САМОСПЕКАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОД Российский патент 1998 года по МПК H05B7/09 

Настоящее изобретение относится к электротехнике, а более точно к самоспекающемуся электроду, предназначенному для использования в электрических плавильных печах.

Обычные самоспекающиеся электроды содержат вертикально расположенный корпус, проходящий через отверстие, выполненное в крыше или своде печи. Верхний конец корпуса электрода открыт, чтобы обеспечить возможность добавления неспеченной углеродистой электродной пасты, которая при нагреве размягчается и плавится, а затем спекается с образованием твердого электрода вследствие тепла, выделяемого в пасте в зоне подачи электрического тока на электрод. По мере расходования электрода в печи его опускают, устанавливают новые секции корпуса сверху электродной колонны и подают дополнительные порции электродной пасты.

Обычный электрод этого типа снабжен внутренними вертикальными металлическими ребрами, проходящими радиально к центру электрода. Когда сверху электродной колонны устанавливают новую секцию корпуса электрода, то ребра новой секции приваривают к ребрам электродной колонны, расположенным в корпусе ниже для формирования непрерывных в вертикальном направлении ребер. Эти ребра служат для усиления спеченного электрода и подвода электрического тока и тепла радиально в электродную пасту во время процесса спекания. Для компенсации расхода электрода его опускают вниз в печь с помощью средств удержания и обеспечения скольжения электрода.

При использовании обычных электродов этого типа корпус электрода и внутренние ребра плавятся при расходовании электрода в печи. Поскольку корпус электрода и внутренние ребра обычно выполнены из стали, такие обычные самоспекающиеся электроды нельзя использовать в электрических плавильных печах для производства кремния или для производства ферросилиция, имеющего высокое содержание кремния, поскольку содержание железа в полученном продукте станет неприемлемо высоким.

Уже в двадцатых годах этого столетия было предложено подводить тепло в самоспекающиеся электроды посредством вставок из предварительно спеченных углеродистых элементов в неспеченную электродную пасту. Так, в патенте Норвегии N 45408, кл. H 05 B 7/09 от 30.09.28 предложен способ получения самоспекающихся электродов, при котором предварительно спеченные углеродистые элементы размещали по периферии электродов и удерживали на своих местах с помощью неспеченной электродной пасты. Углеродистые вставки не крепятся к корпусу электрода, а только удерживаются на своем месте неспеченной электродной пастой, а когда электрод спечен - спеченной электродной пастой. Для удержания углеродистых вставок на своих местах до, во время и после спекания электродной пасты необходимо, чтобы каждый корпус был полностью заполнен горячей жидкой электродной пастой, при установке новой секции корпуса сверху электродной колонны, поскольку именно электродная паста удерживает углеродистые вставки на месте у внутренней стенки корпуса. Такой способ пополнения электродной пасты нежелателен, поскольку опасные для здоровья газы, выделяющиеся из смоляного или пекового связующего в электродной пасте, будут испаряться из верхней части электродной колонны, после чего станут представлять недопустимую опасность для здоровья оператора. Углеродистые вставки, указанные в патенте Норвегии, имеют отношение радиальной длины к толщине менее чем 1:2. Поэтому такие углеродистые вставки будут проводить тепло только на небольшое расстояние внутрь электродной массы, вследствие чего трудно добиться завершения спекания в центральной части электрода. Поскольку эти углеродистые вставки не прикреплены ни к корпусу, ни друг к другу в вертикальном направлении и, кроме того, отношение радиальной длины к толщине меньше чем 1: 2, эти вставки не будут работать так же, как внутренние ребра, используемые в обычных самоспекающихся электродах. По этим причинам способ, раскрытый в патенте Норвегии N 45408, не нашел практического применения.

Однако, с прошествием времени был предложен ряд модификаций обычных самоспекающихся электродов, имеющих внутренние ребра, для устранения загрязнения кремния, получаемого в печи, железом, содержащимся в корпусе и ребрах электрода.

