CN1132507C - 用于冶金容器的电极和冷却件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于冶金容器的电极或冷却件，备有至少一个空腔(18)和至少一个通过往该空腔内喷洒冷却介质进行冷却的冷却装置(10，12，13)。本发明的特征是，在该空腔(18)内至少装有一个收集装置(11)用以接收落入空腔(18)内的金属熔体。空腔(18)因此可以嵌入到炉壁内并相对较近地紧挨金属熔体安装。在金属熔体落入到电极或者冷却件内时该收集装置防止了炉体的破坏，并降低了被金属熔体所封闭的水可能会引起的爆炸危险。

Description

用于冶金容器的电极和冷却件
技术领域
本发明涉及一种用于冶金容器的电极以及用于冶金容器壁上的冷却件，该电极或冷却件具有一个空腔和一个通过往该空腔内喷洒冷却介质(液体或者液/气混合物)进行冷却的冷却装置。
本发明的另一主题是一种具有至少一个本发明所提供的电极的直流电弧熔炉。
背景技术
在制造电炉钢的冶金容器中，例如直流电弧熔炉中，嵌入到容器的耐火炉衬中并穿过该炉衬的电极(底部电极)作为阳极用来产生与熔融金属的电连接。电极与金属熔体相接触的部分经受高温热磨损。因此已经提出了许多用于底部电极的冷却装置。
例如DE-A-3835785提出了一种冷却套管，该套管套在自容器壁向外伸出的电极部分并冷却。这种冷却效能很小，因为电极只有很小的部分并且是远离熔融金属的电极受热接触面的一部分得到冷却。因此电极相当迅速地开始熔化，其坚持的时间很短。更换电极费用昂贵，因为新的电极必须嵌入到炉壁的耐火材料中。
为此已经提出(DE-B-4026897，DE-A-4335065)，在电极体内装一空腔，该空腔通过喷洒水来进行冷却。出于安全考虑，该空腔远离与金属熔体相接触的电极部分，位于炉壁的外部。该大间距是为了保证，在电极冷却失败时或者电极受到异常热负荷时，电极不致熔化到使金属熔体落进该空腔内的程度。金属熔体与冷却水的接触会导致爆炸性反应，尤其是当水被金属熔体封闭时，因为其后产生的蒸发和水蒸气的膨胀会将熔化金属爆裂。而且水的化学分解和紧接着的爆鸣气反应都不可避免。此外金属熔体落进空腔内将意味着熔炉由于电极和空腔烧穿而发生拽漏损坏。
出于这种安全考虑而选择的在被冷却空腔与金属熔体之间的该大间距，造成了冷却效果不理想，因此同样使电极磨损严重。
此外还要求冷却冶金容器(例如电弧熔炉)的特别受热负荷的壁部分，以减少容器壁的磨损。这里出于上述的同样理由，水冷却是难以解决的，尤其是存在上述的爆炸危险。如果在异常工作条件下金属熔体穿过容器壁落入这样一个冷却件中，则由于此烧穿跌落该容器有可能拽漏损坏。
发明内容
本发明目的在于，提供一种上述形式的电极或冷却件，该电极或冷却件有一极为有效的冷却装置并且满足安全要求。
本发明是这样实现该目的的，即用于冶金容器的电极，备有至少一个空腔和至少一个通过往该空腔内喷洒冷却介质进行冷却的冷却装置，其特征是，在冷却腔内装有至少一个用来落进空腔的冷却介质通过并且挡住金属熔体的收集装置，该收集装置备有待排出冷却介质的渗出口。
在本发明范围内，“喷洒”一词是指冷却介质在空腔内的任何一种分布形式，只要在该分布形式下空腔内部的至少一部分可以被冷却介质冷却。最好借助一个或多个喷嘴细密地喷洒。冷却介质最好采用水或水/空气混合物。同样可以采用其他冷却介质。通过采用液态钠作冷却剂可以达到特别高的冷却效果。
