CN101261078A - 大型直流中空电极密闭矿热炉 - Google Patents

Abstract

本发明为大型直流中空电极密闭矿热炉，解决了现有直流电弧炉无法应用在矿热炉以及交流密闭矿热炉电耗高、电极消耗大、安全性较低的技术问题。其技术解决方案是：包括直流电源、炉体、炉盖、设置在炉体内的至少三个中空电极及电极升降系统、自控系统、连接中空电极和直流电源的阴极水冷电缆以及连接炉体和直流电源的阳极水冷电缆；中空电极圆周均布并贯穿炉盖；粉末料输送系统与中空电极相通。具有安全性高、产品质量和产量提升、消耗低的优点。

Description

大型直流中空电极密闭矿热炉

技术领域

本发明涉及一种埋弧式电弧炉，尤其涉及一种直流埋弧式电弧炉。

背景技术

直流电弧炉技术已经在炼钢上得以广泛地应用，并在大型化和各项经济技术上取得了令人瞩目的业绩，但在矿热炉的应用上却举步为艰，一直停留在中、小型冶炼炉上，其经济技术指标也不甚理想。

现有的大型交流密闭矿热炉由于交流技术的限制，已无太大潜力可挖，若要降低电耗和提高各项经济技术指标，只能另辟蹊径，同时现有交流矿热炉存在着炉底矿热炉电流分布不均，进而导致炉底温度不均，不利于冶炼过程的顺利进行；还有炉况不稳，难于掌控，电耗高，电极消耗大。难于改造及安全性较低等等诸多问题，不利于产品质量和产量的提高；而且现有自焙中空电极只能用来调整炉况，不能定时定量送料，不能用于熔化原料。

发明内容

本发明目的是提供一种大型直流中空电极密闭矿热炉，其解决了背景技术直流电弧炉无法应用在矿热炉以及交流密闭矿热炉电耗高、电极消耗大、安全性较低的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种大型直流中空电极密闭矿热炉，包括直流电源24、炉体、炉盖、设置在炉体内的至少三个中空电极21及电极升降系统、自控系统27、连接中空电极21和直流电源24的阴极水冷电缆22以及连接炉体和直流电源24的阳极水冷电缆23；所述炉体包括固连在一起的炉壁25和炉底26；所述中空电极21圆周均布并贯穿炉盖；其特殊之处是，所述矿热炉还包括粉末料输送系统20；所述粉末料输送系统20与中空电极21相通；所述矿热炉还包括连接炉体和阳极水冷电缆23的底电极外接头12；所述中空电极21包括中空柱状电极本体8以及可对电极本体8上端部进行密封的电极密封盖14；所述炉盖由内至外依次包括高铝轻质耐火砖层7、炉盖绝热弹性层6和炉盖外壳19；所述炉壁25由内至外依次包括导电碳砖层5、粘土耐火砖电绝缘层4、炉体绝热弹性层3、炉体外壳2；所述炉底26由内至外依次包括导电碳砖层5、粘土耐火砖电绝缘层4、镁碳砖层10、底电极、炉体绝热弹性层3、炉体外壳2。

上述底电极包括环状的导电水冷管31以及上下贯穿镁碳砖层10的多个触点座9，所述触点座9的数量与中空电极21的数量一致且位置与中空电极21底部开口处相对应；所述每个触点座9均包括多个独立的圆周均布的中空桶状触点32；所述导电水冷管31与所有触点32相连通；所述底电极外接头12用于连接水循环系统和导电水冷管31。

上述水循环系统为热泵90。

上述炉体包括设置在炉体外壳2侧面外部的保温层1。

上述电极本体8外侧面设置有不锈钢薄板16。

上述自控系统27包括控制计算机以及设置在矿热炉内的至少一个传感器。

上述传感器包括流量传感器18、温度传感器17、压力传感器15、位移传感器、监视器中的一种或多种；所述流量传感器18和压力传感器15设置在粉末料输送系统20中；所述温度传感器17设置在炉体内；所述位移传感器设置在电极升降系统中；所述监视器设置在炉体外。

