Електрод для дугової печі постійного струму неперервної дії

Реферат: Подовий електрод або анод для дугових печей постійного струму неперервної дії, споряджений системою охолодження, що дозволяє підвищити ефективність охолодження подового електрода, виготовленого у вигляді біметалевого стрижня, з метою забезпечення достатньої висоти тієї частини згаданого електрода, яка залишається у твердому стані під час експлуатації печі, в тому числі за умов дуже великого електричного навантаження. UA 102203 C2 (12) UA 102203 C2 UA 102203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки, до якої належить винахід Цей винахід стосується електрода для дугових печей постійного струму неперервної дії, які застосовують, зокрема, як анод у придонній частині згаданих печей. Рівень техніки Дугові печі постійного струму неперервної дії (DC EAF) застосовують у сталеливарній галузі для плавлення та рафінування металевих сплавів на основі заліза. У цих печах електричний дуговий розряд відбувається між щонайменше одним графітовим електродом (катодом), розташованим у верхній частині печі, та щонайменше одним подовим електродом (анодом), розташованим поблизу дна на поді печі. Проходження струму дозволяє утворитись електричній дузі, сукупна дія випромінення та конвекції від якої призводить до плавлення залізного брухту. Перевагами дугової печі постійного струму в порівнянні з дуговою піччю змінного струму (AC EAF) є менше споживання електроенергії, менша витрата електродів та вогнетривких матеріалів, рівномірне і швидке плавлення залізного брухту (через більшу довжину одержуваної дуги), зменшення рівня шуму та механічних напружень та добре перемішування ванни рідкого металу. Крім того, значно меншими є коливання реактивної потужності та ефект "мерехтіння" (флікер-шум). Здебільшого дугові печі постійного струму неперервної дії включають в себе дуговий електрод, або катод, який приєднаний до склепіння печі і простягається всередину печі, а також множину нижніх (подових) електродів, або анодів, які вбудовані у вогнетривкий під печі і замикають собою електричне коло. Аноди у цих печах є одним з найбільш легко пошкоджуваних складових частин, оскільки через них проходить дуже сильний струм, а також вони зазнають впливу значних термічних напружень та напружень магнітного поля. Відомі подові електроди різних типів. Такі подові електроди виготовляють, наприклад, у вигляді металевих стрижнів, вбудованих у вогнетривкий під печі, які частково виступають своєю нижньою частиною назовні з печі. Кількість зазначених стрижнів та їх взаємне розташування (симетричне відносно середини печі) залежать від потужності печі та від будови самого поду печі. В подових електродах іншого типу зазначені металеві стрижні можуть бути виконані з множини стрижнів дуже малого діаметра, які з боку дна закріплені на спільній пластині, як правило, охолоджуваній повітрям і підключеній до джерела живлення охолоджуваними водою трубами. У іншому відомому варіанті виконання кожний електродний блок, замість згаданих стрижнів, може складатися з множини металевих контактних стовпчиків, приварених до спільної металевої основи у такій просторовій взаємодії з іншими електродними блоками, щоб разом утворювати кільце, концентричне до печі. Відповідно до існуючого рівня техніки, електроди стрижневого типу можуть бути виготовлені цілковито зі сталі або зі сталі та міді. Оскільки верхня, сталева, частина кожного із зазначених стрижнів контактує з ванною розплавленого металу, то вони розплавляються на певній висоті. Залежно від ефективності охолодження, стрижень має верхню рідку частину та нижню тверду частину, які розділені поверхнею поділу двох фаз. Головною проблемою, пов'язаною з подовим електродом цього типу, є розробка системи охолодження, яка здатна підтримувати у твердому стані нижню частину стрижня уздовж його висоти і яка є якомога протяжнішою за умов наявності високої електричної і термічної потужності струму, який проходить через зазначені подові електроди. Крім того, для такого електрода існує потреба у запобіганні утворенню можливих шляхів втрати розплавленого металу. Проте, якщо межа зони плавлення всередині анода має доходити настільки глибоко, щоб пронизувати наскрізь основу анода, може відбутися контакт рідкого металу із водою або іншою охолоджувальною рідиною, використовуваною для охолодження основи анода, що спричинить справжній вибух із дуже тяжкими наслідками. Були запропоновані різні рішення для одержання підвищеного термічного к.к.