CN108253779A - 等离子体熔炼冲天炉及其熔铁方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铸铁的冶炼设备领域，具体涉及一种等离子体熔炼冲天炉，包括炉体和加热源，炉体内部整体为上下贯通的空腔结构，炉体上设置有加料口和至少一个出铁口，加料口和出铁口通过所述空腔结构连通，其中空腔结构的炉缸区和熔化带均设置成用于容置支撑炉料的高碳球的填充区段，加热源为等离子枪，等离子枪设于炉体上，且位于高碳球的填充区段。本发明选择等离子枪作为加热源，利用等离子枪向炉内喷射高温氮气等离子体，对金属炉料进行加热熔化，更加环保、操作简单、无碳排放和无硫排放，尤其适用于电力充足、电价便宜的地区，能够更好的适应绿色铸造产业的发展需求。

Description

等离子体熔炼冲天炉及其熔铁方法

技术领域

本发明涉及铸铁的冶炼设备领域，更具体地，涉及一种等离子体熔炼冲天炉及其熔铁方法。

背景技术

冲天炉以其热效率高、冶金效果好、对炉料要求较低、可长时间连续出铁、生产效率高、可满足大批量连续生产等优点，成为大中型铸造企业普遍使用的主要熔化设备。但随着各国对碳排放的限制日益严格，绿色铸造逐渐成为铸造业的发展目标，冲天炉的除尘脱硫设备的投入和运营成本不断加大，以及优质炼焦煤资源的消耗和减少致使铸造焦炭价格不断上涨，从而提高了冲天炉的生产运营成本。

为了达到节能减排目的，现有技术中逐渐以电力替代传统化学能源，但目前新能源在冲天炉上的应用，还是一片空白。

而近年来以水电、风电、太阳能发电等可再生能源的快速发展及电力价格的趋稳、趋降，设想如果采用电力作为冲天炉的热源(而非直接使用电弧炉、无芯感应电炉等电热效率和生产率相对较低的熔化设备)，成为一种新型的无碳排放、无硫排放的电力无焦冲天炉，将在经济上、环保上、技术上、操作上都更加合算和方便。因此，研发出一种用新能源取代传统化学能源的无焦冲天炉，已成为业内亟待突破的新技术课题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种等离子体熔炼冲天炉，以解决上述技术问题的至少一个。

一种等离子体熔炼冲天炉，包括炉体和加热源，炉体内部整体为上下贯通的空腔结构，炉体上设置有加料口和至少一个出铁口，加料口和出铁口通过空腔结构连通，其中，

空腔结构的炉缸区和熔化带均设置成用于容置支撑炉料的高碳球的填充区段，

加热源为等离子枪，等离子枪设于炉体上，且位于高碳球的填充区段。

由此，本发明所提供的装置采用等离子枪作为热源，替代了现有冲天炉中的传统化学能源，实现了通过电力能源为冲天炉供热，且达到了碳和硫的“零排放”，在保留了冲天炉优势的同时，又改变了传统冲天炉高污染、高排放的弊病，节能环保，适应了绿色铸造业的发展需求。这种采用电力能源供热的冲天炉，在水电、风电、太阳能等再生电力能源丰富且价格便宜的地区，在节约能源和降低成本等方面尤其能带来突出的贡献和效果。

其次，以大功率等离子枪作为冲天炉的热源，比焦炭的燃烧温度可高出1000～1700℃(例如从2000K提高到3000～3700K)，使铁液在冲天炉内的过热(系辐射热传导)的热效率提高5倍到10倍以上，即：

(3000～3700K/2000K)⁴＝5.06～11.71(倍)

使冲天炉过热热效率偏低的问题明显改善，能够大幅提高铁液的出铁温度，使出铁温度轻松达到1550℃以上，从而减少了铁液保温升温电炉的能耗，更加环保、熔化成本更低、无碳和无硫的排放。且这样高的熔炼温度将使得铁液中的砷、锑、铋、碲等气化点较低的微量有害元素挥发，提高铁液纯净度，更适用于对铁液质量要求较高的生产场合。

