CN112391538A - 一种多电极高炉渣碳化熔炼电炉 - Google Patents

Abstract

本发明属于电炉领域，涉及一种多电极高炉渣碳化熔炼电炉，包括炉壳、盖合在所述炉壳上的水冷炉盖以及设置在所述水冷炉盖上的若干电极；每个电极经由设置在炉盖表面的电极孔探入炉壳内部，均通过电极密封装置封闭电极与炉盖表面电极孔之间的间隙，每个电极均连接在电极横臂前端，电极横臂通过抱紧装置固定于电极升降机构，所述电极横臂通过电流传输线路连接至变压器；所述炉盖上连接有烟气收集管道。该炉用于大规模熔炼富含二氧化钛的高温液态高炉渣，通过高温下进行的碳还原反应，高炉渣中富含的二氧化钛被还原为碳化钛，将普通含钛高炉渣变为氯化法制取钛白粉的原料。

Description

一种多电极高炉渣碳化熔炼电炉

技术领域

本发明属于电炉领域，涉及一种多电极高炉渣碳化熔炼电炉。

背景技术

在现有技术中，针对富含二氧化钛的高炉渣，为回收其中的二氧化钛，利用冶炼电炉将液态高炉渣由1200℃～1300℃加热升温到1550℃到2200℃之间，加入碳质还原剂，将其中的二氧化钛在高温下还原为碳化钛，将含钛高炉渣转变为碳化渣，成为氯化法制取钛白粉的原料。

现有高炉渣高温碳化熔炼电炉，已知有几种中小型熔炼电炉，单台熔炼电炉最大年处理高炉渣10万t，电炉变压器容量不到27000kVA。现有高炉渣高温碳化熔炼电炉，采用的是3台单相变压器和3根石墨电极组成电炉供电主回路。电极两两之间的电流是三相供电回路的线电流。

现有高炉渣高温碳化熔炼电炉3根石墨电极在圆形炉膛内呈正三角形分布，电流在3根石墨电极的两两之间以熔池熔体为载体传输，电极下端部与熔融物产生电弧，或者电流在位于3根电极之间的熔融物内产生电阻热，用来熔化或加热熔池内高炉渣。电流大小与变压器容量、变压器二次电压是函数关系。要实现单台电炉年处理高炉渣20万t～40万t，电炉变压器总容量将超过50000kVA，最大可以达到120000kVA。

若仍采用三电极结构电炉结构，一台年处理20万吨高炉渣高温碳化熔炼电炉，变压器容量将达到54000kVA，三电极之间产生的线电流将超过9万安培，需要使用直径Φ700mm以上超高功率石墨电极。若想实现单台碳化电炉年处理含钛高炉渣30万吨以上，则三电极结构碳化电炉所需变压器容量将增加到 75000kVA以上，三电极之间产生的线电流将可能超过11万安培，现有石墨电极产品将无法满足使用要求，需要特殊定制。

在电炉冶炼生产中，石墨电极是电炉生产过程中的消耗品，占据生产成本的很大一部分。现有石墨电极生产工艺决定了超过Φ700直径的超高功率石墨电极，其制造成本比常规石墨电极增加3～4倍。另一方面，国内具备生产直径超过Φ700mm合格超高功率石墨电极的厂家非常少。如果选择进口，采购成本将更高。

在另一方面，在现有技术已知的碳化电炉中，熔池的水平截面是圆形，呈正三角形分布的3个电极形成3个加热点，将熔池划分成3个高温热区和3个相对低温区，熔池内热场分布不均匀现象对于中小型碳化炉电炉可以接受，当碳化电炉处理能力增加后，熔池直径相应增加，熔池内热场分布不均匀现象将严重影响熔炼效果，为弥补温度不均匀现象，需要消耗更多的电能。

在另一方面，在现有技术已知的碳化电炉中，在炉墙耐火衬和钢壳之间无水冷块或只有少量水冷块。高炉渣高温碳化熔炼最高温度接近2200℃，且高温碳化过程具有特殊的熔池动力条件，炉内熔炼反应剧烈，这种炉衬结构在应对高炉渣高温碳化熔炼需要的超高温度表现不好，在高温和熔渣侵蚀下，小型碳化熔炼电炉一次砌筑的耐火衬使用寿命不到200炉次就必须停炉更换。严重制约电炉产能，且频繁更换耐火衬大大增加产品处理直接成本，不适用大规模或超大规模生产。

