TWI875769B - 用於連續製程的非水冷式消耗性電極真空電弧爐 - Google Patents

Abstract

提供一種消耗性電極真空電弧爐，更具體地，提供一種直流消耗性電極真空電弧爐，其中該爐的電極和其他部件進行冷卻不需要使用水冷，其他部件包括爐的殼體、凸緣端口和電連接器。本發明的爐使用非金屬電極，例如石墨電極，其適於在使用石墨電極是通常作法的地方熔解金屬、熔煉金屬礦石和金屬氧化物成元素金屬。本發明的爐和電極組件可在壓力控制下進行真正的連續熔解和熔煉製程。

Description

用於連續製程的非水冷式消耗性電極真空電弧爐

本發明涉及一種真空電弧爐，更具體地，涉及一種設置有消耗性可動電極的密封真空電弧爐。

電弧爐已廣泛用於熔解和熔煉製程。特別地，真空電弧爐已用於欲得到高品質和高純度金屬的地方的熔解和再熔解應用。針對消耗性電極需求的應用，例如再熔解和熔煉製程，電極的密封非常重要。在大多數情況下，這是由於需要控制電弧電壓，使一個以上的電極能持續或間歇位移。而且，當製程中電極被消耗時，則會強制導入新的電極以維持連續操作。在進行金屬生產的熔煉製程中，例如矽，普遍作法是使用消耗性石墨電極。不同於金屬製成的電極具有完美的表面光潔度和非常緊密的體積，石墨製成的電極並不具備這些特性，而具體地因為石墨具有一定程度的孔隙，不利於達到並維持高真空度。

真空密封電弧爐的另一態樣是針對製程中位移的電極適當地進行密封。通常，密封移動中的物體比密封靜止物體更具挑戰性。實際上是避免對電極進行冷卻，因為密封件將需要承受更高的溫度。避免在爐的周圍進行水冷卻是非常重要的，因為這些爐的工作溫度非常高，並且其中包含熔融金屬和金屬氧化物。因此，只要有水存在都可能因蒸汽爆炸而導致爐發生事故，並且對操作人員造成傷害。歷年來電弧爐的確發生許多致命事故，主要因素是由於漏水。

1961年2月14日授予Gruber等人的美國專利第2,971,996號和1965年10月26日授予Buehl的美國專利第3,213,495號中，描述了一種帶有消耗性電極的真空電弧爐。將作為移動部的頂部電極進行密封，但沒有描述密封類型，也 沒有描述此類密封所需的冷卻方法和機構細節。頂部電極連接至穿過頂部爐殼體之具有不同幾何形狀的支撐桿。很明顯地，這種設計不允許進行連續製程，在連續製程中，必須藉由通過密封件導入新電極以補償電極消耗。此外，坩堝底部是採取水冷，這提高了水滲漏到系統中的機會，最終可能導致蒸汽爆炸。

在1966年4月12日授予Wooding的美國專利第3,246,070號中，描述了一種消耗性真空電弧爐。頂部電極(柱塞)是採取水冷。底部電極(坩堝)也採取水冷。因此，只要有水洩漏至具有熔融金屬的系統中，極有可能會發生蒸汽爆炸。而且如其中所述，由於無法在不停止製程的情況下更換消耗性電極，因此不可能進行連續製程。在此真空電弧爐中，由於在坩堝中進行水冷卻，因此熔煉製程需要非常大的能量輸入和非常高的溫度，例如高於1800℃時每公斤的矽用電量為11-13千瓦時，實行上非常沒有經濟效益。

在1977年5月31日授予Kishida等人的美國專利第4,027,095號，揭示了一種用於生產鋼的密封電弧爐。根據該電弧爐，藉由水冷卻保護電極密封不受爐子熱量的影響。密封件的伸縮機構允許電極能向上和向下移動。按照密封件的描述，石墨電極直接接觸密封件。由於石墨材料具有顯著的孔隙和不良的表面光度，因此無法達到很高的真空度。

在1992年7月7日授予Poulsen的美國專利第5,127,468號中，提到了一種用於熔解金屬和合金，特別是鈦和鈦基合金的消耗性電極真空電弧爐。如上所述，真空爐無法隨著熔解的進行連續運作，直到至少環形邊緣區域開始熔解，且在該邊緣區域完全熔解之前，熔化就停止了。