д. системи охолодження подових електродів. Перше рішення передбачає застосування біметалевого анода (сталь-мідь) у вигляді стрижня, в якому виконані канали для проходження плинного середовища з метою охолодження мідної частини, за аналогією з ливарним кристалізатором неперервної дії. Механізм теплообміну відповідає схемі примусової конвекції з однофазним плинним середовищем (вода у рідкому стані). Рух охолоджувального плинного середовища відбувається по суті паралельно до поверхні, яка підлягає охолодженню, що потребує певної швидкості та 1 UA 102203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 певного розміру каналів задля забезпечення відповідного теплообміну. Цього рішення цілком достатньо у випадку, коли застосовувана сила струму не є надто високою. Зі зростанням сили струму виникає потреба у збільшенні діаметрів та витрат і водночас підтриманні перерізів прохідних каналів якомога більш незмінними, а отже підтриманні на незмінному рівні швидкості плинного середовища, від якої залежать коефіцієнти теплообміну. Зважаючи на те, що за таких умов деформація металевих конструкцій може надзвичайно посилюватись, канали, якими проходить охолоджувальне плинне середовище, також зазнаватимуть деформації, можливим наслідком чого є значне зменшення теплообміну. Ці явища здатні серйозно позначитися на цілісності структури анода і, як наслідок, на роботі всієї печі. Натомість друге рішення передбачає застосування біметалевого (сталево-мідного) анода, спорядженого системою охолодження в межах мідної частини анода, при цьому в системі охолодження використовують двофазне охолоджувальне середовище (газорідинну суміш), яке розпорскують краплинами, які в подальшому википають, коли відбувається контакт краплин із поверхнею, яка підлягає охолодженню. Фазовий перехід (так зване "кипіння") дає змогу ефективно відводити тепло, проте це можливо лише до досягнення критичної температури. У надкритичному режимі (вище за цю температуру) ефективність теплообміну швидко спадає, відтак негативно позначаючись на надійності системи. На випадок, якщо можна очікувати наскрізного пронизування основи анода, передбачено ряд захисних бар'єрів для блокування витоку розплавленої рідини всередину кожуха системи охолодження, однак це спричинює суттєве ускладнення конструкції. Таким чином, наразі відчутна потреба у створенні подового електрода, який би дав змогу усунути зазначені вище недоліки. Суть винаходу Головною задачею цього винаходу є запропонувати подовий електрод, або анод, для дугової печі постійного струму неперервної дії, споряджений системою охолодження, здатною підтримувати у твердому стані певну частину стрижня, розташовану уздовж нього якомога вище, за умов високого електричного навантаження на електроди, з метою постійного забезпечення прийнятної відстані між поверхнею розділу твердої та рідкої фаз всередині анода та охолоджувальною водою і, відповідно, повної безпеки. Іншою метою цього винаходу є досягнення такої ефективності охолодження подового електрода, виготовленого у вигляді біметалевого стрижня, яка значно переважає показники, досяжні раніше, шляхом оптимізації теплообміну завдяки особливій геометричній формі охолоджувальних каналів. Ще однією метою цього винаходу є одночасне забезпечення того, щоб підтримувались оптимальні умови тепло- та електропровідності у зоні сполучення між охолоджуваною та неохолоджуваною частинами стрижня, а отже досягалися поліпшені експлуатаційні характеристики печі з точки зору ефективності виробництва, більшої довготривалості експлуатації електрода, підвищеної надійності та безпеки. Таким чином, цей винахід має на меті досягнення обговорених вище цілей шляхом створення електрода для дугової печі постійного струму неперервної дії для плавлення металів, при цьому електрод призначений для розміщення на поді згаданої печі і, відповідно до п. 1 формули винаходу, включає в себе: - біметалевий стрижень, який визначає поздовжню вісь X, вздовж якої простягається його перша, сталева, секція, перший кінець якої призначений для того, щоб входити у контакт із ванною розплавленого металу всередині печі, і його друга, мідна, секція, яка приварена до другого кінця згаданої першої, сталевої, секції; - охолоджувальний засіб для охолодження згаданого біметалевого стрижня; - порожнину, утворену всередині згаданої другої, мідної, секції, в яку принаймні частково вміщений згаданий охолоджувальний засіб; - проміжок між згаданою порожниною і згаданим охолоджувальним засобом; при цьому охолоджувальний засіб включає в себе: - колектор, який розміщений на першому кінці охолоджувального засобу і який має торцеву стінку, в якій утворена множина каналів, які сполучають згаданий колектор із першою ділянкою