CN113915999B - 一种中频感应电弧炉及冶炼控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中频感应电弧炉及冶炼控制方法，属于电磁冶金装备领域。电弧炉包括柔性直流电源装置、中频交流电源装置、串联谐振电容器组、转换开关、短网、顶阴极、底阳极、两段中频感应线圈及炉体；柔性直流电源装置通过短网经石墨电极对炉料进行加热，中频交流电源装置经串联谐振电容器组和转换开关后利用中频感应线圈产生高密度磁力线熔炼炉料，炉料全部熔化后柔性直流电源装置和中频交流电源装置配合使用通过功率调节对熔化的炉料进行高强度电磁搅拌，达到熔炼出炉所需温度。本发明通过结合柔性直流电源和中频交流电源二者的优点，可快速熔炼炉内废旧金属和工业固废物，并利用电源的电磁特性对熔化的炉料进行电磁搅拌。
Description
技术领域
本发明属于锅炉技术领域，涉及一种中频感应电弧炉及冶炼控制方法。
背景技术
金属材料生产过程中会产生大量的固废、危废，以钢铁为例，平均每生产1吨粗钢能产生15～25kg的粉尘，粉尘中含有约11％～27％的Zn、25％～47％的Fe及少量的Pb、Cd、As、Cr、F等成分，因其重金属成分含量较高，环境法规中将其划归为工业危废物，不能直接进行填埋处理，需要对粉尘中的Zn、Fe等有害物质进行有效的回收利用。截至2020年，我国电炉钢产能已突破1亿吨，产生约200万吨电炉炼钢粉尘，粉尘中Zn含量达22～54万吨，Fe含量达50～94万吨，电炉炼钢粉尘中的重金属回收再利用市场经济价值巨大。随着全球钢铁产量的攀升和后工业化进程的逐步到来，电炉粉尘及其他工业固废、危废无害化处理问题已然成为世界各国必须面对、亟待解决的难题。
传统工业固废、危废处理多采用挖坑填埋、就地堆放或利用电弧炉进行重熔冶炼，回收粉尘中的部分重金属，但由于其能耗高、投资大、重金属回收品质低、粉尘排放较多等问题，一直难以推广使用。因此，亟待开发新一代重金属固废、危废高效回收利用的无害化处理装备，提高重金属冶炼过程中固废、危废物的重熔效率，降低能耗、提升重金属回收品质，变废为利，实现能源和环境的可持续发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种中频感应电弧炉及冶炼控制方法，充分考虑了电炉粉尘熔炼工况条件对电源装置的供电能力要求，通过结合柔性直流电源和中频交流电源的优点，二者协调配合加速电炉粉尘的熔炼效率并对其进行电磁搅拌，降低处理能耗、高效高品质回收电炉粉尘中的锌、铁等重金属，变废为利，提高综合经济效益。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种中频感应电弧炉，包括柔性直流电源装置、中频交流电源装置、串联谐振电容器组、转换开关、短网、顶阴极、底阳极、两段中频感应线圈及炉体；
所述柔性直流电源装置所用器件为全控型功率半导体器件；
所述中频交流电源装置输出单相交流电的频率为200Hz～2000Hz，所用器件为全控型功率半导体器件；
所述谐振电容器组串接在中频交流电源装置和转换开关之间，转换开关后级接至两段中频感应线圈，形成串联谐振工作模式；
所述顶阴极的材料为石墨；
所述底阳极为多根针状或片状的金属，均匀排列分布于炉体的底部一圈。
可选的，所述转换开关由3个隔离刀组成，谐振电容器组后级并联连接转换开关的S1和S3，S1后级连接炉壁水平中心线以上的中频感应线圈一，S3后级连接炉壁水平中心线以下的中频感应线圈二，S2串接在炉壁中频感应线圈一和中频感应线圈二之间。
可选的，所述中频感应线圈一和中频感应线圈二同时投入工作，或只有中频感应线圈二单独工作，中频感应线圈一匝数为N1，中频感应线圈二匝数为N2，N1和N2的关系如下：
可选的，所述中频感应线圈二位于炉壁水平中心线以下，中频感应线圈一位于炉壁水平中心线以上，且中频感应线圈一和中频感应线圈二的垂直高度之和不超过炉体高度的3/4。
基于所述中频感应电弧炉的冶炼控制方法，根据炉内熔炼金属物料和工业固废物的实际工况条件及实时熔炼状态，通过调节转换开关让炉壁感应线圈运行在不同的模式和功率输出状态，配合柔性直流电源装置的熔炼过程，对炉内熔液进行电磁搅拌。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的技术方案结合了柔性直流电源和中频交流电源二者的优点，通过配合调节二者的供电强度和供电能力，以最匹配的供电模式熔炼炉内的物料，有效降低了处理能耗和提升了处理效率，且两套电源装备采用全控型功率器件，冶炼全过程网侧功率因素均可维持在0.95以上，无需配置动态无功补偿设备，节省了投资，较好的解决了电炉粉尘重熔冶炼与供电能力匹配的问题。
