新型节能型非圆非柱形系列矿热炉的制作方法

专利名称：新型节能型非圆非柱形系列矿热炉的制作方法
技术领域：
本发明是用于节能新型系列矿热炉的综合技术和设计以及矿热炉相应其它配套设备和材 料的设计。
对任何冶炼矿热炉、电石炉行业来说，其冶炼炉膛和相应装置的的几何形状和尺寸等结 构的改变，会直接影响冶炼工艺、冶炼效果和冶炼节能效率和吨能耗的改变。
该专利可应用所有密闭，半密闭，开放式矿热炉，可用于冶炼电石，黄磷、硅系(硅 铁、硅钙、硅钡、金属硅等)、锰系(锰铁、硅锰、金属锰等)，铬系或者镍系、钼铁、钨铁、 钛铁等各种矿热炉，供电方式可采用直流，低频交流，中频、高频交流矿热炉。等离子冶炼 炉，电磁冶炼炉等新型能源矿热炉。供电变压器可采用三相变压器或单相变压器， 一次供电 电压可用于11KV、 35KV、 66KV、 110KV、 220KV等任何电压等级，矿热炉功率500-500000 千瓦。电极布置为等边对称或不等边等任何方式。电极采用预焙或自焙任何碳或者石墨或其 它电极。二次供电加电装置采用铜瓦或组合把持器导电元件或其它任何加电方式。电极形状 采用方形、圆形、长方形、椭圆形等任何形状。矿热炉冶炼还原剂为含碳的任何材料，比如， 兰炭，焦炭，半焦，无烟煤，水洗煤，石油焦，或优质原煤，优质木炭等任何碳材。 技术背景
从矿热炉或电石炉水平断面上讲传统冶炼埋弧矿热炉的炉膛横断面都是圆形，少数为 长方形或椭圆，但是除了圆形(附图l)，其它方式因其实际应用的不对称性引起的供电负荷 和电位梯度不对称等问题以及因为炉子三相电极不平衡的布置操作难度大而基本完全被淘 汰。仅就目前存留的圆形炉膛结构来讲，在小功率矿热炉应用还勉强维持，但是大型炉子其 缺点暴露越来越大，主要因小功率炉子需要较小的同心圆负荷和较小的炉底负荷，而大功率 矿热炉需要较大的同心圆负荷和相对小功率炉子更大的炉底负荷，这种小炉子和大型炉子功 率增量与结构上形成的非线性的增量关系，使大型矿热炉采用普通圆形炉膛无法实现小矿热 炉的单耗指标并体现规模优势，2.5万千瓦以上大型密闭(半密闭)或开放矿热炉使用传统的 圆形炉膛会引起电极上抬，导致冶炼能耗增加，衍生故障较多，难以长期低耗稳定运行，对 原料品位要求也比较苛刻。
从矿热炉纵向断面上讲:传统矿热炉炉膛和炉壳纵向为柱形(附图1)或上粗下细的等炉 壁厚的圆台型(附图2)，纵向截面为矩形(附图12)或等腰梯形(附图13)炉壁是上下等 厚度。

发明内容
发明目的(解决的问题)
本发明的设计原理和目的与传统设计有全新的设计角度和思路。其主要目的就是在保证 在较大的同心圆负荷和电极坩埚区的前提下，通过有效减少冶炼死区面积，减少容易产生涡 流的冶炼死区，用时增加炉底负荷实现矿热炉冶炼时电极更深的插入原料，以提高矿热炉和 电石炉能耗利用率，通过有效提升二次电压增加冶炼变压器自身的效率、功率因数，同时增 加矿热炉或电石炉对低品位原料的适用性。通过本专利技术可以解决诸多现行矿热炉和电石 炉存在的单耗高及不能长期稳定运行的问题，用于20000KVA (千瓦)以下的小炉子上比传 统炉型科学节能，电极下插好，用于25000KVA (千瓦)以上的大型矿热炉，其预期的电极 下插和综合节电、节能效果会非常显著。
实际冶炼中在炉膛的中部和顶部，因为没有出炉操作，单从保温目的讲，耐火炉壁完全 可以增厚，因此本发明除使用两种传统等厚炉壁的纵向结构外，采用矿热炉顶部炉壁厚底部 炉壁薄的特殊结构或炉膛上、中、下不炉壁不等厚结构，(附图14，附图15，附图16)，同 时将炉膛内部纵向炉壁为使用双曲线或近似弧形或等效多段线结构，炉膛外壳则使用上口略 大的圆台行或柱形(附图14)，这样可以实现增加保温效果。同时，从炉面热量回收上分析, 较大的炉膛顶部可以延长热交换时间，利于炉面热能的回收，在炉膛低部形成增大的储料空间(指双曲线型或上部细下部粗的炉膛结构)，利于减小矿热炉因间歇式出炉时炉内成品熔融 料液液位上升对电极的上抬影响(附图15，附图16),从炉膛纵向(过中心轴)结构上，炉 膛中部较厚的保温层利于保温，底部较薄的保温层结构利于方便出炉操作。而采用双曲线炉 膛时顶部炉墙厚度与传统相近，但中部高温区较厚的炉墙也利于保温，同时因为专利系列矿 热炉水平断面的炉膛结构与传统不同，最终其炉壳侧壁和炉面散热量也小于传统炉子，近一 步实现冶炼单耗电的降低
