自烘烤电极
阅读说明：本技术 自烘烤电极 (Self-baking electrode ) 是由 R·贝克尔 S·鲍尔 于 2019-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明的用于自烘烤电极的设备包括电极(1),该电极(1)具有：至少三个区,即具有未焦化的含碳物料的第一区(4)、邻接第一区(4)并且其中含碳物料以糊状或液体的形式存在的第二区(5)、邻接第二区(5)并且其中含碳物料以焦化的形式存在的第三区(6),以及至少包围第一区(4)和第二区(5)的柱形壳体(2)。该设备进一步包括：管(7)或(7a)和用于承受拉力的可延长的保持元件(100),该管(7)或(7a)能够在竖向方向(y)上被提升和降低并且至少部分地在柱形壳体(2)的内部延伸,穿过前两个区(4)、(5)并且在第三区(6)的上方终止或通入第三区(6),该可延长的保持元件(100)部分地在管(7)、(7a)的内部延伸并且部分地在管(7)、(7a)的外部延伸,其中,保持元件的第一端部(101)能够以能拆卸的方式与紧固元件(11)连接,并且保持元件的第二端部(102)通入第三区(6)并锚固在第三区(6)。(The inventive device for self-baking electrodes comprises an electrode (1), said electrode (1) having: at least three zones, namely a first zone (4) with uncoked carbonaceous material, a second zone (5) adjacent to the first zone (4) and in which the carbonaceous material is present in the form of a paste or liquid, a third zone (6) adjacent to the second zone (5) and in which the carbonaceous material is present in the form of coking, and a cylindrical shell (2) surrounding at least the first (4) and second (5) zones. The apparatus further comprises: a tube (7) or (7a) and an extendable holding element (100) for taking up tensile forces, the tube (7) or (7a) being able to be raised and lowered in the vertical direction (y) and extending at least partially inside the cylindrical housing (2), passing through the first two zones (4), (5) and terminating or opening out into the third zone (6) above the third zone (6), the extendable holding element (100) extending partially inside the tube (7), (7a) and partially outside the tube (7), (7a), wherein a first end (101) of the holding element is detachably connectable with the fastening element (11) and a second end (102) of the holding element opens out into the third zone (6) and is anchored in the third zone (6).)
