KR19980024986A - 직류 전기 아크 노에서 음극에 대한 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

음극(11)은 소모성 흑연으로 만들어진 하부(11a)를 포함하고, 이 하부에서 전기 아크가 발화되고, 조인트(13)를 수단으로 중공 금속 부분(11b)과 상부에서 연결되는, 직류 전기 아크 노에 대한 음극 또는 전극(11)을 위한 냉각 시스템에 있어서, 금속 부분(11b) 내부에, 금속 부분(11b)의 하부 단부와 공동 작용하도록 배치된 기화실(17)과 금속 부분(11b)의 상부와 공동 작용하도록 배치된 응축실(18)을 한정하는, 물(19) 또는 이와 유사한 다른 냉각 유체를 가지는 폐쇄 냉각 회로가 포함되고, 상기 응축실(18)은 금속 부분(11b)의 외벽과 결합된 열 교환기(15)와 공동작용하고, 기화실(17)에서 응축실(18)로 증기(19a)를 이송하기 위한 상행 채널(14)을 포함하고 응축실(18)에서 기화실(17)로 중력의 영향하에서 응축액이 하강하는 하행 채널(16)을 포함하고, 상기 상행 채널(14)과 하행 채널(16)은 기화실(17)과 응축실(18)과 연결되어 상호 이동하고, 상기 하행 채널(16)은 금속 부분(11b)의 내벽과 공동 작용하고 상행 채널(14)보다 작은 구간을 가진다.

Description

직류 전기 아크 노에서 음극에 대한 냉각 시스템

본 발명은 독립항에서 기술한 대로 직류 전기 아크 노에 대한 냉각 시스템에 관련된다.

본 발명은 합금을 용융할 때 사용되는 직류 전기 아크 노에서, 음극 또는 전극의 냉각을 위해 적용된다.

전기 아크 노에서 음극은 현재 크게 두 부분으로 구성된다: 한 부분은 흑연으로 만들어진 하부 부분인데 상기 하부 부분에서 전기 아크는 발화되고 다른 한 부분은 금속재로 만들어진 상부 부분으로 이것은 노의 전극-베어링 아암과 결합된 베어링 요소로서의 기능을 가진다.

상기 두 부분은, 전류가 흐를 수 있도록, 전도성 물질로 만들어진, 나사가 있는, 중간 조인트에 의해 서로 고정된다.

용융되는 동안, 전기 아크, 사용된 전류의 이동(주울 효과), 노의 내부 공간과 열 교환으로 인해 초고온에 도달한다; 흑연 부분은 점차 소모되어서 종종 새로운 흑연 부분으로 대체된다. 흑연 부분에 영향을 미칠 수 있는 고온은 흑연의 기계적 성질을 저하시키고 음극의 두 부분 사이의 연결부를 약화시킨다.

이런 이유로 음극은, 금속재 부분과 연결되고 흑연 부분에서 금속재 부분을 향하여 이동하는 열의 대부분을 제거할 수 있으며, 중간 조인트와 금속 부분에 대해 원하는 온도로 제어되고 유지되도록 허용하는 냉각 시스템을 필요로 한다.

종래 기술에 따른 또다른 해법은 냉각 시스템에 물을 사용하는 것인데, 이것은 당해 분야의 조작자들에게 큰 만족을 주지 못했다.

본원 발명자는 종래 기술의 단점을 극복하고 여러 가지 새로운 장점들을 달성할 수 있도록 본 발명을 발명하였다.

본 발명은 독립항에서 그 특징이 설명되고, 종속항은 독립항의 사상에 따른 변형된 실시예를 기술한다.