згаданого проміжку, яка є суміжною зі згаданою першою, сталевою, секцією; - першу трубу для транспортування охолоджувальної рідини до колектора; при цьому площа поперечного перерізу колектора, виконаного у площині, перпендикулярній до згаданої поздовжньої осі X, у щонайменше 1,5 рази більша, ніж площа поперечного перерізу першої труби, виконаного у площині, перпендикулярній до згаданої поздовжньої осі, і кожний із каналів має власну поздовжню вісь, по суті перпендикулярну площині, дотичній 2 UA 102203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 до відповідної вихідної частини каналів, в результаті чого на першій ділянці проміжку виникає множина струменів охолоджувальної рідини, по суті перпендикулярних до первинної поверхні порожнини, яка є суміжною зі згаданою першою, сталевою, секцією. Другий аспект цього винаходу передбачає процес охолодження згаданого вище електрода, який, відповідно до п. 13 формули винаходу, включає такі стадії: - заповнення охолоджувальною рідиною проміжку, утвореного між порожниною та охолоджувальним засобом; - неперервне введення додаткової кількості охолоджувальної рідини у першу трубу, якою згадана охолоджувальна рідина надходить до колектора; - первинне охолодження електрода в результаті неперервного витікання через численні канали множини струменів охолоджувальної рідини, які по суті під прямим кутом стикаються з відповідними ділянками первинної поверхні в межах першої ділянки проміжку, яка є суміжною із першою, сталевою, секцією електрода; - вторинне охолодження електрода вторинним спадним потоком охолоджувальної рідини в межах другої ділянки проміжку, яка віддалена віддаленої від сталевої секції електрода. Перевага віддається варіанту здійснення цього винаходу, який передбачає використання теплообміну за механізмом конвекції із застосуванням однофазного плинного середовища, за варіантом, якому віддається перевага, – води у рідкому стані. Перевага віддається подвійній схемі охолодження. Первинне охолодження досягається в результаті руху охолоджувальної рідини по суті перпендикулярно до стінки, яка підлягає охолодженню, що дозволяє скористатись всіма перевагами відведення тепла за допомогою струменів, які стикаються з поверхнею. Перпендикулярна орієнтація тонких струменів дає змогу забезпечити проміжок (певну відстань) від охолоджувальної системи до первинної поверхні анода, яка підлягає охолодженню, при цьому теплообмін залишається незмінним. Таким чином, можна створити проміжок або більшу відстань між згаданою первинною поверхнею та випускною частиною отворів для впорскування охолоджувальної рідини, так що механічна деформація анода під впливом сильного струму не позначається на ефективності охолодження, як це мало місце у першому рішенні, що характеризує існуючий рівень техніки. Крім того, завдяки застосуванню струменів стає можливим збільшення швидкості руху рідини шляхом простого варіювання площі поперечного перерізу струменя, тобто без збільшення витрати рідини. Таким чином, вдається виокремити швидкість руху рідини з її витрати. Натомість вторинне охолодження відбувається завдяки руху охолоджувальної рідини в напрямку, по суті паралельному до поверхні, яка підлягає охолодженню. Таке вторинне охолодження виявляє себе вже у зоні розташування пластини або порожнистого ковпака, оскільки рідина, яка вже зіткнулася з викривленою поверхнею кожуха електрода, стікає по цій поверхні, доки не досягне вертикальних стінок кільцевого каналу або проміжку між кожухом електрода та охолоджувальною трубою, в якому рідина надалі стікає вертикально донизу в напрямку, паралельному до відповідної поверхні анода, таким чином рухаючись до виходу. Система охолодження електрода за цим винаходом функціонує як однофазна і замкнена система (всередині системи присутня лише вода, повітря відсутнє). Згадана система може функціонувати незалежно від того, чи є тиск на виході підвищеним або ж, навпаки, зниженим. Кількість отворів у пластині або порожнистому ковпаку залежить від поверхні, яка підлягає охолодженню. Можливе також встановлення форсунок для впорскування охолоджувальної рідини. Застосування біметалевого, сталево-мідного, стрижня дає змогу забезпечити відмінну електричну провідність і подовжити зону дії охолодження в напрямку ванни рідкої сталі. Завдяки цьому вдається утримувати поверхню розділу твердої та рідкої фаз всередині ванни якомога далі від охолоджуваної зони. Ефективна система охолодження надає можливість подальшого вдосконалення цього аспекту винаходу завдяки значному збільшенню запасу міцності. У залежних пунктах формули винаходу розкриті варіанти здійснення