技术领域
本发明涉及一种用于自烘烤电极的设备，并且还涉及一种用于操作该设备的方法。
背景技术
自烘烤电极(称为索德伯格电极)的技术可以追溯到20世纪初。术语索德伯格电极是指具有以下技术原理的自烘烤或自煅烧电极：包括诸如无烟煤、石油焦、石墨和硬煤焦沥青粘合剂的碳载体的电极物料(在室温下是块状的和固体的)在120-200℃下由于电产生的能量和过程热量而熔化并形成液体到糊状的未焦化的物料。在500℃及500℃以上，电极物料转变成固体状态，即焦化状态，并且其电阻降低。在被等离子体或电弧包围的电极末端处，电极物料在高于2000℃的温度下以石墨化状态存在。该电极技术主要用于电弧炉中，例如用于还原铁基合金。用于生产硅的熔融还原炉用的索德伯格电极包括呈金属板外壳形式的柱形壳体，其中相应地小于金属板外壳即具有比金属板外壳小的直径的可连续延长的石墨电极在金属板外壳的内部运送。金属板外壳连续地填充有例如呈团块形式的电极物料。为了补偿由于烧损而导致的金属板外壳的损失，另外的金属板外壳被焊接上，并且外壳在竖向方向上变位。主要功能是保持索德伯格物料的石墨电极可以在金属板外壳的内部沿竖向方向上下移动。通过石墨电极的向下运动，使电极物料在金属板外壳的内部移动。通过将单独的石墨电极片连结在一起来不断延长石墨电极。石墨电极片邻接另外的石墨电极片并与其连接的区域被称为接头区。通过石墨电极的所谓移位和延长，将由于还原过程消耗(称为电极烧损)的电极部分延长。可以由电极物料形成经烘烤的和导电的电极的能量输入一方面来自炉的过程热量，另一方面来自经由接触爪引入到外壳中的电流。多年以来，石墨电极的使用已被确立为生产硅金属的常规技术，该石墨电极在实际的索德伯格电极的芯中延伸，相应地保持电极物料，并且由于良好的导电性也有助于电流的传输。在此上下文中使用术语复合材料技术。
然而，已经发现与在芯中具有石墨电极的索德伯格电极相关的问题是石墨的高导热性。石墨电极内部的热量传输导致电极表面与电极中部之间的大的温度梯度。因此，电极物料向金属板外壳的移位即相对运动有时变得困难。此外，要确保石墨电极被布置在中心，因为否则不均匀的电流分布会导致不对称的烘烤并产生与之相关的机械应力，这对自烘烤电极的材料性能产生不利影响。在这种情况下，不期望的电极断裂的发生率增加。此外，接头区构成石墨电极中的薄弱点，这同样会促进电极断裂。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中已知的至少一个缺点。
该目的通过权利要求1的特征实现。在从属权利要求中给出了本发明的优选实施方案。
本发明的用于自烘烤电极的设备包括能够在竖向方向(y)上提升和降低的管以及用于承受拉伸力的可延长的保持元件，其中所述电极具有至少三个区，即具有未焦化的含碳物料的第一区、邻接第一区并且其中含碳物料以糊状到液体的形式存在的第二区以及邻接第二区并且其中含碳物料以焦化的形式存在的第三区。保持元件是可延长的刚性元件，例如杆，或可延长的柔性元件，例如绳。这两种元件至少部分地由耐热材料构成，该耐热材料具有至少1000℃的耐热性。作为材料，例如使用高耐热钢或基于碳纤维的材料。至少电极的第一区和第二区被柱形壳体包围。管部分地在柱形壳体的内部延伸，穿过第一区和第二区并在第三区的上方终止。保持元件部分地在管的内部延伸并且部分地在管的外部延伸。保持元件的第一端部可以以可拆卸的方式与紧固元件连接，保持元件的第二端部通入第三区并在其中锚固。
