Способ охлаждения электрода в процессе работы электропечи и электрод для его осуществления

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к процессу производства стали в электрических печах. Способ включает охлаждение электрода путем отвода тепла к веществу, вводимому внутрь электрода и имеющему физические свойства, отличные от свойств материала электрода. Предложено охлаждение осуществлять путем введения внутрь электрода металла, который перемещают вверх со скоростью перемещения вниз электрода печи и предотвращают постоянное проникновение металла в плавку печи, при этом удельное электросопротивление металла на несколько порядков ниже, чем у материала электрода, а температура плавления металла ниже значений температуры внутренней полости ванны печи. Электрод для осуществления способа содержит несколько стержней из графита (угля), соединенных с помощью соединительных элементов в единую колонну, имеющую центральное продольное отверстие на всей своей длине. Предложено в центральное отверстие разместить ось с пробкой на концевой части с возможностью совместного перемещения вдоль колонны, при этом пробка расположена в стержне колонны, располагаемом первым со стороны ванны печи, а ось разделяет центральное отверстие на ряд полостей, соединенных между собой. Технический результат - изобретение позволяет существенно снизить расход электрода на тонну выплавляемой стали и повысить силу тока на тяжеловесных электрических печах. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 10 ил.

Предлагаемое изобретение относится к черной металлургии, в частности к процессу производства стали в электрических печах.

При производстве стали в электропечи используют электроды, через которые подводят основную энергию для осуществления процесса плавки. Основу этой энергии составляет электрический разряд (электрическая дуга) между металлом и электродом в печах постоянного тока или между электродами в печах переменного тока.

Для получения мощного электрического разряда, достаточного для осуществления процесса плавки черных металлов, через электроды пропускают электрический ток силой до 100 кА и выше (до 140 кА) и последнее зависит от параметров печи и диаметра используемых электродов.

Электрический ток указанной силы приводит к выделению в электроде энергии, определяемой из выражения

где I - сила тока,

R - электрическое сопротивление электрода,

τ - время.

В свою очередь электрическое сопротивление электрода равно

где ρ _E - удельное сопротивление материала электрода,

l - длина электрода, по которой проходит ток;

F - поперечное сечение электрода.

Выделяемая в электроде энергия Е приводит к разогреву тела электрода, исходя из формулы

где m - масса электрода;

с - удельная теплоемкость материала электрода;

Δ T - изменение температуры электрода.

Наряду с рассмотренной энергией, приводящей к разогреву электрода, он также нагревается за счет теплопередачи от энергии электрической дуги и за счет тепла излучения от расплавленной ванны печи.

В совокупности отмеченное приводит к повышенному расходу электрода, складывающемуся из четырех компонентов: расход рабочего торца электрода; окисление боковой поверхности; механических поломок; потерь в виде концевых огарков.

При этом уровень силы тока, точнее его плотность, влияет на все четыре составляющие расхода электрода. Поэтому реализуемая в настоящее время эксплуатация печей вместимостью более 120 т с плотностью тока 28-29 А/см² при электродах диаметром 700... 750 мм считается недостаточно эффективной в отношении расхода электродов на тонну производимой стали.

В то же время именно отмеченный уровень плотности тока позволяет создавать и эксплуатировать крупные электропечи, которые начинают широко использоваться в сталеплавильном производстве, т.е. высокий уровень силы тока необходим для дальнейшего прогресса в производстве стали в электропечах.

Из уравнения (1) следует, что, если величину I оставить неизменной, единственной величиной, на которую можно воздействовать для снижения значения Е, остается уменьшение значения R.

Из уравнения (2) видно, что уменьшить значение R можно только изменением величины ρ _Е и F, так как размер l определен параметрами электропечи. При этом значение ρ _Е должно быть уменьшено, а величина F увеличена.

Однако известно, что решение рассматриваемой проблемы простым увеличением диаметра электрода (т.е. повышение F) оказалось безуспешным, так как с ростом диаметра расход электрода увеличивается.

Таким образом, решение проблемы снижения расхода электродов, обусловленного необходимостью использовать в электропечах повышенные силы тока, необходимо искать в охлаждении электродов за счет снижения ρ _Е, т.е. за счет уменьшения разогрева электрода при прохождении через него мощного электрического тока.

Известен способ охлаждения электрода путем подачи жидкого охладителя (воды) на наружную поверхность электрода [см., например, "SGL CARBONʹ s response to the DC furnace challeng", 09.97/1 3 № Printed in Germany, p.14-15).

Основной недостаток известного способа состоит в том, что решается только задача охлаждения электрода вне рабочей зоны электропечи.

Известен способ эксплуатации графитированных электродов, в которых в центральное продольное отверстие в ниппеле электродной колонны подают смолу в жидком состоянии. Эта смола заполняет имеющиеся полости и зазоры в сочленении стержней и ниппеля электрода, выполненного с помощью ниппеля с резьбой [см., например, патент ФРГ №2203226, Н 05 в, 7-14, октябрь 1975]. При работе электропечи указанная смола коксуется и сочленяет стержни электрода и ниппель в единое целое, тем самым снижает электрическое сопротивление в этом сочленении.

Основной недостаток известного способа состоит в низкой его эффективности из-за того, что образующийся из смолы коксующийся материал и материалы стержней и ниппеля электрода имеют практически одинаковые физические свойства: одинаковые параметры удельного электрического сопротивления ρ _E. Следовательно, при реализации этого известного способа имеет место незначительное (не решающее кардинально проблему) снижение Е [формула (1)], а следовательно, Δ T согласно формуле (3).

