CN1245557A - 电弧炉保护装置 - Google Patents

Abstract

一种电弧炉,该炉包括带炉床的外壳;覆盖外壳的炉顶,炉顶包括多个组件(10,11),这些组件相互之间以及与外壳间基本上是电绝缘的;电极(12)和炉顶上的耐火部分(14),其中,耐火部分(14)至少部分是导电的。

Description

电弧炉保护装置

本发明通常涉及一种电弧炉，尤其是涉及在电弧炉运行期间产生电流波动的问题。

这里所用的术语”散弧”表明了这一类型的较为明显的不稳定性，这种不稳定性表现在炉内，如电极和炉顶之间，或在炉内其它表面之间发生散弧现象。

本发明可应用于直流和交流电弧炉。

在直流电弧炉运行期间，由于电弧的作用，炉渣会从熔渣层飞溅到炉侧壁和炉顶上。热尘粒和冷凝蒸汽也会粘到侧壁和炉顶上。冷态炉渣通常是非导电的或导电率很低。

在升温过程，炉渣，尤其是特定氧化物，如二氧化钛含量较高的炉渣的绝缘特性受到严重影响。这些炉渣的电阻率可能下降到这些材料成为导电的程度。随之，在炉内，在炉顶和侧壁处存在导电层，从而使得炉顶和侧壁具有了与炉内熔池的池顶相同的电位。从而，导电层促进击穿而在阴极和阳极间形成电流通路。

炉内引起散弧的条件是可变的，例如，主弧不是完全稳定，同时产生沸腾和火花，在整个熔化期间产生炉渣，熔池液位发生变化，和向炉内供料的速度和组份存在波动。因此，用于控制散弧的手段应该，而且最好能够适应不管是上述的因素还是如温度和压力波动的其它因素，以及适应供给炉子的电力的变化，即流向炉子的电压和电流。。

电弧会损坏炉顶，炉壳和炉床部件，并能导致炉子生产率大幅度降低。对于水冷炉而言，电弧引起供水管的破裂将导致水流入炉内而引发极为严重的和破坏性的爆炸。

本发明的目的在于通过减少电弧对炉体损坏的可能性来提高电弧炉的经济性能。

本发明提供了一种电弧炉，该炉包括一带炉床的外壳和一盖在外壳上的炉顶，炉顶包括多个组件，这些组件相互之间以及与外壳间基本上是电绝缘的；一电极和炉顶上的耐火部分，其中耐火部分至少部分是导电的。

耐火部分可以由导电耐火材料构成或者包含有本身是导电的耐火材料。另外或附加地至少在局部耐火材料内配置至少一种导电部件，该导电部件可是任何形状和尺寸。

本发明的一种实施形式是导电部件暴露于炉子内部。

本发明的另一种不同的方式是导电部件不是暴露于炉内部，即它被耐火部分所覆盖。

在后一种实施例中，只有当耐火部分被浸蚀掉后致使至少部分导电部件暴露出时，炉内部和导电部件才能发生直接的导电连接。

可以使用多个导电部件，并根据需要将它们按不同的程度配置到耐火部分的多个区域内。由于耐火部分材料的浸蚀，导电部件的暴露就因此可以提供一种估计耐火部分损坏或磨损的手段，并当损坏敏感部分，如耐火部分内的水冷管时当即予以指示。这种构思使提供一种诊断系统成为可能，这种诊断系统能够提供系统机械损坏程度的早期报警。

导电部件可以是任何合适的导电材料，而最好的是铜。

导电部件可以制成任何形成或尺寸，并且可以是通常的圆柱形销状。较为合适的长度是直径约为120MM时550MM量级。给出的这些尺寸只是举例而已，并不限定于该范围，只要考虑了导电和导热率的其它尺寸也具有满意的效果。

