CN1104757A - 交流电弧炉及其操作法 - Google Patents

Abstract

双直流或交流都能适用的电弧炉，该电炉具有喷 射纯氧或化合氧用的设在熔液(16)之上的吹管(12) 和多个设在炉床上的风口(13)，该风口(13)是由在周 边上流动的冷却混合物冷却的，该冷却混合物含有至 少一种具有高度冷却能力的气体(甲烷、丁烷、惰性气 体等)和至少一种稀释用的气体(氮、二氧化碳)；还包 括引入添加剂及/或粉煤的机构(15)；在风口(13)内 含有一根直径大于8毫米的氧气输送管(18)，氧气的 压力能够按照工步调节，但总是有一恒定的最小输送 压力。

Description

本发明涉及一种用交流电来熔化钢的电弧炉并涉及相关的操作法，如同在有关的主要权利要求中所提出的。

本发明应用的领域为用来熔化钢及其合金的电弧炉并曾构思和设计以适当的方式采用交流电使工厂的效率和产出得以优化。

本发明对用直流电操作的电炉和用交流电操作的电炉都可适用。

本发明适用的电弧炉可以有一出钢槽和一出钢孔，出钢孔的定位可不受任何限制。

应用于电弧炉的较好的典型做法是用“熔池”法操作，即在操作时总是存在剩余金属液。

本发明的目的是要显著地减少电弧炉所消耗的电能和熔化时间。

本发明还可特别适用于完全用冷料来熔化的情况。

本发明用翻斗车来对电弧炉装入废钢，或连续装入废钢，或连续装入预先破碎的其他材料，或混合装入要装的材料。

现有技术的熔化金属的方法含有将气体元素喷射入炉内的过程以便使熔化金属材料中的碳和其他可氧化的化学元素完成氧化反应。

氧化反应可使碳和其他化学元素中的潜在能量通过放热氧化反应而被回收。

喷入的气体元素可以是富含氧的空气或者甚至是纯氧。该气体元素可用位在熔池表面之上的吹管及/或设在炉底上的喷嘴或风口吹入到熔化金属上。

专利US-A-3，459，867号启发说可用燃烧器将数量经过仔细计算的氧送入炉内从而使氧富余。该项燃烧器可沿一个位在电极和炉子侧壁之间的周边区作用并跟随金属的运动而工作。

专利US-A-2，909，422号启发说氧和其他物质可通过一个空心的电极送入炉内。从而现有技术还包括将添加剂和粉煤通过设在炉顶上的空心电极送入炉内的内容。该项添加剂和粉煤补充物可补充用在氧化反应中的碳并能使由该反应提供的能量保持在高水平。

专利GB-A-2，115，011号启发说搅动和加工用的气体可从熔化金属液的下面吹入面固体碳素物则从上面引入，此外并用设在侧壁上的风口将气体混合物送向金属熔液。

专利GB-A-1，421，203号启发说氧气和其他气体可从底部一个位在电极和炉子侧壁之间的区带内送入。

专利FR-B-2，208，988号启发说气体须从上面向下送入炉内，还须从废钢及/或熔化金属液下面送入到电极区以及电极和炉子侧之间的区带内。该文件还公开说在侧壁上还设有一个或多个输送氧气及/或其他气体的吹管，其配置方向跟随着金属在电极和炉子侧壁之间的运动方向。

专利EP-BI-0257450号所公开的方法包括采用多个工作在电极和炉子侧壁之间、输送氧气或其混合物的吹管，以及多个安排在熔化金属液下面、吹管所工作的区带内的喷嘴。

这些位在底部上的喷嘴并被用来搅动熔液并使吹管的吹炼作用均匀，因为即使采用超声吹管，燃气射流在熔液内也不能达到大于20-30厘米的深度，除非所用的吹管是准备扔掉、不打算再用的。

现有技术的喷嘴和风口工作时的典型压力最高可达60巴，通常在5至20巴之间。

在专利US-A-3，902，889号和EP-BI-0257450号中都可看到，位在底部上的喷嘴和风口所具有氧气发射口的直径为3至6毫米，并且最好采用双管式，其中中心管发射氧气，而环形管发射碳氢化合物及/或惰性气体作为冷却之用。

