NO179770B - Selvbakende elektrode - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en selvbakende elektrode for bruk i elektriske smelteovner.

Konvensjonelle selvbakende elektroder omfatter en vertikalt anordnet mantel som strekker seg ned gjennom en åpning i ovnens takkonstruksjon. Den øvre ende av mantelen er åpen for å tillate tilsats av ubakt karbonbasert elektrodemasse som først smelter og deretter bakes til en fast karbonelektrode på grunn av varme som utvikles i massen ved området for strømtilførsel til elektroden. Etter hvert som elektroden forbrukes monteres nye mantellengder på toppen av elektrodesøylen og ubakt elektrodemasse etterfylles.

Den konvensjonelle elektroden av den nevnte type er utstyrt med innvendig vertikale metalliske ribber som er festet til den indre overflate av mantelen og som strekker seg radielt innover mot sentrum av elektroden. Ved påsveising av ny mantellengde blir ribbene sveiset sammen for å få kontinuerlige ribber i vertikal retning. Ribbene tjener som en forankring av den bakte elektroden samt til å lede strøm og varme innover i elektrodemassen under bakingen. Etter hvert som den bakte elektrode forbrukes i smelteovnen senkes elektroden nedover i ovnen ved hjelp av holde- og slippeanordninger.

Ved de konvensjonelle elektroder av den nevnte type smelter mantelen og de innvendige ribber når elektroden forbrukes i smelteovnen. Metallinnholdet i mantel og ribber overføres således til de produkter som produseres i smelteovnen. Da mantelen og ribbene vanligvis er fremstilt av stål vil de nevnte konvensjonelle elektroder ikke kunne anvendes i elektriske reduksjonsovner for fremstilling av silisium eller ferrosilisium med høyt silisiuminnhold idet jerninnholdet i det fremstilte produkt blir uakseptabelt høyt.

Allerede i 1920-årene ble det ved fremstilling av selvbakende karbonelektroder foreslått å lede varme inn til den ubakte elektrodemasse via innlegg av på forhånd brente karbonlegemer i den ubakte elektrodemassen. Således er det i norsk patent nr. 45408 beskrevet en fremgangsmåte ved fremstilling av selvbrennende elektroder hvor det i elektrodens periferi er anbragt karboninnlegg som holdes på plass ved hjelp av elektrodemassen. Karboninnleggene er ikke festet til elektrodemantelen, men holdes kun på plass først av den ubakte elektrodemasse, og når elektroden er bakt, av den bakte elektrodemasse. For å holde karboninnleggene på plass både før, under og etter bakingen er det en forutsetning at hver mantel fylles helt med varmflytende elektrodemasse når en ny mantel settes på toppen av elektrodesøylen, idet det kun er elektrodemassen som holder karboninnleggene på plass mot mantelens innside. En slik ifyllingsmetode for elektrodemasse er uønsket idet helsefarlige gasser fra tjære/bek-bindemiddelet i elektrodemassen vil fordampe fra toppen av elektrodesøylen og utgjøre en uakseptabel helserisiko for operatørene. Karboninnleggene vist i det norske patentet har et forhold mellom radiell lengde og tykkelse som er mindre enn 1:2. Kullinnleggene vil derfor kun lede strøm og varme en meget kort lengde innover i elektrodemassen og derved vanskeliggjøre baking av elektrodemassen i elektrodens senterområde. Da karboninnleggene ifølge norsk patent nr. 45408 hverken er festet til mantelen eller til hverandre i vertikal retning og dessuten har et forhold mellom radiell lengde og bredde som er mindre enn 1:2, vil de ikke fungere som ribbene som benyttes i konvensjonelle selvbakende elektroder. Fremgangsmåten ifølge norsk patent nr. 45408 har av disse og andre grunner ikke fått noen praktisk anvendelse.

Det har imidlertid opp gjennom tidene blitt foreslått en rekke modifikasjoner av den beskrevne konvensjonelle selvbakende karbonelektrode med stålribber for å unngå forurensing av silisium med jern fra mantel og fra stålribber.

