JP4040978B2 - アーク炉用電極シール - Google Patents

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Description

本発明は、炉の屋根の開口を通って延びる1つまたは複数の大直径の電極を有する電気炉用電極シールに関する。
金属を溶融させるために使用される電気アーク炉は、通常、るつぼと、るつぼ内に垂下するように支持された1つまたは複数の概ね鉛直方向の炭素電極とを備える。ガス(fumes)を中に入れ、炉内の所望の雰囲気を維持し、熱損失および騒音を制御するために、電極が垂下される開口を有する蓋または屋根を備えるこのような炉を提供することが、一般的に行われている。
特に装填物の溶融の初期段階中、電極を通るサージ電流即ち電流の急激な変化は、極めて顕著な電磁力を印加し、これによって電極のかなりの横方向偏位が生じる可能性がある。このため、電極と炉の屋根の開口との間に隙間を設けて、電極の移動による炉の屋根の損傷を防止することが必要である。しかし、このようなアーク炉は、大気圧の近くで作動するとき、正圧の状態になり、窒素酸化物および一酸化炭素などの有害な気体が、隙間を通って大気中に放出される可能性がある。このため、電極と炉の屋根との間にある種のシール装置を設けることが望ましい。
シールは、電極の鉛直方向および横方向の運動を可能にしながら、隙間を通るガスの実質的な漏出を防止しなければならない。適切なシールの提供は、電極を炉から完全に引き出すことが必要である電気アーク炉では特に困難である。このタイプの炉の例には、スクラップ鋼を溶融するために使用されるアーク炉が含まれている。このような炉は、単一の電極を有し、炉の屋根の穴を通して新しいスクラップ鋼を装填することができるように、電極は、1時間に数回炉から完全に引き出される。スクラップ材料が装填された後、電極が、炉の屋根の開口および固体のスクラップ材料を通る穴を通って所望の深さに到達するまで、再び挿入される。この穴あけ動作の間、電極と固体のスクラップ材料との間の電気アーク(arcing)によってかなりの騒音が発生する。騒音は、材料が溶融するにつれて通常減少する。
従来技術には、まさにこの問題を解決するための電極シールの多数の例が含まれているが、特に電極を完全に引き出すことが必要とされる場合、鋼を溶融するために使用されるアーク炉の操作者に一般的に受け入れられているものはない。このため、多くの電気アーク炉は、全くシールなしで作動され続けている。
本発明は、アーク炉内での金属の溶融に付随するガスおよび騒音を実質的に低減させるために効果的であり、比較的簡単かつ経済的な構造であり、電極を包囲する炉の屋根の耐火部分上で安全に支持するのに十分軽量にすることができ、電極を炉から繰返し完全に引き出すことに適しており、電極および耐火屋根の寿命の延長を助けることができる、電気アーク炉のための電極シールを提供することによって、従来技術の問題点の少なくともいくつかを克服する。
本発明による電極シールは、電極の直径よりも実質的に大きい内径を有する環状の支持リングを備え、支持リングは、複数の取付け脚によって炉の屋根に固定されている。環状の支持リングは、上部環状シール表面を有し、電極の直径とほぼ同じ内径を有する環状のシールリングを上部環状シール表面上に受け、これらにより実質的なシール(seal)を形成している。下側環状シール表面を有し、下側環状シール表面に沿うシールリングの制限された摺動運動を可能にしつつ、該下側環状シール表面は支持リングの上側シール表面と係合する。
このようにして、本発明は、横方向に可動して電極の横方向運動および不整合に対処することができる、緊密に適合するシールリングによってかなり炉の屋根の開口を通る気体の漏出が低減される、シンプルな構造の電極シールを提供する。
本発明による電極シールの試験においては、電極シールが、炉からの気体の漏れを効果的に抑制し、炉の近傍での騒音レベルをかなり低減させることを示している。
添付の図面を参照にして、本発明をここでただの一例として説明する。
