CN116656909B - 一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于非高炉炼铁技术领域，尤其涉及一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置与方法，包括：绝缘材料壳体，绝缘材料壳体内侧顶端设有等离子电弧还原结构，等离子电弧还原结构顶端固定连通有第一冷却水入口、第一冷却水出口、还原气入口，绝缘材料壳体中部上方固定连通有矿粉喷枪，矿粉喷枪的出料端位于等离子电弧还原结构下方，绝缘材料壳体中部下方固定连通有尾气排出口，绝缘材料壳体内侧底端设有熔池区，绝缘材料壳体底端周侧固定连通有出铁口、出渣口。利用这些结构，实现了一种温度高、热源稳定、反应充分、能够显著提高炼铁效率与出铁还原度，并且清洁环保的基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置与方法。
Description
技术领域
本发明属于非高炉炼铁技术领域，尤其涉及一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置与方法。
背景技术
目前我国主要钢铁生产流程为高炉-转炉长流程，其中的炼铁工序依赖于高品位的块矿或烧结矿。但是高品位铁矿资源日渐枯竭，我国的国产铁矿和进口铁矿都以粉矿为主，需要进行造球或烧结造块，才能进入高炉冶炼，且随着焦煤资源的日益匮乏，冶金焦的价格也越来越高，因此高炉炼铁成本长期处于高位。同时高炉炼铁的热源和还原媒介主要来自煤粉和焦炭，造成的碳排放、污染也相当严重。
相对于传统钢铁冶炼流程需要焦化、烧结、球团等一系列的高物耗、高能耗、高污染工序，粉矿冶炼则具有直接使用矿粉、无需焦化、流程短、低能耗的优势，而且有望实现一步炼钢的目标。闪速还原炼钢是其中代表之一，但是如果仍旧使用煤作为热源，同样摆脱不了碳排放高的缺点，使用天然气作为热源虽然可一定程度上减少碳排放，但仍受到我国天然气资源匮乏，价格高昂的制约。因此，亟需一种资源友好型，能够提高闪速炼钢效率的装置与方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置与方法，以解决上述问题，达到提高环保能力、提高炼钢效率的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置，包括：装置主体、固定连接在所述装置主体顶端的绝缘材料壳体；
所述绝缘材料壳体顶端固定连通有第一冷却水入口、第一冷却水出口、还原气入口，所述绝缘材料壳体内侧底端设有等离子电弧还原结构；
所述装置主体顶端周侧固定连通有矿粉喷枪，矿粉喷枪的出料端位于所述等离子电弧还原结构下方，所述装置主体中部固定连通有尾气排出口，所述装置主体内侧底端设有熔池区，所述装置主体底端周侧固定连通有出铁口、出渣口。
优选的，所述等离子电弧还原结构包括阴极，所述阴极与所述绝缘材料壳体顶端固定连接，所述阴极周侧套设有阳极，所述阳极周侧与所述绝缘材料壳体内侧侧壁固定连接，所述阳极、所述绝缘材料壳体之间设有冷却腔，所述阴极、阳极之间设有间隙，所述第一冷却水入口、第一冷却水出口与所述冷却腔顶端固定连通，所述还原气入口与所述间隙顶端固定连通。
优选的，所述矿粉喷枪周侧设有冷却套管，所述冷却套管位于所述装置主体外侧的一端固定连通有第二冷却水入口、第二冷却水出口。
优选的，所述还原气入口顶端通过还原气连通管固定连通有制氢装置，所述还原气连通管上设有鼓风机。
优选的，所述尾气排出口通过废气排出管固定连通有尾气净化回收装置。
优选的，所述装置主体顶端的直径小于底端的直径，所述出渣口位于所述出铁口上方。
一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置的使用方法，包括：
S1、向所述第一冷却水入口内充入冷却水；
S2、通入高压电；
S3、向所述等离子电弧还原结构通入还原气体；
S4、通过所述矿粉喷枪喷入矿粉，与还原气体进行反应；
S5、反应后的矿粉经由所述出铁口排出。
优选的，反应后的废气经由所述尾气排出口排入处理结构，并回收废气中的氢气，并将回收的氢气通过所述还原气入口回收利用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
