Электрод для дуговой электропечи

 

Сущность изобретения: электрод содержит графитовые цилиндрические секции с резьбовым соединением по торцам. Задача изобретения состоит в повышении эксплуатационной надежности резьбового соединения секций. Для этого, во-первых, электрод имеет закрученную при экструдировании структуру материала с наименьшим удельным электросопротивлением вдоль винтовых линий. Во-вторых, направление витков резьбы на торцах секций выполнено противоположным направлению этих линий. Благодаря структуре материала электрод обладает свойствами соленоида, а взаимодействие между параллельными соленоидами в трехфазной печи снижает боковые нагрузки на электроды от электродинамических сил и ослабляет изгибные колебания электродов. Кроме того, на крайние секции будет действовать свинчивающий момент, возникающий за счет взаимодействия магнитного поля у концов соленоида с продольным током в крайних секциях. В целом это повысит эксплуатационную надежность резьбового соединения секций электрода. 4 ил.

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано в трехфазных дуговых электропечах при производстве стали и цветных металлов.

В российской практике потери от поломок электродов достигают 30% их общего расхода [1] Целью изобретения является сокращение потерь от поломок путем повышения эксплуатационной надежности резьбового соединения секций электрода.

Известен электрод для электродуговой печи, содержащий цилиндрические секции, на торцах каждой из которых выполнены центральные резьбовые гнезда, в которые ввинчен ниппель [2] Однако если свинчивающий момент невелик, то при эксплуатации электродов в условиях сильной вибрации возможно саморазвинчивание резьбового соединения секций. Для предупреждения этого необходимо приложить достаточно большой свинчивающий момент. Однако он вызывает дополнительные растягивающие нагрузки в резьбовом соединении секций, что не способствует повышению эксплуатационной надежности этого соединения.

Известен также электродный узел трехфазной дуговой электропечи, содержащий три электрода, вокруг каждого из которых размещены три катушки, соединенные первыми выводами в звезду, а вторыми выводами связанные с датчиками тока фаз [3] Катушки служат для компенсации сил электромагнитного взаимодействия между электродами и уменьшения их вибрации. Однако катушки располагаются над печью и не компенсируют электродинамические силы, действующие на секции, находящиеся в печи. Кроме того, в конструкциях большинства, если не всех, действующих электросталеплавильных печей не предусмотрено наличие указанных катушек и компенсация отсутствует. Поэтому электродинамические силы вызывают изгибные колебания электродов, что приводит к циклическому нагружению резьбовых соединений секций электродов, их возможному саморазвинчиванию и разрушению.

Задача изобретения состоит в повышении эксплуатационной надежности резьбового соединения секций электрода.

Для этого, во-первых, предлагаемый электрод имеет закрученную при экструдировании структуру материала с наименьшим удельным электросопротивлением вдоль винтовых линий. Во-вторых, направление витков резьбы на торцах секций выполнено противоположным направлению этих линий.

Благодаря структуре материала электрод обладает свойствами соленоида. Таким образом, сами электроды играют роль катушек, используемых в [3] для компенсации сил электромагнитного взаимодействия. При прохождении тока по двум электродам в разных направлениях между ними возникают силы отталкивания. При этом два параллельных соленоида будут иметь различную полярность и, следовательно, притягиваться. Аналогичным образом будет происходить компенсация сил электромагнитного взаимодействия и для трех электродов при трехфазном токе. Кроме того, при прохождении тока возникнет взаимное притяжение между торцами секций электрода-соленоида, что уменьшит нагрузки на резьбовые соединения секций.

Следует обратить внимание еще на один существенный эффект. Если направление винтовых линий, вдоль которых удельное электросопротивление минимально, противоположно направлению витков резьбы для соединения секций электрода, то при прохождении тока на крайние секции будет действовать свинчивающий момент, возникающий за счет взаимодействия магнитного поля у концов соленоида с продольным током в крайних секциях. Это повысит эксплуатационную надежность резьбового соединения секций.

