способ периодического удлинения электрода электродуговой печи, электрод для его осуществления и способ предварительной подготовки электрода

Формула изобретения

1. Способ периодического удлинения электрода электродуговой печи, включающий свинчивание на действующий электрод электродной колонны предварительно подготовленного нового электрода и ниппеля с резьбой, имеющего продольное сквозное отверстие, в которое размещают вещество, температура плавления которого ниже рабочей температуры электрода в печи, отличающийся тем, что в полость ниппеля размещают металлический стержень из металла, удельное электросопротивление которого ниже, чем у материала электрода и ниппеля, при этом объем металлического стержня обеспечивают таким, чтобы после его расплавления полностью заполнить жидким металлом полости, образующиеся между ниппелем и действующим электродом после окончания их свинчивания, и полость продольного сквозного отверстия в ниппеле, а также между ниппелем и дном ниппельного гнезда нового электрода, и частично заполнить дополнительную полость, предусмотренную в ниппельном дне нового электрода, при этом образующуюся газовую смесь в свободном от жидкого металла пространстве дополнительной полости нового электрода выводят в рабочее пространство печи через предусмотренные в теле электрода отверстия.

2. Способ периодического удлинения электрода электродуговой печи по п.1, отличающийся тем, что в полости ниппеля размещают металлический стержень из алюминия.

3. Способ периодического удлинения электрода электродуговой печи по п.1, отличающийся тем, что в полости ниппеля размещают металлический стержень из меди.

4. Электрод для осуществления способа периодического удлинения электрода электродуговой печи по п.1, содержащий ниппельные гнезда с обеих сторон электрода, заканчивающиеся участками без резьбы, в дне ниппельного гнезда, по его центру, по меньшей мере с одной стороны электрода, а по большей мере с обеих его сторон выполнены дополнительные полости без резьбы, при этом глубина и диаметр полости с одной из сторон электрода имеют большие значения и эта полость соединена с наружной поверхностью электрода с помощью отверстий.

5. Электрод по п.4, отличающийся тем, что отверстия, соединяющие дополнительную полость с наружной поверхностью электрода, выполнены наклонными, с уклоном к другой стороне электрода.

6. Способ предварительной подготовки электрода по п.4, включающий свинчивание электрода с ниппелем, имеющим продольное сквозное отверстие, в которое размещают вещество, температура плавления которого ниже рабочей температуры электрода в печи, в дополнительную полость электрода, соединенную с наружной поверхностью электрода с помощью отверстий, и в продольное сквозное отверстие ниппеля устанавливают двухступенчатый металлический стержень, при этом ступень стержня с большим диаметром располагают в этой полости и поджимают к ниппелю, а ступень стержня с меньшим диаметром располагают в отверстии ниппеля.

7. Способ предварительной подготовки электрода по п.7, отличающийся тем, что металлический стержень поджимают к ниппелю пружиной, выполненной из того же металла, что и стержень.

8. Способ предварительной подготовки электрода по п.7, отличающийся тем, что металлический стержень поджимают к ниппелю металлической стружкой и (или) гранулами, полученными из того же металла, что и стержень.

9. Способ предварительной подготовки электрода по п.7, отличающийся тем, что металлический стержень поджимают к ниппелю уплотняющимся веществом, сгорающим при рабочей температуре электрода в электродуговой печи.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к производству стали в электродуговых печах в черной металлургии.

В процессе работы электродуговой печи необходимую для плавки металла энергию подводят с помощью электродной колонны, выполненной в виде набора электродов, соединенных с помощью ниппелей с резьбой. По мере износа электрода электродную колонну периодически удлиняют путем свинчивания заранее подготовленных нового электрода и ниппеля с действующим электродом этой колонны.

От примененного способа периодического удлинения электрода электродной колонны, от используемых при этом электрода и ниппеля, зависит специфика протекания электрического тока через место стыка (соединения) электродов, которая, в свою очередь, определяет выделяющееся в этом участке электродной колонны тепло и, соответственно, уровень разогрева электрода в процессе его работы. Высокие температуры нагрева электрода в электродуговой печи существенно повышают его износ, увеличивают расход дорогостоящих электродов на тонну выплавляемой стали. Способ предварительной подготовки электрода имеет важное значение при практической реализации способа периодического удлинения электрода электродуговой печи.

Известен способ периодического удлинения электрода электродуговой печи, включающий свинчивание на действующий электрод электродной колонны заранее подготовленного биконического ниппеля с резьбой [см., например, "The CESO processing chain for the optimization of the graphite electrode columns". News and Recommendations for AC u DC Arc Furnace Applications фирмы SGL CARBON GROUP, January, 1999, p.3-6].