因此，希望能提供一種密封真空電弧爐，其能夠藉由消耗性的可動電極、特別是由石墨製成的可動電極、且無需水冷卻來進行操作。

因此，需要一種新型的真空電弧爐，其設有消耗性可動電極。

本文敘述的實施例提供電弧爐的一種態樣，包括一(封閉的)容器，該容器包含一頂部爐筒和一底部爐坩堝；至少一個頂部電極；至少一個底部電極；至少一個進料口，適於在該容器進料的一開放位置與一關閉的密封位置之間位移；至少一個排氣口，適於從該容器排出爐氣並與一排氣管線密封；以及至少一個出鐵口，適於用於從該底部爐坩堝除去熔料的一開放位置與一關 閉的密封位置之間位移；其中該頂部電極適於承載電流以維持在該個頂部電極與該底部電極之間的一電漿弧。

較佳地，該頂部爐筒和該底部爐坩堝均具有耐火襯裡。

較佳地，該頂部電極由任何合適之例如諸如石墨的碳材料的材料製成。

較佳地，一頂部電極組件設置在該容器的外部，用於將該頂部電極與外部環境隔絕。

較佳地，一殼體設置在該頂部爐筒的一上部，該頂部電極在該殼體內延伸並進入該容器內。

較佳地，該頂部電極藉由設置在下凸緣之間的至少一個密封件、設置在上凸緣之間的至少一個密封件、以及設置在中間凸緣之間的至少一個密封件通過該頂部電極組件與該外部環境隔絕，該些下凸緣將該殼體的一下端連接至該容器，該些上凸緣將該殼體的一上端連接至該頂部電極組件，該些中間凸緣將該殼體的各部分連接在一起。

