本发明涉及一种直流电弧炉技术领域，尤其涉及直流电弧炉底阳极，具体是指一种直流电弧炉底电极结构及其应用。
背景技术：
到目前为止，直流电弧炉有四种类型：
(1)abb型：整个炉底用导电镁碳材料砌筑。这种结构有如下不良结果：a)它的理想状态是电流在炉底均匀分布，实际上这是很难做到的。在施工和使用过程中，特别是通过热补后，炉底很难做到厚度均等和致密度一致。再加上电流有走低电阻通道的特性，因此，造成电炉底电流密度分布不均匀。在炉底中心(石墨阴极正下方)及电阻小的地方，发热量(发热量q＝v2/r)就大，电流密度就大造成局部过热，导致了mgo+c＝mg(g)+co的高温氧化还原反应，局部侵蚀过快；b)熔池四周脚下温度降低，形成了所谓的冷点，这为实践所证实；c)整个炉底用导电耐火材料砌筑，导热快，炉底温度高，特别是中心部位易过热。
(2)clecim类型：炉底的中心有1～4根导电金属棒，钢棒外端用水冷，炉底其余部分用不导电的镁钙质干式料。这种结构有如下缺点：a)电流只集中于炉底中心，使炉底中心过热和钢水流动迅速，而炉底电极部分又不可能热修补，因此底电极使用寿命较低，一般只有500～1500炉次。这中间还要有不少停下生产来维护；b)炉墙脚下更易出现冷点。在短流程电弧炉炼钢中，由于出钢温度较低，往往出现在出钢时炉墙脚下废钢还有未熔化的现象，延长了炼钢时间，降低了温度和成分的均匀性；c)因为钢棒需要水冷，这给安全带来风险。
(3)man-ghh型和(4)voest-alpine类型，分别为金属触针和钢片分布在炉底。电流在炉底的分布比clecim好。但是由于电流有走捷径(低电阻通道)的特性，实际上这种结构炉底的电流密度分布仍然中心高而向外低，再加上电弧在熔池中心燃烧，因此，远离电弧燃烧点的墙脚仍然出现冷点，于此相应中心还会出现热点(这比clecim类型的弱)；另一个缺点是由于导电金属触针和钢片的导热性高，使炉底温度较高、散热较多。这种结构底电极也不可能热补，因此使用寿命较低，也只有500～1200炉次水平。对于man-ghh型和voest-alpine类型的底阳极相比较，因voest-alpine类型是薄金属片，不易产生感应电流，涡流现象得以很好改善。因此，底电极就不易发热。这样在这两种底电极中，voest-alpine类型应该更好。
我们注意到与本发明相关的专利“直流电弧炉的底电极”(申请号：201410425489.7)。该专利的底电极是下部为金属棒，中部为石墨块，上部为镁碳砖。镁碳砖与石墨块之间用镁砂和石墨质的捣打料。该专利从下列几点证明很难成功实施。1)上部的镁碳砖是否导电没有说明。这是电极的一部分，不但要求导电，而且要求电阻率要足够低才行。否则即使镁碳砖导电，只要导电性不足也不能正常运转；2)镁碳砖与石墨块之间用镁砂和石墨组成的料，没有任何交代。同样这个材料是否导电，或就是导电，导电性是否满足作为电极的要求，都没有交代。这就不能作为电极材料使用，或根本不能保证直流电炉的正常运转，甚至不能运转；3)在镁碳砖和镁砂与石墨组成的散料不能运转的情况下，要么不导电，要么弱的导电性而随时可能被击穿，导致石墨块暴露在钢液之中，这样导致石墨块很快溶解到钢液内，导致电极下形成一个很大的坑，炉底温度过高，安全事故可能随时出现；4)石墨块与金属棒之间是否形成牢固的静配合，再加上二者的热膨胀差异很大，这可能导致很大的界面电阻，因而导致炉底发热，导致电极损耗过快，使用寿命很短。总之，这样的直流电弧炉底阳极要么不能工作，要么即使能工作，可能导致底阳极损耗过快，炉底温度过高和使用寿命很短。
技术实现要素：
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够提高底电极的使用寿命、且可同时热修补和冷修补的直流电弧炉底电极结构及其应用。