Так, в патенте Норвегии N 149451, кл. H 05 B 7/09 от 02.05.80 раскрыт самоспекающийся электрод, в котором электродная паста, заключенная в корпус, не имеющий внутренних ребер, спекается над местом, где рабочий электрический ток для плавильной печи подается на электрод, и корпус электрода снимают после спекания электрода, но перед тем, как электрод опускают вниз на место, где рабочий электрический ток подается на электрод. Таким образом, получают электрод, не имеющий корпуса и внутренних ребер. Этот вид электрода использовали в плавильных печах для производства кремния, но он имеет тот недостаток по сравнению с обычными предварительно спеченными электродами, что приходится устанавливать дорогостоящие устройства для спекания электрода и для снятия корпуса с электрода.

В патенте США N 4692929, кл. H 05 B 7/09 от 08.09.87 раскрыт самоспекающийся электрод, предназначенный для использования с электрическими печами при производстве кремния. Этот электрод содержит постоянный металлический корпус, не имеющий внутренних ребер, и несущую конструкцию для электрода, содержащую углеродные волокна, причем электродная масса спекается вокруг несущей конструкции, а спеченный электрод удерживается несущей конструкцией. Этот электрод имеет тот недостаток, что приходится располагать над верхней частью электрода специальные удерживающие устройства для удержания электрода посредством несущей конструкции, содержащей углеродные волокна. Кроме того, может быть трудно осуществлять скольжение электрода вниз сквозь постоянный корпус, когда электрод расходуется.

В патенте США N 4575856, кл. H 05 B 7/09 от 04.03.86 описан самоспекающийся электрод, имеющий постоянный корпус без внутренних ребер, в котором электродная паста спекается вокруг центрального фитиля из графита и электрод поддерживается графитовым фитилем. Этот электрод имеет те же недостатки, что и электрод, соответствующий патенту США N 4692929, и, кроме того, графитовый фитиль подвержен разрушению, когда электрод подвергается воздействию радиальных усилий.

Все вышеупомянутые способы получения самоспекающегося электрода, не имеющего внутренних металлических ребер, страдают тем недостатком, что их нельзя использовать для получения электродов, имеющих диаметр свыше 1,2 м, без существенного повышения вероятности разрушения. В отличие от этого, используют обычные самоспекающиеся электроды, имеющие диаметр до 2,0 м.

В авторском свидетельстве СССР N 81508, кл. H 05 B 7/09 от 07.03.81 раскрыт самоспекающийся электрод, выполненный непосредственно с плавильной печью, в которой он расходуется, содержащий корпус, выполненный из электропроводного материала и имеющий внутренние радиальные твердые вертикальные ребра. Углеродистая неспеченная паста подается в корпус, где она спекается с образованием твердого электрода, с помощью электрического тока, подаваемого на самоспекающийся электрод.

Для увеличения механической прочности электрода внутренние вертикальные ребра снабжены анкерными элементами, установленными в отверстия ребер и выполненные в виде металлических труб с запрессованными в них графитовыми стержнями. Длина труб выполнена в 20-30 раз превышающей толщину ребер.

Этот самоспекающийся электрод увеличивает содержание железа в электроде в связи с использованием вышеописанных металлических труб.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение содержания железа в самоспекающемся электроде.

Этот технический результат достигается тем, что в самоспекающемся электроде, выполненном непосредственно с плавильной печью, в которой он расходуется, содержащем корпус, выполненный из электропроводного материала и имеющий внутренние радиальные твердые вертикальные ребра, в котором углеродистая неспеченная паста подается в корпус, где она спекается с образованием твердого электрода, с помощью электрического тока, подаваемого на самоспекающийся электрод, согласно изобретению внутренние радиальные твердые вертикальные ребра выполнены из углеродистых листов с соотношением радиальной длины и толщины более 5:1.

Углеродистые листы могут быть выполнены из графита или предварительно спеченного углеродистого материала и могут быть усилены углеродными волокнами или волокнами других материалов, которые не будут загрязнять продукт, полученный в плавильной печи. Отношение радиальной длины к толщине углеродистых листов выбирают на основании типа используемого углеродного материала и его прочности.

