CN116839353A - 一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉及其使用方法，涉及冶炼和熔炼用高温电炉技术领域，所述电炉包括电源、坩埚、电极、电极升降装置、感应线圈，保温材料和炉盖等。本发明同时利用了电弧炉电弧放电和感应炉磁场加热的方式，改变了传统电弧炉只利用电弧加热或者是感应磁场加热单一的加热方式导致的：炉内温场不均匀，中心区外侧炉料难以熔化、熔体搅拌不足等问题。在提高加热效率、改善温场分布、节约能源消耗的同时，感应线圈产生交变磁场形成的涡流能强化熔体的搅拌和流动性，解决了实际生产过程中，因炉内温场分布差异大、物料熔体混合不均匀、传热传质不及时导致的加热速率慢、反应不完全，熔炼不彻底等问题。

Description

一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉及其使用方法

技术领域

本发明属于冶炼和熔炼用高温电炉技术领域，具体涉及一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉。

背景技术

目前工业生产中被广泛应用的电炉主要有两类，一类为电弧炉，它是利用电弧放电产生热量熔化物料，另一类为感应炉，它是以电磁感应产生热量熔化物料，尤其以中频感应炉为代表。感应炉的热量是在炉料内部产生，因此加热较快，热效率高，但对于不导电的物料加热效果差；而电弧炉通过电弧放热传给物料钢液，为间接加热，并且电弧的热量很大一部分通过炉盖和炉壁散失，因此电弧炉的热效率较差。感应炉熔炼的炉料成分和温度比较均匀，由于它是电磁力的作用，使感应器与炉料之间互相排斥，从而使坩埚中心部分的炉料上升，坩埚边缘部分的炉料下降(根据坩埚内磁场的方向也可为中心下降，边缘上升)，而产生了炉料循环运动的现象。这种电磁搅拌作用促使炉料的化学成分和温度趋向均匀，而电弧炉本身无法实现这一效果，工业生产中往往需要加入外力(如电磁搅拌器等)，使炉料均匀分布。由于感应炉依靠感应坩埚内的导电物料进行加热，因而其内部炉渣的温度低，参与冶金反应的能力较差；在电弧炉中，炉渣温度高，其参与冶金反应的能力强，但炉料损失严重，生产过程中往往产生大量废渣，废气和噪声。

在实际的生产过程中，以硅铁生产为例，硅铁的生产是在电弧炉中进行的，其入炉原料为硅石(二氧化硅)，铁屑和焦炭，通过电弧放电产生的高温熔化物料，进行碳热还原反应，然而，由于电弧炉的加热不均匀，实际发生反应的部位只有电弧周围产生高温的小部分区域，且炉内物料流动性差，炉内边缘位置的物料难以反应，导致生产过程缓慢，硅铁产率低，长时间的加热也使得大量物料损失。

发明内容

本发明针对现有电弧炉和感应炉在使用过程中存在的上述不足，提供一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，同时具备电弧加热和感应加热两种加热方式。本发明同时利用了电弧炉电弧放电和感应炉磁场加热的方式，改变了传统电弧炉只利用电弧加热或者是感应磁场加热单一的加热方式导致的：炉内温场不均匀，中心区外侧炉料难以熔化、熔体搅拌不足等问题。在提高加热效率、改善温场分布、节约能源消耗的同时，感应线圈产生交变磁场形成的涡流能强化熔体的搅拌和流动性，解决了实际生产过程中，因炉内温场分布差异大、物料熔体混合不均匀、传热传质不及时导致的加热速率慢、反应不完全，熔炼不彻底等问题。

本发明技术方案如下：

一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，包括：电源、电磁感应加热装置、电弧加热装置；所述电源为供电装置和变频电源供电，所述电弧加热装置由供电装置供电，供电装置是单独由导线连接电极把持器(1)，或者是同时由导线连接电极把持器(1)和熔炼坩埚(5)，电极把持器(1)的外部螺纹连接有电极升降装置(2)，电极把持器(1)的内部由螺钉固定电极(3)，电极(3)深入熔炼坩埚(5)内，并均匀地分布在熔炼坩埚(5)的中心位置，熔炼坩埚(5)顶部由螺钉固定连接炉盖(4)；所述电磁感应加热装置由变频电源供电，变频电源由导线连接有电磁感应线圈(6)，电磁感应线圈(6)与熔炼坩埚(5)之间填充有保温材料(7)。