发明内容

鉴于现有中小型含钛高炉渣高温碳化熔炼电炉技术已经无法满足大规模或超大规模处理含钛高炉渣，本发明的目的在于提供一种多电极高炉渣碳化熔炼电炉，具体为一种特大型六电极含钛高炉渣高温碳化熔炼电炉，用于解决大规模或超大规模处理含钛高炉渣所需的大型或特大型熔炼电炉的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多电极高炉渣碳化熔炼电炉，包括炉壳、盖合在所述炉壳上的水冷炉盖以及设置在所述水冷炉盖上的若干电极；每个电极经由设置在炉盖表面的电极孔探入炉壳内部，均通过电极密封装置封闭电极与炉盖表面电极孔之间的间隙，每个电极均连接在电极横臂前端，电极横臂通过抱紧装置固定于电极升降机构，所述电极横臂通过电流传输线路连接至变压器；所述炉盖上连接有烟气收集管道。

可选的，所述传输线路沿由变压器至电极的方向依次设有低压侧出线端子、软补偿器、导电铜管、水冷电缆、电极横臂；所述导电铜管和水冷电缆每相设有若干根，每相通过电极横臂分别独立与电极相连。

可选的，所述电极升降机构包括升降液压缸、与所述升降液压缸相连且用于引导所述升降液压缸运动方向的升降立柱和导向轮组，所述升降立柱连接至导向横臂，所述电极布置在所述导向横臂上。

可选的，所述水冷炉盖上设有用于与炉壳相连的法兰、吊挂组件、加料管密封座、观察门、高炉渣兑渣口、防爆阀。

可选的，所述炉壳包括底板以及设置在所述底板上的侧筒，所述侧筒内部设有水冷块、所述底板下部设有水冷通道。

可选的，所述炉壳内部设有耐火炉衬，所述耐火炉衬包括炉墙耐火衬、炉底耐火衬以及设置在所述炉墙耐火衬侧边的放渣通道和放渣溜槽。

可选的，所述烟气收集管道包括若干烟气传输管及初级重力除尘器，烟气传输管最终与除尘器相连。

可选的，所述烟气传输管包括上升段、过渡段、下降段及初级重力除尘器。

可选的，所述烟气传输管上设有泄爆阀及气体分析仪。

可选的，所述电极设有6根，呈六边形或五边形布置。

本发明的有益效果在于：

本发明为大规模处理热态含钛高炉渣提供了一种解决方案，单台碳化电炉每年可以处理20万吨～40万吨含钛高炉渣。

本发明利用单相变压器相电流只有线电流0.57倍的优势大大减小了碳化电炉工作电流，有效地解决了碳化电炉大型化或超大型化无石墨电极可用的问题。

本发明利用炉壳内壁镶嵌的水冷块对耐火衬的强制冷却，有效减缓了耐火衬被熔渣侵蚀消耗的速度，可提高耐火衬使用寿命达到数千炉次。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为六电极接线示意图，其中，(a)为六电极六边形布置结构的接线示意图，(b)为六电极五边形布置结构的接线示意图；

图4为输电线路示意图；

图5为电极升降机构示意图；

图6为水冷炉盖的主视图；

图7为水冷炉盖的俯视图；

图8为炉壳示意图；

图9为耐火炉衬示意图；

图10为烟气收集管道的主视图；

图11为烟气收集管道的俯视图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1-图11，附图中的元件标号分别表示：变压器1、传输线路2、电极升降机构3、电极4、炉壳5、耐火炉衬6、熔融高炉渣7、水冷炉盖8、电极密封装置9、烟气收集管道10、导电横臂16、升降立柱17、导向轮组18、升降液压缸19、法兰20、吊挂组件21、加料管密封座22、观察门23、高炉渣兑渣口24、防爆阀25、侧筒26、水冷块27、底板28、水冷通道29、炉墙耐火衬30、放渣通道和放渣溜槽31、炉底耐火衬32、烟气第一上升段33、第一段弯头34、泄爆阀35、烟气第一下降段36、重力除尘器37、烟气第二上升段38、第二段弯头39、气体分析仪40、烟气第二下降段41。

本发明提供一种特大型六电极4含钛高炉渣高温碳化熔炼电炉。该炉包括1 组高压配电柜、3台电炉专用单相变压器1、3套大电流传输线路2、6根石墨电极4及电极升降机构3、炉壳5、耐火炉衬6、水冷炉盖8、6个电极密封装置9、烟气收集管道10等。

