CN112322831B - 一种电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪及其应用方法，包括：炉壁氧枪；水蒸气式炉渣热回收装置；活塞式氧气压缩器，其一端与水蒸气式炉渣热回收装置连通，另一端设压缩氧气排气管、压缩器氧气补氧管道和水蒸气乏汽排气管，压缩器氧气补氧管道与供氧主管道连通；压缩氧气排气管与涡流管的压缩氧气进口连通，其热端与炉壁氧枪连接；多点平衡热交换器的第一氧气入口与供氧主管道连通，其第一氧气出口与氧枪主氧管道连通，换热器第一氧气出口管上设氧枪副氧管道流量调节阀，水蒸气乏汽排气管穿设在多点平衡热交换器内。本发明能对炉门流渣进行热回收，并利用此热量对氧气进行双效预热，减少了预热氧气过程中的能源消耗。

Description

一种电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪及其应用方法

技术领域

本发明涉及电弧炉炼钢技术领域，具体而言，涉及一种电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪及其应用方法。

背景技术

电弧炉是以电能作为主要热源进行高温冶炼工作，借助电极和炉料之间放电产生的电弧辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属炉料和炉渣，冶炼出各种成分和温度合格的钢和合金的设备。电弧炉炼钢过程相较于转炉炼钢过程，通过炉门流渣可以更好的实现脱磷脱硫，使钢液中的磷硫含量大幅降低，因而可以生产出品种多样、性能优越的钢种。

电弧炉炼钢过程中，吹氧操作在助熔、化渣、脱碳、搅动熔池和升温等方面作用巨大。氧枪是氧气炼钢中向炼钢炉内输送氧气的专用设备，其性能的好坏直接影响到钢的质量、能耗和生产作业率。氧枪的性能主要取决于氧气射流，射流特性是氧气炼钢的技术关键。

炉门氧枪和炉壁氧枪的喷口都是设置在熔池液面之上，利用高速射流冲击液面，达到把氧气送入到液面之内，与钢液中的碳反应形成泡沫渣，从而吸收更多的电弧辐射能，并将其传递给熔池液面，同时也可以与钢液中的P、S等有害元素反应生成氧化物得到炉渣从而减小有害元素含量，同时利用氧化反应释放大量的热量，供给熔池熔解钢材。并且，形成的搅动作用更使不同温度的钢液、钢液和待溶解的废钢之间的热量传递更加快速和充分。

目前，电弧炉所使用的常规氧枪在向电弧炉内输入氧气时，由于未对氧气进行升温，相当于给电弧炉这个热源输入了冷物料，因而会在一定程度上对电弧炉内部温度产生影响；同时，未经升温加热处理的氧气所起到的作用也受到限制，并且加大了电弧炉的能量输入，对钢液内部的化学反应造成一定的影响，也会影响氧气射流的速度，从而影响对钢液的搅拌。

基于此不利之处，也有相关专利提出了改进方法，即对预先加入到电弧炉当中的氧气进行预热处理，让氧气温度升高到所需要的值，然后再通过氧枪输入到电弧炉当中。这种优化处理使得氧枪氧气射流氧化能力和冲击搅拌能力都有大幅提升，氧气利用率也有相应提高，脱碳速率明显加快，钢铁消耗量减少，具有诸多优点。但是，不足之处在于常用的预热式氧枪是预先采用天然气燃烧，给氧气加热，然后再进行喷射，这样做相当于给电弧炉炼钢过程额外增加了一份能源投入；预热氧气的过程中对能源的消耗量也不能忽视。

同时，需要注意的是电弧炉冶炼过程中，废钢熔化初步形成熔池后，通过向炉内加入石灰等造渣剂，可以去除钢液中的磷、硫等杂质，形成液态炉渣浮于钢液上层，通过炉门口流出炉渣，得到化学成分合格的钢液。液态炉渣排出炉门口后，携带着大量热量，其温度可以高达1500℃，直接排向电炉厂房的底下楼层。

现阶段电炉厂处理高温炉渣的方法主要有两种，一种是通过喷淋冷却水使其快速降温，然后利用铲车铲走，用作其他用途；另外一种是让其自然冷却到一定温度后，再行处理。这两种方法只是单纯的实现了炉渣的降温，却并没有回收炉渣所蕴含的巨大的高温热量，因而造成了大量的能源浪费。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪及其应用方法，以至少解决现有技术中的预热式氧枪能源消耗量大、电弧炉炼钢过程中炉门流渣的高温热量未能得到有效利用的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪，包括：

炉壁氧枪；

水蒸气式炉渣热回收装置；

活塞式氧气压缩器，活塞式氧气压缩器内设有活塞，活塞式氧气压缩器的一端通过水蒸气进气管与水蒸气式炉渣热回收装置的水蒸气排气端连通，活塞式氧气压缩器的另一端设有压缩氧气排气管、压缩器氧气补氧管道和水蒸气乏汽排气管，压缩器氧气补氧管道与供氧主管道连通，压缩器氧气补氧管道上设有压缩器进气阀，水蒸气乏汽排气管上设有水蒸气乏汽排气阀，压缩氧气排气管上设有压缩氧气排气阀；

涡流管，压缩氧气排气管与涡流管的压缩氧气进口连通，涡流管的热端通过氧枪主氧管道与炉壁氧枪连接；

多点平衡热交换器，多点平衡热交换器的第一氧气入口与供氧主管道连通，多点平衡热交换器的第一氧气出口通过换热器第一氧气出口管与氧枪主氧管道连通，换热器第一氧气出口管上设有氧枪副氧管道流量调节阀，水蒸气乏汽排气管穿设在多点平衡热交换器内。