采用风口从底部吹入氧气连同其他不同流体例如氩气、氮气和甲烷气可使氧化反应得到改进并能均匀地进行。

风口技术能使钢水较好地均匀化，这样就可能在“长弧”条件下强烈地工作而不会产生温度上的不均匀，并能缩短熔化时间，还有其他好处。

现有技术的从底部吹入气体是在较高的压力下以较低的气体流率来进行的，气体通过多个分布在底部上通常为小口径的风口吹入炉内。

在各种工作周期中吹入气体的调节也是依靠气体流率的调节来进行的;压力能被改变，但只是流率改变以后的结果。

在现有技术中风口基本上是在炉底上对称布置的并且通常与发射氧气的吹管相对应。

送入氧气和其他气体的风口和吹管这样安排时对熔炼厂的效率和产出不会有什么提高的作用。

本申请人等因此曾进行了调查和试验，并出乎意料地完成了本发明，达到了原来希望要进一步改善的目的，特别是在工厂的产出方面，在熔化时间方面，在能量消耗方面，在熔液均匀化方面，并因此而对温度值和成份分析值可具有较大可靠度的方面，均可得到进一步改善。

在各有关的主要权利申请项中提出了本发明及其特征，而在从属权利申请项中则说明了本发明主要解题思想的各种变型。

与现有技术比较，本发明是以一种新的技术上的和操作原理上的方法为依据的，虽然用到常见的部件和组件，但这些常见的部件和组件是以历来没有设想过的革新的方式来使用的。

本发明以一种革新的方式来使用将气体从炉底（或炉床）喷入的风口技术以便使氧化反应快速开始，增大反应所影响的范围并加快装料的熔化。所用气体主要为纯氧或化合氧。

按照本发明纯氧或化合氧是以较大的数量用可调节的压力使它通过设在炉床上的风口喷入炉内。

在风口内的输氧管由紫铜制成，典型直径大于8毫米，视炉子容量及具有的风口数而定。

这种输氧管在实施时最好是在一个多角形或星形的截面上，或者不管怎么样，是在一个具有对称形状并能内接在一个圆周内的截面上钻出一个孔眼以便使具有该截面的型材能够卡在一个圆筒形的管子内从而在该管子的周边上形成冷却混合物用的通道。这种结构非常重要，因为它能保证使输氧管均匀而恒定地冷却。

多角形截面这一词在今后就用来指能够内接在一个圆周内的任何截面。

按照本发明，至少应在炉子的最冷区带上设有风口以便为该特定区带提高温度作出积极的贡献。

在炉底上的所有风口的中心都被安排在由一个内周边和一个外周边两个周边限定的环形区内。

内周边在其最靠近中心的位置时离开中心的距离为从外壳上某一点到炉子中心连线长度的四分之一，而外周边在其最大限度时离开中心的距离为从外壳上某一点到炉子中心连线长度的四分之三。

按照一种较少演变的方案，在风口周围的环形区是圆形的。

该环形区将电极围在里面，自身则在电极的外面。

如上所限定的环形区外周边的界线是一种折衷后的结果，该外周边既要离开炉子中心足够远的距离以便加热在那里的冷区带，又不能太靠近炉壁为的是避免耐火材料受到损坏。

风口的最佳位置应按照下列各项因素来法定：喷射氧气的上吹管的位置，燃烧器的位置，吸烟孔（第四孔）的位置，和上电极的位置，如果炉子用直流电工作还须涉及底电极的位置。按照本发明的一种变型，甚至还考虑到炉子的一般结构以及一些在该炉子本身设计之前就已知道的其他变数。

换句话说，当更需要获得能量使熔液的温度均匀并使在熔液中的热量尽可能地分布得更为对称和均匀时风口的位置并不是用对称的方式来定位的。

本申请人等曾经发明，在一具有电极、第四孔和一个凸出部的电弧炉内最好设有至少三个风口和至少一个超声氧气吹管。在这种炉子中两个风口设在第四孔的两边，其中一个设在偏向出渣孔的那一边，而第三个风口的位置则偏向浇铸口。

