ITUD940082A1 - Elettrodo di fondo raffreddato per un forno elettrico in corrente continua - Google Patents

Description

Descrizione del trovato avente per t itolo :

"ELETTRODO DI FONDO RAFFREDDATO PER UN FORNO ELETTRICO IN CORRENTE CONTINUA"

CAMPO DI APPLICAZIONE

Forma oggetto del presente trovato un elettrodo di fondo raffreddato per un forno elettrico in corrente continua per la fusione e l’affinazione di leghe metalliche, vantaggiosamente a base ferro, come espresso nella rivendicazione principale.

Il trovato si applica nei forni elettrici a corrente continua, utilizzati per la fusione e l'affinazione dei metalli, che presentano almeno un elettrodo superiore inserito dall'alto all'interno del forno ed una pluralità di elettrodi di fondo incorporati nella suola in refrattario del forno stesso.

Il trovato è rivolto ad un perfezionamento della struttura degli elettrodi di fondo per ottenere un miglioramento ed un aumento di efficienza dell'azione di raffreddamento di detti elettrodi di fondo.

Ciò porta ad ottenere un miglioramento del funzionamento del forno in termini di efficienza produttiva, di durata degli elettrodi, previene possibili incidenti operativi e permette di ottenere altri vantaggi ancora.

STATO DELLA TECNICA

I forni elettrici a corrente continua presentano tipicamente un elettrodo superiore, generalmente in grafite, associato alla volta del forno ed estendentesi all'interno del forno stesso, ed una pluralità di elettrodi associati alla suola del forno per la chiusura del circuito elettrico.

Nei forni elettrici a corrente continua gli elettrodi di fondo rappresentano probabilmente la componente più delicata, ciò essendo principalmente dovuto al fatto che sono percorsi da correnti di intensità molto elevata e sono sottoposti ad intense sollecitazioni termiche.

Sono stati sviluppate varie tipologie di detti elettrodi di fondo, ognuna delle quali presenta specifici vantaggi e svantaggi.

Tali elettrodi di fondo sono ad esempio stati realizzati nella forma di barre metalliche incorporate nella suola in refrattario del forno ed estendent isi inferiormente almeno in parte esternamente al forno stesso .

Il numero di dette barre e la loro disposizione, vantaggiosamente simmetrica rispetto al centro del forno, è dipendente dalla potenza del forno e dalla conformazione della sua suola.

Dette barre metalliche possono essere, secondo un’altra tipologia di elettrodo di fondo, suddivise in una pluralità di billette di diametro molto ridotto, fissate inferiormente su un piatto comune, generalmente raffreddato ad aria e collegato, mediante condotti raffreddati ad acqua, all'alimentazione elettrica.

Al posto delle billette, ogni unità di elettrodo può essere costituita da una pluralità di alette metalliche saldate su un supporto metallico comune e disposte in cooperazione con altre unità di elettrodo a costituire un anello, vantaggiosamente concentrico al forno.

Un ulteriore approccio realizzativo prevede di realizzare la suola del forno in materiale conduttivo per il passaggio della corrente continua attraverso la stessa.

Secondo la tecnica nota, gli elettrodi del tipo a barra possono essere realizzati in acciaio e rame, ovvero interamente in acciaio.

Essendo la parte superiore di dette barre a contatto con il bagno di metallo fuso, essa si fonde fino ad una certa altezza.

In funzione dell’efficienza del raffreddamento, la barra presenta una parte superiore liquida ed una parte inferiore solida, divise da una zona di separazione.

In questo tipo di elettrodo di fondo, il problema principale è quello di sviluppare un sistema di raffreddamento in grado di garantire, lungo l'altezza della barra, una parte solida che sia la più alta possibile anche nelle condizioni di elevato carico elettrico condotto da detti elettrodi di fondo.

Ciò è necessario, tra l'altro, per prevenire la formazione di possibili vie di fuga per il metallo liquido.

Varie soluzioni sono state proposte per ottenere una elevata efficienza termica dell'azione di raffreddamento degli elettrodi di fondo.

Nell 'EP-A-0474 883 gli elettrodi di fondo, costituiti da barre metalliche di pìccolo diametro, sono raggruppati in una pluralità di unità di elettrodo, ognuna delle quali prevede un piatto conduttore comune su cui sono montati tutti gli elettrodi della specifica unità elettrodo.

Detto documento insegna a raffreddare gli elettrodi di fondo mediante circolazione di aria forzata tra i piatti su cui sono montati gli elettrodi e la piastra fissata inferiormente alla suola del forno.

L 'US-A-4,592,066 prevede un elettrodo di fondo costituito da un piatto metallico inserito centralmente all'interno della suola del forno sulla cui faccia inferiore viene fissata una sbarra che si estende esternamente a detta suola.

