CZ286431B6 - Electrode with automatic carbon burning - Google Patents

Description

Elektroda se samočinným vypalováním uhlíku

Oblast techniky

Předložený vynález se týká trvale doplňované uhlíkové elektrody se samočinným vypalováním k použití v elektrických tavících pecích.

Dosavadní stav techniky

Trvale doplňovaná elektroda se samočinným vypalováním zpravidla obsahuje svisle uspořádané elektrodové pouzdro zasunuté do pece otvorem ve střeše nebo víku. Homí konec elektrodového pouzdra je otevřený, aby bylo možno přidávat nespečenou uhlíkovou účinnou hmotu elektrody, která po zahřátí změkne a taje, načež se speče do tuhé uhlíkové elektrody vlivem tepla vyvinutého v účinné hmotě v oblasti přívodu elektrického pracovního proudu do elektrody. Jelikož se v peci elektroda spotřebovává, spouští se elektroda dolů a na pouzdro se montují nové sekce vzhůru elektrodového sloupce a přidává se nespečená elektrodová účinná hmota.

Elektroda uvedeného druhu se zpravidla vybaví vnitřními svislými kovovými žebry, které se připevní k vnitřnímu povrchu elektrodového pouzdra, jež směřují radiálním směrem ke středu elektrody. Jakmile se nahoře elektrodového sloupce namontuje nový úsek elektrodového pouzdra, svaří se žebra s žebry v dolním pouzdru za účelem docílení průběžných žeber ve svislém směru. Žebra slouží k vyztužení vypalované elektrody, k přívodu elektrického proudu a k přívodu tepla do účinné hmoty elektrody v radiálním směru během vypalovacího procesu. Aby spotřeba elektrody se vykompenzovala, spouští se elektroda dolů do pece pomocí udržovacího a kluzného zařízení.

Jestliže se použijí obvyklé elektrody tohoto druhu, roztaví se elektrodové pouzdro a vnitřní žebra v průběhu ubývání elektrody v peci. Kovový obsah pouzdra a žeber se tudíž v tavící peci přenáší do vyrobeného tovaru. Poněvadž elektrodové pouzdro a vnitřní žebra jsou obvykle zhotoveny z oceli, nelze pro elektrické taviči pece použít normální trvale doplňované elektrody k výrobě křemíku nebo fero-křemíku o vysokém obsahu křemíku, neboť obsah železa ve vyrobeném tovaru by byl nepřijatelně vysoký.

Již v roce 1920 bylo navrženo, aby se teplo přivádělo do trvale doplňovaných elektrod vložkami z předem vypálených uhlíkových těles do nespečené účinné hmoty elektrod. V norském patentu 45408 je vylíčen postup výroby trvale doplňovaných elektrod, kde předem pálená uhlíková tělesa se umístí v okolí elektrod a jejich poloha se udržuje nepálenou uhlíkovou účinnou hmotou. Uhlíkové vložky nejsou v elektrodovém pouzdru upevněny, ale pouze jejich poloha se udržuje nepálenou uhlíkovou účinnou hmotou, a když se elektroda vypaluje vypalovanou účinnou hmotou elektrody. Za účelem udržení uhlíkových vložek v jejich poloze před, v průběhu a po vypálení účinné hmoty elektrody, je nutné, aby bylo každé pouzdro úplně naplněno horkou tekutou účinnou hmotou elektrody, když se k vršku elektrodového sloupce montuje nová délka pouzdra, neboť poloha uhlíkových vložek vůči postranní stěně pouzdra je udržována pouze účinnou hmotou elektrody. Takovýto postup přidávání elektrodové účinné hmoty je nežádoucí, jelikož zdraví nebezpečné plyny, které se vyvíjejí z dehtového/asfaltového pojivá v elektrodové účinné hmotě, se vypařují vrchem elektrodového sloupce a mohou nepřípustně ohrožovat zdraví obsluhujících. Poměr radiální délky a tloušťky uhlíkových vložek podle norského patentu je menší než 1:2. Protože do středu uhlíkových vložek se přivádí teplo pouze po krátké vnitřní cestě do elektrodové účinné hmoty, je následkem toho velmi nesnadné zcela roztavit střední část elektrody. Uhlíkové vložky podle norského patentu 45408 nejsou upevněny na pouzdru a kromě toho poměr mezi radiální délkou a tloušťkou je menší než 1 : 2, následkem čehož nemohou tyto uhlíkové vložky plnit funkci stejným způsobem jako vnitřní žebra, jichž se používá v obvyklých

-1 CZ 286431 B6 trvale doplňovaných elektrodách. Z uvedených důvodů způsob podle norského patentu 45408 byl shledán prakticky nepoužitelným.

