专利名称：在电炉中熔炼碎铁的方法及应用该方法的设备的制作方法
技术领域：
本发明的目的在于提供一种用于生产熔融金属特别是钢液的电弧炉。
电弧炉靠熔炼废铁或其他含铁原料，例如预还原矿石，来生产钢已经有很长时间了并且使用范围正在扩大。
一般说来，电弧炉包括一个熔化锅，该熔化锅在其上部区域用一个拱顶状的可分开的盖子加以封闭，并连接到一个或多个电极上，该电极连接到电源上。
该熔化锅包括一个衬有耐火材料的熔池形式的底部和一个被冷却的大体上为圆筒形的侧壁，侧壁的底部连接于熔池的上边缘。
每个电极都在熔化锅上方以外伸方式连接至一个延伸臂的端部，并通过为此目的提供的开口，穿过盖子竖直地穿入所述熔化锅。
为了进行浇注操作，电炉一般通过绕竖直轴的转动，把盖子和电极移动到一边而打开。原碎铁借助于输送料斗或“吊篮”加入到电炉中，该输送料斗或“吊篮”由在整个装置上方行走的加料起重机吊住并输送到炉上方，每个吊篮装有一个活底以便把碎铁卸入电炉中。
因此，一定量的称为“炉料”的碎铁借助于一个或多个吊篮卸入熔化锅。
电炉然后再次被封闭并且电极被降入电炉中。施加电流并且在诸电极与碎铁之间形成电弧，从而引起所述碎铁熔化。
熔融金属收集在熔池中并形成覆盖有一层浮渣的一池铁水。电炉一般安装得可在修圆的支架上倾斜，以便用倒出法浇注金属，甚至通过在熔池底部设一可用塞棒或外部流嘴封闭的浇注孔，也可浇注金属。
所有这些操作都使耐火材料衬里熔池的炉膛产生大量磨损，在每次铸造操作之后要检查其状态，并定期修理或更换耐火衬里。
碎铁可以用冷态装入电炉中，但在把炉料从环境温度提高到熔化温度时会导致电能的额外消耗。
为此，在碎铁装入电炉之前，一般最好使用成本较低的能源加热铁。
特别是，由于碎铁在电炉内熔化时有大量很炽热的烟气产生便尝试回收所述烟气的发热量，使碎铁在加入电炉之前被加热。
为此出现了各种装置。
例如，电炉可以连接一个设在烟气排出系统中的密封室，并且把一个或多个等候加料的吊篮放在所述密封室中的适当位置。于是所述密封室设有一个相当大尺寸的入口，该入口每当新的吊篮引入或撒出时都必须打开。这些操作会降低生产率，此外，每当该入口打开时还导致大量烟气漏入车间。
为了节省时间并减小污染的危险，已经提出了使用一个装有活底因而本身能形成一个加料装置的移动式预热室，该预热室在电炉侧的预热位置与所述电炉上方的电炉加料位置之间移动，在前一位置该预热室接入烟气排出系统。
例如，用同一公司的名义所作的申请EP0514.526在某种程度上描述了一种改进的这种设备，其目的是简化气体循环系统并降低污染的可能性。
尽管如此，但为了装入已加热的碎铁，当然要打开电炉的拱顶，这就不能防止烟气的大量散发，也不能在熔化锅未空而倒入碎铁的情况下防止钢和浮渣的飞溅。
然而，在每次浇注操作之前，电炉必须生产一定数量的液态金属，这通常需要熔化多批炉料，这些炉料相继加入电炉中，因此熔化锅必须相当频繁地打开，该因素会增加污染的可能性。
的确，电炉的尺寸一般是由要求的总产量和可利用的电功率来确定的。在其他方面，每次铸造与各种操作有联系，并且一般要求电炉摆动及停止其摆动。为了提高生产率，感兴趣的是减少每个工作日的浇注操作的次数。
在另一方面，在电炉中生产的钢都用在所述电炉的下游侧的一些设备中，特别是连续铸造设施，这些设施的容量已经增大并且需要在单次操作中浇注大量金属。
因此，要努力增加电炉的容量，现在提供的电炉在每次浇注时可生产100至150吨钢。