进一步地，涡流管的冷端通过一冷端外接管与一房间空调器的进气口连通，房间空调器设置在电弧炉炼钢厂房的操作室内，房间空调器的排气口连接一空调器氧气出口管，空调器氧气出口管与一换热器第二氧气入口管连通，换热器第二氧气入口管的另一端与多点平衡热交换器的第二氧气入口连通，换热器第二氧气入口管上设有一换热器第二氧气入口阀，多点平衡热交换器的第二氧气出口通过一第二氧气出口管与空调器氧气出口管连通，第二氧气出口管上设有一第二氧气出口阀，空调器氧气出口管与压缩器氧气补氧管道连通，空调器氧气出口管上于换热器第二氧气入口管和第二氧气出口管之间设有一空调器氧气出口阀。

进一步地，压缩器进气阀设于活塞式氧气压缩器和空调器氧气出口管之间；压缩器氧气补氧管道上于空调器氧气出口管和供氧主管道之间设有一压缩器补氧管道调节阀。

进一步地，还包括一蓄水池，水蒸气乏汽排气管穿过多点平衡热交换器后与蓄水池的进水端连通，蓄水池的出水端通过管道与水蒸气式炉渣热回收装置的进水端连通。

进一步地，水蒸气式炉渣热回收装置包括：

导热钢板，设于电弧炉的炉门下方；

螺旋受热管道，设于导热钢板的下方，螺旋受热管道的进水端通过一受热管进水管与蓄水池的出水端连通，螺旋受热管道的水蒸汽排气端通过一受热管蒸汽出口管与水蒸气进气管连通。

进一步地，水蒸气式炉渣热回收装置还包括：

板式辐射热回收器，板式辐射热回收器设置在导热钢板的上方，板式辐射热回收器的进水端通过一热回收器供水管与受热管道进水管连通，板式辐射热回收器的水蒸汽排出端通过一热回收器蒸汽出口管与水蒸气进气管连通，热回收器供水管上设有一热回收器供水调节阀，热回收器蒸汽出口管上设有一热回收器蒸汽出口调节阀。

进一步地，水蒸气进气管上设有一压缩器水蒸气进气阀和一压缩器水蒸气压力表，水蒸气进气管上还连接一泄压管，泄压管上设有一泄压阀；活塞式氧气压缩器的上端设有一压缩器压缩腔体压力表；氧枪主氧管道与炉壁氧枪的连接处设有一燃气加热装置。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪的应用方法，包括：

通过压缩器氧气补氧管道向活塞式氧气压缩器内充注氧气，关闭压缩氧气排气阀、压缩器进气阀和水蒸气乏汽排气阀，开启压缩器水蒸气进气阀；

炉渣从电弧炉的炉门流出，向水蒸气式炉渣热回收装置内通入水，水蒸气式炉渣热回收装置内的水吸收炉渣的热量后变成水蒸气，水蒸气经水蒸气进气管进入活塞式氧气压缩器的腔体内，水蒸气推动活塞向上运动压缩活塞式氧气压缩器腔体内的氧气；

当活塞式氧气压缩器内的氧气达到预定压力且活塞运动至压缩器氧气补氧管道与水蒸气乏汽排气管之间时，开启压缩氧气排气阀，将压缩氧气输送至涡流管，压缩氧气经过涡流管后分隔为温度不同的两股氧气流，高温氧气流由热端经氧枪主氧管道送入炉壁氧枪，对电弧炉进行吹氧；

开启水蒸气乏汽排气阀，将水蒸气乏汽排出；开启压缩器进气阀，关闭压缩氧气排气阀，通过压缩器氧气补氧管道向活塞式氧气压缩器内通入新一轮带压缩的氧气。

进一步地，还包括：通过供氧主管道向多点平衡热交换器的第一氧气入口通入氧气，多点平衡热交换器内的氧气与水蒸气乏汽排气管内的水蒸气乏汽进行热交换，多点平衡热交换器内经加热后的氧气从第一氧气出口经换热器第一氧气出口管和氧枪主氧管道进入炉壁氧枪，对电弧炉进行吹氧；经换热后的水蒸气乏汽冷凝后流入蓄水池。

进一步地，还包括：经涡流管分隔后的冷氧气流经冷端外接管流入房间空调器，通过冷氧气流对电弧炉炼钢厂房的操作室进行降温后，经空调器氧气出口管和换热器第二氧气入口管流入多点平衡热交换器与水蒸气乏汽进行换热，加热后的氧气再经第二氧气出口管、空调器氧气出口管和压缩器氧气补氧管道进入活塞式氧气压缩器内。

应用本发明的技术方案，通过水蒸气式炉渣热回收装置对炉渣的热量进行回收，使水蒸气式炉渣热回收装置内的水变成水蒸气，水蒸气进入活塞式氧气压缩器的下端，通过水蒸气推动活塞向上运动，对腔体内活塞上方的氧气进行压缩，当达到设定压力后使压缩氧气进入涡流管，通过涡流管将压缩氧气分隔为温度不同的两股氧气流，高温氧气流由热端经氧枪主氧管道送入炉壁氧枪，对电弧炉进行吹氧；水蒸气乏汽经水蒸气乏汽排气管排出后流经多点平衡热交换器，对多点平衡热交换器内的氧气进行加热，加热后的氧气再经换热器第一氧气出口管和氧枪主氧管道进入炉壁氧枪，对电弧炉进行吹氧。该炉渣热回收预热式氧枪能够对电弧炉炼钢过程中的炉门流渣进行热回收，并且利用此热量对氧气进行双效预热，达到工艺上氧气温度的要求，尽量减少预热氧气过程中额外的能源消耗，起到了减小废热和废气的排放，节约资源，保护环境以及延长部件使用寿命的作用。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的炉渣热回收预热式氧***构示意图。