Nicméně postupem doby bylo navrženo větší množství modifikací trvale doplňovaných uhlíkových elektrod s vnitřními ocelovými žebry, aby se odstranilo znečistění v peci vyrobeného křemíku železem vlivem železa v pouzdru a v žebrech.

V norském patentu 149451 je vylíčena trvale doplňovaná elektroda se samočinným vypalováním, jejíž pouzdro bez vnitřních žeber obsahuje účinnou hmotu elektrody, která se vypaluje nad místem, kde se do elektrody přivádí elektrický pracovní proud v taviči peci, a kde elektrodové pouzdro se odebírá po vypálení elektrody, avšak dříve než se elektroda spustí dolů do polohy, v níž se napájí elektrickým pracovním proudem. Tímto postupem se vyrábí elektroda bez pouzdra a bez vnitřních žeber. Tento druh elektrody se používal v tavících pecích pro výrobu křemíku, ale byl nevýhodný ve srovnání s běžnými předem vypalovanými elektrodami tím, že byla nákladná instalace zařízení k vypalování elektrody a odebírání pouzdra z elektrody.

V americkém patentu 4,692,929 je vylíčena trvale doplňovaná elektroda použitelná v elektrických pecích k výrobě křemíku. Elektroda obsahuje permanentní kovové zapouzdření bez vnitřních žeber a s nosnou konstrukcí elektrody tvořené uhlíkovým fíbrovým tkanivem kde účinná hmota elektrody se vypálí kolem nosné konstrukce a kde pálená elektroda je přidržována nosnou konstrukcí. Nevýhoda této elektrody spočívá v tom, že nad vrchem elektrody musí být uspořádáno přidržovací zařízení, jež drží elektrodu pomocí nosné konstrukce obsahující uhlíková fíbrová vlákna. Dále může být obtížné, aby elektroda proklouzla dolů trvalým pouzdrem při jejím ubývání.

V americkém patentu 4,575,856 je popsána elektroda se stálým pouzdrem bez vnitřních žeber, kde účinná hmota elektrody se vypálí kolem centrálního grafitového jádra a elektroda je grafitovým jádrem držena. Nevýhody této elektrody jsou stejné jako v případě amerického patentu 4,692,929, a krom toho grafitové jádro se rozlamuje, jestliže na elektrodu působí radiální tlaky.

Shora zmíněné způsoby výroby trvale doplňované elektrody se samočinným vypalováním bez vnitřních žeber jsou všechny nevýhodné v tom, že nemohou být použity pro elektrody o průměru větším než 1.2 m, aniž by se podstatně nezvýšila pravděpodobnost jejich rozlomení. Protikladem toho je používání normálních trvale doplňovaných elektrod se samočinným vypalováním o průměrech dosahujících až 2.0 m.

Přes shora zmíněné způsoby a zařízení k výrobě trvale doplňovaných elektrod se samočinným vypalováním za účelem odstranit znečistění vyrobeného produktu železem v taviči peci, existuje stále ještě potřeba jednoduché a spolehlivé trvale doplňované uhlíkové elektrody se samočinným vypalováním, kde by nevýhody dosavadních elektrod mohly být překonány. Předmětem předloženého vynálezu je tedy provedení trvale doplňované uhlíkové elektrody se samočinným vypalováním bez vnitřních ocelových žeber, avšak kde by byly překonány nevýhody elektrody popsané v norském patentu 45488.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je elektroda se samočinným vypalováním uhlíku vytvořená k přímému spojení s pecí kde se spotřebovává, přičemž elektroda obsahuje vnější pouzdro zhotovené z elektricky vodivého materiálu, opatřené vnitřními žebry a kde do pouzdra je přiváděna uhlíková nevypálená účinná hmota, která je vypálena do tuhé elektrody přívodem elektrického proudu, jehož podstatou je, že vnitřní žebra tvoří pevné uhlíkové stěny upevněné uvnitř pouzdra, jejichž poměr radiální délky a tloušťky je větší než 5:1.

