ТРУБЧАТЫЙ УПЛОТНИТЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ
TUBULAR SEAL FOR ELECTRODES OF ELECTRIC FURNACES

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
[0001] Настоящая заявка притязает на приоритет и преимущество предварительной патентной заявки США №61/985,026, поданной 28 апреля 2014 года, содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Предмет настоящего изобретения относится к уплотнителям для электродов, которые используются для уплотнения канала под электрод в электропечи, и более конкретно к уплотнителю для электрода, имеющему гибкое расположение уплотнения, которое способно следовать вертикальному перемещению электрода, при этом выдерживая агрессивную рабочую среду печи.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Электропечи обычно используют в производстве металлов для операций выплавки. Типичная электропечь имеет кожух, облицованный огнеупорным материалом, способный выдерживать высокие температуры, при которых шихта плавится одним или несколькими цилиндрическими электродами, которые пропущены в вертикальном направлении через круглые каналы в своде до глубины, подходящей для плавки. После того, как электрод образует электрическую дугу с плавильной ванной, он движется в вертикальном направлении вверх и вниз в пределах контролируемого диапазона, чтобы регулировать мощность, подводимую к печи. Подъем электрода приводит к повышению сопротивления и, поэтому, к подводу меньшей мощности и уменьшению генерации теплоты, а опускание электрода приводит к уменьшению сопротивления и, поэтому, к подводу большей мощности и увеличению генерации теплоты. Во время плавки электрод обычно перемещается вверх и вниз в пределах приблизительно 30 см относительно уровня ванны порядка приблизительно 5000 раз в сутки. Уровень ванны также может перемещаться вверх и вниз в пределах приблизительно 50 см.
[0004] Когда мощность, подводимая к электроду, расплавляет шихту в печи, наконечники электродов постепенно расходуются из-за окисления и эрозии. Поэтому для поддержания непрерывной работы печи электроды стабильно обновляют, обычно применяя один из двух способов. Один способ включает "предварительно спеченные электроды", которыми являются готовые секции из твердого углерода, которые могут быть ввинчены в существующую колонну при необходимости. Второй способ включает формование "электродов Содерберга" на месте с использованием расходуемых стальных оболочек, которые обычно сваривают между собой при необходимости и заполняют углеродной пастой, которая плавится и спекается в печи. Второй способ позволяет использовать намного большие электроды, обычно до 2 м в диаметре, когда это необходимо.
[0005] Обычно в своде печи выполняют каналы значительно большего размера, чтобы позволить пропустить через них и перемещать кожух электрода, учитывая соответствующие допуски оборудования, объединенные вертикальные и поперечные перемещения, вибрацию электрода, а также появление наростов, которые обычно появляются на наружной поверхности электрода во время эксплуатации. Этот большой кольцевой зазор вокруг электрода обычно приводит к утечке теплоты, газов и другого печного материала.
2
[0006] Обычно каждый электрод снабжают узлом уплотнения, чтобы ограничить дорогостоящий выход горячих газов и печной пыли. Кроме того, уплотнитель обеспечивает тепловой и физический барьер между внутренним пространством печи и наружной атмосферой. Печные газы часто содержат токсичные пары металла, а также SO и СО, которые исключительно токсичны и потенциально смертельны. Кроме того, несовершенные уплотнения электродов могут отрицательно влиять на КПД печи и приводить к трудностям в сохранении атмосферы в печи, а также в выполнении требований по охране окружающей среды. Газы высокой температуры, которые способны проходить через канал для электрода, также могут ускорять износ электрода и канала для электрода и могут приводить к возникновению опасных и трудных условий эксплуатации.
[0007] Поддержание соответствующего уплотнения электрода оказалось исключительно трудной задачей по разным причинам. Непрерывное вертикальное перемещение вверх и вниз электрода приводит к постоянному трению поверхности электрода о типичные уплотнители, вызывая серьезные проблемы с износом и сохранением уплотнения. Уплотнитель электрода также непосредственно подвергается воздействию газа в свободном пространстве печи, обычно с температурой приблизительно до 1500°С, но может быть и выше в зависимости от операции, а также изменений давления, что приводит к большим перепадам температур и значительным ограничениям для материала уплотнителя. Также обычно, что электрод перемещается в радиальном направлении от оси во время нормальной эксплуатации, как по положению, так и по отклонению от вертикали, из-за высоких электромагнитных сил, упора в слой шихты и механических допусков. Электроды Содерберга в частности уязвимы к неравномерностям формы, таким как превышенный или пониженный размер кожуха, а также деформация кожуха, часто приводящая к некруглости электрода. Дополнительная сложность возникает из-за сварки секций кожуха. Хотя существуют попытки шлифовать сваренные поверхности для удаления неточностей, обычно грубые швы повреждают уплотнитель электрода. Предварительно спеченные электроды обычно более равномерные, однако стык между соседними секциями электрода часто смещен от центра, что приводит к перепаду на поверхности сопряжения двух соседних секций. Материал, исходящий из печи, обычно осаждается на наружной поверхности электродов, когда их вводят и удаляют через канал в своде во время нормальной эксплуатации. Электроды Содерберга имеют дополнительный риск появления утечки углеродной массы из кожуха и ее затвердевания на наружной поверхности до пропускания через уплотнитель электрода. Этот и другие наросты материала часто приводят к постоянному повреждению уплотнителя электрода, когда его несколько раз пропускают через уплотнитель.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0008] Из уровня техники известны разные конструкции уплотнителей электродов. Однако ни одна из этих конструкций, которые известны автору изобретения, не способна решить вышеуказанные трудности удовлетворительным образом.