再者，炉体内部填充高碳球作为炉料的支撑，不仅对铁液起过热作用，还能够对过热的铁液进行增碳，使得可以大量采用废钢作为炉料，降低铁液成本；而且，由于等离子枪喷出的热源为氮气，不含氧，也避免了因高温气体中含有氧气而与高碳球发生反应，减少了高碳球的损耗；加之高碳球诸如碳素球、废石墨电极切块不存在焦炭那样的孔隙，反应性低，消耗速度慢，支撑料柱的高度稳定不容易波动，因此不用再顾忌“风焦平衡”问题，也不会再发生“底焦高度降低”、“落生”、“黑渣、发渣”、铁液氧化等冲天炉的常见事故，所以炉况更稳定，保证了正常的生产秩序和铸件质量；由于铁液在冲天炉内既不会氧化，也增硫很少，因此铁液的纯净度比较高，适宜生产高质量的球墨铸铁原铁液。

在一些实施方式中，炉料直接置于高碳球上，炉料为金属炉料，包括生铁、回炉料及废钢等。由此，在炉料熔化为铁液时，铁液滴顺着高碳球滴落过程中，高碳球还起着过热作用，大大提升铁液出液的温度，使得该装置更节能省料。

在一些实施方式中，填充的高碳球为碳素球和/或石墨电极切块。由此，当高碳球为碳素球时，由于碳素球致密无孔且表面覆盖有铁液，与炉内高温气体反应性低，可以大大减少碳素球烧损率和减少废渣量，还具有增碳作用，使得工艺优化、操作更简便。由于高碳球顶面到等离子枪的高度会影响铁液的温度和熔化率，因而在具体实践中，优选将高碳球顶面与等离子枪之间的距离设置为400～700mm，高碳球顶面到等离子枪的高度越高，出来的铁液温度高，但熔化率将会有所下降；反之，高度越低，熔化率有所提升，但出来的铁液温度较低；此值范围内，结合大量实践和总结，保证了熔化率和铁液温度的最佳平衡。

在一些实施方式中，填充的高碳球直径需根据炉体需求设定，大小适用即可，一般情况下可以设为150～300mm。由此，能够使高碳球大小保证一致性，且处于较大时，保证了良好的透气性和热效率；但过大，烧不透，热效率低，因此经过大量实践和总结，本发明实施例优选高碳球直径为150～300mm，以达到炉缸内透气性好、热效率高的效果。

在一些实施方式中，还包括至少一个渣铁分离器和至少一个过桥，每个出铁口均分别经由过桥与一个渣铁分离器相连通。由此，熔炼完毕的铁液和废渣由出铁口流出炉体后，经过过桥直接流向渣铁分离器，铁液不断流出，同时渣铁分离器也不断过滤废渣，使得最终流出的铁液纯净、无渣，实现连续性出铁。并且，当设置的出铁口和渣铁分离器有两个及以上时，可以方便维修、更换耐火材料，实现长期连续生产。

在一些实施方式中，加热源等离子枪环绕炉体设置，且设于炉体同一水平截面上，单只等离子枪的功率不低于1MW，加热源等离子枪绕炉体至少设有一排，一排均匀排布有至少一只，优选3-6只等离子枪；当设有两排等离子枪时，每排之间可以正置、倒置或等置方式布置。由此，加热源采用环形排布方式设于炉体上，便于对炉内全方位输入高温氮气等离子体对炉内进行均匀加热，且在炉体上设置两排加热源时，可以提高冲天炉熔炼的热效率。

具体地，当在炉体上设置两排加热源时，正置是指总功率最大的一排等离子枪置于下排且总功率最大的一排热源占全部热源总功率的70％～90％；等置是指各排等离子枪的总功率相等，倒置是指总功率最大的一排等离子枪置于上排且总功率最大的一排热源占全部热源总功率的70％～90％；其中，正置时，上排等离子枪距离高碳球顶面200～400mm；倒置时，上排等离子枪距离高碳球顶面400～700mm；等置时，上排等离子枪距离高碳球顶面400～600mm。