在另一方面，超声氧气吹管最好面向炉子中心并定位在电极的一边。

按照本发明的一种变型，在底部上超声氧气吹管与熔化金属液共同作用的区带内还设有一个辅助风口，该风口的结构基本上与其他风口相同，但是具有一个差动流率或差动作用方法的特点。按照本发明该辅助风口是在熔化已经开始以后方起作用的，对某些钢种，或者更概括地说，在某些工作条件下它可以用来替代超声吹管。

在按照本发明的方法中氧化气体的发射压力是按照炉内装料所处的阶段来设定并调整的，而流率则可随着设定压力的变化作功能上的变化。

当用翻斗车进行装料时，每一装料阶段可分成多个时段，每一时段各有一个压力和氧化气体喷射流率的特定值作为其特征。

当连续进行装料时，整个周期可分成许多时段，每一时段各有一个压力和氧化气体吹入流率的特定值作为其特征。

当熔化过程进行时，按照本发明，氧气的喷射压力最好逐渐增加，或者不管怎样说，得要适当地变化，同时氧化反应用的有效碳的数量也要增加。

按照本发明，在一个装料周期与下一个装料周期之间的不起作用的阶段，气体的喷射压力可以降至一个确定的最小值并维持在该值上。这个最小值代表一个压力，该压力须能足够克服剩余金属液的钢水静压力以及在引入装料时装料施加在金属液上的动力作用。因此须将这个最小值计算出来以便使金属液不会回流到风口内，因为这种回流会导致风口堵塞。

每一周期内氧气的工作压力是根据用来熔化的废钢或预先破碎的材料或其混合物的种类以及所要生产的钢的种类来确定的;该压力可用经验方法确定并编成适用的表格。

氧气是从风口吹入的，所用压力是可以变化的，基本上在0到11巴之间。

按照本发明，风口的中心吹管是用来喷入惰性气体和氧气的，可以用在这种情况下，例如，与氧化合进行后期燃烧的碳已经被用完时。

按照本发明采用的较低的吹入压力不会引起钢水飞溅的问题。另外，该压力还确定着在熔化金属液内氧分子上升的低速率。

这样氧分子在熔化金属液内就可有较长的停留时间，因此有较长的时间可以用来与碳分子化合。

氧分子上升的低速率转变为氧分子本身或其化合物从熔化金属液中冒出的低速率，这一情况可使熔渣层较易处理氧分子本身或其化合物，这时熔渣层的作用如同一个元件可使化合的一氧化碳分子缓慢逸出并被过滤掉。

按照本发明，由于这些革新综合采用的结果，一氧化碳分子与后期燃烧用燃烧器提供的氧之间的化学反应将在熔渣层与熔化金属液之间并在熔渣层之内进行，因此这种反应所放出的全部能量都被直接转移到金属液内或从溶渣层转移到金属液内，不会发生已知技术中出现的典型损失。

较低的喷射压力并可使金属液较少扰动，因此电弧可以较少发生问题，从而效率可以提高。

每一单个风口内的氧气流率随着炉子的容量而变，其范围约为0到1000标准立方米/时;最佳流率为30到400标准立方米/时，乘上一个从2/3到1/10变化的比率可以得出在每一单个后期燃烧用燃烧器内氧气的流率。

按照本发明，每一风口都可根据它所在区带的情况单独进行控制。因此在熔化期内如有特殊要求或情况，能使一个风口比另一个风口具有较大或较小的氧气喷射。

按照本发明，通过风口环形管的冷却混合物至少应具有一种冷却能力较高的气体，例如甲烷气或其他合适的碳氢化合物，还要有一种能起稀释作用的气体，例如氮气或二氧化碳。

按照本发明，甲烷气在混合物中的百分比取决于引入炉内的氧气的流率以及引入氧气时在工作周期中所处在的特定时段。

按照本发明，这种冷却混合物的调节是在混合物中的稀释组分（在本例中为氮气或二氧化碳气）的输送线上进行的，因此甲烷气的流动不会发生中断。事实上曾经发生过，在冷却混合物中这种甲烷气输送的中断会使风口内的温度突然增加到发生危险的地步。

