一种电炉冶炼装置及方法与流程

本发明涉及钢铁冶金技术领域，特别涉及一种电炉冶炼装置及方法。

背景技术

目前在电炉炼钢过程中炉门、电极孔、上炉壳和炉盖的水冷盘管间隙、炉盖排烟管和外部排烟管之间都是出于敞开状态，这样做主要是为了向炉内产生的烟气混入大量空气，利用空气中的氧气促使烟气中的co(一氧化碳)充分燃烧，以达到安全放散的要求。但是空气在带入21％的氧气的同时还带入了大量的氮气和其他惰性气体，除氧气之外的其他气体还是要进入电炉炉内、烟气处理系统和除尘系统，氮气进入炉内后再高温电弧下发生裂解，所以这种冶炼方法会造成钢液增氮，大幅增加了电炉除尘风量和能耗，另一方面还不能回收烟气中的co，不利于节能环保。同时，随着近年来电炉采用强化供氧喷碳、大比例加入dri(直接还原铁)和大比例兑铁水生产方法的发展，电炉烟气中的co含量大幅提升，电炉烟气回收利用价值越来越高。如果采用传统的敞开式全燃法的冶炼方法，一方面会需要增加电炉烟气混入的空气量，增大了除尘的烟气量降低除尘效果的同时增加除尘能耗，另一方面不能回收利用电炉烟气中的co，造成可利用热源的损失。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电炉冶炼装置及方法，使在全密闭的状态下进行冶炼和烟气回收，不但能够降低电炉除尘的负荷和耗能，还能回收电炉烟气中的co，节能减排。

为达到上述目的，本发明提出一种电炉冶炼装置，其中，所述电炉冶炼装置包括电炉单元和烟气净化回收单元，所述电炉单元至少包括密闭式电炉，所述密闭式电炉与所述烟气净化回收单元能拆卸地密封连接。

如上所述的电炉冶炼装置，其中，所述密闭式电炉与所述烟气净化回收单元通过伸缩式密闭连接机构能拆卸地密封连接，所述伸缩式密闭连接机构包括炉盖排烟管、外部排烟管和驱动液压缸，所述炉盖排烟管的一端密封连接在所述电炉的炉盖上并与所述电炉的内腔相连通，所述炉盖排烟管的另一端设有固定连接件，所述外部排烟管的一端与所述烟气净化回收单元密封连接，所述外部排烟管的另一端固设有移动连接件，所述移动连接件和所述固定连接件均呈筒状，且所述移动连接件的内壁能与所述固定连接件的外壁密封配合，所述驱动液压缸连接在所述移动连接件的外壁上并能驱动所述移动连接件靠近和远离所述固定连接件。

如上所述的电炉冶炼装置，其中，所述固定连接件和所述移动连接件均为水冷锥形法兰，所述移动连接件的内壁设有第一锥形密封面，所述固定连接件的外壁对应设有第二锥形密封面，所述第二锥形密封面能与所述第一锥形密封面密封配合。

如上所述的电炉冶炼装置，其中，所述外部排烟管内设有烟气检测机构。

如上所述的电炉冶炼装置，其中，所述烟气净化回收单元包括通过烟气管道串联连接的烟气预除尘室、余热锅炉模块、烟气净化模块和烟气回收与储存模块。

如上所述的电炉冶炼装置，其中，所述烟气预除尘室的侧壁上设置有二次燃烧枪。

如上所述的电炉冶炼装置，其中，所述烟气净化回收单元还包括烟气排放模块，所述烟气排放模块通过换向阀连接在所述烟气净化模块和所述烟气回收与储存模块之间的所述烟气管道上。

如上所述的电炉冶炼装置，其中，所述密闭式电炉的内壁上还设有泡沫渣高度检测机构和钢液温度检测机构。

如上所述的电炉冶炼装置，其中，所述密闭式电炉的内壁上设有吹氧机构和喷碳机构。

本发明还提出一种电炉冶炼方法，使用如上所述的电炉冶炼装置进行冶炼，其中，向所述密闭式电炉中装料后，对所述密闭式电炉进行密封并密封连接所述密闭式电炉与所述烟气净化回收单元，对所述密闭式电炉进行通电冶炼，在通电冶炼的整个过程中利用所述烟气净化回收单元对产生的烟气进行烟气净化回收。