[0009] Принимая во внимание агрессивные условия, в которых должны эксплуатироваться уплотнители электродов, невозможно использовать многие известные схемы уплотнений, такие как основанные на упруго деформируемых уплотнительных элементах, выполнены из эластомерных материалов, таких как каучук или силикон. Такие материалы обычно ограничены температурами, намного ниже температур, которые обычно существуют в среде печей. Кроме того, эти типичные схемы уплотнений обычно не учитывают величину деформации, требуемую для устойчивой работы в данном конкретном применении.
[0010] Некоторые известные уплотнители электродов не предназначены для обеспечения газонепроницаемости, а скорее направлены на уменьшения площади зазора (US 4,295,001, US 3,835,233 и US 3,379,816) или создают газовую завесу для ограничения выбросов (US 3,697,660). Некоторые другие конструкции направлены на обеспечение газонепроницаемости за счет набивки из мягкого и теплостойкого материала в кольцевом отверстии; однако такой материал часто вытягивается из кольцевого пространства при вертикальных перемещениях электрода, что нарушает уплотнение.
[0011] Более стойкие конструкции уплотнителей часто очень сложные и могут включать радиально сжимаемый уплотнительный элемент, который может свободно перемещаться в поперечном направлении, но ограниченно в вертикальном направлении. В таких системах к электроду часто прилагаются большие сжимающие силы, чтобы деформировать уплотнительный элемент по контуру поверхности электрода. Такие конструкции не переносят присутствия наростов материала на поверхности электрода и, поэтому, часто включают скребки для удаления наростов и предотвращения их попадания в уплотнитель (US 4,759,032, US 3,683,095 и US 3,601,416). Также, из-за больших сжимающих сил, неоднократного вертикального движения и неродной уплотнительной поверхности электрода такие уплотнители подвержены сильному износу и могут требовать частого технического обслуживания.
[0012] В некоторых известных уплотнителях электродов использованы многочисленные телескопические секции, чтобы позволить основному сальнику перемещаться вместе с электродом, значительно уменьшая износ, вызываемый регулировкой электрода (US 4,377,289 и US 4,306,726). Однако такие конструкции часто очень дорогостоящие, трудные в осмотре и техническом обслуживании и не могут быть приспособлены для работы с электродами, которые имеют существенно разные диаметры.
[0013] Поэтому остается потребность в уплотнителе для электрода, который поможет избежать использования сложных механизмов, которые быстро теряют свои характеристики в агрессивной среде печей, и который является компактным, эффективным, недорогим и позволяющим быстро осуществлять осмотр и техническое обслуживание.
ЦЕЛЬ РАСКРЫТОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы устранить потребность в устройстве, способном поддерживать уплотнение при высокой температуре и пыльной среде в контакте с высоко изменчивой цилиндрической поверхностью, при этом допуская большие дефекты на такой поверхности, в частности наросты материала на поверхности, при ее прохождении через уплотнитель без нарушения целостности уплотнителя и при этом являясь финансово выгодным и способным к устойчивой эксплуатации в существующей среде.
[0015] Сопутствующие цели заключаются в том, чтобы устройство занимало небольшую площадь, не использовало сложных механизмов, которые быстро теряют свои качества в агрессивной среде печей, и позволяло осуществлять быстрый осмотр и техническое обслуживание.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Приведенное ниже раскрытие предназначено для более подробного объяснения сущности изобретения, но не для определения или ограничения предмета заявленного изобретения.
[0017] Настоящее изобретение представляет очень гибкий уплотнитель, выполненный в форме трубки из одного или нескольких сложенных листов тканого материала, которая позволяет уплотнителю расширяться и сжиматься в радиальном направлении, а также перемещаться в поперечном и вертикальном направлениях в пределах ограничений такого листа или листов.
[0018] Известные уплотнители для электродов могут быстро изнашиваться из-за больших сжимающих сил, используемых для деформирования уплотнительного элемента по контуру поверхности электрода. Настоящее изобретение фокусируется на гибкости уплотнителя, чтобы позволить прилагать намного меньшие сжимающие силы, при этом также позволяя уплотнителю перемещаться по вертикали, этим потенциально снижая износ, вызываемый регулированием электрода.