图2为本发明实施例的炉渣热回收预热式氧枪中水蒸气式炉渣热回收装置的结构示意图。

图3为本发明实施例的炉渣热回收预热式氧枪中活塞式氧气压缩器的结构示意图。

图4为本发明实施例的炉渣热回收预热式氧枪中房间空调器和多点平衡热交换器的结构示意图。

图5为本发明实施例的炉渣热回收预热式氧枪中涡流管的结构示意图。

图6为本发明实施例的炉渣热回收预热式氧枪中螺旋受热管道的结构示意图。

图7为本发明实施例的炉渣热回收预热式氧枪中多点平衡热交换器内氧气与水蒸气乏汽逆流热交换的原理示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、炉壁氧枪；2、水蒸气式炉渣热回收装置；3、活塞式氧气压缩器；4、涡流管；5、多点平衡热交换器；6、氧枪主氧管道；7、供氧主管道；8、房间空调器；9、蓄水池；10、燃气加热装置；11、水泵；12、外接出口管道第一阀门；13、外接出口管道第二阀门；14、压缩器补氧管道调节阀；21、导热钢板；22、螺旋受热管道；23、受热管进水管；24、受热管蒸汽出口管；25、板式辐射热回收器；26、热回收器供水管；27、热回收器蒸汽出口管；30、泄压阀；31、活塞；32、水蒸气进气管；33、压缩氧气排气管；34、压缩器氧气补氧管道；35、水蒸气乏汽排气管；36、压缩器压缩腔体压力表；37、压缩器进气阀；38、水蒸气乏汽排气阀；39、压缩氧气排气阀；41、热端；42、冷端；43、冷端外接管；51、换热器第一氧气出口管；52、换热器第二氧气入口管；53、换热器第二氧气入口阀；54、第二氧气出口管；55、第二氧气出口阀；56、氧枪副氧管道流量调节阀；81、空调器氧气出口管；82、空调器氧气出口阀；100、电弧炉；261、热回收器供水调节阀；271、热回收器蒸汽出口调节阀；321、压缩器水蒸气进气阀；322、压缩器水蒸气压力表。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而仅仅是为了便于对相应零部件进行区别。同样，“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

参见图1至图7，一种本发明实施例的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪，该炉渣热回收预热式氧枪主要包括炉壁氧枪1、水蒸气式炉渣热回收装置2、活塞式氧气压缩器3、涡流管4和多点平衡热交换器5。其中，炉壁氧枪1用于***电弧炉100内，对钢液进行吹氧；水蒸气式炉渣热回收装置2设置在电弧炉100的炉门下方，用于对从炉门流出来的炉渣的热量进行回收；活塞式氧气压缩器3包括一个竖直设置的腔体，在腔体内设置有一个活塞31；该活塞式氧气压缩器3的下端通过一根水蒸气进气管32与水蒸气式炉渣热回收装置2的水蒸气排气端相连通；该活塞式氧气压缩器3的上端设有一根压缩氧气排气管33、一根压缩器氧气补氧管道34和一根水蒸气乏汽排气管35，且水蒸气乏汽排气管35设于压缩器氧气补氧管道34的下方；压缩器氧气补氧管道34与供氧主管道7相连通，在压缩器氧气补氧管道34上设置有一个压缩器进气阀37，在水蒸气乏汽排气管35上设置有一个水蒸气乏汽排气阀38，在压缩氧气排气管33上设置有一个压缩氧气排气阀39；压缩氧气排气管33与涡流管4的压缩氧气进口连通，涡流管4具有一个热端41和一个冷端42，热端41通过氧枪主氧管道6与炉壁氧枪1相连接；多点平衡热交换器5的第一氧气入口与供氧主管道7相连通，多点平衡热交换器5的第一氧气出口通过一根换热器第一氧气出口管51与氧枪主氧管道6相连通，该换热器第一氧气出口管51上设置有一个氧枪副氧管道流量调节阀56，水蒸气乏汽排气管35穿设在多点平衡热交换器5内，使水蒸气乏汽与多点平衡热交换器5内的氧气进行非接触式的热交换。

上述的炉渣热回收预热式氧枪，通过在电弧炉100的炉门下方设置水蒸气式炉渣热回收装置2，并将该水蒸气式炉渣热回收装置2的水蒸气排气端与活塞式氧气压缩器3连接，活塞式氧气压缩器3的压缩氧气排气端与涡流管4连接，涡流管4的热端41与炉壁氧枪1连接，设置多点平衡热交换器5，使多点平衡热交换器5的第一氧气入口与供氧主管道7相连通，多点平衡热交换器5的第一氧气出口与炉壁氧枪1连接，并且将水蒸气乏汽排气管35穿设在多点平衡热交换器5内；通过水蒸气式炉渣热回收装置2对炉渣的热量进行回收，使水蒸气式炉渣热回收装置2内的水变成水蒸气，水蒸气进入活塞式氧气压缩器3的下端，通过水蒸气推动活塞31向上运动，对腔体内活塞31上方的氧气进行压缩，当达到设定压力后使压缩氧气进入涡流管4，通过涡流管4将压缩氧气分隔为温度不同的两股氧气流，高温氧气流由热端41经氧枪主氧管道6送入炉壁氧枪1，对电弧炉100进行吹氧；水蒸气乏汽经水蒸气乏汽排气管35排出后流经多点平衡热交换器5，对多点平衡热交换器5内的氧气进行加热，加热后的氧气再经换热器第一氧气出口管51和氧枪主氧管道6进入炉壁氧枪1，对电弧炉100进行吹氧。该炉渣热回收预热式氧枪利用水蒸气式炉渣热回收装置2、活塞式氧气压缩器3、涡流管4和多点平衡热交换器5对电弧炉100炼钢过程中的炉门流渣进行热回收，并且利用此热量对氧气进行双效预热，达到工艺上氧气温度的要求，尽量减少预热氧气过程中额外的能源消耗，起到了减小废热和废气的排放，节约资源，保护环境以及延长部件使用寿命的作用。