В известном способе решается задача максимального уменьшения усилий предварительного напряжения соединения электродов, снижающих их работоспособность, путем управления процессом свинчивания соединяемых электродов.

Основным недостатком известного способа является сохранение традиционных путей протекания электрического тока через участок сочленения электроды - ниппель. Таким образом в известном способе не решается задача улучшения протекания электрическим током участка сочленения электроды - ниппель, что приводит к повышенному выделению тепла в этом районе электродной дуги из-за дополнительного сопротивления в контактах электрод - ниппель - электрод. Повышенные температуры разогрева электродов увеличивает их износ.

Известен способ периодического удлинения электрода электродуговой печи, включающий свинчивание на действующий электрод электродной колонны заранее подготовленного нового электрода и ниппеля с резьбой, имеющего продольное сквозное отверстие, в которое размещают вещество, температура плавления которого ниже рабочей температуры электрода в печи [см., например, патент ФРГ № 2203226, Н 05 В 7/14 от 24.01.72]. Веществом, помещаемым в продольное сквозное отверстие ниппеля, является смола, которая при работе электродуговой печи коксуется и сочленяет электроды и ниппель в единое целое.

По совокупности существенных признаков известный способ периодического удлинения электрода наиболее близок предлагаемому, поэтому принят за прототип.

Существенный недостаток известного способа состоит в низкой его эффективности в решении задачи снижения электрического сопротивления в сочленении действующий электрод - ниппель - новый электрод. Отмеченный недостаток обусловлен тем, что образующийся из смолы коксующийся материал и материалы электрода и ниппеля в конечном итоге имеют одну природу, поэтому имеют практически близкие параметры удельного электрического сопротивления. Следовательно, при реализации этого известного способа имеет место незначительное снижение энергии, выделяющейся в рассматриваемом сочленении электроды - ниппель, и, таким образом, происходит существенный разогрев электрода в рабочей зоне электродуговой печи.

Предлагаемый способ периодического удлинения электрода электродуговой печи свободен от указанных недостатков. В нем предусмотрено существенное снижение сопротивления протеканию электрического тока в сочленении: соединяемые электроды - ниппель. Тем самым уменьшена величина энергии, выделяющейся в этом сочленении из-за прохождения по нему электрического тока, благодаря чему снижена температура разогрева соединяемых элементов при работе в электродуговой печи. Отмеченное снижает три известных компонента расхода электродов: окисление боковой поверхности, механические поломки, потери в виде концевых огарков.

Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что в способе периодического удлинения электрода электродуговой печи, включающем свинчивание на действующий электрод электродной колонны предварительно подготовленного нового электрода и ниппеля с резьбой, имеющего продольное сквозное отверстие, в которое размещают вещество, температура плавления которого ниже рабочей температуры электрода в печи, согласно предложению в полость ниппеля размещают металлический стержень из металла, удельное электросопротивление которого на несколько порядков ниже, чем у материала электрода и ниппеля, при этом объем металлического стержня обеспечивают таким, чтобы после его расплавления полностью заполнить жидким металлом полости, образующиеся между ниппелем и действующим электродом после окончания их свинчивания, и полость продольного сквозного отверстия в ниппеле, а также между ниппелем и дном ниппельного гнезда нового электрода, и частично заполнить дополнительную полость, предусмотренную в ниппельном дне нового электрода, при этом образующуюся газовую смесь в свободном от жидкого металла пространстве дополнительной полости нового электрода выводят в рабочее пространство печи через предусмотренные в теле электрода отверстия. К тому же, в полости ниппеля размещают металлический стержень из алюминия. Кроме того, в полости ниппеля размещают металлический стержень из меди.

Известен электрод электродуговой печи, имеющий ниппельное гнездо с обеих своих сторон и определенной формы очертания полости в донной части этого гнезда [см., например, патент США № 4161169 от 11.11.1977, Н 05 В 7/14].

Недостатком известного электрода является отсутствие технического решения, позволяющего после его соединения с действующим электродом электродуговой печи улучшить условия протекания электрического тока через сочленения электроды - ниппель.

Известен электрод электродуговой печи, содержащий ниппельные гнезда с обеих сторон электрода, заканчивающиеся участком без резьбы [см., например, патент Российской Федерации № 2037984, Н 05 В 7/14 от 14.07.1992, опубл. 19.06.95, бюлл. № 17].