본 발명의 목적은, 금속부분에서 음극뿐만 아니라 흑연 부분과 음극 부분 사이의 연결부에서 열을 효과적으로 제거할 수 있고 연결부의 전도성을 변함없이 유지할 수 있는 직류 전기 아크 노에서 음극에 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 시스템은 그것의 금속 부분과 연결되는 음극 내부에서 발생하는 폐쇄형 냉각 회로를 포함한다. 상기 회로는 냉각수에 대해 상행 채널과 하행 채널을 포함하는데, 이것은 음극의 금속 부분의 하단과 상단 및 냉각 회로의 상부와 연결되게 배치된 열 교환기와 서로 통한다.

본 발명에 따른 실시예에서, 하행 채널은 음극의 측벽과 연결된다.

또다른 실시예에서, 냉각유체를 위한 상행 채널은 음극의 축과 연결된다.

본 발명에 따르면, 대기 온도에서 그리고 음극이 비활성 상태일 때 냉각 유체는 액체 상태이고 냉각 회로의 하부와 연결되므로, 조인트나 냉각 회로의 증발 부분과 연결된다.

전기 아크에 의해 발생된 열, 전류의 통과(주울 효과) 및 용융 과정의 여러 단계에서 노의 내부에서 일어나는 열 교환 때문에, 물은 끓는점에 도달하고 증발한다.

이렇게 형성된 증기는, 그것이 음극의 금속 부분의 냉벽과 접촉해 열을 열 교환기에 의해 외부로 발산하면서 응축시키는, 응축실로 명명된, 회로의 상부에 도달할 때까지 상행 채널 내부에서 상승한다.

상기 냉벽에 발생된 응축수 방울은, 그것이 증발 영역에 도달할 때까지 중력 효과에 의해 하행 채널을 따라 흐르는 물의 막을 형성하여서 음극의 금속 부분을 냉각시킨다.

그 후, 응축수는 기화실로 흐르고 이 기화실에 존재하는 물과 혼합되어서, 음극의 연결 조인트로부터 열을 제거한다. 단계가 바뀔 때 수반되는 잠재 에너지 때문에, 많은 열이 기화실에서 응축실로 이동한다.

이 시스템에서 열 교환은 기화 및 응축 단계에서 열 교환에 대한 계수 값에 따른다.

기화 단계에서 상대 계수 값은 전체 열 흐름에 대한 함수이다.

실험 값은, 이 값이 열 흐름의 증가와 함께 급속하게 증가한다는 것을 보여준다.

반대로, 응축 단계에서 열 교환의 계수 값은 열 이동이 증가할 때 초기에만 약간 증가할 뿐 그 후에는 상당히 감소된다.

기화 단계에서 열 교환에 대한 계수 값은 응축 단계 동안 계수 값보다 더 크기 때문에, 동량의 열을 적용하기 위해서 응축실에서 열 교환 표면을 증가시키는 것이 중요하다.

본 발명에 따르면, 열 교환시에 열 교환 표면을 증가시키도록, 응축실과 연결되는, 음극의 횡단면에서 볼 수 있는 것과 같은 파상의 또는 삼각형의 구조를 가지는 넓은 표면이 얻어진다.

이런 형태의 회로에서 열 교환은, 회로 내 액체의 유형과 양, 회로의 기하학적 구조, 기화기/ 응축기의 길이 비율, 열 흐름의 존재, 회로 내부의 압력 등과 같은 여러 가지 인자에 따른다.

이런 매개 변수의 선택은 시스템의 정확한 기능을 위해 중요하다. 즉 끓음 현상이 일어나야 하고 전소와 같은 유해한 현상 및 격렬한 열 교환의 감소와 같은 다른 단점이 없어야 한다.

전술한 유해한 현상을 방지하기 위해서, 본 발명에 따르면, 이 회로에 사용되는 냉각 유체는 회로의 전체 부피에 대해 14%와 30% 사이를 차지하고 선호적으로는 18%와 20% 사이를 차지한다.

또다른 실시예에 따르면, 음극의 금속 부분과 흑연 부분 사이의 연결 조인트는 열을 제거하기 위해 용융된 금속을 포함하는 중공을 내부에 가진다.