参见图1和图4，在本实施例中，涡流管4的冷端42通过一根冷端外接管43与一个房间空调器8的进气口连通，该房间空调器8设置在电弧炉炼钢厂房的操作室内，该房间空调器8的排气口连接一根空调器氧气出口管81。该空调器氧气出口管81与一根换热器第二氧气入口管52连通，换热器第二氧气入口管52的另一端与多点平衡热交换器5的第二氧气入口连通，在换热器第二氧气入口管52上设置有一个换热器第二氧气入口阀53。多点平衡热交换器5的第二氧气出口通过一根第二氧气出口管54与空调器氧气出口管81连通，第二氧气出口管54上设置有一个第二氧气出口阀55。空调器氧气出口管81与压缩器氧气补氧管道34连通，空调器氧气出口管81上于换热器第二氧气入口管52和第二氧气出口管54之间还设置有一个空调器氧气出口阀82。

如此设置，压缩氧气经涡流管4分隔后形成的冷氧气流由冷端42经冷端外接管43进入房间空调器8，利用冷氧气对炼钢厂房的操作室进行换热制冷，经换热后的氧气由空调器氧气出口管81和换热器第二氧气入口管52进入多点平衡热交换器5，氧气在多点平衡热交换器5内与水蒸气乏汽排气管35内的水蒸气乏汽进行换热，进预设后的氧气再由第二氧气出口管54、空调器氧气出口管81和压缩器氧气补氧管道34进入活塞式氧气压缩器3，作为新一轮待压缩的氧气。该炉渣热回收预热式氧枪能够实现炼钢厂房操作室的制冷，并能充分利用水蒸气乏汽的热量，进一步提高了能量的利用率，减少了废热的排放。

参见图1，进一步地，在本实施例中，压缩器进气阀37设置于活塞式氧气压缩器3和空调器氧气出口管81之间，用于总体控制向活塞式氧气压缩器3内补充氧气；在压缩器氧气补氧管道34上于空调器氧气出口管81和供氧主管道7之间还设置有一个压缩器补氧管道调节阀14，用于控制从供氧主管道7补入活塞式氧气压缩器3内的氧气流量。

在本实施例中，该炉渣热回收预热式氧枪还包括一个蓄水池9，水蒸气乏汽排气管35穿过多点平衡热交换器5后与该蓄水池9的进水端连通，蓄水池9的出水端通过管道与水蒸气式炉渣热回收装置2的进水端连通。该管道上设有水泵11，水泵11的两侧分别设有外接出口管道第一阀门12和外接出口管道第二阀门13。

水蒸气乏汽经过多点平衡热交换器5换热后部分冷凝为液态水，流入蓄水池9，然后再通入水蒸气式炉渣热回收装置2，实现水的循环利用。

具体来说，参见图1和图2，在本实施例中，水蒸气式炉渣热回收装置2主要包括导热钢板21和螺旋受热管道22。其中，导热钢板21设置在电弧炉100的炉门下方且位于厂房地面以下；螺旋受热管道22设于导热钢板21的下方，螺旋受热管道22的进水端通过一根受热管进水管23与蓄水池9的出水端连通，螺旋受热管道22的水蒸汽排气端通过一根受热管蒸汽出口管24与活塞式氧气压缩器3的水蒸气进气管32连通。

这样设置，通过受热管进水管23将蓄水池9内的水通入螺旋受热管道22，螺旋受热管道22中的水吸收炉渣的热量变成高温高压水蒸气，水蒸气通过受热管蒸汽出口管24和水蒸气进气管32进入活塞式氧气压缩器3的活塞31的下方，水蒸气推动活塞31向上运动，对上方的氧气进行加压并加热氧气。该水蒸气式炉渣热回收装置2充分利用了炉渣的热量对氧气进行加压和预热，无需外加能源。

进一步地，参见图1和图2，在本实施例中，该水蒸气式炉渣热回收装置2还包括板式辐射热回收器25，该板式辐射热回收器25设置在导热钢板21的上方。板式辐射热回收器25的进水端通过一根热回收器供水管26与受热管进水管23连通，板式辐射热回收器25的水蒸汽排出端通过一根热回收器蒸汽出口管27与水蒸气进气管32连通。在热回收器供水管26上设置有一个热回收器供水调节阀261，在热回收器蒸汽出口管27上设置有一个热回收器蒸汽出口调节阀271。通过开启热回收器供水调节阀261可将水通入板式辐射热回收器25回收炉渣的辐射热，生成的水蒸气经热回收器蒸汽出口管27和水蒸气进气管32进入活塞式氧气压缩器3。这样，进一步提高了炉渣的能量回收利用率。

在本实施例中，在水蒸气进气管32上还设置有一个压缩器水蒸气进气阀321和一个压缩器水蒸气压力表322。该压缩器水蒸气进气阀321用于控制进入活塞式氧气压缩器3内的水蒸气的流量；该压缩器水蒸气压力表322用于显示水蒸气进气管32内的水蒸气压力。在水蒸气进气管32上还连接有一根泄压管，该泄压管上设置有一个泄压阀30，当压缩器水蒸气压力表322显示水蒸气进气管32内的水蒸气压力超标时，可通过该泄压阀30进行泄压，以确保安全。在活塞式氧气压缩器3的上端还设置有一个压缩器压缩腔体压力表36，用于显示活塞式氧气压缩器3上部腔体内的氧气压力，当氧气压力达到预定值后，可开启压缩氧气排气阀39将压缩氧气通入涡流管4内。

