ПОДОВЫЙ ЭЛЕКТРОД ЭЛЕКТРОПЕЧИ Российский патент 1998 года по МПК F27B3/10 H05B7/06 

Изобретение относится к области электротермии, в частности к плавильным печам, плавка металла в которых проводится в футерованной огнеупорными неэлектропроводными материалами ванне, через дно которой для подвода тока к металлу пропущен один или несколько подовых электродов. Такими печами, например, являются дуговые печи постоянного тока, плазменные и индукционно-плазменные.

Подовые электроды подвержены термическим нагрузкам, особенно в период нагрева расплава, сопровождающегося его интенсивным перемешиванием, и воздействию дуг и джоулева тепла при плохом контакте подового электрода с материалом расплава в процессе его расплавления.

В плавильных печах получили распространение подовые электроды, выполненные в виде медного водоохлаждаемого стержня, к которому со стороны переплавляемого металла прикреплена сваркой или другим методом стальная головка, контактирующая с расплавом [1]. Медный стержень с внутренним или наружным водоохлаждением обеспечивает хороший отвод тепла от части подового электрода, расположенной в футеровке, а стальная головка обеспечивает надежный контакт с металлом, немедленно после включения печи привариваясь к нему.

Эта конструкция имеет ряд недостатков, основными из которых являются небольшая плоскость контактной поверхности между головкой подового электрода и расплавом, повышенные тепловые потери через электрод, ограниченная возможность ремонта электрода после смены футеровки подины.

Эти недостатки приводят к перегреву расплава и подового электрода из-за высокой скорости движения расплава над подовым электродом, вызванным электромагнитным полем, плотность которого возрастает с увеличением плотности тока. Нагрев и расплавление головки подового электрода на большую глубину увеличивает тепловые потери через подовый электрод, уменьшает ресурс работы подины, затрудняет последующий ремонт подового электрода.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является подовый электрод, содержащий медный водоохлаждаемый стержень с каналами охлаждения и токоподводами и стальную головку, нижняя часть которой выполнена с полостью, боковая поверхность которой жестко скреплена с медным водоохлаждаемым стержнем, расположенным внутри полости [2].

Эта конструкция подового электрода обладает недостатками: высокой плотностью тока в месте контакта с металлом, в результате чего перегревается и расплавляется верхняя часть головки, а после слива металла теряется электрический контакт с новой шихтой. Кроме этого, трудно выполнить ремонт электрода после замены подины.

Предлагаемое изобретение позволяет устранить указанные недостатки.