[0019] Пружинное кольцо в трубке из листа или листов обеспечивает прижатие уплотнителя вокруг электрода с достаточной гибкость, чтобы позволить пропускать большие дефекты, обычные для электродов. Радиальную ширину трубки выбирают так, чтобы достигаемое вертикальное смещение могло снижать или устранять чрезмерный фрикционный износ во время нормального регулирования электрода. Другие уплотнительные механизмы, которые используют пружинное кольцо в качестве средства для приложения сжатия, ограничены по числу и обычно требуют упруго деформируемого уплотнительного элемента; однако для этого конкретного применения эластомерные материалы не подходят из-за высоких температур. Уплотнитель настоящего изобретения выполнен из одного или нескольких листов тканого материала в конкретном расположении, чтобы способствовать гибкости уплотнителя после складывания в радиальном и вертикальном направлениях. Отдельные волокна, из которых состоит каждый из листов, первоначально расположены так, чтобы приближаться к "двухлинейной" поверхности, т.е., поверхности, у которой две прямые линии проходят через каждую точку на поверхности. Это расположение позволяет изменять радиальную ширину уплотнителя вне зависимости от любых упругих свойств материала, формирующего уплотнитель. Это позволяет получать очень гибкое и эффективное газонепроницаемое уплотнение из по существу не упругих керамических волокон, способных работать при температурах, типичных для электропечи. Кроме того, уплотнитель открыто виден, что позволяет осуществлять быстрый осмотр, и просто соединен так, что его можно быстро заменить, когда электрод все еще установлен. Эти оба признака являются особо ценными для уплотнителя для электрода.
[0020] При таком расположении основной источник износа, вызываемого регулированием электрода, можно снизить на несколько порядков, а в некоторых случаях даже устранить, поскольку уплотнитель может перемещаться по вертикали и поглощать большинство циклических перемещений электрода. При больших перемещениях электрода легкость, с которой уплотнитель может деформироваться, позволяет прилагать минимальное контактное давление, что снижает фрикционные силы и площадь контакта, этим уменьшая степень износа.
[0021] Известные изобретения часто требуют использования скребков для удаления наростов материала, тогда как настоящее изобретение обычно способно к деформации вокруг такого материала. Смещение или недостаточный размер электродов могут быть другими серьезными причинами выхода уплотнителя из строя, поскольку многие известные изобретения в основном полагаются на поверхность электрода для поддержания физического расположения уплотнителей. Если поверхность электрода чрезмерно удалена от ее положения, это может привести к катастрофическому выходу известных уплотнителей из строя, и их компоненты могут быть навсегда утрачены в печи. Уплотнитель согласно настоящему изобретению способен поддерживать свое физическое расположение при полностью удаленном электроде и обычно может продолжать действовать после замены электрода.
[0022] Из-за внутренней простоты, надежности и экономичности настоящего изобретения существует много других областей применения этого узла уплотнителя помимо уплотнения электродов печей. За счет существенного уменьшения зависимости от упругости материала эта конструкция способна обеспечивать высоко адаптируемое уплотнение в широком диапазоне сред, и, поэтому, число дополнительных областей применения очень большое.
[0023] В одном аспекте предложен узел уплотнителя для электрода, уплотняющий кольцевой зазор между наружной цилиндрической поверхностью электрода и краем канала в своде электропечи, при этом нижний конец электрода проходит через канал в печь, и электрод способен перемещаться в таком канале по вертикальной оси. Узел уплотнения для электрода включает: (а) кольцевой уплотнительный элемент, имеющий опорный край и подвижный край, при этом опорный край приспособлен для крепления к фиксированной поверхности, и подвижный край свободный и расположен так, чтобы входить в контакт с наружной цилиндрической поверхностью электрода, причем уплотнительный элемент гибкий, и подвижный край способен смещаться в вертикальном и радиальном направлениях; и (b) пружинный элемент, расположенный рядом с подвижным краем уплотнительного элемента, причем пружинный элемент смещает подвижный край уплотнительного элемента от опорного края.
[0024] В еще одном аспекте предложен узел уплотнителя для уплотнения отверстия между переменной уплотняемой поверхностью и фиксированной поверхностью для использования при температурах, обычно не подходящих для эластичных материалов. Узел уплотнителя включает: (а) уплотнительный элемент, имеющий опорный край, предназначенный для крепления к фиксированной поверхности, и подвижный край, предназначенный для контакта с уплотнительной поверхностью, причем уплотнительный элемент гибкий и позволяет подвижному краю смещаться параллельно и перпендикулярно уплотнительной поверхности; и (b) пружинный элемент, расположенный рядом с подвижным краем уплотнительного элемента, причем пружинный элемент смещает подвижный край уплотнительного элемента от опорного края.
[0025] В еще одном аспекте предложен кольцевой уплотнительный элемент, включающий опорный край, предназначенный для крепления к поверхности, и подвижный край, предназначенный для контакта с наружной по существу цилиндрической поверхностью. Уплотнительный элемент включает по меньшей мере один гибкий лист, состоящий из теплостойких волокон плетеного расположения, причем такой по меньшей мере один гибкий лист может быть сложен, чтобы образовать тороидальную трубку.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0026] Для того, чтобы заявляемый предмет изобретения мог стать более понятным, будут сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.