同时本专利系列矿热炉所采用特证结构，在大型矿热炉普遍采用单相变压器布置情况
下，能使各单相变压器更邻近矿热几何炉中心，能有效的大幅度縮短矿热炉二次短网长度， 降低短网损耗，并且使各电极的两变压器加电角度接近对称，这种短网结构的优化是本专利 矿热炉节能的另一个因素和发明的目的之一。但是同时要注意做好变压器的防火、防高温等 安全防护和加强变压器冷却。
另外，个别冶炼因为原料的种类和品味纯度不同，以及矿热炉冶炼中冶炼原料随料层下 降的体积减小的幅度情况不同，不同冶炼矿热炉选择不同的矿热炉上下口大小关系，有利于 形成炉膛较接近水平的等温料面和料层结构，以利于节能、节电和增加产量以及利于电极的 下插。
技术方案
矿热炉包含诸多核心技术原理复杂又包含多个专业交叠，及多种冶炼种类和不同原料特 点，这里不做本专利详细数理理论分析和推理介绍，仅从可视的物理结构设计上论述专利技 术方案。
冶炼术语--柑埚圆，是指按某种冶炼的设计矿热炉的理想二次电压、产量、单耗电等理 想运行的炉况情况下，在电极底部形成的放弧的圆形区外圆，通常坩埚是上部细下部粗的近 似圆台形，坩埚圆一般指最大的底部直径，其直径于自焙烧电极矿热炉通常是1.5-3左右的倍 电极直径，在预焙烧电极的矿热炉通常是1-5倍左右的电极直径。同一电极该值因不同冶炼 品种，不同二次电压，炉况，原料品位和产品品位等因素不同而变化。
冶炼术语——同心圆，指过各电极几何中心的圆，同心圆的圆心通常与炉膛几何中心重叠。 死区，本专利用于指两电极之间接近炉壁的内侧容易积死料的地方。 下面以最常用典型的采用圆形电极的三电极三坩埚圆弧炉型做技术方案说明。 1)炉膛水平断面结构-
l理想完美型结构，以矿热炉几何中心圆心为圆心，以矿热炉同心圆半径为半径，三圆交 叠形成的三坩埚圆弧外侧不交叠部分的封闭曲线做炉膛边缘，(附图2)，采用多段线逼近坩 埚弧，实际炉膛要大于此预留保护距离(附图3)，三坩埚圆弧炉膛坩埚半径的取值，与原料 品位、粒径，冶炼种类不同、变压器设计和炉子几何参数设计等不同因素而定，实际炉膛要 此预留适度的保护距离，(保护距离是指坩埚圆与真实炉膛内壁的预留距离)。
在实际应用通常中采用下列与专利特点近似等效的结构，因易于实际实施所以以此作为代 表结构
2在两电极之间的炉膛内壁处采用直线与两电极坩埚圆外圆相连接模式，形成圆角三棱炉 膛，(附图4),圆角三棱圆柱水平断面圆弧部分可以采用多段线逼近(附图7)。可以在两电 极坩埚切线之间的炉直线段可采用向炉心凸弧曲线或相炉心凸圆弧与埘埚园相连接或相切， (附图5)。也可采用向炉中心凹弧曲线或向同心圆心凹的大圆弧与坩埚园相连接或相切(附 图6)，或任何等效曲线，等效多段线逼近。
3:台阶状逼近型，在两电极之间的炉膛内壁处用过同心圆心，采用不同半径(半径取值在 电极半径与炉膛半径之间)的系列圆与坩埚圆相交形成的台阶逼近，(附图8)，台阶辐向的 踢面可以是与此处直径切线不同角度的直线，或曲线弧、多边折线以实现炉膛水平断面与坩 埚圆环三环状等效逼近，台阶的与同心圆弧相切的跑阶方向采用系列同心圆弧、曲线，多段 线折线实现炉膛水平断面与坩埚圆环三环状炉膛的等效逼近。在电极与炉壁较近处，可采用 部分传统圆形炉膛内壁替代坩埚圆以便于施工的实施。4、本专利矿热炉的一种特列系列结构是整个矿热炉采用多坩埚圆环不相交的独立多坩埚 圆腔组成，以炉体几何中心为对称点，等圆周(理想状况时)或不等圆周分布，距几何中心 等距(理想情况)或不等距多个单圆腔，每圆腔有电极，最好电极位于腔中心，各环腔冶炼 原料相互不接触，各环腔炉底为一体公用互相导通零电位或共用整体电炉底(附图9，附图 10，附图11)。