如上所述的电炉冶炼方法，其中，所述烟气净化回收单元包括通过烟气管道串联连接的烟气预除尘室、余热锅炉模块、烟气净化模块和烟气回收与储存模块，所述烟气预除尘室的侧壁上设置有二次燃烧枪；烟气在所述烟气预除尘室进行燃烧除尘；当由所述密闭式电炉排出的烟气中co体积浓度＜5％时，所述二次燃烧枪向所述烟气预除尘室内的烟气吹入氧气以促进烟气中co的充分燃烧并降至安全范围内，当由所述密闭式电炉排出的烟气中co体积浓度≥5％且o2体积浓度<1％时，所述二次燃烧枪停止向所述烟气预除尘室内吹入氧气。

如上所述的电炉冶炼方法，其中，所述烟气净化回收单元还包括烟气排放模块，所述烟气排放模块通过换向阀连接在所述烟气净化模块和所述烟气回收与储存模块之间的所述烟气管道上；当由所述密闭式电炉排出的烟气中co体积浓度≥5％且o2体积浓度<1％时，烟气回收模块开始对炉内烟气进行回收储备；当由所述密闭式电炉排出的烟气中co体积浓度＜5％时，烟气通过所述烟气排放模块进行放散。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

本发明提出的电炉冶炼装置及方法，采用密闭式电炉并使密闭式电炉与烟气净化回收单元密封连接，这样，在通电冶炼过程中，外界的空气很难或极少进入密闭式电炉内，从而减少了进入烟气净化回收单元的烟气量，进而降低了烟气净化回收单元的负荷和能耗，并且也减少了密闭式电炉内生产的还原性气体的被空气带入的氧气进行二次氧化或燃烧，从而提高烟气中还原气体的含量，有利于密闭式电炉内产生的还原性气体(co)的进一步回收和利用；另外，也减少了炉内高温炽热电极被空气中的氧气氧化，从而降低消耗。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明提出的电炉冶炼装置的结构示意图；

图2为本发明中伸缩式密闭连接机构的结构示意图；

图3为本发明中泡沫渣高度检测机构和钢液温度检测机构的示意图。

附图标记说明：

1、电炉冶炼装置；10、电炉单元；

100、密闭式电炉；110、炉盖；

111、上炉壳；112、下炉壳；

113、炉门；114、炉盖与上炉壳密封机构；

115、炉盖升降机构；120、电极；

121、电极把持器；122、电极孔密封机构；

123、导电横臂；124、导电横臂及电极旋转机构；

125、导电横臂升降机构；126、短网；

127、变压器；130、带密封结构的加料管；

140、泡沫渣高度检测机构；150、钢液温度检测机构；

20、烟气净化回收单元；21、烟气管道；

211、二次燃烧枪；22、烟气预除尘室；

23、余热锅炉模块；24、烟气净化模块；

25、烟气回收与储存模块；26、烟气排放模块；

27、换向阀；30、伸缩式密闭连接机构；

31、炉盖排烟管；32、外部排烟管；

33、驱动液压缸；34固定连接件；

35、移动连接件；36、烟气检测机构。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

如图1所示，本发明提出一种电炉冶炼装置1，包括电炉单元10和烟气净化回收单元20，电炉单元10至少包括密闭式电炉100，密闭式电炉100与烟气净化回收单元20能拆卸地密封连接。

本发明还提出一种电炉冶炼方法，使用如上所述的电炉冶炼装置1进行冶炼，向密闭式电炉110中装料后，对密闭式电炉100进行密封并密封连接密闭式电炉100与烟气净化回收单元20，对密闭式电炉100进行通电冶炼，在通电冶炼的整个过程中利用烟气净化回收单元20对密闭式电炉100中产生的烟气进行烟气净化回收。

本发明提出的电炉冶炼装置及方法，采用密闭式电炉100并使密闭式电炉100与烟气净化回收单元20密封连接，这样，在通电冶炼过程中，外界的空气很难或极少进入密闭式电炉100内，从而减少了进入烟气净化回收单元20的烟气量，进而降低了烟气净化回收单元20的负荷和能耗，并且也减少了密闭式电炉100内生产的还原性气体的被空气带入的氧气进行二次氧化或燃烧，从而提高烟气中还原气体的含量，有利于密闭式电炉100内产生的还原性气体(co)的进一步回收和利用；另外，也减少了炉内高温炽热电极被空气中的氧气氧化，从而降低消耗。

在本发明中，密闭式电炉100的炉门113、上炉壳111与下炉壳112接缝处及上炉壳111炉壁与炉盖110之间的缝隙、炉盖中心电极孔处均通过密封结构进行密封，以保证通电冶炼时，外界的空气很难或极少进入密闭式电炉100内。