优选地，所述的电磁感应加热装置包括：变频电源、电磁感应线圈、保温材料。

优选地，所述的电弧加热装置包括：供电装置、电极升降装置、电极把持器、电极、水冷循环装置、熔炼坩埚。

优选地，所述的变频电源能够提供工频(指50Hz或60Hz)、中频(60～10000Hz)或高频(高于10000Hz)交流电；所述的铜线圈大小和粗细根据生产实际情况进行调整。

优选地，所述的电弧加热装置提供交流电或直流电。

优选地，所述的电弧加热装置的电极材质为：石墨、炭素、金属中的一种。

优选地，所述的电弧加热装置的电极横截面的形状为：圆形、椭圆、矩形中的一种。

优选地，所述的电弧加热装置的电极数量为：单电极、双电极、三电极中的一种(图1-3)。

优选地，所述的电弧加热装置的电极位置：是异向安装，作为上(顶)下(底)电极；或者是同向安装，仅作为上电极。

优选地，所述熔炼坩埚的材料，根据熔炼物质的酸碱性确定，如果熔炼酸性物质则坩埚材料为酸性氧化物或石墨；如果熔炼碱性物质则坩埚材料为碱性氧化物或石墨。

优选地，电炉冶炼过程中不用炉盖，或者是加上炉盖。如设置炉盖，所述炉盖中部设有加料孔、电极孔和排烟孔，上表面设有水冷夹层。

本发明所述的电磁感应与电弧加热相结合的电炉的使用方法，包括以下步骤：

1.按比例将物料充分混合，通过炉盖(4)上的加料口送入到炉体坩埚(5)中，打开感应加热结构，对物料进行预热，接着打开电弧加热装置，使电极(3)与物料之间产生电弧，控制电极棒插入深度以拉长电弧，提高加热效率；

2.电弧处物料开始熔化，反应，形成凹槽，熔化的物料向炉底流动，期间根据料面高度加入物料，根据电弧强度控制电极棒插入深度；

3.重复上述步骤，在电弧的加热下，靠近电极的中心物料形成凹槽，远离电极的边缘物料形成凸起，在感应线圈磁场的搅拌作用下，边缘部位凸起的物料很快就会塌落填补中心部位的凹槽；随着物料逐渐反应熔化，熔池逐渐扩大稳定，此时电磁感应线圈(6)的磁场对熔池的搅拌作用促使熔池内的产物合金与熔渣分离，并使合金成分均一稳定；

4.反应已基本结束，关闭总电源并在熔炼坩埚(5)底部开口使合金流出。

本发明具备以下优点：

(1)本发明提供的电磁感应与电弧加热相结合的电炉，同时具有电弧炉熔炼温度高，熔化速度快，能够实现炉渣的冶金反应和感应炉加热均匀，充分，搅拌效果好，能耗低的优点。

(2)本发明提供的电炉能够实现炉料的上下搅拌，避免了传统电弧炉中心温度过高引发的气体聚集，炉料流动性差，从而导致炉内压力过高带来的安全隐患。

(3)本发明提供的电炉相比于传统的感应炉，相比于要求物料具有导电性，主要用于金属冶炼的传统感应炉，其对物料本身的要求更低，可以熔炼金属等导电物料，也可进行矿石，硅石等非导电物料的还原冶炼。

(4)本发明提供的电炉同时避免了传统电弧炉在加料前需要进行烘炉以保证炉内温度，造成大量能量浪费的操作，可以在开炉前直接加入物料，通过感应电极和炉体坩埚进行预热熔化物料，更加节能环保。