为了实现上述目的，本发明的直流电弧炉底电极结构及其应用如下：
一种直流电弧炉底电极结构，其特征在于，冷态修补时，所述的底电极结构为复合底阳极结构，所述的底电极结构包括数个竖直间隔安装于炉底的金属导电元件，所述的金属导电元件之间的间隔由耐火材料填充，在所述的间隔的下部由不导电耐火材料填充，在所述的间隔的上部由第一导电耐火材料填充，在所述的金属导电元件顶部铺置一层第二导电耐火材料。热态修补时，用热态修补料是导电热自流修补料(镁碳修补料或石墨电极修补料+镁碳修补料复合均可)，或者导电镁碳贴补砖，砖缝由导电热自流修补料灌塞缝隙而成。
本发明的直流电弧炉底电极结构，其主要特点是，所述的底电极结构为复合底阳极结构，所述的底电极结构包括数个竖直间隔安装于炉底的金属导电元件，所述的金属导电元件之间的间隔由耐火材料填充，在所述的间隔的下部由不导电耐火材料填充，在所述的间隔的上部由第一导电耐火材料填充，在所述的金属导电元件顶部铺置一层第二导电耐火材料。
较佳地，所述的金属导电元件为钢片、钢棒或钢针。
较佳地，所述的金属导电元件的高度大于所述的炉底厚度的2/3。
较佳地，所述的由不导电耐火材料填充的间隔的高度为所述的炉底厚度的1/2。
较佳地，所述的不导电耐火材料为镁钙质干式料。
较佳地，所述的第一导电耐火材料为镁碳质捣打料。
较佳地，所述的第二导电耐火材料为镁碳质捣打料和热修补料。
较佳地，所述的第一导电耐火材料与金属导电元件之间的接触面积(m2)≥0.054×供电流强度(ka)。
更佳地，所述的镁碳质捣打料碳化后的性能参数包括：电阻率≤3×10-4ω·m，体积密度≥2.8g/cm3，耐压强度≥20mpa，mgo+c≥85％。
更佳地，根据各客户电炉底结构(钢针、钢棒、钢片分布的实际间隙大小)，所述导电镁碳质捣打料可采用导电镁碳砖(热贴补砖)，碳化后的性能参数包括：电阻率≤2×10-4ω·m，体积密度≥3.0g/cm3，耐压强度≥30mpa，mgo+c≥85％。
更佳地，所述的热修补料包括电极石墨质热修补料和导电镁碳质热修补料等碳素材料，其中石墨热修补料导电率更高，碳化后的性能为：碳大于50％，电阻率≤3×10-4ω·m(比热补料电阻率小，目前导电热修补料的电阻率≤3×10-3ω·m)；
导电镁碳质热修补料碳化后的性能参数包括：电阻率≤3×10-3ω·m，体积密度≥2.2g/cm3，耐压强度≥12mpa，mgo+c≥85％。
本发明的直流电弧炉底电极结构的应用，其主要特点是，所述的底电极结构用于炼钢。
本发明的直流电弧炉底电极结构，可以底电极(钢针、钢棒、钢片)+导电热修补料，底电极(钢针、钢棒、钢片)+电极石墨质热修补料+导电热修补料，即使在热运转生产过程中，当遇到底阳极侵蚀快等情况导致炉底温度过高时，可以出净钢液，用氧枪吹扫干净底阳极上表面的钢渣后，将热修补料投入底阳极上面即可，该热补料就会在热的情况下自流平，并碳化，与原来的残底阳极牢牢结合在一起。这个过程只有30～60mins。然后就可以进行加料炼钢。因此，热补可以根据具体情况随时用导电热修补料对其进行热态修补；当要更换出钢口、换渣线等炉子冷却下来时，可以同时冷修底阳极。当炉子冷却下来后，清理干净底阳极表面的钢渣，用导电镁碳质捣打料对其进行捣打，使之达到原始厚度，以维持底阳极的长度和炉底温度在安全操作水平。
附图说明
图1为本发明的直流电弧炉底电极结构的主视剖面图。
附图说明：
1石墨电极(阴极)
2炉壳
3导电热修补料
4镁碳砖衬
5镁砖(永久层)
6镁钙质干式料
7导电镁碳质材料
8金属电极(钢棒、钢针或钢片)
