Электродуговая печь постоянного тока
Полезная модель относится к электрометаллургии, в частности к электродуговой печи постоянного тока, содержащей подовый электрод и средства создания движения ванны расплава. Печь снабжена подовым электродом, выполненным в виде кольца, а токоподвод к нему - в виде пространственной винтовой линии, имеющей по меньшей мере один виток с возможностью ввода по центру ферромагнитного сердечника. Токоподвод может быть выполнен виде пространственной винтовой линии, имеющей витки разного диаметра или плоской спирали с использованием центрального ферромагнитного сердечника и без него.
Полезная модель относится к электрометаллургии, в частности к электродуговой печи постоянного тока, содержащей по меньшей мере один подовый электрод и средства создания движения расплава в ванне.
Известно устройство, содержащее подовый электрод в форме стержня, нижняя часть которого представляет систему токоподводов и систему охлаждения, система токопроводов выполнена из двух и более токоподводов с полостями охлаждения. Система охлаждения состоит из сквозных каналов, выполненных в нижней части стержня с выходными отверстиями, расположенными на противоположных гранях. Система охлаждения содержит также по меньшей мере два коллектора. Один из коллекторов выполнен глухим и перекрывает все выходные отверстия, расположенные на одной грани боковой поверхности. Второй коллектор выполнен двухкамерным по числу токоподводов. Одна из камер перекрывает часть выходных отверстий сквозных каналов, расположенных на грани, противоположной грани с глухим коллектором, и полость охлаждения одного из токоподводов, а вторая камера перекрывает вторую часть выходных отверстий, расположенных на той же грани, и полость охлаждения второго токоподвода. При этом токоподводы могут быть размещены в сквозных гнездах, выполненных в нижней части стержня открытыми со стороны его наружной поверхности. Сквозные гнезда могут быть выполнены с поперечным сечением в форме полуокружности, трапеции или ласточкина хвоста (пат РФ 
2045823, МПК6 H05B 7/11, H05B 7/02).
Такое устройство дает возможность создать надежный электрический контакт между подовым электродом и токоподводами и повысить эффективность теплоотвода простыми конструктивными средствами. При этом съемные коллекторы обеспечивают наиболее эффективное распределение хладагента и подвод его к подовому электроду, а сквозные каналы в подовом электроде легко доступны для чистки. Это значительно упрощает техническое обслуживание. Но выполнение токоподвода в виде стержня не обеспечивает возможности управления перемешиванием металла и снижения влияния электровихревых течений в области подового электрода.
Известна электродуговая печь постоянного тока, которая содержит сосуды для расплава с огнеупорной футеровкой, катодный электрод, установленный в центре крышки сосудов, нижнее анодное устройство, расположенное у электропроводящего нижнего сосуда от стенки сосуда к расплаву. Нижний сосуд соединен с токопроводами в нескольких квадрантах, средства подачи питания включают соединительные пластины для токопроводов, установленные у каждого квадранта на стенке нижнего сосуда. Токопроводы расположены ниже катодного электрода в горизонтальной плоскости, проходя до стенки печи, а катодный электрод соединен с источником выпрямленного напряжения через указанный электрододержатель. Способ питания электродуговой печи постоянного тока, в котором на центральный верхний катод и соединенный с электропроводящим нижним сосудом печи нижний анод подают электрическое напряжение с образованием электрической дуги между катодом и расплавом в нижнем сосуде и воздействуют на электрическую дугу с заданной силой путем создания дополнительных магнитных полей. Для создания дополнительных магнитных полей напряжение на нижний анод подают через несколько квадрантов нижнего сосуда посредством отдельных токопроводов, при этом токи в токопроводах регулируют в соответствии с отклонением дуги (Пат. РФ 2097947 МПК6 H05B 7/20, H05B 7/11, F27D 11/10, F27B 3/08).
Недостатком известной печи является то, что подвод тока к анодному устройству осуществляется токопроводами в нескольких квадрантах через соединительные пластины для токопроводов, установленные у каждого квадранта на стенке нижнего сосуда. Это позволяет свести к минимуму влияние магнитных полей токопроводов на дугу, размещая их непосредственно на высоте расположения дуг, и обеспечивает контролируемую корректировку их отклонения, но не возможности управлять движением расплава в различные периоды плавки и снижать влияние электровихревых течений в области подового электрода.
