ITUD960183A1 - Sistema di raffreddamento per catodi per forni elettrici ad arco in corrente continua - Google Patents
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Description
Descrizione del trovato avente per titolo:
"SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO PER CATODI PER FORNI ELETTRICI AD ,ARCO IN CORRENTE CONTINUA"
CAMPO DI APPLICAZIONE
Forma oggetto del presente trovato un sistema di raffreddamento per catodi per forni elettrici ad arco in corrente continua come espresso nella rivendicazione principale.
Il trovato, si applica per il raffreddamento del catodo, od elettrodo, in un forno elettrico ad arco in corrente continua impiegato per la fusione di leghe metalliche.
STATO DELLA TECNICA
I catodi dei forni elettrici ad arco sono attualmente costituiti da due porzioni principali: una porzione inferiore in grafite, da cui scocca l'arco elettrico, ed una porzione superiore realizzata in materiale metallico, avente anche funzione portante, associata al braccio porta-elettrodo del forno.
Dette due porzioni sono vincolate tra loro per me:;zo di un giunto intermedio, normalmente filettato, realizzato in materiale conduttore di elettricità in modo da consentire il passaggio della corrente elettrica.
Durante il.ciclo di fusione la porzione in grafite raggiunge temperature elevate per effetto dell'arco elettrico, del passaggio delle correnti elettriche impiegate {effetto Joule) e dello scambio termico con l'ambiente dentro il forno, e si consuma progressivamente venendo di volta in volta sostituita con nuovi segmenti di grafite. Le elevate temperature che si possono verificare sulla porzione in grafite causano il deterioramento delle proprietà meccaniche della grafite, indebolendo l'accoppiamento tra le due porzioni del catodo.
Per questi motivi il catodo necessita di un sistema di raffreddamento che agisca in corrispondenza della porzione metallica e che sia in grado di asportare gran parte del calore che dalla porzione in grafite migra verso detta porzione metallica, consentendo un sostanziale controllo e mantenimento della voluta temperatura sia del giunto intermedio che della porzione metallica.
Alcune soluzioni prevedono l'impiego di sistemi di raffreddamento tradizionali ad acqua i quali non sono però stati considerati soddisfacenti dagli operatori del settore.
Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere altri ed ulteriori vantaggi, la proponente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.
ESPOSIZIONE DEL TROVATO
Il presente trovato è espresso e caratterizzato nella rivendicazione principale.
Le rivendicazioni secondarie espongono varianti all'idea di soluzione principale.
Scopo del presente trovato è quello di realizzare un sistema di raffreddamento per catodi di forni elettrici ad arco in corrente continua che garantisca una efficace azione di asportazione del calore sia della porzione metallica portante del catodo sia del giunto di collegamento tra porzione in grafite e porzione metallica dello stesso catodo, mantenendo sostanzialmente inalterate le caratteristiche di elettroconduttività di quest'ultimo.
Il sistema secondo il trovato prevede un circuito chiuso di raffreddamento sviluppantesi all’interno del catodo in corrispondenza della sua porzione metallica. Detto circuito comprende canali di salita e discesa del fluido refrigerante, tra loro comunicanti sostanzialmente in corrispondenza della zona estrema superiore e della zona estrema inferiore della porzione metallica del catodo, ed uno scambiatore di calore posto in corrispondenza della zona superiore del circuito di raffreddamento.
In una soluzione del trovato, il canale di discesa si sviluppa in corrispondenza delle pareti laterali del catodo.
Secondo un'ulteriore soluzione, il canale di salita del fluido si sviluppa sostanzialmente in corrispondenza dell'asse del catodo.
Secondo il. trovato, il fluido refrigerante a temperatura ambiente ed in condizioni di inattività del catodo si trova allo stato liquido e giace in corrispondenza della zona inferiore del circuito di raffreddamento, quindi in corrispondenza del giunto, o zona di evaporazione del circuito di raffreddamento. Per effetto del calore sviluppato dall'arco elettrico, dal passaggio della corrente elettrica (effetto Joule) e dello scambio termico con l'ambiente dentro il forno nelle varie fasi del processo fusorio, l'acqua raggiunge la temperatura di ebollizione ed evapora.
Il vapore così formato sale all'interno del canale di salita fino a raggiungere la zona superiore del circuito, detta zona di condensazione, in cui viene' a contatto con le pareti "fredde" della porzione metallica del catodo, dove condensa cedendo calore all'amniente esterno mediante scambiatore di calore .