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本直流电弧炉底电极结构，其中所述的底电极结构为复合底阳极结构，所述的底电极结构包括数个竖直间隔安装于炉底的金属导电元件，所述的金属导电元件之间的间隔由耐火材料填充，在所述的间隔的下部由不导电耐火材料填充，在所述的间隔的上部由第一导电耐火材料填充，在所述的金属导电元件顶部铺置一层第二导电耐火材料。
本发明所述的金属导电元件为钢片、钢棒或钢针；所述的金属导电元件的高度大于所述的炉底厚度的2/3；所述的由不导电耐火材料填充的间隔的高度为所述的炉底厚度的1/2；所述的不导电耐火材料为镁钙质干式料；所述的第一导电耐火材料为镁碳质捣打料；所述的第二导电耐火材料为镁碳质捣打料、或导电镁碳砖，和导电热修补料、石墨质。
其中所述的导电耐火材料与金属导电元件之间的接触面积(m2)≥0.054×供电流强度(ka)；所述的镁碳质捣打料碳化后的性能参数包括：电阻率≤3×10-4ω·m，体积密度≥2.8g/cm3，耐压强度≥20mpa，mgo+c≥85％；所述的镁碳质热修补料碳化后的性能参数包括：电阻率≤3×10-3ω·m，体积密度≥2.2g/cm3，耐压强度≥12mpa，mgo+c≥85％。
本发明的直流电弧炉底电极结构的应用，其中所述的底电极结构用于炼钢。
实施例1：
对10t钢针式直流电弧炉，当安装好金属阳极钢针后，捣打厚度350mm的干式镁钙质捣打料6，值得指出的是，为了致密化，每次加料厚度不得大于100mm，要用专门震动捣打设备进行捣打施工。然后添加镁碳质导电捣打料7进行施工，镁碳质导电捣打料与钢针重合厚度为300mm，在钢针以上再捣打导电的镁碳质捣打料50mm厚。捣打施工方法同干式镁钙质捣打料。一定要打密实。这不但对抗侵蚀而且对导电性都有重要意义。然后砌筑镁碳砖炉衬，再用干式镁钙质捣打料捣打电炉周边及斜坡。这样就可以添加炼钢原料、供电进行炼钢了。在底电极接铜板风冷或自然冷却的条件下，炉底外表面温度可在250℃，运转到一定炉次后，对该炉子也进行了热态修补，情况良好，该电炉处于正常运行状态。
实施例2：在当安装好金属阳极钢片后，捣打厚度400mm的干式镁钙质捣打料6，值得指出的是，为了致密化，每次加料厚度不得大于100mm，要用专门震动捣打设备进行捣打施工。然后添，加镁碳质导电捣打料7进行施工，镁碳质导电捣打料与钢片重合厚度为200mm，在钢片以上再捣打镁碳质捣打料200mm厚。捣打施工方法同干式镁钙质捣打料。一定要打密实。这不但对抗侵蚀而且对导电性都有重要意义。然后砌筑镁碳砖炉衬，再用干式镁钙质捣打料捣打电炉周边及斜坡。这样就可以添加炼钢原料、供电进行炼钢了。在底电极接铜板风冷或自然冷却的条件下，炉底外表面温度可在300℃以下，侧墙表面温度可在350℃以下，可使电炉正常运行。
实施例3：
钢片之间用镁钙质捣打料填充的150吨钢片式直流电弧炉，电炉炉龄冶炼后期，中心导电区域(俗称小炉底)侵蚀很深，采用导电热修补料3进行修补，根据侵蚀坑的深度及大小，出钢结束并清渣，投入导电热修补料5吨，导电热修补料碳化后数据为电阻率≤3×10-3ω·m，体积密度≥2.2g/cm3，耐压强度≥12mpa，mgo+c≥85％。烧结时间40分钟，开始倒入废钢和铁水，通电冶炼，起弧正常，电压电流正常，而且整个冶炼过程中都非常稳定，修补一次使用寿命大于23炉次。
实施例4：钢片之间用镁钙质捣打料填充的150吨钢片式直流电弧炉，电炉炉龄冶炼后期，中心导电区域(俗称小炉底)侵蚀很深，采用导电热修补料3进行修补，根据侵蚀坑的深度及大小，出钢结束并清渣，清渣不够干净，可能影响导电而起弧困难，先投入导电性能更好的电极石墨质热修补料2吨，碳化后的性能为：碳大于50％，电阻率≤3×10-4ω·m；再投热修补料3吨，导电热修补料碳化后数据为电阻率≤3×10-3ω·m，体积密度≥2.2g/cm3，耐压强度≥12mpa，mgo+c≥85％。烧结时间45分钟，开始倒入废钢和铁水，通电冶炼，起弧正常，电压电流正常，而且整个冶炼过程中都非常稳定，使用寿命大于56炉次。