Således er det i norsk patent nr. 149451 beskrevet en selvbakende elektrode hvor elektrodemasse inneholdt i en mantel uten innvendige ribber, bakes over det sted hvor elektrodestrøm for drift av smelteovnen tilføres til elektroden og at mantelen fjernes .etter at elektroden er bakt, men før elektroden kommer ned til det sted hvor driftsstrøm tilføres til elektroden. På denne måte kan det fremstilles en mantel- og ribbefri elektrode. Denne elektroden er blitt anvendt i smelteovner for fremstilling av silisium, men har den ulempe i forhold til konvensjonelle forbakte elektroder at den må utstyres med kostbare anordninger for baking av elektroden, samt anordninger for fjerning av mantelen.

I US patent nr. 4,692,929 er det beskrevet en selvbakende elektrode som er spesielt egnet for bruk i forbindelse med fremstilling av silisium. Elektroden omfatter en permanent metallmantel uten innvendige ribber samt en støttestruktur for elektroden omfattende karbonfibre hvor elektrodemassen bakes rundt strukturen og hvor den bakte elektrode holdes ved hjelp av støttestrukturen. Denne elektroden har den ulempe at det må anordnes egnede holdeinnretninger over toppen av elektroden for å holde elektroden ved hjelp av støttestrukturen av karbonfibre. Videre kan det være vanskelig å få den bakte elektrode til å gli ned gjennom mantelen etter hvert som elektroden forbrukes.

I US patent nr. 4,575,856 er det beskrevet en selvbakende elektrode med en permanent mantel uten innvendige ribber, hvor elektrodemassen bakes rundt en sentral grafittkjerne og hvor elektroden holdes ved hjelp av grafittkjernen. Denne elektroden er beheftet med de samme ulemper som elektroden beskrevet i US patent nr. 4,692,929, men i tillegg er grafittkjernen utsatt for brudd når elektroden utsettes for sidekrefter.

De nevnte metoder for fremstilling av selvbakende elektroder uten metallribber har alle den ulempe at de ikke kan anvendes for elektrodediametre over ca. 1,2 m uten en betydelig øket fare for elektrodebrudd. I motsetning hertil benyttes konvensjonelle selvbakende elektroder med diametre opp til 2,0 m.

Til tross for de ovennevnte foreslåtte metoder og anordninger for fremstilling av selvbakende elektroder for å unngå jernforurensing av det produkt som fremstilles i smelteovnen, er det derfor fortsatt behov for en enkel og driftssikker selvbakende karbonelektrode, hvor ulempene med de kjente elektroder overvinnes. Ved den foreliggende oppfinnelse er man nå kommet fram til en selvbakende elektrode uten stålribber, men hvor ulempene ved norsk patent nr. 45408 er overvunnet.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således en selvbakende elektrode som fremstilles i den smelteovn hvori den anvendes hvilken elektrode utgjøres av en ytre mantel fremstilt av et elektrisk ledende materiale utstyrt med indre, radielle, vertikale ribber og hvor.det i mantelen fylles ubakt karbonholdig elektrodemasse som bakes til en fast elektrode ved hjelp av elektrisk strøm som tilføres til elektroden for drift av smelteovnen, og oppfinnelsen er kjennetegnet ved at de indre, radielle vertikale ribber utgjøres av faste karbonplater som er festet til mantelens innside, hvilke karbonplater har et forhold mellom radiell lengde og tykkelse som er større enn 5:1.

Karbonplatene kan fremstilles av grafitt eller forbakt karbonmateriale og kan om ønskelig forsterkes med karbonfibre eller fibre av andre materialer som ikke fører til forurensing av det produkt som fremstilles i smelteovnen. Forholdet mellom radiell lengde og tykkelse av karbonribbene bestemmes i de enkelte tilfeller av materialvalg i karbonplatene og styrken av disse materialene.

Dersom karbonplatene utgjøres av forbakt karbonmateriale har ribbene fortrinnsvis et forhold mellom radiell lengde og tykkelse som er større enn 8:1. Dersom karbonplatene utgjøres av grafitt har ribbene fortrinnsvis et forhold mellom radiell lengde og tykkelse som er større enn 15:1.