На фиг. 1 показано удельное электросопротивление электродного графита вдоль (1) и поперек (2) направления экструдирования в зависимости от температуры; на фиг. 2 изображены два параллельных соленоида различной полярности; на фиг. 3 секции электрода-соленоида; на фиг. 4 магнитное поле и продольный ток в крайней секции.

Возможность осуществления изобретения следует из анализа экспериментальных данных [4] по замеру удельного электросопротивления электродного графита вдоль и поперек направления экструдирования и результатов расчетов с использованием этих данных. Из графиков, приведенных в [4] видно (фиг. 1), что в диапазоне температур от нуля до 2000^oC удельное электросопротивление графита поперек направления экструдирования примерно на 30% больше, чем вдоль. Это объясняется тем, что еще на этапе экструдирования находящиеся в исходной смеси игольчатые частицы кокса выстраиваются вдоль направления течения материала. Следовательно, если при экструдировании расположить игольчатые частицы кокса вдоль винтовых линий, то готовый материал будет иметь минимальное удельное электросопротивление также вдоль винтовых линий. Этого можно достичь, используя матрицы, описанные в [5,6] или другие конструкции матриц с винтовым истечением материала, например с винтовыми ребрами на внутренней поверхности. Оптимальный угол закручивания ϕ предлагается определять из условия максимума отношения окружной составляющей тока в электроде к продольной. При 30% превышении максимума удельного электросопротивления над минимумом указанное условие, оформленное в виде Фортран-программы, дает оптимальный угол закручивания ϕ = 56°.

Расчеты показывают, что при прохождении тока по электроду с закрученной на угол ϕ = 56° структурой материала окружной ток составит примерно одну четверть от продольного. При номинальном токе по электроду 56 кА окружная составляющая будет 14 кА. Эта величина использована в дальнейших расчетах для оценки сил и моментов, действующих на электроды, свинченные из секций диаметром 610 мм и длиной 2100 мм. Такие электроды применяются в современных электросталеплавильных печах. Верхние секции трех электродов закрепляются в электрододержателях на одинаковом расстоянии друг от друга. Диаметр окружности, проходящей через центры электродов, равен 1,4 м, а длина активной части электрода, по которой идет ток, составляет 5 м.

При прохождении тока по двум электродам в разных направлениях между ними возникают силы отталкивания. При этом два параллельных соленоида будут иметь различную полярность и, следовательно, притягиваться своими концами (фиг. 2). При трехфазном токе с частотой 50 Гц силы, действующие на электроды перпендикулярно их осям и достигающие примерно 4 кН, изменяют свою величину и направление с частотой 100 Гц [3,7] вызывая изгибные колебания электродов, а взаимодействие между тремя параллельными соленоидами на несколько процентов уменьшает эти силы. Учитывая опасность изгибных колебаний электродов, следует ожидать, что снижение изгибающих нагрузок на несколько процентов приведет к небольшому, но заметному увеличению эксплуатационной надежности резьбового соединения секций.

Взаимное притяжение между торцами секций электрода-соленоида (фиг. 3) достигает примерно 1% от весовых нагрузок порядка 10 кН на резьбовые соединения секций.

Отметим, наконец, важное значение свинчивающего момента величиной около 100 Н·м, действующего на крайнюю секцию (фиг. 4). Этот момент создают силы Ампера при пересечении силовых линий магнитного поля у конца соленоида с продольным током в крайней секции. Чтобы момент был свинчивающий, направление витков резьбы выполнено противоположным направлению винтовых линий, вдоль которых удельное электросопротивление минимально. Наличие такого момента предотвратит появление зазоров между торцами секций и саморазвинчивание их резьбового соединения в условиях вибрации, что необходимо для обеспечения изгибной жесткости и прочности электрода.

Формула изобретения

Электрод для дуговой электропечи, содержащий графитовые цилиндрические секции с резьбовым соединением по торцам, отличающийся тем, что участки материала, обладающего анизотропией удельного электрического сопротивления, расположены так, что удельное электросопротивление минимально вдоль винтовых линий вокруг оси электрода, а направление витков резьбы на торцах секций выполнено противоположным направлению упомянутых винтовых линий.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4