用于接收落进来的金属熔体的收集装置是指这样一种装置，该装置能阻止或至少减缓落进空腔内的金属熔体沿冶金容器外壁的方向继续流出。如果采用钠作冷却剂，则该收集装置的形式必须不妨碍或只是轻微妨碍受热的钠回流。
“冶金容器壁”一词可广义理解，包括所有的壁如底部，侧壁，顶盖等等。
本发明提出用于冶金容器壁的冷却件，其特征是，备有至少一个空腔和至少一个通过往空腔内喷洒冷却介质进行冷却的冷却装置，其特征是，在该空腔内至少装有一个用来落入空腔的冷却介质通过并且挡住金属熔体的收集装置，并收集装置有一个用于待排出冷却介质的流出口。
根据本发明的电极或冷却件，空腔可以深插到容器壁的耐火炉衬内并紧靠炉衬的指向熔融金属的端部而没有任何安全风险。如果在异常不利的工作条件下突然出现电极严重熔融，致使金属熔体落进空腔内，则通过收集装置可以挡住金属熔体，从而避免了熔炉通过该电极的拽漏损坏。本发明认识到，由于在喷洒冷却过程中所用水量较少，令人意外地，不存在由金属熔体与喷雾接触引起的爆炸危险。收集装置的形式应只是轻微地妨碍冷却介质的回流。这样在熔融金属落进相应的空腔部分时，可能仍然存在的冷却介质可以流出或者排出。以这种方式防止了被收集装置挡住的金属熔体封闭住一定量的会导致爆炸危险的水。
根据本发明的冷却件可以(主要在特别受热负荷的部位)嵌入到容器壁内，在距离容器壁-熔融金属的接触面很小的间距下发挥其冷却作用。如果在工作故障时发生金属熔体烧穿容器壁跌落到冷却件内时，该金属熔体可由根据本发明提供的收集装置阻挡住。
如果采用水或者水/空气混合物作冷却介质，工作条件最好这样选择，即水在遇到待冷却的空腔内壁时大部分或全部蒸发。这样有两个好处，一是不仅可以利用水的热容量进行冷却，而且可以利用水的水-水蒸气相位过渡中的更多的蒸发热来进行冷却，因而该装置可以在相对较少的冷却水量下达到较高的冷却效果。如果在异常工作条件下出现金属熔体烧穿落进空腔内的情况，则在该烧穿前一刻空腔内温度已经升到很高，致使全部的水实际都蒸发了，金属熔体在烧穿之后不再能遇到喷洒的水，而是遇到水蒸气。这意味着再度降低了爆炸危险。因此工作条件应这样设置，在正常工况下，喷洒的水或其大部分在遇到空腔壁时已经蒸发，从而再次提高安全性。
适当地采用一负压源例如一真空泵将自空腔流出的受热水和/或水蒸气吸走。泵的抽吸功率可以选择得比排出喷洒水所必需的高一些。通过附加一个入口则可以在需要时通入辅助空气，从而有助于排出冷却介质。因此可以保证在收集装置上不会形成水的聚集。
根据本发明的电极，收集装置适当地做成使空腔横截面沿电极主轴逐渐缩小的形式。电极主轴是电极穿过容器壁的纵轴。空腔的横截面沿该主轴逐渐缩小意味着，空腔在垂直于该主轴的平面内的横截面缩小。这种横截面逐渐缩小阻止或制止了相对冷却介质更粘滞的金属熔体继续流动。横截面逐渐缩小宜这样设计，自由横截面被分成许多小的横截面平面。例如收集装置可以有一开缝板或孔眼板。根据本发明，宜设有排出冷却介质的通口，这种开口在孔眼板上就是板上的孔眼，或者缝隙形。下面谈到的孔眼板，可以理解为所有带有适于流通冷却介质的开口如孔眼，缝隙等的板。
孔眼板不妨碍进入空腔内的冷却介质的回流，但是可以阻挡落进来的金属熔体，一方面从机械角度通过横截面面积的逐渐减小，另一方面从热学角度通过板的热容量。该孔眼板被该熔融物加热，同时又将该熔融物的前方部分冷却，致使该熔融物或者凝固或者至少变得粘滞，使其不能穿过孔眼板的开口。为提高安全性，可以布置多个连续安装的收集装置。如果该收集装置(比如孔眼板)用一种熔点高于金属熔体温度的材料制成将很有好处。在用于熔融钢的冶金容器中，收集装置可以用例如优质钢板制成，板的厚度可以达例如30mm。