然而，由于在原碎铁与液态金属之间存在密度上的巨大差别，所以熔化锅的总尺寸通常不允许以单次加入所述熔化锅的方式，装入浇注120吨钢或更多钢所需的碎铁量。
在已知的这种设备中，浇注操作以如下方式进行。
第一批碎铁被首先加热，然后装入其拱顶是打开的电炉中。此后封闭所述拱顶并装入电极以便进行熔化。在此期间，第二批碎铁由从电炉出来的烟气预热。
在所述第一批碎铁熔化之后，再次打开电炉的拱顶，把预热的第二批碎铁装入熔化锅中位于第一批金属熔液上。此后再关闭拱顶，开始第二批碎铁的熔化。
熔融金属收集在熔池中，并加到对应于第一批料的熔融金属中。因而一次铸造操作所需要的各批碎铁依次被熔化。
处理碎铁的这些步骤和电炉拱顶的所述打开操作会造成时间损失和热量损失，并因此而降低了设备的生产量。此外，如上所述，烟气的漏出产生了污染的可能性。
为了克服这一缺点，提出了一定量的碎铁储存在一个相当大尺寸的室内，该室直接通往熔化锅并且烟气经过该室，因而预热过的碎铁逐渐装入电炉中而不必打开所述电炉。
例如，申请人为同一公司的申请文件FR-A-2，498，30描述了一种电弧炉，该电弧炉通往一个形成烟气排出罩的室的后部，而且在该室中卸有可以周期性地推入金属液池的大量碎铁。
另一方面，文件WO91/18120描述了一种包括两个熔炉的设备，每个电炉都具有一个连接一个侧室的盖子，该侧室通过侧面开口通往电炉的侧面并形成一个烟道，在该烟道中储存有一定数量的碎铁，这些碎铁通过烟道上部装入，并在用与烟道排出的烟气相接触的方法预热后，逐步降入金属液池中。
可是，这种布置的确使电炉的设计和使用复杂化。在另一方面，尽管使用了大尺寸的储存室，仍然必须周期性地打开所述室，以便随着所述碎铁的熔化而把一定数量的新碎铁装入所述室，而且不能完全消除烟气漏出的可能性。
本发明的目的在于提供一种改进了的电弧炉，该电弧炉能够克服所有的上述缺点。
因此，本发明一般涉及一种用于熔化碎铁之类的含铁原料的直流电炉，该电炉包括一个熔化锅，该熔化锅在其上部区域由一个可分开的盖子封闭以便装入要熔化炉料;至少一个自耗电极，其大致放置在该熔化锅轴线的适当位置并竖直滑动地安装以便穿过盖子上至少一个开口而降入熔化锅内部;至少一个放置在熔化锅底部适当位置处的固定电极;还包括至少一个直流电源，其有两个分别连接到自耗电极和固定电极上的电极;所述熔化锅包括一个底部，该底部由耐火材料底板覆盖并形成具有一个凸起边缘、一定深度和一个最大截面的熔池，以及一个侧壁，其大致放置在熔池边缘延伸处的适当位置，并限定一个其截面大致等于熔池最大截面的圆柱形空间。
根据本发明，熔池的深度和截面已依据冶金学的考虑加以确定，使熔池能容纳规定数量的熔融金属，该熔化锅的侧壁延伸高度已考虑到碎铁与熔融金属之间的密度差，使由所述侧壁限定的圆筒空间能够容纳足够的碎铁炉料，以便用单次熔化操作就能生产所述规定数量的熔融金属。
本发明涉及与直流电炉技术有关的最新发展，特别是与提高其生产能力有关的最新发展。
众所周知，主要根据要求的总产量和可用的电功率确定熔炉的特性。
以前，对于大容量电炉，显然必须使用交流供电，因而通常使用三根自耗石墨电极。但是，现在有一段时间，由于各种改进的结果，申请人公司已经能够使用直流电，甚至对于例如每次铸造100至150吨的大量生产也是如此，这种供电装置具有许多优点。
特别是，在用交流电的电炉中，在其间产生电弧的电极受到或多或少的无规则机械应力和磁应力，但在用直流电的电炉中则可以较高程度地控制其磁效应。特别是，就在用同一公司的名义申请的法国专利2，602，320或2，602，351中描述了一种装置，它可以通过回路导线的合适定向来控制电弧的方向。
