CN115679036B - 一种低碳少氧的含氢等离子电炉炼钢装置及炼钢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低碳少氧的含氢等离子电炉炼钢装置及炼钢方法，属于电炉炼钢技术领域，包括相互连通的竖井和等离子熔炼炉，竖井的侧壁上设有烟气出口，烟气出口和竖井的出口之间构成第一预热通道，第一预热通道的外壁上设有电磁感应加热装置，等离子熔炼炉内设有相对设置的含氢等离子体枪和底阳极，等离子熔炼炉底部设有复合底枪，在高温烟气和电磁感应加热装置的共同作用下，高温预热炉料，避免二噁英生成，利用含氢等离子体枪进行高效脱碳、脱氮以及脱硫，大幅降低用氧量，削减脱氧剂添加，避免夹杂物形成，并利用复合底枪辅以二氧化碳等含氧气体底吹和少量石灰粉喷吹工艺控制，进行高效低渣脱磷，实现钢水高质化制备，以及碳减排和循环利用。
Description
技术领域
本发明涉及炼钢技术领域，特别是涉及一种低碳少氧的绿色等离子熔炼炉炼钢装置及炼钢方法。
背景技术
加速钢铁行业绿色化高质量发展，其主要途径是发展以废钢为主炉料的电弧炉短流程。然而，现有电弧炉炼钢存在二噁英污染和烟尘量大等环境问题以及洁净度低等制备难题，急需发展以“氢冶金和绿色电炉为核心”的新一代低碳钢铁冶金流程；
申请号为201810742887.X的发明专利和申请号为201821076102.1的实用新型专利，均在动态密封的竖井外壁上设置电磁加热器、燃料喷枪、助燃氧枪，并将竖井与电弧炉连通的方式，一方面利用高温烟气预热炉料，另一方面利用电磁加热器、燃料喷枪和助燃氧枪产生的热量对炉料进行预热，提高了进入到电弧炉的炉料温度，以此降低二噁英的生成量，但喷吹过多的氧气会导致生成大量夹杂物，降低炼制钢液的洁净度。
综上可知，现有技术中缺少一种在降低二噁英生成量的同时，提高钢水洁净度的电炉炼钢装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷和不足，提供一种低碳少氧的含氢离子电炉炼钢装置及炼钢方法，设置为竖井和含氢等离子熔炼炉相互连通的全密闭***，在竖井的热通道外设置电磁感应加热装置，在等离子熔炼炉内相对的设置含氢等离子体枪和底阳极；首先通过电磁感应加热装置和高温烟气高温预热炉料，避免二噁英形成；其次利用含氢等离子体枪进行炉料熔炼，避免了泡沫渣形成和大量吹氧喷碳，减少了烟气生产量和碳排放，吹氧量减少可以避免大量夹杂物的生成，同时氢等离子具有高效精炼效果，可以高效脱碳、脱氮和脱硫，结合少量Cao的喷入，可以脱磷，大幅度提高钢水洁净度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种低碳少氧的含氢等离子电炉炼钢装置，包括相互连通的竖井和等离子熔炼炉，所述竖井的侧壁上设有烟气出口，所述烟气出口和所述竖井的出口之间构成热通道，所述预热通道的外壁上设有电磁感应加热装置，所述等离子熔炼炉内设有相对设置的含氢等离子体枪，所述炉体的底部还设有用于喷吹氧气、CO2、惰性气体或石灰粉剂的复合底枪；
优选地，所述电磁感应加热装置的设置高度与所述预热通道内炉料的最高堆积高度相同或稍低；
优选地，所述等离子熔炼炉内靠近所述预热通道的出口处设有用于将炉料推入到所述等离子熔炼炉内加热区域的推料装置，所述推料装置活动的设置在所述等离子熔炼炉的侧壁上，且所述推料装置的把手伸出到所述等离子熔炼炉的外部；