-2CZ 286431 B6

Uhlíkové stěny mohou být zhotoveny z grafitu nebo z předem vypáleného uhlíkového materiálu a mohou být vyztuženy uhlíkovými vlákny z fíbru nebo jiného materiálu, který by neznečišťoval produkt vyrobený v tavící peci. Poměr mezi radiální délkou a tloušťkou uhlíkových stěn se stanoví na základě druhu použitého uhlíkového materiálu a pevnosti uhlíkového materiálu.

Jsou-li uhlíkové stěny zhotoveny z předem páleného uhlíkového materiálu, je s výhodou poměr radiální délky uhlíkových žeber a tloušťky větší než 8:1. Jsou-li uhlíkové stěny zhotoveny z grafitu, je výhodný poměr radiální délky uhlíkových žeber ku tloušťce větší než 15:1.

Podle preferovaného provedení podle vynálezu jsou uhlíková žebra připevněna k pouzdru pomocí šroubů a/nebo jsou přilepena.

Pouzdro s uhlíkovými žebry se vyrábí v podstatě stejným způsobem jako pouzdro trvale doplňovaných elektrod s ocelovými žebry.

Každá délka pouzdra se může tedy vyrábět po sekcích, přičemž celkový počet sekcí se rovná počtu uhlíkových žeber. Každá sekce pouzdra je nejméně na jedné ze svých svislých stran opatřena dovnitř zahnutým prodloužením. Při sestavování celého pláště se připevní uhlíková žebra mezi svislé příruby sousedících sekcí pomocí šroubů a matek a/nebo slepením. Alternativně lze každou délku pouzdra vyrobit ze svařovaných válcovitých stěn se svislými přírubami uvnitř svařenými pro upevnění uhlíkových žeber.

Uhlíková žebra mají svislá prodloužení, jejichž délka se rovná délce každé délky pouzdra. Uhlíková žebra mají výhodně délku, která přesahuje délku pouzdra až o 50 cm. Při montáži nové délky pouzdra na vrchu elektrody přesahují uhlíková žebra v nové délce pouzdra délku dolního pouzdra. Když se vypaluje elektrodová účinná hmota v oblasti mezi dvěma délkami pouzdra, dosáhne se tím svislého styku mezi uhlíkovými žebry tímtéž způsobem jako u ocelových žeber normálních trvale doplňovaných elektrod.

V elektrodě podle předloženého vynálezu mají žebra z uhlíkových stěn dobrou elektrickou vodivost a elektrický proud k napájení elektrody se zavede dovnitř do nepálené elektrodové účinné hmoty. Je to velmi důležité z toho důvodu, že se tím zajistí rychlé vypálení elektrody, například po zlomení elektrody.

Při velkých průměrech elektrod je potřeba, aby žebra stabilizovala proud a tepelné podmínky v okolí elektrody. Kromě zvyšování proudu a převodu tepla musí žebra unésti váhu elektrody. Kovová žebra běžných trvale doplňovaných elektrod se taví a rozpouštějí při teplotě asi 1000 °C, zatímco uhlíková žebra elektrody podle vynálezu zajišťují vyztužení po celé cestě dolů až ke špičce elektrody. Elektrodu podle předloženého vynálezu lze tudíž použít u průměrů mohutných elektrod než jaké mají dnes používané elektrody v tavících pecích k výrobě křemíku.

Při použití žeber o tuhých uhlíkových stěnách o poměru mezi radiální délkou a tloušťkou větší než 5 : 1, je odstraněna kontaminace vyrobeného produktu v taviči peci železem z žeber, přičemž současně elektroda zachová nejméně tutéž mechanickou pevnost jakou mají elektrody s ocelovými žebry. To umožňuje vyrábět elektrody podle předloženého vynálezu s většími průměry než maj í normální elektrody s ocelovými žebry. Pro elektrody podle vynálezu lze použít normální nosná a kluzná zařízení. Elektrodu podle vynálezu lze tedy použít v tavících pecích, které současně používají trvale doplňované elektrody s ocelovými žebry, aniž by bylo třeba nákladných úprav nosného a kluzného zařízení.

