CN111811252A - 一种三相分层组合电极矿热熔炼炉及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种三相分层组合电极矿热熔炼炉及其控制方法，所述三相分层组合电极矿热熔炼炉的电极采用的是分层组合电极。一个分层组合电极包括中轴部分的中轴电极以及外围的空心电极。两种电极间存在空隙，且两种电极的电极端部浸入深度不一。由于分层组合电极限制了炉内电流的流动方向，相比于传统圆柱形电极矿热熔炼炉，三相分层组合电极矿热熔炼炉炉内的电流经过区域扩大，减弱了由于交流电所带来的电流趋肤效应所造成的炉内电磁场分布不均的问题，不仅改善了炉内局部过热的问题，而且提升了炉内能量的利用效率，可广泛应用于冶金化工行业。

Description

一种三相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，特别涉及一种三相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，被广泛的应用于冶金化工工业中。随着社会的发展，对矿热熔炼炉的能耗、产能以及排放要求越来越高，不断有新的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，三相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。然而由于交流电存在的感抗效应，电流在流经电极内部时存在严重趋肤现象，其导致电流主要分布在电极的外表面侧，造成了电流多从电极端部的外侧壁面流出，进而导致炉内焦耳热热量分布严重不均。而炉内其他位置的炉料则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能够使炉内的电流区域扩大，减弱由于交流电带来的电流趋肤效应所造成的炉内电磁场分布不均的问题，不仅改善了炉内局部过热的问题，而且提升了炉内能量利用效率的三相分层组合电极矿热熔炼炉及其控制方法。
为达到上述目的，本发明的三相分层组合电极矿热熔炼炉包括三个呈三角形布置的环形托架以及设置在各环形托架下端套装的内螺杆组和外螺杆组，内、外螺杆组的端部分别与中轴电极夹紧环和空心电极夹紧环连接，中轴电极夹紧环和空心电极夹紧环的外侧分别装配有拉紧螺栓，内侧分别卡有中轴电极铜瓦和空心电极铜瓦，中轴电极铜瓦和空心电极铜瓦内分别固定于中轴电极和空心电极，中轴电极和空心电极穿过炉盖进入炉膛中；其短网系统中的中轴电极铜瓦和空心电极铜瓦通过导电铜管束与活动接线板相连，活动接线板通过软母线与固定接线板相接，变压器通过母线束与固定接线板相接。
所述同一环形托架下的中轴电极和空心电极同轴设置。
所述中轴电极和空心电极之间存在有间隙。
所述的加载至中轴电极和空心电极上的电流密度值相同。
所述空心电极端部到炉盖距离为中轴电极端部到炉盖距离的0.5～1.0倍。
所述三根中轴电极端部在同一水平面上，三根空心电极端部同样处于同一水平面上。
所述同一环形托架下设置在中轴电极外的空心电极为1、2或3个。
本发明三相分层组合电极矿热熔炼炉的控制方法如下：
1)首先确定本次熔炼过程中轴电极浸入炉膛的深度，根据空心电极端部到炉盖距离为中轴电极端部到炉盖的0.5～1.0倍的关系，确定内、外螺杆组的长度；
2)将环形托架、内、外螺杆组、中轴电极夹紧环、空心电极夹紧环、拉紧螺栓、中轴电极铜瓦、空心电极铜瓦、中轴电极、空心电极进行装配，形成组合电极；
3)中轴电极铜瓦与空心电极铜瓦通过导电铜管束与短网系统相连；
4)在炉膛中加入原料矿石；
5)吊装组合电极，穿过炉盖进入炉膛中；
6)启动电源，利用电弧热量熔化炉料，直至空心电极端部浸入炉料中，在达到预定位置之后，电极停止运动；
7)当熔炼完成时，打开出料口排出液态矿石和炉渣。
本发明的原料矿石为铁矿石、铬矿石、锰矿石、硅石、硅铁、废铁、氧化钙和碳质还原剂。
本发明提供的矿热熔炼炉结构设计合理，但相比于传统电极结构，分层组合电极其限制了电流的流动，使得电流可以从不同的高度进入炉料中，因此有效地改善矿热熔炼炉炉内热量分布不均的问题，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为分层组合电极结构的示意图；