所述高压配电柜输入输出电压是35kV，用于切断或接通电炉高压供电主回路。包含受电柜、PT柜、馈出柜、阻容吸收保护柜，还可以包含星-角转换柜、无功补偿系统馈出柜。所述馈出柜包含通断次数≥10万次的真空断路器。

所述电炉专用单相变压器1的高压侧输入电压是35kV，所述变压器1每台都包含一个有载或无载调压开关，可以将变压器1低压侧输出电压按照固定差值分为几档到数十档，输出电压值从数十伏特到数百伏特。所述变压器1还包含油冷却器。所述电炉专用单相变压器1低压侧电流输入或输出端的端子数量可以从4个到12个。

所述大电流传输线路2包括通水冷却的软补偿器、导电铜管、水冷电缆。软补偿器数量和电炉专用单相变压器1低压侧电流输入或输出端的端子数量相同。导电铜管和水冷电缆数量可以和电炉专用单相变压器1低压侧电流输入或输出端的端子数量相同，也可以设计为不同数量。

在现有技术已知的碳化电炉中，由3套电极升降机构3分别夹持1根石墨电极4，电极4之间通过的电流是碳化电炉主供电回路的线电流。

所述6套电极升降机构3，每套包括1根带导轨的升降立柱17、1根升降液压缸19、1根导电横臂16、上下两组导向轮组成的导向轮组18。升降立柱17 的截面可以是圆形的，也可以是矩形或菱形。所述电极升降机构3包含的导电横臂16可以安装到升降立柱17的下端，也可以安装到升降立柱17的顶端。

所述电极升降机构3用来夹持石墨电极4，每台单相变压器1二次出线端的电流进入端和电流输出端各接1根石墨电极4，在电炉熔池水平截面，6根电极 4呈六边形布置，或者6根电极4中的5根呈五边形布置，在五边形的几何中心点布置第6根电极4。电极4下插进入熔池液面后，与熔池内熔融熔体之间产生电弧，或者，在石墨电极4之间的熔体中产生电阻热熔化和加热熔池内物料。

本发明中，由6套电极升降机构3分别夹持1根石墨电极4，同相电极4之间通过的电流是碳化电炉主供电回路的相电流，而此相电流只有碳化电炉主供电回路线电流的0.577倍。

所述3台单相变压器1平均分摊了熔炼电炉总电容量，每台单相变压器1 额定容量是变压器1总容量的三分之一，单相变压器1电流输出端和输入端连接的各1根石墨电极4流过的电流是单相变压器1的相电流，最大电流降低到9 万安培以下，市场上销售的石墨电极4最大载流量完全可以满足熔炼使用要求。

所述炉壳5，包括1个圆筒形带底板28的钢壳(侧筒26)和在钢壳内壁安装的多块通水冷却的金属水冷块27，这些金属水冷块27通过穿过侧筒26的金属板的螺杆挂在炉壳5内壁，从炉壳5底部到炉壳5上口都有，预留1～3个必要的熔体放出通道。各水冷块27之间间隙以及水冷块27与钢壳之间的间隙用填料填塞。在钢壳上为水冷块27安装螺杆以及进水回水管预留的开孔在水冷块 27安装完成后全部焊接密封，以保证炉壳5的整体密封性能。炉壳5还可以包括布置在炉壳5底板28下方对炉壳5底板28冷却的水冷通道29或风冷通道。

已知的碳化电炉中，由一个带底板28的圆筒形钢壳，内部砌筑或打结耐火衬，分为炉墙和炉底，炉墙上口有炉盖，共同组成熔炼用炉衬。典型的碳化电炉的耐火衬由含碳耐火砖堆砌而成。

在现有技术已知的碳化电炉，在炉墙耐火衬30和钢壳之间无水冷块27或只有少量水冷块27。高炉渣高温碳化熔炼最高温度接近2200℃，含钛高炉渣的高温碳化还原反应独具的熔池动力条件使得炉内熔炼反应剧烈，这种炉衬结构在应对高炉渣高温碳化熔炼需要的超高温度表现不好，在高温和熔渣侵蚀下，小型碳化熔炼电炉一次砌筑的耐火衬使用寿命不到200炉次就必须停炉更换。

所述耐火炉衬6包括有一定厚度具有快速传导热功能的炉墙耐火衬30和有一定厚度的炉底耐火衬32，炉底耐火衬32砌筑形状可以是平面，也可以是球面。炉底耐火衬32还可以包括用于炉底部耐火衬冷却的风冷通道。