Известен способ охлаждения электрода в процессе работы электропечи, включающий охлаждение электрода путем отвода тепла к веществу, вводимому внутрь электрода и имеющему физические свойства, отличные от свойств материала электрода [см., например, патент США №4853942, 373/93, от 05.08.87]. При этом через полости внутри стержней электрода прокачивается жидкость, в частности вода, которая отводит тепло, полученное телом электрода в процессе работы печи.

По совокупности существенных признаков этот известный способ охлаждения электрода в процессе работы электропечи наиболее близок предлагаемому, поэтому принят за прототип.

Существенным недостатком известного способа является низкая его эффективность в решении поставленной задачи: при возникающих в электроде в процессе работы электропечи максимальных температурах на уровне 2000... 2400° С и минимальных на уровне 560... 680° С (см. источник [1], p.21) прокачка охладителя (в частности, воды) в жидком состоянии технически трудноосуществима либо требует такого количества полостей в теле стержней электрода, которое уменьшает (а не увеличивает, как требуется) величину поперечного сечения электрода F, к тому же снижает его прочностные свойства.

Предлагаемый способ охлаждения электрода в процессе работы электропечи свободен от указанных недостатков. В нем предусмотрено многократное снижение значения удельного сопротивления ρ _E электрода при протекании по нему электрического тока, тем самым существенно уменьшена величина энергии Е, выделяющейся из-за прохождения электрического тока по электроду. Кроме того, предусмотрен отвод тепла изнутри электрода, что дополнительно уменьшает уровень температур, до которых разогревается электрод в процессе работы электропечи. В совокупности отмеченное снижает по меньшей мере три указанных компонента расхода электрода: окисление боковой поверхности; механические поломки; потери в виде концевых огарков.

Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что в способе охлаждения электрода в процессе работы электропечи, включающем охлаждение электрода путем отвода тепла к веществу, вводимому внутрь электрода и имеющему физические свойства, отличные от свойств материала электрода, согласно предложению осуществляют охлаждение путем введения внутрь электрода металла, который перемещают вверх со скоростью перемещения вниз электрода печи и предотвращают постоянное проникновение металла в плавку печи, при этом удельное электросопротивление металла на несколько порядков ниже, чем у материала электрода, а температура плавления металла ниже значений температуры внутренней полости ванны печи. Кроме того, осуществляют по мере работы печи добавление металла внутрь электрода. Помимо этого, осуществляют отток жидкого металла из электрода. К тому же, поддерживают в начале эксплуатации электрода уровень металла внутри электрода на уровне по меньшей мере выше верхнего уровня элемента электрода, соединяющего его стержни в колонну и расположенного первым со стороны ванны печи. Также поднимают перед длительной остановкой печи нижний уровень металла внутри электрода выше нижнего уровня элемента электрода, соединяющего стержни в колонну и расположенного на момент остановки печи первым со стороны ее ванны. Причем вводят внутрь электрода алюминий. Также вводят внутрь электрода медь.

Известен электрод, содержащий несколько стержней графита (угля), соединенных в единую колонну с помощью соединительных элементов (ниппелей), имеющих центральное отверстие, в которое помещено вещество, физические свойства которого отличаются от свойств материала стержней электрода и соединительных элементов [см., например, патент ФРГ №2203226, Н 05 в, 7-14, октябрь 1975].

Недостатком известного электрода является практически одинаковое в сравнении с материалом стержней и соединительного элемента удельное электрическое сопротивление помещенного в соединительные элементы вещества. Отмеченное свойство этого вещества (смолы, коксующейся при температурах работы электрода) не позволяет снизить температуру разогрева электродов, тем самым уменьшить расход электрода на тонну выплавляемой стали.

Известен электрод, содержащий несколько стержней графита (угля), соединенных в единую колонну с помощью соединительных элементов, имеющую центральное продольное отверстие на всей длине колонны [см., например, Schwabe W.E. "Experimental results with hollow elektrodes in Electric Steel Furnaces". Iron and Steel Engineer. June, 1957. V.34. P.84-92].

По совокупности существенных признаков этот известный электрод наиболее близок предлагаемому электроду, поэтому принят за прототип.

Существенным недостатком известного электрода является, как следует из материалов исследований, повышенный износ электрода в процессе работы печи, обусловленный возрастающей при использовании этого электрода плотностью тока и дополнительным износом со стороны рабочего торца электрода.

Предлагаемый электрод свободен от указанных недостатков. В его конструкции, во-первых, возможна реализация существенного снижения сопротивления электрода протеканию электрического тока, во-вторых, уменьшен отмеченный дополнительный износ со стороны рабочего торца электрода, в-третьих, снижен общий уровень температур разогрева электрода в процессе его работы, а следовательно, уменьшены другие отмеченные три составляющие повышенного расхода электрода.

Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что в электроде, содержащем несколько стержней из графита (угля), соединенных с помощью соединительных элементов в единую колонну, имеющую центральное продольное отверстие на всей своей длине, согласно предложению в центральном отверстии размещена ось с пробкой на концевой части с возможностью совместного перемещения вдоль колонны, при этом пробка расположена в стержне колонны, распологаемом первым со стороны ванны печи, а ось разделяет центральное отверстие на ряд полостей, соединенных между собой. Кроме того, ось имеет опоры, по наружной части которых выполнены сквозные полости. Помимо этого, ось имеет опору, разделяющую центральное отверстие на две полости, соединенные между собой в районе перехода оси в пробку. К тому же, пробка выполнена сменной.