本発明による好ましい電極シール10を、ここで図面を参照にして以下で説明する。電極シール10は、典型的には28インチの直径を有する単一のグラファイト電極12(図4のみで図示)および屋根を有する直流(DC)アーク炉という状況で説明されている。屋根は、好ましくは従来どおりの構造であり、水冷式の鋼(不図示)の外側部分と、電極12を包囲している内側の耐火部分14とを有する。「耐火ボタン(refractory button)」と呼ばれることがある屋根の耐火部分14は、水冷される屋根の開口に耐火部分14が支持される鋼製の枠(不図示)を備えることが好ましい。本発明は、直流アーク炉に関連して説明されているが、本発明の原理が交流(AC)アーク炉にも適用することができることは、当業者なら理解されよう。
炉の屋根の耐火部分14は、開口16を有する(図4にも図示)。開口16は、約32インチの直径を有し、電極12と耐火部分14内の開口16の間で約2インチの環状の隙間18を開けている。
電極シール10は、電極12の外径よりも大きい内径を有する第1の開口22を画定している環状の支持リング20を備える。好ましくは、環状の支持リング20の内径は、屋根の耐火部分14内の開口16の直径と実質的に同じである。図面に示す好ましい実施形態では、支持リング20の内径は、約32インチである。
支持リング20は、半径方向内方に向いていて電極12の軸に平行な内面24と、内面24に垂直な上側環状シール表面26と、下側環状表面28と、半径方向外方に向いている外面30とをさらに備える。
内面24、および支持リング自体の高さは、約5.5インチであり、電極の軸に対して垂直に計測したリングの厚さは、約7インチである。
支持リング20の外面30から半径方向外方に、3つのフランジ50が延びており、フランジのそれぞれは、電極12の軸に対して垂直な平面状の下側表面52と、電極12の軸に対してこれも垂直な平面状の上側表面54とを有する。フランジは、電極シール10の重量を支持し、電極12によって電極シール10に作用する横方向の力に耐えるのに十分な強度のものである。
電極シール10は、支持リング20の上側シール表面26上で支持された環状のシールリング32をさらに備える。シールリング32は、電極12の直径とほぼ同じであり、第1の開口22の直径より小さい内径を有する第2の開口34を画定している。好ましい電極シール10では、第2の開口の直径は、好ましくは約28と1/8インチであり、この結果、シールリング32と電極12の外面との間は約1/16インチの環状の隙間となり、電極12の外面の不規則性を許容する。典型的には、このような電極は、約±1mm(約1/25インチ)の公差で製造される。
環状のシールリング32は、半径方向内方に向いた内面36と、上側表面38と、下側環状シール表面40と、半径方向外方に向いた外面42とをさらに備える。
図5に示すように、シールリング32によって画定された第2の開口34が、支持リング20によって画定された第一の開口22と実質的に完全に整合するように、シールリング32の下側環状シール表面40は、電極12の軸に対して垂直であり、支持リング20の上側環状シール表面26と係合する平坦な表面を備える。
図4および図8に示すように、シールリング32の内面36は、シールリング32の上側表面38に近接して軸方向に延在するシール部分68と、軸方向に延在する、シール部分68からシールリング32の下側環状シール表面40のほうへ下向きにおよび半径方向外方にテーパ付けられている、外側に延びる部分70と、外側に延びる部分70の円周に沿って互いに離隔され、シール部分68から下向きに延びている、複数の軸方向に延びるスクレーパ要素(scraper element)72とを備え、それぞれのスクレーパ要素は、互いに向かって下向きに延びる一対の側部を有する。
シール部分68は、電極シール10の第2の開口34の直径を画定しており、電極12の表面と効果的なシール即ち封止を形成するように28と1/8インチの直径を有する。シール部分68は、好ましくは、約1と1/2インチの軸方向高さを有し、好ましくは、電極12を開口34内で案内するのを助けるために、シール部分68とシールリング32の上側表面38の間に小さい面取り部が設けられている。面取り部は、好ましくは約1/4インチ×45°にできる。
外側に延びる部分70は、好ましくは、シールリング32の下側環状シール表面40に対して約35°から40°の角度であり、約2インチの軸方向高さを有する。シールリング32の下側表面40の近傍のシールリング32の直径は、好ましい実施形態では、約32インチである支持リング20の直径とほぼ同じとなるように、外側に延びる部分70は、シールリング32の内径を徐々に増加させる。