Pouzdro elektrody podle předloženého vynálezu lze tedy vybavit větším počtem vnějších, svislých, kovových nebo uhlíkových žeber, přičemž elektroda může být držena a spouštěna pomocí nosných a kluzných zařízení popsaných v norských patentech 14768 a 149485. Tímto

-3 CZ 286431 B6 způsobem jsou odstraněny radiální tlaky na elektrodu nad oblastí, kde se elektroda vypaluje. Při použití těchto nosných a kluzných zařízení může dále pouzdro se zhotovit s velmi tenkými kovovými stěnami, čímž se dále sníží znečistění železem vyrobených produktů v taviči peci. Pro pouzdro je možno také použít ostatních kovů jako hliníku a hliníkových slitin. Mimo to lze vyrábět elektrody s nekruhovým průřezem tak jako elektrody o obdélníkovém nebo téměř obdélníkovém průřezu.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 je svislý řez elektrodou podle předloženého vynálezu, obr. 2 je půdorysný pohled na řez podle linie I-I v obr. 1, obr. 3 je ve zvětšeném měřítku znázorněna oblast A vyznačená v obr. 2 a ukazující provedení upevněných uhlíkových žeber v pouzdru, obr. 4 ukazuje druhé provedení upevněných žeber v pouzdru, obr. 5 ukazuje půdorysný řez elektrodou obdélníkového průřezu, která je opatřena vnějšími radiálními žebry a obr. 6 ukazuje ve zvětšeném měřítku oblasti B vyznačenou v obr. 2.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje trvale doplňovanou elektrodu se samočinným vypalováním, jež se spotřebovává v neznázoměné peci, umístěné pod elektrodou. Elektroda obsahuje vnější pouzdro 1 elektricky vodivého materiálu. Pouzdro 1 se zavěsí na elektrodový závěsný rám 2 ve stavební konstrukci 4 s ovládáním elektrody hydraulickými regulačními válci 3. K držení a posouvání elektrody směrem dolů při jejím spotřebovávání v peci slouží obvyklé upínací a posuvné zařízení

5. V dolní části elektrody jsou uspořádány kontaktní svěrky 6, které se přitisknou k jejímu povrchu pomocí obvyklých upínacích kroužků 7. Kontaktní svěrky 6 jsou spojeny s neznázorněnými elektrickými přívody za účelem napájení elektrody elektrickým pracovním proudem. Vlivem ohřevu, který se vytváří v účinné uhlíkové hmotě elektrody v oblasti napájecího proudu se účinná hmota roztaví a speče do tuhé elektrody 8. Účinná hmota elektrody se přivádí shora do pouzdra 1 ve tvaru tuhých válců 9, načež působením žáru, účinná hmota měkne a zaplňuje pouzdro v celém průřezu ve tvaru tekuté vrstvy 10 elektrodové účinné hmoty.

Pouzdro 1 znázorněné v obr. 2 je opatřeno větším počtem vnitřních žeber 11 tvořených grafitovými stěnami o poměru jejich radiální délky a tloušťky 20:1.

Použitím vnitřních žeber 11 z uhlíkového materiálu se zabrání znečistění železem vyrobeného produktu v taviči peci z ocelových žeber. Také jsou odstraněny nevýhody vyskytující se u trvale doplňovaných elektrod se samočinným vypalováním bez radiálních vnitřních žeber, ale s uhlíkovými vložkami jak vylíčeno v norském patentu 45408. Uhlíková žebra mají takovou nosnost, že udrží tíhu roztavené elektrody a vykazují dobrou elektrickou vodivost, což způsobuje, že elektrický proud přivedený přes kontaktní svěrky 6 lze přivádět dovnitř účinné hmoty 10 elektrody a tím urychlit její tavbu. Normální upínací a posuvná zařízení elektrod je možno také použít bez úpravy pro elektrodu podle vynálezu. Elektrodu podle předloženého vynálezu lze tedy využít jednoduchým a efektivním způsobem se zřetelem na vynaložené náklady.

Obr. 3 a 4 znázorňují dvě provedení pro upevnění radiálních uhlíkových žeber k pouzdru elektrody.

Podle provedení znázorněného v obr. 3 jsou jednotlivé sekce pouzdra 1 elektrody opatřeny dovnitř prodlouženými okraji 12. Vnitřní žebra 11 se upevní mezi okraje 12 sousedních sekcí

-4CZ 286431 B6 pouzdra 1 elektrody pomocí šroubů 13 a matic 14. Tímto způsobem se vnitřní žebra 11 upevní jednoduchým postupem k pouzdru. Kromě toho je možno na stykové plochy přidat lepidlo.

