ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ПЕЧЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ Российский патент 1997 года по МПК H05B7/20 H05B7/11 F27D11/10 F27B3/08 

Изобретение относится к электродуговой печи постоянного тока в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения и к способу работы такой дуговой печи в соответствии с пунктом формулы изобретения, касающимся способа.

Для плавки металла в дуговой печи, работающей на постоянном токе, особенно в случае мощных печей требуются большие токи, которые вызывают образование соответственно сильных магнитных полей. Электрическая цепь постоянного тока для такой печи замкнутая через дугу, образована выпрямительным устройством, установленным рядом с сосудом печи, и идущем от этого устройства по меньшей мере одним токопроводом, проходящим в горизонтальной плоскости ниже днища сосуда к центру днища, так что ток от токопровода протекает через расположенный на днище анод, расплавленный материал в сосуде и электрическую дугу к катоду, установленному в центре крышки сосуда, и далее через держатель катода, возвращаясь к выпрямительному устройству.

Эта схема подвода и отвода тока определяет контур тока, который вызывает появление действующей на него силы, направленной перпендикулярно к нему, что хотя и не влияет на катодный электрод, проходящий внутрь печи и имеющий возможность перпендикулярного перемещения, однако приводит к соответствующему отклонению дуги между катодом и ванной расплава. Асимметрия дуги является непосредственной причиной повышенного износа огнеупорной футеровки сосуда печи там, где отклонившаяся дуга подходит к стене сосуда ближе, чем это предусмотрено при ее центральном положении. При вышеупомянутой цепи тока указанная критическая зона повышенного износа футеровки сосуда печи обращена к той стороне или удалена от той стороны, с которой осуществляются подвод и отвод питания дуговой печи.

Для решения этой проблемы, например, в известной дуговой печи по патенту США N 4821284 тройной контур проводов замкнут через три дуговых электрода, которые расположены вокруг центра днища в виде равнобедренного треугольника, при этом верхние электроды над поверхностью ванны обращены к нижним электродам и имеют такую же конфигурацию. Над печью и под печью имеются горизонтальные шины подвода и отвода тока.

Еще одна известная дуговая печь постоянного тока (заявка Германии N 4035233) имеет только один нижний электрод, который проходит по центру днища к расплаву и также обращен к вертикально перемещаемому катоду, установленному по центру печи. Для стабилизации дуги в центре печи к центрально расположенному аноду под сосудом печи с двух противоположных сторон подведены четыре провода, при этом либо противолежащие провода соединены между собой, либо провода соединены с чередованием.

С учетом известного уровня техники, настоящее изобретение, касающееся дуговой печи постоянного тока вышеуказанного типа, направлено на решение проблемы обеспечения равномерного износа огнеупорной футеровки печи путем установки дуги по центру печи, даже если в случае одностороннего подвода и отвода тока анодные токопроводы подведены к печи сбоку, и даже при больших токах.

В соответствии с изобретением эта проблема решается с помощью признаков, указанных в п. 1 формулы изобретения.

Варианты осуществления указанного решения, представляющие его развитие, приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Пункт формулы изобретения на способ определяет процесс, обеспечивающий выгодную эксплуатацию такой дуговой печи.

Основное отличие изобретения состоит в том, что в нем используется не центральный подвод тока к единому нижнему электроду, а такой подвод тока, при котором ток распределяется по поверхности днища ванны расплава и который осуществляется посредством токопроводов, идущих сбоку к стенке печи. С этой целью нижний сосуд печи разбит на четыре квадранта, с каждым из которых связана соединительная пластина, расположенная сбоку на стальном корпусе нижнего сосуда, причем квадранты электрически соединены между собой через сосуд печи. Таким образом, подвод тока на анод осуществляется через нижний сосуд от его боковой наружной стенки к днищу сосуда и далее через анодные пластины в огнеупорной футеровке к расплаву. Преимущество такого подвода тока состоит в том, что оказывается возможным изменять силу тока в токопроводах к разным квадрантам таким образом, что магнитные поля, вызванные шунтовыми токами в нижней части сосуда, и образующиеся в результате этого силы нейтрализуют силы, возникающие в контурах тока при подводе и отводе тока питания. В противном случае отклонение дуги, особенно при больших токах, приведет к преждевременному износу облицовки в квадрантах, удаленных от источника выпрямленного напряжения питания.