Способ охлаждения электрода в процессе работы электропечи и электрод для его осуществления позволяют снизить общий уровень температур, до которых разогревается электрод в процессе работы печи. Это снижение уровня температур обеспечено прежде всего за счет уменьшения сопротивления электрода протеканию электрического тока. Дополнительно снижение температуры электрода обеспечено за счет отвода тепла к металлу, вводимому внутрь электрода и имеющему существенно отличные от материала электрода физические свойства. Этот эффект еще больше усиливают благодаря обеспечению оттока жидкого металла из электрода. В конечном итоге снижение разогрева электрода позволяет уменьшить расход электрода на тонну выплавляемой в электропечи стали, тем самым улучшить технико-экономические показатели работы электропечи.

Способ охлаждения электрода в процессе работы электропечи и электрод для его осуществления поясняются чертежами на примере работы электропечи постоянного тока.

На фиг.1 показано применение способа па примере электропечи постоянного тока; на фиг.2 и 3 - варианты конструктивного исполнения электрода для осуществления способа; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.2; на фиг.6 - разрез С-С на фиг.3; на фиг.7 - разрез Д-Д на фиг.3; на фиг.8 - место I на фиг.2 в укрупненном масштабе; на фиг.9 - специфика протекания электрического тока по электроду при реализации способа и электрода для его осуществления; на фиг.10 - специфика протекания электрического тока в известном электроде.

В электропечи 1 (фиг.1) установлен составной электрод 2 и подовый электрод 3, между которыми возникает дуга 4. Энергию этой дуги используют для ведения процесса плавки 5 печи. Электрод 2 установлен с возможностью перемещения вниз со скоростью V_э в процессе работы электропечи; это перемещение фиксирует датчик 6, сигнал от которого поступает в систему управления 7. К электроду подводится электрический ток через клеммы 8. В электроде имеется сквозное центральное продольное отверстие 9, в котором размещена ось 10 с пробкой 11 на конце. В центральное продольное отверстие введен металл 12. Ось 10 с пробкой 11 являются составными частями электрода 2 и установлены с возможностью перемещения относительно тела электрода, при этом в процессе работы электропечи реализуется перемещение вверх со скоростью V_о, равной по величине V_э. Это перемещение оси 10 контролирует датчик 13, сигнал от которого передается в систему управления 7. Естественно, при монтаже и формировании электродной колонны части электрода и его ось 10 с пробкой 11 имеют возможность раздельного перемещения. Электропечь снабжена механизмами 14 подачи (ввода) металла в центральное продольное отверстие 9 электрода 2 и оттока жидкого металла из электрода (эти механизмы здесь не рассматриваются, т.к. не определяют сущность реализации предлагаемого способа). Электропечь снабжена механизмом 15 перехвата оси 10. Электрод (фиг.2-8) состоит из стержней 16, соединяемых ниппелем 17 (например, резьбовое соединение) в электродную колонну. Ось 10 выполнена составной (способ ее соединения здесь не рассматривается, так как не определяет сущность реализации предлагаемого способа). Ось 10 имеет ряд опор 18 (фиг.2 и 4), которые разделяют центральное отверстие 9 на ряд полостей, соединенных между собой благодаря наличию сквозных полостей 19 на наружной части этих опор. Ось может быть выполнена с одной опорой 20 (фиг.3 и 6), разделяющей центральное отверстие на две полости 21, соединенные между собой в районе перехода оси 9 в пробку 11 (фиг.3 и 7). В обоих случаях исполнения электрода (фиг.2 и 3) ось 10 и опоры 18 (фиг.2 и 4) или опора 20 (фиг.3 и 6) составляют единое целое с осью, т.е. изготовлены как единое целое либо жестко соединены с осью (последнее предпочтительнее). Пробка 11 является сменной (фиг.8) и закреплена на оси 10, например, с помощью резьбового соединения. Ось 10, ее опоры (18 или 20) и пробка 11 выполнены из материалов, аналогичных материалам, примененным при выполнении стержней 16 и ниппелей 17 (например, специально обработанных графита или угля).

На фиг.9 показан характер протекания электрического тока в предлагаемых способе и электроде, на фиг.10 - то же в случае использования электрода известной конструкции. На фиг.10 отмечен уровень температур в ° С, до которых может разогреваться электрод известной конструкции в процессе работы электропечи, а также пунктиром указана область максимальных тангенциальных напряжений, возникающих в электроде и обусловленных действием отмеченных температур. При назначении наружного диаметра стержней 16 электрода, диаметра центрального отверстия 9 в колонне электрода, диаметра оси 10 и площади сквозных полостей 19 и их числа в опорах 18 оси 10 (также площади полостей 21 при использовании оси 10 с опорой 20) исходят из соотношения удельного электрического сопротивления материала стержней 16 (и ниппелей 17) и металла 12, введенного внутрь электродной колонны. При назначении числа опор 18 на фиг.2 исходят из необходимости устойчивого перемещения оси 10 в отверстии 9, а также из условия возможности упругого изгиба оси 10 на участках между опорами и между опорой и пробкой 11, возникающего из-за возможного (незначительного) несоответствия диаметров отверстий 9 в соединяемых стержнях 16 и ниппелях 17. Пробка 11 и опоры 18 по этой же причине выполнены с переходными фасками между торцом и цилиндрической частью этих деталей электродной колонны. Металл 12, вводимый в центральное отверстие 9 электрода, является веществом, физические свойства которого существенно отличаются от свойств материала, из которых изготовлены стержни 16 и ниппели 17. К этим свойствам, прежде всего, относятся удельное электрическое сопротивление и температура плавления.