Le gocce di condensa che si depositano su dette pareti determinano la formazione di una pellicola d'acqua che, per-effetto della gravità, cola lungo il canale di discesa fino a raggiungere la zona di evaporazione, producendo il raffreddamento della porzione metallica del catodo.
La condensa poi, confluendo nella zona di evaporazicne, si mescola all'acqua giacente in detta zona asportando calore al giunto di collegamento del catodo. Per effetto dell’energia latente che accompagna il cambio di fase, una grande quantità di calore viene trasferita dalla zona di evaporazione alla zona di condensazione.
Lo scambio termico in detto sistema è funzione dei valori dei coefficienti di scambio termico nelle fasi di evaporazione e di condensazione.
II valore del relativo coefficiente nella fase di evaporazione è in gran parte funzione dell'entità del flusso termico.
Misure sperimentali hanno dimostrato che tale valore cresce rapidamente con l'aumento del flusso termico.
Invece, il valore del coefficiente di scambio termico nella fase di condensazione inizialmente cresce leggermente con l'aumento del flusso termico e poi si riduce notevolmente.
Tenendo conto del fatto che il valore del coefficiente di scambio termico nella fase di evaporazione risulta molto maggiore rispetto al valore nella fase di condensazione, è estremamente importante, per sma.ltire la stessa entità di calore, aumentare la superficie di scambio termico nella zona di condensazione .
Secondo il trovato, per ottenere tale aumento di scambio termico, viene ottenuta una superficie estesa, ad esempio di configurazione ondulata o triangolare vista in sezione trasversale del catodo, in corrispondenza della zona di condensazione.
Lo scambio termico in un circuito di questo tipo dipende da vari fattori quali il tipo e la quantità di liquido nel circuito, la geometria del circuito, il rapporto ' delle lunghezze evaporatore/condensatore, l'entità del flusso termico, la pressione all'interno del circuito ecc.
La scelta di questi parametri è importante per il buon funzionamento del sistema affinchè non si verifichino fenomeni dannosi quali il fenomeno di burnout (dryout) , oppure l'assenza del fenomeno di boilirig, od altri inconvenienti ancora che riducono drasticamente lo scambio termico.
Per evitare la presenza di tali fenomeni dannosi, il liquido refrigerante impiegato in detto circuito occupa, secondo il trovato, una percentuale compresa tra. il 14% ed il 28%, vantaggiosamente tra il 18% ed il 20%, del volume complessivo dello stesso circuito.
Secondo un'altra variante, il giunto di collegamento tra la porzione in grafite e la porzione metallica del catodo presenta al suo interno una cavità contenente metallo fuso per il trasporto del calore.
Detto metallo fuso, che alla temperatura ambiente si trova allo stato solido, ad esempio in forma granulare, si fonde per effetto dell'arco elettrico, del; passaggio delle correnti elettriche impiegate (effetto Joule) e dello scambio termico con l’ambiente del forno nelle fasi del processo fusorio.
La corrente elettrica che attraversa il giunto di collegamento determina la formazione di vortici di detto metallo fuso all’interno di detta cavità, ciò consentendo l'uniformazione della temperatura dello stesso giunto.
Secondo una variante, detta cavità presenta al suo interno un inserto convogliatore, realizzato in materiale con caratteristiche elettroconduttive almeno superiori a quelle proprie del giunto di collegamento, estendentesi dal fondo verso la parte superiore della stessa.
Detto inserto convogliatore costituisce la via di transito principale della corrente elettrica dalla porzione in grafite alla porzione metallica del catodo, definendo un senso rotatorio preferenziale dei vortici del liquido all'interno della cavità.
Le pareti laterali dell'inserto convogliatore sono elettricamente schermate per concentrare il flusso di corrente alle due estremità dello stesso inserto.
Secondo un'altra variante, detta cavità presenta un elemento di suddivisione definente sostanzialmente due condotti concentrici comunicanti che creano un percorso preferenziale del metallo liquido all'interno della stessa cavità.
In una soluzione del trovato, le pareti laterali della porzione metallica del catodo sono costituite da due camicie concentriche associate in aderenza tra loro di cui una, interna od esterna, realizzata in rame o sue leghe e l'altra, esterna od interna, realizzata in ferro o sue leghe.