该种特型结构利于超大型(30000-500000千瓦)矿热炉设计，或应用于采用 多电极冶炼矿热炉，其每个单腔的纵向结构亦可采用本发明矿热炉的纵向特征，每个单圆腔 的水平断面形状可以采用任何等效曲线或等效多段线逼近坩埚圆。这中特殊多坩埚腔矿热炉 的炉壳可采用圆形(附图9)或炉壳采用专利特征炉膛的水平断面结构如适当直径圆弧角 三棱柱(附图10)或多环交叠(附图11)或完全独立多个圆柱形炉膛及其等逼近方式。其单 个炉腔的炉膛纵向结构可以采用专利特征系列矿热炉的纵向方法和特征。
这种矿热炉因较小的电极极间漏(电)流，使炉料因受电阻和涡流发热较小，增加炉 底放弧冶炼所占矿热炉总功率的比例，更利于电极下插和使用低品位原料冶炼的各种矿热炉。 但是其炉壁耐火砖、耐火材料和炉底碳砖及其它炉底导电耐火材料要求非常高。同时特殊的
开炉引弧方法及运行管理方法，合理的坩埚圆间距、出炉口个数和出炉口位置及出炉轨道设 计，以及特殊的具有典型专利特征的矿热炉布料设计和变压器及短网设计。 2)纵向结构
l纵向炉壳采用柱形，炉膛柱采用柱形的传统炉膛纵向结构(附图12) 2纵向炉壳为上粗下细的圆台型柱，内部炉膛为上粗下细圆台形炉膛，炉膛内外坡面角度
相同形成炉膛顶部炉壁和厚底炉壁相同的传统型。现此型现已很少采用，(附图n)
3纵向炉壳上粗下细的台型柱，内部炉膛为柱形或上粗下细台形炉膛，内外坡面角度不同
形成炉膛顶部炉壁厚底部炉壁薄的特点。(附图14)，此种结构整炉保温效果好，炉壳散热少，
同时便于出炉。
4纵向炉壳采用柱形；内部炉膛采用双曲线或凸向炉心轴线的弧形，(附图15) 5纵向炉壳采用上粗下细的台型，内部炉膛采用双曲线或凸弧形，(附图16)。这是最完美
的炉膛结构，拥有预热效果好，电极插入深而稳定，出炉容易等诸多优点，是本专利最理想炉型。
6炉壳水平断面采用三坩埚圆弧形状，炉膛断面也采用三坩埚圆弧外侧封闭曲线做炉膛边 缘的炉膛结构，炉壳纵向也存在上述五种现象的纵向结构特征，但是鉴于外部三坩埚圆弧理 想形状制作难度较大，同时节省的部分耐火砖空间减少了保温厚度不利于炉壁保温，对出炉 和操作没有益处，对于三坩埚发生交叠型水平结构的矿热炉，不推荐炉壳水平断面采用三坩 埚圆弧理想形状，但是从炉膛砌筑的方便性考虑，对于新建炉型可以选择。
7水平断面多坩埚圆环不相交的独立多坩埚圆腔组成炉膛，其单腔或整体的纵向也可使用 上述6种纵向结构，具体根据实施的方便性和科学性或排列组合选择实施。
以上设计中所采的用几何参数，主要是指电极直径倍数的取值和相关设计公式的参数取 值，包括，电极直径，同心圆和坩埚直径的大小取值，双曲线曲度及上下部分开口大小关系， 炉膛上口与炉膛底部大小关系，包括炉膛上大下小，或上小下大的相对值的取舍，炉壁的边 坡角度或曲线弧度，要根据不同冶炼产品的品种、纯度，不同冶炼产品需要的时间，不同冶 炼的常规单耗电水平，不同冶炼造渣量，以及不同冶炼原料入炉的温度，原料导热性差异， 电极特点，设计供电负荷，冶炼品种炉温、和曲线逼近方式等诸多具体因素决定和计算得出， 同时与其它低压补偿设备采用情况和功率因数条件，短网综合技术使用，炉变压器设计技术
参数与外网供电特点协调综合考虑确定。 有益效果
采用专利技术的新型矿热炉，就同种原料和变压器参数，采用数字化操作控制情况下，冶 炼吨电单耗会低于传统炉3-15%，增产5-30%,(不同冶炼种类和炉子有适度差异，冶炼种类 耗电越高的炉子如硅铁、硅钙，增产率会越低)，上述数据包括应用于各种大型密闭炉，但 大型密闭炉的低压补偿要保证功率因数的理想，变压器设计要科学，同时要结合采用其它脉冲给料专利的支持和数字化操作模式控制等综合技术。
