CN115369201A - 一种超短流程的冷固球团在线金属化的装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超短流程的冷固球团在线金属化的装置及使用方法，属于炼钢的技术领域。所述冷固球团在线金属化的装置包括电弧炉、计算机控制系统、烟气预热通道和金属料上料系统；所述电弧炉的一侧与所述烟气预热通道相连通，所述烟气预热通道包括低温还原段、高温还原段和升温加热段，所述高温还原段远离电弧炉的一端与所述金属料上料系统相连通；所述烟气预热通道上设置有氢氧烧嘴、烟气分析仪和非接触式测温装置；所述计算机控制系统通过设置的控制线路与氢氧烧嘴、烟气分析仪和非接触式测温装置电连接。本发明通过全程动态控制冷固球团温度和烟气CO和H2含量，大大提高了冷固球团金属化率、温度、反应效率、在线金属化控制水平。

Description

一种超短流程的冷固球团在线金属化的装置及使用方法
技术领域
本发明属于炼钢的技术领域，涉及一种基于冷固球团的超短流程低碳炼钢系统及使用方法。
背景技术
电弧炉使用直接还原铁炼钢，具有化学成分稳定，杂质元素少，金属化率高等特点，是替代废钢冶炼高品质特殊钢的优质原料。
目前现有的生产工艺有以天然气、氢气等作还原气在竖炉内与铁矿石发生逆流交换反应生产直接还原铁的气基工艺和以化石燃料和碳质还原剂在转底炉或回转窑中对球团矿进行焙烧还原的煤基工艺。
国内由于铁矿石品位，还原气资源的限制，主要以煤基工艺为主。但随着碳达峰，碳中和目标的提出，钢铁行业很难维持以转底炉或回转窑为主的煤基工艺，且上述生产的直接还原铁需冷却到常温再运输至电弧炉冶炼，过程浪费了大量的能量，因此如何清洁高效节能化生产直接还原铁作为电弧炉炼钢原料已成为主要问题。
电弧炉炼钢过程中会产生大量的高温烟气（约1200℃左右），通常会将这部分能量进行余热回收。但为保护余热回收系统的热管和除尘器不超温运行，烟气需经过水冷烟道待冷却至800℃左右才能利用。在这过程中，烟气温度损失严重，余热未得到充分利用，造成能量浪费。
针对国内直接还原铁的生产现状和高温烟气余热未充分利用的问题，现有技术中公开了一种利用电弧炉烟气余热制备金属化球团的工艺方法，通过将高温烟气引入加热装置对矿粉球团进行预热还原，生产金属化球团代替部分废钢用于电弧炉冶炼。
中国专利CN209722240U公开了一种利用竖炉尾气烘烤炼钢用冷固球团的装置，虽然能够充分利用余热能源烘烤球团，但是显然冷固球团的放置装置表明冷固球团输送连续性差，机械化程度低，连续烘干过程的手工操作强度大。
现有技术中还公开了一种利用矿热炉产生的高温烟气制备金属化球团的方法。上述两种工艺都实现了利用烟气余热制备金属化球团作为炼钢原料，提供了一种制备直接还原铁的新工艺，同时解决了烟气余热能量浪费的问题。
但上述工艺都存在球团金属化过程中所需的还原温度和还原气氛无法准确控制，烟气余热利用率低，还原周期长，反应效率低等问题。
综上所述，现有的电弧炉炼钢使用直接还原铁生产流程存在还原过程控制差、直接还原铁还原时间较长、还原效率低等问题。因此，如何在保证烟气余热利用率高的基础上，设计出能够实现充分利用电弧炉烟气余热特点、缩短还原周期、提高反应效率、提升冷固球团在线金属化过程智能化控制水平等优势的超短流程的冷固球团在线金属化的装置及使用方法，是现有技术亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的电弧炉炼钢生产的直接还原铁存在多种问题，例如球团金属化过程中所需的还原温度和还原气氛无法及时准确控制、烟气余热利用率低、还原周期长、反应效率低等技术缺陷，手动控制效果低下且不及时，操作复杂，操作难度大，不利于工业大规模生产和推广。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种超短流程的冷固球团在线金属化的装置，所述冷固球团在线金属化的装置包括电弧炉、计算机控制系统、烟气预热通道和金属料上料系统；所述电弧炉的一侧与所述烟气预热通道相连通，所述烟气预热通道包括低温还原段、高温还原段和升温加热段，所述高温还原段远离电弧炉的一端与所述金属料上料系统相连通；所述烟气预热通道上设置有氢氧烧嘴、烟气分析仪和非接触式测温装置；所述计算机控制系统通过设置的控制线路与氢氧烧嘴、烟气分析仪和非接触式测温装置电连接。
优选地，所述电弧炉包括电极、炉壁集束氧枪、碳枪、埋入式喷粉枪和底吹元件；所述电极设置在电弧炉的顶部，所述炉壁集束氧枪设置在电弧炉炉壁，所述碳枪设置在电弧炉炉壁，所述埋入式喷粉枪设置在电弧炉炉壁熔池液面以下，所述底吹元件设置在电弧炉底部；其中所述电极、所述炉壁集束氧枪、所述碳枪、所述埋入式喷粉枪和所述底吹元件从高到低依次设置。
优选地，所述烟气预热通道包括低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴、第一段链板输送机、溜槽、第二段链板输送机、水冷装置和金属料加料挡板；所述低温还原段氢氧烧嘴设置在所述烟气预热通道的低温还原段，所述高温还原段氢氧烧嘴设置在所述烟气预热通道的高温还原段，所述低温还原段和所述高温还原段之间通过溜槽相连通，所述升温加热段氢氧烧嘴设置在所述烟气预热通道的升温加热段，所述链板输送机设置在所述烟气预热通道内的底部，所述水冷装置设置在所述第一段链板输送机、第二段链板输送机的底部，且所述低温还原段内设置有一部分第二段链板输送机，所述金属料加料挡板设置在所述高温还原段远离电弧炉的一端。
优选地，所述低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴均使用可燃气体包括氢气、一氧化碳、氧气、甲烷、煤气中至少一种，所述低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴的冷却保护均采用水冷或者气冷保护，气体燃烧喷吹角度可调，火焰温度可调。
优选地，所述低温还原段远离电弧炉的一侧的烟气预热通道部分设置有另一部分第二段链板输送机、冷固球团加料口、冷固球团加料挡板、除尘装置、以及除尘装置上设置的气体气源；所述另一部分第二段链板输送机与所述一部分第二段链板输送机相连通，所述冷固球团加料口设置在所述低温还原段远离电弧炉的一侧的烟气预热通道部分的顶部并相连通，所述冷固球团加料挡板固定设置在所述冷固球团加料口，所述除尘装置设置在所述冷固球团加料口后端、并与所述低温还原段远离电弧炉的一侧的烟气预热通道端部的顶部相连通；所述气体气源设置在所述烟气预热通道的一旁，并通过供气管道和供气阀组与计算机控制系统和低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴、非接触式测温装置连接。
优选地，所述供气阀组包括多组相互独立的进气管道、管道线路和部件数量根据现场实际需求布置。
优选地，所述供气阀组包括但不仅限于以下部件：气体进口、球阀、进口压力显示表、截止阀、安全阀、压力调节器、流量调节器、单向阀、出口压力显示表和气体汇流器；
其中：所述气体进口的一端与所述气体气源相连通，另一端分为多个端口，每个端口通过进气管道与每个球阀相连通，每个球阀通过进气管道与每个进口压力显示表相连通，每个进口压力显示表通过进气管道与每个截止阀相连通，每个截止阀通过进气管道与每个安全阀相连通，每个安全阀通过进气管道与每个压力调节器相连通，每个压力调节器通过进气管道与每个流量调节器相连通，每个流量调节器通过进气管道与每个单向阀相连通，每个单向阀通过进气管道与每个出口压力显示表相连通，每个出口压力显示表通过进气管道与气体汇流器相连通，气体汇流器分为多个端口，每个端口通过进气管道与氢氧烧嘴相连通。
优选地，所述金属料上料系统包括振动筛、高位料仓、上料轨道、运斗车、低位料仓；所述振动筛设置在所述高位料仓内，且与所述烟气预热通道的高温还原段远离所述电弧炉的一端的尾部相连通，所述高位料仓的远离所述烟气预热通道的一端与所述上料轨道相连通，所述运斗车在所述上料轨道上滑动设置，所述上料轨道的远离所述高位料仓的一端与所述低位料仓相连通。