管用于在含碳物料上施加推力或压力。它可以在竖向方向上被提升和降低。以这种方式，含碳物料可以相对于柱形壳体移动。该过程称为移位。为此目的，管具有合适的装置，该装置使得该竖向运动是可能的。这些装置与包围本发明的设备的建造装备结构连接。装置例如是两个夹紧环，两个夹紧环在竖向方向上观察是彼此相对布置的，并通过移位液压装置例如变位缸彼此连接。第一夹紧环被称为上部夹紧环，并且在竖向方向上观察位于第一夹紧环的下方的第二夹紧环被称为下部夹紧环。管在这两个夹紧环的内部延伸并被这些夹紧环夹紧。移位可以描述如下：两个夹紧环中的下部环被打开，上部夹紧环将管夹紧就位，并在下部夹紧环的方向上被液压地降低。下部夹紧环被闭合并且将管夹紧固定。上部夹紧环被打开并向上液压地移动到其起始位置。
管优选地被确定尺寸成使得可以使用原来用于石墨电极的现有装置来进行移位。在移位期间，管在第一区和第二区的内部竖向移动，但没有在第三区的内部竖向移动，因为在第三区管将粘入(einbacken)含碳物料中。管压靠在第三区上。
在示例性的实施方案中，在管的在第三区的上方终止的一个端部处设置有有助于移位过程的末端元件。
在本发明的设备的另外的实施方案中，在管的在柱形壳体的内部延伸的部段上设置有在管降低时压靠电极的第一区的带动件。在移位期间，该带动件有助于含碳物料相对于柱形壳体的运动。带动件被构造成使得可以连续地不受阻碍地填充块状的含碳物料。示例性的实施方案是各个带动元件在管的外侧上的星状布置。根据实施方案，可以将仅一个带动件或一个末端元件或两者设置在管上。
在本发明的设备的另外的实施方案中，管设置有开口或穿孔，例如孔或狭缝。以这种方式，索德伯格物料可以进入管的内部。当管(优选地由铝制成)到达区3中并用于移位(压制)时，这特别有用。在这种情况下，不需要带动件。于是，管必须能够连续地延长，因此不需要安装用于辅助移位过程的带动件。
在本发明的设备的一个实施方案中，管相对于电极的柱形壳体同心地布置。该布置对于拉力和压力的分布是理想的。
在示例性的实施方案中，管由金属制成，例如由钢制成。应避免通入第三区，因为这将导致有害的铁的引入。
在另外的示例性的实施方案中，管由有色金属制成，例如由铝制成(并通入第三区)。
管的第二功能是保护部分地在管的内部延伸的可延长的保持元件。这特别适用于其中含碳物料以未焦化的形式存在的第一区。“未焦化的”是指含碳物料尤其以块状的形式存在，例如以煤球的形式存在，按照索德伯格技术的惯例，这些煤球被连续地加入。特别是在该区中，保持元件否则将经受高机械应力。在示例性的实施方案中，保持元件至少部分地由碳纤维制成。碳纤维通常对剪切运动和弯折运动敏感，因此需要有效地防止特别是在第一区中发生的摩擦应力和冲击应力。管执行该保护功能。保持元件首先用于保持电极。保持元件承受几吨的电极重量。此外，要确保1000℃及1000℃以上的耐热性，因为保持元件否则不能执行必要的保持功能。
除了管之外，本发明的设备还包括上述用于承受拉力的可延长的保持元件。保持元件的第一端部以可拆卸的方式与紧固元件连接。在优选的实施方案中，紧固元件被构造为销，保持元件可以悬挂在销上，或者紧固元件被构造为夹子，保持元件可以被夹紧在夹子中。保持元件的第二端部通入第三区。在此处，含碳物料以焦化的形式，即固体形式存在。保持元件的在该区中延伸的区域在此处被“粘入”，即锚固。
在一个实施方案中，保持元件是呈由热稳定纤维组成的纤维复合材料的形式的绳，例如是呈织造材料、拉圈针织物、成型圈针织物、编织物的形式的或具有单向纤维取向的或作为其组合的绳。在特定的实施方案中，绳是优选地具有松散编织的编织物，以便在拉伸载荷的情况下能够最小化或消除弯折点和摩擦，并且能够实现最大的拉伸强度。
在另外的实施方案中，绳是由碳纤维制成的经编织的管织造物，该经编织的管织造物以搭接的方式(例如，约20cm)形成为圈，并借助于碳纤维纱缝合。圈元件具有为炉和使用者优化的圈长度(4m的圈长度于是对应于2m的电极悬架的延长)。在一个实施方案中，绳包括彼此连接的多个圈。第二圈穿过第一圈。在第一圈与第二圈之间，存在将第二圈分成第一圈部分和第二圈部分的接触区域。第三圈穿过第二圈的两个圈部分。在第二圈与第三圈之间，存在将第三圈分成第一圈部分和第二圈部分的接触区域(等等)。以这种方式，绳可以连续地且无穷尽地延长。
