PL177220B1 - Samospiekająca się elektroda węglowa - Google Patents

Abstract

1. Samospiekajaca sie elektroda weglowa, wytworzona w bezposrednim polaczeniu z piecem, w którym jest zuzywana, zaopatrzo- na w zewnetrzna obudowe wykonana z ma-- te ria lu p rzew o d zaceg o prad, m ajaca wewnetrzne, promieniowe, pionowe zebra, oraz zawierajaca weglowa, nie spiekana pa-- ste podana do obudowy, ulegajaca spiekaniu w stala elektrode za pomoca pradu elektrycz- nego, podawanego do elektrody, znam ienna tym, ze obudowa (1) zawiera wiele odcin- ków, z których kazdy przynajmniej na jed- nym ze swych pionow ych boków jest wyposazony w wystajacy do wewnatrz kol- nierz (12), przy czym wewnetrzne, promie- niow e, pionow e w eglow e zebra (11), skladajace sie ze stalych arkuszy weglowych, sa przymocowane pomiedzy pionowymi kol- nierzami (12) na sasiadujacych odcinkach. F ig . 3 PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest samospiekająca się elektroda węglowa, stosowana w elektrycznych piecach do wytapiania.

Tradycyjne samospiekające się elektrody obejmują pionowo usytuowaną obudowę elektrody, przebiegającą przez otwór w dachu lub kapturze pieca. Górny koniec obudowy elektrody jest otwarty, w celu umożliwienia dodawania niespiekanej pasty węglowej, która przy ogrzewaniu mięknie i topnieje i jest następnie spiekana w stałą elektrodę za sprawą ciepła, powstałego w paście w obszarze dostarczania elektrycznego prądu operacyjnego do elektrody. Ponieważ elektroda jest używana w piecu, elektroda obniża się, a nowe odcinki obudowy instaluje się na szczycie kolumny elektrody, po czym dodaje się więcej niespiekanej pasty elektrodowej.

Tradycyjna elektroda tego typu wyposażonajest w wewnętrzne, pionowe,metalowe żebra, przymocowane do wewnętrznej powierzchni obudowy elektrody, które to żebra przebiegają promieniowo w kierunku środka elektrody. Gdy nowy odcinek obudowy elektrody instaluje się na szczycie kolumny elektrody, żebra zostająprzyspawane do żeber w obudowie poniżej, w celu uzyskania ciągłych żeber w kierunku pionowym. Żebra służą jako wzmocnienie spiekanej elektrody i przewodzą prąd elektryczny i ciepło promieniowo do pasty elektrodowej w czasie procesu spiekania. W celu skompensowania zużycia elektrody, elektrodę obniża się w dół do pieca przy pomocy zespołu utrzymującego i przesuwającego elektrodę.

177 220

Gdy stosuje się elektrody tego typu, obudowa elektrody i wewnętrzne żebra topią się, gdy elektroda ulega zużyciu w piecu. Zawartość metalu w obudowie i żebra i przechodzą w ten sposób do produktu wytworzonego w piecu do wytapiania. Jako, iż obudowa elektrody i wewnętrzne żebra są zwykle wykonane ze stali, takie tradycyjne elektrody samospiekające się nie mogą być zastosowane do pieców elektrycznych do wytapiania do wytwarzania krzemu albo wytwarzania żelazokrzemu, mającego wysoką zawartość krzemu, ponieważ zawartość żelaza w wytworzonym produkcie stanie się niedopuszczalnie wysoka.