优选地，所述等离子熔炼炉内与含氢等离子体枪相对设有底阳极；
优选地，所述等离子熔炼炉包括炉体和炉盖，所述含氢等离子体枪设置在所述炉盖上，所述底阳极设置在所述炉体的底部，且位于所述等离子体枪的喷射路径上；
优选地，所述竖井的入口与所述烟气出口之间构成炉料预备仓，所述炉料预备仓的顶部滑动设有第一闸门，所述炉料预备仓的底部滑动设有第二闸门，所述竖井的一侧壁上分别设有供所述第一闸门和所述第二闸门滑动的滑轨，所述竖井相对的另一侧壁上分别设有支撑所述第一闸门和所述第二闸门的卡槽，所述第一闸门和所述第二闸门分别滑动设置在所述滑轨和所述卡槽内；
优选地，所述炉料预备仓的顶部设有向所述炉料预备仓内加料的料篮；
优选地，所述炉体的底部设有用于无渣出钢的偏心底出钢口；
本发明还提供一种应用所述绿色等离子熔炼炉炼钢装置的炼钢方法，包括以下内容：
炉料入炉：关闭第二闸门，打开第一闸门，向所述炉料预备仓内添加炉料，炉料添加完毕后，关闭第一闸门，炉料处于等待状态；
高温预热：当预热通道有加料需求时，打开第二闸门将所述炉料预备仓内的炉料添加到所述预热通道内，开启电磁感应加热装置，对炉料进行烟气预热和电磁感应预热；
炉料熔化及熔池升温：在炉体内留一部分上一炉冶炼的钢液，加入的炉料开始熔化。必要时，用推料装置把炉料推送到炉体的加热区域与余留的钢液混合，含氢等离子体枪与底阳极形成导电回路，释放等离子弧，迅速加热钢液并将未熔化的炉料熔化，形成稳定的熔池；
脱氮和/或脱硫：以中空石墨电极作为等离子枪，喷吹Ar-H2、Ar-CH4或 Ar-CO2方式形成含氢等离子体进行脱氮和/或脱硫；
脱碳和/或脱磷：通过复合底枪喷吹氧气或CO2和/或石灰粉剂对钢液进行脱碳和/或脱磷；
出钢：当炉体内的终点成分和温度满足需求时，打开偏心底出钢口，将炉体中的一部分钢液输送到下一个处理装置中；
优选地，炉体内钢液的余留量为总钢液的45％至55％，二次高温预热时的炉料的加热温度低于其固相线温度50至100℃，脱碳量控制在0至0.1％，脱磷/或脱硫用石灰粉剂消耗控制在5至10kg/t，最终要达到的主要技术指标为： CO2排放量≤10kg/t；氧气消耗≤5m3/t；固废排放量≤10kg/t；综合能耗≤110 kgce/t；冶炼周期≤50min；终点氧含量≤100×10-4％。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明通过设置相互连通的竖井和等离子熔炼炉，在竖井的预热通道外设置电磁感应加热装置，在等离子熔炼炉内相对的设置含氢等离子体枪和底阳极，一方面，在电磁感应加热装置产生的热量和高温烟气的共同作用下高温预热炉料，将其加热至固相线温度附近，降低生产过程中二噁英的量，另一方面利用含氢等离子体枪进行炉料熔炼，避免了泡沫渣形成和大量吹氧喷碳，减少了烟气生产量和碳排放，吹氧量减少可以避免大量夹杂物的生成，同时氢等离子具有高效精炼效果，可以高效脱碳、脱氮和脱硫，结合少量Cao的喷入，可以脱磷，大幅度提高钢水洁净度；
2、本发明通过在炉体的底部设置复合底枪，在加热钢液的同时，从复合底枪喷吹的CO2或惰性气体能够对熔池进行适度搅动，加速炉料熔化速率，均匀熔池温度；同时喷吹的CO2可与钢水中碳反应生成CO，实现CO2的循环利用。