一种所述的超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法，所述超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法是：首先，将冷固球团铺满烟气预热通道，利用烟气余热与冷固球团发生热交换；其次，借助安装在烟气预热通道上方的非接触式测温装置以空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘，利用安装在其内部的红外热成像仪实时拍摄冷固球团红外图像和安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量并传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度；再次，计算机控制系统根据测量得到的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度控制氢氧烧嘴不同种类气体流量比例和火焰燃烧温度，冷固球团输送速度和除尘风机抽风量，充分保障冷固球团所需的还原气氛，还原时间和加热温度；最后，当冷固球团金属化率和温度达到冶炼要求时通过电弧炉第四孔直接将金属化球团送入熔池进行冶炼，从而实现集烟气分析、温度检测、气氛控制、氢氧燃烧于一体的冷固球团在线金属化工艺控制。
优选地，所述超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法如下步骤：
S1、在计算机控制系统作用下，开启冷固球团加料挡板加入冷固球团，控制冷固球团输送能力直至铺满烟气预热通道低温还原段，停止球团输送；同时废钢及其它金属料上料，控制其输送能力，在烟气预热通道的高温还原段和升温加热段持续预热并通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼，调节除尘装置的风量，将产生的高温烟气吸入烟气预热通道低温还原段与铺满烟气预热通道低温还原段的冷固球团发生热交换；
S2、步骤S1中的热交换完成后，利用计算机控制系统启动烟气预热通道上方的非接触式测温装置，并以空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘；利用安装在非接触式测温装置内部的红外热成像仪实时拍摄冷固球团红外图像，同时利用安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量，将实时拍摄冷固球团红外图像和实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量的数据传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据；
S3、通过步骤S2中获得的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据，判断是否满足低温还原段温度和气氛条件；不满足的情况下，通过计算机控制系统启动安装在烟气预热通道的低温还原段氢氧烧嘴，控制气体流量配比进行喷吹燃烧，根据红外热成像仪检测冷固球团温度和根据烟气分析仪检测的气体浓度反馈调节协同控制气体配比、气体流量大小以及火焰温度，保证冷固球团在适宜的还原气氛下持续预热还原；待提前设定的废钢重量加料完成，开始向高温还原段输送预还原的冷固球团，同时关闭低温还原段氢氧烧嘴；
S4、步骤S3的废钢重量加料完成后，开启安装在烟气预热通道的高温还原段氢氧烧嘴，调节气体流量配比及火焰大小，控制冷固球团输送能力，使冷固球团在高温还原段进一步深度还原；待冷固球团输送至升温加热段，利用安装在烟气预热通道高温还原段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度；调节安装在烟气预热通道的升温加热段氢氧烧嘴的火焰大小，加热冷固球团，提高其入炉温度，利用安装在烟气预热通道升温加热段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度是否满足冶炼要求，满足要求时直接通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼；
S5、待步骤S4的冷固球团加料完成后，在计算机控制系统作用下再次进行冷固球团和废钢及其它金属料的上料直至铺满烟气预热通道，之后调节除尘装置的风量进行冷固球团和废钢及其它金属料预热还原或升温，直至电弧炉冶炼结束，完成出钢；
S6、重复上述步骤，开启下炉冶炼。
优选地，所述低温还原段温度控制为200-600℃，烟气中的CO含量为30-60%，H2含量为10-40%；所述高温还原段温度控制为600-1200℃，烟气中的CO含量为15-40%，H2含量为15-60%；所述升温加热段温度控制为1200-1400℃，所述超短流程炼钢用冷固球团入炉温度为1200℃以上，球团金属化率为85%以上。
优选地，所述除尘装置的抽风量设定值为2000-30000Nm3/h；所述冷固球团输送速度为0.5 -5t/min；所述低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴的喷吹流量均为50-5000Nm3/h，所述低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴的数量为3-15支；所述非接触式测温装置数量确定为2-5套，非接触式测温装置辅助射流气体流量为5-30 Nm3/h。
优选地，所述超短流程炼钢用冷固球团加料比例可以为10-100%，适用于30-350t连续加料电弧炉冷固球团在线金属化工艺控制。
优选地，采用本发明所述方法后，平均45min内完成钢水冶炼，冷固球团入炉平均金属化率达到85%以上，球团入炉温度平均在1200℃以上，有效替代废钢30-50%生产，吨钢生产能耗降低15kgce，吨钢生产成本降低30-150元。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
上述方案中，本发明的所述超短流程的冷固球团在线金属化的装置，能够利用烟气分析仪、非接触式测温装置、氢氧烧嘴和相关控制系统对烟气预热通道中的冷固球团温度和烟气内CO和H2含量进行检测和反馈调节控制，从而提供一种集烟气分析、温度检测、气氛控制、氢氧燃烧于一体的冷固球团在线金属化工艺控制方法。
本发明的装置结构设置能够控制氢氧烧嘴气体种类和流量大小，冷固球团输送速度和除尘风机抽风量，调节烟气预热通道还原气氛及火焰加热温度，使冷固球团在烟气预热通道达到充分还原和升温加热的目的，为电弧炉炼钢提供优质原料。
本发明针对不同的电弧炉炼钢生产过程，充分利用电弧炉烟气余热和氢氧烧嘴协同作用，对金属料和冷固球团进行预热升温；可以大幅减少烟气余热直接被除尘风机抽走，避免造成能量的浪费；同时也对烟气温度进行加热，控制烟气温度区间，减少烟尘中氯化物和二噁英的产生，减少对环境产生的污染。
本发明可以实现超短流程低碳炼钢，其是利用金属料上料系统持续上料，通过烟气预热通道对金属料进行预热，连续加料进入电弧炉熔池；同时，烟气余热和氢氧烧嘴连续供热对连续加料还原通道中的冷固球团进行预热还原升温，利用高速氧气射流、喷吹碳粉、喷吹石灰粉、底吹搅拌等多种技术协同作用于电弧炉熔池炼钢，实现原料-钢水快速炼钢。
本发明平均45min内完成钢水冶炼，冷固球团入炉平均金属化率达到85%以上，球团入炉温度平均在1200℃以上，有效替代废钢30-50%生产，吨钢生产能耗降低15kgce，吨钢生产成本降低30-150元。
本发明相对于现有技术，冷固球团金属化率提高了5-20%，温度提高了80-200%，还原时间缩短了50%，反应效率提高了10-35%，冷固球团的在线金属化控制水平提高了25-35%。
总之，本发明通过全程动态控制冷固球团温度和烟气CO和H2含量，冷固球团金属化率和温度大幅度提高，缩短了还原时间，提高反应效率，提升了冷固球团的在线金属化控制水平，降低了炼钢生产成本，利于工业大规模生产和推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种超短流程的冷固球团在线金属化的装置的结构示意图；
图2为本发明的一种超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法的装置控制线路图；
图3为本发明的一种超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法的装置气体管道控制图；
附图标记说明如下：
1、除尘装置；2、气体气源；3、供气管道；4、供气阀组；5、计算机控制系统；6、电弧炉；7、烟气预热通道；8、氢氧烧嘴；9、烟气分析仪；10、非接触式测温装置；11、控制线路；401、气体进口；402、球阀；403、进口压力显示表；404、截止阀；405、安全阀；406、压力调节器；407、流量调节器；408、单向阀；409、出口压力显示表；410、气体汇流器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案和解决的技术问题进行阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部实施例。