цього винаходу, яким віддається перевага. Стислий опис фігур Особливості і переваги цього винаходу будуть більш зрозумілими з наведеного нижче докладного опису одного з варіантів виконання електрода для дугових печей постійного струму неперервної дії, якому віддається перевага, але який не є виключним та єдино можливим, ілюстрованого супровідними фігурами, наведеними як приклад, який не обмежує обсягу винаходу, на яких: на Фіг. 1 зображений перший вигляд збоку електрода за цим винаходом; 3 UA 102203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 на Фіг. 2 зображений поперечний переріз електрода, зображеного на Фіг. 1, виконаний уздовж площини A-A; на Фіг. 2a зображений поперечний переріз першої частини електрода, зображеного на Фіг. 1, виконаний уздовж площини A-A; на Фіг. 2b зображений поперечний переріз другої частини електрода, зображеного на Фіг. 1, виконаний уздовж площини A-A; на Фіг. 3 зображений вигляд знизу електрода, зображеного на Фіг. 1; на Фіг. 4 зображений поперечний переріз електрода, зображеного на Фіг. 3, виконаний уздовж площини B-B; на Фіг. 5 зображений вигляд електрода за цим винаходом, вбудованого у під дугової печі; на Фіг. 6a зображений поперечний переріз однієї зі складових частин системи охолодження електрода за цим винаходом; на Фіг. 6b зображений вигляд зверху складової частини, зображеної на Фіг. 6a. Детальний опис варіанта здійснення винаходу, якому надається перевага Перший варіант виконання електрода для дугових печей постійного струму неперервної дії описаний із посиланням на фігури, на яких електрод загалом позначений цифрою 1, зокрема це стосується подового електрода, або анода, вбудовуваного у вогнетривкий під згаданих печей. Електрод 1, який є об'єктом цього винаходу, включає в себе: - штангу або біметалевий стрижень 2, яка(-ий) переважно має верхню частину, виготовлену зі сталі, та нижню частину, виготовлену з міді, як правило, зварені одна з одною; - охолоджувальний засіб 3, вміщений у нижню, мідну, частину стрижня 2. Зокрема, розглядаючи конструкцію з посиланнями на Фіг. 1 та Фіг. 2, стрижень 2, в послідовності зверху донизу, включає в себе: - першу, сталеву, секцію 4; - другу, сталеву, секцію 5, приварену до згаданої першої, сталевої, секції 4; - третю, мідну, секцію 6, приварену до згаданої другої, сталевої, секції 5; - четверту, мідну, секцію 7, приварену до згаданої третьої, мідної, секції 6. Третя, мідна, секція 6 має змінний поперечний переріз, зокрема, площа її поперечного перерізу збільшується в напрямку зверху донизу, як зображено на Фіг. 2. На Фіг. 1 та Фіг. 2 зображені межа 8 проплавлення сталь-сталь між першою секцією 4 та другою секцією 5; межа (або лінія) 9 проплавлення сталь-мідь, між другою секцією 5 та третьою секцією 6; межа 10 проплавлення мідь-мідь між третьою секцією 6 та четвертою секцією 7. Четверта, мідна, секція 7 по суті складається з циліндричної труби. Третя, мідна, секція 6 у своїй нижній частині має заглибину 13, виконану у ширшій частині третьої секції 6. Друга, сталева, секція 5 та третя, мідна, секція 6 визначають так званий "буферний простір", завдяки наявності якого зона охолодження електрода розташована на певній відстані від сталевої частини стрижня 2, яка набуває рідкого стану під час експлуатації дугової печі. Мідна частина та сталева частина стрижня 2, яка зберігає твердий стан, зварені одна з одною для забезпечення проходження струму та неперервності теплообміну. Як правило, охолоджувальний засіб 3 розміщений, принаймні частково, у поздовжній порожнині 50, яка визначена внутрішньою поверхнею циліндричної труби 7 та згаданою заглибиною 13 у третій, мідній, секції 6. Буферний простір 5, 6 разом із циліндричною трубою 7 визначають так званий кожух електрода. Охолоджувальний засіб 3 включає в себе по суті циліндричну охолоджувальну трубу 11, яка за варіантом, якому віддається перевага, виготовлена з металу, при цьому вона, у свою чергу, включає в себе такі конструктивні елементи як: - циліндрична труба 12, зовнішній діаметр якої трохи менший за внутрішній діаметр циліндричної труби 7; - опукла або по суті плоска кришка 14, яка призначена для закривання першого кінця згаданої труби 12 і у зовнішній стінці якої виконана множина каналів 20, наприклад, у вигляді простих наскрізних отворів; - перепускна труба 19 для перетікання охолоджувального плинного середовища (наприклад, води), яка проходить всередині труби 12 і з'єднана зі згаданою кришкою 14 так, щоб сполучатися з колектором 17, утвореним у самій кришці. Труба 12 за варіантом, якому віддається перевага, розташована співвісно зі згаданою перепускною