대기 온도에서 입상으로 고체 상태인 상기 용융된 금속은, 전기 아크, 전류(주울 효과) 및 용융 공정 단계에서 노와 열 교환에 의해 용융된다.

상기 연결 조인트를 통과하는 전류는 중공 내부에 용융된 금속에서 와동을 일으키고, 이것은 조인트의 온도를 균일하게 만들어준다.

다른 실시예에 따르면, 중공은 연결 조인트의 전도성보다 더 큰 전도성을 가지는 물질로 만들어진 운반 삽입부를 포함하고, 상기 운반 삽입부는 바닥에서 중공의 상부를 향하여 뻗어있다.

이 운반 삽입부는 흑연 부분에서 음극의 금속 부분으로 전류를 이동시키기 위한 주요 이동 경로를 형성하고, 중공 내부에서 액체의 유리한 와동 회전 방향을 정한다.

운반 삽입부의 측벽은 삽입부의 두 단부로 전류가 집중되도록 전기 차폐된다.

또다른 실시예에 따르면, 중공은 두 개의 중심이 같은 연결 도관을 한정하는 요소를 포함하는데 상기 도관은 중공 내부에서 액체 금속을 위한 선호되는 경로를 형성한다.

본 발명의 제 1 실시예에서, 음극의 금속 부분의 측벽은 함께 결합된 두 개의 중심이 같은 재킷으로 구성되는데, 이 중 하나는 내부 또는 외부에 구리나 그것의 합금으로 만들어지고 다른 재킷은 철 또는 그것의 합금으로 만들어진다.

변형예에 따르면, 흑연 부분과 금속 부분 사이의 분리 영역에 공기 고리를 가지는데 이것은 전류의 흐름 방향을 결정하여서 음극의 중심면으로 열이 전달되도록 한다.

또다른 변형예에 따르면, 조인트의 하부에, 흑연 부분과 접촉하여, 예를 들면 납과 같은 저온 용융되는 금속에 한 요소가 있다.

전류가 이 요소를 통하여 흐를 때 이 요소는 용융되어 증가한 후에 조인트를 따라 상승하고 조인트의 두 부분 사이에 놓여지고 그것의 기계적 연결 및 전류의 흐름을 향상시킨다.

본 발명에 따른 냉각 시스템은 음극의 금속 부분의 벽을 냉각시킬 수 있고 흑연 부분에서 발생한 열의 흐름을 제한할 수 있으므로, 노의 기능에 관한 한 불균형을 일으키지 않으면서 음극의 전체 전도성을 변함없이 유지할 수 있다.

본 발명의 시스템에 따르면 흑연 부분과 음극의 금속 부분 사이의 기계적 연결부의 안정성을 보장하기 위해서, 조인트의 온도를 균일하게 유지할 수 있고 그것을 적정치 이내에서 유지할 수 있다; 이 안정성은 용융된 금속에 의해 조인트 부분 사이의 틈을 채워줌으로써 향상된다.

첨부 도면은 비제한적인 예시로서 주어지고 다음과 같은 선호되는 실시예를 나타낸다:

도 1 은 본 발명에 따른 냉각 시스템을 적용한 전기 아크 노에 대한 음극의 단면도.

도 2 는 도 1의 정밀도K.

도 3 은 도 1의 A-A 단면에 대한 확대도.

도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 시스템을 적용한 전기 노에 대한 음극의 종방향 단면도.

도 5 는 도 4에 나타낸 실시예를 수정한 도면.

*부호 설명

10 ... 냉각 시스템 11 ... 음극

12 ... 파지 장치 13 ... 조인트

14 ... 상행 채널 16 ... 하행 채널

17 ... 기화실 18 ... 응측실

20 ... 연장부 21 ... 중공

22 ... 덮개 부품 28 ... 도관

번호 10은 직류 전기 아크 전류를 위한 음극(11)에 대한 냉각 시스템을 나타낸다.