上述自控系统27包括互为检测和备份的两套自控系统27。

上述炉盖为穹顶结构。

上述矿热炉包括中空电极冷却系统40和炉体冷却系统41。

本发明具有如下优点：

1、矿热炉的安全性大大提高，基本上可以消除现有大型交流密闭炉所存在的安全隐患。

2、底电极的结构实际上将整个炉底都变成了一个完整的电极，因而能使电负荷和电流在整个炉底基本分布均匀，而不是象现有交流炉那样只集中于电极围一个不大的区域，形成局部过热而大部分则成为冷区的不良热分布。因此该炉的坩埚区较大，温度也均匀，有利于提高产品质量和产量。

3、由于采用了自控系统，使得矿热炉的自动化程度、可靠性大幅度提高，设备出勤率可达98％左右。

4、设备的自然功率因数高，电能利用率高。本套矿热炉的自然功率因数可高达0.94以上，而现有同等功率的交流密闭炉一般只能达0.85左右，由于它可采用高电压熔炼，因而其电能损失低于现有密闭炉。

5、可提高原料的利用率，并可得到良好的炉况；可使生产过程十分稳定，获得高产稳产。现有密闭炉如果原料混有一定量的粉末与碎料，则会造成炉况不顺，出现刺火塌料，吃料明显减慢，废气粉尘增多等一系列问题。而该矿热炉则是将粉末与碎料通过中空电极送入炉内熔化，因而料堆透气良好，不会出现现有密闭炉原料中有粉末而产生的问题，还可完美地使用的粉末原料(这点对电石的生产有较大的经济价值)。

6、延长了水冷部件的使用寿命，由于采用了脱盐内循环水冷系统，水冷部件内部不会结垢，因而使用寿命长。

7、余热回收利用装置可将现有密闭炉无法利用的余热变为宝贵的电力资源。

8、可实现节能、降耗、资源综合利用的目标，中空电极熔化技术的使用可较大地提高原料的熔化率，比块料提高约40％左右，同时还能很好地使用现有技术所不能使用的粉末及碎料，其节能(节约电能)、降耗(降低原料消耗)的效果十分明显。本发明矿热炉配备了废气处理利用装置，使得现有炉中没有太高利用价值且污染环境的矿热炉废气成为了一种有较高利用价值的化工产品原料气，并可生产出多种化工产品。中空电极粉末熔化技术虽然有人曾在现有的大型交流密闭矿热炉中使用过，但由于前期的中空电极技术不够完善，加之交流炉电弧长度受到炉料电阻及电流、电压比的严格限制，使得它的应用效果不甚理想。而在直流矿热炉中没有炉料、电流、电压比的严格限制，因而在相同的炉料电阻情况下，直流矿热炉的电弧可比交流矿热炉长得多，而且热量高度集中，这给中空电极粉末熔化提供了极佳的条件，在总结了ZL200410026291.8发明专利的实验成果基础上，本发明将中空电极粉末熔化技术应用在该新型直流密封大型矿热炉上，可产生如下的效果：①电极的消耗大大减少，由于输料载气和粉末对电极端头的冷却作用的优点，可使电极的消耗减少50％，加上直流电弧的稳定性减少电极消耗，本发明矿热炉可比交流炉减少一倍的电极消耗。②当炉况发生变化出现偏料时，可迅速调整炉况，通过中空电极在自控系统的操控下精确地补充缺损的某种原料，从而确保了产品的高质量。③可将目前现有技术中不可避免和难以利用的粉末原料，全部完美地利用，提高了原料的利用率。④由于粉末料直接进入温度极高的电弧区，可在瞬间完成熔化反应，所以提高了原料熔化反应速度，增加了产量。⑤由于炉料中没有粉末及碎料，料堆透气良好，可大大地改善炉况，加快矿热炉的吃料速度，提高矿热炉的生产率。⑥有利于调整电极的插入深度，得到最佳的熔化工况。⑦由于炉料(在生产电石时，炉料为块状石灰、块状焦炭)中不存在粉末及碎料(碎料是块状石灰和块状焦炭的不合格物质)，熔炼过程中原料受热破碎形成的粉末也大为减少，因而降低了冶炼尾气的除尘难度。

9、本矿热炉有完善的保温绝热结构，可使矿热炉各处的散热损失最小，还改善了矿热炉周边的工作环境。为了减少热能损失，提高热能的利用率，除了在炉体的耐火材料层外增加保温层外，还在炉体之外再加一层由保温性能较好的保温材料构成的保温层。将现有密闭炉盖的强水冷降温使用改为绝热保温弱水冷降温使用，最大限度地减少炉盖热损失，并对废气管进行保温绝热处理，以求减少废气热量的损失。

