CN111811268A - 一种分层组合电极矿热熔炼炉及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种分层组合电极矿热熔炼炉及其控制方法，所述分层组合电极矿热熔炼炉的结构包括电极系统和炉体。所述电极系统包括上电极把持器，下电极把持器，电极铜瓦，中轴阴电极，外围空心阴电极，炉底阳电极，电源，变压器，电机履带装置，总控制电脑，电压表。所述炉体包括炉盖，炉壳，炉衬，炉体支撑，水泵，热电偶。通过布置外围空心阴电极，使得电流可以流过靠近炉衬侧炉料。相比于传统单电极矿热熔炼炉，分层组合电极矿热熔炼炉炉内不但焦耳热极值降低，而且炉内焦耳热分布范围得到了扩大，有效地改善了炉内炉料热量分布不均的问题，同时也提升炉内能量的利用效率和炉料熔化速率，可广泛应用于冶金化工行业。

Description

一种分层组合电极矿热熔炼炉及其控制方法

技术领域

本发明属于冶金化工生产领域，特别涉及一种分层组合电极矿热熔炼炉及其控制方法。

背景技术

矿热熔炼炉作为工业生产的重要部件，被广泛的应用于钢铁和有色金属冶炼工艺当中。近年来，随着社会的发展、科技的进步，对矿热熔炼炉的能耗、产能以及排放要求越来越高，不断有新型强化换热技术和矿热熔炼炉优化设计方法在矿热熔炼炉上得以应用。现有的技术中，矿热熔炼炉的电极多为圆柱形电极，当电极插入炉料进行埋弧操作时，利用电极端部电弧的能量及电流流过炉料所产生的电阻热来熔炼金属。然而如此设置，炉内热量集中分布于电极端部，炉内热量分布的不均匀性十分明显，在炉体中心区域大量电能产生的热量被用于已经熔化过的炉料上，而在炉壁等边缘位置的炉料只能通过导热和自然对流两种热输运方式接收热量，严重削弱了矿热熔炼炉的冶炼性能。综上所述，如何有效地改善矿热熔炼炉炉内热量分布不均的问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不仅能够降低炉内焦耳热极值，而且炉内焦耳热分布范围得到了扩大，有效地改善了炉内炉料热量分布不均的问题，同时也提升炉内能量的利用效率和炉料熔化速率的分层组合电极矿热熔炼炉及其控制方法。

为达到上述目的，本发明的分层组合电极矿热熔炼炉包括电极系统和炉体系统，所述电极系统包括与总控制电脑相连接的第一、二电机履带装置，在第一、第二电机履带装置上分别固定有上电极把持器和下电极把持器，上、下电极把持器分别通过电极铜瓦夹持有中轴阴电极和外围空心阴电极，中轴阴电极穿过外围空心阴电极，在中轴阴电极和外围空心阴电极下端设置有炉体，中轴阴电极和外围空心阴电极插入炉体中，所述的炉体系统包括中空结构的带有冷却水进、出口的炉壳，在炉壳顶部装配炉盖、底部设置有中空结构的带有冷却水进、出口的炉体支撑，炉壳内侧布置炉衬，炉体支撑上部的炉体内装配有与电源相连的炉底阳电极，上电极把持器与变压器的一侧电极相接，变压器另一侧电极与电源相接；下电极把持器与电源相接；在上电极把持器与变压器之间，下电极把持器与电源之间分别安装有监测电压的第一、第二电压表，在炉壳和炉体支撑的冷却水进口安装有水泵和进水口热电偶，其出口，安装有监测水温度的出水口热电偶。