Już w latach dwudziestych proponowano przewodzenie ciepła do elektrod samospiekających się poprzez wstawki ze wstępnie spiekanych ciał węglowych w niespiekanej postacie elektrodowej. I tak w norweskim opisie patentowym nr 45408 przedstawia się sposób wytwarzania samospiekających się elektrod, gdzie wstępnie spiekane ciała węglowe umieszczane są na obwodach elektrod i utrzymywane w miejscu przez niespiekaną pastę węglową. Wstawki węglowe nie są przymocowane do obudowy elektrody, ale są jedynie utrzymywane w miejscu przez niespiekaną pastę węglową, a gdy elektroda ulega spiekaniu, przez spiekaną pastę elektrodową. W celu utrzymania wstawek węglowych w miejscu przed, w czasie i po spiekaniu pasty elektrodowej, konieczne jest, by każda obudowa była całkowicie wypełniona gorącą płynną pastą elektrodową, gdy instaluje się nową długość obudowy na szczycie kolumny elektrodowej, albowiem jedynie pasta elektrodowa utrzymuje wstawki węglowe w miejscu na wewnętrznej ściance obudowy. Taki sposób dodawania pasty elektrodowej jest niepożądany, ponieważ niebezpieczne dla zdrowia gazy, które powstają w spoiwie smołowo/pakowym w paście elektrodowej, będą parować ze szczytu kolumny elektrodowej i następnie będą niedopuszczalnym zagrożeniem dla zdrowia operatorów. Wstawki węglowe, przedstawione w norweskim opisie patentowym mają stosunek pomiędzy długością promieniową a grubością mniejszy niż 1:2. Wstawki węglowe będą dlatego przewodzić ciepło tylko na krótką odległość do wewnątrz do pasty elektrodowej i tym samym utrudnią uzyskanie całkowitego spiekania w środkowej części elektrody. Ponieważ wstawki węglowe według norweskiego opisu patentowego nr 45408 nie są przymocowane do obudowy albo do siebie w kierunku pionowym, a w dodatku mają stosunek pomiędzy długością promieniową a grubością mniejszy niż 1:2, te wstawki węglowe nie będą działać w taki sam sposób, co wewnętrzne żebra, które stosowane są w tradycyjnych samospiekających się elektrodach. Sposób według norweskiego opisu patentowego nr 45408 nie znalazł z tego względu żadnego praktycznego zastosowania.

Z biegiem lat zaproponowano jednak wiele modyfikacji tradycyjnych samospiekających się elektrod, mających wewnętrzne stalowe żebra w celu uniknięcia zanieczyszczenia krzemu wytwarzanego w piecu z żelazem przez żelazo w obudowie i w żebrach.

I tak, w norweskim opisie patentowym nr 149451 przedstawiono samospiekającą się elektrodę, gdzie pasta elektrodowa zawarta w obudowie, nie mającej żadnych wewnętrznych żeber, ulega spiekaniu powyżej miejsca, gdzie elektryczny prąd operacyjny pieca do wytapiania dostarczany jest do elektrody i gdzie obudowa elektrody jest usuwana po spiekaniu elektrody, ale przed obniżeniem elektrody do miejsca, gdzie elektryczny prąd operacyjny dostarczany jest do elektrody. W ten sposób powstaje elektroda, nie posiadająca obudowy i wewnętrznych żeber. Ten rodzaj elektrody stosowano w piecach do wytapiania do wytwarzania kremu, ale ma on tę wadę w stosunku do konwencjonalnych, wstępnie spiekanych elektrod, że trzeba zainstalować kosztowne urządzenia do spiekania elektrody i do usuwania obudowy z elektrody.

W amerykańskim opisie patentowym nr 4 692 929 przedstawiono samospiekającą się elektrodę do zastosowania w piecach elektrycznych do wytwarzania krzemu. Elektroda obejmuje stałą obudowę metalową, nie mającą wewnętrznych żeber oraz strukturę podporową dla elektrody, obejmującą włókna węglowe, gdzie pasta elektrodowa jest spiekana wokół struktury podporowej i gdzie spiekana elektroda jest utrzymywana przez strukturę podporową. Elektroda ta ma tę wadę, że trzeba wprowadzić specjalne urządzenia utrzymujące na szczyt elektrody w celu utrzymania elektrody przy pomocy struktury podporowej, obejmującej włókna węglowe. Co więcej, może być trudne przesunięcie elektrody w dół przez stałą obudowę w trakcie zużywania elektrody.