Способ охлаждения электрода в процессе работы электропечи осуществляют следующим образом.

В электропечи 1 осуществляют выплавку стали путем подвода к плавке 5 печи энергии за счет электрической дуги 4 между электродом 2 и подовым электродом 3 (фиг.1), для чего к электроду 2 через клеммы 8 и к подовому электроду 3 подводят электрический ток. В процессе работы печи (осуществления плавки) имеет место расход рабочего торца электрода 2, поэтому для поддержания устойчивой дуги 4 электрод 2 перемещают вниз со скоростью V_э, величину перемещения фиксируют датчиком 6 и перемещением управляют с помощью устройства 7.

Перед началом работы электропечи внутрь электрода, сверху (14 на фиг.1 и 2), в зазор между осью 10 и внутренней поверхностью центрального продольного отверстия 9, вводят металл 12 в форме гранул, шариков или другого вида, это не имеет принципиального значения (желательно, чтобы при заполнении электрода металл не застревал в сквозных полостях опор и достиг пробки 11, поэтому не исключается заполнение электрода 2 металлом 12 в жидком состоянии).

В качестве металла 12 используют, например, алюминий или медь.

Алюминий и медь имеют удельное электросопротивление на несколько порядков ниже, чем материал электрода. Например, для алюминия ρ _Е=2,7· 10^-2 Ом· мкм, для меди ρ _Е=1,7· 10^-2 Ом· мкм, в то время как для графита ρ_Е≅ 5,0 Ом· мкм.

Алюминий и медь имеют температуру плавления существенно ниже температур, возникающих во внутренней полости ванны печи (порядка 1650... 1700° С), и еще в большей мере ниже температуры, выдерживаемой материалом стержней 16 и ниппелей 17 (например, температура плавления графита составляет 3850± 50° С). Известно, что температура плавления алюминия равна около 660° С, а температура плавления меди составляет около 1084° С. При этом переход алюминия из твердого в жидкое состояние (скрытая теплота плавления) требует 94,5 ккал/кг, меди - 49 ккал/кг.

Алюминий и медь имеют температуру кипения, близкую или ниже максимальных температур, возникающих в электроде в процессе работы электропечи (фиг.10). Например, для алюминия температура кипения равна 2327° С, для меди - 2540° С. При этом переход алюминия из жидкого в газообразное состояние (скрытая теплота парообразования) требует тепла в 27,5 раз больше, чем при плавлении, меди - в 23,5 раза.

Применение в качестве металла 12 алюминия или меди определяется химическим составом плавки 5 печи. Для марок сталей, содержащих медь (а таких меньшинство), предпочтение отдают применению меди. Для марок сталей, содержащих и не содержащих алюминий предпочтение отдают применению алюминия. Предлагаемым способом охлаждения электрода 2 не исключают применения в качестве металла 12 сплавов алюминия или меди, однако последнее определяется влиянием добавок в эти металлы на их удельное электросопротивление. Если указанные добавки несущественно влияют на удельную электропроводность металла 12 и добавляемые элементы присутствуют в химическом составе плавки 5, при реализации предлагаемого способа возможно применение таких сплавов.

Введение в электрод металла 12 с рассмотренными физическими свойствами меняет характер протекания электрического тока по электроду 2 при работе электропечи, что составляет основную сущность предлагаемого способа охлаждения электрода 2 в процессе работы электропечи 1.

В случае применения электрода 2 в его известном исполнении электрический ток течет по электроду 2 примерно так, как показано на фиг.10, т.е. встречая существенное сопротивление в местах стыка стержней 16 и в местах стыка по резьбе стержней 16 и ниппелей 17. Отмеченный характер протекания электрического тока по электроду в этом случае в совокупности с высоким удельным электросопротивлением материала электрода и ниппеля приводят к выделению в электроде значительного количества энергии, величина которой может быть определена из уравнения

где ρ _Е1 - удельное электросопротивление материалов стержня 16, ниппеля 17 и их сочленений;

l - рассматриваемая длина электрода;

τ - время;

F₁ - площадь поперечного сечения электрода 2 в этом случае, равна

где D₁₆ - наружный диаметр стержня 16 (наличием внутреннего отверстия 9 в известном электроде пренебрегаем, т.к. его влияние на Е₁ незначительно).

Выделяющаяся в электроде 2 энергия Е₁ приводит к разогреву стержней 16 и ниппелей 17.

Заметим при этом, что отмеченный на фиг.10 характер прохождения электрического тока через составной электрод 2 приводит к выделению основного количества тепла внутри электрода, к разогреву внутренней его части и формированию в поверхностных слоях электрода значительных тангенциальных напряжений растяжения (см. пунктир на фиг.10, очерчивающий область наибольших тангенциальных напряжений. Данные об уровне температур и тепловых напряжений в составном электроде на фиг.10 приведены для электрода диаметром 700 мм при прохождении по нему электрического тока 110 кА и взяты из работы W. Frohs "Optimization of graphite electrode columns for electric arc furnaces". MPT International, №2, апрель 1999).

В случае применения электрода 2 согласно нашему предложению (фиг.2 или 3) электрический ток течет по электроду примерно так, как показано на фиг.9: электрический ток течет в основном по металлу 12, встречая на пути минимальное сопротивление. В результате в электроде 2 выделяется энергия, равная

где ρ _Е2 - удельное электросопротивление металла 12, размещенного в электроде;

F₂ - площадь поперечного сечения металла 12, равная

где d₉ - внутренний диаметр центрального отверстия 9 в стержне;

d₁₀ - наружный диаметр оси 10 составного электрода на фиг.2.

