在金属工业中，通过许多不同的工艺方法生产用于铸造和炼钢 的金属，如铸铁。一种生产铸铁的工艺方法利用一标准的冲天炉。 各种铁原料填入冲天炉的竖井中，通过用一股空气使焦炭燃烧来加 燃料。加入炉中的炉料一般含许多诸如高硅铸铁之类的添加料，以 提高铁中硅的含量，还含诸如石灰石之类的造渣材 料，以去除象硫这样的杂质。
冲天炉是一种纯硅氧化器(oxidizer)，因而通过氧化作用会丢 失30％之多所加入的有效硅，这些有效硅被排放到炉渣中。通常， 仅有70％所加入的有效硅进入(report to)铁。硅是铸铁的基本成 分，并且通常以高硅铸铁的形式加入，因为这种形式的硅便于与铁 相结合。
生产金属的可行性部分取决于所采用的工艺方法的效率和炉料 的成本。废铁与废钢的成本取决于几个因素，这几个因素包括铁含 量、所需合金构成量和存在的不希望有的合金构成量以及颗粒大 小。在冲天炉(cupola)中使用诸如钻孔或车削之类轻的碎屑要求 烧结或压块(briquetting)，原因在于，不这样的话， 排出冲天炉的大量气体会从炉内带走令人无法接受的大量炉料。
还利用感应电炉生产铸铁。加热炉料，然后引入含硅、碳和造 渣材料的添加料以覆盖住铁。用由交流电流的电磁感应产生的涡流 加热铁炉料，交流电流流入炉料周围的线圈中。通常将硅作为高硅 铸铁添加，而以低硫含量石墨材料的形式添加碳。所得到的铁通常 具有约1-3％的硅含量，具有约2-4％的碳含量。
在标准电弧炉(EAF)中大量生产铸铁。电弧炉通常由带有一 可去耐火顶盖的耐火衬壁炉身或炉体组成，三相AC电炉中的三个 电极或DC电炉中的一个电极通过顶盖伸入炉料上面的空间中和炉 体内所含的熔池(bath)中。对DC电炉来说，一般为回电极(return electrode)建在炉体的底部内。
电弧炉的操作一般包括以下步骤：通过排空含废金属和其他材 料的加料斗使其材料加入炉体中，从而对炉子进行加料；关闭顶盖； 然后降低电极，直到使其与炉料接触并且炉料发生电弧现象和熔化 为止。熔化之后，为了熔炼，通常建立一废渣层，加入高硅铸铁和 碳，直到其成分达到期望的目标为止。
由于较高的生产成本，电弧炉仍未被广泛地用来生产铸铁合 金。对于生产特殊合金铸铁和钢材，电弧炉极大地受到经济条件的 限制。
还通过在一浸没式电弧炉中熔化铁矿石来生产铸铁。浸没式电 弧炉的优点在于，在用含碳还原剂如焦炭和煤对金属氧化物进行碳 热(carbothermic)化学还原的同时，直接熔化矿石。电极浸没在炉 料和形成于熔铁之上的废渣层中，以使电弧和炉料之间进行有效的 热传递。必须控制炉料的电导率，以在电极深深浸入炉料的同时， 避免产生过电流和电极过热。
授予Weinert的美国。专利No.4,613,363披露了熔化铁矿石的浸 没式电弧炉的一个实例。用来生产铁的矿石的碳热还原法需要大量 的电力，从而提高了生产成本。被更广泛采用的生产铸铁的工艺方 法(冲天炉和感应电炉)需要较贵的原料和碳化硅或高硅铸铁。这 些缺点限制了用来生产铸铁的这些已有工艺方法。
电弧炉可能是一种成本合算的生产熔融金属的方法。例如，授 予Hendrix的美国．专利No.5,588,982公开了一种在电弧炉中有效地 生产铸铁的工艺方法，它是通过在熔化一种氧化物如硅石的同时熔 化废金属的工艺方法。当由一种高电导率炉料生产熔融金属时，由 于电极尤其是阴极构造的结果，这种电弧炉原本效率不高。该电极 是一种金属或金属合金、石墨或碳的非绝缘导电棒。该电极配有多 接头端，在熔化过程中，这些多接头端用来把几个电极接在一起， 并且将这些电极装入电弧炉中。在该电极的尖端处产生电弧，这里 会产生最有效的加热效果。不过，当电弧炉中炉料的电导率很高时， 产生一明弧条件，该条件使加热效果不好。
如授予Feuerstache的美国。专利No.5,555,259所披露的那样，电 弧炉已用来熔化废金属。用一种围绕阴极的中心管(center pipe)构 成这种电弧炉，以防它与炉料接触。在阴极的暴露端与金属熔池之 间形成电弧，金属熔池与用来熔融炉料的阳极相接触。使该管的下 端分出多接头，以将废金属送至阴极。围绕阴极的管使阴极能深深 地置于料床中。该结构的缺点在于，在电极与炉料之间包括一种水 冷、固定、非自耗的阻挡层(barrier)。
因此，金属工业一直需要一种在电炉中生产各种金属合金的经 济、有效的工艺方法。
发明概述
所以，本发明的主要目的在于，提供一种在电炉尤其是电弧炉 中生产金属合金的方法和设备，这种方法和设备利用一种绝缘电 极，而不降低该电极上的电压。
本发明的另一目的在于，提供一种电炉用的电极，尤其是一种 电弧炉用的电极，该电极能够深深地浸没在电炉中的炉料内，同时 能够在高压下工作，并且基本上不受电炉中炉料的电阻率的影响。
本发明的又一目的在于，提供一种电炉，尤其是一种电弧炉的 电极，它至少部分覆盖有一种电绝缘材料，用以限制电极的该表面 区域与炉料相接触。
本发明的再一目的在于，提供一种电极支架(support)，用来 将一绝缘电极接至一电源。
本发明的另一目的在于，提供一种电炉尤其是电弧炉用的电 极，在该电极的至少一部分周围有一种可消耗的绝缘材料。
本发明的又一目的在于，提供一种用来生产熔融金属和金属合 金如铸铁的有效而经济的工艺方法，该方法便于在电弧炉中使用有 效且便宜的加料，如废金属。