Podle provedení v obr. 4 se pouzdro opatří dovnitř zahnutými přírubovitými okraji 16, jejichž počet se rovná počtu vnitřních žeber 11, která se přilepí pomocí vhodného lepidla k přírubovitým okrajům 16. Spojení je možno zajistit pomocí šroubů a matek.

V obr. 5 a 6 jsou znázorněna provedení podle vynálezu, kde průřez elektrodou je v podstatě obdélníkového tvaru. Nosné a kluzné zařízení znázorněné v Obr. 1 nelze použít pro přidržovací a kluzná zařízení normálních elektrod. Za účelem držení elektrody a jejího napájení elektrickým proudem, opatří se elektrodové pouzdro kromě vnitřních žeber 11 vnějšími žebra 17 zhotovenými z elektricky vodivého materiálu jaký je ocel, hliník nebo uhlík. K napájení elektrody elektrický pracovním proudem slouží napájecí zařízení 18, které se upevní na vnější žebra 17 způsobem popsaným v norském patentu 147168. Přidržovací a kluzná zařízení k držení a skluzu elektrody jsou popsána v norském patentu 147985. Napájecí proudové zařízení jakož i přidržovací a kluzná zařízení nezpůsobují žádné radiální tlaky na elektrodové pouzdro 1, následkem čehož pouzdro 1 je možno zhotovit z tenkého materiálu, čímž se zmenší kontaminace železa vyrobeného produktu v taviči peci. Napájecí proudová zařízení jakož i přidržovací a kluzná zařízení popsaná v norských patentech 147168 a 147985 se mohou také použít pro elektrody o jiných průřezech než je průřez obdélníkový.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Elektroda se samočinným vypalováním uhlíku vytvořená k přímému spojení s pecí, kde se spotřebovává, přičemž elektroda obsahuje vnější pouzdro (1) zhotovené z elektricky vodivého materiálu, opatřené vnitřními žebry (11) a kde do pouzdra (1) je přiváděna uhlíková nevypálená účinná hmota (9), která je vypálena do tuhé elektrody (8) přívodem elektrického proudu, vyznačující se tím, že vnitřní žebra (11) tvoří pevné uhlíkové stěny upevněné uvnitř pouzdra (1), jejichž poměr radiální délky a tloušťky je větší než 5:1.
2. 2. Elektroda podle nároku 1, v y z n a č u j í c í se t í m , že vnitřní žebra (11) jsou z grafitu nebo předem vypáleného uhlíkového materiálu.
3. 3. Elektroda podle nároku 2, vyznačující se tím, že poměr mezi radiální délkou a tloušťkou vnitřních žeber (11) z grafitu je větší než 15:1.
4. 4. Elektroda podle nároku 2, vyznačující se tím, že poměr mezi radiální délkou a tloušťkou vnitřních žeber (11) z předem vypáleného uhlíkového materiálu je větší než 8:1.
5. 5. Elektroda podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že vnitřní žebra (11) jsou vyztužena uhlíkovým fíbrovým tkanivem, nebo vlákny nezvyšujícími kontaminaci vyrobených tovarů v peci.
6. 6. Elektroda podle nároků laž5, vyznačující se tím, že vnitřní žebra (11) jsou připevněna k pouzdru (1) pomocí šroubů a/nebo pomocí lepidla.
7. 7. Elektroda podle nároku 6, vyznačující se tím, že pouzdro (1) obsahuje větší počet sekcí, z nichž každá po nejméně jedné své svislé straně je opatřena dovnitř prodlouženým

   -5CZ 286431 B6 okrajem (12), přičemž mezi svislými okraji (12) sousedících sekcí jsou upevněna vnitřní žebra (11).
8. 8. Elektroda podle nároků laž7, vyznačující se tím, že vnitřní žebra (11) jsou

   5 prodloužena do stejné délky jako je délka každého pouzdra.
9. 9. Elektroda podle nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že vnitřní žebra (11) jsou prodloužena až o 50 cm než je délka pouzdra tak, že po montáži nové délky pouzdra přesahují žebra nad elektrodou novou délku pouzdra, zatímco žebra spodního pouzdra zasahují do nově io montovaného pouzdra.
10. 10. Elektroda podle nároků laž9, vyznačující se tím, že pouzdro (1) je opatřeno vnějšími svislými žebry (17) pro přidržení, skluz a napájení elektrody pracovním elektrickým proudem.