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

Существенным недостатком известного электрода является отсутствие в его конструкции технического решения, позволяющего после соединения электрода с действующим электродом электродуговой печи изменить в сторону улучшения условия протекания электрического тока в сочленении соединяемых электродов - ниппеля. В результате при работе электрода в электродуговой печи в этом сочленении имеет место повышенное сопротивление протеканию электрического тока, выделяется дополнительная энергия, которая приводит к увеличенному разогреву места стыка и ниппеля. Последнее ухудшает условия работы электрода, снижает его работоспособность.

Предлагаемый электрод свободен от указанных недостатков. В его конструкции предусмотрено техническое решение, позволяющее после соединения электрода с электродуговой колонной существенно снизить сопротивление протеканию электрического тока в сочленении электроды - ниппель. Последнее позволяет при эксплуатации электрода снизить общий уровень температуры разогрева электродов и ниппеля в их сочленении и на этой основе уменьшить составляющие повышенного расхода электрода.

Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что в электроде для осуществления способа периодического удлинения электрода электродуговой печи, содержащем ниппельные гнезда с обеих сторон электрода, заканчивающиеся дополнительными участками без резьбы, согласно предложению в дне ниппельного гнезда по его центру, по меньшей мере с одной стороны электрода, а по большей мере с обеих его сторон выполнены дополнительные полости без резьбы, при этом глубина и диаметр полости с одной из сторон электрода имеют большие значения и эта полость соединена с наружной поверхностью электрода с помощью отверстий. Причем отверстия, соединяющие дополнительную полость с наружной поверхностью электрода, выполнены наклонными, с уклоном к другой стороне электрода.

Известен способ предварительной подготовки электрода для осуществления периодического удлинения электрода электродуговой печи, включающий свинчивание электрода с ниппелем, имеющим продольное сквозное отверстие, в которое размещают вещество, температура которого ниже рабочей температуры электрода в печи [см., например, уже отмеченный патент ФРГ № 2203226].

По совокупности существенных признаков известный способ предварительной подготовки электрода наиболее близок предлагаемому, поэтому принят за прототип.

К достоинствам известного способа относится заметное упрощение операции периодического удлинения электрода в промышленных условиях эксплуатации электродуговой печи. Однако известному способу присущ существенный недостаток, который состоит в том, что в процессе предварительной подготовки электрода в нем отсутствуют приемы, обеспечивающие существенное снижение протеканию электрического тока в сочленении электроды - ниппель при работе электрода в электродуговой печи. Этот недостаток не позволяет снизить уровень температур, до которых разогревается электрод в указанном сочленении, что, в свою очередь, снижает работоспособность электрода.

Предлагаемый способ предварительной подготовки электрода использует отмеченные достоинства известного способа, но свободен от его недостатков. В нем предусмотрено осуществление приемов, позволяющих при эксплуатации электрода в электродуговой печи существенно снизить разогрев электродов на участке сочленения электроды - ниппель и на этой основе повысить работоспособность электрода.

Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что в способе предварительной подготовки, включающем свинчивание электрода с ниппелем, имеющем продольное сквозное отверстие, в которое размещают вещество, температура плавления которого ниже рабочей температуры электрода в печи, согласно предложению в дополнительную полость электрода, соединенную с наружной поверхностью электрода с помощью отверстий, и в продольное сквозное отверстие ниппеля устанавливают двухступенчатый металлический стержень, при этом ступень стержня с большим диаметром располагают в этой полости и поджимают к ниппелю, а ступень стержня с меньшим диаметром располагают в отверстии ниппеля. Помимо этого, металлический стержень поджимают к ниппелю пружиной, выполненной из того же металла, что и стержень. Кроме того, металлический стержень поджимают к ниппелю металлической стружкой и (или) гранулами, полученными из того же металла, что и стержень. К тому же, металлический стержень поджимают к ниппелю уплотняющимся веществом, сгорающем при рабочей температуре электрода в электродуговой печи.

Способ периодического удлинения электрода электродуговой печи, электрод для его осуществления и способ предварительной подготовки электрода поясняются чертежами.

На фиг.1 показан электрод после осуществления операции периодического удлинения электродной колонны; на фиг.2 и 3 - варианты исполнения электрода для осуществления способа периодического удлинения электродной колонны; на фиг.4 и 5 - варианты осуществления способа предварительной подготовки электрода для осуществления способа периодического удлинения электрода; на фиг.6 - показаны основные особенности протекания электрического тока в сочленении электроды - ниппель в предлагаемом способе удлинения электрода; на фиг.7 - показаны основные особенности протекания электрического тока в сочленении электроды - ниппель в известном способе удлинения электрода.