(5)本发明提供的电炉可以实现在常压下的冶炼，也可以实现在真空条件下的冶炼，适用范围广。

(6)本发明同时利用了电弧炉电弧放电和感应炉磁场加热的方式，改变了传统电弧炉只利用电弧加热或者是感应磁场加热单一的加热方式导致的：炉内温场不均匀，中心区外侧炉料难以熔化、熔体搅拌不足等问题。在提高加热效率、改善温场分布、节约能源消耗的同时，感应线圈产生交变磁场形成的涡流能强化熔体的搅拌和流动性，解决了实际生产过程中，因炉内温场分布差异大、物料熔体混合不均匀、传热传质不及时导致的加热速率慢、反应不完全，熔炼不彻底等问题。

附图说明

图1电弧加热装置为三相交流电供电的电炉示意图；

图2电弧加热装置为单相直流电或交流电供电，且电极异向安装的电炉示意图；

图3电弧加热装置为单相直流电或交流电供电，且电极同向安装的电炉示意图；

图中：1、电极把持器；2、电极升降装置；3、电极；4、炉盖；5、熔炼坩埚；6、电磁感应线圈；7、保温材料。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

本实施例提供的将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，能够用于多种纯金属、合金的熔融，精炼和铸锭，也能够用于铁矿石的冶炼，硅铁冶炼等多种矿石的碳热还原冶炼。

实施例

如图1所示，为本实施例提供的电炉的一种具体实施方式，包括：电源、电磁感应加热装置、电弧加热装置；所述的电磁感应加热装置包括变频电源、电磁感应线圈、保温材料，所述的电弧加热装置包括供电装置、电极升降装置(2)、电极把持器(1)、电极(3)、水冷循环装置、熔炼坩埚(5)及炉盖(4)。所述电源为供电装置和变频电源供电，所述的变频电源提供中频(1000Hz)交流电；所述的电弧加热装置提供三相交流电(电压70V，频率50Hz)，分别连接三根电极；电极把持器(1)的外部螺纹连接有电极升降装置(2)，电极把持器(1)的内部由螺钉固定电极(3)，所述电极(3)材质为石墨，电极横截面的形状为圆形，且电极同向安装。所述熔炼坩埚(5)材质为碳化硅，尺寸为内径为5m，外径6m，高10m，熔炼坩埚(5)外为由碱性耐火砖组成的保温层(7)，保温层厚度为1m；保温层外装有电磁感应线圈(6)，其构造为表面覆盖着石棉保温层，内部通循环冷却水的空心铜管(管直径0.1m，总长50m)，围绕炉体呈螺旋状排布；炉体上方设置炉盖(4)，其上设有加料孔、电极孔和排烟孔，上表面设置水冷夹层，其中，排烟孔外接尾气处理装置，电极棒(3)贯穿炉盖从炉体上部进入熔炼坩埚(5)，另一端与电极升降装置(2)连接。

另外，作为一种可替换实施方式，所述电弧加热装置可以采用单相直流供电，可选择不同的电极棒分别作为正负极，也可选用电极棒为负极，坩埚底部连接正极(图2)的供电方式。

下面将以硅铁冶炼为例介绍本实施例提供的电炉的使用方法，该硅铁冶炼方法采用了上述本实施例图1提供的三相电炉，所述硅铁的冶炼方法如下：

1.将质量比为7：2：1的硅石，焦炭，铁屑充分混合，并通过加料口送入到炉体坩埚(5)中，总入料量为5t，打开感应加热结构，对物料进行预热，预热2h温度达到要求后，打开电弧加热装置，使电极(3)与物料之间产生电弧，期间控制电极棒插入深度以拉长电弧，提高加热效率。

2.随着电弧和感应磁场的加热电弧处物料最先开始熔化，反应，并形成熔池，熔化的物料向炉底流动，期间根据料面高度加入物料，根据电弧强度控制电极棒插入深度。

3.重复上述步骤，在电弧的加热下，靠近电极的中心物料形成凹槽，远离电极的边缘物料形成凸起，在感应线圈磁场的搅拌作用下，边缘部位凸起的物料很快就会塌落填补中心部位的凹槽。并随着物料逐渐反应熔化，熔池逐渐扩大稳定，此时电磁感应线圈(6)的磁场对熔池的搅拌作用促使熔池内的产物合金与熔渣分离，并使合金成分均一稳定。