在一些实施方式中，加热源通过等离子枪向炉内提供的是氮气等离子体热源，喷出的氮气等离子体温度为2500～3500℃(2773～3773K)。由此，等离子枪向炉内喷入是氮气等离子体，保证了炉内所需的高温要求，而且由于没有氧气等氧化性气体存在，减小了高碳球的损耗，此外，当炉料熔化后顺着高碳球之间的间隙向出铁口流动时，等离子体流和高碳球对铁液起到过热作用，使得最终流出的铁液温度可以轻松达到1550℃以上，甚至可以不再配置有芯工频感应电炉作为铁液保温升温用前炉。

在一些实施方式中，还包括用于判断高碳球高度位置变化的测量系统，其中，所述测量系统为根据物料配比、出铁温度、熔化率与高碳球高度变化之间的关系所建立的数学计算模型，或安装于炉体上的炉料熔化位置测量仪器，其中，测量系统可根据现有技术进行建模计算或直接购买使用。由此，可以通过测量系统实时监控高碳球的剩余高度，通过计算和物料分析计算出高碳球的损耗量，便于及时了解和掌控高碳球的补充量和补充频率，以实现冲天炉炉况的稳定运行和自动化、智能化控制。

本发明要求保护的等离子体熔炼冲天炉采用高碳球作为炉内熔化带和过热带的支撑料柱来承载入炉金属炉料，不仅减少了冲天炉熔化过程中的炉渣产生来源，还能够为炉内熔化的铁液滴增碳，因此可以增大废钢和低质量炉料的用量，从而降低了开炉和铁液成本，节能环保，这样的结构设计不仅降低成本、减少废渣，而且可以熔炼出品质更高的铁水。

本发明弃用传统的冲天炉所使用的焦炭、天然气、重油等传统化学能源作为加热源，而选择新的能源，即把等离子枪作为加热源，利用制氧的副产品氮气导入等离子枪，开炉时可以利用等离子枪向炉内喷射2500～3500℃左右的氮气等离子气体，对金属炉料和铁液液滴进行加热，氮气的等离子体自下而上运行，与自上而下的炉料进行充分热交换，使得炉料预热与熔化的电热效率可高达90％以上，其不需要氧气作为辅助，实现熔炼过程，成为一种操作简便、无碳和无硫排放的更加环保的新型电力无焦冲天炉，以适应绿色铸造产业的发展。

而且，由于铁液在冲天炉内是无焦、无氧熔炼，且高碳球自身含硫低、消耗少，铁液基本不增硫，且高温使得铁液中的锑、铋、砷、碲等气化点较低的微量有害元素挥发，提高了铁液纯净度，因此这种高纯铁液很适宜生产高质量的球墨铸铁；由于不燃烧焦炭，所以为降低焦炭灰分熔点而加入的石灰石造渣剂的数量就大部分免除了，这样一来熔渣的数量大幅度减少，不仅减少了固体废物的排放，还可进一步节能。

根据本发明的另一个方面，提供了一种等离子体熔炼冲天炉熔铁的方法，步骤如下：

S1：根据预设的高度阈值向炉体中装填高碳球，其中，所述高度阈值为堆积的高碳球的顶面与等离子枪的距离；

S2：开炉，利用等离子枪向炉内喷射2500～3500℃的氮气等离子气体，对炉体内部进行预热，空烧1～2h(注：空烧只用在新开炉时，长时间连续开炉时则不再用空烧)；

S3：当炉内温度至少高于金属炉料的熔点150℃时，向炉内装入金属炉料；

S4：熔铁，连续出铁水，从而实现熔炼过程。

本发明所公开的利用上述等离子体熔炼冲天炉熔铁的方法，在操作工艺、控制技术方面大大简化，首先，不燃烧焦炭，所以为降低焦炭灰分熔点而加入的石灰石造渣剂的数量就大部分免除了，这样一来熔渣的数量大幅度减少，不仅减少了固体废物的排放，还可进一步节能；其次，因为采用高碳球或废石墨电极切块作为炉内金属炉料在熔化带和过热带的支撑料柱，金属炉料熔化后的铁液液滴流经高碳球时，可以使铁液增碳，避免了对铁液补加增碳剂，使得工艺优化、操作更简便。