通过设置等离子电弧还原结构，利用等离子电弧还原结构与还原气体共同作用，即利用等离子电弧还原结构中的高压电电解还原气体氢气，使得氢分子分解形成游离态的氢原子，进而在等离子电弧还原结构下方形成一个可以对矿物粉末进行还原的电弧区，进而实现对矿物粉末的有效加热与熔炼，升温效率快，热源稳定，对粉末状矿物反应能力强，大大提高了熔炼效率。利用这些结构，实现了一种温度高、热源稳定、反应充分、能够显著提高炼铁效率与出铁还原度，并且清洁环保的基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置与方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明的结构示意图。
附图标记：1、制氢装置；2、鼓风机；3、尾气净化回收装置；4、熔池区；5、阴极；6、阳极；7、绝缘材料壳体；8、第一冷却水入口；9、第一冷却水出口；10、还原气入口；11、电弧区；12、矿粉喷枪；13、第二冷却水入口；14、第二冷却水出口；15、出铁口；16、出渣口；17、尾气排出口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本发明提供一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置，包括：装置主体、固定连接在装置主体顶端的绝缘材料壳体7；
绝缘材料壳体7顶端固定连通有第一冷却水入口8、第一冷却水出口9、还原气入口10，绝缘材料壳体7内侧底端设有等离子电弧还原结构；
装置主体顶端周侧固定连通有矿粉喷枪12，矿粉喷枪12的出料端位于等离子电弧还原结构下方，装置主体中部固定连通有尾气排出口17，装置主体内侧底端设有熔池区4，装置主体底端周侧固定连通有出铁口15、出渣口16。
通过设置等离子电弧还原结构，利用等离子电弧还原结构与还原气体共同作用，即利用等离子电弧还原结构中的高压电电解还原气体氢气，使得氢分子分解形成游离态的氢原子，进而在等离子电弧还原结构下方形成一个可以对矿物粉末进行还原的电弧区11，进而实现对矿物粉末的有效加热与熔炼，升温效率快，热源稳定，对粉末状矿物反应能力强，大大提高了熔炼效率。
进一步优化方案，等离子电弧还原结构包括阴极5，阴极5与绝缘材料壳体7顶端固定连接，阴极5周侧套设有阳极6，阳极6周侧与绝缘材料壳体7内侧侧壁固定连接，阳极6、绝缘材料壳体7之间设有冷却腔，阴极5、阳极6之间设有间隙，第一冷却水入口8、第一冷却水出口9与冷却腔顶端固定连通，还原气入口10与间隙顶端固定连通。具体的，阴极5顶端与绝缘材料壳体7顶端固定连接，底端设为锤型，阳极6的上半部分较宽，阴极5的锤型部分设于阳极6的上半部分中，在阳极6的中部直径缩小，阳极6的底端向周侧延伸并且与绝缘材料壳体7固定。通过阳极6的结构设置，电离的带有正电荷的氢原子在狭窄的部分获得加速，从而以较快的初速度冲击到下方的区域内，以形成高温的电弧区11，加快对铁矿的还原。
在反应时，还原气体氢气经过阴极5、阳极6之间的间隙，被高压电进行加热与电离，形成带有正电荷的氢原子，再进入到下方的电弧区11，即可对矿物粉末中的四氧化三铁、三氧化二铁共同发生还原反应，这个过程中阴极5、阳极6会产生大量的热量，此时则通过冷却腔上方的第一冷却水入口8、第一冷却水出口9不断充入冷却水进行降温。通过设置这样的等离子电弧还原结构，可以实现高效利用能源、有效提升反应效率的效果，氢气为清洁能源，成本低廉并且不会对环境产生污染，具有很好的实际效益。
进一步优化方案，矿粉喷枪12周侧设有冷却套管，冷却套管位于绝缘材料壳体7外侧的一端固定连通有第二冷却水入口13、第二冷却水出口14。冷却套管的设置可以有效地降低矿粉喷枪12的温度，避免矿粉喷枪12温度过高发生溶化，或者是矿粉直接发生溶解堵塞矿粉喷枪12的喷出口。
矿粉喷枪12的数量为2～8个，分别等间距分布在装置主体周侧，矿粉喷枪12喷入角度与水平面之间的夹角为0～45°。
进一步优化方案，还原气入口10顶端通过还原气连通管固定连通有制氢装置1，还原气连通管上设有鼓风机2。设置鼓风机2可以更好地控制氢气的通入量。
进一步优化方案，尾气排出口17通过废气排出管固定连通有尾气净化回收装置3。尾气净化回收装置3不但可以将废气进行处理，保证不会产生环境的污染，还可以将将回收的氢气进行收集再利用，降低氢气的损耗，提高能源利用效率。尾气净化回收装置3的选择为本领域常规技术手段，此处不作赘述。
进一步优化方案，绝缘材料壳体7顶端的直径小于底端的直径，出铁口15位于出渣口16上方。出铁口15位于出渣口16上方的结构设置符合正常的炼铁规律，绝缘材料壳体7的结构设置则是可以使整体结构更加适用于炼制钢铁。
一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置的使用方法，包括：