La parte della barra esterna al forno è avvolta da un manicotto all'interno del quale viene alimentata acqua di raffreddamento.

Il GB-A-1,162,045 prevede un elettrodo di fondo costituito in due parti, una superiore e l'altra inferiore, collegate assieme.

La parte superiore, a contatto con il bagno di metallo fuso, è realizzata con un metallo che è lo stesso di quello in fusione mentre la parte inferiore, non a contatto del bagno, è realizzata in materiale avente caratteristiche di elevata conduzione elettrica e di calore, ad esempio in rame.

Secondo tale documento, detta parte inferiore serve per asportare calore dall'elettrodo e la sua estremità di fondo, che sporge esternamente dalla suola del forno, può essere sagomata in varie maniere, ad esempio a piatto, per aumentarne la superficie radiante.

L'EP-A-0449258 descrive un forno presentante elettrodi di fondo la cui parte che sporge inferiormente dalla suola è associata ad una scatola di raffreddamento ad acqua collegata con mezzi di alimentazione e mezzi di scarico dell'acqua di raffreddamento.

Tutti questi sistemi della tecnica nota non sono riusciti a garantire l'ottenimento di un sufficiente livello solido della barra di acciaio incorporata nella suola del refrattario a causa dell’elevata resistenza termica fornita dalla parte in acciaio della sbarra.

La proponente ha quindi concluso che per migliorare l'efficienza dell'azione di raffreddamento degli elettrodi di fondo è necessario aumentare globalmente la conduttività termica delle barre che fungono da elettrodo di fondo sì che dette riducano il più possibile la parte fusa.

A tal proposito essa 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.

L'obiettivo del trovato è quello di migliorare l'efficacia dell'azione di raffreddamento dell’elettrodo di fondo, realizzato nella forma di barra metallica, allo scopo di garantire il mantenimento di una sufficiente altezza della parte che rimane solida del detto elettrodo anche in presenza di un carico elettrico molto elevato.

Detto miglioramento dell'efficacia del raffreddamento, secondo il trovato, deve garantire nel contempo il mantenimento delle condizioni di ottimale conduzione termica ed elettrica in corrispondenza della zona di giunzione fra parte raffreddata e parte non raffreddata della barra.

Secondo il trovato, il miglioramento dell'efficacia dell'azione di raffreddamento sull'elettrodo di fondo viene ottenuto introducendo una pluralità di mezzi di raffreddamento in rame dal basso ed all'interno della barra di acciaio che funge da elettrodo.

Detti mezzi di raffreddamento consistono in barrette con profilo cilindrico, poligonale, stellare, od altra configurazione geometrica voluta, inserite all’interno della barra di acciaio a formare una struttura mista rame-acciaio.

Detti mezzi di raffreddamento possono essere anche realizzati in forma di colonne, eventualmente arcuata ed eventualmente associata ad altre colonne analoghe o a barrette.

Ancora, i mezzi di raffreddamento in rame possono essere costituiti da un corpo unico in rame disposto all'interno della barra di acciaio, con superficie di scambio presentante rugosità superficiali allo scopo di aumentare lo scambio termico con la parte in acciaio.

Detti mezzi di raffreddamento in rame vengono resi parte integrante della barra in acciaio ed introdotti fino ad un'altezza che è prossima alla zona voluta di separazione fra parte solida e parte liquida di detta barra.

L'altezza dei mezzi di raffreddamento in rame misurata dal fondo carcassa può andare da un minimo di 30 mm fino ad un massimo di 800 mm.

Detti mezzi di raffreddamento in rame, secondo una prima formulazione, sono costituiti da una pluralità di barre dì raffreddamento di conformazione geometrica voluta dipartenti da una base comune in rame fortemente raffreddata.

Secondo un'ulteriore formulazione, detti mezzi di raffreddamento in rame sono costituiti da una pluralità di colonne anulari dipartenti da una base comune fortemente raffreddata.

La base comune, per entrambe le soluzioni, presenta mezzi scambiatori di calore ad alta efficienza .

I mezzi di raffreddamento in rame possono essere di sezione costante ovvero possono presentare una conformazione conica.

Similmente, le colonne anulari possono presentare una sezione costante ovvero una sezione riducentesi.

Secondo il trovato, i mezzi di raffreddamento in rame sono strettamente associati alla sede femmina presente nella barra formante l'elettrodo sì che il contatto termico risulta privo di discontinuità.

Per realizzare ciò, concretizzata la sede femmina nella barra formante l'elettrodo, si cala sotto vuoto il rame a formare i mezzi di raffreddamento in rame .

Con questa configurazione, dato che come è noto il rame presenta una conducibilità termica che è fino a 10 volte maggiore di quella dell'acciaio, è possibile estendere verso l'alto, lungo i mezzi di raffreddamento in rame, l'azione di raffreddamento dei mezzi scambiatori di calore, senza pregiudicare in alcun modo le proprietà di conducibilità elettrica dell'elettrodo.