I henhold til en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er ribbene festet til mantelen ved hjelp av bolter og/eller ved liming.

Mantelen med karbonribber fremstilles idet vesentlige på samme måte som selvbakende elektroder med stålribber. Hver mantellengde kan eksempelvis fremstilles fra seksjoner hvor antall seksjoner er lik antall karbonribber. Hver seksjon av mantelen er idet minste på en av de langsgående sider utstyrt med en innadragende flens. Ved sammenstilling av en mantellengde festes karbonplatene mellom de langsgående flenser på tilstøtende mantelseksjoner ved hjelp av bolt og mutter og/eller ved hjelp av lim. Alternativt kan hver mantellengde fremstilles av sammensveiste sylinderformede plater med påsveiste innadragende flenser på innsiden for festing av karbonribbene.

Karbonplatene har idet minste samme lengde som mantelen. Fortrinnsvis har karbonplatene en lengde som er opp til 50 cm lengre enn lengden av hver mantel slik at når en ny mantel skjøtes på toppen av elektrodesøylen vil karbonplatene i mantelen overlappe karbonplatene i den underliggende mantel. Når elektrodemassen bakes i overlappsområdet mellom to mantellengder fås en vertikal sammenheng mellom karbonribbene som for ribber i konvensjonelle selvbakende elektroder med stålribber.

Ved elektroden i henhold til den foreliggende oppfinnelse vil ribbene av karbonplater ha en god elektrisk ledningsevne slik at den elektriske strøm som tilføres til elektroden via strømkontakter hurtig vil ledes innover i den ubakte elektrodemassen. Dette er meget viktig for å sikre hurtig innbaking av elektroden, for eksempel etter et elektrodebrudd. For store elektrodediametre er dessuten ribbene helt nødvendige for å stabilisere strøm-og varmeforholdene i elektrodens periferiområde. I tillegg til forsterkning av strøm- og varmetransport skal ribbene bære elektrodens karbonmateriale. Metallribbene i en konvensjonell selvbakende elektrode forsvinner ved en temperatur over ca. 1000°C, mens karbonplatene som anvendes som ribber ved elektroden i henhold til den foreliggende oppfinnelse, vil virke som forsterkning/armering helt ned til elektrodespissen. Elektroden i henhold til oppfinnelsen kan derfor anvendes for større elektrodediametre enn de elektroder som i dag benyttes i ovner for fremstilling av silisium.

Ved å anvende ribber av på forhånd faste karbonplater med et forhold mellom radiell lengde og tykkelse større enn 15:1 fjernes muligheten for forurensing av det fremstilte produkt i smelteovnen med jern fra ribbene, samtidig som elektroden bibeholder i det minste samme styrke som ved bruk av stålribber. Dette muliggjør at elektroden i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan anvendes med samme store diameter som konvensjonelle selvbakende elektroder med stålribber. Likeledes kan konvensjonelle holde- og slippeanordninger benyttes for elektroden i henhold til foreliggende oppfinnelse. Dette fører til at elektroden kan anvendes i smelteovner hvor det i dag benyttes selvbakende elektroder utstyrt med stålribber, uten at kostbar ombygging av holde- og slippeustyr er nødvendig.

Mantelen for elektroden i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan fordelaktig utstyres med et flertall ytre, vertikale, radielle metall- eller karbonribber hvormed elektrodene kan holdes og slippes ved hjelp av holde- og slippeanordninger beskrevet i norske patenter nr. 147168 og nr. 149485. Derved unngås det at elektroden utsettes for radielle krefter over det sted hvor bakingen av elektroden finner sted. Ved å benytte en slik holde- og slippeinnretning kan mantelen fremstilles av tynnere materiale slik at forurensingen av produkter i smelteovnen med jern ytterligere reduseres. Andre metaller som aluminium og legeringer av aluminium kan også benyttes. I tillegg vil man kunne fremstille elektroder med ikke-sirkulære tverrsnitt, så som elektroder med rektangulære eller tilnærmet rektangulære tverrsnitt.