电炉单元10还包括水冷保护模块12和电炉倾动摇架13等辅助设备，均可使用现有技术，在此不进行赘述。

在本发明一个可选的例子中，如图2所示，密闭式电炉100与烟气净化回收单元20通过伸缩式密闭连接机构30能拆卸地密封连接，伸缩式密闭连接机构30包括炉盖排烟管31、外部排烟管32和驱动液压缸33，炉盖排烟管31的一端密封连接在密闭式电炉100的炉盖111上并与密闭式电炉100的内腔相连通，炉盖排烟管31的另一端设有固定连接件34，外部排烟管32的一端与烟气净化回收单元20密封连接，外部排烟管32的另一端固设有移动连接件35，固定连接件34和移动连接件35均呈筒状且移动连接件35能对应套设在固定连接件34外，移动连接件35的内壁能与固定连接件34的外壁密封配合，驱动液压缸33连接在移动连接件35的外壁上并能驱动移动连接件35靠近或远离固定连接件34。这样，当密闭式电炉100倾动出港，需要与烟气净化回收单元20分离时，利用驱动液压缸33驱动移动连接件35和外部排烟管32远离固定连接件34，密闭式电炉100即与烟气净化回收单元20实现分离，驱动液压缸33将移动连接件35拉离固定连接件34一定距离后便可不影响密闭式电炉100炉体的倾动；当准备进行通电冶炼时，利用驱动液压缸33驱动移动连接件35靠近固定连接件34，并使移动连接件35的内壁与固定连接件34的外壁密封配合，移动连接件35和固定连接件34闭合后，实现密闭电炉11与烟气净化回收单元20的密封连接，在电炉冶炼排烟的同时阻止外界空气进入烟道(炉盖排烟管31和外部排烟管32)；在整个通电冶炼的过程中，驱动液压缸33始终向移动连接件35施力，以保证移动连接件35与固定连接件34的密封配合。

在本发明一个可选的例子中，固定连接件34和移动连接件35均为水冷锥形法兰，移动连接件35的内壁设有第一锥形密封面，固定连接件34的外壁对应设有第二锥形密封面。需要密封连接时，利用驱动液压缸将移动连接件35推向固定连接件34，使第一锥形密封面与第二锥形密封面密封配合。

在本发明一个可选的例子中，外部排烟管32可以根据需要设计为弯管。

在本发明一个可选的例子中，外部排烟管32内设有烟气检测机构(烟气检测仪)36。用于检测由密闭式电炉100排出的烟气中co体积浓度。

在本发明一个可选的例子中，烟气净化回收单元20包括通过烟气管道21串联连接的烟气预除尘室22、余热锅炉模块23、烟气净化模块24和烟气回收与储存模块25。

在本发明一个可选的例子中，余热锅炉模块23能够快速的冷却烟气，余热锅炉模块23对烟气的冷却速度可达250℃/s以上，这样可以将由密闭式电炉100中排出的烟气温度由1000℃以上快速降至300℃以下。

烟气净化模块24可以进一步净化由密闭式电炉11中排出的烟气，使烟气的含尘量达到排放标准后进入下一步工序。

在本发明一个可选的例子中，烟气净化回收单元20还包括烟气排放模块26，烟气排放模块26通过换向阀27连接在烟气净化模块24和烟气回收与储存模块25之间的烟气管道21上。通过换向阀27可以控制由烟气净化模块24流出的烟气是进入烟气回收与储存模块25进行回收储存还是进入烟气排放模块26进行放散。

在本发明一个可选的例子中，烟气排放模块26和换向阀27之间还设有活性炭吸附装置28。

在本发明一个可选的例子中，烟气预除尘室22的侧壁上设置有二次燃烧枪221。在烟气中co浓度<20％时，二次燃烧枪221可向烟气预除尘室22中喷入氧气促进烟气内的co进行充分燃烧。

在本发明中，烟气预除尘室22、余热锅炉模块23、烟气净化模块24、烟气回收与储存模块25和烟气排放模块26均可以采用现有技术。

在本发明一个可选的例子中，如图3所示，密闭式电炉100的内壁上还设有泡沫渣高度检测机构140和钢液温度检测机构150。通过泡沫渣高度检测机构140和钢液温度检测机构150，可以现在密闭状态下连续观测密闭式电炉100炉内冶炼状况。

在本发明一个可选的例子中，泡沫渣高度检测机构140和钢液温度检测机构150安装在水冷保护机构内以承受炉内高温多尘的恶劣环境，并且沫渣高度检测机构140和钢液温度检测机构150可在炉外进行安装和更换。