[0027] Фиг. 1. - наглядное представление первого варианта осуществления узла уплотнителя с частью, вырезанной вокруг типичного электрода Содерберга. Сплошные линии показывают уплотнительный элемент 22, смещенный вниз, пунктирные линии показывают уплотнительный элемент 22, смещенный вверх.
[0028] Фиг. 2. - увеличенная часть узла уплотнителя с Фиг. 1.
[0029] Фиг. 3. - увеличенная часть узла корпуса уплотнителя и уплотнительного элемента.
[0030] Фиг. 4. - пояснительный вид двухлинейной поверхности, которая используется для построения листов 32 уплотнительного элемента 22.
[0031] Фиг. 5. - наглядное представление одного сложенного листа 32 в уплотнительном элементе 22 с некоторым числом удаленных волокон для показа расположения отдельных волокон.
[0032] Фиг. 6. - увеличенный вырез части уплотнительного элемента 22, показывающий опорные втулки и пружинное кольцо в установленном положении без уплотнительной поверхности.
[0033] Фиг. 7. - увеличенный вырез части уплотнительного элемента 22' согласно второму варианту осуществления, показывающий опорные втулки и пружинное кольцо в установленном положении без уплотнительной поверхности.
[0034] Фиг. 8. - наглядное представление уплотнительного элемента 22 в открытом положении, показывающее соединение внахлестку, которое позволяет осуществлять установку и техническое обслуживание.
[0035] Фиг. 9. - графическое представление перемещения электрода в типичном уплотнителе для электрода, а также перемещения электрода в узле уплотнителя для электрода с Фиг. 1, посредством которого допустимое вертикальное перемещение устраняет большую часть циклического износа.
[0036] Фиг. 10. - графическое представление того, как диапазон вертикального перемещения уплотнителя и давление на уплотнитель соотносятся с износом уплотнителя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0037] Далее в описании приведены конкретные подробности, чтобы дать примеры предмета заявляемого изобретения. Однако описанные ниже варианты осуществления не предназначены для определения или ограничения предмета заявляемого изобретения. Специалистам в данной области техники будет понятно, что в пределах объема предмета заявляемого изобретения возможны многие изменения в конкретных вариантах осуществления.
[0038] Описанный ниже первый вариант осуществления относится к уплотнителю для уплотнения канала для электрода в своде электропечи, через который проходит вертикально ориентированный электрод. Следует однако понимать, что описанный ниже уплотнитель может быть адаптирован для применения в других областях, где требуется уплотнение на высоко изменчивой цилиндрической поверхности, и где существует относительное движение между уплотнителем и цилиндрической поверхностью. Также следует понимать, что поверхность не обязательно цилиндрическая, и необязательно вертикальная. Скорее описанный ниже уплотнитель можно использовать для устройств, имеющих разные формы и/или ориентации.
[0039] Фиг. 1 и Фиг. 2 показывают узел уплотнителя 10 для электрода, установленный на верху свода 12 электропечи для операция выплавки металлов. Свод выполнен из огнеупорного материала, такого как огнеупорный кирпич, и имеет канал для электрода 14, включающий круглое отверстие в своде 12, через которое нижний конец электрода 16 проходит внутрь печи. В зависимости от типа операции, свободное пространство печи (пространство для газа над ванной расплавленного металла) обычно будет иметь температуру в интервале приблизительно 300°С - 1500°С, в зависимости от конкретной операции.
[0040] Электрод 16 обычно поддерживается по существу в вертикальной ориентации известной опорной конструкцией (не показана), включающей средство для подъема и опускания электрода в печи. Как сказано выше, во время эксплуатации печи электрод 16 может неоднократно перемещаться вверх и вниз в диапазоне приблизительно 30 см относительно уровня ванны порядка приблизительно 5000 раз в сутки, чтобы регулировать мощность, подводимую к печи. Уровень ванны также может перемещаться вверх и вниз, обычно в диапазоне приблизительно 50 см, что также требует перемещения электрода. Когда печь отключена, электрод 16 может быть полностью удален из печи, при этом уплотнитель для электрода остается на месте.
[0041] Электрод 16 имеет наружную поверхность 18, которая приблизительно цилиндрическая, и может включать некоторое число дефектов, как сказано в настоящем документе. Если электрод 16 предварительно спечен, наружная поверхность 18 будет содержать углерод. Если электродом 16 является электрод Содерберга, наружная поверхность 18 будет включать металл, поскольку электрод Содерберга имеет расходуемую металлическую оболочку.