Den foreliggende oppfinnelse vil nå bli nærmere beskrevet under henvisning til tegningene, hvor, Figur 1 er et vertikalt snitt gjennom elektroden i henhold til den foreliggende oppfinnelse,

Figur 2 er et horisontalt snitt tatt langs linjen I -1 i figur 1,

Figur 3 er et forstørret utsnitt av området A på figur 2 og viser en første utførelsesform for festing av karbonribber til mantel, Figur 4 viser en andre utførelsesform for festing av karbonribber til mantel, og hvor, Figur 5 viser et horisontalt snitt gjennom en elektrode med rektangulært tverrsnitt og utstyrt med ytre radielle ribber, og hvor

Figur 6 viser et forstørret utsnitt av området B på figur 5.

På figur 1 er det vist en konvensjonell selvbakende elektrode som forbrukes i en underliggende smelteovn (ikke vist). Elektroden utgjøres av en ytre mantel 1 av et elektrisk ledende materiale. Mantelen 1 er via en opphengningsramme 2 og hydrauliske reguleringssylindre 3 opphengt i bygningskonstruksjonen ved 4. Det er videre anordnet konvensjonelle holde- og slippeanordninger 5 for å holde og for å mate elektroden nedover etter hvert som den forbrukes. I den nedre del av elektroden er det anordnet kontaktplater 6 som holdes på plass av en konvensjonell trykkring 7. Kontaktplatene er tilknyttet elektriske tilførselskabler (ikke vist) for å tilføre elektrisk driftsstrøm til elektroden. På grunn av varmen som genereres i den karbonholdige elektrodemassen vil massen oppvarmes i området for strømtilførselen og massen vil bakes til en fast elektrode 8. Elektrodemassen tilsettes i form av faste sylindre 9 eller lignende til toppen av elektrodemantelen og massen vil etter hvert mykne og fylle hele tverrsnittet av elektrodemantelen og danne et flytende sjikt 10 av elektrodemasse.

Mantelen 1 vist på figur 2 er utstyrt med et flertall innvendige radielle ribber 11 fremstilt av grafittplater hvor forholdet mellom radiell lengde og tykkelse er 20:1. Ved å benytte ribber 11 av karbonmaterialer unngås det at produktet i smelteovnen forurenses med jern fra stålribber. Samtidig unngås også ulempene med de tidligere kjente selvbrennende elektroder hvor det ikke benyttes radielle ribber festet til mantelen 1 og hvor det benyttes løse karboninnlegg som beskrevet i norsk patent nr. 45408. Karbonribbene vil ha en slik styrke til at de vil bære vekten av den bakte elektrode og karbonribbene har en god elektrisk ledningsevne slik at den elektriske strøm som tilføres via kontaktplatene 6 vil ledes innover i elektrodemassen 10 og derved gi en rask innbaking av elektroden. Videre kan konvensjonelle anordninger for holding og slipping av elektroden anvendes uten modifikasjoner også for elektroden i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Elektroden i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan dermed implementeres på en enkel og kostnadseffektiv måte.

To utførelsesformer for festing av de radielle, innvendige karbonplater til elektrodemantelen er vist på figurene 3 og 4.

Ifølge utførelsesformen vist på figur 3 er de enkelte seksjoner av elektrodemantelen 1 utstyrt med en innadragende flens 12. Karbonplatene 11 er festet mellom flensene 12 på tilstøtende mantelseksjoner ved hjelp av bolt 13 og mutter 14. På denne måte kan karbonplatene på en enkel måte festes til mantelen. I tillegg kan liming av kontaktflatene benyttes.

Ifølge utførelsesformen vist på figur 4 er mantelen 1 utstyrt med innadragende flenser 16 i et antall som tilsvarer antall karbonribber 11 og karbonribbene 11 limes til flensene 16 ved hjelp av et passende lim og forbindelsen kan eventuelt forsterkes med bolt og mutter.