Сущность изобретения заключается в том, что подовый электрод, содержащий медный водоохлаждаемый стержень с каналами охлаждения и токоподводами и стальную головку, нижняя часть которой выполнена с полостью, боковая поверхность которой жестко скреплена с медным водоохлаждаемым стержнем, расположенным внутри полости, а часть стальной головки, расположенной выше боковой поверхности медного стержня, выполнена в виде стальных листов, нижняя часть которых жестко скреплена с наружной боковой поверхностью стальной головки, расположенной вдоль медного стержня, при этом часть электрода, в которой выполнены каналы охлаждения и на которой установлены токоподводы, выполнена с возможностью расположения вне печи, а другая часть - с возможностью расположения внутри футеровки подины печи, в то же время боковая поверхность стальной головки, примыкающая к медному стержню, выполнена в виде стальных полос, число которых соответствует числу стальных листов, жестко скрепленных с боковой поверхностью медного стержня, в котором часть медного стержня, расположенная внутри футеровки подины печи, выполнена длиной не более 0,8 H и не менее 0,5 H, а стальные листы, жестко скрепленные с наружной боковой поверхностью стальной головки - длиной не менее 0,3 H, где H - толщина подины печи, а суммарная площадь стальных листов S в поперечном сечении S = I/i, где I - максимальный электрический ток в электроде, А;
- плотность тока в минимальном поперечном сечении медного стержня, при этом в медном стержне на уровне стальных листов установлен по крайней мере один датчик температуры, а жесткое крепление боковых поверхностей медного стержня и полости стальной головки выполнено посредством пайки припоем с температурой плавления ниже температуры плавления меди, при этом предполагается, что часть стальной головки, расположенной вдоль медного стержня, и часть, выполненная в виде стальных листов, выполнены из разных марок стали.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в следующем. Выступающая вверх за пределы полости стальная часть головки, выполненная в виде стальных листов, в процессе плавок металла в месте контакта электрода с расплавом образует сплошной электропроводный монолит, состоящий из металла и металлизированной футеровки. Подвод тока и отвод тепла осуществляются через стальные листы, внедренные в этот монолит. Монолит имеет обширную контактную поверхность, не меньше поверхности, описанной вокруг наружной части листов окружности. Металлизированная футеровка имеет температуру плавления выше температуры плавления стали и не разрушается при контакте с расплавом и более низкую теплопроводность, что уменьшает тепловые потери через подовый электрод. Тепловые потери через подовый электрод уменьшаются также за счет того, что токоподвод к монолиту и отвод тепла от него проводится через стальные листы, сечение и длина которых оптимизируется соотношениями, в которых суммарная площадь стальных листов в поперечном сечении S не менее S = I/i, где I - максимальный электрический ток подового электрода, А; i - плотность тока в подовом электроде, а длина стальных листов зависит от длины части медного стержня, расположенной внутри футеровки подины печи, которая характеризуется размером L, величина которого L не более 0,8H и не менее 0,5H, где H - толщина футеровки подины. Листы связывают рабочую поверхность подины со стержнем, и выступающая за пределы стержня их часть имеет длину (0,2-0,5)H. Так как подовые электроды проектируются для конкретных подин и токов, величины H, I и i берутся из исходных данных на печь.

В процессе работы печи с подовым электродом выбранные соотношения позволяют поддерживать стальные листы в твердом состоянии с температурой, не превышающей температуру внутри подины, а в случае аварийного расплавления монолита и разрушения верхней части футеровки на оставшейся части металлических листов может быть сформирован новый монолит. Для этого достаточно на нерасплавленные торцы стальных листов положить мелкие куски шихты из низкоуглеродистого железа, перемешанные с огнеупорной массой, и провести ремонт подины вокруг вновь положенных кусков, восстановив начальный уровень подины. После расплавления шихты вновь образуется монолит из металла, перемешанного с футеровочной массой, соединенный со стальными листами. Заявляемая длина листов, выступающая за пределы медного стержня, обеспечивает многократный ремонт подины, а при смене подины стальные листы разрезаются между монолитом и головкой и заменяются на новые. Это позволяет проводить многократный ремонт подового электрода. В случае невозможности провести резку стальных листов (это бывает тогда, когда в подине печи устанавливают несколько подовых электродов и формируют общий для них монолит) изобретение предусматривает соединение медных и стальных частей подовых электродов посредством пайки.

При ремонте печи от подовых электродов отключают воду и разогревают монолит вместе с подовыми электродами до температуры выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления меди. Медные стержни вынимают из стальных головок, для чего предусмотрены формы сопряженных поверхностей, обеспечивающие эту возможность. Затем на медный стержень, имеющий наибольшую сложность и стоимость, устанавливают новую стальную головку с листами.

Длительный срок службы подового электрода по сравнению с прототипом обеспечивается также тем, что передача тока от медного стержня к головке и стальным листам осуществляется через боковую поверхность медного стержня по большой интенсивно охлаждаемой контактной поверхности, что позволяет уменьшить размеры стальных листов, контролировать температуру медного стержня вблизи контактных поверхностей и наиболее полно сохранить целостность футеровки. Достоинством новой конструкции является также то, что листы и головку можно изготовить из разных сортов стали; это позволяет выполнять листы из стали, наиболее близкой по свойствам к расплаву, а головку из стали, имеющей приемлемые характеристики для сварки с листами и сварки или пайки с медью.

