Результат интеллектуальной деятельности: ПОДОВЫЙ ЭЛЕКТРОД ДУГОВОЙ ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к области электротермии, в частности может быть использовано в качестве анодного подвода на дуговых печах постоянного тока.

Известна конструкция подового электрода, дуговой печи, которая содержит 200 стальных проводящих штырей, уложенных в подине, выполненной из магнезитовых огнеупоров (Steel Times, May 1991, p. 254). Недостатком подового электрода этой конструкции является то, что при износе подины (соответственно и штырей) ее нельзя ремонтировать (торкретировать), т.к. при этом нарушится контакт загружаемого в печь металлолома и жидкого расплава с рабочими концами штырей. Стойкость подины (соответственно и штырей) не превышает 700 плавок.

Известен также подовый электрод электропечи, содержащий головку из тугоплавкого материала, например материала расплава, нижняя часть которой выполнена в форме полого хвостовика, в который вставлен наконечник соединенного с головкой корпуса из электро- и теплопроводного материала, например меди, имеющего каналы охлаждения, отличающийся тем, что корпус соединен с головкой по наружной поверхности вставленного в хвостовик наконечника с образованием неразъемного соединения по площади контакта наконечника с внутренней поверхностью хвостовика (Патент РФ №2022490, МПК⁵ Н05В 7/08).

Недостатком данной конструкции подового электрода является сложность изготовления. В частности, трудно обеспечить «образование неразъемного соединения по площади контакта наконечника с внутренней поверхностью хвостовика». Кроме того, наличие разных материалов наконечника и хвостовика с разными коэффициентами линейного удлинения при нагреве может привести к разрушению подового электрода.

В качестве прототипа может быть рассмотрен подовый электрод электропечи, содержащий медный водоохлаждаемый стержень с каналами охлаждения и токоподводами и стальную головку, нижняя часть которой выполнена с полостью, а боковая поверхность жестко скреплена с медным водоохлаждаемым стержнем, расположенным в полости, при этом 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 (Патент РФ №2112187, МПК⁶ F27B 3/10, Н05В 7/06).

Недостатком рассматриваемого подового электрода являются плохие условия охлаждения стальных листов (от листов через пайку к стальной головке и от нее к медному стержню), что приводит к оплавлению контактирующих с жидким расплавом рабочих концов стальных листов и выходу из строя подового электрода.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является улучшение условий охлаждения подового электрода и повышение его стойкости.

Достигается указанная цель за счет того, что подовый электрод дуговой печи постоянного тока содержит стальную головку, жестко соединенный с ней медный корпус, снабженный крепежным фланцем, контактной плитой и узлом охлаждения с подводом и отводом воды, при этом в нижнем торце медного корпуса выполнены ячейки в виде сверлений, в которые введены с зазором сопла, связанные с напорной камерой, заполненной водой, находящейся под давлением, а отвод воды производится через сливную камеру, в которую вода попадает через зазоры между соплами и стенками ячеек.

Суммарная тепловоспринимающая поверхность ячеек в 2,8÷7,2 раза превышает площадь медного корпуса в месте соединения со стальной головкой.

Отношение внутреннего диаметра сопел к диаметру ячеек составляет 0,35÷0,58.

Отношение расстояния от торца подающих воду сопел до дна ячейки к внутреннему диаметру сопел составляет 0,8÷2,6.

Конструкция подового электрода поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан общий вид подового электрода, на фиг. 2 - вид А, на фиг. 3 - сечение Б-Б, на фиг. 4 - сечение В-В, на фиг. 5 - элемент Г и на фиг. 6 показана установка подового электрода в футеровке подины дуговой печи постоянного тока.