此外，在直流电的情况下，即使对于非常高的电流强度也能够使用具有大截面的单根电极，该电极更加坚固，况且由于它沿炉料的轴线逐步下降的事实，说明碎铁对它横向牵引的程度较小。因此，已经观察到，电极进入熔化锅的长度可以大得多而没有任何显著的破裂危险，电极自由长度相对于其直径之比值能够高达十倍。因而熔化锅能够具有足够的高度，使以单批装入的碎铁量能供给一次浇注所需的金属量，即使在高产量的情况下也是如此。
结果，已不必在两次浇注铸造操作之间打开电炉的拱顶，因为电炉以单批料的操作方式加料。因而避免了热量损失并减小了污染。
实际上，侧壁的高度是这样的，使由所述侧壁限定的体积介于熔池容量的六倍与十二倍之间，而该熔池容量则对应于规定数量的熔融金属。
由于碎铁炉料在电炉内部与经由拱顶中开口排出的烟气接触的时间较长这一事实，还改善了热量输出。
在另一方面，根据本发明更有意义的特征，电炉的熔化锅装有附加的加热装置，该装置允许炉料在熔化锅中完成预热。结果，可以把炉料以冷态装入电炉中，减小了污染物漏出的可能性。
在第一实施例中，金属的铸造生产以如下方式分两个阶段完成。
把对应于一次浇注所需的碎铁炉料装入熔化锅中，并在盖子封闭之后，通过在熔化锅中加热使所述炉料受到预热，在工艺的第一阶段，电炉与电源分开，自耗电极升到盖子上方而装料口被盖子封闭;然后，在工艺的第二阶段把电炉连接到电源上，这时通过把电极逐渐引入熔化锅中实现预热碎铁的熔化。
预热所需的热量最好由绕熔化锅周缘布置的附加加热装置提供，例如，由一个或多个绕熔化锅的圆周分布并在侧壁底部开口的燃烧器提供。
但是，也可以在侧壁与底部接合处的近上方，提供至少一根注入热气体用的管子，该管子，举例来说，可连接于装有燃烧器的燃烧室。
在另一方面，应该注意，绕熔化锅的周缘布置的附加加热装置，也可以在电弧熔化操作期间起作用。
为此，在另一个实施例中，可以省略第一预热阶段，装料后一封闭拱顶就加上电流。自耗电极逐渐降入熔化锅中，当穿入碎铁炉料中时，其中心区域的炉料伴随着电极的前进而相应地被熔化，同时沿侧壁布置的环形区域的炉料则受到热气体加热，这些热气体由布置在侧壁底部的燃烧器产生，并沿着所述侧壁上升以便穿过装在盖子上的出口开口而排出。
但是，根据某些具体实施例的详细描述可以更好地理解本发明，这些实施例以例子的方式给出并在附图中表明。
图1表示根据本发明的改进电炉的示意纵向剖面图。
图2表示一个改进实施例的示意纵向剖面图。
图1表示根据本发明的改进电炉的正视图。
这种电熔炉是传统类型的，因而一般包括一个具有底部2的熔化锅1，该底部2衬有耐火材料并形成熔池形式的炉膛21，且由侧壁12限定，侧壁12在其上部区域由可分开的盖子13封闭。
该电炉作为摇动式电弧炉是有利的，底部2安装在支架10中，而支架10通过修圆的支承件放置在静止的基座上。另一方面，该电炉提供有用于浇注熔融金属和浮渣的普通装置。
特别是，该电炉能够在垂直于图面的摇动轴线的两侧设置两个浇注口，这两个浇注口，通过使电炉分别向前或向后倾斜，可以浇注钢水和除去浮渣。
如这些图所示，还可以使用穿过熔池21底部并由注口22′封闭的钢浇注孔，该电炉在相反侧提供有可以用来除去浮渣的清理开口23。
在这种情况下，熔池21可以由大体竖直的耐火材料壁围绕，这就允许大量熔融金属的储存而不用过多地增加熔池21的直径。
如上所述，给电炉提供直流电，并且它最好与形成阴极并能竖直地降入熔化锅中的单根自耗电极5相连接，还与一根或多根形成阳极并放置在炉膛21的适当位置处的固定电极50相连接。电极5、50由导线54分别连接到直流电源的两个正负端子上。