本发明的再一目的在于，提供一种把废铁或废钢用作原生铁原 料来生产铁合金的有效工艺方法。
本发明的另一目的在于，提供一种在电炉尤其是电弧炉中熔化 废铁、废钢、直接还原铁或热压块(hot briquetted)铁的有效工艺 方法。
本发明的又一目的在于，提供一种在一电极上同时熔化包含于 炉料中的金属化合物和包含于可消耗绝缘材料中的添加料的工艺方 法，该电极用来熔化炉料以生产熔融金属。
本发明的再一目的在于，提供一种生产铁合金如铸铁的工艺方 法，其中基本上不产生废渣。
本发明的另一目的在于，提供一种在一电炉尤其是一电弧炉中 熔化铁或钢原料的工艺方法，它同时还熔化或还原一化合物以生产 铁合金。
本发明的又一目的在于，提供一种在一电炉尤其是一电弧炉中 由原生金属原料生产金属合金的工艺方法，它同时还在其中熔化硅 氧化物和金属氧化物，这些金属例如是铜、铁、镁、锰、铬、镍、 钙、铝、硼、锆、稀土金属及其混合物。
通过提供一种电炉用的电极就基本上实现了本发明的这些和其 他目的，该电极包括一导电芯，其具有第一端、第二端和在两端之 间的纵向中间部分。在一个实施例中，导电芯的第一端具有用来连 接一电源的第一连接件，第二端具有用来与相邻电极第一连接件相 连接的第二连接件。一电绝缘材料包围中间部分并附着其上。第二 端无绝缘材料。
这些目的还通过提供一种电炉用的电极组件来达到，这种电极 组件包括用来连接一电源的导电构件和至少一个连接到该导电构件 上的电极。该导电构件具有第一端和第二端。该电极具有一导电芯， 该导电芯带有第一端、第二端和两端之间的纵向中间部分。一电绝 缘材料包围并粘接到该中间部分上。电极的第一端连接到导电构件 的第二端。
这些目的还通过提供一种电炉来达到，这种电炉包括具有一熔 化区的炉身和用来将炉料送入炉身的入口。至少一个电极组件被置 于炉身中。该电极组件包括具有第一端和第二端的导电构件和至少 一个电极，该电极具有一电极芯，该电极芯的第一端连接到第一构 件上。一电绝缘材料包围和粘接到电极芯的一部分上。电极组件具 有一基本上无绝缘材料的下端，该下端被置于熔化区中，而且具有 的导电构件的第一端连接到一电源上。至少一个第二电极被置于炉 身中，用来与电极组件一起在熔化区中产热。
这些目的还通过一种在电炉中生产熔融金属的工艺方法来达 到，该工艺方法包括不断地将炉料送入一电炉中以形成料床。该电 炉具有至少一个第一电极，第一电极的下端与第二电极协同工作。 第一电极可以包括具有第一端和第二端的导电构件，其中该第一端 连接到一活动固定结构上，该活动固定结构用来相对于炉中的料床 升高和降低该电极。该电极有带第一端和第二端的电极芯，其中该 第一端能够可拆卸地连接到导电构件上。一电绝缘材料覆盖电极芯 的一部分，使电极与料床相绝缘。炉料包括至少一种金属、金属化 合物或其混合物。电极组件浸没在料床中。电能供给电极以在其间 传输电能。料床在炉中受到电极间传输的电能加热，以生产熔融金 属。
本发明的工艺方法能够在电炉中利用便宜的废铁或废钢来生产 铁合金如铸铁，同时控制碳和硅的含量，而且基本上没有废渣形成。 含硅的材料可以包括在炉料中，或者利用一绝缘电极。在有含碳还 原剂的存在的情况下，硅石原料可以被还原成硅以增加和更改金属 合金的硅含量。绝缘电极能使电极比非绝缘电极更深地浸没在炉料 中，而不会降低电压或电流。含碳还原剂还提供用来熔化的碳以及 溶解于熔融金属合金中的碳。
这些目的还通过提供一种生产铸铁的工艺方法来达到，该工艺 方法包括以下步骤：将炉料送入一电弧炉中的电极周围，该炉料包 括硅原料、铁原料和含碳还原剂的混合物，铁原料包括矿石、磨削 废料、直接还原铁(DRI)、热压块铁(HBI)、废铁或废钢。这些 电极中的至少一个电极局部被一种绝缘材料包围，这种绝缘材料用 来使电极的一部分与炉料相隔离。电能供给这些电极以在其间产生 电弧，并且通过电极间的电弧加热炉料，用以熔化炉料并且还原金 属氧化物和硅石(包括绝缘材料)以生产铸铁。铸铁在重量上可以 具有约0.05％～9.5％的硅含量和约0.01％～4.5％的碳含量，而基本 上没有废渣。通过不断地加入炉料使得该过程可以是连续的。
根据以下结合本发明的附图和所公开的实施例而进行的详细描 述，本发明的其他目的、优点和突出特征将变得很明显。
附图简述
参见附图，它们构成本原始公开内容的一部分：
图1是一浸没式电弧炉断面的侧视图，该浸没式电弧炉用于根 据本发明一个实施例的工艺方法；
图2是根据本发明第二实施例涂有一种绝缘材料的电极的侧视 图；
图3是一电弧炉断面的侧视图，该电弧炉用于根据本发明一个 实施例的工艺方法；
图4是一电极组件断面的部分分解侧视图，该配件是根据本发 明第一实施例涂有一种绝缘材料的电极组件；
图5是一根据本发明第二实施例的绝缘电极构件断面的局部侧 视图；
图6是一根据本发明又一实施例的绝缘电极构件的侧视图。
发明详述
本发明涉及一种绝缘电极和一种电炉(尤其是电弧炉)，这种 电炉具有一电极，该电极的至少一部分涂有电绝缘材料。本发明还 涉及一种用这种电炉生产熔融金属如铸铁的工艺方法。绝缘材料基 本上覆盖电极的侧面，剩下尖端暴露在外以在电炉中导电和产生电 弧。与标准或传统的非绝缘电极相比，绝缘材料使电极能在一给定 电压和输入功率条件下更深地浸没到导电料床中。