在本发明一个可选的例子中，泡沫渣高度检测机构140和钢液温度检测机构150采用现有技术。

在本发明一个可选的例子中，密闭式电炉100的内壁上还设有吹氧机构和喷碳机构。可以在密闭的密闭式电炉100炉内通过吹氧并喷碳的方法或其中的一种方法与含氧或含碳物料反应生成co气体，并可通过调节吹氧或喷碳的强度来控制生成co气体的浓度；同时，在密闭式电炉100内生成的co气体由与密闭式电炉100密封连接的烟气净化回收单元20回收利用。

在本发明中，吹氧机构和喷碳机构均可以采用现有技术。

在本发明一个可选的例子中，当钢液温度检测机构150监测到钢水温度高于1570℃时，则利用吹氧机构开始吹氧造泡沫渣；泡沫渣高度检测机构140监测到炉渣高度低于300mm时，则提高吹氧机构及喷碳机构的吹氧和喷碳的能力，反之则降低氧机构及喷碳机构的吹氧和喷碳的能力。

在本发明一个可选的例子中，烟气进入烟气净化回收单元20后首先在烟气预除尘室22进行燃烧除尘，当由密闭式电炉100排出的烟气中co体积浓度＜5％时(由密闭式电炉100排出的烟气中co体积浓度由设置在外部排烟管32内的烟气检测机构36检测)，二次燃烧枪211向烟气预除尘室22内的烟气吹入氧气以促进烟气中co的充分燃烧并降至安全范围内，当密闭式电炉100排出的烟气中co体积浓度≥5％且o2体积浓度<1％时，二次燃烧枪211停止向烟气预除尘室22内吹入氧气。

在本发明一个可选的例子中，当由密闭式电炉100排出的烟气中co体积浓度≥5％且o2体积浓度<1％时，烟气回收与储存模块25开始对炉内烟气进行回收储备；当由密闭式电炉100排出的烟气中co体积浓度小于5％时，烟气通过烟气排放模块26进行放散。

在本发明一个可选的例子中，电炉冶炼装置1还可以包括有控制单元，驱动液压缸33、烟气检测机构36、换向阀27、二次燃烧枪221、泡沫渣高度检测机构140、钢液温度检测机构150、吹氧机构和喷碳机构均与控制单元电连接；这样，通过控制便可以收到烟气检测机构36、泡沫渣高度检测机构140和钢液温度检测机构150的检测结果并控制换向阀27、二次燃烧枪221、吹氧机构和喷碳机构的运行。其中，控制单元及其与上述部件的电连接均可以采用现有技术，在此不进行赘述。

如图1所示，在本发明中密闭式电炉100可以包括变压器127、短网126、导电横臂123、导电横臂及电极旋转机构124、导电横臂升降机构125、炉盖升降机构115、电极120、电极把持器121、电极孔密封机构122、带密封结构的加料管130、炉盖110、炉盖与上炉壳的密封机构114、上炉壳111、炉门113、下炉壳112。其中，电极孔密封机构122阻止外界空气进入炉内；炉门113为密闭式炉门，能实现在排渣的同时阻止外界空气进入炉内；上炉壳111和下炉壳112采用水冷盘管和外敷钢板的密闭结构，阻止外界空气进入炉内。

现结合附图1，对本发明提出的电炉冶炼方法的一实施例进行详细说明。其具体步骤如下：

步骤1：第一次料篮装料，首先利用导电横臂升降机构125将导电横臂123及电极120底端提升至上炉壳111上方200mm处，然后再利用炉盖升降机构115将炉盖110顶升500mm后，再利用导电横臂及电极旋转机构124将电极120和炉盖110旋开72°以上的角度后，把冶炼用的50～70％炉料(废钢、碳块、生铁、铁水、dri、或混合料)从上炉壳111上方加入炉内，然后导电横臂及电极旋转机构124将炉盖110和导电横臂123及电极120旋回至炉壳上方，炉盖升降机构115将炉盖110下降500mm与上炉壳111的闭合后，炉盖升降机构115的升降液压缸将继续下降200mm与炉盖110完全脱开，炉盖110依靠重力落在了上炉壳111上，为了防止炉盖110滑落，上炉壳111上部还设有导向固定机构。需要说明的是，步骤1主要用于装入废钢，当不需要装入废钢时，本发明提出的电炉冶炼方法则由步骤2开始。