3、本发明通过在竖井内设置预热通道利用高温烟气和电磁感应加热装置共同对炉料进行高温预热，以此将炉料预热到低于其固相线温度50至100℃，一方面防止炉料熔化粘接，另一方面大大减小产生的二噁英含量，实现绿色高效无污染预热；
4、本发明通过采用高温可控、绿色低碳无污染、快速高效的氢等离子体为热源，无需造泡沫渣，脱碳量和吹氧量都非常小，仅为传统等离子熔炼炉炼钢的几十分之一，实现了等离子熔炼炉冶炼过程中近零碳排放；
5、本发明通过采用具备高效精炼能的氢等离子体，进行高效脱碳、脱硫和脱氮，大幅度降低用氧量削减脱氧剂添加，避免夹杂物形成，并辅以二氧化碳等含氧气体底吹和少量石灰粉喷吹工艺控制，进行高效低渣脱磷，实现钢水高质化制备，以及碳减排和循环利用；同时对于有脱磷要求的低磷钢冶炼，采用底吹少量石灰粉剂的方式即可满足其磷含量要求，石灰用量仅为传统等离子熔炼炉炼钢的几十分之一，吹氧量极少，冶炼终点钢液中溶解氧含量低，削减了脱氧剂的添加量，避免了夹杂物的大量形成，为后续洁净钢冶炼打下了良好基础；
6.本发明的含氢等离子电炉炼钢装置为全密闭***，可以有效控制炉内气氛并与大气隔绝，避免了炉内气体的泄露，从根本上解决了传统电弧炉的环境污染问题，此外，炼钢过程产生的煤气和除尘灰等可作为转底炉制备直接还原铁的原料等，实现了废弃物的循环利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为炼钢装置的整体结构示意图；
图2为炼钢装置的俯视结构示意图。
其中，1、竖井；2、等离子熔炼炉；3、第一入口；4、第一出口；5、第二入口；6、偏心底出钢口；7、烟气出口；8、预热通道；9、电磁感应加热装置；10、炉盖；11、炉体；12、含氢等离子体枪；13、底阳极；14、推料装置；15、把手；16、铲体；17、铲体出入口；18、复合底枪；19、炉料预备仓；20、第一闸门；21、第二闸门；22、第一滑轨；23、第二滑轨；24、第一卡槽；25、第二卡槽；26、料篮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷和不足，提供一种低碳少氧的含氢离子电炉炼钢装置及炼钢方法，设置为竖井和含氢等离子熔炼炉相互连通的全密闭***，在竖井的热通道外设置电磁感应加热装置，在等离子熔炼炉内相对的设置含氢等离子体枪和底阳极；首先通过电磁感应加热装置和高温烟气高温预热炉料，避免二噁英形成；其次利用含氢等离子体枪和底阳极形成的导电回路，释放直流含氢等离子弧，进行炉料熔炼，避免了泡沫渣形成和大量吹氧喷碳，减少了烟气生产量和碳排放，吹氧量减少可以避免大量夹杂物的生成，同时氢等离子具有高效精炼效果，可以高效脱碳、脱氮和脱硫，结合少量Cao 的喷入，可以脱磷，大幅度提高钢水洁净度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至2所示，本发明提供一种低碳少氧的含氢等离子熔炼炉炼钢装置，包括相互连通的竖井1和等离子熔炼炉2，竖井1具有第一入口3和第一出口 4，等离子熔炼炉2具有第二入口5和用于无渣出钢的偏心底出钢口6，第二入口5与第一出口4连通，使得等离子熔炼炉2内的高温烟气能通过第二入口 5进入到竖井1内，竖井1的侧壁上设有烟气出口7，烟气出口7和第一出口 