在本发明的实施例中，覆盖电极的绝缘材料可以包括一种非金 属材料或含金属化合物的材料。一种尤其适合的绝缘材料是含硅石 的材料。在使用过程中，绝缘材料随电极一起逐渐消耗。在进料中， 绝缘材料用作原生金属的合金原料。在有一适当还原剂存在的情况 下，金属化合物在电炉中还原为这种金属。还原剂可以是例如一种 含碳还原剂。绝缘材料优选由一种无机材料制成，例如硅石或一种 金属氧化物，它们可以在电炉中还原，以将一合金金属或其他成分 供给炉料的原生金属。
通过将电极深深地浸没在料床中，实现从炉料中有效地生产合 金，炉料是电弧炉中的良导电体。电极的浸没提高了这种工艺方法 的效率，原因在于，来自电弧的热传递效率与炉料表面下面的电弧 深度有关。提高的热传递效率减少对能量的需求，降低耐火损耗 (refractory consumption)，降低电极损耗，提高回收率并且使产 量更高。
本发明还涉及用电炉尤其是浸没式电弧炉生产金属和金属合金 的工艺方法，这种电炉具有局部屏蔽或绝缘的电极。本发明的工艺 方法尤其涉及生产熔融金属，熔融金属包括例如铁、铸铁、铝、铝 合金、钢、铜、铜合金、镁、锰、铬、镍、锌、铅、镉、贵金属等 等。
本发明的工艺方法尤其适用于生产铸铁和其他熔融金属。本发 明的工艺方法基本上包括向一电弧炉中送入一原生金属原料，例如 废铁或废钢，并且送入含碳的材料，含碳的材料既用作铁的碳原料， 又用作还原剂。在本发明的实施例中，一种化合物如硅石或硅石原 料可以与炉料一起加入，作为一种合金材料的原料。在另一实施例 中，电炉的至少一个电极包括一绝缘层，该绝缘层含一种能在电炉 中受到还原的化合物，以提供一种合金材料与原生金属混合。这种 化合物可以是一种金属化合物，例如金属氧化物。这种化合物还可 以是二种氧化物如硅石，或者是含硅石的材料如玻璃纤维。
该化合物或金属氧化物材料被电弧熔炼，以向炉料提供一种金 属原料或其他合金原材料。在有含碳还原剂的情况下，该合金化合 物由炉中电弧或其他电能所产生的热量还原为合金金属或其他化合 物，这种化合物被原生金属随同来自还原剂存在的碳一起接纳。在 优选实施例中，将该工艺方法作为一连续的工艺方法来执行，该工 艺方法即为，在有含碳还原剂存在的情况下，同时进行熔化原生金 属原料和熔炼金属氧化物原料。
如此处所采用的那样，铸铁用来限定所得到的铁产物，按重量 计算，它具有至少约0.05％的硅和至少约0.01％的碳。铸铁的类别 包括各种铁组分，这些铁组分包括例如生铁、灰口铁、球墨铸铁、 可锻铸铁和铸铁。可以直接使用本发明生产的铸铁，而不必根据铁 的预定用途进一步处理它以生产所需的产品。在其他实施例中，可 以进一步处理所得到的铸铁，更改铁的组分和性质以生产钢。
在用来生产铸铁的本发明的实施例中，所得到的铸铁含约0.05 ％～12.0％的硅，含约0.01％～4.5％的碳，具有平衡铁(balance iron)和少量杂质如硫、亚磷物、锰、铝、铬、钛和其他金属。如此 处所采用的那样，除非有其他指示，否则都按重量计百分比含量。 在本发明的优选实施例中，铸铁优选包括约0.05％～12.0％的硅，更 优选的是，包括约0.5％～4.0％的硅和约2.0％～4.0％的碳。通常， 铸铁含：低于3.0％的硅；约2.0％～4.0％的碳；和低于约1.0％的硫、 亚磷物、铝、锰、铬和其他杂质。优选的是，按重量计，铸铁含0.10 ％或更少的硫。在各实施例中，按重量计，铸铁含约0.25％～3.0％ 的硅。在其他实施例中，按重量计，铸铁含约2.0％的硅。
参见图1，图中示出用来执行本发明工艺方法的一合适的浸没式 电弧炉。该浸没式电弧炉10限定一炉身，该炉身包括一底衬或炉底 壁(hearth wall)12、侧壁14和一顶盖或顶壁罩(top wall enclosure) 16以限定一熔化和熔炼区18，并将灰尘、烟尘和气体收集与去除至 集尘系统。在顶盖16中设一进料口(feed opening)20，进料口20 用来通过传输装置或送料装置(未表示)将炉料或进料送入炉10中。 在另一进料系统中，如本领域中所公知的那样，通过用一机械料斗 加料系统将进料直接倾倒在已有炉料26的顶部而引入炉料。在侧壁 14内包括一个或更多个出料口(outlet tap)22，用以从熔化区18 中排出熔融金属28。在侧壁14内还可以包括一废渣口(slag taphole)24，用以从熔化区18中排出废渣30。可以用一层水膜(图 中未表示)来冷却炉10的炉体。一喷射环可以直接位于侧壁顶盖法 兰之下，由此将水收集到侧壁14底部的一个排水沟(gutter)中。 在本发明的实施例中，它可以沿顶盖或顶壁的长度大小方向分开， 以便炉料能被送至炉中的任意点。
烟道32穿过侧壁14延伸，以收集和排出该工艺方法的熔化和 熔炼阶段所发散的废气、灰尘和烟尘，这些废气例如是燃烧气。可 将废气送至一集尘袋室(baghouse)中，以在将这些气体释放到大 气之前净化它们。按传统方式将集尘袋室中所收集的固体物质回收 利用、处理或丢弃。
图1所示的浸没式电弧炉是一种DC浸没式电弧炉，它有一阳极 34和一阴极36，阳极34在其底壁12中，阴极36穿过顶盖16延伸。 阳极34通过一电连接装置38接至一适当的DC电源。优选的是， 如本领域中所公知的那样，阳极34位于阴极36的下方。
