[发明专利]用于连续过程的非水冷的自耗电极式真空电弧炉

说明书

提供了一种自耗电极式真空电弧炉并且更具体地提供了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，该自耗电极式真空电弧炉包括壳、凸缘端口和炉的电连接件。本炉使用适用于金属的熔化、金属矿石的熔炼以及金属氧化物到元素金属的熔炼的非金属电极比如石墨电极，其中，使用石墨电极是常见做法。本炉和电极组件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。

相关申请的交叉引用

本申请要求于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

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。