采用专利发明水平断面特征的新炉设计，因变压器接近矿热炉几何中心，矿热炉二次短网 的大幅縮短，短网损耗也会大幅降低，因而实现节能运行，单耗降低。


图l:传统圆形矿热炉水平断面
图2:专利特点系列之一的圆型炉壳的理想完美型三坩埚圆环交叠炉膛水平断面。
图3:专利特征系列之一的以多段线逼近坩埚圆的情形之一，其中线段(21-22， 22-23，
23-24， 24-25， 25-26， 26-28， 28-29， 29-30)可采用其它小凸弧或凹弧弧线或多段线替代。 图4:专利特征矿热炉系列之一，炉壳为圆形的，以坩埚圆弧为圆角的三棱柱形炉膛，其
中(9)为采用增加了保护距离的坩埚圆弧半径。炉壳可以采用任何合理的与炉膛科学匹配的
等效曲线。
图5:专利特征矿热炉系列之一，炉壳为圆形的，以坩埚圆弧为圆角的三棱柱形炉膛，其
中(9)为采用增加了保护距离的坩埚圆弧半径，(61)为凸向炉心的弧取代切线段，炉壳可 以采用任何合理的与炉膛科学匹配的等效曲线。
图6:专利特征矿热炉系列之一，炉壳为圆形的，以坩埚圆弧为圆角的三棱柱形炉膛，其
中(9)为采用增加了保护距离的坩埚圆弧半径，(62)为凹向炉心的弧取代切线段，炉壳可 以采用任何合理的与炉膛科学匹配的等效曲线。
图7:专利特征矿热炉系列之一，炉壳为圆形的，以坩埚圆弧为圆角的三棱柱形炉膛中以
多段线逼近坩埚圆弧的情形之一，线段(32-33， 33-34, 34-35， 35-36, 37-38)为多段直线 段或任何多段线或小弧度曲线，线段(36-37)是切线段，可以用任何多段线或凸凹曲线段取 代。炉壳可以釆用任何合理的与炉膛科学匹配的等效曲线。
图8:专利特征矿热炉系列之一的台阶状逼近型，电极坩埚圆弧或部分圆炉壁内弧与过炉 几何中心的系列同心圆相交形成多台阶逼近的发明特征结构。其中弧(41-42)可以是部分坩 埚圆弧，也可以是一部分传统圆弧炉膛内壁弧，线段(42-43， 4-48)可以是辐(条)向线段， 可以是任何多段线或曲线，系列同心圆弧之部分弧，如弧(43-44)弧(45-46)弧(4748)， 这些弧可采用任何小直线，多段线或等效弧取代。
图9:专利特征矿热炉系列之一，为三坩埚不相交情况的特殊多腔矿热炉，炉壳为圆形， 炉腔和炉壳可采用任何多段线或曲线逼近或组合逼近。此种单腔出炉口少，但炉膛保温好。
图10:专利特征矿热炉系列之一，为三坩埚不相交情况的特殊多腔矿热炉，炉壳为圆角 三棱形情况，炉腔和炉壳可采用任何多段线或曲线逼近或组合逼近。此种单腔出炉口可1-2 个，炉膛保温较好<=图11:专利特征矿热炉系列之一，为三坩埚不相交情况的特殊多腔矿热炉，炉壳为交叠 三环形的情况，炉腔和炉壳可采用任何多段线或曲线逼近或组合逼近。此种单腔出炉口可2-5
个以上，可用于超大型矿热炉，炉膛保温适中。
图12:传统圆形炉膛，纵向柱状炉体，炉壁等厚矿热炉的纵断面图。 图13:传统圆形炉膛，纵向上粗下细的炉体和炉壳，炉壁等厚的矿热炉的断面图。 图14:专利发明特征矿热炉系列的纵断面图，炉壳外部为上大下小的情况，内壁(81) 为竖向垂直地面或不垂直地面的。其中炉膛可以上小下大，也可上大下小，炉壁可以上厚下 薄，也可上薄下厚或等厚，炉内壁和炉壳纵刨线可以是直线，曲线或任意多段线等效逼近或 排列组合逼近。
图15:专利发明特征矿热炉系列之一的纵断面图，炉壳上下等粗的柱形，内壁(83)双 曲线或凸向炉内的等效曲线或多段线的情况。其中炉膛(双曲线或等效曲线)开口可以上小下 大，也可上大下小，炉壁可以上厚下薄，也可上薄下厚或等厚，炉壳纵刨线可以是直线，曲 线或任意多段线等效逼近或排列组合逼近
图16:专利发明特征矿热炉系列之一的纵断面图，炉壳为上粗下细台形，内壁(83)为
双曲线或凸向炉内的等效曲线或多段线，其中炉膛(双曲线或等效曲线)开口可以上小下大，也可上大下小，炉壁可以上厚下薄，也可上薄下厚或等厚，炉壳纵刨线可以是直线，曲线或 任意多段线等效逼近或排列组合逼近。 附图标记说明如下