阴极36穿过顶壁16的开口64，伸入炉10的熔化区18中。阴 极36以其长度大小有一基本上成圆柱形的芯，并且局部被一绝缘层 37所覆盖。在图示实施例中，用从输送辊42送入的第一玻璃纤维织 物40以螺旋方式缠绕阴极36，形成第一连续玻璃纤维绝缘层44。 第二玻璃纤维织物46以与第一玻璃纤维织物40相反的螺旋方式 缠绕在第一层44上，形成第二连续玻璃纤维绝缘层48。从输送辊 50输送玻璃纤维织物46。优选的是，以一重叠的图案缠绕玻璃纤维 织物40和46，以确保电炉原处的阴极36的完全覆盖度。不过，也 可以在电极固定在炉中之前在电极上形成绝缘层。在优选实施例 中，粘合剂52涂敷到阴极36上以使玻璃纤维织物40、46固定到位。 在图1的实施例中，粘合剂52由一合适的喷嘴54喷到阴极36上。 在另一实施例中，可以用适当的方法如刷涂、滚涂、浸泡或挤压将 粘合剂涂敷到阴极36和/或玻璃纤维织物40、46上。
玻璃纤维绝缘层44和48绕在阴极36周围，以便露出阴极36 的下端或底端56。绝缘层44、48覆盖住充分的阴极长度从而使阴极 与炉料有效地绝缘，并且使阴极深深地插入料床中而不受料床电导 率或电阻率影响。图示的实施例中，绝缘层覆盖住阴极主体外缘周 围的中间部分。这样，露出电极的尖端用以产生电弧，同时使炉内 电极的其余长度与炉料电绝缘。玻璃纤维织物可以是能从市场上买 到的纺织或无纺织物。在优选实施例中，所形成的绝缘层48的厚度 约为1/8～1/2英寸(0.3～1.25cm)，不过也可以更厚或更薄，这取决于炉的工作条 件和送入炉内的炉料成分。
粘合剂优选是一种在使用这种电炉期间将玻璃纤维或其他绝缘 材料有效地粘接到阴极上的粘合剂，它不会对处理金属或电炉的工 作有影响。该粘合剂可以如图1所示直接涂敷到阴极的表面，或者 在玻璃纤维织物加到阴极上之前或之后涂敷到玻璃纤维织物上。另 一方面，玻璃纤维织物可以浸渗一种粘合剂，这种粘合剂能够由一 种溶剂或热活化以使各层融合在一起。
阴极36的上端58并未被绝缘层37所覆盖，该上端58用来通过 一夹紧装置62接至母线60。母线60电连接到电源61上，用以向电 极供电。母线60还耦合到一支撑配件63上，支撑配件63通过炉10 顶盖16中一开口64使电极从炉料26中升高或降低。
电极可以是例如石墨电极、预焙碳电极、连续自焙或自焙碳电 极或者本领域所公知的金属电极。电极优选是本领域公知的各种形 式的碳电极。
炉10工作中，炉料通过开口20送入炉10中，使阴极36下降进 入料床26中并且在阳极34之上。从电源61向电极34和36供电， 从而在阴极36的下端56与阳极34之间产生电弧。阴极上的绝缘层 37使阴极36与炉料相隔离，以便阴极36能深深地置于料床26中， 而不必调节料床的电阻率或电极的功率级。在产生电弧期间，电极 36的下端56逐渐消耗，从而调整母线60的位置以维持阴极36在料 床26中的适当位置。玻璃纤维绝缘层37的下端68受到来自阴极36 尖端的电弧高温作用，并且受到损耗以向炉料提供硅石原料。然后， 在有一含碳还原剂存在的情况下，得到的硅石被还原为硅，之后硅 与炉料中的原生金属相结合。选择绝缘层中硅石含量和密度，以向 炉料提供所需的硅石量。
参见图2，在另一实施例中的导电电极70包括一电绝缘和隔热 层72，通过从一喷嘴74中喷出一种绝缘材料而形成该层72。电极 70类似于图1中的阴极，它有一在绝缘层72远端外边延伸的下端76 和一裸上端78，上端78以与图1中实施例类似的方式与该电炉的电 源相连接。在本发明的另一实施例中，可以通过浸泡、刷涂、挤压、 浇铸或其他本领域所公知的涂敷技术来形成绝缘层72。电极70可以 用作DC电弧炉中的阳极或阴极，或者用作AC电弧炉中的电极。 各实施例中，电极组件36下端约1/2～3英尺(15～91cm)的部分露在绝缘材 料远端边之外。优选的是，使绝缘材料的厚度足以耐受电炉工作期 间绝缘层的电介质击穿。
参见图3，图中示出用来实现本发明另一实施例的适当电弧炉。 该电弧炉110类似于图1实施例中的电炉，它包括：一底衬或炉底 壁112、侧壁114和一顶盖或顶壁罩116以限定一熔化和熔炼区118。 在顶盖16中设一进料口120，用来将炉料或进料直接送至已有炉料 126的顶部。在侧壁114内包括出料口122，用以从熔化区118中排 出熔融金属128。在侧壁114内还可以包括一废渣口124，用以从熔 化区118中排出废渣130。一烟道132穿过侧壁114延伸，以收集和 排出废气。
图3所示的电弧炉是一DC电弧炉，它有一电极134和一电极组 件136，电极134在底壁112中，用作阳极；电极组件136穿过顶盖 116延伸，用作阴极。阳极134通过一电连接装置138接至一适当的 DC电源。
电极组件136穿过顶盖116中的开口164伸入炉110的熔化区 118中。电极组件136以其长度尺寸基本成圆柱形，且其局部由绝缘 层140所覆盖。
在图3和4所示的实施例中，电极组件136包括一圆柱形导电构 件142，该导电构件142被一夹紧构件146夹到一导电母线144上。 母线144接至电源148以向电极组件136供电。母线144还耦合到 一支撑配件150上，支撑配件150通过顶盖116中的开口164使电 极组件136从炉料126中升高或降低。