На фиг. 1 схематично представлен подовый электрод, который содержит медный стержень 1, на котором жестко, посредством пайки или методами сварки на электрошлаковой установке закреплена стальная головка 2, к которой в свою очередь посредством сварки или пайки жестко прикреплены стальные листы 3. С целью возможности дальнейшего демонтажа подового электрода пайку осуществляют припоем с температурой плавления ниже температуры плавления меди, например, припоем ПСР-75. На фиг. 1 также показаны токоподвод к подовому электроду 4 и каналы 5 охлаждения, которые предполагается размещать вне печи. Условная граница кожуха печи показана линией I-I Сечение с минимальной площадью медного стержня, условно показанное линией II-II, определяет размеры для расчета плотности тока в медном стержне и стальных листах, а сечение, показанное линией III-III, определяет размеры для расчета допустимой плотности тока в стальных листах. Если стальные листы имеют переменное сечение, то необходимо задаваться плотностью тока, протекающего через стальные листы в сечении с минимальной суммарной площадью. При этом суммарная площадь S стальных листов в минимальном поперечном сечении III-III составляет S = I/i, где I - максимальный расчетный ток в электроде, А; а - плотность тока в минимальном поперечном сечении медного стержня 1.

На фиг. 1 показаны также датчики 6 и 7 температуры, расположенные в медном стержне 1 напротив мест крепления к нему стальных листов 3.

На фиг. 2 показан электрод, в котором к медному стержню 1 жестко прикреплены стальные полосы 2, к которым в свою очередь жестко прикреплены стальные листы 3. Стальные полосы 2 и листы 3 могут быть выполнены из разных марок стали.

На фиг. 3 показаны: медный стержень 1, к которому жестко прикреплена стальная головка 2, к которой жестко прикреплены стальные листы 3 и 3'. В сечении IV показана линия разреза и последующей сварки, которую осуществляли при ремонте подового электрода, в процессе которого верхняя часть листов была заменена на новую. При этом части стальных листов 3 и 3' могут быть выполнены из разных марок стали.

На фиг. 4 показан электрод, в котором медный стержень 1 и стальная головка 2 имеют не коническую форму сопряжения друг с другом, а цилиндрическую, а стальной лист 3 выполнен со скосом по внешнему контуру.

Предполагается что показанные на фиг. 1-4 стержень 1, головка 2 могут иметь различную форму - коническую, цилиндрическую, квадратную и др., а листы могут иметь переменное сечение.

Устройство работает следующим образом.

При расплавлении шихты и нагреве расплава через подовый электрод проходит электрический ток. Верхняя часть листов 3 и окружающая их футеровка образуют сплошной электропроводящий монолит, так как футеровка металлизуется и нагревается до температуры расплава, при которой хорошо проводит электрический ток. Ток к монолиту подводится через нижнюю часть металлических листов 3, которые охлаждаются через сварные соединения с головкой 2 и сварное или другие соединения с медным стержнем 1. Внутри медного стержня установлены датчики 6 и 7 температуры, которые расположены в непосредственной близости от головки 2 и места сварки листов 3 и головки 2. С помощью датчиков контролируют температуру мест приварки листов, не допуская их разрушения. Разрушение листов выше мест сварки не приводит к разрушению подовых электродов, так как листы легко заменить. В некоторых случаях головку 2 можно заменить на ряд стальных полос по числу стальных листов. На подовом электроде может быть установлено произвольное количество листов 3 произвольной формы. При соблюдении условий, при которых длина части медного стержня 1, расположенная внутри футеровки подины высотой H, не более 0,8H и не менее 0,5H, а стальные листы приварены к боковой поверхности головки на длине не менее 0,3H, суммарная площадь стальных листов 3 S в поперечном сечении составляет S = I/i, где I - максимальный электрический ток подового электрода, А, и - плотность тока в минимальном поперечном сечении медного стержня, все детали подового электрода в процессе плавки не разрушаются.

Для улучшения условий изготовления и эксплуатации подового электрода головка может быть выполнена из низкоуглеродистой стали, которая имеет повышенную тепло- и электропроводность и которую проще припаять или приварить к меди, а стальные листы выполнены из нержавеющей стали, что увеличивает их коррозионную стойкость при высоких температурах.