如图1-3所示，一种超短流程的冷固球团在线金属化的装置，所述冷固球团在线金属化的装置包括电弧炉6、计算机控制系统5、烟气预热通道7和金属料上料系统；所述电弧炉6的一侧与所述烟气预热通道7相连通，所述烟气预热通道7包括低温还原段、高温还原段和升温加热段，所述高温还原段远离电弧炉6的一端与所述金属料上料系统相连通；所述烟气预热通道7上设置有氢氧烧嘴8、烟气分析仪9和非接触式测温装置10；所述计算机控制系统5通过设置的控制线路11与氢氧烧嘴8、烟气分析仪9和非接触式测温装置10电连接。
进一步地，所述电弧炉6包括电极、炉壁集束氧枪、碳枪、埋入式喷粉枪和底吹元件；所述电极设置在电弧炉6的顶部，所述炉壁集束氧枪设置在电弧炉6炉壁，所述碳枪设置在电弧炉6炉壁，所述埋入式喷粉枪设置在电弧炉6炉壁熔池液面以下，所述底吹元件设置在电弧炉6底部；其中所述电极、所述炉壁集束氧枪、所述碳枪、所述埋入式喷粉枪和所述底吹元件从高到低依次设置。
进一步地，所述烟气预热通道7包括低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴、第一段链板输送机、溜槽、第二段链板输送机、水冷装置和金属料加料挡板；所述低温还原段氢氧烧嘴设置在所述烟气预热通道的低温还原段，所述高温还原段氢氧烧嘴设置在所述烟气预热通道的高温还原段，所述低温还原段和所述高温还原段之间通过溜槽相连通，所述升温加热段氢氧烧嘴设置在所述烟气预热通道的升温加热段，所述链板输送机设置在所述烟气预热通道内的底部，所述水冷装置设置在所述第一段链板输送机、第二段链板输送机的底部，且所述低温还原段内设置有一部分第二段链板输送机，所述金属料加料挡板设置在所述高温还原段远离电弧炉的一端。
进一步地，所述低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴均使用可燃气体包括氢气、一氧化碳、氧气、甲烷、煤气中至少一种，所述低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴的冷却保护均采用水冷或者气冷保护，气体燃烧喷吹角度可调，火焰温度可调。
进一步地，所述低温还原段远离电弧炉的一侧的烟气预热通道部分设置有另一部分第二段链板输送机、冷固球团加料口、冷固球团加料挡板、除尘装置1、以及除尘装置1上设置的气体气源2；所述另一部分第二段链板输送机与所述一部分第二段链板输送机相连通，所述冷固球团加料口设置在所述低温还原段远离电弧炉的一侧的烟气预热通道部分的顶部并相连通，所述冷固球团加料挡板固定设置在所述冷固球团加料口，所述除尘装置1设置在所述冷固球团加料口后端、并与所述低温还原段远离电弧炉的一侧的烟气预热通道7端部的顶部相连通；所述气体气源2设置在所述烟气预热通道7的一旁，并通过供气管道3和供气阀组4与计算机控制系统5和低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴、非接触式测温装置10连接。
进一步地，计算机控制系统5所连接的控制线路11采用分布式控制系统，具备数据采集、计算处理、通讯、显示和控制等多功能。计算机控制系统5分别控制多支氢氧烧嘴8、烟气分析仪9、非接触式测温装置10、除尘装置1和供气阀组4中的进口压力显示表403、压力调节器406、流量调节器407、出口压力显示表409。在计算机控制系统中集中显示，分散控制，综合协调。
进一步地，所述供气阀组4包括多组相互独立的进气管道、管道线路和部件数量根据现场实际需求布置。
进一步地，所述供气阀组4包括但不仅限于以下部件：气体进口401、球阀402、进口压力显示表403、截止阀404、安全阀405、压力调节器406、流量调节器407、单向阀408、出口压力显示表409和气体汇流器410；
其中：所述气体进口401的一端与所述气体气源2相连通，另一端分为多个端口，每个端口通过进气管道与每个球阀402相连通，每个球阀402通过进气管道与每个进口压力显示表403相连通，每个进口压力显示表403通过进气管道与每个截止阀404相连通，每个截止阀404通过进气管道与每个安全阀405相连通，每个安全阀405通过进气管道与每个压力调节器406相连通，每个压力调节器406通过进气管道与每个流量调节器407相连通，每个流量调节器407通过进气管道与每个单向阀408相连通，每个单向阀408通过进气管道与每个出口压力显示表409相连通，每个出口压力显示表409通过进气管道与气体汇流器410相连通，气体汇流器410分为多个端口，每个端口通过进气管道与氢氧烧嘴8相连通。
进一步地，所述金属料上料系统包括振动筛、高位料仓、上料轨道、运斗车、低位料仓；所述振动筛设置在所述高位料仓内，且与所述烟气预热通道的高温还原段远离所述电弧炉的一端的尾部相连通，所述高位料仓的远离所述烟气预热通道的一端与所述上料轨道相连通，所述运斗车在所述上料轨道上滑动设置，所述上料轨道的远离所述高位料仓的一端与所述低位料仓相连通。
一种所述的超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法，所述超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法是：首先，将冷固球团铺满烟气预热通道，利用烟气余热与冷固球团发生热交换；其次，借助安装在烟气预热通道上方的非接触式测温装置以空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘，利用安装在其内部的红外热成像仪实时拍摄冷固球团红外图像和安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量并传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度；再次，计算机控制系统根据测量得到的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度控制氢氧烧嘴不同种类气体流量比例和火焰燃烧温度，冷固球团输送速度和除尘风机抽风量，充分保障冷固球团所需的还原气氛，还原时间和加热温度；最后，当冷固球团金属化率和温度达到冶炼要求时通过电弧炉第四孔直接将金属化球团送入熔池进行冶炼，从而实现集烟气分析、温度检测、气氛控制、氢氧燃烧于一体的冷固球团在线金属化工艺控制。
进一步地，所述超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法如下步骤：
S1、在计算机控制系统作用下，开启冷固球团加料挡板加入冷固球团，控制冷固球团输送能力直至铺满烟气预热通道低温还原段，停止冷固球团输送；同时废钢及其它金属料上料，控制其输送能力，在烟气预热通道的高温还原段和升温加热段持续预热并通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼，调节除尘装置的风量，将产生的高温烟气吸入烟气预热通道低温还原段与铺满烟气预热通道低温还原段的冷固球团发生热交换；
S2、步骤S1中的热交换完成后，利用计算机控制系统启动烟气预热通道上方的非接触式测温装置，并以空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘；利用安装在非接触式测温装置内部的红外热成像仪实时拍摄冷固球团红外图像，同时利用安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量，将实时拍摄冷固球团红外图像和实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量的数据传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据；
S3、通过步骤S2中获得的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据，判断是否满足低温还原段温度和气氛条件；不满足的情况下，通过计算机控制系统启动安装在烟气预热通道的低温还原段氢氧烧嘴，控制气体流量配比进行喷吹燃烧，根据红外热成像仪检测冷固球团温度和根据烟气分析仪检测的气体浓度反馈调节协同控制气体配比、气体流量大小以及火焰温度，保证冷固球团在适宜的还原气氛下持续预热还原；待提前设定的废钢重量加料完成，开始向高温还原段输送预还原的冷固球团，同时关闭低温还原段氢氧烧嘴；