Отношение определяет, во сколько раз в случае применения предложенного электрода и реализации предложенного способа в электроде выделяется меньше энергии, приводящей к его разогреву. Согласно уравнениям (4-6) имеем

где n - число, отражающее, во сколько раз снизится выделение энергии в электроде 2 в предложенном способе охлаждения в сравнении с применением электрода известной конструкции.

С использованием уравнения (3) можно получить следующую зависимость:

где γ - плотность материалов;

с - удельная теплоемкость материалов;

Т₁₆ - температура, до которой нагревается стержень 16 (и ниппель 17) в электроде известной конструкции;

цифры 12 и 16 - соответственно металл 12 и материал стержня 16.

Из уравнения (8) имеем

где К - число, отражающее, во сколько раз в сравнении с известным электродом применение предложенного способа охлаждения и электрода для его осуществления позволяет снизить температуру разогрева стержня электрода из-за прохождения по нему электрического тока (считаем, что температуры металла 12, стержней 16 и ниппелей 17 в предложенном электроде по мере работы печи выравниваются благодаря теплоотдаче между ними).

Из уравнения (8) следует, что при выбранном металле 12 в предложенном способе охлаждения электрода температура нагрева металла 12 (а следовательно, и стержня 16) в электроде 2 из-за прохождения по нему электрического тока может корректироваться путем назначения соотношения диаметров стержня электрода D₁₆, внутреннего диаметра отверстия в нем d₉ и наружного диаметра оси d₁₀ [второй член уравнения (8)].

В предложенных конструкциях электрода (фиг.2 и 3 и разрезы к ним) полученные из уравнения (8) соотношения D₁₆, d₉ и d₁₀ уточняются с учетом реальных площадей сквозных полостей в опорах оси 10 (т.е. 19 на фиг.2 и 21 на фиг.3), исходя из выражений:

В предложенном электроде (фиг.2 и 3) пробку 11 выполняют из материала, аналогичного материалу стержней 16 и ниппелей 17, так как в процессе работы электропечи пробка 11 оказывается в зоне действия дуги 4 и, следовательно, должна иметь те же свойства, что стержень 16 и ниппель 17 электрода.

Перед началом работы электропечи пробку 11 устанавливают несколько утопленной относительно концевой рабочей поверхности колонны электрода (величина h на фиг.1). Величину h определяют экспериментальным путем и ее необходимость обусловлена двумя целями:

- во-первых, уменьшить повышенный износ стержня электрода из-за наличия центрального отверстия (это явление известно из отмеченной работы W.E. Schwabe);

- во-вторых, максимально уменьшить износ самой пробки из-за отмеченной первой причины.

В процессе работы электропечи 1 (фиг.1) величину h утопления пробки 11 относительно концевой рабочей поверхности колонны электрода поддерживают примерно постоянной путем перемещения оси 10 вверх со скоростью V_o, равной скорости опускания вниз V_э колонны электрода 2. Управление этим перемещением оси 10 осуществляют с помощью датчика 13 и системы 7, при этом учитывают отмеченный износ нижней поверхности пробки.

Отмеченный износ пробки 11 и технология изготовления всех элементов электрода делают необходимым выполнение пробки 11 сменной. Поэтому пробку 11 соединяют с осью 10, например, по резьбе (фиг.8). При этом, чем меньше размер пробки по высоте, тем в лучшей степени реализуется предложенный способ охлаждения электрода. Однако реальные условия эксплуатации электропечи (снижение числа замен пробок) требуют увеличения высоты пробки 11, что снижает эффективность охлаждения нижней части электродной колонны. Предпочтительной высотой пробки 11 следует считать ее высоту, равную высоте ниппеля 17, т.к. в этом случае максимально устраняется характер течения электрического тока по ниппелю по типу, показанному на фиг.10, т.е. предотвращается чрезмерный разогрев ниппеля 17 из-за проходящего через него электрического тока, когда ниппель становится (приближается к) концевой частью колонны электрода и на его поверхности формируется дуга 4.

В конечном итоге, высота пробки 11 устанавливается практикой реализации предложенного способа охлаждения электрода, так как зависит от всего комплекса мероприятий, реализуемых на электропечи в процессе ее эксплуатации.

В процессе работы электропечи 1 (фиг.1) и предложенного применения электрода (фиг.2 и 3) допускают возможность незначительного попадания металла 12 в ванну 5 печи. Однако возможность постоянного проникновения металла 12 в ванну 5 печи предотвращают тщательной подгонкой пробки 11 к центральному отверстию 9 колонны электрода.

В процессе работы электропечи и реализации настоящего способа допускают возможность аварийного попадания металла 12 в плавку печи. В основном такое попадание металла 12 в плавку 5 не опасно для плавки, так как вводит в ее состав порядка 0,05% металла 12. Для еще большей безопасности и сохранения плавки обеспечивают (если это возможно) применение металла 12, который присутствует в химическом составе плавки 5.

В процессе работы электропечи имеют место потери металла 12, в том числе из-за частичного проникновения в зазоры между пробкой 9 и центральным отверстием 10, а также в момент прохождения нижней частью пробки 11 нижнего уровня стыка стержня 16 и ниппеля 17. Поэтому осуществляют добавление (14 на фиг.1) металла 12 внутрь электрода через верх центрального отверстия 10. Добавление осуществляют, в том числе, путем подачи металла 12 в жидком состоянии.