трубою 19. Як альтернатива до простих наскрізних отворів 20, можливе виконання нарізних форсунок, загвинчених у відповідні нарізні частини наскрізних отворів 20. У варіанті здійснення винаходу, якому віддається перевага, кришка 14 з'єднана з кільцеподібним елементом 16, у центральний отвір 18 якого вставлена перепускна труба 19. За варіантом, якому віддається перевага, центральний отвір 18 поступово розширюється в 4 UA 102203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 напрямку колектора 17. За варіантом, якому віддається перевага, колектор 17 має площу поперечного перерізу, перпендикулярного до поздовжньої осі X електрода, яка у щонайменше 1,5 рази перевищує площу поперечного перерізу труби 19, перпендикулярного до згаданої поздовжньої осі X. У варіанті здійснення винаходу, якому віддається перевага, площа поперечного перерізу колектора 17 щонайменше вдвічі перевищує площу поперечного перерізу труби 19. У випадку, якщо труба 19 та колектор 17 мають круговий поперечний переріз, за варіантом, якому віддається перевага, діаметр колектора 17 щонайменше у 1,5 рази перевищує діаметр труби 19. У випадку, якщо форма поперечних перерізів відмінна від кругової, перевага віддається варіанту, коли таке саме співвідношення має місце між відповідними еквівалентними діаметрами. Кільцеподібний елемент 16 жорстко прикріплений до циліндричної труби 12, наприклад, приварений до неї. Так само кришка 14 може бути жорстко прикріплена, наприклад, приварена, зверху згаданого кільцеподібного елемента 16, в результаті чого між ними і утворюється колектор 17. У кришці 14 виконані наскрізні отвори 20, крізь які колектор 17 сполучається із зовнішньою частиною охолоджувального засобу. Кришка 14 може мати форму напівсферичного ковпака або півкулі, тією чи іншою мірою сплощеного(-ої) зверху, або ж форму по суті плоскої пластини; це визначається внутрішньою формою поверхні поблизу центру електрода, який підлягає охолодженню. Таким чином, геометрична форма заглибини 13 по суті відповідає геометричній формі зовнішньої поверхні кришки 14. Перепускна труба 19 простягається від одного кінця циліндричної труби 12 до її другого кінця, протилежного по відношенню до кришки 14, виступає з нього і приєднана до впускного фланця 21 для охолоджувальної води. Коли електрод повністю змонтований, охолоджувальна труба 11 з'єднана із кожухом електрода. Форма заглибини 13 є такою, щоб вмістити в неї кришку 14 труби 11. Між поверхнями заглибини 13 та кришки 14 залишений заздалегідь визначений проміжок, або відстань, H (на внутрішній центральній, або первинній, поверхні 23 електрода, який підлягає охолодженню); цей проміжок за варіантом, якому віддається перевага, зменшується в напрямку до внутрішньої бічної, або вторинної, поверхні 24 електрода. За варіантом, якому віддається перевага, відстань H між первинною поверхнею 23 (яка зветься також "зволожуваною поверхнею") та відповідною поверхнею кришки 14, яка виміряна між первинною поверхнею 23 та випускною частиною отворів або форсунок 20, становить від 5 мм до 30 мм, за варіантом, якому віддається перевага, – від 6 мм до 12 мм. За варіантом, якому віддається найбільша перевага, відстань H дорівнює 8 мм. Ця відстань, H, відповідає ширині першої ділянки щілини між порожниною 50 та охолоджувальним засобом 3, або трубою 11. Ширина кільцевого проміжку 25 між трубою 7 та трубою 12 за варіантом, якому віддається перевага, становить від 2 мм до 12 мм, при цьому згадана ширина кільцевого проміжку 25 відповідає ширині другої ділянки щілини між порожниною 50 та охолоджувальним засобом 3, або трубою 11. Цей кільцевий проміжок 25 сполучається із випускною трубою 26 для відведення охолоджувальної води, спорядженою випускним фланцем 27. Діаметр ("di") отворів або сопел форсунок 20 за варіантом, якому віддається перевага, становить від 1 мм до 10 мм, за варіантом, якому віддається більша перевага, – від 1 мм до 5 мм. У варіанті здійснення винаходу, якому віддається найбільша перевага, діаметр "d i" дорівнює 3 мм. З іншого боку, зважаючи на схему розташування отворів 20 на кришці 14, відстань між отворами 20, позначена як Ld, залежить від діаметра отворів, бажано, але не обов'язково, щоб вона дорівнювала цілому числу, кратному згаданому діаметру. Схема розташування отворів на поверхні кришки 14 може бути однорідною або не бути такою. Відстань L d становить від 3 діаметрів до 15 діаметрів di отворів 20 за варіантом, якому віддається перевага, – від 6 діаметрів до 11 діаметрів цих отворів. У варіанті здійснення винаходу, якому віддається найбільша перевага, відстань Ld дорівнює 31,5 мм. Критерії