TWI576438B - 電弧爐及其操作方法 - Google Patents

Description

電弧爐及其操作方法

本發明係有關於一種電弧爐(Electric Arc furnace)及其操作方法。該電弧爐大致由下部容器與可放置於該下部容器上的頂蓋構成，該下部容器上設有用於熔體排放的出鐵裝置。至少一電極穿過該頂蓋伸入該電弧爐內部。該電極被電極保持裝置保持。設有為該電極提供電源電壓的供電裝置，以便實現針對多個熔體以上之持續工作。

先前技術關於電弧爐此一課題之論述甚豐，例如可參閱公開案US 4,423,514；US 4,238,632；EP 0 269 465 B1；EP 1 181 492 B1；EP 8 430 020 B1；US 4,805,186；EP 617739 B1；EP 1 029 089 B1；EP 0 889 138 B1；DE 41 23 039 A1；DE 35 43 773 A1；DE 103 92 661 T5，以及Manfred Jellinghaus所著“Stahlerzeugung im Lichtbogenofen(在電弧爐中製鋼)”(Stahl Eisen出版社，N 23232/11/94，第三版，99-102頁)一書。

德國專利申請公開案DE 1 937 839及美國公開案US 2002/0071473 A1提出過利用持續熔化廢料來不間斷生產鐵的電弧爐，其中，爐子在出鐵過程中直立且靜止，故而毋需翻轉。

歐洲公開案EP 1 779 705 B1提出過一種可採用直流電電弧爐或交流電電弧爐工作方式的電弧爐。此種電弧爐包含一用於在熔化工序中對電極加以增補的調節裝置，其(例 如)藉由相應增補措施來防止電極磨損或燒損所導致的電極縮短引起電弧截斷。

歐洲專利說明書EP 0 190 313 B1提出過一種製鋼用電弧爐，其可實現六至七天以上的準持續工作。此種電弧爐包含下部容器，其利用熔化熔煉爐料來產生熔體。該下部容器包含一用於熔體排放的出鐵裝置。此電弧爐還包含一放置在下部容器上的頂蓋以及至少一電極，該電極穿過頂蓋伸入電弧爐內部並被電極保持裝置保持。利用由一供電裝置所提供的電源電壓來為該電極供電。根據EP 0 190 313 B1的原理，特別是在為爐子裝入Eisenträger(鐵載體)或熔劑的過程中、在透過添加合金材料來修整熔體的過程中，以及在持續工作中或真正意義上的熔化工序中所定期實施的出鐵過程中，為電極持續接通電源電壓且保持接通狀態，以便實現數日之持續工作。較佳對送入爐子之用作鐵載體的廢料或Direct Reduced Iron(DRI，直接還原鐵)進行預加熱。在電弧爐持續工作過程中定期實施出鐵。根據該案，每次出鐵時使下部容器中的剩餘液位處於最大液面深度的40%至50%的水平。出鐵時將熔體溫度加熱至期望出鐵溫度。電弧爐頂蓋採用水冷設計。僅在需要實施維護操作的情況下方可中斷電弧爐之準持續工作。隨後將爐子降下並對所有需要維修的組件進行更換或維修。

有鑒於此種先前技術，本發明之目的在於，對習知電弧爐及此電弧爐之習知操作方法進行改良，以便簡化電弧 爐之準持續工作。

本發明用以達成上述目的之解決方案為申請專利範圍第1項所述之主題。其特徵在於，該電極保持裝置具有一在接通電源電壓的情況下根據電極磨損狀況對該電極加以增補的電極增補裝置，以及一用於在接通電源電壓的情況下接合該電極的電極接合裝置。

“準持續工作”此一概念係指：用於該至少一電極的電源電壓對大量前後相連的熔體而言係連續的，即持續接通的，該電源電壓僅在需要對該電弧爐實施維護操作的情況下方可中斷。

“熔體”此一概念在本說明書中具雙重意義。“熔體”一方面係指熔化的鐵載體。另一方面係指電弧爐持續工作過程中週期性出現的出鐵週期。後一“熔體”概念係指前後兩次出鐵之間的持續時間。

“電極接合”此一概念係指，將新的電極束旋在當前插入電極保持裝置之電極之遠離電弧爐內部的末端上，從而達到延長電極保持裝置中的現有電極的目的。

本發明在接通電源電壓的情況下對電極進行接合的優點在於，可實現電弧爐的一種持續工作模式，而不必為更換燒損電極而切斷電弧爐。另一優點在於，原則上毋需為確保持續工作而設置備用電極，即毋需在需要更換另一燒損電極的情況下設置經由電弧爐蓋的另一開口伸入電弧爐且通電的備用電極。