在另外的实施方案中，接触区域(或多个接触区域)在相继的圈之间包覆有合成纤维复合材料(例如，织造材料、拉圈针织物、成型圈针织物、编织物或具有单向纤维取向或作为其组合)作为护套，以保护接触区域并提高圈链的弹性。合成纤维例如是诸如(聚对苯二甲酰对苯二胺)、(间苯二胺和间苯二甲酸制成的芳族聚酰胺)、Technora、Teijinconex的芳族聚酰胺和/或对位芳族聚酰胺纤维，诸如Kynol的苯酚-甲醛纤维，诸如Kermel的聚酰胺/聚酰亚胺纤维，聚苯并咪唑纤维或它们的纤维混合物。
在另外的实施方案中，可以在圈链中以例如10cm至30cm的规则的或不规则的间隔产生一个或多个附加的保持点(在索德伯格物料中作为锚固件)。为此目的，将在端部处设置有结的短碳纤维部分、例如绳段或绳索、编织到圈中或穿过圈。在示例性的布置中，短碳纤维部分作为横向构件以大约20cm的间距连接在一起。在另外的示例性的实施方案中，碳纤维部分具有在15cm至40cm的范围内的长度，以及在10mm至20mm的范围内的直径。
接触区域中产生增厚，因为在此两个圈部分与另外的圈处于连接状态。已经发现这种增厚对于将保持元件锚固在含碳物料中，特别是锚固在第三区中是有利的。
在另一实施方案中，保持元件是杆，所述杆包括彼此可操作地连接的多个单独的杆元件。各个杆元件通过其端部处的可操作的连接而连接成杆。以这种方式，杆被连续地延长。可操作的连接例如可以理解为螺钉连接或插塞连接。
在本发明的用于操作本发明的设备的方法中，在第一步骤中通过管的竖向降低运动使三个区的含碳物料相对于壳体移动。定期重复该步骤直到管到达第二区的端部。然后，通过减小作用在保持元件上的拉力来减小保持元件上的载荷，此后，延长保持元件并且借助于紧固元件固定经延长的保持元件。然后对经延长的保持元件施加拉力，并且将管提升，直到该管再次位于第一区的内部。然后再次进行第一步骤。
在本发明的方法的优选的变体中，通过与至少一个另外的圈或与至少一个另外的杆元件连接而延长可以连接到紧固元件的保持元件的端部来进行保持元件的延长。
附图说明
下文将结合附图借助于实施例更详细地说明本发明。这些图示出：
图1示意性地示出了穿过具有根据本发明的设备的自烘烤电极的局部截面图(纵向截面)，其中，保持元件被构造为绳，并且管配备有带动件。
图2a示意性地示出了保持元件的一部分以及其由各个圈组成的构造。
图2b示意性地示出了保持元件的单独的圈，该单独的圈设置有插穿的碳纤维部分和在接触区域中的护套。
图3示意性地示出了穿过具有根据本发明的设备的自烘烤电极的局部截面图(纵向截面)，其中，保持元件被构造为具有各个杆元件的杆，并且管配备有带动件。
图4示意性地示出了穿过具有根据本发明的设备的自烘烤电极的局部截面图(纵向截面)，其中，保持元件被构造为绳，并且管(没有带动件)是穿孔的。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了具有根据本发明的设备的自烘烤电极的局部截面图。电极1包括呈金属板外壳形式的柱形壳体2，该柱形壳体2连续地填充有块状的含碳物料(煤球)。使壳体能够在竖向方向上移动的装置9布置在柱形壳体2上。这称为外壳移位。这些装置与包围本发明的设备的建造装备结构(在图1中不是可见的)连接。装置例如是两个外壳夹紧环91和92，两个外壳夹紧环91和92在竖向方向上观察是彼此相对布置的，并通过移位液压装置例如变位缸93彼此连接。第一外壳夹紧环91被称为上部外壳夹紧环91，并且在竖向方向上观察位于第一外壳夹紧环的下方的第二外壳夹紧环92被称为下部外壳夹紧环92。柱形壳体2，即金属板外壳，在这两个外壳夹紧环91、92的内部延伸，并被这些外壳夹紧环夹紧保持。外壳移位是通过外壳夹紧环91、92的交替打开以及由移位液压装置即变位缸93触发的相应的竖向运动来进行的。外壳移位可以描述如下：两个外壳夹紧环中的下部的外壳夹紧环92被打开，上部外壳夹紧环91夹紧地握住柱形壳体2，并沿下部外壳夹紧环92的方向被液压地降低。