[0042] Канал 14 имеет диаметр, который больше чем диаметр наружной поверхности 18 электрода 16, и поэтому существует кольцевой зазор 20 между наружной поверхностью 18 электрода 16 и краем канала 14. Узел уплотнителя 10 включает относительно немного компонентов. Одним из компонентов является уплотнительный элемент 22 для формирования уплотнения в отверстии между уплотнительной поверхностью и окружающей жесткой поверхностью. В данном варианте осуществления уплотнительной поверхностью является наружная поверхность 18 электрода 16. Жесткая поверхность в данном варианте осуществления включает кольцевой корпус 30 уплотнителя, расположенный на своде 12 печи и закрепленный на нем. Корпус 30 уплотнителя окружает канал 14 для электрода и описан ниже.
[0043] Уплотнительный элемент 22 имеет опорный край 24, предназначенный для крепления к корпусу 30 уплотнителя, и иногда называется в настоящем документе "закрепленным краем 24". Уплотнительный элемент также имеет подвижный край 26, предназначенный для контакта с уплотнительной поверхностью 18. В данном варианте осуществления уплотнительный элемент 22 кольцевой, и закрепленный край 24 расположен в радиальном направлении наружу от подвижного края 26.
[0044] Еще одним компонентом узла уплотнителя 10 является пружинный элемент 28, который смещает подвижный край 26 уплотнительного элемента 22 в радиальном направлении внутрь для герметичного контакта с уплотняющей поверхностью 18 электрода 16.
[0045] Уплотнительный элемент 22 гибкий, чтобы позволить подвижному краю 26 смещаться в направлениях вверх и вниз, а также в радиальном направлении.
[0046] Для того, чтобы уплотнительный элемент 22 выдерживал агрессивную атмосферу канала 14 электрода и постоянное воздействие теплоты и газов, поднимающихся из пространства над ванной (т.е., пространства в печи между ванной расплава и сводом), уплотнительный элемент 22 включает материал, который стойкий к рабочим температурам в пространстве печи над ванной. Например, в данном варианте осуществления материал уплотнительного элемента 22 стоек к постоянному воздействию температур пространства над ванной до, приблизительно, 1500°С.
[0047] В данном варианте осуществления уплотнительный элемент 22 состоит из одного или нескольких листов 32 волокнистой керамической ткани, причем эта ткань соткана из по существу неэластичных керамических волокон.
[0048] Уплотнительный элемент 22 имеет трубчатую конструкцию, в которой по меньшей мере один лист 32 имеет пару противоположных краев 34, 36. Лист 32 складывают так, чтобы край 34 был расположен над краем 36. Лист 32 складывают так, чтобы оба края 34, 36 были расположены на или рядом с закрепленным краем 24 уплотнительного элемента 22.
[0049] Уплотнительный элемент 22 выполнен из некоторого числа листов 32, каждый из которых складывают на нем же. Каждый лист 32 ткани может быть частично проницаем для газов, и поэтому листы 32 выбирают так, чтобы получить некоторое число слоев, которые сделают уплотнительный элемент 22 по существу непроницаемым для печных газов. Число листов 32 также выбирают так, чтобы обеспечить стойкость к износу, особенно на подвижном крае 26, для допущения определенного износа до того, как уплотнительный элемент 22 потребуется заменить. Для цели наглядности уплотнительный элемент 22 показан содержащим два сложенных листа 32, так что уплотнительный элемент 22 состоит из четырех слоев ткани. Однако уплотнительный элемент 22 может включать один лист 32 или больше чем два листа в зависимости, по меньшей мере частично, от проницаемости ткани и желательных характеристик износа.
[0050] Уплотнительный элемент 22 может быть охарактеризован как имеющий тороидальную форму, точнее форму тороидальной трубки, состоящей из сложенных листов ткани 32. Минимальный внутренний диаметр кольцевого уплотнительного элемента 22 (определенный как внутренний диаметр уплотнительного элемента 22 при электроде, удаленном из узла уплотнителя 10) меньше чем диаметр электрода 16, чтобы обеспечить уплотнение между уплотнительным элементом 22 и электродом 16, а также позволить вертикальное перемещение подвижного края 26.
[0051] В уплотнительном элементе 22 волокна, составляющие листы ткани 32, сотканы по конкретной схеме, чтобы способствовать гибкости уплотнительного элемента 22 как в радиальном, так и в вертикальном направлении. В этой связи отдельные волокна, составляющие каждый из листов 32, сначала располагают так, чтобы приблизиться к "двухлинейной" поверхности, т.е., поверхности, на которой две прямые линии проходят через каждую ее точку. Со ссылкой на Фиг. 4, показан один лист 32 разложенный по вертикальной оси А, где многие волокна удалены, но он сохраняет кольцевую форму. После складывания такой "двухлинейной" поверхности, как показано на Фиг. 5, угол волокон можно свободно изменять, позволяя радиальной ширине поверхности также свободно изменяться. Следует понимать, что каждый лист 32 может только приближаться к такой двухлинейной поверхности.
[0052] Такое расположение позволяет изменять радиальную ширину уплотнительного элемента 22 без учета любых упругих свойств материала, составляющего уплотнительный элемент 22.