визначення схеми розташування отворів на кришці 14 грунтуються на алгоритмі оптимального покриття первинної поверхні 23, для охолодження якої буде залучено частину охолоджувальних зон із високою ефективністю теплообміну, які створюються завдяки ударам окремих струменів. Здебільшого отвори 20 виконані у кришці 14 так, щоб їхні поздовжні осі розташовувалися по 5 UA 102203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 суті перпендикулярно до площини, дотичної до ділянки кришки, на якій розташовані випускні отвори, тобто по суті перпендикулярно до відповідної частини первинної поверхні 23. Крім того, первинна поверхня 23, або "зволожувана ділянка", може мати сплощену або ж викривлену форму, а її протяжність, вимірювана у одиницях еквівалентного діаметра D eq, залежить від діаметра стрижня 2 і максимально дорівнює близько 700 мм, при цьому перевага віддається значенню від 250 мм до 600 мм. У варіанті здійснення винаходу, якому віддається перевага, величина Deq дорівнює 550 мм. Як видно з Фіг. 5, біметалевий стрижень 2 подового електрода 1 вбудований у вогнетривкий під 30 дугової печі постійного струму неперервної дії. У самому поді 30 біметалевий стрижень 2 оточений щонайменше одним захисним шаром вогнетривких кілець 31. Верхній кінець 32 стрижня 2 контактує всередині печі із ванною розплавленого металу (яка на цій фігурі на показана). Згаданий контакт із рідким металом, разом із дією сильного струму, який проходить через сам стрижень, є визначальним фактором, що призводить до утворення вздовж стрижня 2 верхньої, рідкої, частини 33 та нижньої, твердої, частини 34, які розділені поверхнею 35 поділу двох фаз. Рідина для охолодження електрода (за варіантом, якому віддається перевага, але який не є обов'язковим, – вода) неперервно надходить із заздалегідь визначеною витратою у перепускну трубу 19, тече нею доти, доки не сягне центрального отвору 18 кільцеподібного елемента 16, а отже досягаючи колектора 17 всередині кришки 14. Існує можливість забезпечити надходження і використання інших охолоджувальних рідин замість води, таких як, наприклад, рідкі метали (такі як натрій), а також евтектичні суміші різних хімічних сполук. За варіантом, якому віддається перевага, центральний отвір 18 першого кільцеподібного елемента 16 поступово розширюється в напрямку колектора 17 для мінімізування навантажувальних втрат і підтримування якомога вищого тиску всередині колектора 17. Надлишковий тиск охолоджувальної рідини у колекторі 17 становить від 1 бар до 15 бар (0,11,5 МПа), за варіантом, якому віддається перевага, дорівнює приблизно 12 бар (1,2 МПа). З колектора 17, також відомого як "подовий колектор", рідина під прямим кутом спрямовується під тиском на первинну мідну поверхню 23 крізь множину отворів 20. Швидкість руху vjet струменів рідини, що виходять із отворів 20, яка безпосередньо визначає локальну інтенсивність теплообміну, сягає максимуму у 50 м/с, за варіантом, якому віддається перевага, становить від 25 м/с та 30 м/с. У варіанті виконання технологічного процесу, якому віддається перевага, ця швидкість дорівнює приблизно 27 м/с. Швидкість руху струменів рідини, які неперервно виходять із отворів 20, обирають такою, щоб запобігти будь-якій можливості випаровування рідини, яка контактує із внутрішньою поверхнею мідної частини електрода. Схему розташування отворів 20, а також технологічні параметри обирають такими, щоб досягти максимального теплового потоку через мідну частину електрода, а саме приблизно 2 20 МВт/м . За варіантом, якому віддається перевага, у мідній частині анода, зокрема в третій секції 6, встановлений ряд термопар 40 (Фіг. 3 та Фіг. 4) з метою реєстрування теплового потоку, який тече через мідну частину електрода. У варіанті здійснення цього винаходу, якому віддається перевага, термопари 40 орієнтовані під кутом приблизно 60 до поздовжньої осі електрода, а їхні передні кінці розташовані поряд зі згаданою віссю. Таке взаємне розташування термопар 40 має перевагу, яка полягає в тому, що можливо неперервно спостерігати за станом однієї із зон, які зазнають найбільшого термомеханічного напруження. Крім того, в межах труби 7 та мідної секції 6 електрода виконані отвори для розміщення терморезисторів 41, які застосовують як додаткові засоби для контролю температури та діагностики. Таким чином, система охолодження електрода за цим винаходом дозволяє створювати і забезпечувати викид струменів охолоджувальної рідини в межах зони, або "верхнього колектора", обмеженої зверху первинною поверхнею 23, яка підлягає охолодженню. Всі ці струмені є тонкими, перпендикулярними до відповідної