К стальной цилиндрической головке 1 жестко крепится (например, сваркой) медный корпус 2, имеющий форму конуса, расширяющегося книзу. В нижней части корпус 2 имеет медную подошву 3 цилиндрической формы, к которой крепится контактная плита 4 и элемент охлаждения 5, снабженная напорной камерой 6 с подводом воды 7 и сливной камерой 8 с отводом воды 9. К днищу камер 6 и 8 и нижней части подошвы 3 приваривается втулка 10, внутри которой через отверстие в корпусе 2 устанавливается термопара 11 для контроля температуры подового электрода вблизи стыка медного корпуса и стальной головки.

В нижней торцевой части медной подошвы 3 выполнено множество ячеек 12 в виде цилиндрических сверлений диаметром d_я, в которые введены с зазором 13 сопла 14 (диаметр d_c), связанные с напорной камерой 6, заполненной водой, находящейся под давлением. Сопла 14 находятся на заданном расстоянии h от дна ячеек 15.

Подовый электрод устанавливается в футеровке подины 16 дуговой печи постоянного тока. Крепится подовый электрод к днищу 17 с помощью фланца 18, расположенного на боковой поверхности конической части корпуса 2. Контактная плита 4 и элемент охлаждения 5 располагаются за пределами днища 17 дуговой печи.

Работает подовый электрод следующим образом. Стальная головка 1 дуговой печи контактирует с жидким металлом, и тепловой поток от него через жестко связанный с головкой медный корпус 2 отводится водой, поступающей в элемент охлаждения 5. Дополнительная тепловая нагрузка в подовом электроде возникает при прохождении электрического тока от контактной плиты 4 через медный корпус 2, стальную цилиндрическую головку 1 к металлической ванне. При этом выделяется джоулево тепло, количество которого зависит от величины тока и сопротивления медного корпуса и стальной цилиндрической головки подового электрода.

Главным условием сохранения работоспособности подового электрода является сохранение в нерасплавившемся (твердом состоянии) слоя медного корпуса 2 толщиной не менее 20-30 мм. Для этого температура подового электрода на стыке стальная головка 1 - медный корпус 2 должна быть не более 600°С. Для обеспечения этого условия с определенным запасом (с учетом возможных экстремальных условий при разрушении набивки подины в районе подового электрода) тепловой поток, отводимый водой, поступающей в элемент охлаждения 5, должен превышать тепловую нагрузку на подовый электрод в районе стыка стальной головки 2 и медного корпуса 1. Контроль теплового состояния подового электрода производится с помощью термопары 11.

Для повышения эффективности охлаждения подового электрода в нижней торцевой части медной подошвы 3 выполнено множество ячеек 12 в виде цилиндрических сверлений, в которые введены с зазором 13 сопла 14, связанные с напорной камерой 6, заполненной водой, находящейся под давлением. Сопла 14 устанавливаются на заданном расстоянии h от дна 15 ячеек 12. При этом вода с большой скоростью вытекает из сопла 14 и ударяется о дно 15 ячеек 12, затем через зазоры 13 поступает в сливную камеру 8. Из сливной камеры вода по патрубку отвода воды 9 сливается в канализацию или систему оборотного водоснабжения.

Благодаря наличию ячеек 12 в нижнем торце медного корпуса 2, в которые введены с зазором сопла 14, обеспечивается удар струй воды, вытекающих с большой скоростью (3-6 м/с) о дно 15 ячеек 12. Вода, вытекающая из сопел, изменяет направление течения вблизи дна 15 ячеек 12 и веером омывает боковые стенки ячеек 12. Таким образом, осуществляется струйное охлаждение подового электрода, обеспечивающее резкое увеличение коэффициента теплоотдачи конвекцией. Это объясняется тем, что струи, атакующие поверхность, сильно турбулизируют пограничный слой. При этом разрушается его ламинарный подслой, в котором сосредоточено основное термическое сопротивление процессу теплопередачи от стенки к воде. Это позволяет в 3-5 раз увеличить тепловой поток, снимаемой водой, подаваемой для охлаждения подового электрода. Соответственно улучшаются условия службы подового электрода на стыке: стальная головка - медный корпус, и повышается его стойкость.