在该电极中，该空腔最好具有平行于电极主轴的最大延伸长度。空腔做成例如柱形，柱的正端面做成帽形，正对着电极与金属熔体相接触的端部。该空腔可以深插到容器壁内及其耐火衬层内，空腔正端面到伸入容器内腔的电极端部之间距离只需要几厘米(例如5到10cm)。这样可以实现高效的冷却。
根据发明目的，在空腔正对着冶金容器内腔的端部装有至少一个喷嘴用于喷洒冷却物质。借此方式特别有效地冷却了该受高度热负荷的空腔部分。在该电极中，借助一个主要沿空腔主轴方向并穿过该空腔的管将冷却剂输送到喷嘴。该管除了其主要功能即输送冷却介质外，同时使空腔横截面变小，因而构成收集装置的一部分。
根据发明目的，该管做成厚壁金属管。其外径可达(柱形)空腔内径的例如大约30-70％。厚壁意味着，金属管具有高热容量因而有助于迅速冷却和凝固可能跌落进来的金属熔体。
收集装置或者其部分(例如孔眼板)可以将该管支撑在空腔内。如果收集装置具有孔眼板，则该收集装置最好这样倾斜安装，即顺着该装置流下的仍是液体的冷却介质不漏过通口，导向空腔壁，目的是加强空腔壁的冷却效果。
空腔壁宜由一种良导热材料构成，例如铜或者一种铜合金。例如该空腔可由一个带帽形封闭端的铜缸包围。该帽形封闭端朝向容器内壁。
铜空心缸的该端面封闭头上可连接一金属体，该金属体伸入到冶金容器的内腔。此外较有利的还涉及一个装(例如焊接，夹卡或冲压)在铜缸上的铸钢罩或铜罩。铜罩和铜缸可以相互连成一体。在电极运作时，金属熔体熔融铸钢罩直到达到热平衡。以此方式形成所谓炉底钢结块作为电极封闭端，该端部根据热负荷和熔融金属的温度可大可小。铜罩相对铸钢罩具有更好的导热性，因此同样可以在其上通过凝固的钢形成炉底钢结块。采用铜罩时，由于该材料更高的导热性能，可以将喷洒冷却的空腔安装得离熔融金属更远一些，作为进一步的安全措施，因此可以在熔融金属和水冷却的空腔内表面之间有一个更大的安全间隔。在该空腔内可以安装一个压力传感器。如果钢烧穿进入空腔内，压力发生了变化，则会马上中断水的输送。
根据本发明的电极或冷却件可有一个或多个温度传感器。特别有利的是，一个温度传感器安装在空腔的端面内壁，另一个安装在相邻的空腔外部的电极体(铸钢罩)内。然后通过差值测量，可以确定熔融金属的温度。在冷却件中，温度传感器可以安装在例如最好用铜或钢制成的冷却件的壁内或旁。
根据本发明还可以备有一个充填料压气运输管或者喷枪用来将固体，液体和/或气体引入到冶金容器的内腔中。例如通过此可以将氧气引进来用以氧化熔融金属中的杂质或者碳粉例如钢的渗碳。该充填料压气运输管适当冷却，较有利的方式是装在电极中冷却介质的输送管内部并与之同轴，因此被该冷却介质围绕。
本发明提供的电极的应用并不限于将电流输送到金属熔体。该电极还可以仅仅用作下述目的，即冷却冶金容器的耐火内衬，提高其耐久性。为此目的，该电极以与其用作输送电流目的同样的方式安装在该冶金容器的耐火内衬中。
本发明提供的电极当只用作冷却目的时不需要改变结构，只要把用于输送电流的装置去掉即可。权利要求的保护范围也包括一个本发明提供的仅仅用于冷却目的而设计的结构。
此外本发明的目的涉及一直流电弧熔炉，其具有至少一个本发明提供的电极和/或本发明提供的冷却件。
下面借助附图说明本发明的两个实施例。图示为：
图1是根据本发明的电极的纵剖图；
图2是根据本发明提供的第二种电极的纵剖图，该电极另外有一个充填料压气运输管，用于将物质引入到熔炉内腔；
图3是本发明提供的用于冶金容器壁的冷却件的纵剖图，该冷却件另外备有一个用于金属熔池的底池喷嘴；