10、可用于冶炼电石、铁合金、黄磷等需要高温、高电耗的产品。根据试验结果，本发明大型直流中空电极密闭矿热炉可比现有同等功率交流密闭矿热炉节电20％左右，同等产品的产量提高20％左右，功率因数提高10％以上，可达0.94至0.97，而现有炉一般只能达到0.85左右，出勤率可达98％以上，基本消除了不安全的因素，安全性得到极大地高，基本没有炉底上涨的问题，特别适合冶炼那些原料不能人为成型造粒而原料中又存在着不可避免的粉末与碎料的产品如电石等。本发明大型直流中空电极密闭矿热炉熔炼一级电石可实现2800度/吨的电耗指标，低于国家标准的3250度/吨的电耗指标。

11、本发明采用脱盐密封式内循环水冷系统对底电极(阳极)进行水冷，不仅可以节约大量的冷却水，还避免了水冷部件的内部结垢问题及溶解氧气对设备的腐蚀问题。

附图说明

图1是本发明30000kW功率电炉中的电极与直流电源分布示意图；

图2是本发明60000kW功率电炉中的电极与直流电源分布示意图；

图3是炉体结构示意图；

图4是30000kW功率电炉中的底电极结构示意图；

图5是密闭矿热炉系统及生产工艺流程图；

其中：1-保温层，2-炉体外壳，3-炉体绝热弹性层，4-粘土耐火砖电绝缘层，5-导电碳砖层，6-炉盖绝热弹性层，7-高铝轻质耐火砖层，8-电极本体，9-触点座，10-镁碳砖层，11-工作电弧区，12-底电极外接头，13-坩埚区，14-电极密封盖，15-压力传感器，16-不锈钢薄板，17-温度传感器，18-流量传感器，19-炉盖外壳，20-粉末料输送系统；21-中空电极，22-阴极水冷电缆，23-阳极水冷电缆，24-直流电源，25-炉壁，26-炉底，27-自控系统；30-密闭矿热炉，31-导电水冷管，32-触点；40-中空电极冷却系统；41-炉体冷却系统；50-汽轮发电机；60-余热锅炉；70-废气除尘装置；71-布袋除尘器；72-湿法除尘器；73-静电除尘器；80-废气反应装置；90-热泵。

具体实施方式

本发明属于冶炼行业中的大型设备，是一种特别适用于大规模冶炼生产高品质电石(化工原料产品)、铁合金(炼钢及铸造原料)、黄磷(化工原料)等产品的埋弧式电弧炉。

图1和图2是本发明矿热炉的电极分布示意图，其中21是中空电极；22是短网中的阴极水冷电缆；23是短网中的阳极水冷电缆；24是包括变压器与整流电路在内的直流电源；25是炉壁；26是炉底也是矿热炉的共用阳极；27是自控系统，每个电极上均配有，控制电极升降，保证功率，控制传感器；。

图3是炉体结构示意图，其中1是由膨体珍珠岩构成的保温层；2是钢制炉体外壳；4是粘土耐火砖电绝缘层；3是粘土耐火砖电绝缘层外的炉体绝热弹性层，由蛭石构成，可吸粘土耐火砖电绝缘层在受热膨胀时增加的体积；5是导电碳砖层；6是炉盖绝热弹性层，也是由蛭石构成的；7是高铝轻质耐火砖层；8是其中的一根中空电极，为自焙中空电极；9是底电极(阳极)与中空电极(阴极)之间产生的工作电弧区；10是具有良好绝热导电性能的镁碳砖层；11是镶嵌进镁碳砖内并对应于中空电极的底电极中的触点座，电阻小，便于熔化材料；12是底电极的底电极外接头；13是坩埚区。