Электродная колонна электродуговой печи содержит несколько действующих электродов 1 (фиг.1), соединенных с помощью биконического ниппеля с резьбой. С помощью нового электрода 2 и ниппеля 3 электродная колонна периодически удлиняется. Ниппель 3 имеет продольное сквозное отверстие 4, в которое вставлен металлический стержень 5 из металла, имеющего существенно более низкое удельное электросопротивление в сравнении с материалом электрода и ниппеля.

Между ниппелем 3 и действующим электродом 1 имеется полость 6, которая может быть свободной или частично заполненной веществом, способствующим лучшему соединению ниппеля и электрода. Аналогичная полость 7 имеется между новым электродом 2 и ниппелем. Она также может быть свободна или по аналогии с полостью 6 частично заполнена аналогичным веществом.

Электрод 2 (фиг.2 и 3) выполнен асимметричным по длине: он снабжен двумя одинаковыми ниппельными гнездами 8 и 9 и дополнительными разными полостями без резьбы 10 и 11. Причем электрод 2 может содержать только полость 10 с одной его стороны (фиг.2) или две полости 10 и 11 (на фиг.3) с двух сторон электрода. При этом полость 10 имеет бoльший диаметр (d₁₀>d₁₁ на фиг.3) и большую глубину (h₁₀>h₁₁ на фиг.3) в сравнении с полостью 11. Причем полость, имеющая больший диаметр и большую глубину, т.е. полость 10, в верхней своей части с помощью отверстий 12 соединена с наружной поверхностью электрода. Предварительно подготовленный электрод 2 и ниппель 3 содержат в продольном сквозном отверстии 4 двухступенчатый металлический стержень 5, одна из ступеней имеет бoльший диаметр d₅" в сравнении с другой, диаметр которой d₅", т.е. d₅">d₅". При этом диаметр d₅" стержня 5 меньше диаметра d₄ отверстия в ниппеле 3 на величину линейного расширения металла стержня при повышении температуры от ~20С до температуры плавления металла стержня. Аналогичными положениями руководствуются при назначении диаметра d₅", т.е. d₅"<d (на фиг.1, 5 и 6, чтобы не загромождать рисунки, это условно не показано) на величину отмеченного теплового расширения.

Двухступенчатый металлический стержень 5 ступенью с большим диаметром d₅" установлен в полости 10 электрода 2. Высота этой ступени стержня h₅" меньше глубины полости 10 электрода 2, т.е. h₅"<h. Кроме того, диаметр ступени металлического стержня d₅" больше диаметра сквозного отверстия 4 в ниппеле 3, т.е. d₅">d₄. В свободном от металлического стержня пространстве полости 10 (благодаря h₅"<h) установлена пружина 13 (фиг.1 и 4) или расположено уплотняющееся вещество 14 (фиг.5), сгорающее или расплавляющееся при рабочей температуре электрода в электродуговой печи. Металлический стержень 5 после расплавления при рабочей температуре электрода в печи превращается в жидкий металл 15 (фиг.6), который полностью заполняет большинство полостей сочленения электроды - ниппель: продольное сквозное отверстие 4 в ниппеле 3, полость 6 между ниппелем 3 и дном ниппельного гнезда действующего электрода 1, дополнительную полость 11 (в случае ее наличия) в действующем электроде 1 и полость 7 между ниппелем 3 и дном ниппельного гнезда нового электрода 2, при частичном заполнении на высоту h_м дополнительной полости 10 в новом электроде 2 (т.е. h_м<h). Наряду с металлическим стержнем 5 в жидкий металл 15 переходит пружина 13 (фиг.4), металлическая стружка и (или) гранулы 14 (фиг.5) в случае их применения. Размеры двухступенчатого металлического стержня 5, пружины 13, стружки и (или) гранул 14 обеспечивают описанное заполнение полостей, образующихся после окончания свинчивания соединяемых электродов 1 и 2 и ниппеля 3.

Основные потоки электрического тока 16 при реализации предложения протекают через сочленение соединяемые электроды 1 и 2 - ниппель 3 так, как показано на фиг.6, при использовании известного способа - как на фиг.7.

Способ периодического удлинения электрода электродуговой печи осуществляют следующим образом.