参见图3，导电构件142基本上为圆柱形，其上端152用来与母 线144相耦合，其下端154用来与电极156相耦合。图示实施例中， 如图4所示，下端154包括外螺纹158。导电构件142由象铜、铜合 金或者其他金属之类的适当金属制成，用来向电极156供电。在另 一实施例中，导电构件142由石墨、碳或者其他导电材料制成。图 示实施例中，导电构件是实心的。在另一实施例中，导电构件的上 端是中空的。可以通过使水或其他冷却液流过导电构件的中空部分 来冷却该上端。
如图4所示，电极156有一基本上为圆柱形的芯157以及一上端 160和一下端162，芯157有一长度尺寸。上端160包括一内螺纹槽 166，使该槽166的大小能够与导电构件142的外螺纹158相连接。 下端162包括沿长度方向延伸的内螺纹凹槽部分168。电极芯157一 般由石墨或碳制成。图示实施例中，芯157为实心。
电绝缘材料170包围电极芯157的纵向中间部分。优选的是， 绝缘材料170完全覆盖住电极芯157的侧面，从而当两个或更多电 极156连接在一起时，每个电极156上的绝缘材料形成如图3所示 的连续绝缘层。
如图4中的实施例所示，螺纹连接件172基本上为圆柱形，从 其第一端176直至其第二端178有一连续的外螺纹174。使连接件 172的尺寸能与电极156的螺纹槽166和168相配套。连接件172的 外螺纹174可以拧入槽166和168中。
参见图5，图中示出另一实施例，该实施例包括一连接件180， 其具有截头圆锥形端部182和184。端部182和184分别有外螺纹 186和188，以与电极190分别相连接。电极190有一导电芯192， 类似图5实施例，该导电芯192的每一端都有一截锥形凹槽194。槽 194具有用来与连接件180的螺纹相连接的螺纹196。
各实施例中，如图3和4所示，电极组件136可以包括两或更多 个首尾相互连接在一起的相同电极156。使螺纹连接件172的尺寸能 够与内螺纹槽166和168配套，以使多个电极能够相互连接在一起， 从而得到所需长度的电极组件。电极组件136底部电极段的下端198 不带电绝缘材料，用以在下端198的尖端200与炉中的对电极之间 产生电弧。其他实施例中，可以从该电极上剥除一部分绝缘材料以 露出电极的尖端200。
使用时，非绝缘尖端200形成一电弧，或者相反，向炉110中 的对电极供电以熔化炉料。由于在熔化过程中电极156有损耗，所 以使电极组件136下降进入炉中，以便将电极的尖端置于炉料中的 所需深度。可以从导电构件142上移去电极156，而将一新的连接件 安装到局部损耗电极156的内螺纹部分166上。一新电极便安装到 该导电构件上。然后将所得到的组件安装到导电构件142上。这样， 使整个电极损耗，不必废弃太短而无法插入炉料中的剩余部分。
绝缘材料优选为一种能使电极与炉料相互电绝缘的无机材料。 另外，绝缘材料优选为这样一种无机材料，即这种无机材料含一种 化合物，该化合物能够在炉中被还原或熔炼成一种金属或其他成 分，这种金属或其他成分用来向炉料中的原生金属提供合金金属或 成分。绝缘材料一般为玻璃、陶瓷或矿物纤维材料。合适的材料包 括硅酸钙、硅藻土、硅石耐火土、高氧化铝水铝石粘土、铝酸钙、 氧化锆、菱镁矿、白云石、镁橄榄石、铬矿石、氧化铍、氧化钍及 其混合物。其他实施例中，从由铝、铍、硼、钴、铬、镍、镁、锰、 亚磷、硅、锆、钍、稀土金属的氧化物及其混合物所组成的组中选 择绝缘材料。
粘合剂优选为这样一种粘合剂，即在使用电炉期间，它能够有 效地将绝缘材料粘接到电极上，而不会对处理金属或电炉的工作有 影响。另一方面，绝缘材料可以浸渗一种粘合剂，这种粘合剂能够 由一种溶剂或热活化以使各层融合在一起。这种粘合剂通常为一种 电炉型胶结剂，例如硅酸钠或铝酸钙胶结剂。其他合适的粘合剂包 括亚磷氧化物、沥青基质粘合剂和焦油基质粘合剂。
其他涂敷方法例如包括诸如等离子喷涂和火焰喷涂之类的热喷 涂、诸如电泳涂敷、静电涂敷和溶胶一凝胶陶瓷涂敷之类的熔融涂 敷(fusion coating)。另一方面，可以通过诸如电解阳极化(electrolytic anodization)之类的表面改性方法涂敷绝缘材料。在另一实施例中， 绝缘材料可以是一种适当耐火材料的预制套管，它套在电极芯上。 套管可以由粘合剂、夹钳或其他紧固装置固定到电极上所需的位 置。
图6所示的另一实施例中，电极202有一导电芯204。电极芯204 有一上端和一下端，上端带有基本上为圆筒形的凹槽206，下端带有 基本上为圆柱形的凸起208。使凸起208的大小能紧密地贴合在相邻 电极的凹槽206内。还可以用适当的导电粘合剂将电极固定在一起。 电极芯204的上端连接到如图3和4实施例中那样的导电构件上。 其他实施例中，可以用其他连接件将电极连接在一起。
在图6所示的实施例中，电极芯204可以被第一电绝缘材料织 物210以一螺旋方式缠绕以形成连续的第一绝缘层，第一电绝缘材 料织物210来自一输送辊。可选择的第二绝缘材料织物可以以与第 一织物相对的螺旋方向缠绕在第一层上，以形成第二连续层。优选 的是，织物被缠绕成一交叠图案，以确保完全覆盖住电极芯204。各 优选实施例中，一粘合剂被涂敷到电极芯204上以将绝缘织物固定 在适当位置。该粘合剂可以被一适当的喷嘴喷涂到电极上。其他实 施例中，可以用诸如刷涂、滚涂、浸泡或挤压之类的任意适当方法 将粘合剂涂敷到电极芯204和/或绝缘织物上。另一些实施例中，粘 合剂可以被搀入绝缘织物中。