In altre parole, con il trovato, si viene a creare una struttura che presenta globalmente valori di conducibilità termica maggiori rispetto ad una struttura realizzata interamente in acciaio.

Aumentando la conducibilità termica complessiva dell'elettrodo di fondo, ed in particolare aumentandone la conducibilità termica lungo l'altezza sostanzialmente fino al limite definito dalla zona di separazione fra solido e liquido, l'efficacia dell'azione di raffreddamento viene ad aumentare comportando l'innalzamento di detto limite di separazione in ragione del quantitativo di rame introdotto .

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Le figure allegate sono fornite a titolo esemplificativo, non limitativo, ed illustrano alcune soluzioni preferenziali del trovato.

Nella tavola abbiamo che:

- la fig. 1 illustra, con una sezione longitudinale, l'elettrodo di fondo raffreddato secondo il trovato;

- la fig. 2 illustra in scala ingrandita, con una variante, un particolare dell'elettrodo di fondo di fig. 1;

- la fig. 3 illustra in scala ingrandita un particolare di fig. 1;

- la fig. 4 illustra, in scala ridotta, la sezione secondo A-A di fig. 2;

- la fig. 5 illustra una variante di fig. 4;

- la fig. 6 illustra un'altra variante di fig. 4.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

In fig. 1, l'elettrodo di fondo è costituito da una barra di acciaio 10 incorporata nella suola in refrattario 11 di un comune forno elettrico a corrente continua.

All’interno della suola in refrattario 11, la barra di acciaio 10 è circondata da almeno un ordine di mattonelle anulari in refrattario, indicate con 12.

La barra in acciaio 10 presenta l ' estremità superiore a contatto con il bagno di metallo liquido 13 (parzialmente illustrato) presente all ' interno del forno .

Detto contatto con il metallo liquido 13, unitamente all'effetto Joule, determinato dal passaggio delle elevati correnti lungo la barra 10 stessa, determina la formazione lungo la barra 10 di una parte superiore liquida 14 e di una parte inferiore 15 solida, separate da una zona di interfaccia indicata con 16.

Secondo il trovato, illustrato nella soluzione di fig. 1, internamente alla parte solida 15 della barra di acciaio 10 vengono associati mezzi di raffreddamento 17 in rame che inferiormente cooperano con un sistema di raffreddamento ad alta efficienza.

Detti mezzi di raffreddamento in rame 17 sono costituiti da elementi in rame di configurazione, struttura ed altezza voluta, inseriti in profondità all'interno della barra di acciaio 10 a formare una miscela acciaio-rame con conducibilità termica aumentata rispetto all'elemento interamente in acciaio.

Detti mezzi di raffreddamento in rame 17 presentano un'altezza "1", misurata dal fondo della carcassa del forno che, in ragione della voluta altezza della zona di separazione 16 fra parte solida 15 e parte liquida 14, ed in ragione dei parametri costruttivi del forno, può andare da 30 a 800 min, preferenzialmente da 300 a 600 mm.

Nel caso di fig. 1, i mezzi di raffreddamento 17 sono costituiti da colonne anulari o toriche 18 di altezze uguali o differenti.

Secondo una soluzione vantaggiosa, le colonne anulari esterne 18a sono più alte di quelle interne 18b sì da tenere più fredda la parte esterna della barra 10.

Dette colonne anulari 18 si estendono in altezza fino sostanzialmente in prossimità della voluta zona di separazione 16 fra parte liquida 14 e parte solida 15.

La superficie di separazione fra parte in rame e parte in acciaio presenta rugosità superficiali 17a allo scopo di aumentare la superficie di scambio termico.

Secondo una variante non illustrata, l'interfaccia fra parte in rame 17 e parte in acciaio 15 può essere costituita da una superficie continua, eventualmente ad arco di cerchio, presentante rugosità superficiali.

I mezzi di raffreddamento in rame 17 sono direttamente associati inferiormente al sistema di raffreddamento ad acqua 19 dell'elettrodo di fondo. Nel caso illustrato, detto sistema di raffreddamento 19 prevede un condotto centrale di scarico acqua 20 ed un condotto anulare esterno di alimentazione 21.

Tra il condotto centrale di scarico acqua 20 ed il condotto anulare esterno di alimentazione 21, l'acqua di raffreddamento viene sottoposta ad un percorso obbligato 22 allo scopo di aumentare le superfici di scambio termico fra il sistema di raffreddamento ed i mezzi di raffreddamento in rame 17.

Tale percorso obbligato 22 può anche avere un andamento coordinato all’altezza differente delle colonne anulari in rame.

