用于连续过程的非水冷的自耗电极式真空电弧炉的制作方法

用于连续过程的非水冷的自耗电极式真空电弧炉
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年6月7日提交的现在未决的美国临时申请no.62/858,883的优先权，该美国临时申请通过参引并入本文中。
技术领域
3.本主题涉及真空电弧炉，并且更具体地涉及设置有自耗可移动电极的密封的真空电弧炉。


背景技术：

4.电弧炉已经广泛用于熔化和熔炼过程中。特别地，真空电弧炉已经用于需要高质量且高纯度金属的熔化和再熔化应用。对于需要自耗电极的应用，比如在再熔化和熔炼过程中，电极的密封非常重要。在大多数情况下，这是由于需要控制电弧电压以适于一个或更多个电极不断地或间歇地移位。此外，当电极在该过程期间被消耗时，必须引入新电极以保持连续操作。在金属产物比如硅的熔炼过程的情况下，使用自耗石墨电极是常见做法。与具有完美表面光洁度和非常致密体积的金属所制成的电极不同，那些由石墨制成的电极不具备这些特性，特别是由于石墨具有一定程度的孔隙度，该孔隙度不利于达到并且保持高真空度水平。
5.真空密封电弧炉的另一方面在于适当地密封在该过程期间移位的电极。一般来说，密封移动的物体比固定的物体更具挑战性。在避免电极冷却时情况确实如此，因为密封件将暴露于更高的温度。避免围绕炉进行任何水冷是非常重要的，因为这些炉在非常高的温度下操作并且这些炉含有熔融的金属和金属氧化物。因此，任何水的存在都可能由于蒸汽爆炸而导致炉的灾难性故障并且因此对操作员造成伤害。实际上，多年来，电弧炉发生过很多致命事故，主要是由于水泄漏而造成的。
6.在于1961年2月14日授予gruber等人的美国专利no.2,971,996和于1965年10月26日授予buehl的美国专利no.3,213,495中的每一者中，描述了一种具有自耗电极的真空电弧炉。作为移动部分的顶部电极被密封；然而，没有提供密封的类型，也没有提供这种密封所需的冷却细节和机械细节。顶部电极连接至穿过顶部炉壳的具有不同几何形状的支承杆。很明显，这种设计不允许下述连续过程：在该连续过程中，电极消耗必须通过穿过密封件引入新电极来补偿。此外，坩埚底部被水冷，这增加了水泄漏到系统中的机会，这样最终可能导致蒸汽爆炸。
7.在于1966年4月12日授予wooding的美国专利no.3,246,070中，描述了一种自耗式真空电弧炉。顶部电极(撞锤)是水冷的。底部电极(坩埚)也是水冷的。因此，在存在熔融金属的系统中发生任何水泄漏的情况下，蒸汽爆炸的可能性很高。另外，如其中所述，由于自耗电极在不使过程停止的情况下不能被更换的事实，因而连续过程是不可能的。在这种真空电弧炉中，由于在坩埚中使用水冷，因此需要非常高的能量输入和温度的熔炼过程、例如在1800℃以上的温度下11kwhr/kg至13kwhr/kg的硅的熔炼过程不能经济且有效地实践。
8.在于1977年5月31日授予kishida等人的美国专利no.4,027,095中，公开了一种用于生产钢的气密密封电弧炉。根据这种电弧炉，电极密封借助于水冷被保护免受炉热的影响。电极的运动通过密封件的伸缩机构来提供，从而允许向上和向下运动。根据密封件的描述，石墨电极与密封件直接接触。由于石墨材料具有显着的孔隙度和较差的表面光洁度，因此不可能实现非常高的真空水平。
9.在于1992年7月7日授予poulsen的美国专利no.5,127,468中，涉及一种用于使金属和合金、特别地钛合金和钛基合金熔化的自耗电极式真空电弧炉。如上所述，真空炉不能连续运行，因为熔化持续直到环形边缘区域至少开始熔化，并且在边缘区域完全熔化之前，熔化是停止的。