l炉膛 2炉壳3炉壁(耐火砖等复合结构)4电极5炉盖6炉底碳砖及复合结 构7炉膛中心轴线 8出炉口 9坩埚圆含预留保护尺寸的半径IO炉膛半径ll炉壳半 径21， 22， 23， 24， 25， 26， 28, 29， 30， 32， 33， 34， 35， 36， 37， 38 ， 41， 42, 43， 44, 45， 46， 47， 48水平截面内的炉壁内面各种线段的交点位置61水平断面凸向 炉心的弧 62水平断面凹向炉心的弧 81纵向断面内平行与炉膛中心轴或不平行与炉膛 中心轴炉壁内面直线，83纵向断面的炉膛内面双曲线或凸向炉内的等效曲线或多段线
具体实施例方式
l炉壳的施工与传统相似，仅炉壳巻板的结构不同，专利系列部分矿热炉炉盖可采用传统 圆型或根据专利发明炉壳水平特征形状单独设计制作。
2炉膛砌筑可采用传统耐火砖砌筑方式，仅砖型结构和尺寸与传统的不同，根据预期设计 和采用逼近方式(或改造方式)的具体炉壳和预期炉膛内部结构的逼近方式不同而异，进行 耐火砖预期设计和不同炉壁结构进行耐火砖尺寸分解厚设计，然后制作和烧制，砌筑，具体 分解方式和特型砖的尺寸要确保炉膛砌筑结构受热及形变的科学性，砌筑坚固耐用即可。
3炉膛整个的砌筑还可采用预制模具，如制作混凝土部件一样，干燥后后拆模，然后整体 从内部或结合外部采用各种方式烧制炉膛，或投料运行时自动烧结形成。
4炉底碳砖的烧制与砌筑与传统相似，仅砖形结构尺寸与形状不同，也可采用传统圆形 炉底的砌筑方法，仅在炉底砌筑完成后砌筑专利特征的炉膛耐火砖结构。
5出炉口与传统圆形炉膛一样，可位于电极下部炉底高度的炉壁处，或其它炉壁较薄处。
6多坩埚圆环不相交的独立多坩埚圆腔组成炉膛的，其实施方式与上述类似，仅炉盖和下 料管和炉气系统单独设计布置，出炉口根据所采用的外部炉壳结构和出炉轨道等特点，每腔 采用l-3个出炉口。
7电极，液压系统，环保除尘，上料布料，原料烘干破碎，自动控制及炉变压器设计可采 用传统方式，变压器和短网电气参数取值会有所不同。
8设计中所采的用几何参数，主要是指电极直径倍数的取值和相关设计公式的参数取值， 包括，电极直径，同心圆和坩埚直径的大小取值，双曲线曲度及上下部分开口大小关系，炉 膛上口与炉膛底部大小关系，包括炉膛上大下小，或上小下大的相对值的取舍，炉壁的边坡 角度或曲线弧度，要根据不同冶炼产品的品种、纯度，不同冶炼产品需要的时间，不同冶炼 的常规单耗电水平，不同冶炼造渣量，以及不同冶炼原料入炉的温度，原料导热性差异，电 极特点，设计供电负荷，冶炼品种炉温、和曲线逼近方式等诸多具体因素决定和计算得出， 同时与其它低压补偿设备采用情况和功率因数条件，短网综合技术使用，炉变压器设计技术 参数与外网供电特点协调综合考虑确定。
9低压补偿设备采用情况和功率因数达到理想指标。
IO短网综合技术的使用必须不违背科学，短网和送电高、低压回路不留短板缺陷。 11炉变压器设计技术参数与外网供电特点协调综合考虑设计。 12采用其它脉冲间歇给料专利技术和科学数字化量化操作模式。 13确保原料品质和原料质量稳定性，操作要对应原料情况做科学调整。 14矿热炉总体的及时巡检和维护，确保各设备完好率和使用率，尽量减少矿热炉热停炉 时间和次数。
权利要求
1.一种新型节能型非圆非柱炉膛的固定式系列矿热炉和电石炉，其特征是为实现矿热炉的节能和低电耗冶炼，发明专利所指系列矿热炉的整体的水平断面为非圆形的，水平断面是采用各个有效电极的坩埚圆环之不同交叠深度或坩埚圆不交叠的多个独立坩埚圆腔炉膛，及其各种不同曲线或多段线等效或近似等效逼近形成的上述等效衍生结构的矿热炉，实现矿热炉的整体水平断面为非圆形。