好ましくは、スクレーパ要素72は、軸方向に延びるシール部分68と同一平面上にあり、三角形の楔の形状で形成され、各スクレーパ要素72の側面74は、軸方向に延びるシール部分68の下方部分で合わさっている。好ましくは、各スクレーパ要素72は、1と3/4インチの軸方向高さと、その上端で2インチの最大幅を有する。スクレーパ要素72は、電極12が炉の外へ引き上げられたとき、電極12の外面に付着しているスラグおよび鋼の固形の堆積物を取り除く。
シールリング32もまた、その外面42上に、半径方向外方に延びる3つのフランジ58を備える。各フランジ58は、上側表面60と下側表面62とを有し、その両方が電極の軸に対して垂直である。シールリング・フランジ58が、図1のような支持リング・フランジ50と重なるように、隣接するフランジ58間の間隔は、支持リング20上のフランジ50間の間隔と同じである。
図5で示すように、各シールリング・フランジ58の下側表面は、各支持リング・フランジ50の上側表面54から離隔されるように、支持リング20の上側表面54は、支持リング20の上側環状シール表面26と同一平面上にあり、シールリング32のフランジ58の下側表面62は、シールリング32の下側環状シール表面40から軸方向に離隔されている。このため、支持リング20およびシールリング32のそれぞれのフランジ50および58は、シールリング32の摺動動作の際に、互いに接触しない。
好ましくは、支持リング20およびシールリング32は、銅合金などの熱伝導性金属からそれぞれ形成される。
電極シール10は、3つのホールド・ダウン・ブラケット44の形態の保持手段をさらに備え、ホールド・ダウン・ブラケットはそれぞれ、矩形断面の中実の棒48によって架橋された一対の間隔の空いた、鉛直方向に延びる中空の円筒形の柱46を備える。棒48は、好ましくは柱46に溶接される。1つのホールド・ダウン・ブラケットは、支持リング・フランジ50の上側表面54に取り付けられ、ブラケット柱46の中空の内部空間を通って延びる一対のボルト56によって固定されている。
図5に示すように、ホールド・ダウン・ブラケット44の水平棒48は、フランジ50の上側表面54から軸方向に離隔されており、フランジ58の上側表面60に極めて近接しているが、上側表面60から間隔が空いている、上縁部66を有する隙間64を形成している。
図面に示す好ましい実施形態では、隙間64は、1と3/8インチの軸方向高さを有し、隙間64の上縁部66は、フランジ58の上側表面60から約1/8インチだけ離隔され、それによってシールリング32と支持リング20の間の軸方向の実質的な分離を防止し、それによって、2つのリング間のシールを維持している。
支持リング20に対するシールリング32の摺動運動の程度にかかわらず、シールリング・フランジ58が、ブラケット44の隙間64内に保持されるように、十分な距離だけ半径方向外方に延びていることが理解されよう。
好ましくは、シールリング32の下側環状シール表面40に沿ったシールリング32の摺動運動があらゆる方向に制限され第1および第2の開口22および34の間でほぼ完全な整合を維持するようにホールド・ダウン・ブラケット44は、シールリング32の外面42から、ある距離だけ離隔される。すなわち、シールリング32の横方向運動は、第2の開口34のどの部分も第1の開口22の縁部の半径方向外側に達することができないように制限される。シールリング32の摺動運動は、シールリング32の外面42と、ホールド・ダウン・ブラケット44の軸方向に延びる柱46との係合によって制限される。図面に示す好ましい実施形態では、シールリング32の摺動運動は、いかなる方向にも約2インチに制限される。
図面に示すように、支持リング20およびシールリング32は、冷却水用の円周状の通路78および80をそれぞれ備える。これらの通路78および80は、好ましくは、約1と3/4インチの直径であり、支持リング20およびシールリング32の全周を通じてほぼ完全に延びている。
シールリング32の環状通路80が図7に示されており、入口ポート82と出口ポート84の間のシールリング32のほぼ全周に通じて延びている。入口ポート82と出口ポート84の両方は、シールリング32の外面上に設けられた平坦な接続表面86に、互いに極めて近接して設けられている。
同様に、図10に示すように、入口ポート88と出口ポート90の間の支持リング20の冷却通路78は、支持リング20のほぼ全周にわたり延びている。入口ポート88と出口ポート90の両方は、支持リング20の外面30上に配置された平坦な接続表面92に、互いに極めて近接して設けられている。