所述中轴阴电极、外围空心阴电极、炉壳、炉衬与炉底阳电极同轴安装。

所述外围空心阴电极端部到炉底阳电极上部距离为中轴阴电极端部到炉底阳电极上部距离的1.0～2.0倍。

所述外围空心阴电极的横截面积为中轴阴电极横截面积的1.0～1.5倍。

所述加载至中轴阴电极的电压绝对值为加载至外围空心阴电极的电压绝对值的0.8～0.9倍。

所述的变压器、电压表还分别与总控制电脑相连。

所述的水泵、进水口热电偶及出水口热电偶分别与总控制电脑相连。

所述电源为直流电源或交流电源。

本发明分层组合电极矿热熔炼炉的控制方法如下：

1)首先通过总控制电脑控制电机履带装置，带动外围空心阴电极和中轴阴电极插入炉衬内；

2)加入原料矿石，直至炉料完全没过外围空心阴电极端部；

3)将冷却水通过水泵打入炉壳和炉体支撑内，并观察进水口热电偶，出水口热电偶上的数值，若超过设定温度，通过总控制电脑调节水泵加大冷却水流量；

3)开启电源并调节变压器，使得第一电压表的电压值U₁为第二电压表(16)的电压值U₂的0.8～0.9倍；

4)在熔炼的过程中，U₁与U₂均会出现波动，此时通过总控制电脑调节变压器，保持U₁＝(0.8～0.9)U₂的关系；

5)当熔炼完成后，首先关闭电源，随后通过总控制电脑控制电机履带装置，带动外围空心阴电极和中轴阴电极离开炉衬，之后打开炉壳上的出料口排出液态矿石和炉渣。

所述原料矿石为铁矿石、铬矿石、锰矿石、硅石、硅铁、废铁、氧化钙或碳质还原剂。

本发明提供的矿热熔炼炉结构设计合理，通过在炉料中布置不同的浸入深度电极，其可以对炉内各个位置的炉料进行有效的加热，可以有效地改善矿热熔炼炉炉内热量分布不均的问题，不仅显著缩短了炉内炉料的熔化还原时间，而且明显提高了炉内电能的利用效率，可广泛地应用于冶金化工行业。

附图说明

图1为本发明的矿热熔炼炉结构的示意图；

图2为本发明的矿热熔炼炉的电极系统示意图；

图3为传统矿热熔炼炉与分层组合电极矿热熔炼炉在熔炼h13模具钢时炉内焦耳热热量分布对比云图；

图4为传统矿热熔炼炉与分层组合电极矿热熔炼炉炉料熔化速率随时间的变化曲线图；

图5为外围空心阴电极电压对能量利用效率的影响规律曲线图(熔化率＝90％)。

图中标号名称：1.上电极把持器，2.下电极把持器，3.电极铜瓦，4.中轴阴电极，5.外围空心阴电极，6.炉盖，7.炉壳，8.炉衬，9.炉体支撑，10.炉底阳电极，11.电源，12.变压器，13.第一电机履带装置，13-1.第二电机履带装置，14.总控制电脑，15.第一电压表，16.第二电压表，17.水泵，18.进水口热电偶，18-1.出水口热电偶。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，图2，本发明的分层组合电极矿热熔炼炉包括电极系统和炉体系统，所述电极系统包括与总控制电脑14相连接的第一、二电机履带装置13、13-1，在第一、第二电机履带装置13、13-1上分别固定有上电极把持器1和下电极把持器2，上、下电极把持器1、2分别通过电极铜瓦3夹持有中轴阴电极4和外围空心阴电极5，中轴阴电极4穿过外围空心阴电极5，在中轴阴电极4和外围空心阴电极5下端设置有炉体，中轴阴电极4和外围空心阴电极5插入炉体中，所述的炉体系统包括中空结构的带有冷却水进、出口的炉壳7，在炉壳7顶部装配炉盖6、底部设置有中空结构的带有冷却水进、出口的炉体支撑9，炉壳7内侧布置炉衬8，炉体支撑9上部的炉体内装配有与电源11相连的炉底阳电极10，上电极把持器1与变压器12的一侧电极相接，变压器12另一侧电极与电源11相接；下电极把持器2与电源11相接；在上电极把持器1与变压器12之间，下电极把持器2与电源11之间分别安装有监测电压的第一、第二电压表15、16，在炉壳7和炉体支撑9的冷却水进口安装有水泵17和进水口热电偶18，其出口安装有监测水温度的出水口热电偶18-1。