較佳地，一套筒設置在該頂部電極的外部和該殼體的內部。

較佳地，在該頂部電極組件中，該套筒位於該頂部電極與真空密封件之間，因此僅對該套筒施行真空密封。

較佳地，該套筒由適合真空密封之諸如鋼材的高強度材料製成。

較佳地，該套筒與該頂部電極之間具有一間隙，進而使該套筒在該頂部電極與設置有密封件的該殼體之間作為一熱阻障層。

較佳地，該間隙適於保持在真空下，藉由迫使沿該頂部電極朝向該頂部電極組件的熱量被自然空氣對流冷卻，來限制從該頂部電極和其周圍環境的熱傳遞。

較佳地，藉由使該頂部電極與該套筒熱絕緣，可對位於該套筒外部的該些密封件使用諸如Viton^TM的市售密封材料。

較佳地，一清潔裝置基本上設在該頂部爐筒與該殼體的接合處，以實質避免夾帶在該爐氣中的顆粒進入該殼體。

較佳地，該清潔裝置也適於在該頂部電極的每次位移中從該頂部電極去除沉積物

較佳地，該清潔裝置通常由諸如陶瓷的電絕緣材料製成。

較佳地，該進料口由例如可壓縮墊片或O形環製成的一密封件密封，當該容器停止進料或諸如閘閥的一真空閥關閉時，該密封件置於該進料口和用於關閉該進料口的一蓋上。

較佳地，由於該進料口處的溫度足夠低，該進料口的該密封件選自市售材料。

較佳地，該排氣口由可壓縮墊片或O形環製成的一密封件密封，需要時，該密封件置於該排氣口和用於關閉該排氣口的一蓋上。

較佳地，由於該排氣口處的溫度足夠低，該排氣口的該密封件選自市售材料。

較佳地，一非水冷式容器凸緣設置在該頂部爐筒與該底部爐坩堝的接合處，並因此由一容器密封件密封。

較佳地，在該頂部爐筒和該底部爐坩堝的每一個中及該容器密封件的內部通常設置有耐火襯裡，藉以限制該容器密封件的溫度，因此不需要對該容器密封件進行水冷卻。

較佳地，該容器密封件選自市售之諸如矽氧樹脂或聚四氟乙烯(PTFE)的密封材料。

較佳地，設置包含該底部電極的一底部電極組件，該底部電極包含一導電的延伸引線(或桿)。

較佳地，該底部電極組件藉由該延伸桿連接到該底部爐坩堝。

較佳地，在該底部爐坩堝的一底部設置有一導電襯裡，該延伸桿埋入該導電襯裡中。

較佳地，該電漿弧適於藉由電流通過該延伸桿和該底部電極組件初始地形成在該頂部電極與該導電襯裡之間，該底部電極組件適於連接至一電源。

較佳地，該出鐵口在該底部爐坩堝中該導電襯裡上方延伸，因而可週期性地通過該出鐵口排出容納在該底部爐坩堝中的該熔料。

較佳地，該出鐵口在爐運作時由內襯有一耐火襯裡的一蓋封閉，該蓋被一密封件密封，以在爐運作的全程中維持真空或壓力並避免在爐運作時製程氣體及/或熔料散逸。

較佳地，該頂部電極組件包括一可卸式電連接器，當該頂部電極由消耗性電極材料製成時，該可卸式電連接器將該頂部電極連接至一電源並用於允許添加一新的頂部電極以補償一使用過的電極的消耗，從而實現一連續或半連續製程。

較佳地，該可卸式電連接器適於經由諸如銅條母線之一適當的電延伸件將該頂部電極連接至該電源。

較佳地，該可卸式電連接器藉由諸如像聚醚醚酮(PEEK)或玻璃-矽層壓板之可機械加工材料的至少兩個高溫電絕緣體與該容器電絕緣。

較佳地，該些電絕緣體的其中之一和該可卸式電連接器由諸如O形環的至少上部和下部密封組件密封，該下部密封組件適於置於附接至該套筒的一凸緣上。

較佳地，該套筒藉由諸如端頭密封件或彈簧加壓密封件的至少一個密封組件密封，用於承受該頂部電極的位移和該套筒的高溫。

較佳地，設置一引導件，用於確保在該爐運轉期間該可卸式電連接器、該頂部電極和該套筒對齊，並且該些密封組件能良好定位且維持，該引導件在該套筒與該頂部電極組件的該殼體之間延伸，並且該引導件由例如無磨料/自潤滑材料製成。

較佳地，該底部電極組件的一陽極殼體藉由一可撓性波紋管連接到該底部爐坩堝，該可撓性波紋管適於讓該底部電極組件的該陽極殼體稍微移動而不影響真空密封。

較佳地，由於在該底部爐坩堝中且沿著該底部電極組件的一高溫度梯度，至少該延伸引線的明顯膨脹/收縮適於由該波紋管接納，該膨脹/收縮在該底部電極組件中經歷例如從超過1800℃至低於300℃的溫度梯度。

較佳地，隨著該底部爐坩堝的溫度升高，該延伸引線沿著其軸線線性膨脹，進而向下推動該底部電極組件，造成大致上由該波紋管所補償的向下位移，以維持該容器中所需的真空度。

較佳地，該底部電極包括附接到該延伸引線的一下端的一電連接器。

較佳地，該電連接器附接至一上導電板，以使從該底部爐坩堝通過該延伸引線傳遞的大部分熱量逸散到在該底部爐坩堝的外部的該底部電極組 件中，進而維持該爐的操作溫度以保持密封部件的溫度低於其最高額定運行溫度。

較佳地，該電連接器和該上導電板均由諸如銅之高導電且導熱的材料製成。

較佳地，該底部電極組件包括一冷卻裝置，適於具有諸如空氣吹在該冷卻裝置上方的一冷卻介質。

較佳地，該冷卻裝置包括例如由銅製成的鰭管，該些鰭管堆疊在該殼體中，用於從該底部電極組件到冷卻空氣的有效熱傳遞。

較佳地，該殼體適於限制該些鰭管以及將諸如空氣的一氣體冷卻劑引導至該些鰭管的鰭片上方。

較佳地，該些鰭管位於該上導電板與一下導電板之間，並通常利用吊桿連接該上導電板和該下導電板。

較佳地，該些吊桿藉由絕緣環與該下導電板電絕緣，用於維持該殼體與該底部電極組件的電絕緣。

較佳地，該些吊桿不僅將該些鰭管保持定位，並適於將該上導電板朝真空密封件壓縮以有效緊密密封，諸如O形環的該些真空密封件放置在一絕緣圈上方，該絕緣圈適於作為該底部電極組件與一爐殼體之間的一電斷路器。