参见图3和4，绝缘层170覆盖住电极芯157的一段长度，足以 有效地使电极组件136与炉110中的炉料绝缘，并且使电极组件136 能深深插入料床中而不受料床的电导率或电阻率影响。图示实施例 中，绝缘材料覆盖住电极组件136外缘周围的中间部分。这样，露 出电极组件136的尖端200用以产生电弧，同时使炉110内电极组 件136的其余长度与炉料126绝缘。
电极芯可以是例如石墨电极、预焙碳电极、连续自焙或自焙碳 电极或者本领域所公知的金属电极或金属合金电极。电极芯优选是 本领域公知的各种形式的石墨电极。
炉110工作基本上与图1中炉的工作类似。使电极组件136下降 进入料床126中并且在阳极134之上。向电极134和136供电以在 其间产生电弧。电极组件136上的绝缘层137使电极芯157与炉料 126相隔离，以便电极组件136能深深地置于料床126中，而不必调 节料床的电阻率或电极的功率级。随着电极组件136的下端162逐 渐消耗，母线144的位置被调节得能维持电极组件136在料床126 中的适当位置。绝缘层170的下端受到高温作用，从而在有一适当 还原剂存在的情况下，将绝缘材料中的金属化合物还原成基本金 属，该基本金属随后与炉料中的原生金属相结合。选择绝缘层的厚 度和成分，从而向炉料提供所需的合金金属或其他添加剂的量。
适合的电炉实例，尤其是电弧炉的实例是德国Duisburg的 Mannesmann Demag Huettentechnik AG生产的电弧炉(包括连续电 弧炉)和挪威Oslo的Elkem Technology生产的电弧炉。如本领域 所公知的那样，DC电弧炉一般有单独一个上电极埋在炉料中，炉身 底部中还有一适当的返回电极(例如阳极)。该电炉可以是AC电 弧炉、DC电弧炉、AC浸没式电弧炉或者DC浸没式电弧炉。其他 实施例中，可以采用具有至少两个电极的等离子体电弧炉或交流电 弧炉。
另一实施例中，其电炉是具有三个电极的交流电炉，三个电极 通过顶盖伸入熔化区中。电极可以排布成三角形结构或直列管线结 构。一个或更多电极可以有图1-6实施例形式的绝缘层。电极可以 独立受控，以有选择地调节它们在炉内的垂直位置，并且能防止过 电流。如本领域所公知的那样，电极可以升高或降低以改变电弧长 度。电炉一般是三相交流电炉，它由每相约30-400伏的可变选择电 压和近100000安培的最大电流供电。
电弧炉通过向炉中不断送入炉料和从电炉下部放出熔融金属而 不断地生产熔融金属，如铸铁。该工艺方法能易于提高生产率，同 时还能控制产出率和金属的成分。象本领域公知的进料运输机、料 斗加料系统或加料管可以用来向炉中不断地输送炉料。电炉的生产 量或生产率取决于供给电炉的电力和向炉中输送炉料的速率。根据 电炉的结构、电极的类型和炉料，可以将电炉设计成其操作功率级 约为1兆瓦～100兆瓦。通常，在约600千瓦小时电能输入量的情况 下，电弧炉产出一吨铸铁产品。根据炉料、产品特性和电炉的结构， 一个交流电弧炉能够在每吨产品约500～1400千瓦小时电能输入量 的比率下生产铸铁。
本发明的工艺方法可以在采用一进料和功率级的电弧炉中进 行，以使电极的尖端埋入炉中料床内几英尺，并且在距熔融金属池 约一英尺之内。这样，使电弧区形成得接近金属池。使电炉工作得 能将炉中熔融合金池的温度维持在2100～3200°F(1150～1760℃)之间。在优选实 施例中，池的温度被维持得足够高，以使熔融金属充分过热，易于 出钢和顺流控制(downstream handling)或处理。埋在炉料中并且 产生接近熔融金属池电弧的电极向未处理的炉料传递热，这是通过 来自电弧和熔融金属的辐射和通过来自热等离子体气体和一氧化碳 气的对流来实现的，一氧化碳气通过料床下部区域中碳对金属氧化 物和硅石进行的化学还原反应不断地产生。DC浸没式电弧炉通常在 每相约30-400伏电压和约100000安培最大电流时工作。
标准的电弧炉包括一自保护机构和控制系统，用以从炉膛中自 动升高电极，从而防止过量的电极电流，当炉料的电导率升高到预 定水平时，可以产生过量的电极电流。若电极尖端保留太高，则炉 膛附近的温度降低；若时间过长，则可导致加热和熔化金属不充分 以及熔炼诸如硅石之类的氧化物不完全。重要的是，使进料床的高 度便于能放置电极尖端，以在金属池之上约一英尺处形成电弧。
通过沿电弧炉中上电极的相当一段长度设置电绝缘材料，实现 电极令人满意的陷入或埋入。由于电极的大部分与炉料相互电绝 缘，所以电极的尖端能够比未绝缘电极陷入炉料更深，这样，改善 了对炉料的加热。可能由绝缘电极结构所产生电极的更深埋入使热 传递更好，由电弧和经过较深料床的热反应产出气体的通道向炉料 进行热传递，结果降低了该工艺过程的特定电功耗。
若要实现AC电弧炉的电极令人满意地陷入或埋入炉中料床，这 取决于几个因素，这些因素包括：所加炉料的具体电阻率或电导率； 与炉料的具体电阻率相一致的适当选择和比例；它们的自然定型 (sizing)；它们在混合物中的分配；和为电炉所选的工作电压。工 作电压被选择用来补偿电压、电极电流和炉料电阻之间的关系，以 使电极更深地陷入炉料中。料床的电阻能够通过改变进料和炉料的 大小而受到改变，以使工作最佳，从而在一给定工作电压下使电极 埋入料床中最深。