ділянки первинної поверхні 23, і перебувають у повному гідродинамічному контакті із тією самою охолоджувальною рідиною, яка вже заповнила "верхній колектор" та боковий кільцевий проміжок 25 між трубою 12 та трубою 7. У варіанті здійснення цього винаходу, якому віддається перевага, в процесі експлуатації у жодній із зон проходження рідини не міститься повітря, натомість всі вони повністю заповнені рідиною. Таким чином, система охолодження електрода за цим винаходом функціонує як однофазна (всередині системи присутня лише вода, повітря відсутнє) та замкнена система. Згадана система функціонує незалежно від того, чи є тиск на виході 6 UA 102203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 підвищеним або ж, навпаки, зниженим. Конструкцію і орієнтацію кришки 14, яка виконана у вигляді ковпака або ж порожнистої пластини, а також вільної зони між первинною поверхнею 23 та згаданим ковпаком або згаданою порожнистою пластиною обирають такими, щоб сприяти падінню струменів рідини на первинну поверхню 23 по суті перпендикулярно із подальшим стіканням рідини вниз в напрямку виходу із системи охолодження, де охолоджувальна дія струменів повністю перетворюється на відведення теплоти шляхом турбулентної конвекції. Струмені рідини б'ють у "зволожувану ділянку" 23, яка являє собою охолоджувану верхню ділянку анода; решта внутрішньої поверхні мідного кожуха електрода, тобто поверхня кільцевого проміжку 25, при цьому охолоджується спадним потоком рідини, яка надходить зі згаданої охолоджуваної верхньої ділянки (вторинне охолодження). Експериментальними випробуваннями доведено, що спрямована ударна дія тонких струменів рідини є дуже ефективним засобом одержання високої ефективності охолодження мідної частини подового електрода дугової печі постійного струму неперервної дії. Турбулентний струмінь, який б'є по плоскій поверхні, перпендикулярно до неї, як виявилося, забезпечує у зоні, близькій до повного гальмування струменя, найбільші значення коефіцієнтів теплообміну з-поміж тих, що досягалися у випадку однофазної конвекції (за відсутності повітря). Така ефективність одержана передусім в результаті витончення граничного шару у зоні зіткнення струменя з поверхнею, що уможливлює безпосередній контакт охолоджувальної рідини у такій зоні з поверхнею теплообміну. Крім того, гальмівний тиск, який визначається як тиск, що реєструється у зоні втрати струменем швидкості при його зіткненні з поверхнею, значно підвищує температуру насичення, тобто таку температуру, за якої для певного тиску відбувається явище кипіння. Отже, завдяки цим явищам, у зоні гальмування струменя стає можливим контактування рідини зі стінкою, розігрітою до дуже високих температур і, відповідно, такою, яка несе дуже високий тепловий потік, без неодмінного настання стану кипіння. Інтенсивність обміну тиском і теплом швидко спадає зі збільшенням відстані від точки зупинки струменя. Відповідно, задля охолодження великих ділянок поверхні у цьому варіанті здійснення винаходу передбачено створення групи струменів, які б'ються у плоску поверхню перпендикулярно до неї. Гідродинамічний стан у сукупності струменів, які взаємодіють, значно відрізняється від гідродинаміки охолодження дією одного струменя. Зокрема, у зонах, де зливаються разом лінії течії від сусідніх струменів, на вторинній охолоджуваній поверхні виникають зони зупинки, де спостерігатиметься локальне підвищення коефіцієнтів теплообміну. Таким чином, порівняно з випадком одного струменя, відбуватиметься підвищення середніх значень коефіцієнтів теплообміну на всій поверхні зіткнення з рідиною, у оберненій пропорції до відстані між струменями. Зауважимо, що рішення із застосуванням множини струменів рідини, які б'ються у зазначену плоску поверхню по суті перпендикулярно до неї, згодом дістав підтвердження також і для викривленої поверхні, зокрема, напівсферичної поверхні. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Електрод для електричної дугової печі постійного струму для плавлення металів, який призначений для розміщення на поді згаданої печі і включає в себе: біметалевий стрижень (2), який має поздовжню вісь (X), вздовж якої простягається його перша, сталева, секція (4, 5), перший кінець якої призначений для того, щоб входити у контакт із ванною розплавленого металу всередині печі, і його друга, мідна, секція (6, 7), яка приварена до другого кінця згаданої першої, сталевої, секції (4, 5); охолоджувальний засіб (3) для охолодження згаданого біметалевого стрижня (2); порожнину (50), утворену всередині згаданої другої, мідної, секції (6, 7), у яку принаймні частково вміщений