可以使用多个导电部件。这些导电部件可以任何合适的模式配置在电极周围，例如，可以电极为中心按一定的间隔配置成一圆或几圆。

导电部件应该定位成既不接触电极也不接触炉顶且与电极和炉顶成电绝缘。

至少部分导电部件整个地埋置在至少部分炉顶组件内。

另外或附加地至少部分导电部件被定位成它们被部分地埋置在至少部分炉顶组件内并且部分暴露于炉子运行期间所产生的且粘附到炉顶组件上的炉渣内。

导电部件可以任何合适和希望的方式或结构相互导电连接或者连接一个或多个可控的电位体。

虽然炉顶可以是水冷的，并可由多个水冷炉顶组件或板件形成，但本发明对其它类型的炉顶，如包括喷雾冷却炉顶组件或板件也能提供有效保护。

可以使用任何合适的流体，如水或气/水混合物来冷却导电部件，且导电部件的流体冷却管之安装位置可远离耐火部分，以便于若耐火部分受电弧影响而损坏时，能将导电部件之冷却管受到的损坏降到最低程度。冷却流体或冷却技术应该确保进入炉内的水量在冷却管受损时为最少。

根据炉型，可以使用一固定的AC，DC(V)建立电压梯度，并因此能够利用如电阻网产生固定或稳定的电压梯度。

另外，电压梯度可以变化或为动态，并可通过响应炉内运行条件的切换设备建立该电压梯度。再者，根据炉型，切换设备可以AC或DC电压运行。

由电压梯度在如耐火部分和炉子相邻组件之间建立的电压差可以在施加到炉子的供给电压的5％-50％之间。在一个实施例中，电压差值为50(V)至80(V)的量级。

将导电部件连接地球或任何其它可控电位体就能够使导电部件于起弧期间感应出的电流被引流到地球或其它电位体上。通过改变可控电位，另一方面，就能够控制产生电弧的条件并可降低起弧的发生率。

可以使用任何合适的设备将导电部件连接到地球或其它可控电位体上。还可以使用任何合适的设备将不同的组件或板件连接到合适的受电位体上，以便控制散弧对这些组件或板件造成损坏。

这种连接设备可以采用任何合适的形式。本发明的一种形式由电阻分压计构成，以对不同的炉顶组件或炉子的局部或部分施加所希望的电位。

为了限制散弧或扑灭电弧，可以使用有效机械来提供响应当时炉内相关条件的可控电位。例如，可以使用有切换模式或线性控性模式的半导体设备转换器，它们能够向负载传送电能，并能分散从负载吸收的电力。

应对提供给控制电位的电源功率额定值进行限制并使其小于炉子电源额定值的5％，最好不超过1％。这些值只是指示性的大小并不受限。

对半导体设备没有限制，在DC-DC或AC-DC的转换器中，合适的半导体设备有可控硅整流器，双极晶体管，绝缘栅双极晶体管和闸门关断可控硅整流器。为了提供炉顶组件所需要的合适电压，这些设备可以直接在单相或多相交变电源上运行，可从一无控制的整流电源或直接来自DC电源向炉供能。

为了限制转换到或输入到电弧炉的电力，这些设备可以包括任何合适的保护机构。对此应用不作限制，例如可以使用限流装置，如阻流二极管和熔丝。

可控电位是可调的，最好是动态的，用以限制散弧对一个或多个导电部件产生的程度，而同时防止散弧损坏炉子。对可控电位也进行限制以防止一个或多个导电部件成为散弧源。

为了知道炉顶起弧的程度，可以监测流到地球或任何其它可控电位上的电流。同样以下的监测也落在本发明的范围之内，即监测流到地球或任何其它可控电位的电流大小，并且当电流超过预定值时，为了限制电位损坏炉子(因起弧)，中断或减少供给炉子的电能或起动其它合适的措施。

本发明还提供了一种电弧炉内控制散弧的方法，其中的电弧炉包括一带炉床的外壳，一盖在外壳上的炉顶，电极及炉顶的耐火部分，该方法包括至少在耐火部分和至少一个炉子组件之间建立一电压梯度。

可以在耐火部分和电极间，在耐火部分和密封件之间，该密封件在电极和耐火部分间或在耐火部分和外壳组件之间建立电压梯度。

电压梯度可基本上是固定和预定的。另外，电压梯度也可以对应于炉内运行条件作动态变化。

下面将参照附图对本发明作进一步的描述。

图1是本发明的DC电弧炉的中心炉顶中央区的平面图；

图2是炉部分的截面图，示意性示出了本发明的结构配置情况；

图3和4是本发明炉子上使用的导电部件或导电销的侧视图，彼此相间90度；

图5A，5B，5C分别示出图2配置中使用的不同电源装置；

图6A，6B，6C分别示出本发明炉子上使用的导电部件的不同结构；

图7是本发明炉子结构的截面图，它利用了电阻分压器；

图8本发明炉子结构的截面图，它利用了动态控制技术。

附图1示出了本发明的DC电弧炉的中央炉顶10的中心区，该炉以公知方式由耐火材料形成或覆盖，并且由流过材料内的循环管路的循环水冷却，或将水喷雾到材料上进行冷却。中心炉顶由以虚线11所示的炉顶板件或组件所围住。