В электроде 2 (фиг.2 и 3) известной конструкции (из графита или углерода), имеющем с обеих сторон одинаковые ниппельные гнезда 8 и 9 с нарезанной резьбой, выполняют дополнительные полости 10 и 11 по оси электрода, не имеющие резьбы (фиг.3). При этом, если при последующем свинчивании действующего электрода 1 с ниппелем 3 (фиг.1) в полость 6 не закладывается вещество, способствующее лучшему соединению ниппеля 3 и электрода 1, дополнительная полость 11 в электроде может не выполняться (фиг.2).

Полости 10 и 11 выполнены по центру дна ниппельных гнезд 8 и 9, причем имеют разные диаметральные размеры d₁₀ и d₁₁ и разную глубину h₁₀ и h₁₁. Принимают d₁₀>d₁₁ и h₁₀>h₁₁.

Полость 10 в ближней к ее дну части или с выводом на дно с помощью отверстий 12 (число которых обычно не менее двух) соединяют с наружной поверхностью. При этом отверстия 12 выполняют наклонными с уклоном к другой стороне электрода (фиг.2 и 3).

Предварительную подготовку электрода 2 (фиг.2 и 3) к эксплуатации осуществляют следующим образом.

Электрод 2 свинчивают с ниппелем 3 (фиг.4 и 5), имеющим продольное сквозное отверстие 4 диаметром d₄. Свинчивание осуществляют стороной электрода 2, выполненной с дополнительной полостью 10, т.е. ниппель 3 ввинчивают в ниппельное гнездо 9.

Перед свинчиванием электрода 2 и ниппеля 3 в полость 10 устанавливают пружину 13 и вставляют двухступенчатый стержень 5. При этом в полость 10 помещают ступень стержня 5, имеющую больший диаметр d₅". Пружина 13 выполнена из того же металла, что и стержень.

Вместо пружины 13 в полости 10 может быть помещен уплотняющийся материал 14 (фиг.5). Этот материал может быть стружкой, гранулами или совместно стружкой и гранулами, полученными из того же металла, что и стержень 5.

Уплотняющийся материал может быть тканью, бумагой или другим веществом, температура горения которого ниже рабочей температуры электрода при его работе в электродуговой печи (от 400-500С вне зоны печи до 2100-2500С в рабочем пространстве печи).

Процесс свинчивания электрода 2 и ниппеля 3 предусматривает наличие полости 7. В эту полость может быть помещено вещество (различного вида смолы), способствующее лучшему соединению электрода и ниппеля. В настоящем предложении эта известная операция не рассматривается, так как ее осуществление не меняет существа предложения.

После выполнения описанных приемов осуществляют свинчивание электрода 2 и ниппеля 3. При этом, благодаря принятым соотношениям размеров ступеней стержня 5: d₅"<d на величину разности линейного теплового расширения этих размеров при изменении температуры от ~20С до температуры плавления металла стержня 5, h₅"<h с учетом сжатия пружины 13 (уплотнения материала 14); d₅"<d на величину разности теплового линейного расширения этих размеров при изменении температуры от ~20С до температуры плавления металла стержня 5 и d₅"<d", по окончании свинчивания электрода и ниппеля металлический стержень 5 поджимают к торцу ниппеля 3, располагая ступень стержня 5 с меньшим диаметром d₅" в отверстии 4 ниппеля 3.

Описанные операции свинчивания электрода 2 и ниппеля 3, имеющего продольное сквозное отверстие 4, и установки в них двухступенчатого металлического стержня 5 составляют сущность предложения по предварительной подготовке нового электрода и ниппеля к осуществлению способа периодического удлинения электрода электродуговой печи.

Перечисленные операции предварительной подготовки электрода и ниппеля осуществляют на заводе-изготовителе электродов и к потребителю новый электрод поставляют в виде, представленном на фиг.4 и 5.

Процесс периодического удлинения электрода электродуговой печи осуществляют с помощью нового электрода, предварительно подготовленного согласно только что описанным приемам.

На действующем электроде 1 электродной колонны сжатым воздухом очищают полость ниппельного гнезда 8, имеющего дополнительную полость 11.

Предварительно подготовленный новый электрод 2 с ниппелем 3 и металлическим стержнем 5 свинчивают до плотного контакта торцевых поверхностей нового 2 и действующего 1 электродов.

Таким образом, при осуществлении настоящего способа основные операции удлинения электрода электродуговой печи сохраняют. Однако применение предлагаемого способа удлинения электрода, самого электрода и способа его предварительной подготовки принципиально изменяют процесс протекания электрического тока на участке сочленения соединяемые электроды 1 и 2 - ниппель 3 в сравнении с известным способом.