W amerykańskim opisie patentowym nr 4 575 856 przedstawiono samospiekającą się elektrodę, mającą stałą obudowę bez wewnętrznych żeber, gdzie pastę elektrodową spieka się

177 220 wokół centralnego rdzenia z grafitu i gdzie elektrodę utrzymuje rdzeń grafitowy. Elektroda ta ma te same wady, co elektroda według amerykańskiego opisu patentowego nr 4 692 929, a w dodatku rdzeń grafitowy ulega pękaniu, gdy elektroda poddawana jest siłom promieniowym.

Wszystkie wyżej wspomniane sposoby wytwarzania samospiekających się elektrod, me maj ące wewnętrznych żeber metalowych maj ą tę wadę, że nie można ich zastosować dla elektrod, mających średnicę powyżej 1,2 m bez znacznego wzrostu prawdopodobieństwa pęknięcia. W przeciwieństwie do tego stosuje się tradycyjne samospiekające się elektrody, mające średnicę aż do 2,0 m. Samospiekająca się elektroda węglowa, wytworzona w bezpośrednim połączeniu z piecem, w którym jest zużywana, zaopatrzona w zewnętrzną obudowę wykonaną z materiału przewodzącego prąd, mającą wewnętrzne, promieniowe, pionowe żebra, oraz zawierająca węglową, nie spiekaną pastę podaną do obudowy, ulegającą spiekaniu w stałą elektrodę za pomocą prądu elektrycznego, podawanego do elektrody, według wynalazku wyróżnia się tym, że obudowa zawiera wiele odcinków, z których każdy przynajmniej na jednym ze swych pionowych boków jest wyposażony w wystający do wewnątrz kołnierz, przy czym wewnętrzne, promieniowe, pionowe węglowe żebra, składające się ze stałych arkuszy węglowych, są przymocowane pomiędzy pionowymi kołnierzami na sąsiadujących odcinkach. Żebra korzystnie są przymocowane do obudowy za pomocą śrub. W innym wariancie wykonania żebra korzystnie są przymocowane do obudowy za pomocą kleju. Żebra korzystnie są wykonane z grafitu, przy czym korzystnie mają stosunek pomiędzy długością promieniową, a grubością ponad 15 do 1.

W innym wariancie wykonania żebra są korzystnie wykonane ze wstępnie spiekanego materiału węglowego, przy czym korzystnie mają stosunek pomiędzy promieniową długością a grubością powyżej 8 do 1.

Żebra korzystnie są wzmocnione włóknami węglowymi. Żebra korzystnie mają przedłużenie pionowe, które jest równe co najmniej długości każdej długości obudowy.

Obudowa elektrody jest korzystnie wyposażona w zewnętrzne, pionowe żebra przewodzące operacyjny prąd elektryczny elektrody.

Samospiekająca się elektroda węglowa według wynalazku jest pozbawiona wewnętrznych żeber stalowych, przy czym wady znanych elektrod, przedstawionych w opisach patentowych zostały pokonane.

Przedmiot wynalazku, w przykładach wykonania, został bliżej objaśniony na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pionowy przekrój przez elektrodę według niniejszego wynalazku, fig. 2- widok poziomy, wzięty według linii I-I z fig. 1, fig. 3 - powiększony widok obszaru zaznaczonego jako A na fig. 2 i pierwsze przykładowe wykonanie mocowania żeber węglowych do obudowy, fig. 4 - drugie przykładowe wykonanie mocowania - żeber węglowych do obudowy, fig. 5 - przekrój poziomy przez elektrodę, mającą przekrój poprzeczny prostokątny i wyposażoną w. zewnętrzne żebra promieniowe , natomiast fig , 6 przedstawia powiększony widok obszaru zaznaczonego jako B na fig. 5.