每吨生产的金属所需电量很大程度上取决于以下方面：所加金 属材料的氧化和还原程度；所需用来达到理想或目标成分的硅石和 其他氧化物的量；电极浸没操作的最优化；和电炉操作人员的技术。 例如，含约0.5％～4％碳和约0.25％～2.5％硅的铁合金一般每产出 一吨合金需要约500～650千瓦小时。对于合金中约2.5％硅以外每 增加0.1％的硅的较高非氧化铁原料来说，更高的硅比例和相应更低 的碳比例就需要增加约10千瓦小时。
组成要送入电弧炉中炉料的原料优选在送入之前混合。另一方 面，炉料的不同成分可以在一受控速率和所需比率下同时从分开的 输送装置送入电炉中。所得到的金属组分取决于炉料的组分和发生 于电炉中的化学还原程度。
生产铸铁时，炉料包括：含废铁或废钢的铁原料；硅原料；以 及如下文详细描述那样的含碳还原剂。通常，硅石是主要的硅原料， 它能与炉料一起送入，通过电极和含硅石绝缘材料及其结合物的消 耗送入。优选实施例中铁的熔化和硅石与金属氧化物的熔炼基本上 在缺少氧气进料或氧化剂和缺少造渣材料的情况下进行。
其他实施例中，炉料中的原生金属是铝、铜、镁、锰、铬、镍、 锌、铅、镉、贵金属如金和银以及它们的氧化物和合金。金属原料 可以是废金属或其他金属原料。
废铁和废钢是如金属工业所公知的那些可以买到的商品。各种 类型废铁和废钢的市场价格和等级正式发表在各种工业出版物中， 例如American Metal Market。本领域所公知的废铁和废钢根据金属 颗粒的大小和成分分级。例如，一种废钢被定义为：“铸钢，2’max”。 用在本发明中适当的铁原料包括铁矿石、氧化皮、直接还原铁 (DRI)、热压块铁(HBI)、一碳化三铁、铁屑、钢屑、碎汽车钢 材和钢罐及其混合物。
废铁或废钢的成分会影响合成的铸铁成分。几种废铁原料或几 个等级的废铁能够在送入炉中之前被混合以提供理想的输入和输出 成分。铁原料通常包括在重量上至少50％左右的废铁，优选75左右 的废铁，最好90％左右的废铁或废钢。铁原料可以完全以废铁或废 钢为基础。
废铁或废钢可以与其他铁或钢材料相混合，以增大或减小合成 铸铁成分中各种合金金属的比例。例如，可以加入一般含90％左右 铁的直接还原铁(DRI)和热压块铁(HBI)，以增加铸铁中铁的含 量，从而降低合金金属的含量并减小不希望有的金属的比例。
与废铁和废钢相结合材料的量及类型一部分由以下因素确定： 电炉利用它们成分的效率和进料的有关成本。例如，与铸铁铁屑或 钢屑相比，在不希望有的成分中较低的实体钢废料很昂贵，从而从 节省的观点出发，通常不需要大量的实体废料。比较起来，与实体 钢废料相比较便宜的钢屑通常含很高的不希望有的剩余成分水平。 使用浸没式电弧炉允许使用非常细小的废料，对于生产铸铁来说， 这种比实体废料便宜的细小废料比其他处理方法具有经济节约的优 点。
对于实现对废料的适当加热和熔化来说，炉料的颗粒大小很重 要，不过没有绝对的限制。废金属通常的大小为60厘米或更小的任 意一种尺寸。废金属的适当大小为25毫米左右或更小。其他实施例 中，废金属的颗粒尺寸小于约0.5厘米。进料的颗粒尺寸被选择得易 于处理和加入炉中，并且易于熔化而不会在电极之间或电极与炉的 侧壁之间形成桥。根据优选实施例的电弧炉能够处理最大尺寸小于 约0.25英寸(0.63cm)的小颗粒尺寸废料。废铁或废钢的颗粒大小范围可以从 细小的粉末或细屑到大工件。颗粒尺寸的上限通常是交流浸没式电 弧炉中电极之间或者直流浸没式电弧炉中电极与炉的耐火壁之间的 面对面间隔，以避免搭桥。
与矿石相比，废金属的导电性能更好，从而对一电弧炉来说， 必须使电极充分绝缘，或者必须选择和控制进料的电导率和电阻率 以使电极能深深地陷入。进料的电阻率可以通过选择进料的颗粒大 小和材料的类型得以修改。进料颗粒尺寸的减小增大了进料的电阻 率。最有效的颗粒尺寸将取决于其固有的电阻率和炉料渗透性对进 料颗粒尺寸的依赖，该渗透性是向废气通道的渗透性。
生产铸铁时，进料基本上不含矿石，不过可以加入少量的矿石 以更改进料的电阻率。高氧化磨削废料或电阻性金属原料还可以用 来更改电阻率。
炉料还可以包括一定量的硅原料如硅石、硅石原料或者可还原 形式的二氧化硅。硅石尤其石英岩是优选的硅原料。硅原料可以是 从市场上能够买到的材料，这种材料与原生金属原料的熔化同时可 在电弧炉中有含碳还原剂存在的情况下被熔炼或还原成硅。硅可以 被制成能直接与熔融金属相结合的形式。另一些实施例中，可以采 用含硅石的矿石、废渣和已经洗去杂质的沙。一般地说，炉料基本 上不含高硅铸铁或碳化硅。在优选实施例中，硅原料含至少重量上 约为98％的硅石。优选去除杂质以避免在炉中形成熔渣，原因在于 熔渣增大了需要用来熔炼和熔化进料的能量。
作为主要硅石原料而用于优选实施例中的石英岩基本上不含粘 土和其他无关的材料，例如会对不希望有的渣化和对促使合成铸铁 受痕量金属污染的金属氧化物。石英岩通常是依大小排列的高纯度 小石英岩石或者碎石英岩，它们含至少95％的硅石。硅石原料的颗 粒大小由炉的具体尺寸、电极和进料在炉中的驻留时间确定，以确 保有还原剂存在的情况下能完全地还原为硅。通常，石英岩的颗粒 大小为4英寸(10.16cm)或更小，不过，较大的炉可以采用较大的颗粒。以重 量计，硅石原料优选含约0.5％的铝、镁、锌和钛氧化物。这些金属 中的一些金属如锌可以受到氧化，并且由流过炉中的空气或氧气流 去除到集尘袋室中。其他金属氧化物在炉中被还原成能够与原生金 属相结合的金属。