按照本身已知的方式(在图中没有表示)，电极5由象枢轴臂之类的外部支承件以滑动方式支承，该枢轴臂还支承供电导线，并且电极5穿过提供在盖13上的开口16被竖直地引入电炉中。
当电极5被撤出时，可以借助于可分开的关闭件17以密封的方式关闭开口16。
另外，盖13至少提供有一个由管子15延伸的开口14，该管子可用可分开的方式连接到用于排除和处理产生在电炉中的气体和烟雾的系统上。
电极5伴随着碎铁3的熔化逐渐下降，而熔融金属收集在熔池21中，从而形成液池31。由于众所周知的原因，液池31盖有一层浮渣32。
液态金属可以收集在熔池21中至液位A，考虑到覆盖液池的浮渣层32的厚度，所示例子中的液位A布置得稍低于清理开口23。
当熔池21由金属充满到所述液位时，通过打开可以是滑阀型的注口22′，经开口22浇注液态金属。
如上面已经说明的那样，设备的生产能力，特别是每个工作日能够完成的铸造次数，取决于电炉的功率及其尺寸，不过这些不能自由地选择。
每次铸造钢的产量是金属存于其中的熔池21的容量的函数，因而产量取决于熔池的形状，横截面积S1及在熔池最低点以上的最高液位A的高度h。然而不能自由地选择这些尺寸，因为他们取决于使用条件。
一般地说，事实上，由用户来规定所要求的总产量、布置在电炉下游段的设备(如连铸设备)所需要的液态钢量、可用的电力及应该在一个工作日中完成的铸造次数。
以上述条件为基础，计算每次铸造所生产的金属量，因而计算收集金属的熔池21的容量。
不过为了选择允许获得所述容量的熔池尺寸，还必须考虑某些参数。例如，一般必须遵守熔池深度与熔池直径之间的某种关系。特别是，所述深度必须足以允许金属和在需要时经注口注入的气体或引入的各种产物的混合，以便例如在熔化之后进行精炼。
在另一方面，金属液池通常覆盖有一层浮渣，而不能大量增加钢液与浮渣的接触表面，因而不能增加熔池上部区域的横截面。
最后，电炉被放置在工作台上的适当位置并被许多辅助设备包围着。因而必须尽可能限制所述电炉的空间要求。因此，确定了熔池的横截面积S1和形状、液池的最大深度h及底部2的总高度。
如上所述，熔化锅的侧壁的横截面积S2大致等于熔池最大横截面积S1，因而所述最大横截面积也被定义为各种冶金学要求及有关使用要求的函数。
考虑了熔池从其底部24到其上边缘的高度H1，就能够确定侧壁12的高度H2，以致于使能引入熔化锅1的碎铁的总体积至少为熔池21的液态金属容量的六倍。
体积的这一关系取决于熔池21的形状。实际上，在液池上面直至盖13的高度处的自由体积的高度至少是熔池中金属最大高度h的四倍。
可是，不可能把从插入开口16进入熔化锅内部的电极5的自由长度增加到很长。为使该自由长度的电极具有足够的强度，电极的这一长度L与其直径d的比值可以高达十倍。
在碎铁炉料中产生一个中心坑时，采用单根电极并让它沿熔化锅轴线下降，就能够以一般的方式消除电极破裂的可能性，因为电极受到比较对称的牵引。在该情况下，碎铁体积与液态金属体积的比可以高达十二，但最好保持在八至十之间。
因此，从这些图可知，根据本发明的电炉本质上不同于传统的电炉，因为在底部2之上直立的侧壁高度相当高，从而可以在一个单次的装料中引入熔化锅的碎铁3的体积很大。
在另一方面，根据本发明的更重要特征，电炉提供有独立的供热装置，如燃烧器4，它在侧壁12的下部区域开口，稍高于底部2的上边缘25。
使用绕壁12的周缘分布的多个燃烧器是有益的。