여기에서, 음극(11)은 그것의 하부에 흑연 부분(11a)을 포함하고 그것의 상부에 중공 금속 부분(11b)을 포함하고 또 베어링 기능을 가지고, 전극 베어링 아암의 파지 장치(12)와 연결된다.

금속 부분(11b)의 주요 구조체는 두 개의 금속 재킷 또는 함께 결합된 측벽으로 구성되는데 두 금속 재킷 중 하나(111b 또는 211b)는 구리나 구리 합금으로 만들어지고 다른 재킷(211b 또는 111b)은 철 또는 철 합금으로 만들어진다.

기계적 저항성과 전도성을 모두 겸비하고 있어서 금속 부분(11b)의 구조는 유리하다; 또, 금속 부분(11b)은 그것의 하부에서 내화재(11c) 층에 의해 바깥쪽으로 덮여져 있다.

흑연 부분(11a)과 금속 부분(11b)은 나사가 있는 경우에, 조인트(13)에 의해 서로 결합된다.

조인트(13)는 그것의 상부에서 Cu/Ni합금으로 만들어진, 덮개 부품과 결합되는데, 상기 덮개 부품의 내부에 금속 부분(11b)과 흑연 부분(11a) 사이의 연결부를 조절하는 요소들이 배치된다.

본 발명에 따르면, 금속 부분(11b)은 측벽(111b, 211b)과 동축으로 발달하는 경우에, 바닥과 상단을 향하여 열려지는 축 방향의 도관(28)에 의해 한정되는 측벽을 상행 채널(14) 내부에 포함한다.

상기 상행 채널(14)은 바닥에서 상단으로, 금속 부분(11b)의 바닥보다 약간 더 높은 곳으로부터 음극(11)의 상단에서 측벽(111b, 211b)과 외주에서 결합되는 열 교환기(15)의 높이보다 약간 더 낮은 곳으로 뻗어있다.

이런 구조를 가지는 금속 부분(11b)은 측벽(111b, 211b)과 상행 채널(14)을 한정하는 축 방향의 도관(28) 사이에서, 원환체이고 상행 채널(14)의 구간에 비해 아주 작은 구간을 가지는 하행 채널(16)을 한정한다.

두 채널(14, 16)은 금속 부분(11b)의 하부 즉 기화실(17)과 금속 부분(11b)의 상부 즉 응축실(18)과 통하게 상호 연결된다.

본 발명에 따르면, 기화실(17)은 금속 부분(11b)의 내부 부피의 14%와 30% 사이, 선호적으로는 18%와 20% 사이의 물(19)로 채워진다. 전기 아크의 효과에 의해 발생된 열, 사용된 전류의 흐름 및 흑연 부분(11a)에서 금속 부분(11b)을 향하여 용융의 여러 단계 동안 노 내부에서 일어나는 열 교환은, 물이 끓는점에 도달하여서 기화할 때까지 물(19)의 온도를 상승시킨다.

증기 입자가 가벼워짐에 따라, 발생된 증기(19a)의 미립자는 상행 채널(14)을 따라 상승하여서 그것들은 축방향의 도관(28)의 열린 하부로부터 그리고 축방향의 도관(28)의 원주상에 포함된 중간의 구멍(29)을 통하여 응축실(18)에 도달한다.

응축실에서, 증기(19a)는 금속 부분(11b)의 냉벽과 접촉하여서, 응축하고 열 교환기(15)를 수단으로 외부에 열을 발산한다. 응축수는 응축수(19b)의 막을 형성하는 금속 부분(11b)의 내부 측벽(111b)에 떨어지는데 응축수는 하행 채널(16) 내부에서 움직이고 기화실(17)로 이동한다; 이것은 금속 부분(11b)의 측벽(111b, 211b)의 냉각을 일으킨다.

도 3에 나타낸 본 발명의 한 실시예에서, 바깥쪽 측벽(111b)은 좀더 효율적인 응축을 위해 더 넓은 열 교환 표면을 부여하는 핀 연장부(20)를 포함한다.