S4、步骤S3的废钢重量加料完成后，开启安装在烟气预热通道的高温还原段氢氧烧嘴，调节气体流量配比及火焰大小，控制冷固球团输送能力，使冷固球团在高温还原段进一步深度还原；待冷固球团输送至升温加热段，利用安装在烟气预热通道高温还原段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度；调节安装在烟气预热通道的升温加热段氢氧烧嘴的火焰大小，加热冷固球团，提高其入炉温度，利用安装在烟气预热通道升温加热段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度是否满足冶炼要求，满足要求时直接通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼；
S5、待步骤S4的冷固球团加料完成后，在计算机控制系统作用下再次进行冷固球团和废钢及其它金属料的上料直至铺满烟气预热通道，之后调节除尘装置的风量进行冷固球团和废钢及其它金属料预热还原或升温，直至电弧炉冶炼结束，完成出钢；
S6、重复上述步骤，开启下炉冶炼。
优选地，所述低温还原段温度控制为200-600℃，烟气中的CO含量为30-60%，H2含量为10-40%；所述高温还原段温度控制为600-1200℃，烟气中的CO含量为15-40%，H2含量为15-60%；所述升温加热段温度控制为1200-1400℃，所述超短流程炼钢用冷固球团入炉温度为1200℃以上，球团金属化率为85%以上。
进一步地，所述除尘装置的抽风量设定值为2000-30000Nm3/h；所述冷固球团输送速度为0.5 -5t/min；所述低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴的喷吹流量均为50-5000Nm3/h，所述低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴的数量为3-15支；所述非接触式测温装置数量确定为2-5套，非接触式测温装置辅助射流气体流量为5-30 Nm3/h。
进一步地，所述超短流程炼钢用冷固球团加料比例可以为10-100%，适用于30-350t连续加料电弧炉冷固球团在线金属化工艺控制。
实施例1
本发明应用于100 t 连续加料电弧炉，用于冶炼Q355B钢，采用加入30%冷固球团，70%废钢作为冶炼原料，烟气预热通道低温还原段顶部并排安装4支氢氧烧嘴，烟气预热通道高温还原段顶部并排安装6支氢氧烧嘴，烟气预热通道升温加热段顶部并排安装4支氢氧烧嘴。非接触式测温装置2套，分别安装在烟气预热通道低温还原段顶部和高温还原段顶部。燃烧气体为混合煤气，CO含量27%，H2含量为11%。
具体冶炼过程如下：
S1、在计算机控制系统作用下，开启冷固球团加料挡板加入冷固球团，控制冷固球团输送能力为1.5t/min，20分钟后冷固球团铺满烟气预热通道低温还原段，停止球团输送；同时废钢及其它金属料上料，其输送能力为2.5-3.2t/min，在烟气预热通道的高温还原段和升温加热段持续预热至200℃左右，并通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼，调节除尘装置的风量为6000Nm3/h，将产生的高温烟气吸入烟气预热通道低温还原段与铺满烟气预热通道低温还原段的冷固球团发生热交换；
S2、步骤S1中的热交换完成后，利用计算机控制系统启动烟气预热通道上方的非接触式测温装置，并以流量为5Nm3/h的空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘；利用安装在非接触式测温装置内部的红外热成像仪以100ms的拍摄间隔实时拍摄冷固球团红外图像，同时利用安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪以30s的检测时间实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量，将实时拍摄冷固球团红外图像和实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量的数据传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度为80℃，烟气中CO含量为19.1%，H2含量为6.7%；
S3、通过步骤S2中获得的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据，判断不满足低温还原段温度和气氛条件；不满足的情况下，通过计算机控制系统启动安装在烟气预热通道的4支低温还原段氢氧烧嘴，控制气体总流量为400Nm3/h进行喷吹燃烧，根据红外热成像仪检测冷固球团温度和根据烟气分析仪检测的气体浓度反馈调节协同控制气体总流量为440Nm3/h、烟气中CO含量为32%，H2含量为12.4%，冷固球团平均温度为530℃，以保证冷固球团在适宜的还原气氛下持续预热还原；待提前设定的废钢重量加料完成，开始向高温还原段输送预还原的冷固球团，同时关闭低温还原段氢氧烧嘴；
S4、冶炼开始24分钟，步骤S3的70t废钢加料完成后，开启安装在烟气预热通道的6支高温还原段氢氧烧嘴，调节气体总流量为800Nm3/h，控制冷固球团输送速度为3t/min，检测烟道中烟气中CO平均含量为27%，H2含量为16%，以使冷固球团在高温还原段进一步深度还原；待冷固球团输送至升温加热段，利用安装在烟气预热通道高温还原段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度，检测的冷固球团平均温度为950℃，尚不满足球团入炉温度；调节安装在烟气预热通道的4支升温加热段氢氧烧嘴的火焰大小，增大喷吹气体总流量为800Nm3/h，加热冷固球团，提高其入炉温度，利用安装在烟气预热通道升温加热段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度是否满足冶炼要求，当实时检测冷固球团温度入炉平均温度为1270℃，抽样检测，冷固球团入炉平均金属化率为83%，满足要求时直接通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼；
S5、冶炼开始34分钟，步骤S4的冷固球团加料完成后，在计算机控制系统作用下再次进行冷固球团和废钢及其它金属料的上料直至铺满烟气预热通道，之后调节除尘装置的风量为3000Nm3/h，进行冷固球团和废钢及其它金属料预热还原或升温，直至电弧炉冶炼结束，此时是冶炼开始45分钟，完成出钢；
S6、重复上述步骤，开启下炉冶炼。
采用本实施例的超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法后，平均45min内完成钢水冶炼，冷固球团入炉平均金属化率达到85%以上，球团入炉温度平均在1200℃以上，有效替代废钢30%生产，吨钢生产能耗降低15kgce，吨钢生产成本降低30元。
实施例2
本发明应用于100 t CONSTEEL电弧炉，用于冶炼低合金CrMo系钢种，采用加入50%冷固球团，50%废钢作为冶炼原料，烟气预热通道低温还原段顶部并排安装6支氢氧烧嘴，烟气预热通道高温还原段顶部并排安装6支氢氧烧嘴，烟气预热通道升温加热段顶部并排安装6支氢氧烧嘴。非接触式测温装置2套，分别安装在烟气预热通道低温还原段顶部和高温还原段顶部。燃烧气体为混合煤气，CO含量35%，H2含量为12%。
具体冶炼过程如下：
S1、在计算机控制系统作用下，开启冷固球团加料挡板加入冷固球团，控制冷固球团输送能力为2.5t/min，20分钟后冷固球团铺满烟气预热通道低温还原段，停止球团输送；同时废钢及其它金属料上料，其输送能力为2.2-3.2t/min，在烟气预热通道的高温还原段和升温加热段持续预热至240℃左右，并通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼，调节除尘装置的风量为5500Nm3/h，将产生的高温烟气吸入烟气预热通道低温还原段与铺满烟气预热通道低温还原段的冷固球团发生热交换；