4之间构成预热通道8，预热通道8的外壁上设有电磁感应加热装置9，为提高预热通道8的预热效果，本发明中设置电磁感应加热装置9的高度与预热通道8内炉料的最高堆积高度相同或稍低，在由第二入口5扩散而来的高温烟气和电磁感应加热装置9产生热量的共同作用下，对预热通道8内的炉料进行高温预热，烟气出口7内设有能够检测烟气温度的烟气检测装置，该炼钢装置还设有分别与烟气检测装置和电磁感应加热装置电连接的控制装置，控制装置根据烟气检测装置检测的烟气温度，调控电磁感应加热装置的加热温度，最终将预热通道8内的炉料加热至低于其固相线温度50至100℃，一方面能够防止炉料熔化粘接在炉壁上，另一方面能够大幅度的减少二噁英的产生量；本发明中一个具体的实施例为，将预热通道8内的炉料加热至1200℃左右，低于其固相线温度50℃。
等离子熔炼炉2包括炉盖10和炉体11，炉盖10设置为水冷炉盖，在其位于炉顶中心靠近偏心底出钢口6一侧设有含氢等离子体枪12，炉体11的底部与含氢等离子体枪12位置相对的设有底阳极13，且底阳极13处于含氢等离子体枪12的喷射路径上，使得含氢等离子体枪12与底阳极13能够形成导电回路，释放等离子弧，迅速加热炉体11内的炉料，由于第二入口5与第一出口4连通，所以随着炉体11内炉料的熔化，预热通道8内的预热炉料能够通过第二入口5落入到炉体11内，并在与高温钢液接触时被迅速熔化，熔化的钢液在含氢等离子体枪12和底阳极13的作用下迅速升温形成稳定的熔池；炉体11的底部还设有复合底枪18，复合底枪18用于向钢液中喷吹氧气、二氧化碳、惰性气体或石灰粉剂，当需要对钢液脱碳时，复合底枪18向钢液中喷吹氧气和二氧化碳混合气体，当需要对钢液脱磷时，复合底枪18向钢液中喷吹石灰粉剂，本发明中一个具体的实施例，脱碳量和混合气体量分别控制在 0至0.1％和0至5Nm3/t的范围，脱磷用石灰粉剂控制在5至10kg/t范围，复合底枪18采用现有技术即可，利用含氢等离子体枪12进行炉料熔炼，避免了泡沫渣形成和大量吹氧喷碳，减少了烟气生产量和碳排放，吹氧量减少可以避免大量夹杂物的生成，同时氢等离子具有高效精炼效果，可以高效脱碳、脱氮和脱硫，结合少量Cao的喷入，可以脱磷，大幅度提高钢水洁净度，其中含氢等离子体枪12采用直流转移弧形式，采用非自耗金属枪或中空石墨电极吹气方式，底阳极13采用风冷的多钢棒触针式结构，用水冷铜板作为集电极，与含氢等离子体枪12形成导电回路。
等离子熔炼炉2内设有推料装置14，推料装置14包括把手15和铲体16，把手15伸出到等离子熔炼炉2的外部，铲体16位于炉体11内部，炉体11的外壁上设有用于供铲体16穿过的铲体出入口17，铲体16穿过铲体出入口17 后进入炉体11的内部，并在把手15的推动下将堆积在第二入口5处的炉料铲送到炉体11内，促使炉料与钢液充分接触、熔化。
竖井1的第一入口3与烟气出口7之间构成炉料预备仓19，炉料预备仓 19的顶部滑动设有第一闸门20，炉料预备仓19的底部滑动设有第二闸门21，竖井1的一侧壁上分别设有供第一闸门20滑动的第一滑轨22和供第二闸门 21滑动的第二滑轨23，竖井1相对的另一侧壁上分别设有用于支撑第一闸门 20的第一卡槽24和用于支撑第二闸门21的第二卡槽25，第一闸门20通过第一滑轨22卡入第一卡槽24时，第一闸门20处于关闭状态，此时第一闸门20 