Secondo una variante, nella zona di appoggio tra la porzione in graffite e la porzione metallica è presente un anello d'aria avente funzione di convogliare il flusso di corrente elettrica e quindi il calore nella zona centrale del catodo.
Secondo un’altra variante, sulla faccia inferiore del giunto a contatto con la porzione in grafite, è presente un elemento in metallo bassofondente (ad esempio piombo).
Detto elemento, attraversato dalla corrente elettrica, fonde aumentando di volume e risale lungo il giunto interponendosi tra le due parti del giunto stesso, migliorandone l'accoppiamento meccanico ed il passaggio di corrente.
Il sistema di raffreddamento secondo il trovato consente quindi di raffreddare le pareti della porzione metallica del catodo e di limitare il flusso di calore proveniente dalla porzione in grafite dello stesso, mantenendo sostanzialmente invariate le caratteristiche di elettroconduttività d'insieme del catodo e quindi senza comportare scompensi in termini di funzionalità del forno.
Il sistema secondo il trovato consente inoltre di uniformare e mantenere entro valori opportuni la temperatura del giunto a garanzia della stabilità dell'accoppiamento meccanico tra porzione in grafite e porzione metallica del catodo; questa stabilità viene inoltre incrementata per effetto del riempimento degli interstizi presenti tra le parti di detto giunto.
ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI
Le figure allegate sono fornite a titolo esemplificativo non limitativo ed illustrano una soluzione preferenziale del trovato.
Nelle tavole abbiamo che:
- la fig. 1 illustra in sezione un catodo per forni elettrici ad arco adottante il sistema di raffreddamento secondo il trovato; - la fig. 2 illustra il particolare "K" di fig. 1; - la fig. 3 illustra in scala ingrandita la sezione A-A di fig. 1;
- la fig. 4 illustra la sezione longitudinale parziale di un catodo per forni elettrici adottante il sistema di raffreddamento secondo una variante del trovato;
- la fig. 5 illustra una variante di fig. 4.
DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Il numero 10 indica generalmente il sistema di raffreddamento per catodi 11 per forni elettrici ad’ arco in corrente continua.
riormente una porzione in grafite Ila e superiormente una porzione metallica llb cava, avente anche funzione portante, associata a mezzi di presa 12 propri del braccio porta-elettrodo.
Nel caso dì specie, la struttura principale della porzione metallica llb è costituita da due camicie metalliche o pareti laterali intimamente associate tra loro di cui una, lllb o 211b, in rame o sue leghe e l'altra, 211b o lllb, in ferro o sue leghe.
Tale configurazione della porzione metallica llb risulta particolarmente vantaggiosa condensando caratteristiche di resistenza meccanica e conduttività elettrica; la porzione metallica llb è inoltre, almeno nella sua parte inferiore, esternamente ricoperta da uno strato di materiale refrattario Ile.
La porzione in grafite Ila e la porzione metallica llb sono tra ,loro associate mediante un giunto 13, nel caso di specie di tipo filettato.
II giunto 13 è superiormente associato ad un elemento di copertura 22, realizzato nel caso di specie in lega Cu/Ni, al cui interno trovano posto gli elementi dì regolazione del collegamento fra porzione metallica llb e porzione in grafite Ila.
Secondo il trovato, la porzione metallica llb presenta internamente un canale di salita 14, nel caso di specie sviluppantesi coassialmente rispetto alle pareti laterali lllb, 211b, la cui parete laterale è definita da un condotto assiale 28 aperto sia verso l'alto che verso il basso.
Eletto canale di salita 14 si estende, dal basso verso l'alto, da un livello leggermente superiore al fondo della stessa porzione metallica llb fino ad un livello inferiore a quello di uno scambiatore di calore 15 associato perifericamente alle pareti laterali lllb, 211b nella parte alta del catodo 11.
La porzione metallica llb così configurata definisce, tra le pareti laterali lllb, 211b ed il condotto assiale 28 definente il canale di salita 14, un canale di discesa 16 nel caso di specie di forma torica e presentante una sezione molto ridotta rispetto a quella del canale di salita 14.