10.因此，期望提供一种密封的真空电弧炉，该密封的真空电弧炉可以在没有水冷的情况下利用自耗可移动电极、特别地由石墨制成的可移动电极进行操作。


技术实现要素：

11.因此，期望提供一种新型的真空电弧炉，该真空电弧炉设置有自耗可移动电极。
12.本文中所述的实施方式在一个方面中提供了一种电弧炉，包括：(封闭的)容器，该容器包括顶部炉框和底部炉坩埚；至少一个顶部电极，顶部电极适于承载电流以便在顶部电极与底部电极之间保持等离子弧；至少一个底部电极；至少一个进给端口，进给端口适于在用于将材料装入容器中的敞开位置与封闭的密封位置之间移位；至少一个排气端口，排气端口适于从容器中排出炉气并且相对于排气管线密封；以及至少一个放液口，放液口适于在用于将熔融材料从炉坩埚移除的敞开位置与封闭的密封位置之间移位。
13.例如，顶部炉框和底部炉坩埚两者均具有耐火衬里。
14.例如，顶部电极由任何适合的材料制成，例如由碳材料、比如石墨制成。
15.例如，在容器的外部设置有顶部电极组件以用于将顶部电极相对于外部环境密封。
16.例如，在炉框顶上设置有壳体，其中，顶部电极在壳体内延伸并且延伸到容器中。
17.例如，顶部电极通过顶部电极组件，经由设置在将壳体的下端部连接至容器的下凸缘之间的至少一个密封件，还经由设置在将壳体的上端部连接至顶部电极组件的上凸缘之间的至少一个密封件，并且还可能经由设置在将壳体的部段连接在一起的中间凸缘之间的至少一个密封件相对于外部环境密封。
18.例如，在顶部电极的外部且在壳体的内部设置有套筒。
19.例如，套筒位于顶部电极与顶部电极组件中的真空密封件之间，使得真空密封仅在套筒上进行。
20.例如，套筒由适用于真空密封的高强度材料比如钢材料制成。
21.例如，在套筒与顶部电极之间设置有间隙，由此套筒适于充当顶部电极与密封件所在的壳体之间的热屏障。
22.例如，间隙适于保持在真空下，来自顶部电极及其周围的热传递通过迫使热沿着顶部电极朝向顶部电极组件传递而受到限制，热传递在顶部电极组件处被自然空气对流冷却。
23.例如，通过套筒使顶部电极热绝缘，可以将商业可得的密封材料用于位于套筒外
部的密封件，密封材料比如为viton
tm
。
24.例如，大致在炉框与壳体的接合部处设置有清洁装置，该清洁装置用于大致防止夹带在炉气中的微粒进入壳体。
25.例如，清洁装置还适于在顶部电极的每次移位中将沉积物从顶部电极移除。
26.例如，清洁装置由电绝缘材料比如陶瓷制成。
27.例如，进给端口被密封件和盖密封，该密封件例如由可压缩的垫圈或o形环制成，该密封件安置在进给端口上，该盖用于在容器停止装料或在真空阀比如闸阀关闭时封堵进给端口。
28.例如，进给端口的密封件选自商业可得的材料，因为进给端口处的温度足够低。
29.例如，排气端口被密封件和盖密封，该密封件例如由可压缩垫圈或o形环制成，该密封件安置在排气端口上，该盖用于在需要时封堵排气端口。
30.例如，排气端口的密封件选自商业可得的材料，因为排气端口处的温度足够低。
31.例如，在炉框与炉坩埚的接合部处设置有非水冷容器凸缘，并且该非水冷容器凸缘在接合部处被容器密封件密封。
32.例如，在炉框和炉坩埚中的每一者中并且在容器密封件的内部设置有耐火衬里，从而限制容器密封件处的温度，由此容器密封件不需要水冷。
33.例如，容器密封件选自商业可得的密封材料比如硅树脂或ptfe。
34.例如，设置有底部电极组件，该底部电极组件包括底部电极，底部电极包括导电延伸引线(或延伸杆)。
35.例如，底部电极组件借助于延伸杆连接至炉坩埚。
36.例如，在炉坩埚的底部处设置有导电衬里，延伸杆嵌入(或埋入)在该导电衬里中。