图2为三相分层组合电极矿热熔炼炉短网系统示意图；
图3为三相分层组合电极矿热熔炼炉炉内中轴电极和空心电极位置关系示意图；
图4为传统矿热熔炼炉与三相分层组合电极矿热熔炼炉炉内焦耳热分布对比云图；
图5为矿热熔炼炉炉内平均温度随熔炼时间变化曲线图；
图6为矿热熔炼炉综合性能指标随交变电流的变化曲线图。
图中标号名称：1.环形托架，2.内螺杆组，2-1.外螺杆组，3.中轴电极夹紧环，4.空心电极夹紧环，5.拉紧螺栓，6.中轴电极铜瓦，7.空心电极铜瓦，8.中轴电极，9.空心电极，10.导电铜管束，11.活动接线板，12.软母线，13.固定接线板，14.变压器，15.母线束，16.炉盖，17.炉膛。
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1，2，3，本发明的三相分层组合电极矿热熔炼炉包括三个呈三角形布置的环形托架1以及设置在各环形托架1下端套装的内螺杆组2和外螺杆组2-1，内、外螺杆组2、2-1的端部分别与中轴电极夹紧环3和空心电极夹紧环4连接，中轴电极夹紧环3和空心电极夹紧环4的外侧分别装配有拉紧螺栓5，内侧分别卡有中轴电极铜瓦6和空心电极铜瓦7，中轴电极铜瓦6和空心电极铜瓦7内分别固定于中轴电极8和空心电极9，同一环形托架1下设置在中轴电极8外的空心电极9为1、2或3个，中轴电极8和空心电极9之间存在有间隙，同一环形托架1下的中轴电极8和空心电极9同轴设置，三根中轴电极8端部在同一水平面上，三根空心电极9端部同样处于同一水平面上，中轴电极8和空心电极9穿过炉盖16进入炉膛17中，空心电极9端部到炉盖16距离为中轴电极8端部到炉盖16距离的0.5～1.0倍，其短网系统中的中轴电极铜瓦6和空心电极铜瓦7通过导电铜管束10与活动接线板11相连，活动接线板11通过软母线12与固定接线板13相接，变压器14通过母线束15与固定接线板13相接，加载至中轴电极8和空心电极9上的电流密度值相同。
本发明的控制方法如下：
1)首先确定本次熔炼过程中轴电极8浸入炉膛17的深度，根据空心电极9端部到炉盖16距离为中轴电极8端部到炉盖16的0.5～1.0倍的关系，确定内、外螺杆组2、2-1的长度；
2)将环形托架1、内、外螺杆组2、2-1、中轴电极夹紧环3、空心电极夹紧环4、拉紧螺栓5、中轴电极铜瓦6、空心电极铜瓦7、中轴电极8、空心电极9进行装配，形成组合电极；
3)中轴电极铜瓦6与空心电极铜瓦7通过导电铜管束10与短网系统相连；
4)在炉膛17中加入原料矿石；
5)吊装组合电极，穿过炉盖16进入炉膛17中；
6)启动电源，利用电弧热量熔化炉料，直至空心电极9端部浸入炉料中，在达到预定位置之后，电极停止运动；
7)当熔炼完成时，打开出料口排出液态矿石和炉渣。
本发明所用的原料矿石为铁矿石、铬矿石、锰矿石、硅石、硅铁、废铁、氧化钙和碳质还原剂。
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4为传统矿热熔炼炉与三相分层组合电极矿热熔炼炉炉内焦耳热分布对比云图。由图中可以看出，相比于传统矿热熔炼炉，由于分层组合电极限制了炉内电流的流动方向，因此其扩大了炉内的电流经过区域，减弱了由于交流电所带来的电流趋肤效应的影响。因此三相分层组合电极矿热熔炼炉炉内可供电加热的区域更大。
图5为矿热熔炼炉炉内平均温度随熔炼时间变化曲线图。由图中可以了解到，在采用了分层组合电极之后，由于加热区域增多，矿热熔炼炉炉内加热速率得到了明显的提升，且炉内整体温度得到了明显的提高。在熔炼时间范围内，当中轴电极浸入深度占炉膛深度的25％、交变电流大小为12,000A时，相比于传统结构矿热熔炼炉，采用两层组合电极的矿热熔炼炉炉内平均温度上升了3.00％。但采用两层组合电极和三层组合电极时炉内平均温度相差并不多，相比于两层组合电极矿热熔炼炉，三层电极矿热炉炉内均温仅上升了0.18％，两者相差并不明显。这说明在一定工况下，电极层数的增多并不会对炉内温度场造成太大的影响。
为了便于综合评价矿热熔炼炉的性能，采用综合性能评价指标对矿热熔炼炉进行评价，即生产得到的产品价值与消耗的能源成本之差，与基准工况点为中轴电极浸入深度占炉膛深度的8.0％和交变电流大小为12,000A时的矿热炉收益率之比。其公式定义如下：