图2是穿过炉顶的横截面图。电极12穿过中心区10，一个外壳覆盖了中心区10并延伸到炉床。炉床构成DC电源的阳极(图中未示出)，而电极12构成阴极。至少炉顶10的中心区由耐火材料14形成或由耐火材料14覆盖，水冷管16埋于耐火材料内用于冷却炉顶。炉子的实际结构基本上是传统的，图7和图8更为详细地示出其结构。

多个水冷导电部件18(在此情况下，其为铜销)以一定间隔配置在二个圆周上，这两个圆周以电极12为中心。部件18被安装在耐火材料内且既不与电极12直接接触也不与水冷炉顶接触，而与炉渣接触。

图3和图4示出了具体的导电部件18的结构。每个导电部件的长为550MM量级，直径为120MM量级。导电部件的横向和轴向钻了横向孔和轴向孔(如图4所示)，图3和图4中孔的阴影部分20被塞住形成U形冷却管路22，该管路22连接到循环管上，水或气/水混合物通过该管路22进行循环冷却。

应该从图3和图4中注意到在每个导电部件的上端部进行水冷。

水冷导电部件应该这样来设计和安装于炉体上，使得冷却管22至少部分位于耐火材料14外部，参照图2，6A，和6B。因此，如果导电部件因炉内电弧而受损，能够减少水从水循环管路流出和进入炉内。

图2简略地示出导电部件18经导体26和电源装置28连接到任何合适的可控电位体24上，该电位体可以是地球。电源装置可采用图5A至5D所示的任何一种结构。

图5示出以标号28A至28D的电源装置的四种结构，它们分别包含一限流开关，一分压计，一线性电源和一开关式电源。

装置28(参照图2)连接到控制器30上，而过程参数用于调节控制器的运行。控制器响应于由电流测量仪36测出的电流测量值34和电压测量值38。

根据电源装置和控制器的特性，由控制器响应输入参数而产生的控制信号40可用来控制装置28的运行。

控制装置30可以采用任何合适结构且可以包括专用模拟信号电路或微控制器来产生信号40。控制器还可以用可编程逻辑控制器(PCL)为基础，该可编程逻辑控制器用于控制炉子的运行并响应炉子运行的信息。根据这种情况，就能够实现响应炉子动力消耗量和实际情况之变化的适当控制。

在图2中，仅有一个导电销18与电源装置连接。辅助连接26A可以设置到另一个销18A上。根据炉顶特性，这将参考图6作进一步描述的是，可以对炉顶的导电部件18C提供附加连接26B。

图5A示出的电源装置28包括一简易断续开关42。如果炉内产生失控电弧，则接地导体26可将导电部件18上所诱发的和由电弧引起的电流引出到地球上，因此对炉顶起到了有效的保护。由电流检测器36可对该接地电流进行监测并因此能够测出产生的电弧程度。还可以将流过导体26的电流与参考值32A进行比较，且若超过参考值，则操作开关以停止向炉子供电。然而，如果产生的副电弧严重到损坏炉体组件时，则应立即切断电源，消除潜在的危险。

可以采用类似的技术来减少其它因素所造成的损坏，这些因素包括例如当耐火材料14被腐蚀到不可接受的程度或者当水冷循环管16暴露出了或者露出到危险的状态时。需要测试导电率的电力供给与系统的电力需求(电力用于控制炉子某些部位的电压)比较相对小，这一情况将在下面描述。

图5B示出了电源装置28，在此情况下用标号28B表示，它还可以包括一分压器，图7示出一DC电弧炉结构50的局部截面，该结构50利用了这样的分压网。该附图示出一炉子的炉床52和外壳54，外壳54包括相应的圆周部分54A和54B。

由一个中心环56形成了部分炉顶并用于外壳(图示出局部)，该中心环56由耐火材料制成，电极12穿过环上的中心孔。炉顶的其余部分由多个组件或板件构成，这些组件和板件彼此间以及与环之间绝缘。一电极密封件60套在电极58上并被配置得密封电极和环56之间的间隙。在该环上安装一个或多个导电部件或导电销18。