Это изменение состоит в том, что при реализации предлагаемого способа основные потоки электрического тока 16 (фиг.6) обходят участки сочленения, в то время как в известном способе (фиг.7) эти потоки вынуждены проходить через сочленение соединяемые электроды 1 и 2 - ниппель 3, встречая существенное электросопротивление. Эта картина в известном способе дополнительно усугубляется тем, что по мере повышения температуры в районе сочленения, вызванного входом этого сочленения в рабочее пространство печи, нарушается контакт в соединениях электрод 2 - электрод 1 - ниппель 3. Последнее в известном способе приводит к неуправляемому возрастанию сопротивления протеканию электрического тока через указанные соединения, к существенному разогреву участка контактов (до 2000-2500С согласно известным данным SGL CARBON GROUP).

Изменение в лучшую сторону процесса протекания электрического тока через сочленение соединяемые электроды - ниппель в настоящем способе обеспечивают благодаря следующим приемам.

1. В качестве металла стержня 5 используют металлы, удельное электросопротивление которых на несколько порядков ниже, чем у материала электрода и ниппеля.

Таким металлом может быть алюминий. Для алюминия мкОмм, в то время как для графита, из которого изготавливают электроды, мкОмм.

Таким металлом может быть медь, для которой мкОмм.

При этом выбор металла стержня зависит от марок выплавляемых в печи сталей.

2. В качестве металла стержня 5 используют металлы, температура плавления которых ниже рабочей температуры электрода в печи. Так, для алюминия t плавления=660С, для меди t плавления = 1083С, т.е. применение этих металлов отвечает этому условию.

3. При выборе размеров металлического стержня 5 исходят из того, чтобы его объем в твердом состоянии после расплавления обеспечивал полное заполнение жидким металлом всех полостей, образующихся между ниппелем и действующим электродом после окончания их свинчивания (полости 6 и 11), полости продольного сквозного отверстия 4 в ниппеле, а также полости 7 между ниппелем и дном ниппельного гнезда нового электрода. При этом дополнительная полость 10 в новом ниппеле должна быть заполнена жидким металлом частично, т.е. высота h_м на фиг.6 должна быть гарантированно меньше глубины полости 10, т.е. h_м<h.

Таким образом:

но

где V_i - объемы соответствующих полостей (6, 7, 10 и 11) и ступеней стержня 5.

Указанные формулы определяют при выбранных диаметрах ступеней стержня d₅" и d₅" их линейные размеры h₅" и h₅". При этом учитывают, что при расплавлении объем жидкого металла увеличивается, например, для алюминия в 1,048 раза, для меди в 1,042 раза. При этом также учитывают добавку объема жидкого металла, обусловленную расплавлением пружины 13 или металлической стружки/гранул 14.

Гарантированным соблюдением соотношения h_м<h обеспечивают постоянную связь полости 10 через отверстия 12 с наружной поверхностью электрода. Тем самым в рабочее пространство печи из полости выводят газовую смесь, образующуюся при расплавлении металла стержня. Через отверстия 12 отводят продукты сгорания уплотняющего вещества 14 (ткань, бумага и др.), в случае его применения. Через отверстия 12 отводят образующиеся пары жидкого металла 15 в случае непредвиденного его закипания (например, температура кипения алюминия равна 2317С, меди 2540С и может попасть в пределы температур, до которых может разогреваться электрод в процессе своей работы).

Из известных зависимостей для определения электрического сопротивления, энергии, выделяющейся в теле при прохождении электрического тока, и изменения температуры тела из-за выделенной в нем энергии, можно получить уравнение:

где T_м - температура, до которой предпочтительно разогревается жидкий металл 15 при прохождении по нему электрического тока;

Т₂ - температура, до которой разогревается электрод и ниппель в известном способе при прохождении через них электрического тока тех же параметров, что и в случае получения значений T_м;

₂ - плотность материала электрода и ниппеля (считаем ее примерно одинаковой);

c₂ - удельная теплоемкость материала электрода и ниппеля (считаем ее примерно одинаковой);

₂ - удельное электросопротивление материала электрода и ниппеля (считаем его примерно одинаковым);

D₂ - наружный диаметр электрода;

d₄ - внутренний диаметр продольного сквозного отверстия 4 в ниппеле;

_м, c_м и _м - то же, для жидкого металла 15.

Зависимость (3) используют при выборе диаметра отверстия d₄ в ниппеле 3 при известных свойствах материала используемого электрода 2 и ниппеля 3 и используемого металла стержня 5. При этом исходят из значений температуры ₂ разогрева электрода 2 и ниппеля 3 в известном способе и предпочтительных значений температуры разогрева жидкого металла T_м в предлагаемом способе из-за прохождения по ним электрического тока одинаковой силы.