較佳地，該殼體連接至該波紋管的一下端。

較佳地，該底部電極組件經由安裝在一爐坩堝殼體上的一過渡凸緣附接至該底部爐坩堝，該底部電極包括附接至該下導電板的一延伸的導電引線。

較佳地，該頂部電極與該套筒適於一起上下移動。

較佳地，該頂部電極與該套筒通常藉由位於兩者上端的至少一中間元件彼此連接。

較佳地，該頂部電極與該套筒藉由位於兩者上端的至少該可卸式電連接器彼此連接，以使該頂部電極與該套筒適於一起上下移動。

較佳地，該電弧爐係用於藉由碳熱還原反應從原材料(石英、石英岩)得到高純度的矽(+99.9%純度的矽)。

F:爐

A:虛線圓

B:虛線圓

1:頂部爐筒

2:爐坩堝

3:爐頂部電極組件

4:爐底部電極組件

4a:底部電極

5:耐火襯裡

6:耐火襯裡

7:頂部電極

8:套筒

9:殼體部

10:密封件

11:中間頂部凸緣

12:密封件

13:底部頂部凸緣

14:清潔裝置

15:進料口

16:密封件

17:排氣口

18:密封件

19:非水冷凸緣

20:密封件

21:出鐵口

22:蓋

23:耐火材料

24:密封件

25:導電襯裡

26:延伸引線/桿

27:電連接器

28,29:電絕緣體

30:上部密封部件

31:下部密封部件

32:焊接凸緣

33:密封部件

34:導件

35:外殼(圖2)

35:電連接器(圖3)

37:上板、導電板

38:鰭銅管、鰭管

39:下板

40:吊桿

41:絕緣環

42:殼體

43:真空密封件

44:絕緣圈

45:波紋管

46:過渡凸緣

47:爐坩堝殼體

48:導電引線

49:絕緣墊片

50:間隙

為了更能理解本文所述之實施例並更清楚示出本發明應如何可以實現，現在僅以舉例的方式示出至少一個示例性實施例的附圖作為參考，其中：圖1是根據一示例性實施例之消耗性真空電弧爐的示意性垂直剖面圖；圖2是根據一示例性實施例取自圖1的虛線圓A之圖1的消耗性真空電弧爐的頂部電極組件的放大示意性剖面圖；圖3是根據一示例性實施例取自圖1的虛線圓B之圖1的消耗性真空電弧爐的底部電極組件的放大示意性剖面圖；圖4是根據一示例性實施例之圖2的頂部電極組件在1800℃的工作溫度下的溫度分佈的示例性示意圖；以及圖5是根據一示例性實施例之圖3的底部電極組件在1800℃的工作溫度下的溫度分佈的示例性圖表。

本發明涉及一種消耗性電極真空電弧爐，更具體地，涉及一種直流消耗性電極真空電弧爐，其中爐的電極和其他部件進行冷卻而不需要使用水冷，其他部件包括但不限於爐的殼體、凸緣端口和電連接器。具體地，本發明涉及非金屬電極，例如石墨電極電弧爐，用於在使用石墨電極是通常作法的地方熔解金屬、熔煉金屬礦石和金屬氧化物成元素金屬。本發明可在壓力控制下執行真正的連續熔解和熔煉製程，這是後者製程中的關鍵因素。

現在參照圖1，顯示出真空電弧爐F的一實施例，其包括一個消耗性電極和一個耐火襯裡的封閉容器，該容器設計以在高溫下操作且適於熔解和熔煉製程。爐F由四個主要部分組成：頂部爐筒1、爐坩堝2、爐頂部電極組件3、以及爐底部電極組件4。頂部爐筒1內襯有耐火襯裡5，用於保護其免受熱及/或反應釋放的氣體影響，並維持容器內的溫度。頂部爐筒1設計以作用為在爐坩堝2的頂部上的封閉蓋，並保持整個爐封閉。

爐坩堝2也具有耐火襯裡6，以維持製程所需熱量並保護爐殼體。藉由維持頂部電極7與爐底部電極組件4的底部電極4a之間的電漿弧，頂部電極7將由電源(圖未顯示)供應的電流通過延伸引線(或桿)26帶到該製程中。本領域中習知技術者可知，頂部電極7可由用於特定製程的任何合適的材料製成。 更特別地，它可以由一種以上的碳材料製成，例如用於熔煉製程的預焙石墨，例如從石英中生產矽，其中碳是還原劑之一。在金屬熔解製程中，石墨電極的使用也很普遍。底部電極4a包括延伸桿26、電連接器35、以及延伸的導電引線48。