分压网28B连接到电压源V_s并输出电压V₁和V₂，这两个电压分别连接于密封件60和导电销18。电压V_s或者是供给到电极12上的电压，或者是外部电源。该分压器提供了无源限流(passive currentlimiting)。

电阻值应该这样来选择，使得对应电压V₁和V₂在每对相邻的炉子组件之间产生电压梯度，电压梯度足以低到能够降低在组件之间发生电弧的可能性。合适的电压差是在炉子供压的0％至50％之间，在其中的一个实施例中，压差是50至80(V)。

图7示出的配置结构是一种相对容易实现的良策。但它的不足是压差根据给定的炉内条件提前选择好。当炉内条件不稳定时，随之压差对于全部运行条件均不在最佳水平上。

一类似的分压网28B(图未示出)可连接到(外壳)部分54B上，若该部分的电压证明是可控的话。

如上所述，图5B的分压器28B提供了无源限流。电源装置28C和28D分别以线性电源和开关模式电源为基础并提供有源(activecurrent limiting)限流。在这些情况下，利用一电流控制回路可实现有效地限流。为了保护电源装置整体并防止电源装置本身成为电弧源而需要限制电流。

图8示出使用二个电源装置28D的情况，这两个电源装置分别提供电压V₁和V₁，该电压V₁和V₂分别施加于密封件60和导电销18。该电源装置利用绝缘栅双极晶体管(IGBT)以可控式开关电源电压V_s，以响应过程参数信号34。

电压V_s可以是电极12上的电压。或者该电压由任何合适种类的整流装置72产生，并由三相电源74向整流装置72供电。

装置28D包括LC过滤器并适于提供高功率电能。它们根据控制器30内的程序可有效地控制电压V₁和V₂，并至少以下列参数32为条件：炉子控制器放液设定(Tap setting)和炉子整流器的运行点。这种方案允许这样的电压梯度，即连续的成对炉子组件之间的电压差在炉子整流器的整个运行范围内保持为动态或合适的方式。

对于没有整流器的AC炉子而言改进是应该的。

在试验炉上发现组件58和60，组件60和56间的最佳电压是50至80伏。

装置28D允许炉子整流器电压被限制在150(V)的安全预定值上，这样无论何时都不会起弧。采取这种手段能够在起弧前或当一个电弧消失时防止在炉顶板件56上起弧。

与一个或多个导电销18接触的炉渣(见图2和8)的温度会影响炉渣的电阻率，并因此很大程度上限定了电压V₂。在极端的情况下，为了解决炉渣电阻，可以使电压超过炉子电压。业已发现一个特定的配置，只有当炉子消耗的电力超过阈值(该阈值在实验时为20兆瓦量级)时，才发生散弧。因而，只在炉子运行电压高于阈值时才需要电压梯度电路。

所述电压梯度有利于在炉内形成热堤70。热堤为外壳和炉顶的上部段提供了一定程度的热绝缘。电源装置28D用来建立电压差，以使被充电至电极电位的颗粒被吸引到炉顶和外壳内部上方，并由电源装置更可靠地保持。因此，热堤就可以这样来建立，使其明显有助于控制。相反地，不合适的压差梯度会对在炉子内表面上形成热堤产生负面影响。

电源装置28可用来实现至少下列目的：

(a)减少散弧；

(b)万一发生紧急情况，能够将炉子的上部限定于接地；

(c)有助于在炉内建立热堤；

很明显可以用一个或几个装置28C来替代装置28D，以提供所希望的电压V₁和V₂。

图7和图8中，把导电销18直接连接到建立电压梯度的装置上。耐火材料本身可以是导电的，在此情况下，对耐火材料可提供附加的连接。

图6A，6B，6C示出不同导电部件的构成。图6A中，销18暴露于炉子内部。然而，必须采取措施避免对销暴露的表面直接产生电弧。可以看出销埋置于耐火材料14中且与上部钢架80保持间隔而不接触。

图6B示出了一种变化，其中，销不暴露于炉子内部，并由一层耐火材料将其与炉子内部屏蔽。利用这种配置，只有当耐火材料被腐掉厚度82致使导电销至少部分露出时，炉内和销之间才会直接地导电连接。当发生这种现象时借助于检测流过销的电流增加值即可很容易地监测出，从而能够得到发生的腐蚀量。