В начале работы электрической печи возможно, что уровень металла 12 в электродной колонне окажется ниже верхнего уровня ниппеля 17, соединяющего стержни 16 электрода в колонну и расположенного первым со стороны ванны печи 1. Это нежелательно, т.к. приводит к протеканию электрического тока на участке стыка ниппеля 17 и стержня 16 по характеру, показанному на фиг.10 с интенсивным выделением энергии. Чтобы избежать указанного негативного явления верхний уровень металла 12 внутри электрода поддерживают на уровне по меньшей мере выше верхнего уровня ниппеля 17, соединяющего стержни 16 в колонну и расположенного первым со стороны ванны печи. По большей мере верхний уровень металла 12 в колонне электрода может быть выше верхнего уровня ниппеля 17, первым расположенного со стороны клеммы 8 подвода электрического тока к электроду 2.

В случае наращивания колонны электрода снизу, т.е. из ванны печи, перед остановкой печи для выполнения этой операции поднимают нижний уровень металла 12 внутри электродной колонны выше нижнего уровня ниппеля 17, на который наращивается стержень 16. Тем самым освобождают нижний уровень ниппеля 17 от затвердевшего металла, чем облегчают навинчивание очередного стержня 16.

В случае наращивания электродной колонны сверху, чаще применяемого в практике работы электропечей, используют перехваты 15, применение которых позволяет устранить помехи, которые оказывает ось 10 отмеченному наращиванию. Естественно, перед началом такого наращивания электродной дуги ось 10 выдвигается из электрода на величину, превышающую длину нового наращиваемого стержня электрода.

Возвращаясь к решаемой в настоящем способе проблеме охлаждения электрода в процессе работы электропечи, рассмотрим другие особенности работы электродной колонны, которые необходимо учитывать:

1. Наряду с теплом, выделяемым в электродной колонне из-за прохождения по ней электрического тока, в электрод постоянно поступает тепло из окружающей его внутренней полости ванны печи: излучением от стен и свода печи и от плавки 5 печи, а также конвекцией от окружающего пространства ванны печи (к указанному теплу может добавиться излучение от горящих факелов, в той или иной мере применяемых в современных электропечах).

В любом случае эти виды тепла поступают в электродную колонну снаружи, равномерно нагревая электрод. В целом это тепло не приводит к появлению в поверхностных слоях стержней электрода растягивающих тангенциальных напряжений и, таким образом, относительно безопасно для его работоспособности.

В предлагаемых способе охлаждения и электроде для его осуществления предусмотрено два технических решения задачи отвода дополнительного тепла, поступающего в электродную колонну:

Во-первых, уже отмеченным выбором соотношений диаметральных размеров электрода в формуле (8)] обеспечивают значение температуры металла Т₁₂ на уровне, примерно равном температуре внутренней полости ванны печи. Благодаря тому что температура плавления металла 12 ниже температуры внутренней полости ванны печи, металл 12 плавится и в этом состоянии способствует лучшему прохождению электрического тока по электроду.

Обеспечение температуры разогрева металла 12 на уровне температуры внутренней полости ванны печи максимально снижает поступление тепла из внутренней полости ванны печи в электрод. Некоторая невязка между температурой Т₁₂ и температурой внутренней полости ванны печи компенсируется изменением температуры металла 12 вплоть до теплового равновесия между электродной колонной и внутренней полостью ванны печи.

Во-вторых, в печи применяют электрод, изображенный на фиг.3, 6 и 7, т.е. с осью 10 и опорой 20, разделяющей пространство, образуемое центральным продольным отверстием 9, на две части 21, кроме участка в районе перехода оси 10 в пробку 11, где полости 21 соединены между собой (фиг.3, 6 и 7). При этом в одну из полостей 21 постоянно подают металл 12 (в твердом или жидком состояниях), а из другой полости 21 осуществляют отток металла 12 из электрода (см. стрелки 14 на фиг.1), т.е. обеспечивают циркуляцию металла 12 внутри электрода 2. При этом реализуют низкую скорость циркуляции металла 12 внутри электрода 2. В качестве критерия при назначении этой скорости принимают, например, обеспечение температуры металла 12 на выходе из электрода на уровне значений температур наружной его поверхности в рабочей зоне печи, т.е. на уровне температуры внутренней полости ванны печи.

Естественно, сосуды, из которых металл 12 подают внутрь электрода 2 и осуществляют отток жидкого металла из электрода 2, электроизолированы.

2. Наряду с теплом, выделяемым в электродной колонне из-за прохождения по ней электрического тока, и теплом, поступающим в электрод из окружающей его внутренней полости ванны печи, в концевую часть электрода поступает тепло от дуги 4. Известно, что в процессе работы электропечи уровень температур, возникающих в районе дуги 4, достигает 3000° С. Этот уровень температур и теплопередача в теле концевой части электродной колонны приводят к разогреву этой части электрода до температур, сопоставимых с температурой кипения металла 12, расположенного внутри электрода 2. Поступающее в концевую часть электрода тепло от дуги 4 в предлагаемом способе охлаждения электрода отводят от его концевой части, во-первых, за счет тепла, необходимого на разогрев металла 12 вплоть до температуры его кипения и реализации кипения металла 12, во-вторых, за счет организации уже рассмотренной циркуляции металла 12 в электроде 2. К реализации кипения металла 12 прибегают в редких случаях, когда другие рассмотренные приемы отвода тепла от электрода оказываются недостаточными.

