая среда протекает в возвратный канал 61, то есть во внутренний канал 6, чтобы продолжить движение к выпускному порту ВЫХ. охлаждающей текучей среды через центральное отверстие 221 в теле 2 электрода, возможно, проходя через удлинитель 4, то есть через возвратный канал 61' удлинителя 4 и охлаждающие каналы 71 соединителя 7.
[0052] Третий вариант осуществления электрода 2 подробно показан на фиг. 6-6b. В этом варианте электрод 1 содержит впускной порт ВХ. охлаждающей текучей среды и выпускной порт ВЫХ. для охлаждающей текучей среды, как описано выше.
[0053] В этом варианте удлинитель и тело 2 электрода отличаются участком, расположенным около головного конца 21 тела электрода.
[0054] Как и в предыдущем варианте на фиг. 5, тело 2 электрода содержит сквозное отверстие 221, ограниченное по периметру стенкой 220' отверстия. Однако в этом варианте осуществления сквозное отверстие 221 вмещает на всем своем протяжении в продольном направлении X внутренний канал 6, который ограничивает один из упомянутых возвратных каналов 61. Другими словами, внутренний канал 6 вставлен в сквозное отверстие 221 так, что отстоит от стенки 220' отверстия. Таким образом, сквозное отверстие 221 содержит коаксиальный охлаждающий канал 220а подачи, ограниченный и расположенный между возвратным каналом 61 (то есть внутренним каналом 6) и стенкой 220' отверстия.
[0055] Таким образом, внутренний канал 6 пригоден для переноса охлаждающей текучей среды в направлении, противоположном направлению охлаждающей текучей среды, протекающей в сквозном отверстии 221 за пределами внутреннего канала 6, то есть в канале 22 0 подачи.
[0056] В варианте, показанном на фиг. 6, 6а, канал подачи и возвратный канал дополнительно содержат первичные каналы 200, 202, 204 подачи и первичные возвратные каналы 201, 203, 205, выполненные в теле 2 электрода, которые не проходят непосредственно в канал 300 подачи в головку или возвратный канал 302 головки, но которые переносят технологическую текучую среду в коаксиальный канал 220а подачи, причем последний непосредственно соединен с каналами 300 подачи в головку.
[0057] В частности, первичные каналы 200, 202, 204 подачи содержат пары чередующихся первичных каналов подачи, имеющих кольцевое расположение в продольном направлении X, с парами первичных возвратных каналов, как показано на фиг. 6а. В частности, на фиг. 6а, как и на всех других прилагаемых иллюстрациях, направление потока технологической текучей среды обозначено точкой, если поток выходит из плоскости листа (возврат), или крестиком, если поток технологической текучей среды входит в плоскость листа (подача).
[0058] Другими словами, первичные каналы подачи и возврата расположены поочередно в упорядоченной последовательности подачи-возврата, пока не будет завершено все кольцо.
[0059] Текучая среда, протекающая в первичных каналах 200, 202, 204 подачи, течет в направлении от хвостовой к головной части, тогда как текучая среда, протекающая в первичных возвратных каналах 201, 203, 205, течет в направлении от головной к хвостовой части.
[0060] Текучая среда, протекающая в первичных подающих каналах 200, 202, 204, поступающая непосредственно из впускного порта ВХ. охлаждающей текучей среды, поступает в окрестности головного конца 21 и через соединительную камеру 500 на головном конце 21 проходит в первичный возвратный канал 2 01, 203, 205, чтобы протекать в противоположном направлении и охватывать всю длину тела 2 электрода до тех пор, пока не достигнет соединителя 7, где выполнена полость 75 хвостового соединения для гидравлического сообщения между первичным возвратным каналом и коаксиальным охлаждающим каналом 22 0а подачи. В частности, если удлинитель 4 расположен между телом 2 электрода и соединителем 7, очевидно, что такой удлинитель снабжен первичными каналами подачи 400 удлинителя и первичными возвратными каналами 401 удлинителя того же самого типа, которые соответствуют первичным каналам 200, 202, 204 подачи и первичным возвратным каналам 201, 203, 205 тела 2 электрода и имеют гидравлическое сообщение с ними.
[0061] Таким образом, в варианте осуществления, показанном на фиг. 6, охлаждающая текуча среда протекает из впускного порта ВХ. в первичные каналы 200, 202, 204, пока не достигнет головного конца 21, возможно, сначала проходя через первичные каналы подачи 4 00 удлинителя. От головного конца текучая среда протекает в обратном направлении через первичные возвратные каналы 201, 203, 205 и достигает соединителя 7, возможно, проходя через первичные возвратные каналы 401 удлинителя. Вблизи соединителя 7 охлаждающая текучая среда проходит через коаксиальный охлаждающий канал 220а подачи к головке 3, возможно, проходя через коаксиальный охлаждающий канал 220а' подачи удлинителя.
[0062] Таким образом, охлаждающая текучая среда достигает нижней камеры 32 головки, проходя через каналы 300 подачи в головку. Из нижней камеры 32 головки охлаждающая текучая среда протекает в возвратный канал 61, то есть во внутренний канал 6, чтобы продолжить свое движение к выпуску ВЫХ. охлаждающей текучей среды, возможно, проходя при этом через возвратный канал 61' удлинителя 4 и охлаждающие каналы 71 соединителя 7.
[0063] Очевидно, что варианты осуществления головки 3 и тела 2 электрода, описанные в каждом варианте осуществления на фиг. 4-6, являются объединяемыми и взаимозаменяемыми, поскольку их объединяемость и взаимозаменяемость легко доступны для понимания специалисту в этой области техники.
[0064] Предпочтительно тело 3 электрода и/или удлинитель 4 и/или соединитель 7 покрыты слоем тепло- и электроизолирующего материала.
[0065] Соединитель 7 предпочтительно содержит крюк 77 для подъема электрода 1.
[0066] С точки зрения инноваций электрод по настоящему изобретению, благодаря внутреннему охлаждению с помощью текучей среды, позволяет улучшить эксплуатационные характеристики по сравнению с графитовыми электродами предшествующего уровня техники и, следовательно, обеспечивает более длительный срок службы, не требуя постоянных замен.
[0067] Кроме того, более длительный жизненный цикл исключает необходимость в пространстве для хранения большого количества электродов.
[0068] С точки зрения преимуществ головка из вольфрама позволяет получить электрод, который более устойчив к возможным ударам или повреждениям в ходе загрузки твердого лома в печь, а также обеспечивает приемлемые проводимость и прочность.
[0069] Кроме того, преимуществом является изготовление тела 2 электрода и удлинителя 4 из меди, что позволяет получить электрод с более низким удельным электрическим сопротивлением и более высокой теплопроводностью. При тех же размерах и пропускной способности по электрическому току это позволяет снизить тепловую мощность, которую необходимо рассеивать, что снижает риск усталостного разрушения.
[0070] Для специалистов в этой области техники понятно, что для удовлетворения зависящих от обстоятельств и конкретных потребностей могут потребоваться изменения в описанном выше изобретении в рамках защиты, ограниченной следующей формулой изобретения.