37.例如，通过使电流通过延伸杆和底部电极组件而适于在顶部电极与导电衬里之间初始形成电弧，底部电极组件适于连接至电源。
38.例如，放液口在炉坩埚中于导电衬里上方延伸，使得包含在炉坩埚中的熔融材料可以通过放液口周期性地放出。
39.例如，放液口在炉操作期间被耐火衬里的盖阻挡，盖被密封件密封以在整个炉操作期间保持真空或压力并且在炉操作期间避免过程气体和/或熔融材料逸出。
40.例如，顶部电极组件包括可移除的电连接器，该电连接器用于将顶部电极连接至电源并且用于在顶部电极由自耗电极材料制成时允许添加新的顶部电极以补偿使用过的电极的消耗，从而实现连续或半连续过程。
41.例如，可移除的电连接器适于将顶部电极经由适当的电延伸部比如铜母线连接至电源。
42.例如，可移除的电连接器借助于至少两个高温电绝缘件与容器电绝缘，高温电绝缘件比如为可机加工材料如peek或玻璃硅层压件。
43.例如，电绝缘件和可移除的电连接器中的一者至少被上密封部件和下密封部件比如o形环密封，下密封部件适于坐置在与套筒附接的凸缘上。
44.例如，套筒借助于至少一个密封部件、比如唇形密封件或弹簧加载密封件来密封，以用于承受顶部电极的移位和套筒的高温。
45.例如，设置有导引件以确保在炉操作期间可移除的电连接器、顶部电极和套筒对
准并且密封部件被很好地定位和保持，导引件在套筒与顶部电极组件的壳体之间延伸，并且导引件由例如非研磨性/自润滑材料制成。
46.例如，底部电极组件的阳极壳体借助于柔性波纹管连接至炉坩埚，该波纹管适于允许底部阳极组件轻微移动而不影响真空密封。
47.例如，由于炉坩埚中且沿着底部阳极组件的高温度梯度，至少延伸引线的显着膨胀/收缩适于因波纹管而适应，该延伸引线在底部阳极组件中经历例如从大于1800℃至小于300℃的温度梯度。
48.例如，随着炉坩埚的温度增加，延伸引线沿着该延伸引线的轴线线性地膨胀，从而向下推动底部阳极组件，由此产生的向下移位由波纹管补偿以在容器中保持所需的真空水平。
49.例如，底部电极包括电连接器，该电连接器附接至延伸引线的下端部。
50.例如，电连接器附接至上导电板以允许从炉坩埚通过延伸引线传递的大部分热在炉坩埚外部的底部电极组件中消散，从而保持炉操作温度以保持密封部件低于该密封部件的最高工作温度。
51.例如，电连接器和上导电板两者由高度导电且导热的材料比如铜制成。
52.例如，底部电极组件包括冷却装置，该冷却装置适于具有在冷却装置上吹送的冷却介质比如空气。
53.例如，冷却装置包括翅片管、例如由铜制成的翅片管，这些翅片管堆叠在壳体中以用于从底部电极组件到冷却空气的有效热传递。
54.例如，壳体适于限制翅片管并且适于将气体冷却剂比如空气引导到翅片管的翅片上。
55.例如，翅片管定位在上导电板与下导电板之间，其中，吊杆将上导电板与下导电板连接。
56.例如，吊杆借助于垫圈与下导电板电绝缘以保持壳体与底部阳极组件电绝缘。
57.例如，吊杆不仅将翅片管保持到位，而且还适于将上导电板朝向真空密封件压缩以实现有效的紧密性和密封，真空密封件43比如o形环安置在绝缘环上，该绝缘环适于充当底部阳极组件与炉壳之间的电隔离件。
58.例如，壳体连接至波纹管的下端部。
59.例如，底部阳极组件经由安装至炉坩埚壳的过渡凸缘而附接至炉坩埚，底部电极包括与下导电板附接的延伸导电引线，底部阳极组件借助于导电引线连接至电源。
60.例如，顶部电极和套筒适于一起上下移动。
61.例如，顶部电极和套筒在顶部电极和套筒的上端部处经由至少一个中间部件连接在一起。
62.例如，顶部电极和套筒在顶部电极和套筒的上端部处至少经由可移除的电连接器连接在一起，由此顶部电极和套筒适于一起上下移动。