図8に示すように、シールリング32は、その内面36に複数の水路102を備える。図9に示すように、これらの水路102は、内面36からシールリング32を通って、冷却通路80の内部空間へ延びている孔を備える。このようにして、冷却通路80において循環する冷却水のいくらかは、これらの水路102を通って電極12の外面上に排出され、それによって電極12を冷却し、電極を炉内の腐食性の雰囲気からいくらか遮蔽し、それによって電極の寿命を延長する。好ましくは、水路102は、約1/8インチの直径を有し、シールリング32の内面36の下方かつ外方に延在している部分70へ、冷却通路80から内方かつ下向きに延在し、それによって、電極12の表面から離隔している。
図11および図13に示すように、支持リング20は、その内面24から支持リングを通って、冷却通路78の内部空間へ延びている孔から成る、複数の離隔された水路104を同様に備える。冷却通路104は、好ましくは、冷却通路78と軸方向に延びる内面24との間を水平方向に延びており、好ましくは約1/8インチの直径を有する。
冷却水は、冷却水供給源に接続されたホースを通って支持リング20およびシールリング32の中へ及び中から外へ連続的に再循環される。たとえば、図10は支持リング20の接続表面92に形成されたねじ付き座ぐり112に接続された一対の可撓性の金属ホース110を示している。
図10をさらに参照すると、可撓性の金属ホース110は、支持リング20を通して電極12と電気的接触状態にあり、したがって「電流が通じている」。これらのホース110は、一対の絶縁ゴムホース118を通して冷却水供給源(116として概略的に示す)に接続された鋼製のヘッダ(114として概略的に示す)と接続されている。絶縁ゴムホース118は、好ましくは、その長さの少なくとも一部分にわたって一対の軟らかい鋼製パイプ120の内部における損傷から保護されている。電極とヘッダ114の間に電気アークがないように、鋼製のヘッダ114は電極12から十分な距離に配置され、ヘッダ114を通しての電流の伝導を防止する絶縁体の層122を備える。ここには図示していないが、類似の構成が、シールリング32を冷却水源に接続するために設けられている。
直流アーク炉の屋根上に電極シールを取り付けるための手段を以下に説明する。
図1、2、4および5に示すように、支持リング20は、複数の取付け脚124によって炉の屋根の耐火部分14に接続される。図面に示した好ましい電極シール10では、支持リング20は、3本の取付け脚124を備え、取付け脚のそれぞれは、延長アーム126の半径方向最も外側の端部に堅固に固定されている。延長アーム126は、支持リング・フランジ50の1つに堅固に固定されている。延長アームはそれぞれ、平坦な上側表面128および平坦な下側表面130を有する。延長アーム126の長さは、電極12と取付け脚124の間に電気アークが生じない、電極12から十分な距離に取付け脚124が配置されるようにされている。好ましくは、取付け脚124は、電極シール10の中心から約40インチ、支持リング20の外面30から約20インチの所に配置されている。
また、取付け脚124は、支持リング20から電気的に絶縁されている。このことは、好ましくは、各延長アーム126の上側表面128のほぼ全体を覆う電気的絶縁材料の層132を設けることによって達成される。このようにして、延長アーム126がボルト134(図5)などによって支持リング・フランジ50の下側表面52に固定されるとき、支持リング・フランジ50と延長アーム126の間に絶縁層132を介して電流の流れはない。ボルト134を介してフランジ50と延長アーム126との間の電気的接触を避けるため、絶縁スリーブ138が、各ボルト134の軸部140を包囲し、絶縁ワッシャ142が、延長アームの下側表面130と、軸部140のねじ付き端部に接続されたナット144および金属ワッシャ146との間に設けられている。