图4是该冷却件的横截面图。
图1所示为嵌入到直流电弧熔炉底部的本发明提供的电极。熔炉壁是多层结构。其具有一金属外壁1，一用耐火材料制成的安全衬层2以及另一衬层3(耐火炉衬用料“电枢保护所”)。
一整体用4表示的根据本发明的电极穿过该熔炉壁。该电极具有一铜制的空心缸5，该缸伸入到炉壁内，端部是一帽形或半球形的正面封闭端6，距炉衬用料3的内侧大约50mm。铜缸5在端面6处焊接钢罩7，该钢罩伸入到熔炉的内腔。在该钢罩7的下方铜缸5由一用耐火材料制成的锥形(或者可以说成柱形)套管8所环绕。通过一绕在铜缸5上的接线柱9将电流输送到该电极。
铜缸5内部同轴安装一厚壁钢管10，该钢管通过5个连续安装的环形孔眼板11与铜缸5的内壁连接，并借助该孔眼板11支撑。该管10借助输入管道12供给冷却介质(最好是水或空气/水混合物)。该管10在正对着端面部6的一端具有喷嘴13，借助此喷嘴，如14所示，冷却介质呈锥形喷向端部6的内表面上。铜缸5在与端部6相对的一端有一个排流口15用以排出受热的冷却介质。该排流口15可以连接一负压源(真空泵或一下流管的抽吸作用)，以促进抽出冷却介质。当该冷却介质或其部分必须在与正面端部6的内表面相遇时蒸发，接着不是以液体形式，而是气体形式通过排流口15排出时，排流口15与负压源相连接则特别有意义。温度传感器(热敏元件)16，17一个测量铸钢罩7内的温度，另一个测量铜缸5的端部6的内壁温度。
在熔炉和电极工作时，冷却介质通过导管12输入管10，再借助喷嘴13喷洒在铜缸5的内腔。受热的冷却介质主要沿铜缸6的内壁经孔眼板11向下流动，经排流口15排出。位于熔炉内的金属熔体(通常是熔融钢)将钢罩熔化，直至达到热平衡。产生的炉底钢结块可漫延到炉衬用料3。由于通过冷却介质喷洒产生的高效冷却作用和端部6距熔融物的极小间隔，正常工作条件下，钢罩或者炉底钢结块7不会完全熔化。
必要时，与排流口15相连的真空泵可有高于排出喷洒水量所需功率的输送功率。根据本发明目的，供水管10则被另一管(图中未示出)同轴包绕，通过在两管之间形成的间隙和图中同样未示出的输送管道可以将外部空气输入到被缸5包围的空腔内，以保证压力平衡。
只有当冷却剂供应减少时或完全中断时，钢罩7可能会熔化，致使金属熔体直接与铜缸5的端部6相接触。此时如果铜缸5开始熔化，并且金属熔体侵入其内腔(空腔18)中，金属熔体遇到厚壁管10和安装在最上部的孔眼板11。管10和孔眼板11一方面从机械角度通过铜缸5的内腔的横截面逐渐缩小阻止了金属熔体的继续流动，另一方面通过管和孔眼板自身较高的热容量冷却该金属熔体，致使金属熔体流在前方的部分或者完全凝固或者变得粘滞而无法穿过最上面的孔眼板11。但在例外的情况下，如果金属熔体烧穿第一层孔眼板11，下面还有四层孔眼板用以接收熔融物。因此可以保证，决不可能发生金属熔体烧穿铜缸5至炉壁1，2，3的外部区域，使相对低熔点的铜缸在排流口15区域熔化，紧接着熔炉多多少少完全拽漏损坏。孔眼板11由例如钢制成。
图2所示为本发明的一实施例，该实施例中附加了一个充填料压气运输管19用来将固体，气体和/或液体引入到金属熔体中。该充填料压气运输管19装在铜缸5和管10内并同轴延伸，其在管10内的部分中环流着冷却剂，并由此冷却。为冷却铜管5的端部区6，在该实施例中安装有两个或多个分布于管10周向的喷嘴13。
该示出的实施例中，孔眼板11和管10共同构成根据本发明的收集装置。
直流电弧熔炉通常装有多个(例如六个)根据本发明的电极作为阳极，其位置在炉底中央阴极下方区域，在一个例如大约一米的圆的周向上以等角间隔分布。