在本实施例中，在氧枪主氧管道6与炉壁氧枪1的连接处还设置有一个燃气加热装置10，该。当炉渣回收的热量不够将氧气预热到需要的温度时，使用该燃气加热装置10可将氧气温度升高到需要的温度。考虑到炼钢的全过程中并不是一直都有炉门流渣，但是电弧炉炼钢，特别是前中期废钢熔化和熔池升温环节中，需要的氧气量是比较大的，因此，设置该燃气加热装置10能够更加符合实际的生产工艺情况。

需要说明的是，图中所示的各装置、设备的连接关系已给出，但是其相对位置关系需要根据实际的电弧炉炼钢厂房中炉门流渣的方向和位置进行调整。图中仅是给出了设备的连接和布置示意图，实际情况下可以进行诸如管道长度、阀门设置的相对位置、管道布置方向、氧枪所在位置等的相应调整，以适应电弧炉炼钢厂房的实际生产过程和生产环境，但是装置的实际功能并不会发生改变。

本发明附图中的电弧炉炉门流渣只表示流渣的阶段，实际冶炼过程中炉门流渣并不是连续进行的，而是在电弧炉冶炼过程中加入石灰等造渣剂后才会大面积流渣，这个阶段的流渣才是连续状态，而且蕴含的热量极大，具有较大的热回收价值。

炉壁氧枪1主要是指电弧炉冶炼过程中位于电弧炉侧面炉壁的三个氧枪，同时氧枪位置应该位于炉门口的另外一侧，本发明的附图中只示出了一个氧枪，以方便作图。其内部结构应为拉法尔喷管结构，图中未详细表示。炉壁氧枪1与实际冶炼过程中使用的氧枪相同，区别只是在于内部流动的氧气的温度有所差别。

燃气加热装置10的主要作用是为了防止当炉渣热回收时，回收的热量不够将氧气预热到需要的温度时使用该燃气加热装置10对氧气进行加热，将氧气温度升高到需要的温度。考虑到电弧炉炼钢的全过程中并不是一直都有炉门流渣，但是电弧炉冶炼，特别是前中期废钢熔化和熔池升温环节中，需要的氧气量是比较大的，因此设置该燃气加热装置10，更加符合实际的生产工艺情况。

本发明中的各个阀门的主要作用是控制相应管道内的流体的流量，同时应具有起闭功能，可以截断和开启相应管道的通路，并方便相关维修保养工作。本发明中所示的各管道没有特殊要求，只需要符合电弧炉炼钢过程中工艺的要求即可，同时应可以满足相关装置的功能、压力、流量等的需要。

螺旋受热管道22位于电弧炉炉门流渣的正下方，主要用于回收炉渣中的高温显热。其为螺旋盘管状，水被加热后形成的高温高压水蒸气沿周向运动并且从受热管蒸汽出口管24排出至活塞式氧气压缩器3。液态温度较低的水从螺旋状受热管进水管23进入螺旋受热管道22。实际电弧炉炼钢生产过程中，炉渣冷却到一定温度之后，会有相关工程车辆将其铲走并运到炉渣处理的厂房；因此，必须考虑将螺旋受热管道22放置于电弧炉炼钢厂房底层地面的下方，同时考虑强度需求和免于损坏和发生破裂危险，中间再加上一层耐高温的导热钢板21，在保护螺旋受热管道22的过程中，达到更好的换热效果和更多的热回收热量。

板式辐射热回收器25固接在电弧炉炼钢厂房楼板上，本身不可以运动，其内部有液态水和水蒸气。同时需要注意的是，附图中给出的是一块板式辐射热回收器25，但是建议是在电弧炉炉门到最终的电弧炉炼钢厂房底层地面之间，布置多块板式辐射热回收器25，这样可以更加高效的回收高温辐射热，同时提供更多的高温高压水蒸气。

压缩器水蒸气压力表322的作用是监测水蒸气进气管32内来自螺旋受热管道22和板式辐射热回收器25的高温高压水蒸气的压力，保证其不超过安全的压力范围，保证整个活塞式氧气压缩器3的安全高效运行。泄压阀30的作用是一旦水蒸气进气管32内的水蒸气压力过高，超出了警戒压力或者安全压力范围时，则需要立刻打开泄压阀30，让水蒸气的压力迅速减小，防止发生安全危险和***隐患。同时，可以考虑在压缩器水蒸气压力表322和泄压阀30之间引入自动控制装置，当水蒸气压力超出安全压力范围时，泄压阀30自动开启，卸掉多余的压力；当水蒸气压力下降后，压缩器水蒸气压力表322将接收到的信号传递到泄压阀30，让其自动关闭，从而保证水蒸气的压力始终维持在安全压力范围之内，同时又具有相对较高的压力，便于驱动活塞31压缩氧气，最终实现氧气的预热功能。

压缩器压缩腔体压力表36的作用是监测活塞式氧气压缩器3内被高温高压水蒸气压缩的氧气的压力。此步骤的目的是给涡流管4提供满足其进行能量分离，产生温度不同的高温氧气流和低温氧气流的压缩氧气。同时，也是一种保护措施，防止局部压力过高而发生安全危险。

房间空调器8的进气口与涡流管4的冷端42通过冷端外接管43相连。房间空调器8位于电弧炉炼钢厂房的操作室内，其为间壁式换热器，流通管道为紫铜管，管内流动的是低温的氧气，通过房间空调器8内的风机，强化管内低温氧气与管外温度较高的空气进行换热，从而及时带走控制室内多余的热量，达到降温的目的。

