УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ СЕКЦИЙ ЭЛЕКТРОДОВ Российский патент 1995 года по МПК H05B7/14 

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано в конструкции соединений электродов с помощью биконического ниппеля при эксплуатации дуговых электропечей, для подвода тока и обеспечения горения дуги.

Известна конструкция соединения электродов, в которой в торце каждого электрода выполнено центральное глухое, коническое резьбовое отверстие [1]
Недостатком такой конструкции является появление в процессе ее эксплуатации высоких эквивалентных напряжений в зоне перехода от стенки к дну гнезда за счет стеснения радиальных деформаций дном гнезда, что приводит к поломкам по гнезду и повышению удельного расхода электродов.

Известна конструкция соединения электродов, в которой электрод имеет сквозной осевой цилиндрический канал диаметром d_отв, составляющим 0,1-0,6 диаметра дна гнезда электрода (W.E.Schwabe "Experimental Results With Hollow Elektrodes in Electrik Steel Furnaces". Iron and Sfill Engineer", 1957, v.34 p. 84-92).

Известна конструкция соединения секций электродов, содержащая биконический ниппель, ввинченный в конические ниппельные гнезда обеих секций, в дне которых выполнены глухие цилиндрические осевые отверстия диаметром, равным малому диаметру конической части гнезда ниппельного соединения, и глубиной не менее 0,6 этого диаметра [2]
Недостатком такой конструкции является ее неудовлетворительная прочность при действии на соединение неосесимметричных нагрузок (в том числе изгибающего момента). Это решение было получено при рассмотрении работы соединения только при осесимметричных нагрузках, в то время как при эксплуатации электродов велико влияние изгибающих нагрузок (боковые удары шихты, взаимодействие секций электродов при прохождении через них переменного тока значительной величины). Наличие полости большого объема приводит к окислению внутренней поверхности полости и, соответственно, к повышенному расходу электродов.

Кроме того, при изготовлении этой конструкции возникает технологическая сложность, заключающаяся в том, что требуются дополнительные наборы инструментов и операций для формирования цилиндрической полости, которая приводит к снижению производительности при изготовлении данной конструкции ниппельного соединения. Для контроля осевых размеров гнезда в такой конструкции необходима разработка специальных средств контроля.

Предлагаемая конструкция позволит повысить эксплуатационную стойкость соединения электродов путем снижения изгибных напряжений в теле электрода при малом уровне окисления внутренней поверхности полости, упростить технологию изготовления соединения и контроль его размеров.

Сущность изобретения заключается в том, что узел соединения секций электродов электродуговой печи содержит биконический ниппель, ввинченный в конические ниппельные гнезда обеих секций. Пространство между торцом ниппеля и электродом имеет форму усеченного конуса и расстояние L вдоль оси электрода между последним находящимся в полном контакте витком резьбы соединения и дном гнезда электрода без учета величины технологического недореза составляет до двух диаметров d, замеренных в плоскости этого витка. Кроме того, образующая формы полости может быть ломаной линией.

На фиг. 1 и 2 изображено ниппельное соединение двух электродов, где 1 электрод, 2 ниппель, 3 полость, d -диаметр ниппеля в плоскости последнего, находящегося в полном контакте витка резьбы, L расстояние от последнего, находящегося в полном контакте витка резьбы до дна гнезда электрода. Точки А, В и С являются опасными точками, в которых возникают повышенные эквивалентные напряжения, связанные с изменением геометрических характеристик рассматриваемых сечений в этой конструкции ниппельного соединения. Точки А и В соответствуют изломам образующей внутренней полости (фиг.1), точка С зоне перехода от стенки ко дну гнезда. При совпадении точек А и В образующая полости прямая линия (фиг.2).

На фиг. 3 показана зависимость снижения эквивалентных напряжений в опасной точке С, расположенной в зоне перехода от стенки к дну гнезда электрода, от расстояния L вдоль оси электрода между последним находящимся в полном контакте витком резьбы соединения и дном гнезда электрода.

Под действием осесимметричной радиальной нагрузки резьбовая поверхность гнезда электрода перемещается в радиальном направлении. Величина этих перемещений уменьшается по мере удаления рассматриваемого сечения от зоны приложения нагрузки. Зона приложения нагрузки соответствует положению последнего, находящегося в полном контакте витка резьбы ниппельного соединения. Работоспособность соединения при этом виде нагружения определяется эквивалентными напряжениями, зависящими от градиента радиальных перемещений вдоль оси электрода.

По мере удаления дна гнезда от зоны приложения нагрузки податливость стенки гнезда увеличивается и градиент радиальных перемещений по оси уменьшается, что приводит к снижению эквивалентных напряжений в точке С. Удаление дна гнезда на расстояние более чем два диаметра d от участка приложения нагрузки не дает достаточного снижения эквивалентных напряжений и поэтому не приведет к повышению эксплуатационной стойкости электродов, повысив удельный расход электродов за счет окисления внутренней поверхности полости.