Известна электродуговая печь постоянного тока, включающая по меньшей мере один подовый электрод и электромагнитное устройство для перемещения ванны, расположенное под днищем печи. Электромагнитное устройство охватывает по меньшей мере один подовый электрод так, что линии электромагнитного поля проходят в основном в направлении продольной оси подового электрода. Через электромагнит протекает ток печи, и в ветвь постоянного тока системы питания электропечи включен дроссель. В случае системы питания электропечи включен дроссель. В случае системы питания электропечи с 12-импульсным выпрямительным устройством электромагнит состоит из двух частей, каждая из которых встроена между равнозначными сборными шинами выпрямителя и подовым электродом и включены они так, что направления магнитных полей обеих частей магнита совпадают. Подовый электрод выполнен в виде нескольких отдельных частей, включенных в электрическую печь параллельно. Каждая часть подового электрода состоит из металлического сердечника и охватывающего его формованного тела с равномерным поперечным сечением. Формованное тело состоит из симметричных половин. (Пат. РФ 2013892 МПК6 H05B 7/20, H05B 7/144).
Недостатком известной дуговой печи постоянного тока является то, что для обеспечения возможности управления движением расплава и снижения влияния электровихревых течений в области подового электрода требуется установка внешнего электромагнита. Электромагнит расположен непосредственно на нижней стороне резервуара печи и охватывает подовый электрод таким образом, что он образует железный сердечник электромагнита. При этом установка электромагнита требует значительных капиталовложений и увеличение потребления электроэнергии.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является дуговая электропечь постоянного тока, содержащая вертикально расположенный катод и подину, выполненную из электропроводной каменной кладки, соединенной с кольцевым медным токоподводом, расположенным с внешней стороны подины. Печь снабжена эксцентрично расположенным выпускным отверстием. Электропроводная каменная кладка выполнена с изменяющимся по окружности относительно катода электрическим сопротивлением, уменьшающимся по окружности относительно катода электрическим сопротивлением, уменьшающимся со стороны печи, противоположной выпускному отверстию. (Пат. РФ 2070777 МПК6 H05B 7/20, H05B 7/06, H05B 7/11, F27B 3/08, F27B 3/14, F27B 3/16).
В известной дуговой печи постоянного тока отсутствует возможность управления перемешиванием расплава в различные периоды плавки.
В основу полезной модели положено решение следующих задач:
- достижение возможности управления движением расплава в различные периоды плавки;
- снижение влияния электровихревых течений в области подового электрода.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении настоящей полезной модели, заключается в обеспечении возможности управления движением расплава в различные периоды плавки и снижение влияния электровихревых течений в области подового электрода.
Указанный технический результат достигается за счет того, что электродуговая печь постоянного тока, содержит вертикально расположенный катод и подину, выполненную по крайней мере в части в виде кольцевой электропроводной каменной кладки, соединенной с кольцевым медным токоподводом, расположенным с внешней стороны подины.
Согласно полезной модели корпус печи корпус печи выполнен из немагнитного металла. Токоподвод, выполненный из медной шины и содержащий по крайней мере один и более витков, имеет вид пространственной винтовой линии с возможностью ввода по ее оси сердечника из ферромагнитного материала.
При такой конструкции электродуговой печи постоянного тока обеспечивается:
- возможность управления движением расплава в различные периоды плавки;
- снижение влияния электровихревых течений в области подового электрода;
- равномерность тепловой нагрузки на корпус и подину печи.
Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнение:
- токоподвод выполнен в виде пространственной винтовой линии, имеющей витки разного диаметра. Это обеспечивает возможность плавного регулирования величины магнитного поля и управления движением расплава при изменении тока.
- токоподвод выполнен в виде плоской спирали. Это позволяет сделать конструкцию токоподвода компактной.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид печи с токоподводом, в виде пространственной винтовой линии, а на фиг.2 показан кольцевой токопровод выполненный в виде плоской спирали.
Дуговая печь постоянного тока содержит корпус 1 из немагнитного металла (фиг.1), катод 2, кольцевой токоподвод 3, выполненный из меди, образующий часть подины. Катод 2 находится в центре над расплавом 4. На подине, преимущественно состоящей из немагнитной стали, предусмотрена огнеупорная изолирующая каменная кладка 5. К кольцевому токоподводу 3 примыкает непосредственно электрически связанная с ним кольцевая часть кладки 6, состоящая их графитовых кирпичей. К этой кольцевой части 6 примыкает другая часть кольцевой каменной кладки 7, состоящая из электропроводного огнеупорного материала и выполненная преимущественно из карбон-магнезитовых кирпичей. Обе части кладки 6 и 7 связаны друг с другом за счет уступов, в результате чего достигается плотное соединение. Центральная область печи, которая находится в непосредственном контакте с расплавом 4, содержит набивную массу 8, которая, как правило, состоит из магнезита. Благодаря уступчатому исполнению электропроводной огнеупорной кольцевой каменной кладки 7 в направлении к центральной области, образованной монолитной набивной массой 8, достигается плотное соединение обеих областей. С внешней стороны корпуса 1 расположены медные вставки 9, которые соединены с кольцевым токоподводом 3 и с шиной токоподовода 10. Печь снабжена источником питания постоянного тока 12 и приводом 13 для перемещения ферромагнитного сердечника 11 в вертикальном направлении.