支持リング・フランジ50と延長アーム126との間の接続部の絶縁能力が落ちた場合には、各取付け脚124は、それが取り付けられている延長アーム126から好ましくは電気的に絶縁される。図5に示すように、各取付け脚124は、延長アーム126の半径方向外方端部の開口150を通って延在しているねじ付きスタッド148を備える。スタッド148は、それぞれナット152および154によって、また、それぞれ金属ワッシャ156及び158によって、取付けアーム126の上側表面および下側表面128および130にそれぞれ固定されている。上側ワッシャ156は、絶縁層132によって延長アーム126の上側表面128から絶縁され、下側ワッシャ158は、絶縁ワッシャ160によって延長アーム126から分離されている。また、絶縁スリーブ162が、スタッド148と延長アーム126の間の電気的接触を防止するために開口150の内側に設けられている。
各取付け脚124は、ねじ付きスタッド148の下端に金属性の取付けスリーブ164を追加で備える。取付けスリーブ164は、好ましくは、耐火部分14の周縁を形成している鋼製のフレームに溶接され、各スタッド148は、スタッド148および取付けスリーブ164の整合された開口168および170を通るピン166によって取付けスリーブ164に固定される。ピン166を取り外し、耐火部分14に取り付けられたままの取付けスリーブ164から該電極シールを持ち上げることによって、炉の屋根の耐火部分14から電極シール10を取り外すことができる。
図面、特に図4に示すように、取付け脚124が上記で述べたように炉の屋根の耐火部分14に固定されたとき支持リング20の下側環状表面28と耐火部分14との間に、軸方向に延在する隙間172が形成されるように、取付け脚124は支持リング20の下側環状表面28より軸方向下方に十分な距離だけ延びている。このようにして、電極シールのほぼ全荷重が取付け脚124によって担持される。
図4に示すように、支持リング20の下側環状表面28には、支持リング20の全周にわたって延在する矩形断面の環状の溝175が設けられている。環状の溝175は、シール要素174を保持し、該シール要素は、いくらか弾力性があり、支持リング20と耐火部分14との間で圧縮され、それによって炉からの気体の漏れに対して隙間172をシールする。シール要素174は、たとえば、約1と1/2平方インチ、定格約1,000°Fの高温ファイバグラス・ロープなどの耐熱材から成る。
本発明をある好ましい実施形態に関連して説明してきたが、本発明はそれに限定されるものではない。本発明は特許請求の範囲内に包摂されるすべての実施形態を包含するものである。
分離して示された、本発明の第1の好適な実施形態による電極シールの上部および側部からの斜視図である。 図1に示した電極シールの平面図である。 図1の電極シールの側面図である。 図2の線IV−IVに沿った断面図である。 図4に示す断面図の左側部分の拡大図である。 図2の線VI−VIに沿った部分断面図である。 図1の電極シールのシールリング部分の分離された平面図である。 図7の線VIII−VIIIに沿った断面図である。 図7の線IX−IXに沿った断面図である。 図1に示す電極シールの支持リングの分離された平面図である。 図10の線XI−XIに沿った断面図である。 図11に示す横断面図の右側の拡大図である。 図10の線XIII−XIIIに沿った断面図である。

Claims (16)

  1. 電気アーク炉の屋根の開口と、前記開口を通って軸方向に延びる電極との間の隙間を閉じるための電極シールであって、該電極シールは、
    (a)前記電極の外径よりも大きい内径を有する第1の開口を画定し、半径方向内方に向いた表面と、上側環状シール表面と、下側環状表面とを有する環状の支持リングと、
    (b)前記電極の直径とほぼ同じであり第1の開口の直径よりも小さい内径を有する第2の開口を画定し、半径方向内方に向いた表面と、上側表面と、下側環状シール表面とを備える環状のシールリングであって、シールリングの第2の開口が支持リングの第1の開口とほぼ完全に整合されるように、シールリングの下側環状シール表面が、支持リングの上側環状シール表面と係合している、環状のシールリングと、
    (c) 支持リング上側環状シール表面の半径方向外方に配置されて該支持リングに取り付けられ第1の開口と第2の開口とのほぼ完全な整合を維持しながらシールリングの下側環状シール表面に沿うシールリングの制限された摺動運動を可能にするシールリング保持手段
    (d)支持リングを炉の屋根に固定するために該支持リングに取り付けられた複数の取付け脚と、を備え、
    該シールリングが該シールリング保持手段に係合することにより、該シールリングの摺動運動が制限されることを特徴とする電極シール。
  2. 該シールリングの半径方向内方に向いた表面が、