При действии изгибающего момента работоспособность соединения будет определяться еще и изгибными напряжениями в опасных точках сечения.

При выполнении внутренней полости в форме усеченного конуса расстояние а от оси электрода до опасных точек А и В будет уменьшаться по мере удаления рассматриваемого сечения от зоны приложения нагрузки, а момент инерции сечения I будет увеличиваться вследствие уменьшения диаметра полости d₁ в рассматриваемом сечении.

На фиг. 4 показаны зависимости изгибных напряжений в точке С от расстояния L для цилиндрической (I прототип) и конической (II предлагаемое решение) полостей электрода диаметром 555 мм при изгибающем моменте 1х10⁴ Н˙м. S_но изгибные напряжения при L=0. При выполнении полости в виде усеченного конуса момент инерции сечения I увеличивается по мере увеличения расстояния L, следовательно, изгибные напряжения S_н в предлагаемой конструкции будут меньше, чем в прототипе.

Таким образом, выполнение внутренней полости в форме усеченного конуса с ограничением глубины пространства величиной 2d приводит к снижению изгибных напряжений и улучшению эксплуатационной стойкости ниппельного соединения.

На фиг. 5 показаны зависимости эквивалентных напряжений в точках А и В от соотношения диаметров d' и d'' внутренней полости (фиг.5б). При увеличении диаметра полости d'' от нуля до диаметра конической части гнезда d' и более, податливость стенок гнезда электрода увеличивается, что приводит к снижению напряжений в точке А (кривая а-а) и повышению напряжений в точке В (кривая в-в). Точка 1 соответствует аналогу (1), точка 2 аналогу (2), а точка 3 прототипу и предлагаемому решению. Таким образом, при выполнении внутренней полости в форме усеченного конуса (где образующая прямая линия) для точек А и В предлагаемое техническое решение по эквивалентным напряжениям находится на уровне прототипа, однако по предлагаемому техническому решению объем внутренней полости будет меньше, чем в прототипе и, соответственно, окисляемость внутренней поверхности полости будет меньше, что приведет к повышению стойкости ниппельного соединения.

Для замеров осевых размеров ниппельного гнезда необходима опорная площадка для мерительного инструмента. При выполнении такой площадки образующая формы внутренней полости будет ломаной линией. Применяемый мерительный инструмент имеет опорную поверхность порядка 5 мм, что соответствует изменению диаметров внутренней полости d' и d'' на 3-5% Такое изменение диаметров внутренней полости не приведет к существенному изменению эквивалентных напряжений, снизив изгибные напряжения.

Выполнение образующей в форме ломаной линии приведет к снижению окисляемости внутренней поверхности за счет уменьшения объема внутренней полости и к повышению эксплуатационной стойкости ниппельного соединения.

Предлагаемое техническое решение является результатом расчета эквивалентных и изгибных напряжений в теле электрода. Эквивалентные напряжения определялись методом конечных элементов при действии равномерно распределенной нагрузки на резьбовую поверхность гнезда электрода, моделирующей более сильное тепловое расширение ниппеля по отношению к электроду при его эксплуатации. Изгибные напряжения определялись при действии на секцию электродов изгибающего момента. На фиг. 3-5 представлены данные для ниппельного соединения электродов диаметром 555 мм.

Предлагаемая конструкция ниппельного соединения обладает более высокой эксплуатационной стойкостью, так как форма и размеры пространства между торцом ниппеля и дном гнезда электрода способствуют снижению изгибных напряжений и уровня окисления его внутренней поверхности. Предлагаемая конструкция может быть изготовлена на существующем оборудовании без применения дополнительной оснастки.

Сущность изобретения заключается в том, что полость между торцом ниппеля и электродом имеет форму усеченного конуса и расстояние вдоль оси электрода между последним находящимся в полном контакте витком резьбы соединения и электродом без учета величины технологического недореза составляет до двух диаметров d, замеренных в плоскости этого витка. Кроме того,образующая формы полости может быть ломаной линией. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ СЕКЦИЙ ЭЛЕКТРОДОВ электродуговой печи, содержащий биконический ниппель, ввинченный в конические ниппельные гнезда обеих секций так, что между торцом ниппеля и дном электрода имеется полость, отличающийся тем, что полость имеет форму усеченного конуса и расстояние L вдоль оси электрода между последним, находящимся в полном контакте, витком резьбы соединения и электродом без учета величины технологического недореза составляет до двух диаметров d ниппеля, замеренного в плоскости этого витка. 2. Узел по п.1, отличающийся тем, что образующая формы полости выполнена в виде ломаной линии.