S2、步骤S1中的热交换完成后，利用计算机控制系统启动烟气预热通道上方的非接触式测温装置，并以流量为7Nm3/h的空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘；利用安装在非接触式测温装置内部的红外热成像仪以100ms的拍摄间隔实时拍摄冷固球团红外图像，同时利用安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪以30s的检测时间实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量，将实时拍摄冷固球团红外图像和实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量的数据传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度为105℃，烟气中CO含量为15.1%，H2含量为9.7%；
S3、通过步骤S2中获得的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据，判断不满足低温还原段温度和气氛条件；不满足的情况下，通过计算机控制系统启动安装在烟气预热通道的6支低温还原段氢氧烧嘴，控制气体总流量为550Nm3/h进行喷吹燃烧，根据红外热成像仪检测冷固球团温度和根据烟气分析仪检测的气体浓度反馈调节协同控制气体总流量为600Nm3/h、烟气中CO含量为42%，H2含量为15.7%，冷固球团平均温度为610℃，以保证冷固球团在适宜的还原气氛下持续预热还原；待提前设定的废钢重量加料完成，开始向高温还原段输送预还原的冷固球团，同时关闭低温还原段氢氧烧嘴；
S4、冶炼开始24分钟，步骤S3的50t废钢加料完成后，开启安装在烟气预热通道的6支高温还原段氢氧烧嘴，调节气体总流量为850Nm3/h，控制冷固球团输送速度为3.2t/min，检测烟道中烟气中CO平均含量为29.5%，H2含量为15.5%，以使冷固球团在高温还原段进一步深度还原；待冷固球团输送至升温加热段，利用安装在烟气预热通道高温还原段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度，检测的冷固球团平均温度为974℃，尚不满足球团入炉温度；调节安装在烟气预热通道的6支升温加热段氢氧烧嘴的火焰大小，增大喷吹气体总流量为830Nm3/h，加热冷固球团，提高其入炉温度，利用安装在烟气预热通道升温加热段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度是否满足冶炼要求，当实时检测冷固球团温度入炉平均温度为1247℃，抽样检测，冷固球团入炉平均金属化率为85%，满足要求时直接通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼；
S5、冶炼开始34分钟，步骤S4的冷固球团加料完成后，在计算机控制系统作用下再次进行冷固球团和废钢及其它金属料的上料直至铺满烟气预热通道，之后调节除尘装置的风量为3500Nm3/h，进行冷固球团和废钢及其它金属料预热还原或升温，直至电弧炉冶炼结束，此时是冶炼开始47分钟，完成出钢；
S6、重复上述步骤，开启下炉冶炼。
采用本实施例的超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法后，平均47min内完成钢水冶炼，冷固球团入炉平均金属化率达到85%以上，球团入炉温度平均在1240℃以上，有效替代废钢50%生产，吨钢生产能耗降低13kgce，吨钢生产成本降低37元。
实施例3
本发明应用于75 t CONSTEEL电弧炉，用于冶炼SiMn特殊钢，采用加入18%冷固球团，82%废钢作为冶炼原料，烟气预热通道低温还原段顶部并排安装4支氢氧烧嘴，烟气预热通道高温还原段顶部并排安装4支氢氧烧嘴，烟气预热通道升温加热段顶部并排安装4支氢氧烧嘴。非接触式测温装置2套，分别安装在烟气预热通道低温还原段顶部和高温还原段顶部。燃烧气体为混合煤气，CO含量42%，H2含量为21%。
具体冶炼过程如下：
S1、在计算机控制系统作用下，开启冷固球团加料挡板加入冷固球团，控制冷固球团输送能力为2.6t/min，10分钟后冷固球团铺满烟气预热通道低温还原段，停止球团输送；同时废钢及其它金属料上料，其输送能力为2.2-3.2t/min，在烟气预热通道的高温还原段和升温加热段持续预热至180℃左右，并通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼，调节除尘装置的风量为7500Nm3/h，将产生的高温烟气吸入烟气预热通道低温还原段与铺满烟气预热通道低温还原段的冷固球团发生热交换；
S2、步骤S1中的热交换完成后，利用计算机控制系统启动烟气预热通道上方的非接触式测温装置，并以流量为15Nm3/h的空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘；利用安装在非接触式测温装置内部的红外热成像仪以100ms的拍摄间隔实时拍摄冷固球团红外图像，同时利用安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪以30s的检测时间实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量，将实时拍摄冷固球团红外图像和实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量的数据传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度为150℃，烟气中CO含量为12.1%，H2含量为9.7%；
S3、通过步骤S2中获得的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据，判断不满足低温还原段温度和气氛条件；不满足的情况下，通过计算机控制系统启动安装在烟气预热通道的4支低温还原段氢氧烧嘴，控制气体总流量为470Nm3/h进行喷吹燃烧，根据红外热成像仪检测冷固球团温度和根据烟气分析仪检测的气体浓度反馈调节协同控制气体总流量为550Nm3/h、烟气中CO含量为38%，H2含量为14.7%，冷固球团平均温度为595℃，以保证冷固球团在适宜的还原气氛下持续预热还原；待提前设定的废钢重量加料完成，开始向高温还原段输送预还原的冷固球团，同时关闭低温还原段氢氧烧嘴；
S4、冶炼开始18分钟，步骤S3的61.5t废钢加料完成后，开启安装在烟气预热通道的4支高温还原段氢氧烧嘴，调节气体总流量为750Nm3/h，控制冷固球团输送速度为2.8t/min，检测烟道中烟气中CO平均含量为28.7%，H2含量为16.3%，以使冷固球团在高温还原段进一步深度还原；待冷固球团输送至升温加热段，利用安装在烟气预热通道高温还原段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度，检测的冷固球团平均温度为1047℃，尚不满足球团入炉温度；调节安装在烟气预热通道的4支升温加热段氢氧烧嘴的火焰大小，增大喷吹气体总流量为820Nm3/h，加热冷固球团，提高其入炉温度，利用安装在烟气预热通道升温加热段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度是否满足冶炼要求，当实时检测冷固球团温度入炉平均温度为1260℃，抽样检测，冷固球团入炉平均金属化率为88%，满足要求时直接通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼；
S5、冶炼开始31分钟，步骤S4的冷固球团加料完成后，在计算机控制系统作用下再次进行冷固球团和废钢及其它金属料的上料直至铺满烟气预热通道，之后调节除尘装置的风量为3400Nm3/h，进行冷固球团和废钢及其它金属料预热还原或升温，直至电弧炉冶炼结束，此时是冶炼开始43分钟，完成出钢；
S6、重复上述步骤，开启下炉冶炼。
采用本实施例的超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法后，平均45min内完成钢水冶炼，冷固球团入炉平均金属化率达到88%以上，球团入炉温度平均在1260℃以上，有效替代废钢18%生产，吨钢生产能耗降低17kgce，吨钢生产成本降低42元。
实施例4
本发明应用于90 t CONSTEEL电弧炉，用于冶炼低合金结构钢45Mn，采用加入15%冷固球团，85%废钢作为冶炼原料，烟气预热通道低温还原段顶部并排安装4支氢氧烧嘴，烟气预热通道高温还原段顶部并排安装6支氢氧烧嘴，烟气预热通道升温加热段顶部并排安装4支氢氧烧嘴。非接触式测温装置2套，分别安装在烟气预热通道低温还原段顶部和高温还原段顶部。燃烧气体为混合煤气，CO含量37%，H2含量为11%。