本發明之電弧爐用於透過熔化鐵載體，特別是熔化 DRI、HBI以及/或者液態及/或固態生鐵以及/或者廢料來產生熔化鋼料。

根據第一較佳實施例，該下部容器在該電弧爐之工作過程中特別是實施出鐵過程中較佳採用直立且靜止之實施方案。其優點在於毋需設置昂貴的翻轉機構。根據本發明，該電弧爐於出渣過程中較佳保持關閉，亦即，該頂蓋可停留於該下部容器上。該方案較頂蓋抬升方案之優點在於，電弧爐內的熔化過程不會因吸取環境空氣而受到干擾。電磁爐內因通常設置了煙氣吸取裝置而處於一定負壓狀態，故而在頂蓋抬升之方案中可能有環境空氣被吸入。使容器閉合從而使容器內部保持一定負壓的另一優點在於，可採用低於頂蓋抬升情況的煙氣吸取功率，因為不必將環境空氣一同吸取。此外，毋需讓熔體如電弧爐翻轉方案一樣在電弧爐內進行不必要的運動。此實施方案的又一優點在於，採用靜止式直立容器後，在出鐵過程中仍可裝入鐵載體或熔劑，而此點在需要實施翻轉方可出鐵的容器中是很難做到的。

根據本發明，除電極之增補及接合以及熔體之排放外，將鐵載體及/或熔劑裝入電弧爐，以及利用吹入裝置將沖洗物質或化學之能源載體送入電弧爐以及/或者經由該下部容器110之底部(未繪示)將沖洗物質送入電弧爐皆可在電源電壓接通且施加於該電極的情況下進行。在接通電源電壓的情況下實施上述處理步驟之優點在於，毋需為實施上述步驟而中斷該電弧爐之工作；亦即，該方案之優點在 於可實現該電弧爐之持續工作。

本發明用以達成上述目的之另一解決方案為一種操作電弧爐的方法。該解決方案及其優點可參照上述就本發明之電弧爐所列舉的優點。

本發明於出鐵完畢後設置該液位，其優點在於可延長該下部容器之耐火材料的使用壽命，因為設置該液位可防止在此區域內發生過大的溫度波動。

本發明之電弧爐及其操作方法的其他有利設計方案參閱附屬項。

下面聯繫附圖對本發明之實施例進行詳細說明。

圖1為本發明之電弧爐100，其包含下部容器110及可放置於該下部容器上的頂蓋120。該頂蓋例如呈錐形且具有冷卻其側面用冷卻裝置170。該冷卻裝置例如由若干供冷卻水流過的管道構成。該頂蓋在其中央或尖端具有至少一第一較大開口，用於承載伸入電弧爐100的電極130。

除該第一開口122外，頂蓋120還具第二開口124，用於在接通電源電壓的情況下將鐵載體及/或熔劑裝入電弧爐。送入爐子的鐵載體例如可為廢料、直接還原鐵DRI、熱壓鐵HBI以及/或者液態及/或固態生鐵。該頂蓋之側面中還設有吹入裝置160，用於較佳在接通電源電壓的情況下將(例如)沖洗物質、氧或炭送入電弧爐內部。如圖1所示，該吹入裝置將上述物質針對性送至熔渣或熔體旁。

該電弧爐工作過程中，下部容器110直立且靜止。因 此，頂蓋120只能豎向、即沿圖1中雙箭頭的方向升降。此處雖可設置用於翻轉頂蓋的裝置，但非必要之舉。為(例如)方便維護，該下部容器可採用可動設計。

下部容器110上砌有耐火材料112。該耐火材料經維護後在下部容器中具有某種厚度，使得該耐火材料即使在該電弧爐數日連續工作後仍具足夠之殘餘厚度。該下部容器具有較佳用於熔體排放的出鐵裝置115，使得每次出鐵後該靜止式下部容器內皆留存至少500 mm的液位h。

電弧爐100中設有用於保持電極130的電極保持裝置140。該電極保持裝置包含一根據電極磨損狀況對電極130加以增補的電極增補裝置142，以及一用於接合電極130的電極接合裝置。本發明中的電極增補裝置142及電極接合裝置144皆實施為，當電極130接通電源電壓時，可在該電弧爐工作過程中增補及接合該電極。唯有透過上述手段方可使電弧爐實現針對多個出鐵週期以上或者多個熔體以上之持續工作。