4.冶炼进行8h后，炉内基本无CO气体产生，反应已基本结束，关闭总电源并在熔炼坩埚(5)底部开口使合金流出并冷却铸锭，得到硅铁合金。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，包括电源、电磁感应加热装置、电弧加热装置、保温材料和炉盖，其特征在于：所述电源为电弧加热装置和电磁感应加热装置供电；所述电弧加热装置外有保温材料(7)，所述保温材料外为电磁感应线圈(6)。

2.根据权利要求1所述的一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，其特征在于：所述的电磁感应加热装置包括：变频电源、电磁感应线圈(6)、保温材料(7)；所述的电弧加热装置包括：供电装置、电极升降装置(2)、电极把持器(1)、电极(3)、水冷循环装置、熔炼坩埚(5)。

3.根据权利要求2所述的一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，其特征在于：所述电源为供电装置和变频电源供电，所述电弧加热装置由供电装置供电，供电装置是单独由导线连接电极把持器(1)，或者是同时由导线连接电极把持器(1)和熔炼坩埚(5)，电极把持器(1)的外部螺纹连接有电极升降装置(2)，电极把持器(1)的内部由螺钉固定电极(3)，电极(3)深入熔炼坩埚(5)内，并均匀地分布在熔炼坩埚(5)的中心位置，熔炼坩埚(5)顶部由螺钉固定连接炉盖(4)；所述电磁感应加热装置由变频电源供电，变频电源由导线连接有电磁感应线圈(6)，电磁感应线圈(6)与熔炼坩埚(5)之间填充有保温材料(7)。

4.根据权利要求3所述的一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，其特征在于：所述的变频电源能够提供工频、中频或高频交流电；所述工频频率为50Hz或60Hz，所述中频频率为60～10000Hz，所述高频频率高于10000Hz。

5.根据权利要求3所述的一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，其特征在于：所述的电弧加热装置提供交流电或直流电。

6.根据权利要求3所述的一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，其特征在于：所述的电弧加热装置的电极材质为石墨、炭素、金属中的一种。

7.根据权利要求3所述的一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，其特征在于：所述的电弧加热装置的电极横截面的形状为圆形、椭圆、矩形中的一种。

8.根据权利要求3所述的一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，其特征在于：所述的电弧加热装置的电极数量为单电极、双电极、三电极中的一种；电极位置是异向安装，作为上下电极；或者是同向安装，仅作为上电极。

9.根据权利要求3所述的一种将电磁感应与电弧加热相结合的电炉，其特征在于：所述熔炼坩埚(5)的材料，根据熔炼物质的酸碱性确定，熔炼酸性物质则坩埚材料为酸性氧化物或石墨；熔炼碱性物质则坩埚材料为碱性氧化物或石墨；所述电炉不使用炉盖，或者是使用炉盖，所述炉盖中部设有加料孔、电极孔和排烟孔，上表面设有水冷夹层。

10.权利要求1-9任一项所述电炉的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

1.按比例将物料充分混合，通过炉盖(4)上的加料口送入到炉体坩埚(5)中，打开感应加热结构，对物料进行预热，接着打开电弧加热装置，使电极(3)与物料之间产生电弧，控制电极棒插入深度以拉长电弧，提高加热效率；

2.电弧处物料开始熔化，反应，形成凹槽，熔化的物料向炉底流动，期间根据料面高度加入物料，根据电弧强度控制电极棒插入深度；

3.重复上述步骤，在电弧的加热下，靠近电极的中心物料形成凹槽，远离电极的边缘物料形成凸起，在感应线圈磁场的搅拌作用下，边缘部位凸起的物料很快就会塌落填补中心部位的凹槽；随着物料逐渐反应熔化，熔池逐渐扩大稳定，此时电磁感应线圈(6)的磁场对熔池的搅拌作用促使熔池内的产物合金与熔渣分离，并使合金成分均一稳定；

4.反应结束，关闭总电源并在熔炼坩埚(5)底部开口使合金流出。