Во всех случаях реализации предлагаемого способа охлаждения электрода не исключается, а предполагается использование известного положительного опыта по охлаждению водой части электрода вне ванны печи, особенно вблизи подвода электрического тока к электродной колонне, чтобы предотвратить чрезмерный нагрев клемм 8 (фиг.1).

Пример 1. В 120-тонной электропечи 1 постоянного тока выплавляют сталь 15Х6СЮ, при этом используют графитизированный электрод 2 диаметром D₁₆=700 мм. В процессе работы электропечи по нему пропускают электрический ток силой 110 кА. Электрод 2 представляет собой электродную колонну, полученную соединением стержней 16 с помощью ниппелей 17 с резьбой. При указанных условиях и применении электродной колонны известной конструкции при прохождении по ней указанного тока основная ее часть, находящаяся внутри печи, нагревалась бы до температуры Т₁₆=2300... 2500° С.

Применяют электрод, изображенный на фиг.2. При этом материал графитизированных стержней 16 и ниппеля 17 примерно одинаковый и имеет плотность γ ₁₆=1,7 г/см ³, удельную теплоемкость удельное электросопротивление вдоль электрода ρ _Е1=4,9 мкОм· м, возрастающее по мере повышения температуры до 15,0 мкОм· м при температуре 2400° С. Внутрь электрода вводят алюминий (металл 12), имеющий плотность γ ₁₂=2,39 г/см³, удельную теплоемкость удельное электросопротивление ρ _Е2=2,65· 10^-2 мкОм· м, возрастающее по мере повышения температуры и перехода алюминия в жидкое состояние до 35· 10^-2 мкОм· м при температуре 1700° С и температуру плавления 660° С, которая в несколько раз ниже температуры внутренней полости ванны печи, равной 1700° С.

Учитываем, что при протекании электрического тока в электроде известной конструкции по схеме фиг.10 сопротивление протеканию тока в местах сочленения стержней с ниппелем многократно и неуправляемо возрастает. Последнее особенно проявляется при температурах 2300... 2500° С. Принимаем, что сопротивление возрастает в 3 раза.

Согласно уравнению (7) в процессе работы электропечи в электроде в сравнении с известным электродом выделится меньше энергии в следующее количество раз:

В результате вместо отмеченного разогрева основного тела электродной колонны из-за прохождения по ней электрического тока силой 110 кА до среднего уровня Т₁₆=2400° С согласно уравнению (8) алюминий разогреется до температуры

Ставим целью обеспечить температуру Т₁₂, до которой разогревается алюминий из-за прохождения по нему электрического тока, близкой температуре внутренней полости ванны печи, т.е. до Т₁₂=1700^оС. Тогда для обеспечения этого условия соотношение диаметральных размеров электрода должно быть

При диаметре электрода D₁₆=700 мм и диаметре оси d₁₀=100 мм диаметр центрального отверстия в электродной колонне должен быть

d₉=250 мм.

Полученное значение d₉ при принятой величине диаметра оси d₁₀=100 мм увеличиваем до выполнения условия формулы (10).

В конечном итоге благодаря уменьшению количества энергии, выделяющейся в электроде при прохождении электрического тока, снижают температуру разогрева электрода (т.е. охлаждают электрод) при прохождении по нему тока в к≅ 1,4 раза. Учитывая неопределенность возрастания сопротивления протеканию электрического тока в местах сочленения стержней с ниппелем, допускают возможность протекания части тока по графитовым стержням. В итоге, так как температура разогрева алюминия близка к температуре внутренней полости ванны печи, существенно уменьшают разогрев электрода снаружи от элементов ванны печи.

Пример 2. При параметрах печи согласно примеру 1 в печи выплавляют сталь 06Х23Н28M3Д3Т (ЭИ943), содержащую 2,5... 3,5% Сu. Используют графитизированный электрод 2 диаметром ₁₆=750 мм, через который пропускают электрический ток силой 110 кА. Электрод 2 выполнен в виде колонны, полученной соединением стержней 16 с помощью ниппелей 17 с резьбой. При указанных условиях и применении известного электрода согласно фиг.10 при пропускании по нему тока основная его часть, находящаяся внутри печи, нагревалась бы до температуры T₁₆=2100... 2300° С.

Применяют предложенный электрод с центральным отверстием и размещенной в нем осью с пробкой согласно фиг.3. Свойства материала электрода аналогичны изложенным в примере 1. Внутрь электрода введена медь (металл 12), имеющая плотность γ ₁₂=8,9 г/см³, удельную теплоемкость, удельное электросопротивление ρ _Е2=1,7· 10^-2 мкОм· м, возрастающее по мере повышения температуры и перехода меди в жидкое состояние до 25· 10^-2 мкОм· м, и температуру плавления 1084° С, что примерно в 1,57 раза ниже температуры внутренней полости ванны печи. Принимаем условие, что медь внутри электрода разогревается из-за прохождения электрического тока до температуры 1700° С, равной температуре внутренней полости ванны печи.

Согласно уравнению (7) в процессе работы электропечи в электроде в сравнении с известным электродом выделяется меньше энергии в следующее количество раз:

В результате вместо отмеченного разогрева основного тела электродной колонны из-за прохождения по ней электрического тока силой 110 кА до среднего уровня 2200° С согласно уравнению (8) медь разогревается до температуры

Тогда для обеспечения этого условия соотношения диаметральных размеров электрода должно быть

При диаметре электрода D₁₆=750 мм и диаметре d₁₀=100 мм диаметр центрального отверстия в электродной колонне должен быть

d₉≅ 240 мм.