Исходя из полученного значения d₄ и уже отмеченных положений о линейном тепловом расширении стержня и ниппеля назначают диаметр ступени стержня d₅". Диаметр полости 11 принимают на 10-20 мм больше диаметра ₄, чтобы исключить упирание стержня 5 в действующий электрод 1 в процессе осуществления операции удлинения электродной колонны. Диаметр полости 10 принимают на 30-40 мм больше диаметра отверстия d₄, чтобы обеспечить гарантированное поджатие ступени стержня с диаметром d₅" в торец ниппеля 3. Диаметр d₅" назначают, исходя из уже отмеченных положений о линейном тепловом расширении стержня и электрода.

Известные значения диаметров d₄, d₅", d₅", d₁₀ и d₁₁ и примерные объемы полостей 6 и 7, линейные размеры ниппеля и принятая глубина полости 11 (которая, как отмечалось, в ряде рассмотренных случаев может отсутствовать) позволяют по формулам (1) и (2) определить примерное значение высоты h_м жидкого металла, образующегося после расплавления металлического стержня 5. В случае применения пружины 13, а также стружки и/или гранул 14 полученное значение h_м уточняют. Последнее позволяет назначить глубину полости 10 (h₁₀).

При назначении величины h₁₀ и обосновании размеров h₅" и h₅" важно обеспечить после расплавления стержня неравенство h_м<h, т.е. оставить часть полости 10 свободной от жидкого металла.

При выполнении отмеченных простых операций по назначению перечисленных размеров руководствуются следующими известными данными о физических свойствах соединяемых материалов электрода, ниппеля и металлического стержня:

1) удельное электросопротивление графита составляет 5-13 мкОмм и по мере повышения температуры до 2500С увеличивается примерно в 3 раза;

2) удельное электросопротивление алюминия составляет 2,710^-2 мкОмм и по мере повышения температуры и переходе при t=660С в жидкое состояние возрастает до ~3510^-2 мкОмм при температуре выше 1200С;

3) удельное электросопротивление меди составляет 1,710^-2 мкОмм и по мере повышения температуры и переходе при t=1083С в жидкое состояние возрастает до ~2510^-2 мкОмм при температуре порядка 1500С;

4) объем алюминия при переходе из твердого в жидкое состояние увеличивается в 1,048 раза, объем меди - в 1,042 раза;

5) плотность графита обычно равна 1,9-2,3 т/м³ (в конструкциях электродов часто обеспечивают 1,7 т/м³);

6) плотность алюминия обычно принимают равной 2,39 т/м³; плотность меди - 8,9 т/м³;

7) удельная теплоемкость графита составляет

8) удельная теплоемкость алюминия составляет меди -

9) коэффициент линейного расширения графита электрода и ниппеля принимаем одинаковым и равным 1,810^-6 К^-1;

10) коэффициент линейного расширения алюминия равен 4610^-6 К^-1; меди 43,310^-6 К^-l.

Пример 1. В 120 т электродуговой печи постоянного тока выплавляют сталь 15Х6СЮ, при этом используют графитовые электроды 1 диаметром D=700 мм. В процессе работы электропечи по нему пропускают электрический ток силой 110 кА. Электроды 1 объединяют в электродную колонну, полученную соединением электродов 1 с помощью биконических ниппелей 3 с резьбой.

При указанных условиях и применении электродной колонны, полученной удлинением электродов известной конструкции и известным способом при прохождении по колонне указанного тока, сочленения электрод - ниппель колонны, находящиеся внутри печи, нагревались бы до температуры Т₂ 2300С. Отмеченное высокое значение температуры обусловлено, во-первых, необходимостью использовать большие значения силы электрического тока, во-вторых, высоким удельным сопротивлением материала электрода и ниппеля протеканию электрического тока, в-третьих, конструкцией соединения электрода и ниппеля и соответственно способом их удлинения (наращивания).