Поскольку величина указанного отклонения является функцией не только силы тока, текущего через цепь постоянного тока, но в значительной степени определяется также геометрией контура тока, важное значение имеет расстояние по вертикали между плоскостью, в которой размещены токопроводы, идущие к печи, и дугой в центре печи. При подводе тока по центру от днища печи достигается лишь незначительное экранирование от магнитных полей, создаваемых вокруг токопроводов, тогда как подвод тока сбоку дает гораздо больший экранирующий эффект. Теоретически влияние магнитных полей токопроводов на дугу можно свести к минимуму, размещая их непосредственно на высоте расположения дуги.

Согласно изобретению оптимальный вариант заключается в том, что подвод тока к стенке нижнего сосуда осуществляется сбоку в горизонтальной плоскости, лежащей непосредственно под дугой, т.е. в данном случае отсутствует центральный подвод тока под днищем сосуда. С этой целью сосуд снабжен отдельными токопроводами для соединения с каждым квадрантом через соответствующую соединительную пластину, причем квадранты электрически соединены между собой через стенку сосуда.

Для данного изобретения важно, что путем заданного изменения силы тока в отдельных токопроводах шунтовыми токами в области днища создают дополнительные магнитные поля, что в сочетании с заданным экранированием от магнитных полей вокруг токопроводов боковой стенки сосуда, играющей роль ярма, может обеспечить контролируемую корректировку отклонения дуги.

В некоторых случаях может быть выгодно иметь только два источника питания с двумя выпрямительными блоками или более четырех источников питания для более чем четырех квадрантов нижнего сосуда. Во всех случаях должно быть обеспечено соответствие токов от выпрямителей заданной асимметрии.

В соответствии с предлагаемым способом дуговая печь постоянного тока всегда эксплуатируется таким образом, что токи, текущие через отдельные токопроводы и нижний сосуд к нижнему аноду, задают как функцию отклонения дуги, образующейся между катодом и расплавом. Особенно целесообразно определять отклонение дуги над расплавом и подводить к отдельным токопроводам соответственно различные токи в соответствии с величиной, найденной в данном случае, с тем, чтобы во время работы печи на дугу можно было воздействовать заданной силой, обусловленной необходимыми дополнительными магнитными полями.

Преимуществом изобретения является и то, что дугу можно направлять в центр печи путем изменения расположения анодных пластин на днище нижнего сосуда печи и таким образом обеспечить дополнительную оптимизацию.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение дуговой печи постоянного тока; на фиг. 2 схематичный вид в плане плавильной печи с источником выпрямленного напряжения питания на одной стороне и токоподводом, и токоотводом; на фиг. 3
усовершенствованный вариант осуществления изобретения согласно фиг. 2 с квадрантами слева вверху.

Как видно из фиг. 1, электродуговая печь постоянного тока содержит нижний сосуд 5 и верхний сосуд 18, электрически изолированный от него посредством изоляции 7. Печь традиционно облицована огнеупорной футеровкой 2, в которой находится расплав 3. Графитовый электрод, установленный с возможностью перемещения по вертикали, проходит в центральную часть печи через крышку и образует катод 1 для дуги постоянного тока. Этот катод удерживается не показанным на фиг. 1 стержневым электродержателем 9 (фиг. 2 и 3).

Днище 20 нижнего сосуда 5, а также его наружная стенка выполнены из листовой стали, облицованной соответствующим образом для теплоизоляции, при этом ток, проходящий через указанную огнеупорную футеровку 2, равномерно распределяется в виде центрального кольца через днище сосуда по расплаву 3 при помощи анодных пластин 10. Стальной сосуд образует наружный проводящий металлический корпус, имеющий днище 20 и боковую стенку 21, которая, как описано ниже, имеет определяющее значение не только для подвода тока на анод, но в особенности для экранирования от магнитных полей 13, образующихся вокруг токопроводов снаружи печи. Токопроводы 6 выполнены в виде охлаждаемых водой труб вокруг нижнего сосуда 5 около боковой стенки 21 печи. Дуга 8 образуется между поверхностью расплава 3 и катодом 1, причем часть линий тока в расплаве 3 показана на фиг. 1 позицией 16.