[0053] Пружинный элемент 28 в узле уплотнителя 10 расположен в полом пространстве 38, определяемом трубчатой листовой конструкцией уплотнительного элемента 22. Пружинный элемент 28 имеет стойкость к высоким рабочим температурам и может состоять из теплостойкого металла. В данном варианте осуществления пружинный элемент 28 включает кольцевую пружину, такую как пружинное кольцо. Пружинный элемент 28 постоянно смещает подвижный край 26 в радиальном направлении внутрь. Поэтому пружинный элемент 28 находится в напряженном состоянии и когда узел уплотнителя 10 уплотняет электрод 16, и когда электрод 16 удален из узла уплотнителя 10.
[0054] Натяжение пружинного элемента 28 выбирают так, чтобы обеспечить минимальную величину сжатия на наружной поверхности 18 электрода 16, которая обеспечить газовое уплотнение в нормальных условиях эксплуатации печи. Высокая гибкость уплотнительного элемента 22 позволяет минимизировать сжатие, при этом поддерживая уплотнение между уплотнительным элементом 22 и наружной поверхностью 18 электрода 16. Эти низкие сжимающие силы в соединении с высокой гибкостью уплотнительного элемента позволяют непрерывно адаптировать форму уплотнительного элемента 22 к любым дефектам поверхности электрода, упомянутым выше, при этом минимизируя износ уплотнительного элемента 22, вызываемый трением между уплотнительным элементом 22 и неровной наружной поверхностью 18 электрода 16. Поэтому узел уплотнителя 10 не требует скребков для удаления наростов с поверхности электрода. Дополнительной выгодой предложенной конструкции является то, что она позволяет узлу уплотнителя 10 выдерживать сброс давления, при котором печные газы могут выходить между уплотнительным элементом 22 и наружной поверхностью 18 электрода 16 в случае внезапного резкого изменения давления в печи. Такой сброс давления не предусмотрен в известных конструкциях уплотнителей, которые прилагают высокие сжимающие силы к электроду. Таким образом, предлагаемая конструкция также помогает предотвратить повреждение узла уплотнителя 10 в случае внезапного роста давления в печи.
[0055] В первом варианте осуществления закрепленный край 24 уплотнительного элемента 22 прикреплен к жесткой поверхности, такой как корпус 30 уплотнителя. Это лучше всего показано на Фиг. 2 и 3. Корпус 30 уплотнителя расположен на своде 12 печи и включает круглое кольцо с внутренним диаметром больше чем диаметр канала 14 в печи. Корпус 30 уплотнителя, показанный на чертежах, включает непрерывную вертикальную боковую стенку 46 с горизонтальным верхним фланцем 48 и горизонтальным нижним фланцем 50. Корпус 30 уплотнителя также может включать фиксирующую пластину 52 в форме плоского круглого кольца приблизительно того же размера, что и верхний фланец 48, которое механически прикреплено к верхнему фланцу 48 посредством некоторого числа пальцев 54, расположенных приблизительно по окружности верхнего фланца 48 и проходящих через отверстия в фиксирующей пластине 52.
[0056] Закрепленный край 24 уплотнительного элемента 22 прикреплен и сжат между верхним фланцем 48 и фиксирующей пластиной 52 корпуса 30 уплотнителя. Уплотнительный элемент 22 имеет некоторое число отверстий 56 рядом с закрепленным краем 24, чтобы позволить пальцам 54 проходить через уплотнительный элемент 22. Для обеспечения дополнительной прочности отверстия 56 могут быть усилены металлическими втулками 58.
[0057] Как показано на Фиг. 2, верх корпуса 30 уплотнителя может быть открытым, при этом закрепленный край 24 уплотнительного элемента 22 расположен рядом с открытым верхом корпуса 30 уплотнителя. При таком расположении подвижный край 26 уплотнительного элемента 22 может смещаться по вертикали вверх выше верха корпуса 30 уплотнителя на требуемую величину во время вертикального смещения вверх электрода 16. Уплотнительный элемент 22 показан на Фиг. 2 в верхнем расположении с помощью пунктирных линий. Корпус 30 уплотнителя также позволяет подвижному краю 26 уплотнительного элемента 22 смещаться по вертикали вниз на требуемую величину во время вертикального смещения вниз электрода 16. Уплотнительный элемент 22 показан на Фиг. 2 в нижнем расположении с помощью сплошных линий. Открытый верх корпуса 30 уплотнителя также позволяет легко осматривать и заменять уплотнительный элемент 22.
[0058] Кирпичный экран 44 может быть предусмотрен между корпусом 30 уплотнителя и сводом 12 печи, чтобы частично защищать узел уплотнителя 10 от теплоты и газов, исходящих из печи. Кирпичный экран 44 включает круглое кольцо из огнеупорных кирпичей 66, которые частично проходят через отверстие 20 между электродом 16 и краем канала 14 электрода.
[0059] Кроме того, между кирпичным экраном 44 и сводом 12 печи может быть предусмотрен охлаждаемый водой медный экран, обеспечивающий дополнительную тепловую защиту для узла уплотнителя 10.