在一些实施方式中，还包括补料步骤，补料具体操作如下：

根据物料配比和高碳球的消耗率预先计算得出炉料填充批次和时间以及高碳球补充频率和补充量；

根据高碳球补充频率和补充量，在补充炉料时，向炉体内加入相应补充量的高碳球。由此，本发明所公开的方法突破了现有技术中对陶瓷球消耗量无法定量计算的技术缺陷，利用本装置通过本方法，可以对高碳球的损耗量、损耗率及添加量、添加频率进行计算和控制，为冲天炉实现自动化、智能化提供了条件。

在一些实施方式中，预设的高度阈值为600～900mm。炉体预热过程中会空烧1h，由此，考虑到高碳球的损耗，为了确保金属炉料入炉时高碳球的顶面与等离子枪距离保持在400～700mm，在初始填充高碳球时，可以根据高碳球的消耗情况，设定一高度阈值(通过计算得到或取经验数据)，并根据该高度阈值进行高碳球的填充，从而使得在加入金属炉料时和熔炼过程中，高碳球的顶面与烧嘴距离始终保持在400～700mm。

本发明所提供的利用等离子体熔炼冲天炉炼铁的方法，以高碳球作为料柱支撑，由于炉内没有高温氧气，因此高碳球不会燃烧损耗，而且还能够为炉内熔化的铁液滴增碳，增大废钢和低质量炉料的用量，降低了开炉和铁液成本以及简化操作流程。

另外，本发明所要求保护的炼铁方法由于不消耗焦炭和炉内没有氧气参与的氧化燃烧反应，因此CO₂、SO₂接近于零排放，且因焦炭灰分造成的炉渣数量也会大幅度降低，可进一步节能、减少固体废物的排放；由于铁液在冲天炉内是无氧熔炼，且基本不增硫，因此铁液的纯净度比较高，很适宜生产高质量的球墨铸铁原铁液，在熔炼过程中，铸铁件生产实现了绿色熔炼，环保设备投资与运行费用大幅度降低。

最后，本发明的所要求保护的炼铁方法操作控制技术大大简化，由于不用再顾忌“风焦平衡”问题，也不会再发生“底焦高度降低”、“落生”、“黑渣、发渣”、铁液氧化等冲天炉的常见事故，所以炉况更稳定，保证了正常的生产秩序和铸件质量，优化简化了操作。

需要说明的是，本发明上述等离子体熔炼冲天炉的结构还可以基于现有冲天炉结构进行改造，例如保持冲天炉炉身、上料机构等基本结构不变，去除鼓风系统、风箱等，对冲天炉风口处加以改造，安放若干只大功率等离子枪以及增加一套与大功率等离子枪配套的供电及电气控制系统、水冷系统、氮气供应系统。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的等离子体熔炼冲天炉的简略结构剖面示意图；

图2为图1所示等离子体熔炼冲天炉使用状态的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1-图2示意性地显示了根据本发明所实施的一种等离子体熔炼冲天炉的具体实施例，如图所示，在本实施例中，该装置包括炉体1、加热源2、置于炉体1顶端的加料口6、置于炉体底端的出铁口7、渣铁分离器3和过桥4，

其中，炉体1竖向设置，非工作状态时，炉体1内部整体为空腔结构，上下贯通，空腔结构的炉缸区和熔化带均设置成用于容置支撑炉料8的高碳球5的填充区段11，

工作状态时，炉体1下部填充区段11填充有与炉料8直接接触、用作支撑炉料8的高碳球5；

加热源2为等离子枪，设有四只，对称分布于炉体下方的填充区段11且处于同一水平截面上，以单排形式呈现，其中，单只等离子枪的功率为2.5MW，均向下倾斜并指向炉体1中心，对称分布于炉体1下方的填充区段11，等离子枪向炉内提供2500～3500℃的氮气等离子气体，使出铁温度不低于1550℃。其中，本实施例中的冲天炉的熔化率为15t/h，一排等离子枪总功率为10MW。