其中中轴阴电极4、外围空心阴电极5、炉壳7、炉衬8与炉底阳电极10同轴安装；外围空心阴电极5端部到炉底阳电极10上部距离为中轴阴电极4端部到炉底阳电极10上部距离的1.0～2.0倍；外围空心阴电极5的横截面积为中轴阴电极4横截面积的1.0～1.5倍；加载至中轴阴电极4的电压绝对值为加载至外围空心阴电极5的电压绝对值的0.8～0.9倍；变压器12、电压表15、16，水泵17、进水口热电偶18及出水口热电偶18-1分别与总控制电脑相连；电源11为直流电源或交流电源。

应用本发明提供的矿热熔炼炉时，整个的工作流程为：

1)首先通过总控制电脑14控制电机履带装置13，带动外围空心阴电极5和中轴阴电极4插入炉衬8内；

2)加入原料矿石，直至炉料完全没过外围空心阴电极5端部；

3)将冷却水通过水泵17打入炉壳7和炉体支撑9内，并观察进水口热电偶18，出水口热电偶18-1上的数值，若超过设定温度，通过总控制电脑14调节水泵加大冷却水流量；

3)开启电源11并调节变压器12，使得第一电压表15的电压值U₁为第二电压表16的电压值U₂的0.8～0.9倍；

4)在熔炼的过程中，U₁与U₂均会出现波动，此时通过总控制电脑14调节变压器12，保持U₁＝(0.8～0.9)U₂的关系；

5)当熔炼完成后，首先关闭电源11，随后通过总控制电脑14控制电机履带装置13，带动外围空心阴电极5和中轴阴电极4离开炉衬(8)，之后打开炉壳7上的出料口排出液态矿石和炉渣。

10、根据权利要求9所述的分层组合电极矿热熔炼炉的控制方法，其特征在于，所述原料矿石为铁矿石、铬矿石、锰矿石、硅石、硅铁、废铁、氧化钙或碳质还原剂。

数值模拟实验方法是一种较为成熟的研究多物理场流动及传热的方法，许多研究机构都通过数值模拟分析矿热熔炼炉的炉内物理场分布情况及冶炼性能。为了便于模拟求解，只选取炉内炉料和电极进行模拟计算。图3为传统矿热熔炼炉与分层组合电极矿热熔炼炉在熔炼h13模具钢时炉内焦耳热热量分布对比云图，图中展现的对比图是两种矿热熔炼炉在焦耳热相差不大时的对比情况。由图中可以看出，相比于传统矿热熔炼炉，分层组合电极矿热熔炼炉炉内由于部分电流从空心电极端部流出，因此热量分布更加均匀。相比于传统矿热熔炼炉，炉内焦耳热极值下降了20％，矿热熔炼炉运行更加安全。

图4为传统矿热熔炼炉与分层组合电极矿热熔炼炉炉料熔化速率随时间的变化曲线图。由图中可以看出，相比于传统矿热熔炼炉，分层组合电极矿热熔炼炉由于炉内焦耳热极值下降，所以炉内炉料开始熔化的时间点推迟，且在开始阶段，炉内炉料熔化速率相较于传统矿热熔炼炉一直不高。但随着熔炼时间的推移，由于分层组合电极矿热熔炼炉炉内热量分布更加均匀，炉料熔化速率得到快速提升，并在4000s左右超过传统矿热熔炼炉炉内炉料熔化速率。在5400s时，分层组合电极矿热熔炼炉炉内炉料熔化体积达到炉料体积的90％，而传统矿热熔炼炉炉内炉料熔化体积达到炉料体积的90％的用时却为5700s。

图5为炉料熔化率为90％时，外围空心阴电极电压对能量利用效率的影响规律曲线图。由图中可以看出，随着电压的升高，炉内整体能量利用效率在不断上升。在研究范围内，相比于传统矿热熔炼炉炉内能量利用效率平均提升了5.3％。由此可以看出，本专利提出的分层组合电极矿热熔炼相比于传统矿热熔炼炉不仅加快了炉料的熔化速率，而且在能量利用效率方面也得到了提升，矿热炉的综合冶炼性能得到了优化。