згаданий охолоджувальний засіб (3); проміжок між згаданою порожниною (50) та згаданим охолоджувальним засобом (3); при цьому охолоджувальний засіб (3) включає в себе: колектор (17), який розміщений на першому кінці охолоджувального засобу (3) і який має торцеву стінку, в якій утворена множина каналів (20), які сполучають згаданий колектор (17) із першою ділянкою згаданого проміжку, яка є суміжною зі згаданою першою, сталевою, секцією (4, 5); першу трубу (19) для транспортування охолоджувальної рідини до колектора (17); при цьому площа поперечного перерізу колектора (17) у щонайменше 1,5 разу перевищує площу поперечного перерізу першої труби (19) при визначенні у площині, перпендикулярній до згаданої поздовжньої осі (X), 7 UA 102203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 і кожний із каналів (20) має власну поздовжню вісь, по суті перпендикулярну площині, дотичній до відповідної вихідної частини каналів, в результаті чого на першій ділянці проміжку утворена множина струменів охолоджувальної рідини, по суті перпендикулярних до первинної поверхні (23) порожнини (50), яка є суміжною зі згаданою першою, сталевою, секцією (4, 5). 2. Електрод за п. 1, який відрізняється тим, що згадана торцева стінка являє собою кришку (14), опуклу або ж по суті плоску за формою, яка запирає собою трубу (12) охолоджувального засобу (3), при цьому згадана труба (12) є співвісною і зовнішньою відносно згаданої першої труби (19), призначеної для транспортування охолоджувальної рідини. 3. Електрод за п. 2, який відрізняється тим, що згадана кришка (14) з'єднана з кільцеподібним елементом (16), при цьому перша труба (19) вставлена у центральний отвір (18) згаданого кільцеподібного елемента. 4. Електрод за п. 3, який відрізняється тим, що центральний отвір (18) поступово розширюється в напрямку колектора (17). 5. Електрод за будь-яким із пп. 2-4, який відрізняється тим, що згадана кришка (14) виконана у вигляді напівсферичного ковпака або півкулі, сплощеного(-ої) зверху, або ж у вигляді по суті плоскої пластини, відповідно до форми первинної поверхні (23), яка підлягає охолодженню. 6. Електрод за будь-яким із пп. 2-5, який відрізняється тим, що згадана перша труба (19) виступає з труби (12) з боку, протилежного до кришки (14), і приєднана до впускного фланця (21) для охолоджувальної рідини. 7. Електрод за будь-яким із попередніх пунктів, який відрізняється тим, що відстань (Ld) між випускними ділянками каналів (20) становить 3-15 діаметрів (di) згаданих каналів (20). 8. Електрод за будь-яким із попередніх пунктів, який відрізняється тим, що ширина згаданого проміжку зменшується в напрямку від згаданої первинної поверхні (23) до вторинної бокової поверхні (24) згаданої порожнини (50). 9. Електрод за п. 8, який відрізняється тим, що згадана перша ділянка проміжку на згаданій первинній поверхні (23) має ширину (Н) від 5 мм до 30 мм. 10. Електрод за п. 9, який відрізняється тим, що друга ділянка (25) проміжку, яка віддалена від згаданої першої, сталевої, секції (4, 5), на згаданій вторинній поверхні (24) має ширину від 2 мм до 12 мм. 11. Електрод за п. 10, який відрізняється тим, що згадана друга ділянка (25) проміжку сполучається з другою випускною трубою (26) для охолоджувальної рідини. 12. Електрод за будь-яким із попередніх пунктів, який відрізняється тим, що охолоджувальною рідиною є вода. 13. Спосіб охолодження електрода за п. 1, який включає такі стадії: заповнення охолоджувальною рідиною проміжку, утвореного між порожниною (50) та охолоджувальним засобом (3); неперервне введення додаткової кількості охолоджувальної рідини у першу трубу (19), якою згадана охолоджувальна рідина надходить до колектора (17); первинне охолодження електрода в результаті неперервного витікання через численні канали (20) множини струменів охолоджувальної рідини, які по суті під прямим кутом стикаються з відповідними ділянками первинної поверхні (23) в межах першої ділянки проміжку; вторинне охолодження електрода вторинним спадним потоком охолоджувальної рідини в межах другої ділянки (25) проміжку. 14. Спосіб охолодження електрода за п. 13, який відрізняється тим, що надлишковий тиск охолоджувальної рідини всередині колектора (17) становить від 1 бар до 15 бар (0,1-1,5 МПа), а максимальна швидкість руху (vjet) струменів, які виходять з каналів (20), становить 50 м/с. 15. Електрична дугова піч постійного струму для плавлення металів, яка включає в себе щонайменше один електрод за п. 1, розташований на поді печі. 8 UA 102203 C2 9 UA 102203 C2 10 UA 102203 C2 11 UA 102203 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 12