I due canali 14, 16 risultano tra loro comunicanti in corrispondenza della parte estrema inferiore della porzione metallica llb, o zona di evaporazione 17, e della parte superiore della stessa porzione metallica llb, o zona di condensazione 18
Secondo il trovato, la zona di evaporazione 17 viene riempita con un quantitativo d'acqua 19 pari al 14÷28 %, vantaggiosamente compresa tra il 18% il 20%, del volume interno della porzione metallica llb. Il calore generato per effetto dell'arco elettrico, del passaggio delle correnti elettriche impiegate (effetto Joule) e dello scambio termico con l'ambiente dentro il forno nelle varie fasi del processo fusorio, dalla porzione in grafite Ila verso la porzione metallica llb, determina un innalzamento della temperatura dell'acqua 19 fino al raggiungimento del punto di ebollizione, con conseguente evaporazione della stessa.
Le particelle di vapore 19a generato, poiché più leggere, salgono lungo il canale di salita 14, fino a raggiungere la zona di condensazione 18, sia dalla parte inferiore aperta del condotto assiale 28, sia attraverso fori intermedi 29 presenti circonferenzialmente a detto condotto assiale 28.
In detta zona di condensazione, il vapore 19a viene a contatto con le pareti "fredde" della porzione metallica llb condensando e cedendo calore all'ambiente esterno mediante lo scambiatore di calore 15. Le gocce di condensa si depositano sulle pareti laterali interne lllb della porzione metallica llb formando una pellicola d'acqua di condensa 19b che cola internamente al canale di discesa 16 defluendo, nella zona di evaporazione 17; ciò determina il raffreddamento delle pareti laterali lllb, 211b della porzione metallica llb.
In una variante del trovato illustrata in fig. 3 le pareti laterali esterne lllb presentano estensioni alettate 20 definenti una maggiore superficie di scambio termico per un più efficace processo di condensazione .
Secondo le variante illustrate nelle figg. 4, 5 il giunto 13 presenta internamente una cavità 21 contenente metallo fuso come fluido refrigerante.
Il passaggio della corrente elettrica attraverso il giunto 13 determina, all’interno della cavità 21, la formazione di flussi 23 di fluido refrigerante che uniformano la temperatura dello stesso giunto 13 migliorandone le condizioni di raffreddamento e quindi rendendo l'accoppiamento meccanico tra porzione in grafite Ila e porzione metallica llb più stabile e sicuro.
Secondo un'ulteriore variante, un elemento 24 in metallo bassofondente, ad esempio piombo, viene interposto tra il fondo 13a del giunto 13 e la porzione in grafite Ila.
Detto elemento 24 fonde per effetto del calore geneirato dal passaggio di corrente elettrica ed aumenta di volume riempiendo gli interstizi, nel caso di specie costituiti dalle fessure tra le filettature cooperanti, tra il giunto 13 e la porzione in grafite Ila.
La cavità 21 di fig. 4 presenta al suo interno un elemento di suddivisione 25 montato coassialmente rispetto alla stessa a definire sostanzialmente due condotti, di cui uno interno all'altro, comunicanti tra. loro in corrispondenza della parte alta e della parte bassa di detta cavità 21.
Secondo questa variante, la corrente elettrica, percorrendo le pareti laterali 13b del giunto 13 determina la formazione di flussi 23 vorticosi di fluido refrigerante con percorso preferenziale risalente in corrispondenza delle stesse pareti laterali 13b e discendente internamente al condotto definito internamente dall'elemento di suddivisione 25.
Secondo l'altra variante di fig. 5 la cavità 21 presenta intèrnamente ed in corrispondenza del proprio asse longitudinale un inserto convogliatore 26 estendentesi dal fondo verso l’alto della stessa. Detto inserto convogliatore 26 è realizzato in materiale ad elevata conduttività elettrica (ad esempio rame) costituendo una via di passaggio preferenziale della corrente elettrica attraverso il giunto 13. L'inserto convogliatore 26 è inoltre rivestito da uno strato di materiale elettricamente isolante 27 che indirizza ulteriormente in uscita il flusso di corrente elettrica verso il vertice dello stesso inserto convogliatore 26.
Il passaggio della corrente elettrica in corrispondenza dell'asse del giunto 13 e quindi della relativa cavità interna 21, definisce all'interno di quest 'ultima un percorso preferenziale dei flussi 23 vorticosi di fluido refrigerante. Detti flussi 23 scendono in corrispondenza delle pareti laterali 13b del giunto 13 per poi risalire in prossimità dell’inserto convogliatore 26.