如图所示，本实施例中出铁口7、渣铁分离器3和过桥4各设有一个，其中，出铁口7通过过桥4与渣铁分离器3的进口端31相连通，铁液和炉渣从炉体1中经出铁口7流入渣铁分离器3进行分离，净化后的铁液最后从渣铁分离器3的出口端32流出。

本实施例中采用的高碳球5为碳素球，碳素球直径为150～200mm，高碳球的顶面12高出等离子枪21距离不低于600mm，碳素球与碳素球之间形成间隙，一方面便于高温气体流通，一方面便于铁液滴顺着碳素球向下滴落，另一方面为铁液在滴落过程中增碳；碳素球整体又形成料柱支撑，维持炉料处于等离子枪21的上方。

在具体实践中，加入炉中的炉料为金属炉料，包括生铁、回炉料及废钢；当炉料为生铁时，熔炼过程中对碳素球的补充量会适当减少；而当炉料为废钢时，对碳素球的补充量会适当增加。

在本实施例中，还可以包括用于检测高碳球高度变化的测量系统(图中未示出)，其中，测量系统为根据熔化率、出铁温度与高碳球高度变化之间的关系所建立的数学计算模型(该模型可参照现有技术的冲天炉专家模型实现)，可以通过出铁温度和熔化率，判断出冲天炉炉内碳素球支撑料柱的高低变化；通过监控高碳球的烧损量，便于掌控对高碳球的补充速度和补充量，以实现冲天炉炉况的稳定运行和自动化、智能化控制。

利用本发明实施例所提供的等离子体熔炼冲天炉熔铁的方法，步骤如下：

S1：向炉体中装填多个碳素球，作为支撑金属炉料的承载料柱，并且使堆积的碳素球顶面高度超出等离子枪600～900mm；

S2：开炉，打开等离子枪，向填充区段11内喷入2500～3500℃的高温氮气等离子体，高温氮气等离子体一边向上流动，一边对碳素球进行加热，以对炉体内部进行预热1h左右；

S3：待炉内温至少高于金属炉料的熔点150℃时，经由加料口向炉内投入炉料，在整个开炉过程中保持炉料顶面在加料口下沿；

S4：随着炉体内环境温度上升以及高温气体向上流动对炉料加温使其逐渐熔化下落，连续出铁水，熔化后的铁液滴在下落的过程中，顺着碳素球之间的间隙下落，被高温气体和碳素球进一步充分加热(即过热)以使铁液排出温度达到要求，且碳素球为含碳量较高的物质，铁滴经过碳素球时进行增碳；

S5：随着炉料的熔化，需要视情况随炉料的加料适当增加高碳球作少量补充，其中，高碳球的补充可以实现为根据物料配比和高碳球的消耗率预先计算得出炉料填充批次和时间以及高碳球补充频率和补充量，根据高碳球补充频率和补充量，在补充炉料时，向炉体内加入相应补充量的高碳球。

在其他实施例中，高碳球5可以为碳素球和少量的废石墨电极切块。

在其他实施例中，等离子体熔炼冲天炉的出铁口7、渣铁分离器3和过桥4均设有两个，其中，两个出铁口7相邻设置，平时生产时，可以仅开启和运行其中一套出铁口和渣铁分离器，另一套留作备用；由于渣铁分离器内的耐火材料，长时间使用后需要维修，此时，可以通过切换备用的出铁口和渣铁分离器进行维修，以确保连续生产。

在其他实施例中，加热源2绕炉体1设有两排，两排加热源2呈等置方式布置，其中，加热源与加热源之间均独立设置，每排之间也独立设置，上面一排加热源2的等离子枪21离顶面12的距离为400～600mm，下面一排加热源的等离子枪21离顶面12的距离为500～700mm。等离子枪21的个数以及排数可视炉体熔化率而定，其中，等离子体熔炼冲天炉融化率与等离子枪功率的对应关系如表1所示。