本发明工作过程：

强大的电流经变压器的次级，通过晶闸管整流系统后成为高质量而稳定的直流电源，经短网水冷电缆，由阴极(中空电极)流向阳极(阳极由炉底与底电极构成)并在阴极和阳极之间形成电弧。依靠阴极和阳极之间产生的高温电弧热将中空电极底下和周围的炉料逐渐熔化，并在中空电极周围形成一个坩埚区，在坩埚内维持一个约1900～2100℃的高温区域，在该区域内，高温碳粒将熔化后的液体矿石还原成为所需的产品(铁合金或电石)，随着熔化及反应生成物的增多，电极也逐渐上抬，当电极上抬至某个高度时，将生成物(铁水)定期从出铁口放出来(大型炉都有2～3个出铁口)。在出铁过程中，炉膛内的炉料会随之下沉，此时及时补充加料管中的炉料，使加料管内始终充满炉料，确保密闭炉的正常气密性。出完铁水后电极升降系统下放电极，同时补充在上一炉中烧损的部分中空电极，继续开始新一炉的冶炼。如此循环，周而复始，形成不断加料，不断出铁水的连续冶炼过程。

本发明原理：

本发明根据申请人早先申请的ZL200410026291.8发明专利中的高温火焰粉末熔化原理，总结了大量实验成果与多年的实践和亲身使用6300kVA直流矿热炉的体会，采用了以下技术原理和方案：

1、针对目前使用中的大型密封交流矿热炉安全性不够高这一严重影响生产的问题，采取了如下措施：严格控制入炉原料中水分含量低于1％，如果不能满足工艺要求，必须进入烘干工序，直到达到要求方可入炉；设置多种传感器检测监控矿热炉在工作时的安全状况；使用自控系统消除人为操作造成的失误；使用多套监视器，使操作人员对整个生产全景有一个全面的了解。

2、采用高性能直流电源，实现自然功率因数即设备的使用率达到0.94以上；直流电源纹波系数低；电流大；电压可从零伏起调至满载，可满足超载20％的工作条件；较高的工作电压，为空心电极粉末熔化技术的应用提供了必须的条件。

3、为降低制造成本，提高本矿热炉的可靠性和可控性，炉体采用普通的矿热炉炉体，以30000kVA直流炉为例，采用三根电极，随着电炉功率的增加，电极数量也随之增加，如60000k VA为6根电极。为确保电炉的高性能，自控系统以及每根电极配备的一套独立的直流电源和电极升降系统，可使每根电极工作在最佳的熔炼参数与最佳炉况之下。

4、底电极是直流矿热炉的一个重要部件，它的结构是否合理与质量的好坏直接关系到矿热炉的使用寿命与性能，因此炉底的第一层耐火材料采用了高导电率的导电碳砖层，第二层则采用导电性能良好的绝热材料碳镁砖层。底电极则是由耐热不锈钢制作的触点座与不锈钢导电水冷管所组成，每一个触点座包括三个触点，对应一根电极；触点座与导电水冷管则紧密地镶嵌进镁碳砖层中，导电水冷管的截面积应足够大，以使阳极大电流通过时不会产生太多的热量，导电水冷管中的水流量应当满足矿热炉在高功率熔炼时，通过导电碳砖层传递到触点座上的热量不会使触点座温升过高。

5、在矿热炉的工作过程中有多种工况和生产参数需要随时调整控制，自控系统用于实现矿热炉的自动化；采用两套自控系统，平时它们互为诊断，若其中一套出现故障，则另一套立即自动投入工作，并报警显示故障部位。

6、根据生产实践中的使用经验，目前较为先进的挪威埃肯公司的组合式电极升降系统存在着一些问题，对此将其做了以下改进：在中空柱状电极本体的外表面贴附了一层不锈钢薄板，避免了因锈蚀而造成的导电不良问题的发生。

7、为了延长水冷部件的使用寿命及有效回收余热，提高余热的使用价值，采用了如下的措施：底座阳极水冷循环出来的热水采用脱盐密封式内循环水冷系统，不仅可以节约大量的冷却水，还避免了水冷部件的内部结垢问题及溶解氧气对设备的腐蚀问题；余热锅炉将矿热炉盖废气管送来的高温炉气冷却至150℃以下，并产生大量的高温高压蒸汽(温水经余热锅炉转换为高温蒸气，废炉气与余热锅炉热交换器交换后降温，进入废气除尘装置)。配备适合的汽轮发电机组将余热锅炉产生的高温高压蒸汽转化为使用价值更高的电能；密闭炉气为一氧化碳、少量的氢气和甲烷、微量的硫化氢和二氧化硫等有害气体。半密闭炉会混入空气，空气中含有氧气，燃烧后，炉内气体无利用价值。