具体冶炼过程如下：
S1、在计算机控制系统作用下，开启冷固球团加料挡板加入冷固球团，控制冷固球团输送能力为2.5t/min，8分钟后冷固球团铺满烟气预热通道低温还原段，停止球团输送；同时废钢及其它金属料上料，其输送能力为1.8-3.2t/min，在烟气预热通道的高温还原段和升温加热段持续预热至250℃左右，并通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼，调节除尘装置的风量为5000Nm3/h，将产生的高温烟气吸入烟气预热通道低温还原段与铺满烟气预热通道低温还原段的冷固球团发生热交换；
S2、步骤S1中的热交换完成后，利用计算机控制系统启动烟气预热通道上方的非接触式测温装置，并以流量为7.5Nm3/h的空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘；利用安装在非接触式测温装置内部的红外热成像仪以100ms的拍摄间隔实时拍摄冷固球团红外图像，同时利用安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪以30s的检测时间实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量，将实时拍摄冷固球团红外图像和实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量的数据传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度为210℃，烟气中CO含量为10.1%，H2含量为12.3%；
S3、通过步骤S2中获得的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据，判断不满足低温还原段温度和气氛条件；不满足的情况下，通过计算机控制系统启动安装在烟气预热通道的4支低温还原段氢氧烧嘴，控制气体总流量为470Nm3/h进行喷吹燃烧，根据红外热成像仪检测冷固球团温度和根据烟气分析仪检测的气体浓度反馈调节协同控制气体总流量为530Nm3/h、烟气中CO含量为39.1%，H2含量为15.5%，冷固球团平均温度为615℃，以保证冷固球团在适宜的还原气氛下持续预热还原；待提前设定的废钢重量加料完成，开始向高温还原段输送预还原的冷固球团，同时关闭低温还原段氢氧烧嘴；
S4、冶炼开始24分钟，步骤S3的76.5t废钢加料完成后，开启安装在烟气预热通道的4支高温还原段氢氧烧嘴，调节气体总流量为680Nm3/h，控制冷固球团输送速度为3.2t/min，检测烟道中烟气中CO平均含量为32.7%，H2含量为15.4%，以使冷固球团在高温还原段进一步深度还原；待冷固球团输送至升温加热段，利用安装在烟气预热通道高温还原段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度，检测的冷固球团平均温度为898℃，尚不满足球团入炉温度；调节安装在烟气预热通道的4支升温加热段氢氧烧嘴的火焰大小，增大喷吹气体总流量为750Nm3/h，加热冷固球团，提高其入炉温度，利用安装在烟气预热通道升温加热段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度是否满足冶炼要求，当实时检测冷固球团温度入炉平均温度为1230℃，抽样检测，冷固球团入炉平均金属化率为86%，满足要求时直接通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼；
S5、冶炼开始37分钟，步骤S4的冷固球团加料完成后，在计算机控制系统作用下再次进行冷固球团和废钢及其它金属料的上料直至铺满烟气预热通道，之后调节除尘装置的风量为3700Nm3/h，进行冷固球团和废钢及其它金属料预热还原或升温，直至电弧炉冶炼结束，此时是冶炼开始46分钟，完成出钢；
S6、重复上述步骤，开启下炉冶炼。
采用本实施例的超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法后，平均46min内完成钢水冶炼，冷固球团入炉平均金属化率达到86%以上，球团入炉温度平均在1230℃以上，有效替代废钢18%生产，吨钢生产能耗降低15.3kgce，吨钢生产成本降低48.5元。
实施例5
本发明应用于100 t CONSTEEL电弧炉，用于冶炼含硫钢，采用加入20%冷固球团，80%废钢作为冶炼原料，烟气预热通道低温还原段顶部并排安装6支氢氧烧嘴，烟气预热通道高温还原段顶部并排安装6支氢氧烧嘴，烟气预热通道升温加热段顶部并排安装2支氢氧烧嘴。非接触式测温装置2套，分别安装在烟气预热通道低温还原段顶部和高温还原段顶部。燃烧气体为混合煤气，CO含量38.2%，H2含量为19.1%。
具体冶炼过程如下：
S1、在计算机控制系统作用下，开启冷固球团加料挡板加入冷固球团，控制冷固球团输送能力为2.4t/min，10分钟后冷固球团铺满烟气预热通道低温还原段，停止球团输送；同时废钢及其它金属料上料，其输送能力为1.8-3.5t/min，在烟气预热通道的高温还原段和升温加热段持续预热至170℃左右，并通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼，调节除尘装置的风量为5300Nm3/h，将产生的高温烟气吸入烟气预热通道低温还原段与铺满烟气预热通道低温还原段的冷固球团发生热交换；
S2、步骤S1中的热交换完成后，利用计算机控制系统启动烟气预热通道上方的非接触式测温装置，并以流量为12Nm3/h的空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘；利用安装在非接触式测温装置内部的红外热成像仪以100ms的拍摄间隔实时拍摄冷固球团红外图像，同时利用安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪以30s的检测时间实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量，将实时拍摄冷固球团红外图像和实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量的数据传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度为135℃，烟气中CO含量为11.1%，H2含量为6.7%；
S3、通过步骤S2中获得的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据，判断不满足低温还原段温度和气氛条件；不满足的情况下，通过计算机控制系统启动安装在烟气预热通道的6支低温还原段氢氧烧嘴，控制气体总流量为370Nm3/h进行喷吹燃烧，根据红外热成像仪检测冷固球团温度和根据烟气分析仪检测的气体浓度反馈调节协同控制气体总流量为570Nm3/h、烟气中CO含量为35.2%，H2含量为13.5%，冷固球团平均温度为635℃，以保证冷固球团在适宜的还原气氛下持续预热还原；待提前设定的废钢重量加料完成，开始向高温还原段输送预还原的冷固球团，同时关闭低温还原段氢氧烧嘴；
S4、冶炼开始24分钟，步骤S3的80t废钢加料完成后，开启安装在烟气预热通道的6支高温还原段氢氧烧嘴，调节气体总流量为760Nm3/h，控制冷固球团输送速度为2.6t/min，检测烟道中烟气中CO平均含量为32.5%，H2含量为14.5%，以使冷固球团在高温还原段进一步深度还原；待冷固球团输送至升温加热段，利用安装在烟气预热通道高温还原段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度，检测的冷固球团平均温度为947℃，尚不满足球团入炉温度；调节安装在烟气预热通道的6支升温加热段氢氧烧嘴的火焰大小，增大喷吹气体总流量为780Nm3/h，加热冷固球团，提高其入炉温度，利用安装在烟气预热通道升温加热段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度是否满足冶炼要求，当实时检测冷固球团温度入炉平均温度为1284℃，抽样检测，冷固球团入炉平均金属化率为83.5%，满足要求时直接通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼；