Хорошие условия ремонта подовых электродов обеспечивают соединение монолита с головкой стальными листами, которые легко разрезать, отделив монолит от подового электрода, а затем заменить верхнюю часть листов. При невозможности выполнить эту операцию соединение головка-медный стержень выполняют паяным. При этом для сохранения наиболее сложной и дорогой части подового электрода - медного стержня от него отключают охлаждающую воду, разогревают монолит и подовый электрод, например, дугой до температуры плавления припоя, после чего вынимают медный стержень 1 из головки 2. В дальнейшем на медный стержень 1 устанавливают новую головку.

Изобретение относится к области электротермии, в частности к плавильным печам, плавка металла в которых проводится в футерованной огнеупорными неэлектропроводными материалами ванне, через дно которой для подвода тока к металлу пропущен один или несколько подовых электродов. Подовый электрод содержит медный водоохлаждаемый стержень с каналами охлаждения и токоподводами и стальную головку. Нижняя часть головки выполнена с полостью, боковая поверхность которой жестко скреплена со стержнем, расположенным внутри полости. Часть головки, расположенная выше боковой поверхности стержня, выполнена в виде стальных листов, нижняя часть которых жестко скреплена с наружной боковой поверхностью головки, расположенной вдоль стержня. Часть электрода, в которой выполнены каналы охлаждения и на которой установлены токоподводы, выполнена с возможностью расположения вне печи, а другая часть - с возможностью расположения внутри футеровки. Боковая поверхность головки, примыкающая к медному стержню, может быть выполнена в виде стальных полос, число которых соответствует числу стальных листов. Часть стержня, расположенная внутри футеровки подины, может быть выполнена длиной не более 0,8Н и не менее 0,5Н, а листы - длиной не менее 0,3 Н, где Н - толщина подины. В стержне на уровне стальных листов может быть установлен датчик температуры. Крепление боковых поверхностей стержня и полости головки может быть выполнено пайкой припоем с Т_пл ниже T_пл меди. Часть головки, расположенная вдоль медного стержня, и часть, выполненная в виде стальных листов, могут быть выполнены из разных сортов стали. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Подовый электрод электропечи, содержащий медный водоохлаждаемый стержень с каналами охлаждения и токоподводами и стальную головку, нижняя часть которой выполнена с полостью, боковая поверхность которой жестко скреплена с медным водоохлаждаемым стержнем, расположенным в полости, отличающийся тем, что часть стальной головки выполнена в виде стальных листов, нижняя часть которых жестко скреплена с наружной боковой поверхностью стальной головки, расположенной вдоль медного стержня, при этом часть электрода, в которой выполнены каналы охлаждения и на которой установлены токоподводы, выполнена с возможностью расположения вне печи, а другая часть - с возможностью расположения внутри футеровки подины печи. 2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что боковая поверхность стальной головки, примыкающая к медному стержню, выполнена в виде стальных полос, жестко скрепленных с боковой поверхностью медного стержня. 3. Электрод по п.1 или 2, отличающийся тем, что часть медного стержня, расположенная внутри футеровки подины печи, выполнена длиной не более 0,8 H и не менее 0,5 H, а стальные листы, жестко скрепленные с наружной боковой поверхностью стальной головки, - длиной не менее 0,3 H, где H - толщина подины печи. 4. Электрод по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что суммарная площадь S стальных листов в поперечном сечении составляет
S = I/j,
где I - максимальный электрический ток в электроде, А;
j = 0,1 - 0,6 - плотность тока в минимальном поперечном сечении медного стержня, А/мм². 5. Электрод по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в медном стержне на уровне стальных листов установлен по крайней мере один датчик температуры. 6. Электрод по п.1 или 2, отличающийся тем, что жесткое крепление боковых поверхностей медного стержня и полости стальной головки выполнено посредством пайки припоем с температурой плавления ниже температуры плавления меди. 7. Электрод по п.1 или 2, отличающийся тем, что часть стальной головки, расположенная вдоль медного стержня, и часть, выполненная в виде стальных листов, выполнены из разных марок стали.