頂部電極7藉由位於一對中間頂部凸緣11之間的密封件10與位於一對底部頂部凸緣13之間的密封件12，通過爐頂部電極組件3與外部環境隔絕。頂部電極7藉由套筒8與細長的殼體部9分離。套筒8在頂部電極7中具備重要功能。首先，在爐頂部電極組件3中，套筒8位於頂部電極7與真空密封件之間，使得真空密封僅存在套筒8之上，套筒8可由適於真空密封之例如鋼材的高強度材料製成，其能輕鬆加工成具有非常精確的公差和可接受的表面光度，以達成高真空密封的目的。其次，套筒8在密封件所在的地方作用為頂部電極7與細長的殼體部9之間的熱阻障層。這由設置在套筒8與頂部電極7之間的間隙50來達成，使其可保持真空。該設計藉由迫使熱量沿著頂部電極7朝爐頂部電極組件3流動，其中利用自然空氣對流進行冷卻，有助於最小化來自頂部電極7及其周圍的熱量傳遞。使頂部電極7與套筒8熱絕緣允許密封件10和12以及爐頂部電極組件3的密封件31可使用市售的密封材料，諸如氟化橡膠(Viton^TM)(見圖2)。再其次，頂部電極7與套筒8藉由將在下文中說明的元件連接在其上端，且套筒8連接至驅動裝置(圖未顯示)，以使頂部電極7與套筒8適用於彼此同時上下移動。

對材料進行高溫加工，特別是使用電弧的熔煉製程中，會產生由非常細小顆粒組成的粉塵。這些爐氣中夾帶的顆粒會進入套筒8，並沉積在密封件10、12和31上。這可能導致連續製程中爐頂部電極組件3內的密封件的真空密封效能降低。因此，設置了由例如陶瓷之電絕緣材料製成的清潔裝置14，以在每次套筒8進行位移時，阻擋顆粒進入套筒8並去除來自頂部電極7的沉積物。

對於連續或半連續製程，可通過進料口15進料，而進料口15由密封件16密封。密封件16可由例如可壓縮的墊圈或O形環製成，其置於進料口15和蓋(圖未顯示)上，用於當進料停止時或當諸如閘閥的真空閥(圖未顯示)關閉時，封閉進料口15。爐氣通過排氣口17排出，該排氣口從排氣管線(圖未顯示)由密封件18密封。密封件16和18都可由市售的材料中選擇，因為這些位置的預期溫度遠低於標準限值。

頂部爐筒1和爐坩堝2由非水冷凸緣19連接，該非水冷凸緣19由密封件20密封。在製程溫度高於1800℃時，耐火襯裡5和6可維持凸緣溫度遠低於220℃。當凸緣溫度低於220℃，可使用市售的密封材料，諸如矽樹脂或聚四氟乙烯(PTFE)，而無需進行水冷卻。

導電襯裡25中容納在爐坩堝2底部的熔融材料可通過出鐵口21週期性地排出，在製程操作中，出鐵口21由內襯有耐火襯裡23的蓋22封閉。蓋22由密封件24密封，以維持整個製程中的真空或壓力，並避免在爐操作中製程氣體及/或熔融材料散逸。爐底部電極組件4藉由導電的延伸桿26連接到爐坩堝2，該延伸桿26嵌入或埋入導電襯裡25中。電弧藉由使電流流過導電延伸桿26和連接至電源(圖未顯示)的爐底部電極組件4，來初始地形成在頂部電極7與導電襯裡25之間。

參照圖2，示出了一實施例，其中圖1的爐頂部電極組件3包括可卸式電連接器27，以經由適當之諸如銅匯流排的電延伸部將頂部電極7連接至電源。電連接器27藉由兩個高溫電絕緣體28和29與爐體電絕緣，該些電絕緣體諸如像聚醚醚酮(PEEK)或玻璃-矽層壓板的可機械加工材料。電絕緣體29和可卸式電連接器27由至少兩個O形環的密封部件(上部密封部件30和下部密封部件31)密封。電連接器27的可卸式特徵允許在使用消耗性電極材料的情況下，添加新電極以補償舊電極的消耗，進而實現連續或半連續製程。下部密封部件31置於附接至套筒8的焊接凸緣32上。套筒8藉由至少一個密封部件33密封，以承受頂部電極7的位移和套筒8的高溫。該密封部件33的選擇取決於欲達到的真空度和洩漏率，由此可以使用本領域中熟習技術者已知的各種密封部件，例如唇形密封件或彈簧加壓密封件。為了使電連接器27、頂部電極7和套筒8一直保持對齊，並且在爐F的運作過程中將密封部件擺好位置並維持，由無磨料/自潤滑材料製成的導件34安裝在爐頂部電極組件3的套筒8與殼體部9之間。從圖2，可看出頂部電極7藉由電連接器27、電絕緣體28和29、以及焊接凸緣32等元件連接至套筒8。