63.例如，该炉用于通过碳热还原反应从硅的原材料(石英、石英岩)生产高纯度硅(+99.9％纯度si)。
附图说明
64.为了更好地理解本文中所描述的实施方式并且更清楚地示出如何实施这些实施方式，现在将仅通过示例的方式参照附图，附图示出了至少一个示例性实施方式，并且在附图中：
65.图1是根据示例性实施方式的自耗式真空电弧炉的示意性竖向截面图；
66.图2是根据示例性实施方式的图1的自耗式真空电弧炉的顶部电极组件的从图1的虚线圆a截取的放大示意性截面图；
67.图3是根据示例性实施方式的图1的自耗式真空电弧炉的底部电极组件的从图1的虚线圆b截取的放大示意性截面图；
68.图4是根据示例性实施方式的在1800℃的操作温度下的图2的顶部电极组件的温度曲线的示例性示意图；以及
69.图5是根据示例性实施方式的在1800℃的操作温度下的图3的底部电极组件的温度曲线的示例性曲线图。
具体实施方式
70.本主题涉及一种自耗电极式真空电弧炉，并且更具体地涉及一种直流自耗电极式真空电弧炉，其中，通常不需要水冷来冷却电极或炉的任何其他部分，包括但不限于壳、凸缘端口和炉的电连接件。具体地，本主题涉及非金属电极、比如石墨电极电弧炉，其适用于金属的熔化、金属矿石的熔炼和金属氧化物至元素金属的熔炼，其中，石墨电极的使用是常见做法。本主题使得在受控压力下进行真正的连续熔化和熔炼过程成为可能，受控压力是连续熔化和熔炼过程的关键因素。
71.现在参照图1，示出了真空电弧炉f的实施方式，该真空电弧炉f包括一个自耗电极和耐火衬里的封闭容器，该封闭容器被设计成在高温下操作并且能够适用于熔化和熔炼过程。炉f由四个主要分部构成：顶部炉框1、炉坩埚2、炉顶部电极组件3以及炉底部电极组件4。框1衬有耐火材料5以防止受到高温和/或反应性逸出气体的影响并且保持容器内的热。框1被设计成充当炉坩埚2顶部上的封闭盖并且保持整个炉封闭。
72.炉坩埚2也衬有耐火材料6以保持过程所需的热并且保护炉壳。顶部电极7载有由未示出的电源针对该过程供应的电流，在顶部电极7与底部电极组件4的底部电极4a(通过延伸引线或延伸杆26)之间保持等离子弧。顶部电极7可以由本领域中专家已知的用于特定过程的任何适合的材料制成。更具体地，顶部电极7可以由碳材料、比如用于熔炼过程的预先烘烤的石墨制成，熔炼过程比如为从石英中生产硅，其中，碳是还原剂之一。使用石墨电极在金属熔化过程中也很常见。底部电极4a包括延伸引线26、连接器35和延伸的导电引线48。
73.顶部电极7经由电极组件3借助于位于一对中间顶部凸缘11之间的密封件10以及位于一对底部顶部凸缘13之间的密封件12而相对于外部环境密封。顶部电极7借助于套筒8与长形壳体9分离。套筒8在顶部电极7功能性中起重要作用。首先，套筒8位于顶部电极7与顶部电极组件3中的真空密封件之间，使得真空密封仅在套筒8上完成，该套筒8可以由适合用于真空密封的高强度材料、比如钢材料制成，该材料可以很容易地被机加工成具有非常精确的公差和可接受的表面光洁度以用于高真空密封目的。其次，套筒8充当顶部电极7与
密封件所在的长形壳体9的部段之间的热屏障。这是通过在套筒8与顶部电极7之间设置的间隙50实现的，该间隙50可以保持在真空下。这种设计通过迫使热沿着顶部电极7朝向顶部电极组件3——热在顶部电极组件3处被自然空气对流冷却——流动有助于使来自顶部电极7及其周围的热传递最小化。通过套筒8使顶部电极7热绝缘，这允许密封件10和12以及顶部电极组件3的密封件31(参见图2)使用商业可得的密封材料比如viton
tm
。第三，顶部电极7和套筒8在顶部电极7和套筒8的上端部处经由下文中描述的其他部件连接，并且套筒8连接至驱动装置(未示出)，使得顶部电极7和套筒8适于一起上下移动。