实施例5：150吨钢片式直流电弧炉，电炉炉龄冶炼后期，中心导电区域(俗称小炉底)侵蚀很深，采用导电热修补料3进行修补，根据侵蚀坑的深度及大小，出钢结束并清渣，先投入导电性能更好，体积密度更高的导电贴补砖4吨，电阻率≤2×10-4ω·m，体积密度≥3.0g/cm3，耐压强度≥30mpa，mgo+c≥85％；再投热修补填缝火泥料0.5吨，烧结时间40分钟，开始倒入废钢和铁水，通电冶炼，起弧正常，电压电流正常，而且整个冶炼过程中都非常稳定，使用寿命大于92炉次。
实施例6：150吨钢片式直流电弧炉，电炉新炉役砌筑，当安装好金属阳极钢针后，捣打厚度750mm的干式镁钙质捣打料6，值得指出的是，为了致密化，每次加料厚度不得大于100mm，要用专门震动捣打设备进行捣打施工。然后砌筑导电镁碳砖7进行施工，导电镁碳砖与钢针重合厚度为500mm，砖缝由导电火泥填缝，在钢针以上再砌筑导电镁碳砖50mm厚并用火泥填缝。然后砌筑镁碳砖炉衬，再用干式镁钙质捣打料捣打电炉周边及斜坡。这样就可以添加炼钢原料、供电进行炼钢了。在底电极接铜板风冷或自然冷却的条件下，最初炉底外表面温度可在180℃，全炉役保持在低于300℃。运转到一定炉次后，对该炉子也进行了热态修补，情况良好，该电炉处于正常运行状态。1143炉因炉衬侵蚀下线，底电极导电镁碳砖残厚平均还有430mm，消耗导电镁碳砖3.75吨，导电热修补料58吨，吨钢导电料消耗0.36公斤/吨钢。由此推断如果冶炼经验丰富，从热态修补开始，适当热态修补的情况下，原冷态修补的导电镁碳砖几乎可以不消耗。该种复合导电底电极模式，可让导电料的消耗小于0.3公斤/吨钢甚至更低。
实施例7：150吨钢片式直流电弧炉，电炉新炉役砌筑，当安装好金属阳极钢针后，捣打厚度750mm的干式镁钙质捣打料6，值得指出的是，为了致密化，每次加料厚度不得大于100mm，要用专门震动捣打设备进行捣打施工。然后添加镁碳质导电捣打料7进行施工，镁碳质导电捣打料与钢针重合厚度为500mm，在钢针以上再捣打导电的镁碳质捣打料50mm厚。捣打施工方法同干式镁钙质捣打料。一定要打密实。这不但对抗侵蚀而且对导电性都有重要意义。然后砌筑镁碳砖炉衬，再用干式镁钙质捣打料捣打电炉周边及斜坡。这样就可以添加炼钢原料、供电进行炼钢了。在底电极接铜板风冷或自然冷却的条件下，最初炉底外表面温度可在188℃，全炉役炉壳保持温度低于305℃。运转到一定炉次后，对该炉子也进行了热态修补，情况良好，该电炉处于正常运行状态。1071炉因炉衬水冷管漏水下线，底电极镁碳质导电捣打料残厚平均还有320mm，消耗导电镁碳捣打料6.56吨，导电热修补料66吨，吨钢导电料消耗0.45公斤/吨钢。由此推断，如果冶炼经验丰富，从热态修补开始，适当热态修补的情况下，原冷态修补的导电捣打料几乎可以不消耗。该种复合导电底电极模式，可让导电料的消耗小于0.4公斤/吨钢甚至更低。
实施例8：150吨钢片式直流电弧炉，电炉新炉役砌筑，当安装好金属阳极钢针后，捣打厚度750mm的干式镁钙质捣打料6，值得指出的是，为了致密化，每次加料厚度不得大于100mm，要用专门震动捣打设备进行捣打施工。然后砌筑导电镁碳砖7进行施工，导电镁碳砖与钢针重合厚度为500mm，砖缝由导电火泥填缝，在钢针以上再砌筑导电镁碳砖50mm厚并用火泥填缝。然后砌筑镁碳砖炉衬，再用干式镁钙质捣打料捣打电炉周边及斜坡。这样就可以添加炼钢原料、供电进行炼钢了。在底电极接铜板风冷或自然冷却的条件下，最初炉底外表面温度可在180℃，全炉役保持在低于300℃。运转到一定炉次后，对该炉子也进行了热态贴补砖，再投入导电自流灌浆料填缝修补，情况良好，该电炉处于正常运行状态。全炉役运行到2556炉因设备大修下线，底电极导电镁碳砖残厚平均还有400mm，消耗导电镁碳砖4.58吨，导电热修补料83吨，吨钢导电料消耗0.23公斤/吨钢。由此推断如果冶炼经验丰富，从热态修补开始，适当热态修补的情况下，原冷态修补的导电镁碳砖几乎可以不消耗。该种复合导电底电极模式，可让导电料的消耗小于0.2公斤/吨钢甚至更低。