Если углеродистые листы выполнены из предварительного спеченного углеродного материала, то предпочтительно они имеют соотношение радиальной длины и толщины более 8:1. Если углеродистые листы выполнены из графита, то предпочтительно они имеют соотношение радиальной длины и толщины более 15:1.

Согласно предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения углеродистые листы крепят к корпусу посредством болтов и/или путем приклеивания.

Корпус, имеющий углеродистые ребра, изготавливают по существу тем же способом, что и корпус для самоспекающихся электродов, имеющих стальные ребра. Таким образом, корпус можно изготавливать из секций, общее число которых равно числу углеродистых ребер. Каждая секция корпуса по меньшей мере на одной из ее вертикальных сторон снабжена выступающим внутрь вертикальным фланцем. При сборке углеродистые листы крепят между вертикальными фланцами на соседних секциях посредством болтов и гаек и/или путем приклеивания. Вместо этого каждую секцию корпуса можно изготавливать из сваренных листов, которым придана форма цилиндра, имеющих вертикальные фланцы, приваренные к их внутренней стороне для крепления углеродистых листов.

Углеродистые листы имеют вертикальную протяженность, которая по меньшей мере равна длине каждой секции корпуса. Предпочтительно, углеродистые листы имеют длину, которая превышает длину корпуса на величину до 50 см. При монтаже первой секции корпуса сверху на электрод, углеродистые листы новой секции корпуса будут, следовательно, перекрывать углеродистые листы на секции корпуса, расположенной ниже новой секции корпуса. Когда электродная паста спекается в области между двумя секциями корпуса, достигается вертикальный контакт между углеродистыми листами точно так же, как в случае стальных ребер в обычных самоспекающихся электродах.

В предлагаемом электроде ребра, выполненные из углеродистых листов, будут обладать хорошей электропроводностью, и электрический ток, поданный на электрод, будет подведен в направлении внутрь неспеченной электродной пасты. Это очень важно для обеспечения быстрого спекания электрода, например, после разрушения электрода.

При больших диаметрах электродов ребра необходимы для того, чтобы стабилизировать ток и условия нагрева на боковой поверхности электрода. Помимо увеличения тока и теплопередачи ребра должны выдерживать вес электрода. Металлические ребра в обычных самоспекающихся электродах плавятся и исчезают при температуре, превышающей величину примерно 1000^oC, тогда как ребра из углеродистых листов в предлагаемом электроде будут выполнять функции усиления на всем протяжении вплоть до рабочего конца электрода. Таким образом, предлагаемый электрод можно использовать при получении больших диаметров электродов, чем у электродов, которые сейчас используются в печах для производства кремния.

Используя ребра из углеродистых листов, имеющие соотношение радиальной длины и толщины более 5:1, избегают загрязнения продукта, полученного в печи, железом, содержащимся в ребрах, в то время, как электрод сохраняет по меньшей мере ту же самую механическую прочность, что и электрод, имеющий стальные ребра. Это дает возможность получать электроды, соответствующие настоящему изобретению, имеющие больший диаметр, чем обычные электроды, имеющие стальные ребра. В случае предлагаемого электрода можно использовать обычные устройства удержания и обеспечения скольжения. Таким образом, предлагаемый электрод можно использовать в плавильных печах, в которых сейчас используют самоспекающиеся электроды, имеющие стальные ребра, без дорогостоящих модификаций устройств удержания и обеспечения скольжения электрода.

Корпус предлагаемого электрода можно снабдить множеством внешних вертикальных металлических или ребер из углеродистых листов, за счет чего электрод можно удерживать и можно осуществлять его скольжение с помощью устройств удержания и обеспечения скольжения электрода, раскрытых в патентах Норвегии NN 147168, кл. H 05 B 7/10 от 26.10.81 и 149485, кл. H 05 B 7/10 от 12.10.83. Таким образом избегают воздействия радиальных усилий на электрод, распределяемых по области, где происходит спекание электрода. Далее за счет использования таких устройств удержания и обеспечения скольжения электрода корпус можно выполнить из очень тонких листов металла, тем самым дополнительно снижая загрязнение продуктов, полученных в плавильной печи. В корпусе можно также использовать и другие металлы, такие как алюминий и сплавы алюминия. Кроме того, можно изготавливать электроды, имеющие некруглое поперечное сечение, например, прямоугольное или по существу прямоугольное поперечное сечение.