下部夹紧环92被闭合并且夹紧地握住柱形壳体2。上部外壳夹紧环91被打开并液压地向上移动到其起始位置。电能经由同样布置在柱形壳体2上的所谓的接触爪3供应到电极1。由熔化材料发出的热能用作另外的能源。由于能量输入，块状的含碳物料(也称为未焦化的索德伯格物料)转变为糊状到液体的状态，并接着转变为固体状态。固体状态也称为焦化的索德伯格物料。这在图1中以简化形式示出为三个区4、5和6。第一区4包括未焦化的含碳物料。在第二区5中，该物料以糊状到液体的形式存在，并且在第三区6中以焦化的形式存在。区6在图1中仅部分地示出。该区是电极1的浸入到炉(在图1中不可见)的反应区中的区域。在炉的反应区内，矿石(SiO2)通过添加碳(例如木炭、低灰分煤和木屑)而还原为金属硅。所需的电能(电弧或等离子体)由电极1引入。电极1在该过程中被消耗。
图1中示出了管7。管7部分地布置在电极的外部(区域71)并且部分地布置在电极的内部(区域72)。管7的布置在区域72中的部段穿过第一区4和第二区5。管7没有到达第三区6，在第三区6中碳以焦化的并因此固体的形式存在。在图1中示意性地示出的实施方案中，管7与柱形壳体2同心地布置。
在图1中同样可以看出，构造为绳10的保持元件100部分地在管7内延伸。管7保护构造为绳10的保持元件100免受机械损坏，特别是在电极的第一区4中，在该第一区4中含碳物料以未焦化的形式存在，经常以尖锐边缘的块状材料的形式存在。与管7不同，保持元件100的不再被管7包围的第二端部102通入电极的第三区6中。第二端部102在那里被固定在焦化的含碳物料中，即“被粘入”(保持元件100的第二端部102在图1中不是完全可见的)。保持元件的与第二端部102相对的第一端部101可拆卸地与紧固元件11连接。紧固元件11例如是夹紧装置或如图1中示意性示出的销110，构造为绳10的保持元件100悬挂在销110上，并且构造为绳10的保持元件100可以从销110上再次拆卸。保持元件100首先用于承受拉力并保持电极1。
在图1中示出的实施方案中，构造为绳10的保持元件100包括多个互锁圈13。构造为第一圈13的第一保持元件端部101悬挂在销10上。通过将圈13与第二圈13连接并且将第二圈13与第三圈13连接(等等)，构造为绳10的保持元件100是可连续延长的。圈13被构造为闭合的环。各个圈由碳纤维制成。在图2a和图2b中示出了这些圈13的优选实施方案以及将这些单独的圈13彼此连接的可能性。
在管7的在电极的外部延伸的区域71中，设置有用于使管7竖向移动的装置8。这些装置与包围本发明的设备的建造装备结构(在图1中是不可见的)连接。
这种装置8例如是两个夹紧环81、82，两个夹紧环81、82在竖向方向上相对布置并通过变位缸83彼此连接。第一夹紧环81被称为上部夹紧环，并且在竖向方向上观察位于第一夹紧环的下方的第二夹紧环被称为下部夹紧环82。管在这两个夹紧环81、82的内部延伸并被这些夹紧环夹紧地保持。移位可以描述如下：两个夹紧环中的下部的夹紧环82被打开，上部夹紧环81夹紧地握住管，并在下部夹紧环82的方向上被液压地降低。下部夹紧环82被闭合并且夹紧地握住管7。上部夹紧环81被打开并液压地向上移动到其起始位置。
在装置8被致动时，管7在第一区4的未焦化的含碳物料和第二区5的糊状到液体的物料内移动，并在此过程中在第三区6上施加对应的推力和/或压力。在还原过程中，消耗了来自第三区6的焦化的含碳物料。这同样适用于保持元件100，特别地适用于保持元件的在第三区6中延伸的区域。通过移位，进行焦化的含碳物料的连续供应，所述含碳物料通过连续的电极烧损而被不断消耗。为了支持移位过程，可选地在管7的外部上设置带动件12，该带动件12在管6竖向运动时压靠在第一区4的未焦化的含碳物料上。保持元件100是可连续延长的。在图1中示出的实施方案中，形成保持元件100的第一端部101的圈13从销110上拆卸并且与另外的圈13连接，该另外的圈13然后再次悬挂在销110上。以这种方式，保持元件100根据需要被连续地延长。