如果一本发明提供的电极不是用来输送电流，而是仅仅用作熔炉的耐火内衬的冷却件，则只要去掉接线柱9，使电极不再与电源相接。则该电极只用于冷却功能，以提高耐火内衬的耐用性，尤其是在高热负荷的部位。
图3和4所示为本发明提供的用于冶金容器壁的冷却件的另一实施例。在冶金容器(例如一电弧熔炉)的壁20内装有21代表的冷却件。可以在熔炉周向布置多个该种冷却件21，最好在钢池液位22的下部一个区域内。冷却件21的壳23最好用铜或钢制成，通过炉底的套管嵌入到耐火的炉床内衬内。该壳体23包围空腔32。较有利的方式是，冷却件可从外部接近，这样维护或者可能的话更换该冷却件可以无需太高费用。图示的冷却件实施例有一可移动的底池喷枪用来将主要是固体和/或气体的物质引入到金属熔体中。如果在熔炉周围分布多个该本发明提供的冷却件时，通常只有几个冷却件有一个这样的底池喷枪。
在构成收集装置的优质钢板25(下面还要详细说明)内装有8个喷嘴26，其喷洒锥体部分重叠，因此冷却件壳体或套管23的正对金属熔体的部分基本上全部面积都受到冷却介质(最好是水)的作用。在冷却件21受冷却剂作用的该前方部分与金属熔体之间，冶金容器的壁由一厚度100mm的耐火板20组成。该耐火板20有一孔，使底池喷枪24穿过该孔。
由喷嘴26喷出的冷却介质通过一个与一真空泵相连的排出管27排出。与排出管27相连的真空泵的抽吸功率大于吸出回流的冷却水所必需的功率。这样可以阻止水倒流到收集装置，该收集装置还会进一步说明。为了避免因为该提高的抽吸功率而在冷却件21内部产生明显的负压，另外备有一附加管28，通过该管外部空气可以引进来。该管28上装一压力传感器监视冷却件21内部的压力。必要时通过该管28流过的空气量可通过一图中未示出的节流阀调节。
为了达到高冷却效能，根据本发明的冷却件比较近地紧靠金属熔体安装，也就是说，该冷却件仅由一相当薄的耐火壁20与金属熔体隔开。如果在熔炉工作过程中，该耐火板20的厚度由于磨损不断减少，则在冷却件前方会形成上述炉底钢结块形式的凝固钢层。尽管如此，若在异常工作条件下仍然出现金属熔体烧穿落进冷却件21内，下述的收集装置可防止熔炉拽漏损坏。
优质钢开缝板形式的第一收集装置25基本平行于冷却件的正对金属熔体的端面。由此形成阻挡流出的熔融金属的第一道阻挡层。优质钢熔融板25的厚度为30mm。基本垂直于开缝板25的开缝板29，30作为第二收集装置，其安装形式可主要见图4。作为第三道阻挡层是在排出管27前面安装的另一个优质钢开缝板31。
作为收集装置的优质钢开缝板尽管允许流出的冷却水通过，但仍然对侵入冷却件内的金属熔体形成一阻挡层。熔融金属的前部在遇到优质钢板时迅速冷却并凝固。收集装置所采用的优质钢的高熔点另外也起到防护金属熔体烧穿落下的作用。
借助连接在管28上的压力传感器可以监视内腔32的压力。当钢烧穿落进来时，内压发生突变。然后压力传感器立刻阻止水往喷嘴26的输送，从而防止了冷却水到达冶金容器。

Claims (29)

1.用于冶金容器的电极，备有至少一个空腔(18)和至少一个通过往该空腔(18)内喷洒冷却介质进行冷却的冷却装置(10，12，13)，其特征是，在该空腔(18)内至少装有一个用以落入空腔(18)内的冷却介质通过并且挡住金属熔体的收集装置(11)，该收集装置(11)备有待排出冷却介质的渗出口。
2.按权利要求1所述的电极，其特征是，收集装置(11)设计成使空腔(18)的横截面沿电极主轴缩小。