根据需要，炉顶板件中可以配置不同程度的销。由于耐火材料的腐蚀使导电销露出程度可以提供一种估计耐火材料的损坏或磨损的手段并且当可能发生耐火材料中的敏感元件如水冷循环管损坏时提供指示。从而，当销露出时，在销和阴极或阳极间的电阻减小，这一点能够容易地监测出。

图6C示出另外一种配置。在本例中，图号14A所示的耐火材料本身是导电的。耐火材料接触支承钢架80，且电线26直接连接钢架。这种配置(此前已提及)可允许省去销18而通过使导电连接直接连到导电炉顶上来建立相应的电压梯度。

应该理解，导电部件即导电销可以置于炉顶环或炉顶板件的希望位置上，或者按要求置于炉子的其它组件上。

本发明是参考DC电弧炉进行了描述。然而，本发明的构思(或原则)可用于其它类型的炉上。特别是，本发明的构思可用于单相或多相AC电弧炉上减少散弧事故发生。在包含多电极综合控制的炉型上，为了维护炉子表面可以采用监测技术，以使相互绝缘的炉表面保持在希望的适于炉内运行条件的电压上。

Claims (20)

1.一种电弧炉，该炉包括：带炉床的外壳；盖在外壳上的炉顶，炉顶包括多个组件，这些组件相互之间以及与外壳间基本上是电绝缘的；电极和炉顶上的耐火部分，其中，耐火部分至少部分是导电的。

2.根据权利要求1所述的炉子，其特征在于，耐火部分由导电耐火材料构成或者包含导电的耐火材料。

3.根据权利要求1所述的炉子，其特征在于，至少一个导电部件至少部分配置在构成耐火部分的耐火材料内。

4.根据权利要求3所述的炉子，其特征在于，包括多个导电部件，这些导电部件围着电极以一定间隔配置，且与电极和炉顶保持电绝缘。

5.根据权利要求3或4所述的炉子，其特征在于，电极导电部件的部分暴露于炉子内部。

6.根据权利要求3，4或5所述的炉子，其特征在于，导电部件用合适的液体冷却。

7.根据权利要求1到6中任何一个所述的炉子，其特征在于，包括一个装置，该装置至少横跨耐火部分和炉床建立一电压梯度。

8.根据权利要求7所述的炉子，其特征在于，建立电压梯度的装置在耐火部分和相邻的炉子组件之间建立一个电压差，该压差是供给炉子电压的0％至50％。

9.根据权利要求7或8所述的炉子，其特征在于，建立电压梯度的装置包括一电阻分压器网。

10.根据权利要求7或8所述的炉子，其特征在于，建立电压梯度的装置包括多个切换设备，这些设备响应炉内的运行条件。

11.根据权利要求1至6任何一个所述的炉子，其特征在于，导电耐火部分连接到地球或可控电位体上。

12.根据权利要求1至6任何一个所述的炉子，其特征在于，包括一个装置，该装置监测流到导电耐火部分的电流。

13.根据权利要求12所述的炉子，其特征在于，包括一个装置，该装置用于当电流超过预定值时中断向电极供电。

14.根据权利要求1-13之一所述的炉子，其特征在于，该炉子是DC电弧炉。

15.一种控制电弧炉发生散弧的方法，该电弧炉包括带炉床的外壳，盖在外壳上的炉顶，和炉顶上的耐火部分，耐火部分至少部分是导电的，该方法包括至少在耐火部分和炉床之间建立电压梯度的步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，电压梯度在耐火部分和相邻炉子组件之间建立一个电压差，该电压差是供给炉子电压的0％-50％。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，电压梯度是固定的。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，电压梯度响应炉内的运行条件而可变。

19.根据权利要求15至18中任何一个所述的方法，其特征在于，耐火部分通过至少一个导电部件而至少是部分导电的，该导电部件至少部分暴露于耐火部分内，且对流过导电部分的电流进行监测以检查耐火材料的腐蚀程度。

20.根据权利要求15至19中任何一个所述的方法，其特征在于，该方法包括当炉内电弧消失时将供给炉子的电压限定在预定安全值上的步骤。

Images