現參照圖3示出的一實施例，其中如圖1所示的爐底部電極組件4包括具有電連接器35的底部電極4a，其從爐坩堝2的外部附接到導電的延伸引線26。電連接器35附接到導電板37，電連接器35和導電板37均由諸如銅的高導電和導熱材料製成。這是因為從爐坩堝2通過導電的延伸引線26而傳遞的熱量中很 大一部分逸散在爐底部電極組件4中，並且必須進行熱管理以維持爐的工作溫度並使密封部件的溫度保持低於其最高額定運行溫度。因此，當以高強度進行熔煉製程時，使用高導熱和導電材料可進行有效的氣體冷卻，例如氣冷，隨之電流產生的熱量為最小。在鰭銅管38上吹氣以進行空氣冷卻，該鰭銅管38在殼體42中盡可能緊密堆疊成預定的圖案，以使從爐底部電極組件4到冷卻空氣的傳熱速率最大化並使空間需求最小化。殼體42的目的在於用於限制鰭管38並將氣體冷卻劑，例如空氣，引導至鰭管38的鰭片上方。殼體42由絕緣墊片49電絕緣。利用吊桿40將鰭管38置於上板37與下板39之間。使用絕緣環41讓吊桿40與下板39電絕緣。這是為了使殼體42與爐底部電極組件4電絕緣。吊桿40不僅將鰭管38保持定位，也將上板37朝著真空密封件43壓縮，以達到最大程度的緊密度及密封。諸如O形環的真空密封件43置於絕緣圈44上方，該絕緣圈44作為爐底部電極組件4與爐殼體之間的電斷路器。

藉由撓性波紋管45將殼體42連接到爐坩堝2。波紋管45允許整體爐底部電極組件4移動並能略微通氣而不影響真空密封。由於在爐坩堝2中和沿著爐底部電極組件4的高溫度梯度，預期到暴露在高溫度梯度下材料會顯著膨脹/收縮。延伸引線26預期會有主要膨脹，其在爐底部電極組件4中歷經巨大的溫度梯度變化，從超過1800℃到低於300℃。因此，隨著爐坩堝2的溫度升高，導電的延伸引線26沿著其軸線線性膨脹，進而向下推動爐底部電極組件4。然後，該向下力由波紋管45補償，以維持爐F中所需的真空度。透過過渡凸緣46將爐底部電極組件4附接到爐坩堝2，過渡凸緣46焊接至爐坩堝殼體47。爐底部電極組件4透過導電引線48連接到電源(圖未顯示)，該導電引線48附接至下板39。

示例1

在一個示例中，針對熔煉過程(爐中反應溫度超過1800℃)模擬了在二維的爐頂部電極組件3中的溫度曲線。不考慮內部冷卻。僅考慮透過自然對流在爐頂部電極組件3上進行外部空氣冷卻。該熱建模的結果如圖4所示。在最低點處(電極)的700℃到最高點處(蓋)的80℃之間的溫度會變化。密封處的溫度足夠低(<200℃)，以使用不需要進行內部冷卻的市售產品。連接到電線或匯流排的延伸銅部件的溫度遠低於75℃，對於這些類型的連接器來說溫度遠低於75℃是必需的。因此模擬結果指出，爐頂部電極組件3不需要任何附加類型的冷卻，尤其是水冷卻。

示例2

在另一示例中，使用冷卻用之強制空氣計算在爐底部電極組件4的1D中的溫度分佈。考慮到爐底的熱面溫度為1800℃，該溫度落在熔煉製程的範圍內。模擬了底部電極的單向溫度分佈，而溫度分佈的結果如圖5所示。顯然的是沿著底部電極4a軸線的溫度下降幅度相當大，從而導致在真空密封點處的溫度低於200℃。此表示使用市售之諸如Viton O形環的密封材料的安全溫度。