表1等离子体熔炼冲天炉熔化率与等离子枪功率的对应关系

冲天炉熔化率(t/h)	5	15	30	60	100
						等离子枪总功率(MW)	4	10	20	40	65

在其他实施例中，还可以在现有冲天炉基础上进行改造，如一台30t/h的长炉龄水冷冲天炉，主要熔炼铁水牌号为HT200、HT250、QT400-18、QT500-7等，年时基数为7000小时(四班三运转)，在其基础上改造，其中炉体、上料机构等基本结构不变，将鼓风系统及风箱去除，对冲天炉风口处加以改造，可以安放4只5.0MW等离子枪，增加一套与大功率等离子枪配套的供电及电气控制系统、水冷系统、氮气供应系统，则总功率为20MW，喷射入炉的氮气等离子体的温度为3200℃(约3473K)，铁液的过热热效率可比原来提高9倍，出铁温度不小于1550℃，同时，年熔化铁液21万吨，每年减少CO₂排放8.3万吨，减少SO₂排放202吨。改造前，冲天炉采用富氧鼓风、燃烧焦炭，焦耗为12％，出铁温度1520℃，相比而言，本发明所提供的等离子体熔炼冲天炉在原有设备基础上进行改造，不仅能节省设备成本，使得设备投资和运行费用大幅度降低，而且节能减排，生产出的铁液质量更优。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.等离子体熔炼冲天炉，其特征在于，包括炉体(1)和加热源(2)，所述炉体(1)内部整体为上下贯通的空腔结构，炉体(1)上设置有加料口(6)和至少一个出铁口(7)，所述加料口(6)和出铁口(7)通过所述空腔结构连通，其中

所述空腔结构的炉缸区和熔化带均设置成用于容置支撑炉料(8)的高碳球(5)的填充区段(11)，

所述加热源(2)为等离子枪，等离子枪(21)设于炉体(1)上，且位于高碳球(5)的填充区段(11)。

2.根据权利要求1所述的等离子体熔炼冲天炉，其特征在于，填充的高碳球(5)的顶面与等离子枪(21)之间的距离为400mm～700mm。

3.根据权利要求2所述的等离子体熔炼冲天炉，其特征在于，填充的高碳球(5)为碳素球和/或石墨电极切块。

4.根据权利要求1所述的等离子体熔炼冲天炉，其特征在于，所述等离子枪(21)向炉内提供氮气等离子体热源，喷出的氮气等离子体温度为2500～3500℃。

5.根据权利要求1所述的等离子体熔炼冲天炉，其特征在于，还包括至少一个渣铁分离器(3)和至少一个过桥(4)，每个出铁口(7)均分别经由过桥(4)与一个渣铁分离器(3)相连通。

6.根据权利要求5所述的等离子体熔炼冲天炉，其特征在于，所述加热源(2)绕炉体(1)至少设有一排，一排均匀排布有至少一只等离子枪(21)。

7.根据权利要求1至6任一项所述的等离子体熔炼冲天炉，其特征在于，所述等离子枪(21)的功率至少为1MW。

8.利用权利要求1所述等离子体熔炼冲天炉熔铁的方法，其特征在于，步骤如下：

S1：根据预设的高度阈值向炉体中装填高碳球，其中，所述高度阈值为堆积的高碳球的顶面与等离子枪的距离；

S2：开炉，利用等离子枪向炉内喷射2500～3500℃的氮气等离子体，对炉体内部进行预热；

S3：当炉内温度至少高于金属炉料的熔点150℃时，向炉内装入金属炉料；

S4：熔铁，连续出铁水。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括补料的步骤，所述补料的步骤包括：

根据物料配比和高碳球的消耗率预先计算得出炉料填充批次和时间以及高碳球补充频率和补充量；

根据高碳球补充频率和补充量，在补充炉料时，向炉体内加入相应补充量的高碳球。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述预设的高度阈值为600～900mm。