按照本发明的一种变型，另外还预先安排好一根特殊的管子，最好是由陶瓷覆盖的管子，其直径约为18到25毫米，用来在熔化金属液面的下面将粉煤喷在空气或氮气的载体上以便补充用于氧化反应的碳素。

按照另一种变型，粉煤可用或者也用位在炉底上的风口喷入到氧气或其他气体的载体上。

引入到熔化金属液内的碳素的数量与引入的氧气的数量以及在废钢或预先粉碎的材料中原先含有的碳素当量有关。

如果用一根吹管来进行喷射，那么碳素可直接喷射到熔化金属液中所形成的熔渣层下面的液态金属内。

周边区带是否也要引入碳素要看在操作工步中是否有特殊要求而定，例如有些区带在此之前较猛烈地进行了氧化，因此极其需要补充和替换在反应中用去的碳。

按照本发明，能够断定在熔化结束时精炼过程中在炉底上是否还存在着没有完全熔化的金属材料。办法是在精炼工步中通过使熔化金属下降到出钢温度的温度梯度评定它是否与全部熔化的金属在同一条件下的各项数值相对应。

如果发明上述温度梯度小于各项参考值，那就意味着在炉底上还存在着一定数量的尚未完全熔化的金属。

因此，在接下来的浇铸工步中，或在精炼工步本身，如果及时进行校正的话，至少可将从炉底进行喷射的压力参数加以改变，以便增加熔液内的能量并使还没有完全熔化的金属熔化完毕。

按照本发明设有两个或多个后期燃烧用燃烧器，并且这样定位，使它们的含氧射流影响含有一氧化碳较多的区带，也就是从风口及/或超声氧气吹管中发射出来的氧气圆锥所影响到的环形区带。

由于风口本身的大直径更使发射出来的氧气得以广泛分散。

附图只是作为一个不受限制的实例而提出的，用来说明本发明的一个较佳的实施例。

其中：

图1为一电弧炉的简图;

图2为一直流电弧炉炉床的简略平面图;

图3为调节冷却混合物组成的***的方块图;

图4为按照本发明的方法所采用的风口的实施例的一种形式;

图5为按照本发明具有一个凸出部和一个偏心出钢孔的电弧炉的平面图。

如图1所示的一个电弧炉***10具有一个或多个上电极11的***以便产生电弧，在本例的直流电弧炉中，还具有多个设在炉子10炉床14上的底电极22。

按照本发明，电弧炉10的工作方法能使纯氧或化合氧喷射到熔液内，以便开始与熔化金属液内所含的碳素进行反应，产生能量。

该氧气是通过设在炉子10的炉床14上的风口13喷射进去的，还通过设在熔液表面之上的适当的超声吹管12喷射进去。

风口13的数目应随电炉的容量而变，但至少应有三个，在本例中（见图2）这些风口以不对称的方式设置在电炉10中确定为较冷的区带上。

图5示出三个风口13，即第一风口13a，第二风口13b和第三风口13c。这些风口13设置在炉子10的炉床14上，其位置与第四孔31、出渣孔29和出钢口36以及上电极11的位置有一定的关系。

如同图5中能够看到的，第一和第二风口13a、13b位在第四孔31的两边，并与第一和第二上电极11a、11b共同工作。第二风口13b向出渣孔29偏移。

在另一方面，第三风口13c设在偏向出钢口36的位置并略微离开炉子10底部14的中轴线偏向一边以便与第一11a和第三11c上电极之间的冷区带共同工作。在该位置上第三风口13c还协作使熔液的温度在朝向出钢口的区带内保持均匀。

如同图5中能够看到的，风口13与一环形区34协作，在本例中该区有一环形展开面环绕着上电极11。该环形区34是由一个外周边32和一个内周边33限定的，在本例中外周边和内周边都是圆形的。