Nella soluzione illustrata in fig. 2, i mezzi di raffreddamento in rame 17 prevedono che all'interno della parte solida 15 della barra in rame 10 sia presente una pluralità di barre in rame 23 associate al sistema di raffreddamento 19.

Dette barre 23 possono avere conformazione cilindrica come si vede in fig. 4, ovvero una conformazione poligonale regolare, stellare (fig. 6) od altra conformazione geometrica voluta.

Secondo la variante di fig. 5, possono essere presenti colonne ad arco di cerchio 23a associate a barre cilindriche 23.

La struttura di elettrodo di fondo secondo il trovato permette di aumentarne le caratteristiche di conducibilità termica e di ridurre la resistenza elettrica della barra 10.

Nella struttura di elettrodo di fondo indicata in fig. 2, ma le stesse considerazioni sono riconducibili anche alla struttura di fig. 1, lungo l'altezza della barra di acciaio 10 è definibile, oltre alla parte liquida 14 ed a quella solida 15, almeno una zona 24 che comprende, in proporzioni definite, sia acciaio allo stato solido che rame. La presenza di questa zona 24, che può estendersi per un lungo tratto, permette di aumentare globalmente la conduttività termica della barra di acciaio 10, almeno in detta zona 24.

II numero di barre di rame 23 e la loro dimensione, in altre parole la quantità di rame in sezione trasversale riferita alla quantità di acciaio nella stessa sezione trasversale, permette di variare il valore di conducibilità termica equivalente della barra 10.

In questo modo, è possibile ottenere una parte solida 15 che si estende ad un livello più alto lungo la barra 10 ed, entro certi limiti, detto livello è ottenibile in misura voluta in sede di progetto dell'elettrodo sulla base della quantità di rame utilizzata.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1 - Elettrodo di fondo raffreddato per un forno elettrico in corrente continua, detto elettrodo essendo costituito da una o più barre di acciaio (10) incorporate nella suola in refrattario del forno (11) e presentante almeno l'estremità superiore a contatto con il bagno di metallo liquido (13) all'interno del forno, lungo detta barra di acciaio (10) essendo definite almeno una prima parte liquida superiore (14) ed almeno una seconda parte solida inferiore (15) divise da una zona di separazione (16), la parte solida inferiore (15) essendo associata a mezzi di raffreddamento, caratterizzato dal fatto che in cooperazione con la parte solida (15) della barra di acciaio (10) e internamente ad essa vengono introdotti mezzi di raffreddamento in rame (17) estendentisi almeno in parte all'interno della barra (10) e verso l'interno del forno, detti mezzi di raffreddamento in rame (17) cooperando con un sistema di raffreddamento ad acqua (19) posto inferiormente alla barra (10) ed in cooperazione con essa. 2 - Elettrodo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi di raffreddamento in rame presentano la forma di corpi allungati . 3 - Elettrodo come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che l'altezza "1” dei mezzi di raffreddamento in rame (17) misurata dal fondo carcassa del forno è preferenzialmente compresa fra 30 e 800 mm, vantaggiosamente tra 300 e 600 mm. 4 - Elettrodo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti fino a 3, caratterizzato dal fatto che i mezzi di raffreddamento (17) sono costituiti da una pluralità di barre (23) di sezione geometrica cilindrica, poligonale, stellare, ecc. 5 - Elettrodo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti fino a 3, caratterizzato dal fatto che i mezzi di raffreddamento in rame (17) sono costituiti da colonne in rame (23a) con configurazione vantaggiosamente ad arco di cerchio. 6 - Elettrodo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti fino a 3, caratterizzato dal fatto che i mezzi di raffreddamento in rame (17) sono costituiti da colonne anulari toriche (18) presentanti rugosità superficiali (17a) nell'interfaccia con la parte in acciaio (15). 7 - Elettrodo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti fino a 3, caratterizzato dal fatto che i mezzi di raffreddamento in rame (17) sono costituiti da un corpo in rame con forte rugosità superficiale (17a) nell'interfaccia con la parte in acciaio (15). 8 - Elettrodo come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il corpo in rame presenta un'altezza dal fondo carcassa del forno compresa fra 30 e 150 mm. 9 - Elettrodo come ad una o l’altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i mezzi di raffreddamento in rame (17) sono più lunghi alla periferia della barra (10). 10 - Elettrodo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il sistema di raffreddamento (19) presenta un condotto centrale (20) ed un condotto anulare (21) cooperante con la periferia. 11 - Elettrodo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il sistema di raffreddamento (19) presenta un percorso obbligato (22) di scambio base - attacco mezzi a barra di raffreddamento (17). 12 - Elettrodo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i mezzi di raffreddamento in rame (17) sono ottenuti per fusione sotto vuoto nelle sedi femmina presenti nella parte inferiore della barra (10).