图2a中示出了保持元件100的多个部分，该保持元件100由绳10的各个彼此连接的圈13构成。在图2中示出的实施方案中，圈13中的每个圈被构造为闭合的环。圈13的示例性材料是由碳纤维组成的织造材料。示意性地示出了由焦化的固体索德伯格物料组成的第三区6。在该第三区中，第二保持元件端部102被固定，即被“粘入”。在图2中示出的实施方案中，第二保持元件端部102包括两个圈13A和13B。两个圈13A和13B通过第三圈13C彼此连接。在此，第三圈13C穿过两个圈13A和13B。在两个圈13A和13B与第三圈13C之间产生接触区域130。如图2所示，圈13C则包括第一圈部分13C’和第二圈部分13C”。下一个圈13D穿过这两个圈部分。于是在第一圈部分13C、第二圈部分13C”与圈13D之间产生接触区域131。圈13D包括第一圈部分13D’和第二圈部分13D”。下一个圈13E(在图2中用虚线箭头表示)穿过第一圈部分13D’和第二圈部分13D”。在两个圈部分13D’和13D”之间产生接触区域132。圈13E包括第一圈部分13E’和第二圈部分13E”，下一个圈13F(在图2a中不再是可见的)穿过第一圈部分13E’和第二圈部分13E”。根据期望的长度，保持元件100包括以上述方式彼此连接的特定数量的圈。在图2a中示出的保持元件100的实施方案中，如在本发明的设备中所使用的，第二保持元件端部102由两个圈13A和13B形成，这两个圈13A和13B通过第三圈13C连接。可以设想到使用另外的锚固元件，例如一种钩，而不是两个圈13A和13B，通过该锚固元件将第二保持元件端部102锚固在焦化的索德伯格物料中。在优选的实施方案中，第二保持元件端部102(在图2中是不可见的)以与例如图2a中所示的圈13D相同的方式被构造。两个圈部分13D’和13D”悬挂在销10上(参见图1)，并形成保持元件100的端部。作为替代方案，在圈部分与销10之间可以设置将两个圈部分与销连接的附加的另外的锚固元件，例如同样为钩。
图2b示出了具有圈部分13D’和13D”以及它们的与圈13C或13E的接触区域131和132的圈13D(根据图2a)的放大图。接触区域131设置有由纤维复合材料组成的覆盖层或护套134。圈13D设置有附加的保持点133，该附加的保持点133呈在端部处具有结的碳纤维部分的形式。
图3示出了图1的图示，不同之处在于，保持元件100被构造为由各个杆元件21构成的杆20。杆(20)可以根据需要通过杆元件(21)的并置来延长。杆元件(21)在其端部处例如借助于插塞或螺钉连接而有效连接。
保持元件的第一端部101包括紧固装置11，该紧固装置11在图3的实施方案中示例性地构造为夹子，杆元件(21)的端部可以被夹紧在该夹子中(夹子在图3中是不可见的)。
图4示出了图1的图示，不同之处在于管7a是穿孔的，并且在管7a的外侧上没有设置带动件。还可以看到，管7a通入第三区6中。穿孔7b使得未焦化的含碳物料能够进入管7a的内部，这使得使用如图1中的带动件(12)以在第一区4的未焦化的含碳物料上施加压力是不必要的。
附图标记列表
1 电极
2 柱形壳体
3 接触爪
4 第一区(未焦化的索德伯格物料)
5 第二区(糊状到液体的索德伯格物料)
6 第三区(焦化的固体索德伯格物料)
7 管
7a 管(穿孔的)
7b 穿孔
71 电极外部的管区域
72 电极内部的管区域
8 用于使管竖向移动的装置
9 用于使柱形壳体竖向移动的装置
10 绳
100 保持元件
101 第一保持元件端部
102 第二保持元件端部
11 紧固元件
12 带动件
13A、B、C、D、E 圈
13C’、C”、D’、D” 圈部分
130、131、132 接触区域
133 保持点
134 护套
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