同时炉膛过中轴的纵向结构或断面采用双曲线形、凸向炉内的弧线或等效多段线形的纵向非柱形的炉膛结构，或者不同于传统矿热炉炉壁的等厚结构而是过炉几何中心纵断面采用炉膛内壁与炉壳侧壁不同坡度的直线或不同曲度的曲线，形成矿热炉膛炉壁的顶部耐火砖厚与炉壁底部耐火砖厚度不等，以及炉膛内的上口与炉底部面积不等粗，或不同炉深处水平截面面积不等的特殊炉膛和炉体结构。权利要求矿热炉内部炉膛结构和炉壳结构具有上述水平断面特征或具有上述纵向断面特征之一，或以各种数学衍生曲线或多段线逼近专利特征的矿热炉及炉膛设计、包括专利特征矿热炉的设计、使用和旧炉的改造方案、专利炉膛的砌筑方式、特征炉底炉壁的碳砖、镁砖材料、及耐火砖的设计与生产，或其它与本发明特征有关的矿热炉配套设备的设计、生产都属于本专利权利要求。发明专利矿热炉的详细特征为该发明系列矿热炉炉膛的水平断面不是传统圆形、椭圆型或方形，而是根据有效电极的个数采用对应有效电极个数的坩埚圆环，这是本专利最典型的特征，以电极几何中心或电极面域内的一个相对位置点为圆心或以电极几何中心与矿热炉几何中心的连接直线上一点或以矿热炉同心圆面域内一点为圆心，以矿热炉同心圆半径为半径或以电极半径的1.001--19.999倍为半径的坩埚圆(具体按不同设计需要取值，采用相同或不同坩埚半径)，各坩埚圆共同相交于同心圆圆心或交叠于包含同心圆心的一个面域，或者使多坩埚圆相切或不相交，形成的以多坩埚圆公共面域中心或炉膛中心为中心的等圆周角分布(对称电极)或不等圆周角分布(非对称电极)且坩埚圆心距面域中心或炉膛几何中心(或同心圆心)等距离或不等距离的，多个坩埚圆环不同套叠深度，或不相交(此时形成多个独立多坩埚圆腔炉膛)的坩埚圆弧之不交叠部分弧所形成的多弧封闭或多个独立坩埚圆弧腔体曲线为炉膛内壁的矿热炉膛结构及采用各种数学曲线和多段线逼近上述的等效结构的矿热炉。其坩埚圆环个数与所采用有效电极个数相同，最为常用的是三相供电的三电极三坩埚圆弧炉膛，采用双电极冶炼可采用两环，采用3n(n为自然数)电极时为3n环炉膛。专利的理想完美炉型特征是以电极中心为坩埚中心，以同心圆半径为坩埚圆半径，各坩埚圆同时交于炉膛几何中心(同心圆心)，且以炉膛中心成等圆周角对称分布的各坩埚圆环之不交叠部分形成的封闭曲线炉膛。实际中使用最典型和最便于实施的两种系列方式，一是以坩埚圆的一部分为圆角的三(或多)棱柱型截面的水平断面型，棱柱断面圆弧之间的两弧相切的直线段连接部分可以采用任何凸向或凹向炉膛的弧或多段线等效取代，坩埚圆弧部分可以采用任意多段线或小台阶等多边形逼近。二是采用坩埚圆弧与过同心圆心的不同直径的系列同心圆弧与坩埚圆相交在坩埚外测形成多台阶曲线状等效逼近理想炉型特征，在电极邻近炉壁的部分坩埚圆弧，为便于施工也可采用部分传统圆形炉膛内弧替代，与在两电极之间的炉壁内侧(称死区)处采用上述台阶逼近混合实施，台阶型的跑阶和踢面采用任何数学等效曲线或任何等效多段线逼近的衍生方式均属于本专利权利范围。该专利系列矿热炉的一种特型结构是各坩埚圆不相交，整个矿热炉水平断面采用多坩埚圆环不相交的独立多坩埚圆腔组成，以炉几何中心为对称点，等圆周(理想状况时)或不等圆周分布，距几何中心等距(理想情况)或不等距，每圆腔有电极，最好电极位于腔中心，各坩埚环腔冶炼原料相互不接触，各坩埚腔的间距以耐火砖砌筑条件和炉底导电能力综合考虑，各环腔炉底为一体公用互相导通零电位或共用整体电炉底。该种特型结构利于超大型(30000-500000千瓦)矿热炉设计，或应用于采用多电极冶炼矿热炉，其每个单腔炉膛的纵向结构和断面亦可采用本发明矿热炉的纵向特征，每个单圆腔的水平断面形状可采用任何等效曲线或等效多段线逼近坩埚圆。发明专利炉型炉膛过中轴纵向结构不仅采用传统柱状或上粗下细的等炉壁厚度的圆台，而是采用双曲线或近似等效曲线或等效逼近双曲线的多段线纵向炉体，形成矿热炉不等厚的耐火墙炉膛，或者内部炉膛为柱状或上下部不等粗的台形，外部炉壳为上下不等粗的台形，从而达到实现上部和下部炉壁耐火砖的纵向不等厚度特点以及炉膛上部与炉膛底部的不同直径或面域面积的特征。