도 4와 5에 나타낸 실시예에 따르면 조인트(13)는 냉각 유체로서 용융된 금속을 함유하는 중공(21)을 그것의 내부에 포함한다.

조인트(13)를 통과하는 전류의 흐름은, 중공(21) 내부에서 냉각 유체의 증기(23)를 형성하는데 이것은 조인트(13)의 온도를 일정하게 해 주어서 그것의 냉각 상태를 향상시키고 흑연 부분(11a)과 금속 부분(11b) 사이의 기계적 연결부를 좀더 안정되고 견고하게 해 준다.

또다른 예시에 따르면, 납과 같은 저온 용융 금속으로 만들어진 요소(24)는 조인트(13)의 바닥(13a)과 흑연 부분(11a) 사이에 배치된다.

전류의 흐름에 의해 발생된 열 때문에 요소(24)는 용융하고 다량으로 증가하여서, 조인트(13)와 흑연 부분(11a) 사이에, 공동 작용하는 나사 사이에서 틈이 존재하는 경우에, 이 틈을 채워준다.

도 4의 중공(21)은 두 도관을 한정하기 위해서 중공에 대하여 동축으로 장착된 요소(25) 내부에, 중공(21)의 하부 및 상부와 통하게 서로 연결되는 도관을 포함한다.

이 변형예에 따르면, 조인트(13)의 측벽(13b)을 따라 움직이는 전류는 냉각 유체의 흐름(23)을 일으키는데 선호되는 경로는 측벽(13b)을 따라 상승하고 요소(25)에 의해 내부에 한정된 도관 내부에서 하강한다.

도 5에 나타낸 또다른 실시예에 따르면, 중공(21)은 세로축을 따라 내부에 운반 삽입부(26)를 포함하는데 상기 운반 삽입부는 바닥에서 상단으로 뻗어있다.

운반 삽입부(26)는 조인트(13)를 통하여 전류의 이동 경로를 구성하는 고전도성을 가지는 물질(예: 구리)로 만들어진다. 또 운반 삽입부(26)는 전기 절연재(27) 층과 나란히 배열되고, 이것은 운반 삽입부(26)의 상단을 향하여 전류가 바깥쪽으로 이동하도록 한다.

조인트(13)와 그 다음에는 상대 내부 중공(21)의 축을 따르는 전류의 이동은 중공의 내부에서 냉각 유체의 와동 흐름(23)을 위한 경로를 결정한다. 이 흐름은 조인트(13)의 측벽(13b)을 따라 하강하고 운반 삽입부(26)에 인접하여 재상승한다.

본 발명에 따르면, 전류의 흐름을 가능한 한 제한하여서 열이 음극(11)의 외주로 흐르도록, 조인트(13)는 그것의 바깥쪽에서, 흑연 부분(11a)과 그것을 분리하는 공기 고리(13c)를 포함한다. 공기 고리(13c)는 전류 및 발생된 열의 상대 흐름이 주로 조인트(13)의 측벽(13b)을 통하여, 즉 냉각 시스템(10)의 효율성이 가장 큰 영역으로 발산되도록 한다.

본 발명은, 금속부분에서 음극뿐만 아니라 흑연 부분과 음극 부분 사이의 연결부에서 열을 효과적으로 제거할 수 있고 연결부의 전도성을 변함없이 유지할 수 있는 직류 전기 아크 노에서 음극에 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 시스템은 그것의 금속 부분과 연결되는 음극 내부에서 발생하는 폐쇄형 냉각 회로를 포함한다. 상기 회로는 냉각수에 대해 상행 채널과 하행 채널을 포함하는데, 이것은 음극의 금속 부분의 하단과 상단 및 냉각 회로의 상부와 연결되게 배치된 열 교환기와 서로 통한다.