有一根超声氧气吹管在第二和第三上电极11b、11c之间作用着，靠近第三上电极11c并对着炉子10的中心以便在一没有风口13的区带内对熔化的金属做工作。

按照一种变型，在环形区34上还设有一个通入氧气的风口（未示出），该风口与超声氧气吹管12所工作的区带有关并且在工作周期中逐渐替代吹管12。

按照熔化金属的运动安排的后期燃烧用的燃烧器28与环形区34共同工作，那就是说一个燃烧器的作用作为下一个燃烧器的作用的支撑;燃烧器在本例中是按照由上电极11决定的金属正常的旋转方向工作的。

图5并示出耐火材料37及含有耐火材料37的炉子侧壁30，还有位在熔化金属液之上的冷却管35。

按照本发明的方法还包括有一个例如用陶瓷覆盖的管子15从熔化金属液面16的下面将粉煤喷入到空气或氮气的载体上的工步以便补充用于氧化反应的碳素。

这种陶瓷覆盖的管子15与熔化金属液面倾斜的角度最好为30°到60°以便在喷射停止时防止金属液回流到管子内。

按照本发明，通过风口13的氧气的吹入压力是按各该加工工步并以这些工步中特定的分开的时段为基础而设定并按功能要求调节的。该压力是按多次试验确定的、认为对特定的加工时段和所要制造的产品来说都是最好的值来设定的。

图4示出按照本发明的方法所用从炉子10的底部喷射氧气的风口13的一个例子。该风口13具有一根输送氧气用的中心管18，该中心管18在本例中是用一根多角形截面的紫铜型材19钻孔而成。

在该多角形紫铜截面19的周围还环绕着一根圆筒形的管子20以便在多角形紫铜截面19的每一边17和圆筒形管子20的内周之间形成多个弓形空隙21。该项弓形空隙21形成气体冷却混合物的通道。

输送氧气的中心管18最好具有8到30毫米的直径，视电弧炉10的容量而定。

通过弓形空隙21的冷却混合物应含有至少一种具有高度冷却能力的气体，例如本例中的甲烷气，以及一种稀释或“充填”用气体，例如本例中的二氧化碳。

图3所示为一种能立即调节冷却混合物组分百分比的***的方块图。

调节百分比时须将事前确定作为基本的数值保持不变或基本不变，以便保证所希望要的和必须要的风口13的冷却、冷却气体在冷却混合物中所占比率、以及氧气的流率。

在本例中初始调节是用一个调节电路27对喷射通过风口13中心输送管18的氧气的压力进行调节。压力的调节立即会影响到氧气的流率，该流率用一流率读出机构连续地读出并送到一个调节器24上，该调节器24作用在一个位在二氧化碳输送线上的阀门25上从而改变二氧化碳的压力。

二氧化碳压力的改变又引起二氧化碳的流率的相应改变，而这个流率的改变在混合器26中被甲烷气的反向改变所抵消。

按照一种变型，输送冷却混合物和氧气的管子都做成电绝缘以便防止由于形成感应电流而引起的过热。

本发明当与电力供应***连接时特别有效，可使电弧炉10在长弧的条件下工作。

Claims (26)

1、对直流或交流都能适用的带有交流电源的电弧炉，该电炉具有：喷射纯氧或化合氧的机构，在熔液(16)之上用的是吹管(12)而在熔液(16)下面用的是设在炉床(10)上的多个风口(13)，该风口(13)是由在周边上流动的冷却混合物冷却的，该冷却混合物含有至少一种具有高度冷却能力的气体(甲烷、丁烷、惰性气体等)和至少一种稀释用的气体(氮、二氧化碳)；还包括引入添加剂及/或粉煤的机构(15)；另外还可以包括后期燃烧用的燃烧器(28)，该炉的特征在于，风口(13)内含有一根直径大于8毫米的氧气输送管(18)，氧气的压力能够按照工步进行调节，但总是有一恒定的最小输送压力。