在现有技术已知的碳化电炉中，炉盖不能起到足够的密封作用。炉盖可能难以作为一个防止有毒气体泄漏的屏障。有毒气体如一氧化碳的泄漏将对操作人员造成潜在危险。

本发明还涉及一个通水冷却的炉盖部件，用于对熔池进行密封，阻断炉内热量、烟气及有害气体外溢。所述水冷炉盖8外形呈圆形锥台状或多边形锥台状，也可以设计为圆台状或正多边形状。所述水冷炉盖8包含底部边缘的法兰 20，通过该法兰20坐在炉壳5上口，中间有数个吊挂组件21承受炉盖自重。

所述水冷炉盖8包含1～2个加入液态高炉渣的高炉渣兑渣口24，高炉渣兑渣口24设置通水冷却的、关闭后可以对加渣口良好密封的盖子。还包含1～3 个关闭后可良好密封的观察门23；还包含多个具备密封功能的加料管密封座22；还包含2～4个能快速泄压的防爆阀25，防爆阀25可以是弹簧控制，也可以是重锤自平衡结构；还包含2～6个炉内压力检测元件。

所述水冷炉盖8全部利用水进行冷却，采用管式水冷结构。炉盖可以是整体结构，也可以是分块拼装结构。

在现有技术已知的碳化电炉中，由于冶炼加入细粉状还原剂，导致熔炼过程产生的烟气中粉尘含量超出常规冶金电炉几倍，排烟管道和除尘系统积灰堵塞频繁发生，再加上炉盖和排烟烟道不能起到足够的密封作用，煤气回收系统吸入过量氧气，带来爆炸危险，或者无法进行煤气回收，造成能源的浪费，并且为生产带来极大安全隐患。

所述烟气收集管道10，在水冷炉盖8表面与两个烟气排出口密封连接，设计有两段烟气上升段(烟气第一上升段33)，上升到一定高度后经过第一段弯头34改为倾斜的烟气第一下降段36，两段管道向下的出口接水冷重力除尘器 37。自重力除尘器37烟气出口汇集成烟气第二上升段38，上升到一定高度后经过第二段弯头39过渡为倾斜的烟气第二下降段41，烟气收集管道10最终与烟气净化和煤气回收系统烟气进口对接。

所述烟气收集管道10，包含数个温度检测元件，用于检测烟气温度；还包括气体成分分析仪器，用于检测内部气体成分。所述烟气收集管道10还包括数个泄爆阀35；所述烟气收集管道10还可以包括1～2个紧急放散水封放散阀(泄爆阀35)。该烟气收集管道10可以全部采用水冷却，也可以部分采用水冷却。

该电炉包括高压配电柜(图1中未示出)、电炉专用单相变压器1、大电流传输线路2、石墨电极4及电极升降机构3、炉壳5、耐火材料炉衬6、水冷炉盖8、6个电极密封装置9、烟气收集管道10。上述设备组成该电炉主体部分，辅助以动力配电系统、控制系统、仪表、冷却水循环冷却系统、液压系统、烟气净化及煤气回收系统、气力系统、加料系统等组成完整一套熔炼电炉。

实际生产过程中，一个冶炼炉次包括：热态熔融高炉渣7用渣罐盛装运输到该电炉加渣工位，通过溜槽将高炉渣热兑加入由炉壳5、耐火炉衬6组成的熔池，关闭热态高炉渣兑渣口24及观察门23等，高压柜断路器合闸后，电炉处于通电状态，此时电极由电压但无电流通过，操作电极升降机构3带动石墨电极4下降，当一台单相变压器连接的两根电极下插接触熔融高炉渣7，或者两台变压器各有一根电极下插接触熔融高炉渣7时，从变压器1低压侧输出的电流经过大电流传输线路2、导电横臂16，石墨电极4就可以进入熔融高炉渣7中，并在液态高炉渣中以电阻热的型式加热升温。

当全部6根电极都接触到熔池内熔融高炉渣时，由于碳化电炉主供电回路中6根石墨电极4成对地接线，成为三个独立的单相组。A、B、C表示单相变压器。a、x、b、y、c、z表示各电极的相或极性。电极a-x、b-y、c-z之间的电压等于线电压U线；而不同相的各电极之间的电压，根据矢量图，在一相的始端和另一相的末端之间等于0.5U线；在两相的始端或者两相的末端之间等于 0.867U线。

由于电极在熔池内对称地布置，电气零点与炉底中心重合，每根电极与炉底之间的电压等于0.5U线。当各个相电压相等时，几乎全部的有效相功率消耗在组成该相的两电极之间的范围之内。