每个燃烧器4连接到供应象气体，气油或气煤之类的燃料的装置上，并连接到供应象空气或氧气之类的助燃剂的装置上，其相对量受到调节以便控制火焰的化学计量比。
另外，特别有利的是这样设计熔化锅，使它在熔化操作期间基本上是严密密封的。为此，不是使用通常的具有大尺寸且借助于简单门关闭的清理开口，而是最好把开口减小到仅适于清除浮渣的尺寸并以基本严密的方式密封它。因而正如在同一申请人的WO申请92.10594中所指出的那样，能够更容易地提供压力平衡，从而防止空气进入，以改善电炉的能量平衡。
作为所有这些布置的结果，即使使用隔热的电炉，也能够在电炉的内部提供碎铁的预热。
如上所述，至此实际上看来最好是，使所述烟气通入提供在电炉邻近的一个腔室，甚至使用两个电炉，以回收烟气的热量，这两个电炉交替地进行预热和熔化操作，使烟气从一个电炉到另一个电炉再循环。
反之，按照本发明，因为电炉装有一次铸造所需的全部碎铁;此外还因为装有若干燃烧器，所以能够以两个相继的步骤完成预热和熔化操作。
的确，在装入要求量的碎铁3之后，封闭拱顶13，把管子15与抽气和处理系统连接，并提供燃烧器4。
在这一第一预热步骤中，电极5保持在拱顶13之上的适当位置，而插入开口16则由活门17关闭，如图2所示。
在电炉1内将碎铁3装到相当高的料位，因而由燃烧器4，由那些穿过炉料升起而经管子15排出的热烟气，以及由碎铁放出的气体混合物来共同加热碎铁3。
应该注意，由于在电炉本身的内部使用自备的加热装置，通常有毒的气体混合物就被燃烧器4产生的烟气充分稀释，因而经管子15排出的气体被大大地减少，并可以在特别适合于有毒混合物特性的装置中处理。
一旦碎铁3已经升到足够高的温度，就停止预热，接着就是熔化的第二步骤。
活门17被打开以便把电极5降入熔化锅中。由于开口16与拱顶的横截面相比具有相对减小的横截面，所以此时可能漏出的气体量极小，由于电极5被立即引入开口，则更是如此。因而，污染的可能性被大大地减少，另外，还能防止任何冷却，而在传统的电炉中，这种冷却在预热过的碎铁被送往和卸入电炉时是必然产生的。
自耗电极5一与碎铁接触，就与电源连接起来并与固定电极50连接起来，并且该接触是通过中介物碎铁3和可能留在熔池底部的液态金属31建立的。电弧形成在电极与碎铁之间，该碎铁包围着所述电极并逐渐熔化，同时形成一个允许电极5逐步下降的凹坑，如图1所示。
因而，碎铁炉料3包括一个在电极5的紧邻区域中的中心区域33，在该区域中电弧使碎铁产生非常高的温度;还包括一个沿侧壁12延伸的环形区域34。在中心区域33产生的热量通过传导和辐射传递到环形区域34，由于经管子15排出的气体的循环，区域34还通过对流而被加热。
而且，为了进一步升高在环形区域34中升起的气体温度，起动燃烧器4是可能的且是有利的。
因为碎铁炉料的高度特别高，因而较大部分的碎铁在电极5的下降期间受到加热，伴随着熔化，导致液池上面碎铁温度的增加，和降入所述液池的碎铁温度的增加。
上述工艺过程可以认为与有着侧储存室的电炉所采用的工艺过程相似，如已经在上面描述的那样，但是，根据本发明，可按一次铸造需要的总炉料完成该工艺过程，而该炉料是以一个步骤引入电炉中的。
因而整个熔化操作在非常经济的条件下完成。
但是，作为提供该装置的结果，为了节省时间，还可以使电炉一经封闭就把电极5降到冷的炉料上，以省去预热步骤。在这种情况下，事实上，电功率用来熔化电极5周围的中心区域33的炉料，而拥有大部分炉料的旁边区域34的炉料，则靠燃烧器和由熔化产生的经管子15排出的烟气来预热。