紧贴另一侧炉壁，不仅能够阻挡炉料落入炉料预备仓19，还能够防止烟气泄露，第一闸门20退出第一卡槽24时，第一闸门20处于打开状态，同理第二闸门21通过第二滑轨23卡入第二卡槽25时，第二闸门21处于关闭状态，第二闸门21紧贴另一侧炉壁，阻挡炉料落入预热通道8以及烟气泄露，第二闸门21退出第一卡槽25时，第二闸门21处于打开状态，炉料预备仓19的顶部设有用于向炉料预备仓19内加料的料篮26，当需要向炉料预备仓19加料时，关闭第一闸门21，打开第一闸门20，连通料篮26与炉料预备仓19之间的通道，倾斜料篮26向炉料预备仓19内加料，加料完毕后，关闭第一闸门20，防止烟气泄露，当需要从炉料预备仓19向预热通道8内加料时，关闭第一闸门20，打开第二闸门21，将炉料预备仓19内的炉料倾倒至第一预热通道8 内。
本发明还提供了一种应用上述绿色等离子熔炼炉炼钢装置的炼钢方法，包括以下内容：
炉料入炉：关闭第二闸门21，打开第一闸门20，向炉料预备仓19内添加炉料，炉料添加完毕后，关闭第一闸门20；炉料为无碳的DRI和优质废钢，装料时，通过天车将料篮26运送至炉料预备仓19的顶部。
高温预热：当预热通道8有加料需求时，打开第二闸门21将炉料预备仓 19内的炉料添加到预热通道8内，开启电磁感应加热装置9，对炉料进行高温预热；通过调整第二闸门21的开启程度，能够控制向预热通道8内加入的炉料量，在自下往上扩散的高温烟气和电磁感应加热装置9的共同作用下，将炉料加热至1200℃。
炉料熔化及熔池升温：在炉体11内余留一部分上一炉冶炼的钢液，用推料装置14把预热后的炉料推送到炉体11的加热区域，使其与余留的钢液充分混合，因钢液温度不低于炉料的熔化温度，所以与之接触的炉料会迅速融化，另外含氢含氢等离子体枪12与底阳极13形成导电回路，释放等离子弧，使钢液迅速升温并将未熔化的炉料熔化，形成稳定的熔池，此外通过复合底枪18 底吹二氧化碳或惰性气体，能够起到对熔池进行适度搅拌，加速炉料熔化速率，均化熔池温度的作用，其中炉体11内钢液的余留量为总钢液的45％至55％。
脱氮和/或脱硫：以中空石墨电极作为等离子枪，喷吹Ar-H2、Ar-CH4或 Ar-CO2方式形成含氢等离子体进行脱氮和/或脱硫；
脱碳和/或脱磷：通过复合底枪18喷吹氧气和二氧化碳混合气体进行脱碳；脱碳量和混合气体量分别控制在0-0.1％和0-5Nm3/t范围；
若钢种有脱磷需求，则采用复合底枪18底吹石灰粉剂的方式实现，脱磷量控制在15～20kg/t范围；
若同时有脱碳和脱磷需求时，则优先通过复合底枪18底吹石灰粉剂进行脱磷，再通过复合底枪18喷吹氧气和二氧化碳混合气体进行脱碳。
出钢：当炉体内的终点成分和温度满足需求时，打开偏心底出钢口6，将炉体中的一部分钢液输送到下一个处理装置中；
最终要达到的主要技术指标为：CO2排放量≤10kg/t(不考虑电能消耗折合碳)；氧气消耗≤5m3/t；固废排放量≤10kg/t；综合能耗≤110kgce/t；冶炼周期≤40min(连续工作条件下)；终点氧含量≤100×10-4％(100ppm)。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (6)
1.一种低碳少氧的含氢等离子电炉炼钢装置，其特征在于：包括相互连通的竖井和等离子熔炼炉，所述竖井的侧壁上设有烟气出口，所述烟气出口和所述竖井的出口之间构成预热通道，所述预热通道的外壁上设有电磁感应加热装置，所述等离子熔炼炉内设有含氢等离子体枪，所述等离子熔炼炉内与含氢等离子体枪相对设有底阳极，所述等离子熔炼炉底部设有用于喷吹氧气、CO2、惰性气体或石灰粉剂的复合底枪；