步骤2：炉体密闭。炉盖与上炉壳的密闭机构114则依靠炉盖110的重力实现与上炉壳111密封，炉盖110上的三相电极孔通过电极孔密封机构122进行密封；电炉的炉门113为密闭式炉门，在冶炼过程中能阻止空气由炉门113进入炉内进入；固设在炉盖110上的炉盖排烟管31与外部排烟管32通过固定连接件34和移动连接件35进行密封。

步骤3：通电熔化。完成步骤2后，变压器127开始通过短网126和导电横臂123向电极120送电，然后电极120对炉料进行熔化；整个熔化过程是在采用了密闭结构进行了密闭的密闭式电炉11内进行的；

步骤4：第二次料篮装料，本步骤主要用于需要第二次装入废钢时，当不需要第二次装入废钢时，则由步骤5开始。待第一批料熔化了90％以上，变压器127可以停止供电，并提升电极120后，把剩下的30～50％的第二批炉料按照步骤1所述方式加入炉内，再按步骤2进行炉体密闭，然后在按步骤3进行通电熔化。

步骤5：装入dri及造渣料。待第一批料熔化了90％以上，炉内液态熔池已基本形成后，开始加入dri及造渣料。dri及造渣料在加料系统混合后通过炉盖110上的带密封结构的加料管130按20kg/mw.min的速度连续装入炉内，在达到设定好的加入量之后停止加料。

步骤6：吹氧喷碳，本步骤与步骤5同步进行。在步骤5开始加料后，利用装在炉壁上的多功能炉壁枪160(喷碳机构和吹氧机构)对熔池按设定的流量和比例进行吹氧和喷碳，通过调整喷枪的角度把氧气喷入金属熔池中，而把碳粉喷入到炉渣中，同时根据泡沫渣高度检测机构140和钢液温度检测机构150的监测结果，调整吹氧喷碳的时间和流量，以保证合理的泡沫渣温度和升温速度。当监测到钢水温度高于1570℃时，则开始吹氧造泡沫渣，泡沫渣高度检测机构140监测到炉渣高度低于300mm时，则发出信号给多功能炉壁枪控制系统，以提升吹氧和喷碳的能力，反之则降低吹氧喷碳的能力。需要说明的是，多功能炉壁枪可以采用现有技术。

步骤7：搅拌升温，本步骤与步骤5同步进行。在步骤5开始加料后，可利用装在炉底上的透气砖向炉内吹入惰性气体(氮气或氩气)对熔池进行搅拌，以加快熔化、升温和化学反应速度。

步骤8：烟气燃烧除尘，本步骤操作贯穿于电炉整个冶炼过程。电炉冶炼过程中产生的烟气通过炉盖排烟管31和外部排烟管32先进入烟气预除尘室22(也称燃烧除尘室)，当烟气检测机构36检测到烟气中co浓度＜5％时，安装在燃烧除尘室侧壁的二次燃烧枪211向燃烧除尘室内的烟气吹入氧气以促进烟气中co的充分燃烧并降至安全范围内，当烟气检测机构36检测到烟气中co体积浓度≥5％且o2<1％时，安装在燃烧沉降室侧壁的二次燃烧枪211停止向燃烧沉降室内吹入氧气；

步骤9：烟气快速冷却，烟气从燃烧除尘室被抽出之后进入余热锅炉模块23，经余热锅炉模块23冷却后，烟气温度在3秒钟之内降至300℃以下；

步骤10：烟气净化，然后进入烟气净化模块24进行处理，经净化处理后的烟尘浓度达到要求之后再进入烟气回收与存储模块25或放散；

步骤11：烟气回收或放散，在步骤10之后，当烟气检测机构36反馈烟气中的co浓度的检测结果≥5％且o2<1时，烟气回收与储存模块25开始对炉内烟气进行回收储备，当co体积浓度＜5％时，烟气通过烟气排放模块26进行放散。

步骤12：排渣。从步骤6开始，炉内将不断产生炉渣，这些炉渣在积聚到一定程度后可通过炉门113持续排除，炉门113为密闭式炉门并可实现在排渣的同时阻止外部空气进入炉内。

步骤13：出钢。当炉内的熔池温度及碳含量达到既定目标后，可以进行倾炉出钢，当出钢量达到设定值后，炉体快速回倾到水平位置，露出出钢口并保证炉内有40％左右的留钢量。

步骤14：灌砂及修补炉衬。当出钢完成之后，需要对出钢口进行清理并灌砂。同时对炉内的耐材进行检查并及时修补，准备好下一炉的冶炼。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。