2、按照权利要求1的电炉，其特征在于，吹入氧气的最大压力约为11巴。

3、按照权利要求1或2的电炉，其特征在于，在每一单个风口（13）内的氧气流率为0到1000标准立方米/时之间。

4、按照权利要求1或2的电炉，其特征在于，在每一单个风口（13）内的氧气流率为30到400标准立方米/时之间。

5、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，在风口（13）内的氧气流率为在后期燃烧用燃烧器（28）内的氧气流率的2/3到1/10之间。

6、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，在风口（13）内的氧气流率约为在后期燃烧用燃烧器（28）内的氧气流率的1/3。

7、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，风口（13）被安排成与一假想的环形区（34）协作，该环形区（34）环绕着上电极（11）并在其外面，被一外周边（32）和一内周边（33）所限定。

8、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，外周边（32）离开炉子中心的距离不超过炉子中心与外壳间距离的四分之三。

9、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，内周边（33）离开炉子中心的距离不小于炉子中心与外壳间距离的四分之一。

10、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征为，该环形区（34）为圆形的。

11、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，有两个风口（13a、13b）分别设在第四孔（31）的两边。

12、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，该两设在第四孔（31）两边的风口（13）中的一个（13b）的位置向出渣孔（29）偏移。

13、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，第三风口（13c）的位置偏向出钢孔（36）/浇铸槽，并设在炉床（14）中轴线的一边而最靠近的电极（11）则在中轴线的另一边。

14、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，冷却风口（13）用的混合物中所含甲烷气的百分比可按氧气压力、所在工步、废钢种类和所要求的钢的质量加以改变。

15、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，在氧气输送线上设有可以读出并调节压力的机构（27），还有与可以调节甲烷流率的机构连接的可以读出氧气流量的机构（23），甲烷气输送线和稀释用气体输送线都与一个混合器（26）连接。

16、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，在氧气输送线上设有可以读出并调节压力的机构（27），还有与可以调节稀释用气体压力的机构（24）连接的可以读出氧气流率的机构（23）。

17、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，该电炉设有至少一个用来将粉煤送入到空气或氮气载体上的风口（15）。

18、按照权利要求17的电炉，其特征在于，送入粉煤用的风口（15）含有至少一个由可更换的陶瓷覆盖的管子组成的出口段并设在熔化金属液面（16）的下面，陶瓷覆盖的管子具有约为18到25毫米的直径并与浴池（16）倾斜成至少为30°的α角。

19、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，该电炉在至少一个未设风口（13）喷射氧气的炉子区带内设有至少一个超声氧气吹管（12）。

20、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，每一喷射氧气的风口（13）具有一个环绕在多角形紫铜件（19）外面的外周曲面件（20）。

21、按照以上权利要求中任一项的电炉，其特征在于，输送冷却混合物和氧气的管子分别进行电绝缘。

22、与按照权利要求1到21的电炉关联的熔化操作方法，该电炉具有：喷射纯氧或化合氧的机构，在熔液（16）之上用的是吹管（12）而在熔液（16）下面用的是设在炉床上的多个风口（13），该风口（13）是由在周边上流动的冷却混合物冷却的，该冷却混合物含有至少一种具有高度冷却能力的气体（甲烷、丁烷、惰性气体等）和至少一种稀释用的气体（氮、二氧化碳）;还包括引入添加剂及/或粉煤的机构（15）;方法的特征在于，用翻斗车作每次分开装料时，装料操作被划分成一定的时段，每一时段都有一个氧气通过风口（13）的输送压力、一个具有高度冷却能力的气体所占的百分比和氧气流率的比例与之连系，但在炉子（10）工作的每一时刻总是保持着一个最小的输送氧气所需的压力。

23、按照权利要求22的方法，其特征在于，其时粉煤的流率是与装料工步的每一单个时段连系起来的。

24、按照权利要求22或23的方法，其特征在于，其时在风口（13）内的氧气的压力取决于所在特定的加工时段以及在熔化金属液（16）内是否存在有未熔化金属。

25、按照权利要求22到24的方法，其特征在于，其时每一风口（13）都是单独用特定的使用参数来控制的。

26、按照权利要求22到25的方法，其特征在于，该方法与电气机构合作可以获得造成长弧的条件。

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