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает вертикальный разрез самоспекающегося электрода согласно изобретению;
фиг. 2 - горизонтальное сечение по линии 1-1 на фиг. 1;
фиг. 3 - увеличенное изображение области, отмеченной буквой А на фиг. 2, показывающее первый вариант крепления углеродистых листов к корпусу;
фиг. 4 - изображение второго варианта крепления углеродистых листов к корпусу;
фиг. 5 - горизонтальный разрез электрода, имеющего некруглое поперечное сечение и снабженного внешними радиальными ребрами;
фиг. 6 - увеличенное изображение области, отмеченной буквой B на фиг. 5.

На фиг. 1 показан самоспекающийся электрод, который расходуется в плавильной печи (на чертеже не показана), расположенной ниже электрода. Электрод содержит корпус 1, выполненный из электропроводного материала. Корпус 1 посредством подвесной рамы 2 и цилиндров 3 гидравлического регулирования положения электрода подвешен к строительной конструкции 4. Обычные устройства 5 удержания и обеспечения скольжения электрода предназначены для удержания электрода и обеспечения скольжения электрода вниз по мере его расходования в печи. В нижней части электрода расположены контактные щеки 6, которые прижаты к поверхности электрода посредством обычного компрессионного кольца 7. Контактные щеки 6 соединены с электрическими кабелепроводами (на чертеже не показаны) для подачи рабочего электрического тока на электрод. Ввиду наличия тепла, выделяемого в углеродистой электродной пасте, эта паста будет нагреваться в области подачи тока и плавиться с образованием твердого электрода 8. Электродную пасту подают в верхнюю часть корпуса 1 электрода в виде твердых цилиндров 9, под воздействием тепла эта масса будет размягчаться, заполнять все поперечное сечение корпуса 1 электрода и образовывать жидкий слой 10 электродной пасты.

Корпус 1, как показано на фиг. 2, снабжен множеством радиальных твердых вертикальных ребер 11, выполненных из графитовых листов, имеющих отношение радиальной длины к толщине 20:1. Путем использования ребер 11, выполненных из углеродистых листов, избегают загрязнения продукта, полученного в плавильной печи, железом, содержащимся в стальных ребрах. Кроме того, этим путем избегают недостатков, с которыми сталкиваются в случае применения известного самоспекающегося электрода без радиальных внутренних ребер, в котором используются угольные вставки, как указано в патенте Норвегии N 450408. Ребра из углеродистых листов обладают хорошей электропроводностью, обеспечивающей подвод электрического тока, подаваемого через контактные щеки 6, в направлении внутрь электродной пасты 10, и, тем самым, быстрое спекание электрода. Кроме того, можно использовать обычные устройства удержания и обеспечения скольжения электрода без модификаций в случае предлагаемого электрода. За счет этого предлагаемый электрод можно вводить в эксплуатацию простым и экономически эффективным способом.

На фиг. 3 и 4 показаны два варианта крепления углеродистых листов к корпусу электрода.

Согласно первому варианту, показанному на фиг. 3, отдельные секции корпуса 1 электрода снабжены выступающими внутрь вертикальными фланцами 12. Углеродистые листы ребер 11 закреплены между фланцами 12 на соседних секциях посредством болтов 13 и гаек 14. Поэтому ребра 11 прикреплены к корпусу 1 простым способом. Кроме того, на поверхности контакта можно нанести клей.

Согласно второму варианту, показанному на фиг. 4, корпус 1 снабжен выступающими внутрь фланцами 16, число которых равно числу ребер 11, и ребра 11 приклеены к фланцам 16 с помощью подходящего клея. При необходимости соединение можно усилить посредством болтов и гаек.