74.材料的高温过程，特别地在使用电弧的熔炼过程中，会产生由非常细小的微粒构成的粉尘。这些夹带在炉气中的微粒可以进入套筒8并且沉积在密封件10、12和31上。这会导致在连续过程中顶部电极组件3中的密封件的真空密封效率降低。因此，设置有由电绝缘材料比如陶瓷制成的清洁装置14以在套筒8的每次移位中阻挡微粒进入套筒8并且将沉积物从顶部电极7移除。
75.对于连续或半连续过程，可以通过进给端口15装入材料，该进给端口15被密封件16密封。密封件16可以例如由可压缩垫圈或o形环制成，可压缩垫圈或o形环安置在端口15和未示出的盖上以用于在停止进料时或在真空阀(未示出)比如闸阀关闭时封堵端口15。炉气通过排气端口17排出，该排气端口17借助于密封件18相对于排气管线(未示出)密封。密封件16和18两者可以从商业可得的材料中选择，因为这些位置处的预期温度远低于标准限度。
76.框1和坩埚2通过非水冷凸缘19连接，该非水冷凸缘19被密封件20密封。耐火衬里5和6使得可以针对高于1800℃的过程温度将凸缘温度保持远低于220℃。在低于220℃的凸缘温度下，可以使用商业可得的密封材料比如硅胶或ptfe而无需水冷。
77.包含在坩埚2底部中的导电衬里25中的熔融材料可以通过一个或多个放液口21周期性地放出，该放液口在操作期间被衬有耐火材料23的盖22封堵。盖22被密封件24密封以在整个过程中保持真空或压力并且在炉操作期间避免过程气体和/或熔融材料逸出。底部电极组件4借助于嵌入或埋入导电衬里25中的导电延伸杆26连接至炉坩埚2。通过使电流通过导电延伸杆26和与电源(未示出)连接的底部电极组件4在顶部电极7与导电衬里25之间初始形成电弧。
78.参照图2，示出了实施方式，其中，图1的顶部电极组件3包括可移除的电连接器27，该电连接器27用以将顶部电极7经由适当的电延伸部比如铜总线连接至电源。连接器27借助于两个高温电绝缘件28和29与炉本体电绝缘，高温电绝缘件28和29比如由可机加工材料如peek或玻璃硅层压件制成。电绝缘件29和可移除的连接器27被至少两个密封部件30(上密封部件)和31(下密封部件)比如o形环密封。在自耗电极材料的情况下，连接器27的可移除性特征允许添加新电极以补偿旧电极的消耗，从而实现连续或半连续过程。下密封部件31坐置在与套筒8附接的焊接凸缘32上。套筒8也借助于至少一个密封部件33密封以承受顶部电极7的移位和套筒8的高温。该密封部件33的选择取决于要达到的真空水平和泄漏率，由此可以使用本领域中专家已知的各种密封部件，比如唇形密封件或弹簧加载密封件。为了在炉f的操作期间确保连接器27、顶部电极7和套筒8始终对准并且密封部件被很好安置和保持，在套筒8与顶部电极组件3的壳体9之间安装有由非磨蚀性/自润滑材料制成的导引件34。从图2中可以观察到，顶部电极7借助于连接器27、电绝缘件28和29以及焊接凸缘32连
接至套筒8。
79.现在参照图3，示出了实施方式，其中，如图1中所示的底部电极组件4包括底部电极4a，其中，该底部电极4a的电连接器35在炉坩埚2外部附接至导电延伸引线26。电连接器35附接至导电板37，电连接器35和导电板37两者由高度导电且导热的材料比如铜制成。这是因为从炉坩埚2通过导电延伸引线26传递的大部分热在底部电极组件4中消散，并且必须进行热管理以保持炉的操作温度且保持密封部件低于这些密封部件的最高工作温度。因此，高度导热且导电材料的使用允许有效的气体冷却比如空气冷却，其中，由电流产生的热在施加高强度以用于熔炼过程时最小。空气冷却可以通过将空气吹到翅片铜管38上来实现，这些翅片铜管38以预先限定的模式尽可能紧凑地堆叠在壳体42中以使从底部电极组件4到冷却空气的热传递率最大化并且使空间需求最小化。