水泵11的主要作用是给螺旋受热管道22和板式辐射热回收器25提供温度较低的液态水，为水的相变过程和循环流动提供动力。蓄水池9的外接出口管道第一阀门12和外接出口管道第二阀门13位于水泵11的两侧，其作用是方便水泵11的检修和保养，同时预防可能出现的水击现象。

装置运行过程中，多点平衡热交换器5的换热器第二氧气入口阀53和第二氧气出口阀55总是同时开启或者同时关闭；但是，一旦氧枪副氧管道流量调节阀56和空调器氧气出口阀82开启，则换热器第二氧气入口阀53和第二氧气出口阀55必须关闭；当氧枪副氧管道流量调节阀56和空调器氧气出口阀82关闭，换热器第二氧气入口阀53和第二氧气出口阀55才可以开启。从而保证多点平衡热交换器5中的两条环路各自的正常运行。

涡流管4是一种结构非常简单的能量分离装置，它是由喷嘴、涡流室、分离孔板和冷热两端管组成。工作时压缩气体在喷嘴内膨胀，然后以很高的速度沿切线方向进入涡流管4。气流在涡流管4内高速旋转时，经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流，处于中心部位的气流温度低，而处于外层部位的气流温度高，调节冷热流比例，可以得到最佳制冷效应或制热效应。涡流管4产生的冷气温度最低可达到零下46℃，热气流最高温度可以达到120℃左右，并且没有运动的部件，采用高强度的不锈钢材质制造，抗腐蚀，抗氧化，抗高温。本身不用电、不用任何化学物质、没电火花产生，而且体积小、重量轻、防冲撞。特别是夏季的时候，其产冷气迅速，并可通过阀门快速调节，可以给电弧炉100炼钢厂房内操作室的工作人员提供大量冷量，极大缓解操作室内高温炎热的现状，同时节省空调***安装和运行的费用。同时热量也可以迅速给氧气升温，达到较高的温度并喷入熔池内，形成预热后的氧气射流冲击熔池，强化搅拌能力，达到更好的钢液混匀效果。

多点平衡热交换器5内的热量交换方式，如图7所示，高温水蒸气从左侧进入复合管中，从另外一端流出，而温度较低的低温气体则从复合管右侧进入，流经复合管内管的夹层后从另外一侧的出口流出。热量通过内部的细管壁面，传递给夹层内的气体，从而使高温水蒸气的温度从入口到出口逐步降低，而低温气体从入口到出口温度逐步升高，达到良好的热交换效果。此种换热方式为逆流式换热，同时会存在部分高温水蒸气的相变换热，换热系数相较于传统的间壁式换热会大幅提高，热量传输更强，最终理想情况下夹层出口的高温气体温度与复合管进口高温水蒸气温度相同。

本发明的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪，其工作原理和工作流程如下：

电弧炉100炼钢过程中，加入石灰等造渣剂后，吸收熔池钢液中的磷、硫等杂质，形成液态炉渣浮于钢液的上层，通过炉门口流出炉渣，流出的炉渣到达电弧炉炼钢厂房底层地面。

首先，悬挂于电弧炉炼钢厂房楼板的板式辐射热回收器25吸收来自液态炉渣的高温辐射热，内部的液态水被加热后形成高温高压的水蒸气，通过热回收器蒸汽出口管27到达水蒸气进气管32。到达电弧炉100炼钢厂房底层地面的炉渣通过导热钢板21，将热量传递给螺旋受热管道22，使其内部的水蒸发形成高温高压水蒸气，通过受热管蒸汽出口管24到达水蒸气进气管32。

高温高压水蒸气继续在水蒸气进气管32流动，在其正常工作压力中，泄压阀30保持关闭，高温高压水蒸气就会推动活塞式氧气压缩器3内的活塞31向前运动。此时，活塞31另外一侧充注着氧气；压缩氧气排气阀39、压缩器进气阀37和水蒸气乏汽排气阀38处于关闭状态，形成密闭腔体，内部的氧气就会被高温高压的水蒸气压缩，从而使其压力升高，并且温度也会相应提高。

氧气被压缩后压力升高，由压缩器压缩腔体压力表36判定氧气压力到达指定压力后，此时活塞31已经运动到了活塞式氧气压缩器3腔体中的压缩器氧气补氧管道34和水蒸气乏汽排气管35之间的位置，便可以先行打开压缩氧气排气阀39，释放压力较高的压缩氧气到涡流管4中，随后打开水蒸气乏汽排气阀38，通过水蒸气乏汽排气管35排出释放完压力的高温水蒸气乏汽到多点平衡热交换器5。然后，再次打开压缩器进气阀37，由压缩器氧气补氧管道34通入新一轮待压缩的氧气。

进入到涡流管4中的压缩氧气在涡流管4内部的运动过程中会被分隔为温度不同的两股氧气流，其中温度较高的高温氧气流由涡流管4内部的流管内的外层流出，进入涡流管4的热端41；温度较低的低温氧气流由涡流管4内部的流管的中心段流出，进入涡流管4的冷端42。通过涡流管4自带的调节阀可以改变热端41和冷端42的热、冷流体比例，从而达到更好的预热氧气效果和电弧炉100炼钢厂房操作室的制冷效果。

进入热端41的高温氧气流通过氧枪主氧管道6进入炉壁氧枪1，由炉壁氧枪1将氧气喷入熔池内部。

进入冷端42的低温氧气流通过冷端外接管43进入位于电弧炉100炼钢厂房的操作室内的房间空调器8，吸收操作室内的热量后，这股氧气流的温度会有所提高，通过房间空调器8的空调器氧气出口管81流出。