该专利炉型的使用特征是指用于冶炼电石的电石炉、黄磷炉或各种合金和铁合金炉的密闭、半密闭或开放式各种炉型，权利包括该专利矿热炉和电石炉型的设计结构、使用和其它相关配套设备以及炉膛耐火材料的设计、生产、砌筑的所有专利特征相关的综合技术方案及应用。矿热炉设计中通常坩埚圆半径等于同心圆半径，有时略大于或略小于同心圆半径，同时在矿热炉设计中采用适当增加或减小部分坩埚圆、同心圆、炉膛内径等水平方向尺寸留出炉壁处距离余量做炉膛冶炼的保护尺寸预留，这种预留会影响部分断面圆或弧的交点位置但不会影响总体断面形状和结构特征，本专利所有系列矿热炉的特征形状和权利要求指包含采用保护预留距离尺寸和不含保护预留距离尺寸的两种情形。采用专利系列矿热炉上述的多种特征或多种特征逼近方法之部分，通过不同部分方法或数学逼近方法的组合，以排列组合关系实现专利目的和专利特征的任何做法都属于本权利范围。
2. 根据权利1，采用专利技术的矿热炉，包括电石冶炼炉，电石原料包括以含有白灰(氧 化钙)或碳酸钙矿或其它含钙原料等为原料，黄磷炉、硅系(包括硅铁、硅钙、硅钡、金 属硅等)炉、锰系(包括锰铁、硅锰、金属锰等)炉，铬系或者镍系、钼铁、钩铁、钛铁 等各种金属合金或金属铁合金的密闭，开放或半密闭矿热炉。其供电方式可采用直流，低 频交流，中频、高频交流矿热炉，矿热炉功率500~500000千瓦。在等离子冶炼炉，电磁 冶炼炉等新型能源矿热炉中使用该炉膛结构也在本权利范围。供电变压器可采用三相变压 器或单相变压器， 一次供电电压可采用IIKV、 35KV、 66KV、 110KV、 220-500KV等任 何电压等级。电极布置为等边对称或不等边等任何方式。电极采用预焙或自焙任何碳或者 石墨或其它任何电极。矿热炉二次供电加电装置采用铜瓦或组合把持器导电元件或其它任 何加电方式。电极形状采用方形、圆形、长方形、椭圆形等任何形状。矿热炉冶炼还原剂 为含碳的任何材料，比如，兰炭，焦炭，半焦，无烟煤，水洗煤，石油焦，或优质原煤， 优质木炭等任何碳材。
3. 根据权利要求1，只要矿热炉炉膛水平断面或纵向断面使用该专利技术特征即在权利 范围，炉外壳可采用传统圆柱形或上粗下细的圆柱台型或专利所指的多坩埚圆环交叠不交 叠型柱形，以及数学曲线或多段线逼近专利特征的任何等效方式，采用其它任何炉壳外观 形状只要炉膛内部水平断面和纵向或纵向断面结构类似或以各种数学曲线或多段线逼近 该实现专利所指炉膛结构方式都属于该权利范围。
4. 根据权利l，该专利系列矿热炉膛水平断面特征有多种便于实际实施的逼近方法，其 特征是主要是与炉膛施工的结构和方法以及与多坩埚圆弧的接近和数学曲线逼近的等效 方式不同理想型两相邻电极坩埚圆在两电极之间的炉膛内壁处(死区处)整段采用以电极心或电极面域或电极心与同心圆心连线直线或同心圆面域内某点为圆心的，以电极半径的1.001-19.999倍某值为半径，相交于同心圆心或交叠于包含同心圆心的一个面域或多坩埚 圆相外切，坩埚圆弧相交的外侧形成三环或多环形状的理想型矿热炉炉膛水平断面结构， 坩埚圆弧可采用多边形或封闭多段线等效接近。圆角三棱或多棱柱型两邻近的电极坩埚圆外测部分弧与两坩埚圆的切线直线段形成的以坩埚圆为圆角的圆角三凌或多棱柱，或坩埚圆部分弧与切线相平行的直线段相连接形 成形成坩埚圆角三凌(或圆角多棱)柱，以及其它替代该切线直线段采用凸弧或凹弧曲线内切外切或上述弧采用圆滑连接两坩埚部分圆弧逼近形成的坩埚圆角三凌或多梭柱水平 断面特征，坩埚圆弧部分可以采用任何曲线和多段线或传统圆型炉膛一部分接近。多段弧面台阶逼近型采用多坩埚交叠面域中心或同心圆心为中心，以不同取值的小 于炉膛半径的不同尺寸为半径做系列同心圆环，在两电极之间的炉膛内壁处(死区处)与 各个电极坩埚圆形成的多层台阶逼近形，台阶的辐向断面(台阶踢面)可以是辐向直线， 可以是任意斜线曲线或多段线连接实现，台阶与同心圆弧方向相切的台阶(跑阶)面可以是 可以是过炉几何中心(即同心圆心)的部分圆弧或任意曲线或多段线平滑连接实现，最终 达到与多坩埚圆环交叠的理性型或圆角三(或多)棱柱截面炉膛结构的等效逼近，所用台 阶个数为1-1000个或任意个数。在实际施工和应用中，在电极接近炉壁的外侧部分可以采 用传统圆形炉膛的部分弧取代此处的坩埚圆弧形成专利炉膛的近似等效逼近。