3.按权利要求2所述的电极，其特征是，收集装置至少有一个孔眼板(11)。
4.按权利要求1至3中任一权利要求所述的电极，其特征是，空腔(18)具有平行于电极主轴的最大的延伸长度。
5.按权利要求4所述的电极，其特征是，在空腔(18)正对内腔的端部至少装有一个喷嘴(13)用于喷洒冷却介质。
6.按权利要求5所述的电极，其特征是，借助一个基本沿电极主轴方向通过空腔(18)的管(10)实现冷却介质输送到喷嘴(13)。
7.按权利要求6所述的电极，其特征是，所述管是一厚壁金属管。
8.按权利要求6所述的电极，其特征是，收集装置(11)在空腔内支撑所述管。
9、按权利要求1至3中任一项所述的电极，其特征是，空腔(18)的壁用一种导热性良好的材料制成。
10、按权利要求9所述的电极，其特征是，所述材料可以是铜或者一种铜合金。
11、按权利要求1至3中任一项所述的电极，其特征是，该电极有一个在空腔(18)正对电极空腔的端部(6)上安装的金属体(7)，该金属体伸入到冶金容器的内腔。
12、按权利要求11所述的电极，其特征是，该金属体是一铸钢罩(7)。
13、按权利要求1至3中任一项所述的电极，其特征是，该电极至少有一个温度传感器(16，17)。
14、按权利要求1至3中任一项所述的电极，其特征是，该电极另外有一个充填料压气运输管(19)用来将固体和/或液体和/或气体引入到冶金容器的内腔中。
15、按权利要求14所述的电极，其特征是，该充填料压气运输管(19)具有一冷却装置。
16、按权利要求1至3中任一项所述的电极，其特征是，冷却介质可采用水或者水/气混合物。
17、按权利要求1至3中任一项所述的电极，其特征是，冷却介质可采用钠。
18、直流电弧熔炉，其特征是，该熔炉至少具有一个按权利要求1至17中任一项所述的炉底电极。
19、用于冶金容器壁的冷却件，其特征是，备有至少一个空腔(32)和至少一个通过往空腔(32)内喷洒冷却介质进行冷却的冷却装置(26)，其特征是，在该空腔(32)内至少装有一个用来落入空腔(32)的冷却介质通过并且挡住金属熔体的收集装置(25，30，31)，并收集装置(25，30，31)有一个用于待排出冷却介质的流出口。
20、按权利要求19所述的冷却件，其特征是，所述收集装置至少有一个孔眼板或带缝板(25，30，31)。
21、按权利要求19至20中任一项所述的冷却件，其特征是，在空腔(32)正对冶金容器内腔的部位至少装有一个喷嘴(26)用来喷洒冷却介质。
22、按权利要求19至20中任一项所述的冷却件，其特征是，空腔(32)的壁用导热性良好的材料制成。
23、按权利要求22所述的冷却件，其特征是，所述材料是铜或者一种铜合金。
24、按权利要求19至20中任一项所述的冷却件，其特征是，该冷却件在空腔正对冶金容器内腔的端部安装有金属体，该金属体伸入到冶金容器的内腔内。
25、按权利要求24所述的冷却件，其特征是，所述金属体是一铜罩或铸钢罩。
26、按权利要求19至20中任一项所述的冷却件，其特征是，该冷却件有至少一个温度传感器。
27、按权利要求19至20中的任一项所述的冷却件，其特征是，该冷却件另外有一个充填料压气运输管(24)用来将固体和/或液体和/或气体引入到冶金容器的内腔中。
28、按权利要求19至20中任一项所述的冷却件，其特征是，冷却介质可采用水或者水/气混合物。
29、按权利要求19至20中任一项所述的冷却件，其特征是，冷却介质可采用钠。
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