当然，本发明不限于已经描述的实施例的细节，并且可以进行更改，并不因此而超越权利要求书限定的保护范围。
特别是，本发明还可以适用于其他类型的电炉，特别是现有的电炉，其旁边区域能够简单地修改以容纳权利要求书涉及的装置。
在另一方面，能够使用其他用于预热操作的自备热量供给装置，例如借助于电阻装置。
在权利要求书中描述的技术特征的后面插入标号的唯一目的，在于有利于更容易地理解所述特征，而这些标号决没有限制作用。
权利要求
1.用于熔炼象碎铁之类的含铁原料的直流电炉，包括一个在其上部区域由一个可分开的盖子(13)封闭的熔化锅(1)，用于装入要熔炼的批料(7)；至少一个自耗电极(5)，其被置于大致沿熔化锅(1)轴线的适当位置，并被竖直滑动地安装，以便穿过盖子(13)上的至少一个开口(16)而降入熔化锅(1)的内部；至少一个固定电极(50)，其置于熔化锅(1)底部(2)中的适当位置；还包括至少一个直流电源，该电源具有两个分别连接到自耗电极(5)和固定电极(50)上的电极；所述熔化锅包括一个底部(2)和一侧壁(12)，所述底部(2)由耐火材料底板覆盖、并形成一个具有凸起边缘(23)和高度(H1)及最大横截面(S1)的熔池(21)，所述侧壁(12)基本上置于熔池(21)所述边缘(23)延伸部分的适当位置并限定具有横截面(S2)的圆筒形空间，该横截面(S2)大致等于熔池(21)的最大横截面(S1)；其特征在于依据使用条件已经确定的熔池(21)的高度(H1)和横截面(S1)，使熔池(21)能够容纳规定数量的熔融金属；而熔化锅(1)的侧壁(12)延伸到一个高度(H2)，使熔化锅(1)能够容纳足够的碎铁炉料(3)，以便在单次熔炼操作中生产所述规定数量的熔融金属。
2.根据权利要求1所述的电炉，其特征在于，熔化锅(1)侧壁(12)的高度(H2)是这样的，使得所述侧壁(12)所限定的体积介于熔池(21)容量的六至十二倍之间，该容量对应于熔融金属的规定量。
3.根据权利要求1所述的电炉，其特征在于，其具有单根自耗电极，该电极从盖子开始以长度(L)穿入该炉内，所述长度(L)与电极的直径之比不超过系数10。
4.根据前述权利要求的任一项所述的电炉，其特征在于，电炉的熔化锅(1)具有附加的加热装置，该装置用于预热熔化锅(1)内部的炉料。
5.根据权利要求4所述的电炉，其特征在于，所述附加加热装置包括至少一个在侧壁(12)的底部通往熔化锅(1)内部的燃烧器。
6.根据权利要求4或权利要求5的所述的电炉，其特征在于，所述附加加热装置包括至少一根用于注入热气体的管子，该管子在稍高于侧壁(12)与底部(2)的连接处的地方通往熔化锅(1)的内部。
7.根据权利要求6所述的电炉，其特征在于，所述用于注入热气体的管子连接一个燃烧室，该室装有燃烧器并供应可燃气体。
全文摘要
本发明涉及一种直流电炉，它包括一个熔化锅(1)，自耗电极(5)，一个固定电极(50)，和一个直流电源，所述熔化锅由熔池(21)形状的底部(2)和侧壁(12)限定。依据使用条件确定熔池(21)的高度(H1)和横截面(S1)，使它能容纳规定量的熔融金属，并确定熔化锅(1)的侧壁(12)高度(H2)，使它能容纳足够的碎铁炉料(3)，以便在单次熔炼操作中生产规定量的熔融金属。
文档编号F27B3/08GK1109690SQ9419027
公开日1995年10月4日 申请日期1994年5月5日 优先权日1993年5月13日
发明者弗斯迪埃·盖 申请人:克莱西姆公司