与进料一起加入到炉中的硅原料量由对合成铸铁或其他原生金 属中理想硅含量的理论计算值确定。所加入的硅原料量还基于这样 一些化学计算值，它们考虑了所计算出进料金属中的硅含量及因将 硅石还原成基本硅时预计挥发所计算出的损耗。根据废铁或废钢的 重量，可以加入重量上约为0.01％～20％的硅原料量。一般地说， 硅原料少于废铁或废钢重量的10％左右，优选少于5％左右。通常， 90％左右或更多的可用硅与铁相结合，而剩余的硅作为硅石烟气丧 失，要么形成废渣。当产生含3％或更少硅的合金时，实现一般为 90％以上的硅回收率。
含碳还原剂可以是能够在炉中还原硅石和其他金属化合物任何 碳原料。适当含碳还原剂的实例包括炭、木炭、煤、诸如石油或沥 青焦炭之类的焦炭、木屑以及它们的混合物。优选含碳材料的固定 碳含量高，并且灰含量低、水分少、氧化钙和氧化铝水平低以及硫 和磷的水平低。而且，优选实施例中含碳材料的反应率高、电阻率 高。用于AC浸没式电弧炉工作中的优选含碳材料是来自硬木如橡 树的无树皮硬木屑。木屑提供将硅石还原为基本硅的碳原料，也是 降低炉中进料电导率的一种手段，以便电极能够深深地埋入浸没式 电弧炉中，从而维持理想的废料熔化温度和硅石熔炼温度。根据铁 的重量，以重量计，进料可以含约5％～40％的含碳还原剂。优选的 是，根据铁的重量，进料至少含约5％的含碳还原剂。
加入进料中的含碳还原剂量通过如下计算来确定：计算所需用 来将金属化合物还原成金属的固定碳化学计算量和所需用来向合成 熔融金属中提供理想碳含量的自由碳量。理论计算值是基于煤、木 炭、焦炭、木屑或其他根据冶金工业中公知的标准计算值的含碳还 原剂的固定碳含量。含碳还原剂的量、类型和颗粒大小影响进料的 电阻率。例如，由于优选木炭的电阻率高于焦炭或煤的电阻率，所 以能够大量使用木炭以提高电阻率。本工艺方法可以在完全没有焦 炭的情况下进行。
根据进料的成分、进料成分的反应能力和电阻率或电导率来选 择含碳还原剂的颗粒大小。木屑的适当尺寸最长通常约为6英寸(15.25cm)或 更小。冶金等级焦炭的适当尺寸约为1/2英寸(1.27cm)或更小。煤的最长尺寸 一般约为2英寸(5cm)或更小，而炭或木炭一般为6英寸(15.25cm)或更小。
生产铸铁时，炉料成分优选仅含少量的杂质，如硫、亚磷物、 钙、铝、铬和锌，用以使渣化最小以降低能耗。无废渣能够通过来 自熔融金属的热量预热进料。过度渣化还阻止进料流入炉的加热 区，并且增大了炉中进料搭桥的可能性。
在进料含大量硫或其他杂质的实施例中，需要时可以加入渣化 成分。适当的渣化成分包括石灰石(碳酸钙)、石灰(氧化钙)或 氧化镁，不过也可以采用本领域公知的其它渣化成分。当需要有效 操作时，可以采用颗粒尺寸小于3毫米的石灰。
各实施例中，用来生产铸铁的工艺方法在一直流(DC)电弧炉 中进行，该电弧炉配置有围绕上电极的电绝缘涂层或套管，该电极 伸入炉料中相当长的距离。使用利用了绝缘电极的AC或DC电弧炉 便于上电极深深浸入炉料中，并且便于使电极尖端极接近金属熔 池。
DC浸没式电弧炉能够处理更大范围的炉料尺寸，还可以消除某 些炉料成分如木屑，这些成分通常需要满足AC浸没式电弧炉的工 作，原因在于有更严格的炉料电导率要求。
DC浸没式电弧炉对于本工艺方法有利，原因在于它能够工作在 比AC浸没式电弧炉更高的辅助电压下。这使得当工作在与AC浸没 式电弧炉相同的电极电流下时，能够将更多的功率输入DC炉中。
对于本工艺方法来说，DC浸没式电弧炉的另一优点在于它的圆 形和圆柱形几何形状，这种几何形状能够将炉料更均匀地加入炉 中，使炉料分布得更均匀，使炉料受电弧的加热更均匀，使还原过 程中的热气产品更均匀，还使炉料的下降更均匀而不会搭桥。
本发明的各实施例中，在无铁矿石和焦炭的情况下，在电弧炉 中执行生产铸铁的工艺方法，该工艺方法通常生产温度约在 2100～3200°F(1150～1760℃)之间的铸铁产品，与利用浸没式电弧炉的传统铸铁 工艺方法中1％～10％重量的废渣相比，这种产品含低于0.1％重量 的废渣。一般地说，基本上在无废渣的情况下生产铸铁。
本发明工艺方法的实施例公开在以下的非限制性实例中。
例1
一计算机模拟操作由一进料混合物加入每小时生产72.590吨(65.3公吨)合金速 度的交流浸没式电弧炉中组成，其中进料混合物含2000磅(907.2kg)废铁、100磅 (453.kg)木屑、85磅(38.5kg)粪煤、20磅(9kg)焦炭和75镑(34kg)石英岩。电炉的计划输 入功率为50000千瓦。模拟废铁进料由以下成分组成：40％碎汽车 钢材；15％再熔回炉物；15％#1钢材废料；20％铸铁屑；5％锡板/ 罐；15％混有少量铬的切屑。进料混合物有一计算出的带余量
为铁的合金成分：2.5％硅；3.85％碳；0.40％锰；0.10 ％铬；0.15％镍；0.15％铜；0.01％硫；0.05％亚磷物；0.03％锡，这 里，各百分比以重量计。
从炉中流出的计划合成铁产品具有以下带余量为杂质的成分：以 重量计，92.5％的铁含量；3.85％的碳含量；2.50％的硅含量。所计 算出的能耗为每吨铁合金650千瓦小时。
尽管已经示出几个实施例以说明本发明，不过本领域的普通技 术人员可以理解的是，在不脱离所附如权利要求书所限定的本发明 范围的情况下，其中可以进行各种变换与修改。