此时这股升温后的氧气变会面临两条通路，一条通路经过多点平衡热交换器5的换热器第二氧气入口管52进入多点平衡热交换器5；另外一条通路则直接经由空调器氧气出口管81汇入压缩器氧气补氧管道34，作为新一轮待压缩的氧气进入活塞式氧气压缩器3，进行下一轮的循环。

当电弧炉100炉内供氧需求很大时，由热端41提供的高温氧气流量不足以满足其需求时，需要换热器第一氧气出口管51共同提供炉壁氧枪1的用氧需求。此时，来自供氧主管道7的氧气进入多点平衡热交换器5的第一氧气入口，与来自水蒸气乏汽排气管35的高温水蒸气乏汽进行逆流换热，此过程中氧气流走夹层壳程，水蒸气乏汽走夹层内部细管管程，二者并不接触，进行间壁换热。吸收了高温水蒸气热量的氧气流便会通过换热器第一氧气出口管51汇入氧枪主氧管道6，通过炉壁氧枪1喷入熔池内部，满足炼钢需求的用氧量。

此过程中换热器第二氧气入口阀53、第二氧气出口阀55处于关闭状态。氧枪副氧管道流量调节阀56、空调器氧气出口阀82、压缩器进气阀37、压缩器补氧管道调节阀14处于开启状态。

当电弧炉炉内供氧需求不大时，由涡流管4的热端41提供的高温氧气流量足以满足其需求时，可以强化此装置的制冷功能。即通过调整涡流管4自带的调节阀改变热端41和冷端42的热、冷流体比例，从而达到电弧炉100炼钢厂房操作室更好的制冷效果和满足预热氧气所需要的热量。

此时，通过涡流管4的冷端42的冷流体流量更大一些，温度也更低，可以形成电弧炉100炼钢厂房操作室更好的制冷效果。通过空调器氧气出口管81的吸收房间热量的升温后的氧气进入换热器第二氧气入口管52，再进入多点平衡热交换器5的复合管内，与来自水蒸气乏汽排气管35的高温水蒸气乏汽进行逆流换热，此过程中升温后的氧气流走夹层壳程，水蒸气走夹层内部细管管程，二者并不接触，进行间壁换热。

因为来自操作室内的低温氧气虽然吸热后温度会有所升高，但是温度仍然低于常温氧气，因此需要进行预热后再压缩。吸收了高温水蒸气乏汽热量的升温后的氧气流便会通过第二氧气出口管54汇入压缩器氧气补氧管道34，进行新一轮的压缩循环流程。

此过程中氧枪副氧管道流量调节阀56、空调器氧气出口阀82处于关闭状态。压缩器进气阀37、换热器第二氧气入口阀53、第二氧气出口阀55、压缩器补氧管道调节阀14处于开启状态。

一轮循环结束后，由压缩器氧气补氧管道34重新给活塞式氧气压缩器3补充待压缩的氧气，继续进行下一轮的封闭腔体氧气压缩。

总体而言，本发明的炉渣热回收预热式氧枪，在回收炉渣废热的同时，可以得到预热后的高温氧气和用于制冷的低温氧气，***中除了水泵11运行会存在耗电之外，无任何能源消耗，全靠炉渣废热来驱动***的运转，节约能源，提高能源利用率，保护环境。提供多条氧气预热管道和循环管道，不仅满足了预热后的氧气温度需要，而且节约了氧气用量，实现了部分氧气的循环。涡流管4的使用使得***可靠性更高，活动部件少，更适合电弧炉100炼钢过程中实际的生产环境。氧气经过高温水蒸气乏汽加热和涡流管4内部能量分离后的加热，形成了双效预热，更符合实际的用氧需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪，其特征在于，包括：

炉壁氧枪(1)；

水蒸气式炉渣热回收装置(2)；

活塞式氧气压缩器(3)，所述活塞式氧气压缩器(3)内设有活塞(31)，所述活塞式氧气压缩器(3)的一端通过水蒸气进气管(32)与所述水蒸气式炉渣热回收装置(2)的水蒸气排气端连通，所述活塞式氧气压缩器(3)的另一端设有压缩氧气排气管(33)、压缩器氧气补氧管道(34)和水蒸气乏汽排气管(35)，所述压缩器氧气补氧管道(34)与供氧主管道(7)连通，所述压缩器氧气补氧管道(34)上设有压缩器进气阀(37)，所述水蒸气乏汽排气管(35)上设有水蒸气乏汽排气阀(38)，所述压缩氧气排气管(33)上设有压缩氧气排气阀(39)；

涡流管(4)，所述压缩氧气排气管(33)与所述涡流管(4)的压缩氧气进口连通，所述涡流管(4)的热端(41)通过氧枪主氧管道(6)与所述炉壁氧枪(1)连接；

多点平衡热交换器(5)，所述多点平衡热交换器(5)的第一氧气入口与所述供氧主管道(7)连通，所述多点平衡热交换器(5)的第一氧气出口通过换热器第一氧气出口管(51)与所述氧枪主氧管道(6)连通，所述换热器第一氧气出口管(51)上设有氧枪副氧管道流量调节阀(56)，所述水蒸气乏汽排气管(35)穿设在所述多点平衡热交换器(5)内。