S5、冶炼开始30分钟，步骤S4的冷固球团加料完成后，在计算机控制系统作用下再次进行冷固球团和废钢及其它金属料的上料直至铺满烟气预热通道，之后调节除尘装置的风量为3400Nm3/h，进行冷固球团和废钢及其它金属料预热还原或升温，直至电弧炉冶炼结束，此时是冶炼开始47分钟，完成出钢；
S6、重复上述步骤，开启下炉冶炼。
采用本实施例的超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法后，平均47min内完成钢水冶炼，冷固球团入炉平均金属化率达到83%以上，球团入炉温度平均在1280℃以上，有效替代废钢20%生产，吨钢生产能耗降低12。4kgce，吨钢生产成本降低68元。
实施例6
本发明应用于90t CONSTEEL电弧炉，用于冶炼工具钢，采用加入40%冷固球团，60%废钢作为冶炼原料，烟气预热通道低温还原段顶部并排安装6支氢氧烧嘴，烟气预热通道高温还原段顶部并排安装6支氢氧烧嘴，烟气预热通道升温加热段顶部并排安装6支氢氧烧嘴。非接触式测温装置2套，分别安装在烟气预热通道低温还原段顶部和高温还原段顶部。燃烧气体为混合煤气，CO含量36%，H2含量为19%。
具体冶炼过程如下：
S1、在计算机控制系统作用下，开启冷固球团加料挡板加入冷固球团，控制冷固球团输送能力为2.5t/min，12分钟后冷固球团铺满烟气预热通道低温还原段，停止球团输送；同时废钢及其它金属料上料，其输送能力为2.2-3.2t/min，在烟气预热通道的高温还原段和升温加热段持续预热至130℃左右，并通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼，调节除尘装置的风量为4500Nm3/h，将产生的高温烟气吸入烟气预热通道低温还原段与铺满烟气预热通道低温还原段的冷固球团发生热交换；
S2、步骤S1中的热交换完成后，利用计算机控制系统启动烟气预热通道上方的非接触式测温装置，并以流量为10Nm3/h的空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘；利用安装在非接触式测温装置内部的红外热成像仪以100ms的拍摄间隔实时拍摄冷固球团红外图像，同时利用安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪以30s的检测时间实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量，将实时拍摄冷固球团红外图像和实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量的数据传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度为147℃，烟气中CO含量为18.7%，H2含量为9.7%；
S3、通过步骤S2中获得的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据，判断不满足低温还原段温度和气氛条件；不满足的情况下，通过计算机控制系统启动安装在烟气预热通道的6支低温还原段氢氧烧嘴，控制气体总流量为530Nm3/h进行喷吹燃烧，根据红外热成像仪检测冷固球团温度和根据烟气分析仪检测的气体浓度反馈调节协同控制气体总流量为650Nm3/h、烟气中CO含量为37.5%，H2含量为12.6%，冷固球团平均温度为616℃，以保证冷固球团在适宜的还原气氛下持续预热还原；待提前设定的废钢重量加料完成，开始向高温还原段输送预还原的冷固球团，同时关闭低温还原段氢氧烧嘴；
S4、冶炼开始15分钟，步骤S3的60t废钢加料完成后，开启安装在烟气预热通道的6支高温还原段氢氧烧嘴，调节气体总流量为680Nm3/h，控制冷固球团输送速度为2.6t/min，检测烟道中烟气中CO平均含量为32.7%，H2含量为15.3%，以使冷固球团在高温还原段进一步深度还原；待冷固球团输送至升温加热段，利用安装在烟气预热通道高温还原段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度，检测的冷固球团平均温度为898℃，尚不满足球团入炉温度；调节安装在烟气预热通道的4支升温加热段氢氧烧嘴的火焰大小，增大喷吹气体总流量为720Nm3/h，加热冷固球团，提高其入炉温度，利用安装在烟气预热通道升温加热段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度是否满足冶炼要求，当实时检测冷固球团温度入炉平均温度为1250℃，抽样检测，冷固球团入炉平均金属化率为86%，满足要求时直接通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼；
S5、冶炼开始28分钟，步骤S4的冷固球团加料完成后，在计算机控制系统作用下再次进行冷固球团和废钢及其它金属料的上料直至铺满烟气预热通道，之后调节除尘装置的风量为3400Nm3/h，进行冷固球团和废钢及其它金属料预热还原或升温，直至电弧炉冶炼结束，此时是冶炼开始45分钟，完成出钢；
S6、重复上述步骤，开启下炉冶炼。
采用本实施例的超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法后，平均45min内完成钢水冶炼，冷固球团入炉平均金属化率达到86%以上，球团入炉温度平均在1250℃以上，有效替代废钢40%生产，吨钢生产能耗降低12kgce，吨钢生产成本降低38元。
上述方案中，本发明的所述超短流程的冷固球团在线金属化的装置，能够利用烟气分析仪、非接触式测温装置、氢氧烧嘴和相关控制系统对烟气预热通道中的冷固球团温度和烟气内CO和H2含量进行检测和反馈调节控制，从而提供一种集烟气分析、温度检测、气氛控制、氢氧燃烧于一体的冷固球团在线金属化工艺控制方法。
本发明的装置结构设置能够控制氢氧烧嘴气体种类和流量大小，冷固球团输送速度和除尘风机抽风量，调节烟气预热通道还原气氛及火焰加热温度，使冷固球团在烟气预热通道达到充分还原和升温加热的目的，为电弧炉炼钢提供优质原料。
本发明针对不同的电弧炉炼钢生产过程，充分利用电弧炉烟气余热和氢氧烧嘴协同作用，对金属料和冷固球团进行预热升温；可以大幅减少烟气余热直接被除尘风机抽走，避免造成能量的浪费；同时也对烟气温度进行加热，控制烟气温度区间，减少烟尘中氯化物和二噁英的产生，减少对环境产生的污染。
本发明可以实现超短流程低碳炼钢，其是利用金属料上料系统持续上料，通过烟气预热通道对金属料进行预热，连续加料进入电弧炉熔池；同时，烟气余热和氢氧烧嘴连续供热对连续加料还原通道中的冷固球团进行预热还原升温，利用高速氧气射流、喷吹碳粉、喷吹石灰粉、底吹搅拌等多种技术协同作用于电弧炉熔池炼钢，实现原料-钢水快速炼钢。
本发明平均45min内完成钢水冶炼，冷固球团入炉平均金属化率达到85%以上，球团入炉温度平均在1200℃以上，有效替代废钢30-50%生产，吨钢生产能耗降低15kgce，吨钢生产成本降低30-150元。
本发明相对于现有技术，冷固球团金属化率提高了5-20%，温度提高了80-200%，还原时间缩短了50%，反应效率提高了10-35%，冷固球团的在线金属化控制水平提高了25-35%。
总之，本发明通过全程动态控制冷固球团温度和烟气CO和H2含量，冷固球团金属化率和温度大幅度提高，缩短了还原时间，提高反应效率，提升了冷固球团的在线金属化控制水平，降低了炼钢生产成本，利于工业大规模生产和推广。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超短流程的冷固球团在线金属化的装置，其特征在于，所述冷固球团在线金属化的装置包括电弧炉、计算机控制系统、烟气预热通道和金属料上料系统；所述电弧炉的一侧与所述烟气预热通道相连通，所述烟气预热通道包括低温还原段、高温还原段和升温加热段，所述高温还原段远离电弧炉的一端与所述金属料上料系统相连通；所述烟气预热通道上设置有氢氧烧嘴、烟气分析仪和非接触式测温装置；所述计算机控制系统通过设置的控制线路与氢氧烧嘴、烟气分析仪和非接触式测温装置电连接。
2.根据权利要求1所述的超短流程的冷固球团在线金属化的装置，其特征在于，所述电弧炉包括电极、炉壁集束氧枪、碳枪、埋入式喷粉枪和底吹元件；所述电极设置在电弧炉的顶部，所述炉壁集束氧枪设置在电弧炉炉壁，所述碳枪设置在电弧炉炉壁，所述埋入式喷粉枪设置在电弧炉炉壁熔池液面以下，所述底吹元件设置在电弧炉底部；其中所述电极、所述炉壁集束氧枪、所述碳枪、所述埋入式喷粉枪和所述底吹元件从高到低依次设置。