Как видно из фиг. 1 и 2, на стенке 21 нижнего сосуда 5 печи в четырех квадрантах I-IV имеются соединительные пластины 4 для четырех токопроводов 6, которые проходят в горизонтальной плоскости ниже дуги 8 к источникам 11 выпрямленного напряжения питания. Стержневой электродержатель 9, удерживающий катод 1, размещен в горизонтальной плоскости, расположенной над печью, и замыкает контур тока, образованный токопроводами 6, соединительными пластинами 4, стенками 20, 21 сосуда, анодными пластинами 10, дугой 8 и катодом 1, на источники 11 выпрямленного напряжение питания.

Путем подвода в четыре квадранта I-IV, т.е. по четырем токопроводам 6, токов различной величины можно влиять на положение и/или отклонение дуги. В случае, когда подаваемые в квадранты токи одинаковы, в результате действия сил дуга сначала отклоняется перпендикулярно магнитным полям контура тока в направлении от источников 11 выпрямленного напряжения питания, что ведет к повышенному выжиганию огнеупорной футеровки 2, особенно в квадрантах II и III, как это имеет место в известных дуговых печах. При увеличении силы тока в двух токопроводах 6, идущих к соединительным пластинам 4 в квадрантах II и III, удаленных от источников 11 постоянного тока, появляется компенсирующий ток, показанный на фиг. 2 стрелками 12. Этот компенсирующий ток делает возможным корректирование вышеупомянутого отклонения дуги, т.е. дугу снова можно направить по центру, т.е. по оси печи. Причиной возникновения этих компенсирующих токов является более высокое сопротивление анодной стороны печи по сравнению с электрическим сопротивлением токопроводов 6.

Компенсирующие токи 12 образуют дополнительные магнитные поля 15, показанные стрелками на фиг. 1 и действующие на дугу с силой, которая направлена противоположно отклоняющей силе, создаваемой контуром тока. В связи с этим важно, что равномерная токовая нагрузка, в особенности анодных пластин 10, не меняется благодаря вышеупомянутому соотношению их сопротивления и сопротивления днища 20 сосуда или стенки 21 нижнего сосуда 5, которое можно поддерживать низким, так же как и сопротивление токопроводов 6.

Однако на так называемый опорный круг дуги 8 можно влиять не только посредством подвода различных токов к четырем квадрантам I-IV через токопроводы 6, но и путем изменения места соединения соединительных пластин 4 с конкретными квадрантами. Такой вариант выполнения изобретения показан на фиг. 3, где геометрическое положение пластин 4 внешних квадрантов II и III относительно воображаемой центральной оси 22, проходящей через центр печи и провод электродержателя 9, соединенный с источником 11 выпрямленного напряжения питания, отличается от положения этих пластин на фиг. 2, где соединительные пластины 4 четырех квадрантов расположены в каждой паре диаметрально противоположно друг другу и, следовательно, ориентированы друг относительно друга под углом 90^o.

Установку соединительных пластин можно выполнять при монтаже печи. Тем не менее, возможно также менять местоположение пластин во время эксплуатации печи, так как наружная стенка 21 легко доступна.

Установку различных величин токов, текущих через токопроводы 6, осуществляют при помощи установки заданного значения для стабилизаторов тока источников 11 выпрямленного напряжения питания, при этом величины токов можно постоянно менять, если требуется, в соответствии с изменениями условий эксплуатации печи. Токи, текущие в отдельных токопроводах 6 через нижний сосуд 5 к нижнему аноду, задают как функцию отклонения дуги 8 между катодом 1 и поверхностью расплава 3 с тем, чтобы дуга была направлена по геометрическому центру печи.