設有用於為該至少一電極提供電源電壓的供電裝置150，以便將電能輸入該電弧爐。該供電裝置可實施為為電極130提供形式為直流電壓之電源電壓的直流電源，或者提供形式為交流電壓之電源電壓的交流電源。該供電裝置包含一變壓器裝置152，其在本發明中佈置於爐蓋上方。該供電裝置實施為交流電源且該電弧爐採用交流電AC爐之工作方式時，該變壓器裝置152包含三個互以120°對稱佈置的單相變壓器。

下面對該電弧爐的本發明操作方法進行詳細說明。

本發明之方法的主要特徵在於，在針對數日以上且多個熔體或出鐵週期以上之“準持續工作”模式中對該電弧爐進行不間斷操作。僅在需要實施維護操作的情況下，可於數日持續工作後切斷該持續工作模式再實施維護。

該持續工作模式一方面透過該電極增補裝置實現，該電極增補裝置在電弧爐工作過程中對爐內的電極130進行增補，使得在理想情況下，電弧長度雖於電極磨損或燒損時亦可大體保持不變。為防止電弧爐之工作狀態即使在電極130達到最小長度時也不致中斷，本發明除該電極增補裝置142外另設電極接合裝置144，其確保在電極130達到其最小長度前使該電極向上再度延長。通常透過將延長電極或新的電極束旋在該電極之遠離爐子的末端上來實現此種接合。在本發明中，電極接合裝置144在接通電源電壓的情況下對電極實施此種接合，從而在接合過程中延續電弧爐的工作狀態。

除對電極130加以增補及接合外，本發明較佳亦在持續工作過程中之接通電源電壓的任意時間點上，為電弧爐裝入鐵載體或熔劑或者將沖洗物質吹入電弧爐、透過添加合金材料來修整熔體，以及(特別是)排放熔體或熔渣。採用上述方式之優點在於，毋需為實施此等製程而中斷電弧爐之工作，故而與間斷式電弧爐工作模式相比能大幅降低成本。其原因在於，本發明之持續工作模式取消了間斷式電弧爐工作模式中的停工時間。利用本發明可達到最佳 利用電功率的目的。特定言之，毋需設置電能存儲器及其他用電設備，故而毋需在間斷式工作模式中常見的電弧爐停機時段內消耗供電裝置所提供的電功率。此外，由於通電及斷電次數明顯減少，供電過程中的能耗亦相應降低。

圖2為針對多個出鐵週期或熔體以上之連續性能量輸入、即為電極130連續接通電源電壓的理想視圖。

根據本發明的工作原理，該電弧爐以平均約1600℃的持續工作模式工作。計劃中的出鐵於施加電源電壓且下部容器直立且靜止時實施，僅在該出鐵的起始點上較佳使熔體溫度偏高約50℃，藉此可防止熔體排出電弧爐後不當地提前冷卻。較佳採用某種出鐵方式，使得出鐵完畢後該下部容器內總是相對容器最低點留存至少500 mm的液位h。此項舉措之優點在於，該下部容器中不會在施加有電源電壓時因空轉而出現無熔體的現象，從而防止電弧爐毀壞。此種液坑將熔體及下部容器的溫度波動保持在一定範圍內。從而減輕耐火材料所受影響，進而延長下部容器使用壽命。

除該出鐵工序外，對電極的增補及/或接合亦可於施加電源電壓時的裝料過程中進行。

100‧‧‧電弧爐

110‧‧‧下部容器

112‧‧‧耐火材料

115‧‧‧出鐵裝置

120‧‧‧頂蓋

122‧‧‧第一開口

124‧‧‧第二開口

130‧‧‧電極

140‧‧‧電極保持裝置

142‧‧‧電極增補裝置

144‧‧‧電極接合裝置

150‧‧‧供電裝置

152‧‧‧變壓器裝置

160‧‧‧吸入裝置

170‧‧‧冷卻裝置

200‧‧‧熔體

h‧‧‧液位

共兩張附圖，其中，圖1為本發明之電弧爐的橫截面圖；及圖2為本發明之操作電弧爐的方法。

100‧‧‧電弧爐

110‧‧‧下部容器

112‧‧‧耐火材料

115‧‧‧出鐵裝置

120‧‧‧頂蓋

122‧‧‧第一開口

124‧‧‧第二開口

130‧‧‧電極

140‧‧‧電極保持裝置

142‧‧‧電極增補裝置

144‧‧‧電極接合裝置

150‧‧‧供電裝置

152‧‧‧變壓器裝置

160‧‧‧吸入裝置

170‧‧‧冷卻裝置

200‧‧‧熔體

h‧‧‧液位

Claims (18)