Secondo il trovato, per limitare al massimo il passaggio di corrente e quindi il flusso di calore nelle zone periferiche del catodo 11, il giunto 13 presenta, nella sua fascia più esterna, un anello d'aria 13c di separazione con la porzione in grafite Ila. La presenza dell’anello d’aria 13c fa sì che corrente elettrica e relativo flusso di calore generato si diffondano principalmente attraverso le pareti laterali 13b del giunto 13, quindi nella zona di maggiore efficacia del sistema di raffreddamento 10. "
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1 -- Sistema di raffreddamento per catodi, od elettrodi, (11) per forni elettrici ad arco in corrente continua, detti catodi (11) comprendendo una porzione in grafite consumabile (Ila) inferiore, da cui scocca l'arco elettrico, associata superiormente ad unci porzione metallica (llb) cava per mezzo di un giunto (13), caratterizzato dal fatto che, internamente alla porzione metallica (llb), è presente un circuito di raffreddamento ad acqua (19), od altro fluido refrigerante assimilabile, definente una zona di evaporazione (17) disposta sostanzialmente in cooperazione con l'estremità inferiore della porzione metallica (llb) ed una zona di condensazione (18) disposta in cooperazione con una voluta zona superiore della porzione metallica (llb), detta zona di condensazione (18) cooperando con uno scambiatore di calore (15) associato alla parete esterna della porzione metallica (llb),.essendo presente almeno un canale di salita (14) del vapore (19a) dalla zona di evaporazione (17) alla zona di condensazione (18) ed almeno un canale di discesa (16) per gravità della condensa dalla zona di condensazione (18) alla zona di evaporazione (17), detti canali di salita (14) e di discesa (16) essendo tra loro comunicanti in corrispondenza delle zone di evaporazione (17) e condensazione (18), il canale di discesa (16) cooperando con la parete interna della porzione metallica (llb) e presentando sezione molto minore rispetto alla sezione del canale di salita (14). 2 - Sistema come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il fluido refrigerante, a temperatura ambiente ed in condizione di inattività del catodo (11) , è costituito da un quantitativo d'acqua (19) pari al 14÷28% del volume interno della porzione metallica (llb). 3 - Sistema come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il canale di salita (14) è definito da un condotto assiale (28) estendentesi dalla zona di evaporazione (17) alla zona di condensazione (18) ed il canale di discesa (16) è definito dallo spazio compreso tra detto condotto assiale (28) e la parete interna della porzione metallica (llb) del catodo (11). 4 - Sistema come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il condotto assiale (28) presenta, nella zona immediatamente al di sopra del livello dell'acqua (19), fori intermedi (29) di passaggio vapore (19a) e comunicazione tra canale di discesa (16) e canale di salita (14). 5 - Sistema come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la parete della porzione· metallica (llb) è costituita da due camicie (lllb, 211b) associate in aderenza tra loro di cui una (lllb o 211b) è in rame o sue leghe e l'altra (211b o lllb) è in ferro o sue leghe. 6 - Sistema come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la parete interna della porzione metallica (llb) presenta estensioni alettate (20) di aumento scambio termico almeno in corrispondenza della zona di condensazione (18). 7 - Sistema come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il giunto (13) presenta internamente una cavità (21) contenente metallo fuso di trasporto calore. 8 - Sistema come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il metallo fuso, in condizioni di inattività del forno, si trova allo stato solido e durante il ciclo fusorio fonde per effetto della temperatura generata dall'arco elettrico, dal passaggio delle correnti e dallo scambio termico con l'ambiente all'interno del forno . 9 - Sistema come alla rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto che la cavità (21) presenta un elemento di suddivisione (25) definente un condotto assiale superiormente ed inferiormente aperto . 10 - Sistema come alla rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto che il fondo della cavità (21) presenta un inserto convogliatore (26) di corrente èlettrica estendentesi longitudinalmente verso l'esterno della cavità (21) stessa. 11 - Sistema come alla rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che 1 'inserto convogliatore (26) presenta sulla periferia laterale unc strato di materiale elettricamente isolante (27). 12 - Sistema come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in cooperazione con il giunto (13) è presente un elemento 'in metallo bassofondente (24) di dispersione ed occlusione interstizi. 13 - Sistema come ad una o l’altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in corrispondenza del piano d'appoggio tra la porzione in grafite (Ila) e la porzione metallica (llb) è presente un anello d'aria {13c). Sistema come ad una o l’altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che adotta i contenuti di cui alla descrizione ed ai disegni .
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