Na fig. 1 przedstawiono samospiekającą się elektrodę, która jest zużywana w piecu do wytapiania (nie przedstawiony), umieszczonym poniżej elektrody. Elektroda obejmuje zewnętrzną obudowę 1, wykonaną z materiału przewodzącego prąd. Obudowa 1 jest, poprzez ramę zawieszenia elektrody 2 i poprzez walce hydraulicznej regulacji elektrody 3 zawieszona w konstrukcji budowlanej 4. Tradycyjne urządzenia do podtrzymywania i przesuwania elektrody 5 są umieszczone w celu utrzymywania elektrody i w celu przesuwania elektrody w dół w miarę jeje zużywania w piecu. W dolnej części elektrody umieszczone są zaciski stykowe 6, które są dociskane do powierzchni elektrody przy pomocy tradycyjnego pierścienia ciśnieniowego 7. Zaciski stykowe 6 są połączone z przewodami elektrycznymi (nie przedstawione) w celu dostarczania operacyjnego prądu elektrycznego do elektrody. Dzięki ciepłu, które wytwarza się w węglowej paście elektrodowej, pasta będzie się ogrzewać w obszarze dostarczania prądu i pasta będzie się spiekać w stałą elektrodę 8. Pasta elektrodowa jest podawana na szczyt obudowy 1 elektrody w postaci stałych walców 9 i piasta, dzięki ciepłu, zmięknie i wypełni cały przekrój poprzeczny obudowy elektrody i utworzy warstwę płynną 10 pasty elektrodowej.

Obudowa 1, przedstawiona na figurze 1, jest wyposażona w wiele wewnętrznych żeber 11, wykonanych z arkuszy grafitowych, mających stosunek pomiędzy promieniową długością a grubością 20:1. Dzięki zastosowaniu żeber 11 wykonanych z materiałów węglowych, unika się

177 220 zanieczyszczenia produktu wytwarzanego w piecu do wytapiania żelazem ze stalowych żeber. Unika się również wad napotykanych w znanych samospiekających się elektrodach bez promieniowych wewnętrznych żeber i gdzie stosuje się wstawki węglowe, jak przedstawiono w norweskim opisie patentowym nr 45 408. Żebra węglowe mają taką wytrzymałość, że mogą przenosić ciężar spiekanej elektrody, a ponadto mają dobre przewodnictwo elektryczne, co powoduje przenoszenie prądu elektrycznego podawanego poprzez zaciski stykowe 6 do wewnątrz do pasty elektrodowej 10 i tym samym powoduje szybkie spiekanie elektrody. Co więcej, tradycyjne urządzenia do podtrzymywania elektrody i przesuwania jej można zastosować bez modyfikacji również dla elektrody według niniejszego wynalazku. Elektroda według niniejszego wynalazku może być zatem oddana do użytku w prosty i wydajny jeśli chodzi o koszty sposób.

Dwa przykładowe wykonania promieniowych arkuszy do obudowy elektrody przedstawiono na fig. 3 i 4.

Według przykładowego wykonania przedstawionego na figurze 3, pojedyncze odcinki obudowy 1 elektrody są wyposażone w przebiegający do wewnątrz kołnierz 12. Węglowe żebra 11 są przymocowane pomiędzy kołnierzami 12 na sąsiednich odcinkach obudowy elektrody przy pomocy trzpieni 13 i nakrętek 14. W ten sposób węglowe żebra 11 są przymocowane do obudowy w prosty sposób. Dodatkowo klej może zostać nałożony na powierzchnie styku.

Według przykładowego wykonania przedstawionego na figurze 4, obudowa jest wyposażona w przebiegające do wewnątrz kołnierze 16 w liczbie równej liczbie węglowych żeber 11, a węglowe żebra 11 są przyklejone do kołnierzy 16 za pomocą odpowiedniego kleju. Połączenie to może być wzmocnione, jeśli jest to konieczne, za pomocą trzpieni i nakrętek.