1. 一種電弧爐(100)，包含：下部容器(110)，用於熔化鐵載體；其中，該下部容器具有用於熔體排放的出鐵裝置(115)；放置於該下部容器上的頂蓋(120)；至少一電極(130)；電極保持裝置(140)，用於對該至少一穿過該頂蓋(120)中的第一開口(122)伸入該電弧爐之內部的電極(130)進行保持；及供電裝置(150)，用於為該電極(130)提供電源電壓；其特徵在於，該電極保持裝置(140)具有在接通電源電壓的情況下根據該電極之磨損狀況對該電極加以增補的電極增補裝置(142)，以及用於在接通電源電壓的情況下接合該電極(130)的電極接合裝置(144)，其中該電極增補裝置(142)在供應電壓接通時，將電極(130)增補到該電弧爐(100)的內部，使得該電極雖有磨損或燒損但其電弧部份仍保持大致恒定。
2. 如申請專利範圍第1項之電弧爐(100)，其中，該出鐵裝置(115)佈置在該下部容器(110)上，使得當接通電源電壓時在下部容器直立且靜止的情況下實現定期出鐵。
3. 如前述申請專利範圍第1或第2項之電弧爐(100)，其中， 該頂蓋(120)具有至少一第二開口(124)，用於在接通電源電壓的情況下將鐵載體及/或熔劑裝入該電弧爐。
4. 如申請專利範圍第1或2項之電弧爐(100)，其特徵在於，該頂蓋具有吹入裝置(160)，用於將沖洗物質送入電弧爐內部。
5. 如申請專利範圍第1或2項之電弧爐(100)，其中，該頂蓋(120)呈錐形。
6. 如申請專利範圍第1或2項之電弧爐(100)，其中，該頂蓋(120)具有用於使其冷卻的冷卻裝置(170)。
7. 如申請專利範圍第1或2項之電弧爐(100)，其中，該頂蓋(120)可相對於在該電弧爐之工作過程中靜止的該下部容器(110)豎向移動。
8. 如申請專利範圍第1或2項之電弧爐(160)，其中，該供電裝置(150)實施為為該電極提供形式為直流電壓或交流電壓之電源電壓的直流電源或交流電源。
9. 如申請專利範圍第1或2項之電弧爐(100)，其中，該供電裝置(150)具有變壓器裝置(152)，其佈置於該頂蓋(120)上方。
10. 如申請專利範圍第8項之電弧爐(100)，其中，該供電裝置實施為交流電源時，該變壓器裝置(152)具有三個互以120°對稱佈置的單相變壓器。
11. 如申請專利範圍第1或2項之電弧爐(100)，其中，該下部容器(11)內部砌有耐火材料(112)。
12. 一種操作電弧爐(100)的方法，該電弧爐包含下部容器(110)、可放置於該下部容器上的頂蓋(120)，以及至少一電極(130)，該至少一電極可穿過該頂蓋(120)中的第一開口(122)伸入該電弧爐之內部，包含以下步驟：經由該頂蓋中的至少一第二開口(124)將鐵載體或熔劑裝入該電弧爐；為將送入該電弧爐的鐵載體熔化而對該電極(130)連續施加電源電壓，用於使該電弧爐實現針多個熔體以上之持續工作；其特徵在於，在施加電源電壓的情況下將至少一電極增補及接合到該電弧爐內部，使得該電極雖有磨損及燒損，但其電弧部分仍保持大致恒定。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，在施加電源電壓的情況下將鐵載體或熔劑裝入該電弧爐(100)以及將沖洗物質吹入該電弧爐。
14. 如申請專利範圍第12或13項之方法，其中，該電弧爐(140)以平均約1600℃的持續工作模式工作。
15. 如申請專利範圍第12至13項中任一項之方法，其中，施加電源電壓時在該下部容器(110)直立且靜止的情況下排放該熔體(200)。
16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中，以出鐵操作完畢後該下部容器內留存至少500mm之液位(h)的方式實施出鐵。
17. 如申請專利範圍第15項之方法，其中，該電弧爐(100)為排放該熔體而短時間採用約1650℃的工作溫度。
18. 如申請專利範圍第12至13項中任一項之方法，其中，亦可在該裝料過程中對該電極加以增補及/或接合。