所述等离子熔炼炉内靠近所述预热通道的出口处设有用于将炉料推入到所述等离子熔炼炉内加热区域的推料装置，所述推料装置活动的设置在所述等离子熔炼炉的侧壁上，且所述推料装置的把手伸出到所述等离子熔炼炉的外部；
烟气出口内设有能够检测烟气温度的烟气检测装置，该炼钢装置还设有分别与烟气检测装置和电磁感应加热装置电连接的控制装置，控制装置根据烟气检测装置检测的烟气温度，调控电磁感应加热装置的加热温度，最终将预热通道内的炉料加热至低于其固相线温度，差值范围为50℃至100℃；
所述等离子熔炼炉包括炉体和炉盖，所述含氢等离子体枪设置在所述炉盖上，所述底阳极设置在所述炉体的底部，且所述底阳极位于所述含氢等离子体枪的喷射路径上；
所述炉体的底部设有用于无渣出钢的偏心底出钢口。
2.根据权利要求1所述的含氢等离子电炉炼钢装置，其特征在于：所述电磁感应加热装置的设置高度不高于所述预热通道内炉料的最高堆积高度。
3.根据权利要求2所述的含氢等离子电炉炼钢装置，其特征在于：所述竖井的入口与所述烟气出口之间构成炉料预备仓，所述炉料预备仓的顶部滑动设有第一闸门，所述炉料预备仓的底部滑动设有第二闸门，所述竖井的一侧壁上设有供所述第一闸门滑动的第一滑轨和供所述第二闸门滑动的第二滑轨，所述竖井相对的另一侧壁上设有支撑所述第一闸门的第一卡槽和支撑所述第二闸门的第二卡槽，所述第一闸门滑动设置在所述第一滑轨和所述第一卡槽内，所述第二闸门滑动设置在所述第二滑轨和所述第二卡槽内。
4.根据权利要求3所述的含氢等离子电炉炼钢装置，其特征在于：所述炉料预备仓的顶部设有向所述炉料预备仓内加料的料篮。
5.一种应用权利要求4所述含氢等离子电炉炼钢装置的炼钢方法，包括以下内容：
炉料入炉：关闭第二闸门，打开第一闸门，向所述炉料预备仓内添加炉料，炉料添加完毕后，关闭第一闸门，炉料处于等待状态；
高温预热：当预热通道有加料需求时，打开第二闸门将所述炉料预备仓内的炉料添加到所述预热通道内，开启电磁感应加热装置，对炉料进行烟气预热和电磁感应预热；
炉料熔化及熔池升温：在炉体内留一部分上一炉冶炼的钢液，加入的炉料开始熔化，用推料装置把炉料推送到炉体的加热区域与余留的钢液混合，含氢等离子体枪与底阳极形成导电回路，释放直流等离子弧，迅速加热钢液并将未熔化的炉料熔化，形成稳定的熔池；
脱氮和/或脱硫：以中空石墨电极作为等离子枪，喷吹Ar-H2、Ar-CH4或Ar-CO2方式形成含氢等离子体进行脱氮和/或脱硫；
脱碳和/或脱磷：通过复合底枪喷吹氧气或CO2和/或石灰粉剂对钢液进行脱碳和/或脱磷处理；
出钢：当炉体内的终点成分和温度满足需求时，打开偏心底出钢口，将炉体中的一部分钢液输送到下一个钢水精炼装置中。
6.根据权利要求5所述的炼钢方法，其特征在于：炉体内钢液的余留量为总钢液的45％至55％，二次高温预热时炉料的加热温度低于其固相线温度，差值范围为50℃至100℃，脱碳量控制在0至0 .1％，脱磷用石灰粉剂消耗量控制在5至10kg/t，最终要达到的技术指标为：CO2排放量≤10kg/t；吹氧量≤5m3/t；固废排放量≤15kg/t；综合能耗≤110kgce/t；冶炼周期≤40min；终点氧含量≤100×10-4％。
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