Figure BDA0002541947430000051
式中，F表示价格，V表示体积，ρ表示密度，α表示电石转化率，t表示时间，q表示电耗。
图6即为矿热熔炼炉综合性能指标随交变电流的变化曲线图。由图中可以看出，相比于传统矿热熔炼炉，采用新型电极结构的矿热熔炼炉能得到明显的综合性能提升。在研究的工况范围内，当组合电极层数分别为2层和3层时，电石矿热炉内性能差异指标相比于传统电石矿热炉平均分别提升了5.32％和7.64％。所以可以认为分层组合电极矿热熔炼炉相比传统矿热熔炼炉的冶炼性能的到了提升。

Claims (9)

1.一种三相分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，包括三个呈三角形布置的环形托架(1)以及设置在各环形托架(1)下端套装的内螺杆组(2)和外螺杆组(2-1)，内、外螺杆组(2、2-1)的端部分别与中轴电极夹紧环(3)和空心电极夹紧环(4)连接，中轴电极夹紧环(3)和空心电极夹紧环(4)的外侧分别装配有拉紧螺栓(5)，内侧分别卡有中轴电极铜瓦(6)和空心电极铜瓦(7)，中轴电极铜瓦(6)和空心电极铜瓦(7)内分别固定于中轴电极(8)和空心电极(9)，中轴电极(8)和空心电极(9)穿过炉盖(16)进入炉膛(17)中；其短网系统中的中轴电极铜瓦(6)和空心电极铜瓦(7)通过导电铜管束(10)与活动接线板(11)相连，活动接线板(11)通过软母线(12)与固定接线板(13)相接，变压器(14)通过母线束(15)与固定接线板(13)相接。
2.根据权利要求1所述的三相分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述同一环形托架(1)下的中轴电极(8)和空心电极(9)同轴设置。
3.根据权利要求1所述的三相分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述中轴电极(8)和空心电极(9)之间存在有间隙。
4.根据权利要求1所述的三相分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述的加载至中轴电极(8)和空心电极(9)上的电流密度值相同。
5.根据权利要求1所述的三相分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述空心电极(9)端部到炉盖(16)距离为中轴电极(8)端部到炉盖(16)距离的0.5～1.0倍。
6.根据权利要求1所述的三相分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述三根中轴电极(8)端部在同一水平面上，三根空心电极(9)端部同样处于同一水平面上。
7.根据权利要求1所述的三相分层组合电极矿热熔炼炉，其特征在于，所述同一环形托架(1)下设置在中轴电极8外的空心电极(9)为1、2或3个。
8.根据权利要求1所述的三相分层组合电极矿热熔炼炉的控制方法，其特征在于：
1)首先确定本次熔炼过程中轴电极(8)浸入炉膛(17)的深度，根据空心电极(9)端部到炉盖(16)距离为中轴电极(8)端部到炉盖(16)的0.5～1.0倍的关系，确定内、外螺杆组(2、2-1)的长度；
2)将环形托架(1)、内、外螺杆组(2、2-1)、中轴电极夹紧环(3)、空心电极夹紧环(4)、拉紧螺栓(5)、中轴电极铜瓦(6)、空心电极铜瓦(7)、中轴电极(8)、空心电极(9)进行装配，形成组合电极；
3)中轴电极铜瓦(6)与空心电极铜瓦(7)通过导电铜管束(10)与短网系统相连；
4)在炉膛(17)中加入原料矿石；
5)吊装组合电极，穿过炉盖(16)进入炉膛(17)中；
6)启动电源，利用电弧热量熔化炉料，直至空心电极(9)端部浸入炉料中，在达到预定位置之后，电极停止运动；
7)当熔炼完成时，打开出料口排出液态矿石和炉渣。
9.根据权利要求8所述的三相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、氧化钙和碳质还原剂。
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