На фиг. 5 и 6 показан вариант воплощения настоящего изобретения, в котором электрод имеет по существу прямоугольное поперечное сечение. Для таких электродов нельзя использовать обычные устройства удержания и обеспечения скольжения электрода, показанные на фиг. 1. Для удержания электрода и подачи на него электрического тока корпус 1 электрода помимо внутренних радиальных вертикальных ребер 11 оснащен внешними вертикальными радиальными ребрами 17, выполненными из электропроводного материала, такого как сталь, алюминий или уголь. Для подачи рабочего электрического тока на электрод используются устройства 18 для подачи электрического тока, предназначенные для прижатия к внешним ребрам 17 способом, раскрытым в патенте Норвегии N 147168. Для удержания и обеспечения скольжения электрода используют устройства удержания и обеспечения скольжения электрода, раскрытые в патенте Норвегии N 147985. Такие устройства для подачи электрического тока и устройства удержания и обеспечения скольжения не вносят никаких радиальных усилий, воздействующих на корпус 1 электрода, вследствие чего корпус 1 можно выполнять из более тонкого материала, что дополнительно уменьшает загрязнение железом продукта, полученного в плавильной печи. Устройства для подачи электрического тока и устройства удержания и обеспечения скольжения, раскрытые в патентах Норвегии NN 147168 и 147985, также можно использовать для электродов, имеющих другие поперечные сечения, нежели прямоугольное поперечное сечение.

Самоспекающийся электрод, выполненный непосредственно с плавильной печью, в которой он расходуется, содержит корпус, выполненный из электропроводного материала и имеющий внутренние радиальные твердые вертикальные ребра. Углеродистую неспеченную пасту подают в корпус, и она спекается с образованием твердого электрода посредством воздействия электрического тока, поданного на электрод. Внутренние радиальные вертикальные ребра выполнены из твердых углеродистых листов, прикрепленных к внутренней стороне корпуса и имеющих соотношение радиальной длины и толщины более 1 : 5. Техническим результатом является уменьшение содержания железа в самоспекающемся электроде. 10 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Самоспекающийся электрод, выполненный непосредственно с плавильной печью, в которой он расходуется, содержащий корпус, выполненный из электропроводного материала и имеющий внутренние радиальные твердые вертикальные ребра, в котором углеродистая неспеченная паста подается в корпус, где она спекается с образованием твердого электрода с помощью электрического тока, подаваемого на самоспекающийся электрод, отличающийся тем, что внутренние радиальные твердые вертикальные ребра выполнены из углеродистых листов с соотношением радиальной длины и толщины более 5:1. 2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что углеродистые листы выполнены из графита. 3. Электрод по п.1, отличающийся тем, что углеродистые листы выполнены из предварительно спеченного углеродного материала. 4. Электрод по п. 2, отличающийся тем, что углеродистые листы, выполненные из графита, имеют соотношение радиальной длины и толщины более 15:1. 5. Электрод по п. 3, отличающийся тем, что углеродистые листы, выполненные из предварительно спеченного углеродного материала, имеют соотношение радиальной длины и толщины более 8:1. 6. Электрод по любому из пп. 1-5, отличающийся
тем, что углеродистые листы усилены углеродными волокнами или волокнами других материалов, которые на вносят загрязнение в продукт, полученный в плавильной печи. 7. Электрод по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что углеродистые листы прикреплены к корпусу посредством болтов и/или посредством приклеивания. 8. Электрод по п.7, отличающийся тем, что корпус содержит множество секций, причем каждая секция по меньшей мере на одной из ее вертикальных сторон снабжена выступающим внутрь вертикальным фланцем, а углеродистые листы закреплены между вертикальными фланцами на соседних секциях. 9. Электрод по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что углеродистые листы имеют вертикальную протяженность, по меньшей мере равную длине каждой секции корпуса. 10. Электрод по п. 9, отличающийся тем, что углеродистые листы имеют длину, которая превышает длину корпуса на величину до 50 см, за счет чего при монтаже первой секции корпуса сверху самоспекающегося электрода углеродистые листы на новой секции корпуса будут перекрывать углеродистые листы на секции корпуса, расположенной ниже новой секции корпуса. 11. Электрод по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что корпус снабжен внешними вертикальными радиальными ребрами для удержания и обеспечения скольжения самоспекающегося электрода и подачи рабочего электрического тока на самоспекающийся электрод.