5. 根据权利l，该炉膛的砌筑和采用的特型保温砖及底部碳砖也是专利权利要求，采用该炉型的耐火材料生产、设计、砌筑技术亦属于权利范围。 其炉膛形状可以整体做框架挡板施工后再烘烧成型(类似混凝土浇筑)。 也可采用几个预焙烧大块耐火砖分层分部位烧制，采用其部分错位啮合的结构拼接施工。还可采用传统辐向扇面砖在不同炉体部位采用不同长度和采用保温砖内侧端面不同 结构(与逼近方式有关)进行砌筑实现，考虑砌筑强度可以采用整条不同长度扇面砖砌筑， 也可采用相邻两层炉体保温砖使用部分长砖形成纵向两耐火层面之间交错砌筑，其于采用 部分短砖砌筑，两纵向层部分贯通耐火砖的交叉砌筑以防止炉膛使用时的炉壁分层和脱 落。
6. 根据权利5要求，砌筑炉膛砖体的靠近炉膛内侧端面可采用平面，楔形斜面，梯形台 面，或任意弧形面或多面体面，砌筑后总体炉膛内测具有本专利特征或数学曲线逼近的等 效结构的砖型结构都属于该权利范围。
7. 根据权利l，传统炉子是圆柱炉膛配圆柱状炉壳，或上口略大底部细的圆台型炉壳配 内部纵向也上口略大底部细的圆台型炉膛，其炉墙上下部分为等厚度。本发明除使用上述 两种纵向结构外，过炉膛中心轴纵向截面的炉墙内壁使用双曲线或凸向炉内的圆弧形或近 似的弧形或多段线等效逼近，或非垂直地面的直线型，炉壳使用双曲线或凸向炉内的圆弧 形或近似的弧形或多段线等效逼近，或非垂直地面的直线型，采用炉膛与炉壳纵向不同的 边坡的坡度或不同曲度的弧线或等效多段线，形成炉膛底部、中部或上部不同的保温层和 炉膛纵向结构。权利要求纵向过炉膛中心轴截面的炉墙内壁为使用双曲线或近似的或凸向 炉内的圆弧形或等效逼近的多段线炉体，以及采用炉膛上下不等厚耐火砖炉壁的特殊保温 结构是本权利要求范围。
8. 根据权利要求l，该矿热炉的一种特殊结构是整个矿热炉采用多柑埚圆环不相交的独 立多坩埚圆腔组成，每圆腔有电极，各坩埚环腔冶炼原料相互不接触，各环腔炉底为公用 的导通的零电位或共用的一体导电炉底。此特殊整炉结构与单炉单电极并联冶炼的区分特 征为所有独立多坩埚圆腔底部碳砖或镁砖等其它耐热导电的炉底是互相连接的整体砌筑，各独立坩埚圆腔的炉底之间有较大电流流过，电流强度在独立多坩埚圆腔内电极电流或功率的10%以上，如各独立多坩埚圆腔炉底部采用分体砌筑，但是各坩埚腔体采用其它 导电元件直接连接(这种连接不包括通过变压器等互感式能量转换设备共同接入电力公网 供电系统)，其相邻的坩埚圆腔底部连接的导电接元件内的电流或功率超过独立多坩埚圆 腔内电极电流或功率的10%以上的，都是本专利特征和权利要求，而不是单炉单电极并联 冶炼系列矿热炉群。
全文摘要
本发明是一种全新的节能型非圆非柱炉膛的系列矿热炉及电石炉，该系列炉型是在研究多种冶炼的深层冶炼原理和多专业因素上推出的有巨大推广潜力的矿热炉型，可用于冶炼电石，黄磷、硅系、锰系、铬系、镍系、钨铁、钛铁等多种金属合金或铁合金冶炼的开放或密闭式矿热炉型综合设计技术方案，该炉型配合其它综合配套设备和数字化操作模式，可采用当前我国常规原料下大幅度降低各种冶炼的吨耗电5-15％并增加产量5-30％，可采用更低品位的原料冶炼而实现国家目前要求的各种冶炼耗电指标，并利于环保除尘设备的安全稳定运行和矿热炉无人控制冶炼技术的实施，在2.5万千瓦以上多种大型密闭矿热炉上具有巨大的发展潜力。
文档编号F27B3/08GK101639317SQ20091016814
公开日2010年2月3日 申请日期2009年8月26日 优先权日2009年8月26日
发明者涌 巴 申请人:涌 巴