8、采用了高效废气处理利用装置。矿热炉废气的净化率是环保硬指标，又是资源综合利用的先决条件，因而采用了如下的措施：①首先进入余热锅炉除去废气中的煤焦油和大部分的粉尘，并回收绝大部分热能。②进入第二级高效节能型布袋除尘器，除去的剩余绝大部分的粉尘。③从第二级除尘器排出的废气进入第三级湿法除尘器，可除去所有的大颗粒粉尘及废气中所含的硫化氢、二氧化硫等有害杂质。④从第三级出来的废气进入高效静电除尘器，脱除其所含的所有细小尘粒，最终得到纯净符合化工生产原料要求的高纯气体。经过除尘净化后的炉气除一小部分作为矿热炉中空电极输送粉末原料的载气之外，剩余绝大部分废气进入废气反应装置，可根据各企业的实际情况，用于生产多种不同的化工产品，如可生产碳酸二甲脂，合成二甲醚，生产甲醇及尿素化肥等。

Claims (10)

1、一种大型直流中空电极密闭矿热炉，包括直流电源(24)、炉体、炉盖、设置在炉体内的至少三个中空电极(21)及电极升降系统、自控系统(27)、连接中空电极(21)和直流电源(24)的阴极水冷电缆(22)以及连接炉体和直流电源(24)的阳极水冷电缆(23)；所述炉体包括固连在一起的炉壁(25)和炉底(26)；所述中空电极(21)圆周均布并贯穿炉盖；其特征在于：所述矿热炉还包括粉末料输送系统(20)；所述粉末料输送系统(20)与中空电极(21)相通；所述矿热炉还包括连接炉体和阳极水冷电缆(23)的底电极外接头(12)；所述中空电极(21)包括中空柱状电极本体(8)以及可对电极本体(8)上端部进行密封的电极密封盖(14)；所述炉盖由内至外依次包括高铝轻质耐火砖层(7)、炉盖绝热弹性层(6)和炉盖外壳(19)；所述炉壁(25)由内至外依次包括导电碳砖层(5)、粘土耐火砖电绝缘层(4)、炉体绝热弹性层(3)、炉体外壳(2)；所述炉底(26)由内至外依次包括导电碳砖层(5)、粘土耐火砖电绝缘层(4)、镁碳砖层(10)、底电极、炉体绝热弹性层(3)、炉体外壳(2)。

2、根据权利要求1所述的大型直流中空电极密闭矿热炉，其特征在于：所述底电极包括环状的导电水冷管(31)以及上下贯穿镁碳砖层(10)的多个触点座(9)，所述触点座(9)的数量与中空电极(21)的数量一致且位置与中空电极(21)底部开口处相对应；所述每个触点座(9)均包括多个独立的圆周均布的中空桶状触点(32)；所述导电水冷管(31)与所有触点(32)相连通；所述底电极外接头(12)用于连接水循环系统和导电水冷管(31)。

3、根据权利要求2所述的大型直流中空电极密闭矿热炉，其特征在于：所述水循环系统为热泵(90)。

4、根据权利要求1或2或3所述的大型直流中空电极密闭矿热炉，其特征在于：所述炉体包括设置在炉体外壳(2)侧面外部的保温层(1)。

5、根据权利要求4所述的大型直流中空电极密闭矿热炉，其特征在于：所述电极本体(8)外侧面设置有不锈钢薄板(16)。

6、根据权利要求5所述的大型直流中空电极密闭矿热炉，其特征在于：所述自控系统(27)包括控制计算机以及设置在矿热炉内的至少一个传感器。

7、根据权利要求6所述的大型直流中空电极密闭矿热炉，其特征在于：所述传感器包括流量传感器(18)、温度传感器(17)、压力传感器(15)、位移传感器、监视器中的一种或多种；所述流量传感器(18)和压力传感器(15)设置在粉末料输送系统(20)中；所述温度传感器(17)设置在炉体内；所述位移传感器设置在电极升降系统中；所述监视器设置在炉体外。

8、根据权利要求5或6或7所述的大型直流中空电极密闭矿热炉，其特征在于：所述自控系统(27)包括互为检测和备份的两套自控系统(27)。

9、根据权利要求8所述的大型直流中空电极密闭矿热炉，其特征在于：所述炉盖为穹顶结构。

10、根据权利要求1或2或3所述的大型直流中空电极密闭矿热炉，其特征在于：所述矿热炉包括中空电极冷却系统(40)和炉体冷却系统(41)。

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