壳体42的目的是限制翅片管38并且将气体冷却剂比如空气引导到管38上的翅片上。翅片管壳体42通过绝缘体间隔件49被电绝缘。翅片管38利用吊杆40安置在上板37与下板39之间。吊杆40通过使用垫圈41与板39电绝缘。这是为了保持翅片管壳体42与底部阳极组件4电绝缘。吊杆40不仅将翅片管38保持就位，而且还将板37朝向真空密封件43压缩以获得最大的紧密性和密封。真空密封件43比如o形环安置在绝缘环44上，该绝缘环44充当底部阳极组件4与炉壳之间的电隔离件。
80.阳极壳体42借助于柔性波纹管45连接至炉坩埚2。波纹管45允许整个底部阳极组件4稍微移动和呼吸而不影响真空密封。由于炉坩埚2中且沿着底部阳极组件4的高温梯度，预期暴露于高温梯度的材料会显着膨胀/收缩。延伸引线26预期发生主要膨胀，该延伸引线26在底部阳极组件4中经历从大于1800℃至小于300℃的极大温度梯度。因此，随着炉坩埚2的温度增加，导电延伸引线26沿着该导电延伸引线26的轴线线性地膨胀，从而向下推动底部阳极组件4。这种向下的力随后由波纹管45补偿以保持炉f中所需的真空水平。底部阳极组件4通过过渡凸缘46附接至炉坩埚2，该过渡凸缘46焊接至炉坩埚壳47。底部阳极组件4通过与下板39附接的导电引线48连接至电源(未示出)。
81.示例1
82.在一个示例中，针对熔炼过程(炉中反应温度超过1800℃)模拟了顶部电极组件3的二维温度分布。不考虑内部冷却。仅考虑通过顶部电极组件3上的自然对流进行的外部空气冷却。这种热模型的结果如图4中所示。温度在最低点(电极)处的700℃至最高点(盖)处的80℃之间变化。密封件处的温度足够低(《200℃)以使用商业可得产品，无需内部冷却。连接至电线或汇流条的延伸铜部分的温度远低于75℃，这是这些类型的连接件所必需的。因此，模拟结果表明顶部电极组件3不需要任何附加类型的冷却并且尤其是水冷。
83.示例2
84.在另一示例中，底部阳极组件4的一维温度曲线是使用强制空气进行冷却来计算的。炉底部的热面温度为1800℃，1800℃在熔炼过程的范围内。对底部电极的单向温度分布进行模拟，并且温度曲线结果如图5中所示。将明显的是，沿着底部阳极4a的轴线的温度下降是相当大的，从而导致真空密封点处的温度低于200℃。这表明使用商业可得的密封材料、比如viton o形圈的温度是安全的。
85.因此，本文中提供：
[0086]-一种非水冷的封闭电弧炉，
[0087]-一种非水冷的真空电弧炉，
[0088]-一种非水冷的自耗电极式真空电弧炉，
[0089]-一种用于高温下进行熔炼过程的非水冷的自耗电极式真空电弧炉，
[0090]-一种适用于矿石和金属氧化物到元素金属的熔炼过程的封闭的非水冷电弧炉，
[0091]-一种适用于具有连续熔炼材料进给的矿石和金属氧化物到元素金属的熔炼过程的封闭的非水冷电弧炉，
[0092]
本文中还提供了一种新的电极密封，该电极密封适于允许在不需要水冷的情况下在电弧炉中达到非常高的真空水平。
[0093]
本文中还提供了一种配备有空气冷却的底部阳极系统的封闭的电弧炉。
[0094]
本文中又还提供了一种具有自耗石墨电极的真空电弧炉。
[0095]
本文中又还提供了一种密封的连续进给的真空炉。
[0096]
尽管以上描述提供了实施方式的示例，但是应当理解的是，在不脱离所描述的实施方式的操作的精神和原理的情况下，所描述的实施方式的一些特征和/或功能易于修改。因此，上面已经描述的内容意在说明实施方式而非限制性的，并且本领域技术人员应当理解的是，在不脱离所附权利要求中所限定的实施方式的范围的情况下，可以做出其他变型和修改。