2.根据权利要求1所述的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪，其特征在于，所述涡流管(4)的冷端(42)通过一冷端外接管(43)与一房间空调器(8)的进气口连通，所述房间空调器(8)设置在电弧炉炼钢厂房的操作室内，所述房间空调器(8)的排气口连接一空调器氧气出口管(81)，所述空调器氧气出口管(81)与一换热器第二氧气入口管(52)连通，所述换热器第二氧气入口管(52)的另一端与所述多点平衡热交换器(5)的第二氧气入口连通，所述换热器第二氧气入口管(52)上设有一换热器第二氧气入口阀(53)，所述多点平衡热交换器(5)的第二氧气出口通过一第二氧气出口管(54)与所述空调器氧气出口管(81)连通，所述第二氧气出口管(54)上设有一第二氧气出口阀(55)，所述空调器氧气出口管(81)与所述压缩器氧气补氧管道(34)连通，所述空调器氧气出口管(81)上于所述换热器第二氧气入口管(52)和所述第二氧气出口管(54)之间设有一空调器氧气出口阀(82)。

3.根据权利要求2所述的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪，其特征在于，所述压缩器进气阀(37)设于所述活塞式氧气压缩器(3)和所述空调器氧气出口管(81)之间；所述压缩器氧气补氧管道(34)上于所述空调器氧气出口管(81)和所述供氧主管道(7)之间设有一压缩器补氧管道调节阀(14)。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪，其特征在于，还包括一蓄水池(9)，所述水蒸气乏汽排气管(35)穿过所述多点平衡热交换器(5)后与所述蓄水池(9)的进水端连通，所述蓄水池(9)的出水端通过管道与所述水蒸气式炉渣热回收装置(2)的进水端连通。

5.根据权利要求4所述的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪，其特征在于，所述水蒸气式炉渣热回收装置(2)包括：

导热钢板(21)，设于电弧炉(100)的炉门下方；

螺旋受热管道(22)，设于所述导热钢板(21)的下方，所述螺旋受热管道(22)的进水端通过一受热管道进水管(23)与所述蓄水池(9)的出水端连通，所述螺旋受热管道(22)的水蒸汽排气端通过一受热管蒸汽出口管(24)与所述水蒸气进气管(32)连通。

6.根据权利要求5所述的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪，其特征在于，所述水蒸气式炉渣热回收装置(2)还包括：

板式辐射热回收器(25)，所述板式辐射热回收器(25)设置在所述导热钢板(21)的上方，所述板式辐射热回收器(25)的进水端通过一热回收器供水管(26)与所述受热管道进水管(23)连通，所述板式辐射热回收器(25)的水蒸汽排出端通过一热回收器蒸汽出口管(27)与所述水蒸气进气管(32)连通，所述热回收器供水管(26)上设有一热回收器供水调节阀(261)，所述热回收器蒸汽出口管(27)上设有一热回收器蒸汽出口调节阀(271)。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪，其特征在于，所述水蒸气进气管(32)上设有一压缩器水蒸气进气阀(321)和一压缩器水蒸气压力表(322)，所述水蒸气进气管(32)上还连接一泄压管，所述泄压管上设有一泄压阀(30)；所述活塞式氧气压缩器(3)的上端设有一压缩器压缩腔体压力表(36)；所述氧枪主氧管道(6)与所述炉壁氧枪(1)的连接处设有一燃气加热装置(10)。

8.如权利要求1～7中任意一项所述的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪的应用方法，其特征在于，包括：

通过压缩器氧气补氧管道(34)向活塞式氧气压缩器(3)内充注氧气，关闭压缩氧气排气阀(39)、压缩器进气阀(37)和水蒸气乏汽排气阀(38)，开启压缩器水蒸气进气阀(321)；

炉渣从电弧炉(100)的炉门流出，向水蒸气式炉渣热回收装置(2)内通入水，水蒸气式炉渣热回收装置(2)内的水吸收炉渣的热量后变成水蒸气，水蒸气经水蒸气进气管(32)进入活塞式氧气压缩器(3)的腔体内，水蒸气推动活塞(31 )向上运动压缩活塞式氧气压缩器(3)腔体内的氧气；

当活塞式氧气压缩器(3)内的氧气达到预定压力且活塞(31 )运动至压缩器氧气补氧管道(34)与水蒸气乏汽排气管(35)之间时，开启压缩氧气排气阀(39)，将压缩氧气输送至涡流管(4)，压缩氧气经过涡流管(4)后分隔为温度不同的两股氧气流，高温氧气流由热端(41)经氧枪主氧管道(6)送入炉壁氧枪(1)，对电弧炉(100)进行吹氧；

开启水蒸气乏汽排气阀(38)，将水蒸气乏汽排出；开启压缩器进气阀(37)，关闭压缩氧气排气阀(39)，通过压缩器氧气补氧管道(34)向活塞式氧气压缩器(3)内通入新一轮带压缩的氧气。

9.根据权利要求8所述的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪的应用方法，其特征在于，还包括：

通过供氧主管道(7)向多点平衡热交换器(5)的第一氧气入口通入氧气，多点平衡热交换器(5)内的氧气与水蒸气乏汽排气管(35)内的水蒸气乏汽进行热交换，多点平衡热交换器(5)内经加热后的氧气从第一氧气出口经换热器第一氧气出口管(51)和氧枪主氧管道(6)进入炉壁氧枪(1)，对电弧炉(100)进行吹氧；经换热后的水蒸气乏汽冷凝后流入蓄水池(9)。

10.根据权利要求9所述的电弧炉炼钢用炉渣热回收预热式氧枪的应用方法，其特征在于，还包括：

经涡流管(4)分隔后的冷氧气流经冷端外接管(43)流入房间空调器(8)，通过冷氧气流对电弧炉炼钢厂房的操作室进行降温后，经空调器氧气出口管(81)和换热器第二氧气入口管(52)流入多点平衡热交换器(5)与水蒸气乏汽进行换热，加热后的氧气再经第二氧气出口管(54)、空调器氧气出口管(81)和压缩器氧气补氧管道(34)进入活塞式氧气压缩器(3)内。

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