Na figurach 5 i 6 przedstawiono przykładowe wykonanie niniejszego wynalazku, gdzie elektroda ma zasadniczo prostokątny przekrój poprzeczny. Dla takich elektrod tradycyjne urządzenia do podtrzymywania i przesuwania elektrody przedstawione na figurze 1 nie mogą być zastosowane. W celu utrzymania elektrody i dostarczania prądu elektrycznego do elektrody, obudowa elektrody jest, w dodatku do wewnętrznych promieniowych żeber 11, wyposażona w zewnętrzne promieniowe żebra 17, wykonane z materiału przewodzącego prąd elektryczny, takiego jak stal, glin bądź- węgiel. W celu dostarczenia operacyjnego prądu elektrycznego do elektrody stosuje się urządzenia dostarczania prądu 18, które mają w zamierzeniu zacisnąć się na zewnętrznych żebrach 17 w sposób opisany w norweskim opisie patentowym nr 147168. W celu utrzymania i przesuwania elektrody, stosuje się urządzenia utrzymujące i przesuwające elektrodę, jak opisano w norweskim opisie patentowym nr 147985. To urządzenie do dostarczania prądu oraz urządzenia do utrzymywania i przesuwania elektrody nie nakładają żadnych sił promieniowych na obudowę 1 elektrody, dzięki czemu obudowę 1, można wykonać z cieńszego materiału, co jeszcze bardziej zmniejsza zanieczyszczenie żelazem produktu wytworzonego w piecu do wytapiania. Urządzenie do dostarczania prądu oraz urządzenia do utrzymywania i przesuwania elektrody, przedstawione w norweskich opisach patentowych nr 147168 i 147985 mogą być również zastosowane dla elektrod, mających inne przekroje poprzeczne niż przekrój poprzeczny prostokątny.

Obudowę, mającą żebra węglowe wytwarza się zasadniczo w taki sam sposób, jak obudowę do elektrod samospiekających się, mających żebra stalowe. Każdą długość obudowy można zatem wytworzyć z odcinków, gdzie całkowita liczba odcinków jest równa liczbie żeber węglowych. Każdy odcinek obudowy jest przynajmniej najednym ze swych pionowych końców wyposażony w kołnierz, przebiegający do wewnątrz. Przy zestawianiu długości podszybowej, żebra węglowe są mocowane pomiędzy pionowymi kołnierzami na sąsiednich odcinkach przy pomocy trzpieni i nakrętek i/lub klejenia. Alternatywnie każdą długość obudowy można wytworzyć z zespawanych, ukształtowanych cylindrycznie arkuszy, mających pionowe kołnierze przyspawane do ich wnętrza dla przymocowania żeber węglowych.

Żebra węglowe mają przebieg pionowy, który jest co najmniej równy długości każdej długości obudowy. Zaleca się, by żebra węglowe miały długość, która przekracza długość obudowy o do 50 cm. Przy mocowaniu nowej długości obudowy na szczycie elektrody, żebra węglowe nowej długości zajdą w ten sposób na żebra węglowe długości obudowy poniżej. Gdy pasta elektrodowa będzie ulegać spiekaniu w obszarze pomiędzy dwiema długościami obudowy

177 220 uzyska się dzięki temu pionowy kontakt pomiędzy żebrami węglowymi w taki sam sposób, jak dla żeber stalowych w tradycyjnych samospiekających się elektrodach .

W elektrodzie według niniejszego wynalazku żebra wykonane z arkuszy węglowych będą mieć dobre przewodnictwo elektryczne, a prąd elektryczny przyłożony do elektrody będzie przewodzony do wewnątrz do niespieczonej pasty elektrodowej. Jest to bardzo ważne w celu zapewnienia szybkiego spiekania elektrody, na przykład po pęknięciu elektrody.

Dla elektrod o dużej średnicy, żebra są konieczne w celu stabilizacji prądu i warunków ogrzewania na obwodzie elektrody. W dodatku do zwiększenia transportu prądu i ciepła, żebra muszą przenosić ciężar elektrody. Żebra metalowe w tradycyjnych samospiekających się elektrodach topią się i znikają w temperaturze powyżej około 1000°C, zaś żebra węglowe w elektrodzie niniejszego wynalazku będą funkcjonować jako wzmocnienie przez całą długość od dołu do szczytu elektrody. Elektroda według niniejszego wynalazku może być zatem zastosowana do elektrod o większej średnicy niż elektrody, które dziś stosowane są w piecach do wytwarzania krzemu.