Claims (13)

1. 음극(11)은 소모성 흑연으로 만들어진 하부(11a)를 포함하고, 이 하부에서 전기 아크가 발화되고, 조인트(13)를 수단으로 중공 금속 부분(11b)과 상부에서 연결되는, 직류 전기 아크 노에 대한 음극 또는 전극(11)을 위한 냉각 시스템에 있어서, 금속 부분(11b) 내부에, 금속 부분(11b)의 하부 단부와 공동 작용하도록 배치된 기화실(17)과 금속 부분(11b)의 상부와 공동 작용하도록 배치된 응축실(18)을 한정하는, 물(19) 또는 이와 유사한 다른 냉각 유체를 가지는 폐쇄 냉각 회로가 포함되고, 상기 응축실(18)은 금속 부분(11b)의 외벽과 결합된 열 교환기(15)와 공동작용하고, 기화실(17)에서 응축실(18)로 증기(19a)를 이송하기 위한 상행 채널(14)을 포함하고 응축실(18)에서 기화실(17)로 중력의 영향하에서 응축액이 하강하는 하행 채널(16)을 포함하고, 상기 상행 채널(14)과 하행 채널(16)은 기화실(17)과 응축실(18)과 연결되어 상호 이동하고, 상기 하행 채널(16)은 금속 부분(11b)의 내벽과 공동작용하고 상행 채널(14)보다 작은 구간을 가지는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 음극(11)이 비작동상태이고 대기 온도에서, 냉각 유체는 금속 부분(11b)의 내부 부피에 대해 14%와 30% 사이의 물(19)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상행 채널(14)은 기화실(17)에서 응축실(18)로 뻗어있는 축 방향의 도관(28)에 의해 한정되고 하행 채널(16)은 축 방향의 도관(28)과 음극(11)의 금속 부분(11b)의 내벽 사이에 포함된 공간에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
4. 제 3항에 있어서, 축 방향의 도관(28)은, 물(19)의 높이보다 조금 더 높은 영역에서, 중간 통과 구멍(29)을 포함하고, 상기 구멍을 통하여 증기(19a)는 통과할 수 있고, 하행 채널(16)과 상행 채널(14) 사이에서 이동이 일어나는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
5. 상기 청구항에서, 금속 부분(11b)의 벽은 함께 단단히 결합된 두 개의 재킷(111b 또는 211b)으로 구성되는데, 상기 재킷(111b 또는 211b)중 하나는 구리나 구리 합금물질로 만들어지고 다른 재킷(111b 또는 211b)은 철 또는 철 합금 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
6. 상기 청구항에서, 응축실(18)과 열 교환이 증가되도록 금속 부분(11b)의 내벽은 핀 연장부(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
7. 상기 청구항에서, 조인트(13)는 그 내부에 열을 발산하기 위해 용융된 금속을 포함하는 중공(21)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
8. 제 7항에 있어서, 노가 비작동상태일 때 용융된 금속은 고체 상태이고, 전기 아크에 의해 발생된 온도, 전류의 흐름 및 노의 내부와 열 교환에 따라 발생하는 용융 공정 동안 용융되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
9. 제 7항 또는 8항에 있어서, 중공(21)은 상단 및 하단을 향하여 열리는 축 방향의 도관을 한정하는 요소(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
10. 제 7항 또는 8항에 있어서, 중공(21)의 바닥은 중공(21)의 바깥쪽을 향하여 종방향으로 뻗어있는 전류를 위한 운반 삽입부(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
11. 제 10항에 있어서, 운반 삽입부(26)는 한 층의 전기 절연 물질(27)을 그것의 측부 둘레에 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
12. 상기 청구항에서, 조인트(13)와 공동 작용하도록 열을 발산하고 틈을 메우는 저온-용융 금속(24)으로 만들어진 요소가 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
13. 상기 청구항에서, 흑연 부분(11a)과 금속 부분(11b) 사이의 분리 영역과 공동 작용하도록 공기 고리(13c)가 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.