På figur 5 og 6 er det vist en utførelsesform av elektroden i henhold til den foreliggende oppfinnelse hvor elektroden har et i det vesentlige rektangulært tverrsnitt. For slike elektroder kan ikke de konvensjonelle holde- og slippeinnretninger vist på figur 1 anvendes. For å holde og slippe elektroden og for å tilføre strøm til elektroden er derfor elektrodemantelen i tillegg til de innvendige radielle karbonplatene 11, utstyrt med utvendige radielle ribber 17 av et elektrisk ledende materiale, så som stål, aluminium eller karbon. For å tilføre elektrisk strøm til elektroden anvendes det strømtilførselsanordninger 18 som er innrettet til å klemme om de ytre ribbene 17 slik som beskrevet i norsk patent nr. 147168. For å holde og for å slippe elektrodene benyttes det holde- og slippeanordninger som beskrevet i norsk patent nr. 147985. Dette strømtilførselssystemet og holde- og slippesystemet gir ingen radielle krefter mot elektrodemantelen 1 og fører til at mantelen 1 kan fremstilles av et tynnere materiale, hvilket ytterligere vil bidra til å redusere jernforurensning av det produkt som fremstilles i smelteovnen i hvilke elektroden i henhold til den foreliggende oppfinnelse anvendes. Holde- og slippeanordningene beskrevet i norske patenter nr. 147168 og 147985 kan også benyttes for andre tverrsnitt enn rektangulære elektroder.

Claims (10)

1. Selvbakende elektrode som fremstilles i den smelteovn hvori den anvendes hvilken elektrode utgjøres av en ytre mantel (1) fremstilt av et elektrisk ledende materiale og utstyrt med indre, radielle, vertikale ribber (11) og hvor det i mantelen (1) fylles ubakt karbonholdig elektrodemasse (9) som bakes til en fast karbonelektrode (8) ved hjelp av elektrisk strøm som tilføres til elektroden for drift av smelteovnen, karakterisert ved at de indre, radielle vertikale ribber (11) utgjøres av faste karbonplater (11) som er festet til mantelens (1) innside, hvilke karbonplater (11) har et forhold mellom radiell lengde og tykkelse som er større enn 5:1.

2. Elektrode i henhold til krav 1, karakterisert ved at karbonplatene (11) er fremstilt av grafitt eller forbakt karbonmateriale.

3. Elektrode i henhold til krav 2, karakterisert ved at karbonplatene (11) fremstilt av grafitt har et forhold mellom radiell lengde og tykkelse som er større enn 15:1.

4. Elektrode i henhold til krav 2, karakterisert ved at karbonplatene (11) fremstilt av forbakt karbonmateriale har et forhold mellom radiell lengde og tykkelse som er større enn 8:1.

5. Elektrode i henhold til krav 1-4, karakterisert ved at karbonplatene (11) er forsterket med karbonfibre eller med fibre av andre materialer som ikke fører til forurensing av det produkt som fremstilles i smelteovnen.

6. Elektrode i henhold til krav 1-5, karakterisert ved at karbonplatene (11) er festet til mantelen (1) ved hjelp av bolter (13) og/eller ved liming.

7. Elektrode i henhold til krav 6, karakterisert ved at mantelen (1) er sammensatt av seksjoner hvor hver seksjon er utstyrt med minst en langsgående innadragende flens (12) og at karbonplatene (11) er festet til flensene (12) på tilstøtende mantelseksjoner.

8. ' Elektrode i henhold til krav 1-7, karakterisert ved at karbonplatene (11) i det minste har samme lengde som lengden av mantelen.

9. Elektrode i henhold til krav 8, karakterisert ved at karbonplatene (11) er opptil 50 cm lengre enn lengden av hver mantel (1), slik at når en ny mantel (1) påsettes på toppen av elektroden vil karbonplatene (11) i mantelen (1) overlappe karbonplatene (11) i den underliggende elektrodemantel (1).

10. Elektrode i henhold til krav 1-9, karakterisert ved at elektrodemantelen (1) er utstyrt med et flertall ytre, vertikale ribber (17) for holding, slipping og tilførsel av elektrisk strøm til elektroden.