S1、向冷却腔、冷却套管内充入冷却水；在作业时，需要保证冷却水保持循环，防止局部的冷却水爆沸影响降温效果。
S2、通入高压电，向阴极5、阳极6通电后形成电弧区11；电弧区11一直延伸至阳极6的下方，并与矿粉喷枪12的位置相对应，使得矿粉喷枪12喷出的矿粉能够完全反应。
S3、利用鼓风机2向等离子电弧还原结构通入还原气体；
S4、通过矿粉喷枪12喷入矿粉，在电弧区11与还原气体进行反应；
S5、反应后的矿粉进入熔池区4，经由出铁口15排出。
进一步优化方案，反应后的废气经由尾气排出口17排入尾气净化回收装置3，利用尾气净化回收装置3回收废气中的氢气，并将回收的氢气进行收集再利用。尾气净化回收装置3回收的氢气可以再次通过鼓风机2鼓入装置中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置，其特征在于，包括：装置主体、固定连接在所述装置主体顶端的绝缘材料壳体(7)；
所述绝缘材料壳体(7)顶端固定连通有第一冷却水入口(8)、第一冷却水出口(9)、还原气入口(10)，所述绝缘材料壳体(7)内侧底端设有等离子电弧还原结构；
所述装置主体顶端周侧固定连通有矿粉喷枪(12)，矿粉喷枪(12)的出料端位于所述等离子电弧还原结构下方，所述装置主体中部固定连通有尾气排出口(17)，所述装置主体内侧底端设有熔池区(4)，所述装置主体底端周侧固定连通有出铁口(15)、出渣口(16)；
所述等离子电弧还原结构包括阴极(5)，所述阴极(5)与所述绝缘材料壳体(7)顶端固定连接，所述阴极(5)周侧套设有阳极(6)，所述阳极(6)周侧与所述绝缘材料壳体(7)内侧侧壁固定连接，所述阳极(6)、所述绝缘材料壳体(7)之间设有冷却腔，所述阴极(5)、阳极(6)之间设有间隙，所述第一冷却水入口(8)、第一冷却水出口(9)与所述冷却腔顶端固定连通，所述还原气入口(10)与所述间隙顶端固定连通；
所述阴极(5)顶端与所述绝缘材料壳体(7)顶端固定连接，底端设为锤型，所述阳极(6)的上半部分直径宽于下半部分直径，所述阴极(5)的锤型部分设于阳极(6)的上半部分中，在阳极(6)的中部直径缩小，所述阳极(6)的底端向周侧延伸并且与所述绝缘材料壳体(7)固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置，其特征在于，所述矿粉喷枪(12)周侧设有冷却套管，所述冷却套管位于所述装置主体外侧的一端固定连通有第二冷却水入口(13)、第二冷却水出口(14)。
3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置，其特征在于，所述还原气入口(10)顶端通过还原气连通管固定连通有制氢装置(1)，所述还原气连通管上设有鼓风机(2)。
4.根据权利要求1所述的一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置，其特征在于，所述尾气排出口(17)通过废气排出管固定连通有尾气净化回收装置(3)。
5.根据权利要求1所述的一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置，其特征在于，所述装置主体顶端的直径小于底端的直径，所述出渣口(16)位于所述出铁口(15)上方。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置的使用方法，包括：
S1、向所述第一冷却水入口(8)内充入冷却水；
S2、通入高压电；
S3、向所述等离子电弧还原结构通入还原气体；
S4、通过所述矿粉喷枪(12)喷入矿粉，与还原气体进行反应；
S5、反应后的矿粉经由所述出铁口(15)排出。
7.根据权利要求6所述的一种基于等离子体电弧的闪速一步炼钢装置的使用方法，其特征在于，反应后的废气经由所述尾气排出口(17)排入处理结构，并回收废气中的氢气，并将回收的氢气通过所述还原气入口(10)回收利用。
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| 等离子体氢还原铁氧化物的研究进展;等离子体氢还原铁氧化物的研究进展;《中国冶金》;第32卷(第12期);7-14 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116656909A (zh) | 2023-08-29 |
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