Dzięki zastosowaniu żeber ze stałych arkuszy węglowych unika się zanieczyszczenia produktu wytworzonego w piecu przez żelazo z żeber, a przy tym elektroda utrzymuje przynajmniej taką samą wytrzymałość mechaniczną, co elektroda mająca żebra stalowe. Umożliwia to wytwarzanie elektrod według niniejszego wynalazku, mających tak dużą średnicę, jak tradycyjne elektrody, mające żebra stalowe. Tradycyjne urządzenia podtrzymujące i przesuwające można zastosować dla elektrody według niniejszego wynalazku. Elektroda według niniejszego wynalazku może być zatem zastosowana w piecach do wytapiania, stosujących obecnie elektrody samospiekające się, mające żebra stalowe, bez kosztownych przeróbek urządzeń podtrzymujących i przesuwających.

Obudowa dla elektrody według niniejszego wynalazku może być wyposażona w wiele zewnętrznych, pionowych, metalowych albo węglowych żeber, dzięki czemu elektroda może być utrzymywana i przesuwana dzięki zastosowaniu znanych urządzeń podtrzymujących i przesuwających elektrodę. W ten sposób unika się promieniowych sił na elektrodę powyżej obszaru, gdzie zachodzi spiekanie elektrody. Co więcej, dzięki zastosowaniu takich urządzeń podtrzymujących i przesuwających elektrodę, można wykonać obudowę z bardzo cienkich metalowych arkuszy, tym samym jeszcze bardziej zmniejszając zanieczyszczenie produktów wytworzonych w piecu do wytapiania. Inne metale, takie jak glin i stopy glinu można również zastosować w obudowie. Dodatkowo można wytworzyć elektrody mające przekrój poprzeczny niekolisty, takie jak elektrody mające przekrój poprzeczny prostokątny albo zasadniczo prostokątny.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Samospiekająca się elektroda węglowa, wytworzona w bezpośrednim połączeniu z piecem, w którym jest zużywana, zaopatrzona w zewnętrzną obudowę wykonaną z materiału przewodzącego prąd, mającą wewnętrzne, promieniowe, pionowe żebra, oraz zawierająca węglową, nie spiekaną pastę podaną do obudowy, ulegającą spiekaniu w stałą elektrodę za pomocą prądu elektrycznego, podawanego do elektrody, znamienna tym, że obudowa (1) zawiera wiele odcinków, z których każdy przynajmniej na jednym ze swych pionowych boków jest wyposażony w wystający do wewnątrz kołnierz (12), przy czym wewnętrzne, promieniowe, pionowe węglowe żebra (11), składające się ze stałych arkuszy węglowych, są przymocowane pomiędzy pionowymi kołnierzami (12) na sąsiadujących odcinkach.
2. 2. Elektroda według zastrz. 1, znamienna tym, że żebra (11) są przymocowane do obudowy (1) za pomocą śrub (13).
3. 3. Elektroda według zastrz. 1, znamienna tym, że żebra (11) są przymocowane do obudowy (1) za pomocą kleju.
4. 4. Elektroda według zastrz. 1, znamienna tym, że żebra (11) są wykonane z grafitu.
5. 5. Elektroda według zastrz. 4, znamienna tym, że żebra (11) wykonane z grafitu, mają stosunek pomiędzy długością promieniową a grubością ponad 15 do 1.
6. 6. Elektroda według zastrz. 1, znamienna tym, że żebra (11) wykonane są ze wstępnie spiekanego materiału węglowego. '
7. 7. Elektroda według zastrz. 6, znamienna tym, że żebra (11), wykonane ze wstępnie spiekanego materiału węglowego, mają stosunek pomiędzy promieniową długością a grubością powyżej 8 do 1.
8. 8. Elektroda według zastrz. 4’ albo 6), znamienna tym, że żebra (11) są wzmocnione włóknami węglowymi.
9. 9. Elektroda według zastrz. 1, znamienna tym, że żebra (11) mają przedłużenie pionowe, które jest równe co najmniej długości każdej długości obudowy.
10. 10. Elektroda według zastrz. 1, znamienna tym, że obudowa elektrody (1) jest wyposażona w zewnętrzne, pionowe żebra (17) przewodzące operacyjny prąd elektryczny elektrody.