各不同相的电极之间存在着电压，在它们之间的熔池内也有电流。

加热一定时间后，熔融高炉渣7温升达到还原反应所需温度，此时通过安装在炉盖5上的加料管密封座22中间的下料管向熔池内加入还原剂，通过高温下的还原反应，将熔融高炉渣中所含的二氧化钛还原为碳化钛，将普通含钛高炉渣变为氯化法制取钛白粉的碳化渣原料。

冶炼过程中，水冷炉盖5起到良好的密封和隔热作用；炉壳5和包含其中的水冷块27对耐火材料炉衬6中的炉墙耐火衬30和炉底耐火衬32起到有效冷却作用，带走了耐火材料炉衬6中的部分热量，降低了其温度，削弱了高炉渣对炉衬耐火材料的侵蚀速度，从而延长耐火材料炉衬6的使用寿命。

冶炼过程中，炉内产生的高温烟气携带大量粉尘从烟气收集管道10被抽出，烟气收集管道第一上升段33可以减少部分大颗粒粉尘被带走的几率，经过第一段弯头34后迅速进入烟气第一下降段36，落入重力除尘器37，又使部分重质粉尘颗粒得到沉积，重力除尘器37中沉积的粉尘将被定期清理；烟气第二上升段38的作用与第一上升段33类似，最终含尘烟气经第二段弯头39、烟气第二下降段41后进入烟气净化和煤气回收系统。

烟气收集管道10具备冷却功能，可以将烟气温度降低到除尘系统能够承受的温度范围以下。水冷炉盖5所包含的防爆阀25可以在炉内还原反应产生的气体过大，压力超过设定值时自动打开泄压；烟气收集管道10包含的气体分析仪 41可检测烟气所含氧气、一氧化碳气体的浓度；烟气收集管道10包含的泄爆阀 35在管道内出线闪爆时快速泄压确保设备和人员安全。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种多电极高炉渣碳化熔炼电炉，其特征在于，包括炉壳、盖合在所述炉壳上的水冷炉盖以及设置在所述水冷炉盖上的若干电极；每个电极经由设置在炉盖表面的电极孔探入炉壳内部，均通过电极密封装置封闭电极与炉盖表面电极孔之间的间隙，每个电极均连接在电极横臂前端，电极横臂通过抱紧装置固定于电极升降机构，所述电极横臂通过电流传输线路连接至变压器；所述炉盖上连接有烟气收集管道。

2.如权利要求1中所述的多电极高炉渣碳化熔炼电炉，其特征在于，所述传输线路沿由变压器至电极的方向依次设有低压侧出线端子、软补偿器、导电铜管、水冷电缆、电极横臂；所述导电铜管和水冷电缆每相设有若干根，每相通过电极横臂分别独立与电极相连。

3.如权利要求1中所述的多电极高炉渣碳化熔炼电炉，其特征在于，所述电极升降机构包括升降液压缸、与所述升降液压缸相连且用于引导所述升降液压缸运动方向的升降立柱和导向轮组，所述升降立柱连接至导向横臂，所述电极布置在所述导向横臂上。

4.如权利要求1中所述的多电极高炉渣碳化熔炼电炉，其特征在于，所述水冷炉盖上设有用于与炉壳相连的法兰、吊挂组件、加料管密封座、观察门、高炉渣兑渣口、防爆阀。

5.如权利要求1中所述的多电极高炉渣碳化熔炼电炉，其特征在于，所述炉壳包括底板以及设置在所述底板上的侧筒，所述侧筒内部设有水冷块、所述底板下部设有水冷通道。

6.如权利要求1中所述的多电极高炉渣碳化熔炼电炉，其特征在于，所述炉壳内部设有耐火炉衬，所述耐火炉衬包括炉墙耐火衬、炉底耐火衬以及设置在所述炉墙耐火衬侧边的放渣通道和放渣溜槽。

7.如权利要求1中所述的多电极高炉渣碳化熔炼电炉，其特征在于，所述烟气收集管道包括若干烟气传输管及初级重力除尘器，烟气传输管最终与除尘器相连。

8.如权利要求7中所述的多电极高炉渣碳化熔炼电炉，其特征在于，所述烟气传输管包括上升段、过渡段、下降段及初级重力除尘器。

9.如权利要求7中所述的多电极高炉渣碳化熔炼电炉，其特征在于，所述烟气传输管上设有泄爆阀及气体分析仪。

10.如权利要求1中所述的多电极高炉渣碳化熔炼电炉，其特征在于，所述电极设有6根，呈六边形或五边形布置。

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