(2)本发明中在冶炼初期将两组电源的功能均定位为供能设备，主要作用是提供电能熔化炉料；熔炼后期将中频交流电源的功能定位为电磁搅拌装备，通过转换开关操作可大幅提升感应线圈对熔液的电磁搅拌强度，配合柔性直流电源高效率工作，高品质回收重金属，最大发挥了中频交流电源装置的供电和电磁搅拌功能。
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为本发明所述中频感应电弧炉的结构图。
附图标记：柔性直流电源装置1、中频交流电源装置2、短网3、顶阴极4、串联谐振电容器组5、转换开关6、中频感应线圈一7、中频感应线圈二8、底阳极9、炉体10。
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。
图1为本发明所述中频感应电弧炉的结构图，包括柔性直流电源装置1、中频交流电源装置2、短网3、顶阴极4、串联谐振电容器组5、转换开关6、中频感应线圈一7、中频感应线圈二8、底阳极9及炉体10；
所述柔性直流电源装置1所用器件为IGBT、IGCT等全控型功率半导体器件；
所述中频交流电源装置2输出单相交流电的频率为(200Hz～2000Hz)，所用器件为IGBT、IGCT等全控型功率半导体器件；
所述谐振电容器组5串接在中频交流电源装置和转换开关之间，转换开关6后级接至两段中频感应线圈7和8，形成串联谐振工作模式；
所述顶阴极4为石墨材料或其他具有高导电、高导热、低阻抗的材料；
所述底阳极9为高导电、高导热的多根针状或片状金属材料，均匀排列分布于炉底一圈；
进一步的，所述转换开关6由3个隔离刀组成，谐振电容器组5后级并联连接转换开关6的S1和S3，S1后级连接炉壁水平中心线以上的中频感应线圈一7，S3后级连接炉壁水平中心线以下的中频感应线圈二8，S2串接在炉壁中频感应线圈一和中频感应线圈二之间；
进一步的，所述中频感应线圈一和中频感应线圈二可以同时投入工作，也可以只让中频感应线圈二8单独工作，中频感应线圈一7匝数为N1，中频感应线圈二8匝数为N2，N1和N2的关系如下：
进一步的，中频感应线圈二8全部位于炉壁水平中心线以下，中频感应线圈一7全部位于水平中心线以上，且中频感应线圈一和中频感应线圈二的垂直高度之和不超过炉体高度的3/4。
进一步的，根据炉内熔炼金属物料和工业固废物的实际工况条件及实时熔炼状态，通过调节转换开关6让炉壁感应线圈运行在不同的模式和功率输出状态，配合柔性直流电源装置的熔炼过程，对炉内熔液进行电磁搅拌，提高生产效率。
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 (2)
1.一种中频感应电弧炉，其特征在于：包括柔性直流电源装置、中频交流电源装置、串联谐振电容器组、转换开关、短网、顶阴极、底阳极、两段中频感应线圈及炉体；
所述柔性直流电源装置所用器件为全控型功率半导体器件；
所述中频交流电源装置输出单相交流电的频率为200Hz～2000Hz，所用器件为全控型功率半导体器件；
所述谐振电容器组串接在中频交流电源装置和转换开关之间，转换开关后级接至两段中频感应线圈，形成串联谐振工作模式；
所述顶阴极的材料为石墨；
所述底阳极为多根针状或片状的金属，均匀排列分布于炉体的底部一圈；
所述转换开关由3个隔离刀组成，谐振电容器组后级并联连接转换开关的S1和S3，S1后级连接炉壁水平中心线以上的中频感应线圈一，S3后级连接炉壁水平中心线以下的中频感应线圈二，S2串接在炉壁中频感应线圈一和中频感应线圈二之间；
所述中频感应线圈一和中频感应线圈二同时投入工作，或只有中频感应线圈二单独工作，中频感应线圈一匝数为N1，中频感应线圈二匝数为N2，N1和N2的关系如下：
所述中频感应线圈二位于炉壁水平中心线以下，中频感应线圈一位于炉壁水平中心线以上，且中频感应线圈一和中频感应线圈二的垂直高度之和不超过炉体高度的3/4。
2.基于权利要求1所述中频感应电弧炉的冶炼控制方法，其特征在于：根据炉内熔炼金属物料和工业固废物的实际工况条件及实时熔炼状态，通过调节转换开关让炉壁感应线圈运行在不同的模式和功率输出状态，配合柔性直流电源装置的熔炼过程，对炉内熔液进行电磁搅拌。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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