Шина токоподовода 10 выполнена по пространственной винтовой линии, имеющей витки разного диаметра с возможностью ввода по ее центру сердечника из ферромагнитного материала 11.
Шина токоподвода 10 может быть выполнена в виде плоской спирали с использованием центрального ферромагнитного сердечника 11 и без него (фиг2).
Дуговая печь постоянного тока работает следующим образом. Электропитание дуговой печи постоянного тока осуществляется от источника питания 12 постоянного тока. Его отрицательный полюс соединяется с катодом 2, а положительный полюс присоединен к шине токоподовода 10 через медные вставки 9 к кольцевому токоподводу 3 и примыкающую непосредственно электрически связанную с ним кольцевую часть кладки 6, соединенную непосредственно с другой частью каменной кладки 7, к расплаву 4. Между катодом 2 и шихтой возникает электрическая дуга, начинаются процессы нагрева и плавления, образуется расплав 4, который нагревается дугой сверху. Под пятном дуги развивается интенсивное течение металла и за счет возникновения электровихревого течения под воздействием электромагнитных сил. Холодный металл набегает под дугу и уходит внутрь расплава 4. Для выравнивания температуры расплава 4 и равномерного распределения легирующих веществ по объему ванны производится вынужденное перемешивание металла. Взаимодействие осевой составляющей магнитного поля, создаваемое шиной токоподвода 10, выполненной виде винтовой линии и ферромагнитного сердечника 11, с радиальной составляющей тока вызывает вращение расплава 4. Кондуктивное перемешивание металла в ванне дуговой печи постоянного тока возникает за счет взаимодействия протекающих через расплав 4 токов с внешним магнитным полем, обеспечивая равномерность тепловой нагрузки на корпус и подину печи. Интенсивность электромагнитного перемешивания по ходу плавки регулируется вводом ферромагнитного сердечника 11 в токоподвод 10, выполненного в виде винтовой линии и имеющего по меньшей мере один виток, при помощи механизма узла перемещения ферромагнитного сердечника 11. Введение ферромагнитного сердечника 11 позволяет регулировать кондуктивные течения, вблизи кольцевого подового электрода, выполненного из графитовых кирпичей 6, и в объеме ванны. Кроме того, интенсивное перемешивание позволяет разрушать электровихревые течения, возникающие в области кольцевой части кладки 6 и 7, образующих подовый электрод.
Дополнительную возможность плавного регулирования величины магнитного поля и управления движением расплава при изменении тока обеспечивает токоподвод 10, выполненный в виде пространственной винтовой линии, имеющей витки разного диаметра.
Токоподвод 10, выполненный в виде плоской спирали, позволяет сделать конструкцию токоподвода 10 компактной.
Таким образом, в результате взаимодействия катода 2, кольцевого подового электрода, образованного из кольцевых частей кладки 6 и 7, и ферромагнитного сердечника 11 осуществляется управление движением расплава в различные периоды плавки и снижается влияние электровихревых течений в области подового электрода.
В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также решений с указанной совокупностью отличительных признаков.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемая электродуговая печь постоянного тока позволяет управлять движением расплава в различные периоды плавки и снижать влияние электровихревых течений в области подового электрода, является работоспособным и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. Соответственно заявляемая электродуговая печь постоянного тока может быть применена в электрометаллургии и соответствует условию «промышленной применимости».
1. Электродуговая электропечь постоянного тока, содержащая вертикально расположенный катод и подину, выполненную по крайней мере с частью в виде кольцевой электропроводной каменной кладки, соединенной с кольцевым медным токоподводом, расположенным с внешней стороны подины печи, отличающаяся тем, что корпус печи выполнен из немагнитного металла, токоподвод, выполненный из медной шины и содержащий по крайней мере один и более витков, имеет вид пространственной винтовой линии с возможностью ввода по ее оси сердечника из ферромагнитного материала.
2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что токоподвод выполнен в виде пространственной винтовой линии, имеющей витки разного диаметра.
3. Печь по п.1, отличающаяся тем, что токоподвод выполнен в виде плоской спирали.