Тепловые расчеты, выполненные для условий службы подовых электродов в дуговых сталеплавильных печах, показывают, что оптимальная величина отношения суммарной площади тепловоспринимающей поверхности ячеек и площади поперечного сечения медного корпуса подового электрода в месте стыка со стальной головкой находится в пределах 2,8÷7,2.

При величине этого соотношения меньше 2,8 количество тепла, отводимого водой, становится меньше, чем количество тепла воспринимаемого подовым электродом из рабочего пространства печи. Это приводит к повышению температуры медной части подового электрода выше 600°С и снижению стойкости подового электрода.

При величине этого соотношения больше 7,2 температура подового электрода практически не изменяется, однако это приводит к усложнению конструкции подового электрода и увеличению расхода воды на охлаждение подового электрода.

Как показали проведенные авторами исследования, при отношении внутреннего диаметра сопел к диаметру ячеек, равном 0,35-0,58, обеспечивается оптимальное соотношение скоростей истечения струй из сопла и в зазоры между стенками ячеек и сопел, что обеспечивает высокие значения коэффициента теплоотдачи. При этом исключается забивание этих зазоров взвесями, содержащимися в воде.

При отношении d_c/d_я, меньшем 0,35, скорость воды в щелевом канале уменьшится, что приведет к снижению коэффициента теплоотдачи и уменьшению стойкости подового электрода.

При отношении диаметра сопел к диаметру ячеек (d_c/d_я) больше 0,58 уменьшаются зазоры между стенками ячеек и соплами, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления водоохлаждаемого тракта. Это потребует увеличения давления воды, что приведет к дополнительным затратам по установке насосов для повышения давления воды.

Лабораторные исследования, проведенные на тепловой модели, показали, что коэффициент теплоотдачи стабилизируется на уровне 30÷40 кВт/м²⋅к при отношении расстояния от торца подающих воду сопел до дна ячеек к внутреннему диаметру сопел, равном 0,8-2,6. При этом обеспечиваются эффективное охлаждение подового электрода и высокая его стойкость. При отношении расстояния от торца сопел до дна ячеек к внутреннему диаметру сопел (h/d_c) меньше 0,8 резко увеличивается гидравлическое сопротивление водоохлаждаемого тракта. Это обстоятельство, как указывалось выше, приведет к дополнительным затратам по установке насосов, повышающих давление воды.

При отношении h/d больше 2,6 снижается коэффициент теплоотдачи, что приведет к повышению температуры подового электрода и снижению его стойкости.

Пример исполнения подового электрода предлагаемой конструкции.

Для 6-т дуговой печи постоянного тока подовый электрод имеет стальную головку диаметром 140 мм и приваренный к ней медный корпус конической формы и подошву цилиндрической формы диаметром 300 мм. К нижней части корпуса крепится контактная плита и элемент охлаждения, снабженный напорной и сливной камерами. В торцевой части медной подошвы выполнены 30 ячеек в виде цилиндрических сверлений диаметром 14 мм и глубиной 50 мм. Торцы сопел находятся на расстоянии 12 мм от дна ячеек.

В ячейки введены сопла внутренним диаметром 6 мм, связанные с напорной камерой, заполненной водой.

При этих размерах отношение суммарной площади тепловоспринимающей поверхности ячеек к площади медного корпуса в месте соединения со стальной головкой составит 4,59, отношение внутреннего диаметра сопел к диаметру ячеек составит 0,43, а отношение расстояния от торца подающих воду сопел до дна ячеек к внутреннему диаметру сопел будет равняться 2,0.

Перечисленные выше соотношения обеспечат эффективный отвод тепла водой, подаваемой для охлаждения подового электрода, что позволит создать оптимальные условия тепловой работы подового электрода в районе стыка стальной головки и медного корпуса. В результате будет обеспечена стойкость подового электрода дуговой печи постоянного тока в пределах 5000-6000 плавок.