Claims (10)

1.一种分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，包括电极系统和炉体系统，所述电极系统包括与总控制电脑(14)相连接的第一、二电机履带装置(13、13-1)，在第一、第二电机履带装置(13、13-1)上分别固定有上电极把持器(1)和下电极把持器(2)，上、下电极把持器(1、2)分别通过电极铜瓦(3)夹持有中轴阴电极(4)和外围空心阴电极(5)，中轴阴电极(4)穿过外围空心阴电极(5)，在中轴阴电极(4)和外围空心阴电极(5)下端设置有炉体，中轴阴电极(4)和外围空心阴电极(5)插入炉体中，所述的炉体系统包括中空结构的带有冷却水进、出口的炉壳(7)，在炉壳(7)顶部装配炉盖(6)、底部设置有中空结构的带有冷却水进、出口的炉体支撑(9)，炉壳(7)内侧布置炉衬(8)，炉体支撑(9)上部的炉体内装配有与电源(11)相连的炉底阳电极(10)，上电极把持器(1)与变压器(12)的一侧电极相接，变压器(12)另一侧电极与电源(11)相接；下电极把持器(2)与电源(11)相接；在上电极把持器(1)与变压器(12)之间，下电极把持器(2)与电源(11)之间分别安装有监测电压的第一、第二电压表(15、16)，在炉壳(7)和炉体支撑(9)的冷却水进口安装有水泵(17)和进水口热电偶(18)，其出口，安装有监测水温度的出水口热电偶(18-1)。

2.根据权利要求1所述的分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述中轴阴电极(4)、外围空心阴电极(5)、炉壳(7)、炉衬(8)与炉底阳电极(10)同轴安装。

3.根据权利要求1所述的分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述外围空心阴电极(5)端部到炉底阳电极(10)上部距离为中轴阴电极(4)端部到炉底阳电极(10)上部距离的1.0～2.0倍。

4.根据权利要求1所述的分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述外围空心阴电极(5)的横截面积为中轴阴电极(4)横截面积的1.0～1.5倍。

5.根据权利要求1所述的分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述加载至中轴阴电极(4)的电压绝对值为加载至外围空心阴电极(5)的电压绝对值的0.8～0.9倍。

6.根据权利要求1所述的分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述的变压器(12)、电压表(15、16)还分别与总控制电脑相连。

7.根据权利要求1所述的分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述的水泵(17)、进水口热电偶(18)及出水口热电偶(18-1)分别与总控制电脑相连。

8.根据权利要求1所述的分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述电源(11)为直流电源或交流电源。

9.根据权利要求1所述的分层组合电极矿热熔炼炉的控制方法，其特征在于：

1)首先通过总控制电脑(14)控制电机履带装置(13)，带动外围空心阴电极(5)和中轴阴电极(4)插入炉衬(8)内；

2)加入原料矿石，直至炉料完全没过外围空心阴电极(5)端部；

3)将冷却水通过水泵(17)打入炉壳(7)和炉体支撑(9)内，并观察进水口热电偶(18)，出水口热电偶(18-1)上的数值，若超过设定温度，通过总控制电脑(14)调节水泵(17)加大冷却水流量；

3)开启电源(11)并调节变压器(12)，使得第一电压表(15)的电压值U₁为第二电压表(16)的电压值U₂的0.8～0.9倍；

4)在熔炼的过程中，U₁与U₂均会出现波动，此时通过总控制电脑(14)调节变压器(12)，保持U₁＝(0.8～0.9)U₂的关系；

5)当熔炼完成后，首先关闭电源(11)，随后通过总控制电脑(14)控制电机履带装置(13)，带动外围空心阴电极(5)和中轴阴电极(4)离开炉衬(8)，之后打开炉壳(7)上的出料口排出液态矿石和炉渣。

10.根据权利要求9所述的分层组合电极矿热熔炼炉的控制方法，其特征在于，所述原料矿石为铁矿石、铬矿石、锰矿石、硅石、硅铁、废铁、氧化钙或碳质还原剂。

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