[0060] Уплотнительный элемент 22 может быть удален путем первоначального удаления фиксирующей пластины 52 с верхнего фланца 48, чтобы освободить закрепленный край 24 уплотнительного элемента 22. В некоторых вариантах осуществления уплотнительный элемент 22 выполнен так, что его можно устанавливать, удалять и/или заменять с электродом 16 на месте, т.е., с нижним концом электрода, проходящим через канал 14 в своде 12 печи. Для такой установки уплотнительный элемент 22 вместе с пружинным элементом 28 можно открыть так, что они будут обернуты вокруг электрода 16 и установить на верхний фланец 48 корпуса 30 уплотнителя. Соответственно, как показано на Фиг. 8, уплотнительный элемент 22 может быть представлен первым концом 68 и вторым концом 70, которые можно соединить, чтобы получить тороидальную трубчатую конструкцию уплотнительного элемента 22. Поскольку кольцевая конструкция уплотнительного элемента должна быть непрерывной, концы 68, 70 уплотнительного элемента 22 должны быть соединены внахлестку, и толщина перекрывающихся частей должна быть по существу такой же, как и толщина остального уплотнительного элемента 22. Это может быть осуществлено разными способами, в зависимости от конкретной конструкции уплотнительного элемента 22. Например, как показано на Фиг. 8, уплотнительный элемент 22 включает два листа 32 и в совокупности четыре слоя, при этом на одном конце 68 наружный лист 32 будет обрезан на величину, равную нахлестке, и на другом конце 70 внутренний лист 32 будет обрезан на эквивалентную величину. Соответственно, первый конец 68 будет входить во второй конец 70 уплотнительного элемента 22, так что перекрывающаяся часть будет включать одинаковое число слоев в любой точке своей длины. Соединение внахлестку может быть закреплено путем установки втулок 58 в по меньшей мере один набор отверстий 56, посредством которых перекрывающиеся части уплотнительного элемента 22 надежно удерживаются одна на другой.
[0061] Пружинный элемент 28 может включать линейную, удлиненную цилиндрическую пружину, имеющую средства крепления на ее противоположных концах, чтобы позволить соединить концы друг с другом.
[0062] После описанных выше компонентов узла уплотнителя 10 далее описаны признаки узла уплотнителя 10 в связи с работой узла уплотнителя.
[0063] Как сказано выше, минимальный внутренний диаметр уплотнительного элемента 22 меньше чем диаметр наружной поверхности 18 электрода 16. Соответственно, в ситуации, когда электрод 16 выведен из канала 14 печи и удален из узла уплотнителя 10, уплотнительный элемент 22 может иметь горизонтальную форму, показанную на Фиг. 6, при этом пружинный элемент 28 смещает подвижный край 26 уплотнительного элемента 22 в радиальном направлении внутрь. Узел уплотнителя 10, который описан в настоящем документе, является полностью независимым и поддерживает свою конструкцию независимо от того, присутствует ли электрод 16 в канале печи или нет. Если необходимо, электрод 16 может быть опущен в канал 14 печи или удален из канала 14 печи вместе с уплотнительным элементом 22. В некоторых известных конструкциях конструкция уплотнителя не сохраняется в отсутствии электрода 16, что усложняет установку и удаление электрода 16.
[0064] Когда электрод 16 проходит через канал 14 печи, уплотнительный элемент 22 будет увеличивать свой внутренний диаметр, чтобы он смог подойти к наружной поверхности 18 электрода 16 и сформировать с ней уплотнение. Хотелось бы подчеркнуть, что такое расширение уплотнительного элемента 22 осуществляется без растяжения волокон 40, составляющих уплотнительный элемент 22, но скорее осуществляется путем перемещения волокон 40 в каждом листе 32 уплотнительного элемента 22 и путем расширения или удлинения пружинного элемента 28.
[0065] Как сказано выше, электрод 16 перемещается вверх и вниз на небольшие величины, чтобы регулировать мощность, подводимую к печи. Когда электрод 16 перемещается вверх, гибкость уплотнительного элемента 22 позволяет подвижному краю 26 двигаться вверх с электродом 16. Подобно этому, когда электрод 16 перемещается вниз, гибкость уплотнительного элемента 22 позволяет подвижному краю 26 двигаться вниз.
[0066] Радиальную ширину уплотнительного элемента 22 выбирают такой, чтобы она позволяла подвижному краю 26 смещаться вверх и вниз на достаточную величину, чтобы минимизировать или устранить неоднократное фрикционное скольжение подвижного края 26 по шероховатой наружной поверхности 18 электрода 16, вызываемое регулированием электрода. Таким образом, вертикальное перемещение подвижного края 26 позволяет узлу уплотнителя 10 поглощать циклическое движение электрода 16, этим уменьшая основной источник износа уплотнительного элемента 22. При перемещениях электрода 16 на большую величину относительно низкое давление контакта, прилагаемое к электроду 16, уменьшает область контакта и фрикционные силы между уплотнительным элементом 22 и электродом 16, что далее снижает степень износа.