因此，這裡提供：-非水冷封閉式電弧爐；-非水冷真空電弧爐；-非水冷消耗性電極真空電弧爐；-非水冷消耗性電極真空電弧爐，用於高溫熔煉製程；-封閉式非水冷電弧爐，適於將礦石和金屬氧化物轉變成元素金屬的熔煉製程；-密閉的非水冷式電弧爐，適於將礦石和金屬氧化物轉變成元素金屬並連續進熔料的熔煉製程。

本發明進一步提供一種新的電極密封件，適於在不需要水冷卻的情況下在電弧爐中達到很高的真空度。

本發明還提供一種配備有空氣冷卻的底部電極系統的封閉式電弧爐。

本發明更進一步提供一種具有消耗性石墨電極的真空電弧爐。

本發明又提供一種密封連續進料真空爐。

儘管以上描述提供了實施例的示例，但是將理解的是，所描述實施例的一些特徵及/或功能是易於修改，而不背離所描述的實施例的精神和操作原理。因此，上面已描述的內容旨在說明實施例而非限制性的，並且本領域具通常技術者將理解，在不脫離所定義的實施例的範圍的情況下，如隨附的請求項，可以做出其他變型和修改。

本申請主張於2019年6月7日提交之現審查中的美國臨時專利第62/858,883號的優先權，在此作為參考引用至本文中。

F:爐

A:虛線圓

B:虛線圓

1:頂部爐筒

2:爐坩堝

3:爐頂部電極組件

4:爐底部電極組件

4a:底部電極

5:耐火襯裡

6:耐火襯裡

7:頂部電極

8:套筒

9:殼體部

10:密封件

11:中間頂部凸緣

12密封件

13:底部頂部凸緣

14:清潔裝置

15:進料口

16:密封件

17:排氣口

18:密封件

19:非水冷凸緣

20:密封件

21:出鐵口

22:蓋

23:耐火材料

24:密封件

25:導電襯裡

26:延伸引線/桿

50:間隙

Claims (25)