Сущность изобретения: электродуговая печь постоянного тока содержит сосуды для расплава с огнеупорной футеровкой, катодный электрод, установленный в центре крышки сосудов, нижнее анодное устройство, расположенное у электропроводящего нижнего сосуда от стенки сосуда к расплаву, нижний сосуд соединен с токопроводами в нескольких квадрантах, средства подачи питания включают соединительные пластины для токопроводов, установленные у каждого квадранта на стенке нижнего сосуда, токопроводы расположены ниже катодного электрода в горизонтальной плоскости, проходя до стенки печи, а катодный электрод соединен с источником выпрямленного напряжения через указанный электрододержатель. Способ питания электродуговой печи постоянного тока, в котором на центральный верхний катод и соединенный с электропроводящим нижним сосудом печи нижний анод подают электрическое напряжение с образованием электрической дуги между катодом и расплавом в нижнем сосуде и воздействуют на электрическую дугу с заданной силой путем создания дополнительных магнитных полей, для создания дополнительных магнитных полей напряжение на нижний анод подают через несколько квадрантов нижнего сосуда посредством отдельных токопроводов, при этом токи в токопроводах регулируют в соответствии с отклонением дуги. 2 с и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электродуговая печь постоянного тока, содержащая сосуды для расплава с огнеупорной футеровкой, катодный электрод, установленный в центре крышки сосудов для расплава с возможностью вертикального перемещения и снабженный установленным горизонтально электрододержателем, нижнее анодное устройство, расположенное у электропроводящего нижнего сосуда от стенки сосуда к расплаву, и средства подачи питания к катодному электроду и анодному устройству с одной стороны, через токопроводы соединенные с источником выпрямленного напряжения, установленным на расстоянии от печи, отличающаяся тем, что нижний сосуд соединен с токопроводами в нескольких квадрантах, средства подачи питания включают соединительные пластины для токопроводов, установленные у каждого квадранта на стенке нижнего сосуда, и выполнены так, что сумма токов, текущих через токопроводы к квадрантам нижнего сосуда, ближайшим к источнику выпрямленного напряжения, меньше, чем сумма токов, текущих через токопроводы к квадрантам нижнего сосуда, удаленным от источника выпрямленного напряжения, токопроводы расположены ниже катодного электрода в горизонтальной плоскости, проходя до стенки печи, а катодный электрод соединен с источником выпрямленного напряжения через указанный электрододержатель. 2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что расстояния между соединительными пластинами разных квадрантов неодинаковы. 3. Печь по п.2, отличающаяся тем, что соединительные пластины в квадрантах, удаленных от источника выпрямленного напряжения, смещены к воображаемой центральной оси, проходящей через центр печи и провод электрододержателя. 4. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что токопроводы подведены сбоку к стенке нижнего сосуда печи, обеспечивая дополнительное экранирование магнитных полей, образующихся вокруг токопроводов, с помощью стального корпуса нижнего сосуда. 5. Печь по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере два источника выпрямленного напряжения соединены для подачи анодного питания с нижним сосудом. 6. Печь по п.1, отличающаяся тем, что нижний сосуд электрически изолирован от верхнего сосуда и использован как электропроводник. 7. Печь по одному из пп.1 4, отличающаяся тем, что средства подачи питания выполнены так, что токи, текущие к квадрантам нижнего сосуда, ближайшим к источнику выпрямленного напряжения, меньше токов, текущих к остальным квадрантам. 8. Печь по одному из пп.1 7, отличающаяся тем, что источник выпрямленного напряжения содержит регулируемые стабилизаторы выходного тока. 9. Печь по одному из пп.1 8, отличающаяся тем, что с каждым токопроводом соединен источник выпрямленного напряжения, выполненный с параметрами, соответствующими установленной асимметрии. 10. Способ питания электродуговой печи постоянного тока, в котором на центральный верхний катод и соединенный с электропроводящим нижним сосудом печи нижний анод подают электрическое напряжение с образованием электрической дуги между катодом и расплавом в нижнем сосуде и воздействуют на электрическую дугу с заданной силой путем создания дополнительных магнитных полей, отличающийся тем, что для создания дополнительных магнитных полей напряжение на нижний анод подают через несколько квадрантов нижнего сосуда посредством отдельных токопроводов, при этом токи в токопроводах регулируют в соответствии с отклонением дуги.