[0067] Вертикальное перемещение подвижного края 26 оказывает значительное влияние на износ уплотнителя. Как показано на верхнем графике с Фиг. 9, значительная часть перемещений электрода происходит циклически в пределах небольшого интервала. За счет того, что уплотнитель может перемещаться по вертикали, большая часть износа устраняется, поскольку уплотнитель может следовать за электродом во время таких неоднократных перемещений. Только когда электрод выходит за вертикальный диапазон уплотнителя, происходит фактический износ. На Фиг. 10 показано, что даже небольшой диапазон перемещения приводит к значительному уменьшению износа, и уменьшение в уплотняющем давлении за счет гибкости уплотнителя далее уменьшает степень износа.
[0068] Необязательным признаком, который по выбору может быть добавлен в уплотнительный элемент 22, но не показан на чертежах, является дополнительный наружный лист 32, включаемый для того, чтобы обеспечить повышенную защиту уплотнительного элемента 22 от истирания. Этот наружный лист 32 может состоять из металлических волокон (или проволок), ориентированный подобно керамическим волокнам 40. Альтернативно, наружный лист 32 может состоять из металлической сетки, подобной кольчуге. В определенных ориентациях кольчуга обладает характеристиками гибкости подобно таковым листов 32 уплотнительного элемента 22 и поэтому не уменьшает гибкость уплотнительного элемента 22.
[0069] Узел уплотнителя согласно второму варианту осуществления описан ниже коротко со ссылкой на Фиг. 7. Элементы второго варианта осуществления, которые подобны таковым в первом варианте осуществления, указаны теми же ссылочными номерами, но помечены апострофом во втором варианте осуществления.
[0070] Фиг. 7 показывает уплотнительный элемент 22' узла уплотнителя, как он описан в настоящем документе, и который также включает пружинный элемент 28'. Как и в первом варианте осуществления, уплотнительный элемент 22' состоит из сложенных листов 32' ткани, состоящей из волокон 40' , при этом каждый из листов 32' имеет противоположные края 34' и 36', которые сложены один поверх другого, чтобы сформировать тороидальную трубку с полым внутренним пространством 38' , в котором расположен пружинный элемент 28'.
[0071] Уплотнительный элемент 22' включает закрепленный и подвижный края 24', 26', при этом пружинный элемент 28' расположен рядом с подвижным краем 26'. Однако уплотнительный элемент 22' во втором варианте осуществления имеет ориентацию, противоположную таковой в первом варианте осуществления. В этой связи закрепленный край 24' расположен в радиальном направлении внутрь подвижного края 26' , который также может смещаться по оси А. Таким образом, подвижный край 26' уплотнительного элемента 22' предназначен для формирования уплотнения с внутренней поверхностью цилиндрического объекта, такого как внутренняя поверхность канала или трубы (не показана).
[0072] Подвижный край 26' постоянно смещается в радиальном направлении наружу пружинным элементом 28' , который включает кольцевую пружину сжатия.
[0073] Уплотнительный элемент 22' будет закреплен в корпусе уплотнителя (не показан), который по конструкции может быть подобен корпусу 30 уплотнителя, описанному выше, и может фиксировать закрепленный край 24' таким же или подобным образом, как сказано выше со ссылкой на узел уплотнителя 10. Однако вместо того, чтобы выступать в радиальном направлении внутрь от корпуса 30 уплотнителя, как в узле уплотнителя 10, уплотнительный элемент 22' будет выступать в радиальном направлении наружу от корпуса уплотнителя.
[0074] Хотя вышеуказанный предмет изобретения был описан в связи с определенными конкретными вариантами осуществления, он ими не ограничен. Вместо этого, описанный предмет изобретения включает все в арианты осуществления, которые могут подпадать под объем приведенной ниже формулы изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ НОМЕРОВ
10 Узел уплотнителя
12 Свод печи
14 Канал для электрода
16 Электрод
18 Наружная поверхность электрода
20 Кольцевой зазор
22 Уплотнительный элемент
24 Закрепленный край уплотнительного элемента
26 Подвижный край уплотнительного элемента
28 Пружинный элемент
30 Корпус уплотнителя
32 Лист, из которого выполнен уплотнительный элемент
34 Верхний закрепленный край листов
36 Нижний закрепленный край листов
38 Полость уплотнительного элемента
40 Волокна
44 Кирпичный экран корпуса
46 Вертикальная боковая стенка корпуса
48 Горизонтальный верхний фланец корпуса
50 Горизонтальный нижний фланец корпуса
52 Фиксирующая пластина корпуса
54 Пальцы корпуса
56 Отверстия уплотнительного элемента
58 Металлические втулки уплотнительного элемента
66 Огнеупорные кирпичи
68 Первый конец уплотнительного элемента
70 Второй конец уплотнительного элемента