    該シールリングの上側表面に近接した軸方向に延在するシール部分と、
    該軸方向に延在するシール部分から該シールリングの下側環状シール表面に向かって、下向きかつ半径方向外方に概ねテーパ付けされている外方に延びる部分と、
    円周方向に互いに離隔され、該軸方向に延在するシール部分から下向きに延在し、それぞれが互いに向かって下向きに延在する一対の側部を有し軸方向に延在する複数のスクレーパ要素とを備える、請求項1に記載の電極シール。
  3. スクレーパ要素が、軸方向に延在するシール部分と同一平面上にある、請求項2に記載の電極シール。
  4. 該スクレーパ要素が、楔状の形状であり、各スクレーパ要素の一対の側部が、該軸方向に延在するシール部分より下方の点で合わさっている、請求項2に記載の電極シール。
  5. 冷却水用の円周状通路がシールリングの内部に設けられ、冷却水用の通路が、シールリングの半径方向内方に向いた表面を貫通して延在する複数の離隔された開口と連通している、請求項1に記載の電極シール。
  6. 該シールリングの半径方向内方に向いた表面が、
    該シールリングの上側表面に近接した軸方向に延在するシール部分と、
    該軸方向に延在するシール部分から該シールリングの下側環状シール表面に向かって、下向きかつ半径方向外方に概ねテーパ付けられている外方に延びる部分とを備え、前記複数の離隔された開口が、前記半径方向外方に延びる部分に配置されている、請求項5に記載の電極シール。
  7. 冷却水用の円周状通路が、該支持リングの内部に設けられ、該冷却水用通路が、該支持リングの半径方向内方に向いた表面を貫通して延在する複数の離隔された開口と連通している、請求項1に記載の電極シール。
  8. 該シールリングが、上側表面と下側表面とを有する少なくとも1つの半径方向外方に延びるフランジをさらに備え、該シールリング保持手段が開口を有し、該開口内に、該フランジが延びており、該シールリングと該支持リングの実質的な軸方向の分離を防止するように該フランジの上側表面の極めて近傍に位置する上縁部を該シールリング保持手段の開口が有し、該フランジが、該シールリングの該支持リングに対する摺動運動の程度に関わらず該シールリング保持手段の開口内で保持されるような十分な長さである、請求項1に記載の電極シール。
  9. 上側表面と下側表面を有し、かつ該シールリングのフランジと軸方向に整合された、半径方向外方に延びる少なくとも1つのフランジを該支持リングがさらに備える、請求項8に記載の電極シール。
  10. 該シールリング保持手段が、該支持リングの少なくとも1つのフランジの上側表面上に設けられている、請求項9に記載の電極シール。
  11. 該支持リングのフランジの上側表面が、該支持リングの上側環状シール表面と同一平面上にあり、該シールリングのフランジの下側表面が、該シールリングの下側環状シール表面から軸方向に離隔されており、該シールリングのフランジの下側表面が、該支持リングのフランジの上側表面から離隔されている、請求項10に記載の電極シール。
  12. 該シールリングと該支持リングの両方には、互いに円周方向に離隔された複数の前記フランジが設けられている、請求項9に記載の電極シール。
  13. 該シールリングと該支持リングの両方には、互いにほぼ等しく離隔された3つの前記フランジが設けられている、請求項12に記載の電極シール。
  14. 該電極と該取付け脚との間の電気アークを回避するために、該取付け脚が、該支持リングから電気的に絶縁され、かつ、該シールリングの第2の開口および支持リングの第1の開口から十分に離れた距離に配置されている、請求項1に記載の電極シール。
  15. 各取付け脚が、該支持リングのフランジの1つに固定された延長アームに取り付けられ、かつ該支持リングから電気的に絶縁されている、請求項12に記載の電極シール。
  16. 該取付け脚が、炉の屋根に固定されたとき、該支持リングの下側環状表面と炉の屋根との間に軸方向に延在する隙間が形成されるように、該取付け脚が該支持リングの下側環状表面より軸方向下方に十分な距離だけ延びており、該電極シールが、
    (e)該支持リングの下側環状表面と炉の屋根との間の隙間をシールするために該支持リングの下側環状表面に取り付けられたシール要素をさらに備える、請求項1に記載の電極シール。
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