1. 一種電弧爐，包括：一容器，該容器包括一頂部爐筒和一底部爐坩堝；至少一個頂部電極；至少一個底部電極；至少一個進料口，適於在該容器用於進料的一開放位置與一關閉的密封位置之間位移；至少一個排氣口，適於從該容器排出爐氣並與一排氣管線密封；以及至少一個出鐵口，適於在從該底部爐坩堝除去熔料的一開放位置與一關閉的密封位置之間位移；其中，該頂部電極適於承載電流以維持該頂部電極與該底部電極之間的一電漿弧，以及其中，一頂部電極組件設置在該容器的外部，用於將該頂部電極與外部環境隔絕。
2. 如請求項1所述之電弧爐，其中一殼體設置在該頂部爐筒的一上部，該頂部電極在該殼體內延伸並進入該容器內。
3. 如請求項2所述之電弧爐，其中該頂部電極藉由設置在下凸緣之間的至少一個密封件、設置在上凸緣之間的至少一個密封件、以及設置在中間凸緣之間的至少一個密封件通過該頂部電極組件與該外部環境隔絕，該些下凸緣將該殼體的一下端連接至該容器，該些上凸緣將該殼體的一上端連接至該頂部電極組件，該些中間凸緣將該殼體的各部分連接在一起。
4. 如請求項2或3所述之電弧爐，其中一套筒設置在該頂部電極的外部和該殼體的內部。
5. 如請求項4所述之電弧爐，其中在該頂部電極組件中，該套筒位於該頂部電極與真空密封件之間，因此僅對該套筒施行真空密封。
6. 如請求項4所述之電弧爐，其中該套筒與該頂部電極之間具有一間隙，進而使該套筒在該頂部電極與設置有密封件的該殼體之間作為一熱阻障層。
7. 如請求項6所述之電弧爐，其中該間隙適於保持在真空下，藉由迫使沿該頂部電極朝向該頂部電極組件的熱量被自然空氣對流冷卻，來限制從該頂部電極和其周圍環境的熱傳遞。
8. 如請求項1至3中任一項所述之電弧爐，其中一清潔裝置基本上設在該頂部爐筒與該殼體的接合處，以實質避免夾帶在該爐氣中的顆粒進入該殼體。
9. 如請求項8所述之電弧爐，其中該清潔裝置也適於在該套筒的每次位移中從該頂部電極去除沉積物，以及其中該清潔裝置由電絕緣材料製成。
10. 如請求項1至3中任一項所述之電弧爐，其中一非水冷式容器凸緣設置在該頂部爐筒與該底部爐坩堝的接合處，並因此由一容器密封件密封，以及其中在該頂部爐筒和該底部爐坩堝的每一個中及該容器密封件的內部設置有耐火襯裡，藉以限制該容器密封件的溫度，因此不需要對該容器密封件進行水冷卻。
11. 如請求項1至3中任一項所述之電弧爐，其中設置包含該底部電極的一底部電極組件，該底部電極包含一導電的延伸引線(或桿)。
12. 如請求項11所述之電弧爐，其中該底部電極組件藉由該延伸桿連接到該底部爐坩堝。
13. 如請求項11所述之電弧爐，其中在該底部爐坩堝的一底部設置有一導電襯裡，該延伸桿埋入該導電襯裡中。
14. 如請求項13所述之電弧爐，其中該電漿弧適於藉由電流通過該延伸桿和該底部電極組件初始地形成在該頂部電極與該導電襯裡之間，該底部電極組件適於連接至一電源。
15. 如請求項13所述之電弧爐，其中，該出鐵口在該底部爐坩堝中該導電襯裡上方延伸，因而可週期性地通過該出鐵口排出容納在該底部爐坩堝中的該熔料。
16. 如請求項4所述之電弧爐，其中，該頂部電極組件包括一可卸式電連接器，該可卸式電連接器用於將該頂部電極連接至一電源，並且當該頂 部電極由消耗性電極材料製成時，該可卸式電連接器用於允許添加一新的頂部電極以補償一使用過的電極的消耗，從而實現一連續或半連續製程。
17. 如請求項16所述之電弧爐，其中設置一引導件，用於確保在該爐運轉期間該可卸式電連接器、該頂部電極和該套筒對齊，並且該些密封組件能良好定位且維持，該引導件在該套筒與該頂部電極組件的該殼體之間延伸。
18. 如請求項11所述之電弧爐，其中該底部電極組件的一陽極殼體藉由一可撓性波紋管連接到該底部爐坩堝，該可撓性波紋管適於讓該底部電極組件的該陽極殼體稍微移動而不影響真空密封，以及其中，隨著該底部爐坩堝的溫度升高，該延伸引線沿著其軸線線性膨脹，進而向下推動該底部電極組件，造成由該波紋管所補償的向下位移，以維持該容器中所需的真空度。
19. 如請求項11所述之電弧爐，其中該底部電極包括附接到該延伸引線的一下端的一電連接器，該電連接器附接至一上導電板，以使從該底部爐坩堝通過該延伸引線傳遞的大部分熱量逸散到在該底部爐坩堝的外部的該底部電極組件中，進而維持該爐的操作溫度以保持密封部件的溫度低於其最高額定運行溫度。
20. 如請求項19所述之電弧爐，其中該底部電極組件包括一冷卻裝置，適於具有吹在該冷卻裝置上的一冷卻介質。
21. 如請求項20所述之電弧爐，其中該冷卻裝置包括複數個鰭管，該些鰭管堆疊在該殼體中，用於從該底部電極組件到冷卻空氣的有效熱傳遞，其中該些鰭管位於該上導電板與一下導電板之間，並利用吊桿連接該上導電板和該下導電板，以及其中該些吊桿藉由絕緣環與該下導電板電絕緣，用於維持該殼體與該底部電極組件的電絕緣。
22. 如請求項21所述之電弧爐，其中該些吊桿不僅將該些鰭管保持定位，並適於將該上導電板朝真空密封件壓縮以有效緊密密封，該些真空密封件放置在一絕緣圈上方，該絕緣圈適於作為該底部電極組件與一爐殼體之間的一電斷路器，以及其中該殼體連接至該波紋管的一下端。
23. 如請求項21所述之電弧爐，其中該底部電極組件經由安裝在一爐坩堝殼體上的一過渡凸緣附接至該底部爐坩堝，該底部電極包括附接至該下導電板的一延伸的導電引線，該底部電極組件藉由該導電引線連接至一電源。
24. 如請求項4所述之電弧爐，其中該頂部電極與該套筒適於一起上下移動，該頂部電極與該套筒在該頂部電極與該套筒的上端連接在一起。
25. 如請求項16所述之電弧爐，其中該頂部電極與該套筒通過至少該可卸式電連接器在該頂部電極與該套筒的上端連接在一起，以使該頂部電極與該套筒適於一起上下移動。