Известная конструкция электрода и способ удлинения электродной колонны приводят к соединению новый электрод - ниппель - действующий электрод, через которое электрический ток протекает по схеме, представленной на фиг.7, встречая на своем пути значительное сопротивление на участках контакта сопрягаемых деталей. Более того, из-за существенного разогрева электродов и ниппеля плотность соединения, обеспеченная на стадии предварительной подготовки электрода и в процессе его соединения (удлинения) с действующей электродной колонной, нарушается. В результате в указанных контактах соединяемых электродов и ниппеля имеет место многократное увеличение электросопротивления, которое является труднопрогнозируемым и по существу неуправляемым. Условно принимаем, что сопротивление в известном способе удлинения электродов при температуре на уровне 2300С возрастает в 3 раза. Выделение тепла в указанных контактах приводит к повышенному разогреву внутри электрода, появлению в поверхностных слоях электрода увеличенных тангенциальных напряжений. Последние усиливают вероятность разрушения электрода, повышают расход электрода на тонну выплавляемой стали.

Применяют металлический стержень 5 из алюминия. С использованием уравнения (3) при, например, T_м=1700С и приведенных сведениях о физических свойствах графита и алюминия, принимают диаметр продольного сквозного отверстия в ниппеле равным:

Принимают d₅"=233 мм, d₁₁=250 мм, d₁₀=270 мм, d₅"=262 мм. Принимают объем полостей 6 и 7 примерно одинаковым и равным 2500 см³ для каждой полости.

При указанных параметрах с использованием неравенств (1) и (2) назначают линейные размеры h₅", h₅", h₁₁ (при наличии полости 11) и h₁₀, гарантированно обеспечивая неравенство h_м<h.

По полученным параметрам изготавливают новый электрод (фиг.2 и 3), ниппель и металлический стержень из алюминия, осуществляют их предварительную подготовку (фиг.4 и 5) и в этом состоянии поставляют для наращивания электрода электродуговой печи.

В полученном сочленении новый электрод - действующий электрод - ниппель в рабочем состоянии в зоне печного пространства обеспечивают протекание электрического тока, максимально минуя это сочленение (см. фиг.6). Тем самым устраняют один из источников существенного износа и разрушения электродной колонны, повышенного расхода электродов на тонну выплавляемой стали.

Попадание алюминия в сталь при разрушении (износе) электрода для плавки не опасно, так как алюминий входит в химический состав стали.

Пример 2. При параметрах электродуговой печи согласно примеру 1 в печи выплавляют сталь 06Х23Н28М3Д3Т (ЭИ943), содержащую 2,5...3,5% Сu. Используют графитовые электроды 1 диаметром D=750 мм, через который пропускают электрический ток силой 110 кА. Электроды 1 объединяют в электродную колонну, полученную соединением электродов 1 с помощью биконических ниппелей 3 с резьбой. При указанных условиях, применении известного электрода и известного способа удлинения при пропускании по электродной колонне тока сочленения электрод - ниппель колонны, находящиеся внутри печи, нагревались бы до температуры Т₂=2100С.

Применяют предложенный электрод (фиг.2 или 3). Свойства материала электрода и ниппеля аналогичны изложенным в примере 1. Внутрь электрода в процессе предварительной сборки вводят медный стержень 5.

С использованием уравнения (3) при, например, T_м=1700С и приведенных сведениях о физических свойствах графита и меди, принимают диаметр продольного сквозного отверстия в ниппеле равным:

Унифицируют параметры ниппеля и принимают по аналогии с примером 1 значение d₄=240 мм.

Принимают: d₅"=229 мм, d₁₁=245 мм, d₁₀=270 мм, d₅"=258 мм; объем полостей 6 и 7 считают примерно одинаковым и равным 2500 см³ для каждой полости.

При указанных параметрах с использованием неравенств (1) и (2) назначают линейные размеры h₅", h₅", h₁₁ (при наличии полости 11) и h₁₀, гарантированно обеспечивая неравенство h_м<h.

В конечном итоге получают эффект, аналогичный описанному в примере 1. При этом за счет увеличения значения диаметра отверстия в ниппеле до d₄=240 мм получают значения T_м<1700С. Попадание меди в плавку при разрушении (износе) электрода не опасно, так как медь входит в химический состав стали.

В совокупности, реализацией предлагаемого способа периодического удлинения электрода электродуговой печи, электрода для его осуществления и способа предварительной подготовки электрода существенно снижают сопротивление соединения электрод - ниппель прохождению электрического тока, улучшают распределение температуры по поперечному сечению электрода в этом наиболее ответственном участке электродной колонны. Совокупностью указанных технических достижений устраняют основные причины низкой стойкости электродов из-за трещин, разрывов и поломок.

Таким образом, реализация предлагаемого способа периодического удлинения электрода электродуговой печи, электрода для его осуществления и способа предварительной подготовки электрода позволяет снизить расход электрода на тонну выплавляемой стали, а при необходимости повысить силу тока на тяжеловесных электрических печах.