Полученное значение d₉ при принятой величине диаметра оси d₁₀=100 мм увеличиваем до выполнения условия формулы (10).

В конечном итоге благодаря уменьшению количества энергии, выделяющейся в электроде при прохождении электрического тока, снижают температуру разогрева электрода (т.е. охлаждают электрод) из-за прохождения по нему тока в к≅ 1,3 раза.

Дополнительное охлаждение электрода осуществляют путем постоянной подачи меди внутрь электрода через полость 21 и оттока жидкой меди из электрода через полость 21 на фиг.3, т.е. за счет циркуляции меди внутри электрода. Тем самым корректируют возможную неопределенность изменения сопротивления протеканию электрического тока в местах сочленения стержней с ниппелем.

Пример 3. При параметрах печи согласно примеру 1, наружному диаметру графитизированного электрода 2 согласно этому примеру и силе применяемого электрического тока 110 кА в печи выплавляют конструкционную сталь 08Ю, в химическом составе которой допускается содержание алюминия 0,02... 0,08%, т.е. при плавке 120 т не более 96 кг алюминия. Электрод 2 выполнен в виде колонны на фиг.2, полученной соединением стержней 16 с помощью ниппелей 17с резьбой. В процессе их соединения между дном ниппельного гнезда в стержне 16 и нижней стороной ниппеля 17 образуется зазор около 20 мм. Большой диаметр ниппеля равен 450 мм, конусность ниппеля 1:6, таким образом, между ниппелем и дном гнезда имеет место полость объемом примерно 2500 см³, которая в процессе работы электропечи заполняется металлом 12. В качестве металла 12 применяют алюминий с физическими свойствами, приведенными в примере 1.

В конечном результате получают технический эффект в виде снижения температуры электрода из-за прохождения по нему тока, указанный в примере 1.

Однако во время перемещения оси 9 с пробкой 11 вверх по электроду 2 указанная полость 2500 см³ может соединиться с ванной печи и заполнивший ее алюминий в количестве 6,75 кг может частично попасть в плавку 5 печи, т.к. на участке между электродом и ванной печи часть алюминия испарится. Указанное, во-первых, учитывают при формировании химического состава плавки, во-вторых, добавляют (14 на фиг.1) алюминий внутрь электрода.

В совокупности, реализацией предлагаемого способа охлаждения электрода в процессе работы электропечи и электрода для его осуществления многократно снижают сопротивление стержней электрода и ниппелей прохождению электрического тока, улучшают распределение температуры по поперечному сечению электрода, снижают температурный перепад на большей части электродной колонны. Совокупность указанных технических достижений устраняет основные причины низкой стойкости электродов из-за трещин, разрывов и поломок (см., например, с. 25 указанной ранее публикации "SGL Carbonʹ s response to the DC furnace challeng").

Таким образом, реализация предлагаемого способа охлаждения электрода в процессе работы электропечи и электрода для его осуществления позволяет существенно снизить расход электрода на тонну выплавляемой стали, повысить силу тока на тяжеловесных электрических печах.

Формула изобретения

1. Способ охлаждения электрода в процессе работы электропечи, включающий охлаждение электрода путем отвода тепла к веществу, вводимому внутрь электрода и имеющему физические свойства, отличные от свойств материала электрода, отличающийся тем, что осуществляют охлаждение путем введения внутрь электрода металла, который перемещают вверх со скоростью перемещения вниз электрода печи и предотвращают постоянное проникновение металла в плавку печи, при этом удельное электросопротивление металла ниже, чем у материала электрода, температура плавления металла ниже значений температуры внутренней полости ванны печи.

2. Способ охлаждения электрода по п.1, отличающийся тем, что осуществляют по мере работы печи добавление металла внутрь электрода.

3. Способ охлаждения электрода по п.2, отличающийся тем, что осуществляют отток жидкого металла из электрода.

4. Способ охлаждения электрода по п.1, отличающийся тем, что поддерживают в начале эксплуатации электрода уровень металла внутри электрода на уровне по меньшей мере выше верхнего уровня элемента электрода, соединяющего его стержни в колонну и расположенного первым со стороны ванны печи.

5. Способ охлаждения электрода по п.1, отличающийся тем, что поднимают перед длительной остановкой печи нижний уровень металла внутри электрода выше нижнего уровня элемента электрода, соединяющего стержни в колонну и расположенного на момент остановки печи первым со стороны ее ванны.

6. Способ охлаждения электрода по п.1, отличающийся тем, что вводят внутрь электрода алюминий.

7. Способ охлаждения электрода по п.1, отличающийся тем, что вводят внутрь электрода медь.

8. Электрод для осуществления способа охлаждения по п.1, содержащий несколько стержней из графита (угля), соединенных с помощью соединительных элементов в единую колонну, имеющую центральное продольное отверстие на всей своей длине, в центральном отверстии размещена ось с пробкой на концевой части с возможностью совместного перемещения вдоль колонны, при этом пробка расположена в стержне колонны, располагаемом первым со стороны ванны печи, а ось разделяет центральное отверстие на ряд полостей, соединенных между собой.

9. Электрод по п.8, отличающийся тем, что ось имеет опоры, по наружной части которых выполнены сквозные полости.

10. Электрод по п.8, отличающийся тем, что ось имеет опору, разделяющую центральное отверстие на две полости, соединенные между собой в районе перехода оси в пробку.

11. Электрод по п.8, отличающийся тем, что пробка выполнена сменной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10