3.根据权利要求1所述的超短流程的冷固球团在线金属化的装置，其特征在于，所述烟气预热通道包括低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴、第一段链板输送机、溜槽、第二段链板输送机、水冷装置和金属料加料挡板；所述低温还原段氢氧烧嘴设置在所述烟气预热通道的低温还原段，所述高温还原段氢氧烧嘴设置在所述烟气预热通道的高温还原段，所述低温还原段和所述高温还原段之间通过溜槽相连通，所述升温加热段氢氧烧嘴设置在所述烟气预热通道的升温加热段，所述链板输送机设置在所述烟气预热通道内的底部，所述水冷装置设置在所述第一段链板输送机、第二段链板输送机的底部，且所述低温还原段内设置有一部分第二段链板输送机，所述金属料加料挡板设置在所述高温还原段远离电弧炉的一端。
4.根据权利要求3所述的超短流程的冷固球团在线金属化的装置，其特征在于，所述低温还原段远离电弧炉的一侧的烟气预热通道部分设置有另一部分第二段链板输送机、冷固球团加料口、冷固球团加料挡板、除尘装置、以及除尘装置上设置的气体气源；所述另一部分第二段链板输送机与所述一部分第二段链板输送机相连通，所述冷固球团加料口设置在所述低温还原段远离电弧炉的一侧的烟气预热通道部分的顶部并相连通，所述冷固球团加料挡板固定设置在所述冷固球团加料口，所述除尘装置设置在所述冷固球团加料口后端、并与所述低温还原段远离电弧炉的一侧的烟气预热通道端部的顶部相连通；所述气体气源设置在所述烟气预热通道的一旁，并通过供气管道和供气阀组与计算机控制系统和低温还原段氢氧烧嘴、高温还原段氢氧烧嘴、升温加热段氢氧烧嘴、非接触式测温装置连接。
5.根据权利要求4所述的超短流程的冷固球团在线金属化的装置，其特征在于，所述供气阀组包括多组相互独立的进气管道、管道线路和部件数量根据现场实际需求布置。
6.根据权利要求4所述的超短流程的冷固球团在线金属化的装置，其特征在于，所述供气阀组包括但不仅限于以下部件：气体进口、球阀、进口压力显示表、截止阀、安全阀、压力调节器、流量调节器、单向阀、出口压力显示表和气体汇流器；
其中：所述气体进口的一端与所述气体气源相连通，另一端分为多个端口，每个端口通过进气管道与每个球阀相连通，每个球阀通过进气管道与每个进口压力显示表相连通，每个进口压力显示表通过进气管道与每个截止阀相连通，每个截止阀通过进气管道与每个安全阀相连通，每个安全阀通过进气管道与每个压力调节器相连通，每个压力调节器通过进气管道与每个流量调节器相连通，每个流量调节器通过进气管道与每个单向阀相连通，每个单向阀通过进气管道与每个出口压力显示表相连通，每个出口压力显示表通过进气管道与气体汇流器相连通，气体汇流器分为多个端口，每个端口通过进气管道与氢氧烧嘴相连通。
7.根据权利要求1所述的超短流程的冷固球团在线金属化的装置，其特征在于，所述金属料上料系统包括振动筛、高位料仓、上料轨道、运斗车、低位料仓；所述振动筛设置在所述高位料仓内，且与所述烟气预热通道的高温还原段远离所述电弧炉的一端的尾部相连通，所述高位料仓的远离所述烟气预热通道的一端与所述上料轨道相连通，所述运斗车在所述上料轨道上滑动设置，所述上料轨道的远离所述高位料仓的一端与所述低位料仓相连通。
8.一种基于权利要求1-7任一所述的超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法，其特征在于，所述超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法是：首先，将冷固球团铺满烟气预热通道，利用烟气余热与冷固球团发生热交换；其次，借助安装在烟气预热通道上方的非接触式测温装置以空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘，利用安装在其内部的红外热成像仪实时拍摄冷固球团红外图像和安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量并传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度；再次，计算机控制系统根据测量得到的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度控制氢氧烧嘴不同种类气体流量比例和火焰燃烧温度，冷固球团输送速度和除尘风机抽风量，充分保障冷固球团所需的还原气氛，还原时间和加热温度；最后，当冷固球团金属化率和温度达到冶炼要求时通过电弧炉第四孔直接将金属化球团送入熔池进行冶炼，从而实现集烟气分析、温度检测、气氛控制、氢氧燃烧于一体的冷固球团在线金属化工艺控制。
9.根据权利要求8所述的超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法，其特征在于，所述超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法如下步骤：
S1、在计算机控制系统作用下，开启冷固球团加料挡板加入冷固球团，控制冷固球团输送能力直至铺满烟气预热通道低温还原段，停止球团输送；同时废钢及其它金属料上料，控制其输送能力，在烟气预热通道的高温还原段和升温加热段持续预热并通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼，调节除尘装置的风量，将产生的高温烟气吸入烟气预热通道低温还原段与铺满烟气预热通道低温还原段的冷固球团发生热交换；
S2、步骤S1中的热交换完成后，利用计算机控制系统启动烟气预热通道上方的非接触式测温装置，并以空气/N2为辅助射流气体排开烟气预热通道内的烟尘；利用安装在非接触式测温装置内部的红外热成像仪实时拍摄冷固球团红外图像，同时利用安装在烟气预热通道上方的烟气分析仪实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量，将实时拍摄冷固球团红外图像和实时检测烟气预热通道内烟气的CO和H2含量的数据传输至计算机控制系统，经过特征信号转换处理得到冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据；
S3、通过步骤S2中获得的冷固球团温度和烟气中CO和H2浓度的数据，判断是否满足低温还原段温度和气氛条件；不满足的情况下，通过计算机控制系统启动安装在烟气预热通道的低温还原段氢氧烧嘴，控制气体流量配比进行喷吹燃烧，根据红外热成像仪检测冷固球团温度和根据烟气分析仪检测的气体浓度反馈调节协同控制气体配比、气体流量大小以及火焰温度，保证冷固球团在适宜的还原气氛下持续预热还原；待提前设定的废钢重量加料完成，开始向高温还原段输送预还原的冷固球团，同时关闭低温还原段氢氧烧嘴；
S4、步骤S3的废钢重量加料完成后，开启安装在烟气预热通道的高温还原段氢氧烧嘴，调节气体流量配比及火焰大小，控制冷固球团输送能力，使冷固球团在高温还原段进一步深度还原；待冷固球团输送至升温加热段，利用安装在烟气预热通道高温还原段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度；调节安装在烟气预热通道的升温加热段氢氧烧嘴的火焰大小，加热冷固球团，提高其入炉温度，利用安装在烟气预热通道升温加热段的非接触式测温装置实时检测冷固球团温度是否满足冶炼要求，满足要求时直接通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼；
S5、待步骤S4的冷固球团加料完成后，在计算机控制系统作用下再次进行冷固球团和废钢及其它金属料的上料直至铺满烟气预热通道，之后调节除尘装置的风量进行冷固球团和废钢及其它金属料预热还原或升温，直至电弧炉冶炼结束，完成出钢；
S6、重复上述步骤，开启下炉冶炼。
10.根据权利要求9所述的超短流程的冷固球团在线金属化的装置的使用方法，其特征在于，所述低温还原段温度控制为200-600℃，烟气中的CO含量为30-60%，H2含量为10-40%；所述高温还原段温度控制为600-1200℃，烟气中的CO含量为15-40%，H2含量为15-60%；所述升温加热段温度控制为1200-1400℃，所述提高其入炉温度中的入炉温度为≥1200℃，通过电弧炉第四孔进入熔池冶炼的冷固球团的金属化率为≥85%。
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