金属导电元件与镁碳质耐火材料导电元件之间的接触面积(m2)≥0.054×供电流强度(ka)，这可以有效防止底电极发热，能够安全工作。导电镁碳质捣打料，碳化后性能是：电阻率≤3×10-4ω·m，体积密度≥2.8g/cm3，耐压强度≥20mpa，mgo+c≥85％，它主要用于冷态捣打施工以延长底电极的使用寿命。导电的镁碳质热补料，其特征是碳化后性能是：电阻率≤3×10-3ω·m，体积密度≥2.2g/cm3，耐压强度≥12mpa，mgo+c≥85％，它主要用于热态投补，在炼钢热态下，投入该料，可以热自流平，填补侵蚀严重的坑凹出，热态加长底电极，在不停炉生产的情况下，延长底电极的使用寿命。
本发明的直流电弧炉炉底电极的结构用不导电的隔热和耐侵蚀的镁钙质干式料填充导电钢针或钢片之间的间隙，并捣打致密化，起到隔热和耐侵蚀的作用，同时保护了阳极钢片和钢针，该料层厚度由供电强度决定，一般为整个炉底厚度的50％。再往上的炉底和钢片或钢针之间的间隙用导电的镁碳质捣打料包括导电镁碳砖填塞并捣打或砌筑并灌浆而成。这样的底电极的下部分是靠钢针或钢片导电，中部为导电镁碳捣打料(或导电镁碳砖)和钢针或钢片混合型导电，因为是散装的具有塑性的捣打料，导致导电镁碳捣打料与金属钢片或钢针界面结合致密，界面电阻很小，如果是导电镁碳砖砌筑，由导电火泥灌浆密实，同样界面电阻很小。上部就是镁碳质捣打料、电极石墨质热修补料、镁碳质热修补料或导电镁碳砖(贴补砖)的一种或集中复合进行导电。这样的直流电弧炉的底电极因可以用导电捣打料7进行冷修，也可以随时用导电热补料3进行热补，这就同交流电炉一样，炉底电极寿命可控，不会因为底电极而停炉和影响设备作业率。同时也可以降低耐火材料单耗，对降低成本提高安全性具有重要意义。
本发明就是把钢针型和钢片型的金属底阳极型的直流炼钢电弧炉变为可以冷态和热态修补的导电耐火材料型直流炼钢电弧炉。这样可以显著提高底阳极的使用寿命，对提高炼钢效率和降低成本具有显著的效果。
本发明的目的通过下列途径实现：(1)把钢针或钢片型底阳极的中上部不用镁钙质干式捣打料，而用导电的镁碳质捣打料或导电镁碳砖。(2)在热运转过程中，即在生产过程中，当遇到底阳极侵蚀快等情况导致炉底温度过高时，可以出净钢液，用氧枪吹扫干净底阳极上表面的钢渣后，将热修补料、热贴补砖、导电电极石墨质热修补料投入底阳极上面即可，该热补料就会在热的情况下自流平，并碳化，与原来的残底阳极牢牢结合在一起。这个过程只有30～60mins。然后就可以进行加料炼钢。因此，热补可以根据具体情况随时用导电热修补料对其进行热态修补；(3)当要更换出钢口、换渣线等炉子冷却下来时，可以同时冷修底阳极。当炉子冷却下来后，清理干净底阳极表面的钢渣，用导电镁碳质捣打料对其进行捣打，使之达到原始厚度，以维持底阳极的长度和炉底温度在安全操作水平。
本发明的优点在于：通过采用导电耐火材料，把金属型底阳极变成了金属和导电耐火材料组合起来的复合底阳极。这样就把不可修补的金属底阳极变成了可以进行冷态修补和热态修补的底阳极，从而大大提高了底阳极的使用寿命。这样，就提高了这种电炉炼钢的作业率，降低了炼钢成本和提高了设备的利用率。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书应被认为是说明性的而非限制性的。