一种可变直流回路铁合金矿热炉的制作方法

本发明涉及大功率矿热炉冶炼技术领域，特别涉及铁合金直流电冶炼工业的应用，具体而言涉及一种可变直流回路铁合金矿热炉。

背景技术

目前，由于竖直正负电极冶炼技术在工业应用中较少，部分相关的冶炼技术尚在摸索过程当中，但该炉型在现有的很稀少的生产线上已初见成效，节能环保优势明显，与交流电炉比具有功率因数高、短网电抗小、无集肤效应等优点，粉料适应性好，生产炉况稳定；与底电极技术直流炉相比，无底电极消耗，所以无需做定期的底电极大修工作，可保障冶炼生产的连续性。

在正负电极均垂直炉膛布置的工业铁合金冶炼直流电炉生产过程中，跟据电子轰击原理，正电极阳极区的发热量较负电极阴极区发热量大，有文献表明发热量占总电弧热量的比值为72％：28％，发热量差别较大，阳极区的温度高炉料融化快，阴极区温度低电极消耗相对较慢。矿热炉冶炼过程中冶炼电流高达100ka甚至更大，冶炼电流是电极焙烧的主要热能来源，在压放速度均等的情况下电极把持器附近焙烧相近，但由于阳极电极消耗相对较快，并且端头发热阳极更为严重，经常出现电极软硬断事故。

技术实现要素：

根据上述提出冶炼过程中电子轰击阳极效应造成的直流矿热炉正负电极焙烧性能不同步的技术问题，而提供一种可变直流回路铁合金矿热炉，本发明主要利用矿热炉的供电系统实现电极正负极性的切换，从而确保生产过程中正负电极能同步焙烧，可以有效避免或者减少断电极事故，保证生产的顺利进行。

本发明采用的技术手段如下：

一种可变直流回路铁合金矿热炉，包括：

内部伸入n对冶炼电极、用以加热熔化冶炼矿石的矿热炉本体；

与所述冶炼电极连接、分别控制切换所述冶炼电极极性的n套整流调压供电系统，各所述整流调压供电系统包括依次连接的调压整流变压器、连接铜牌与整流控制柜；

以及设置于连接导体上的、用以转换各套整流调压供电系统控制目标的冗余互备开关组，所述连接导体主要包括水冷铜管、矩形铜牌、铜牌软连接、铜棒；

所述可变直流回路铁合金矿热炉工作时，利用所述n套整流调压供电系统分别控制所述n对冶炼电极进行极性切换以实现各对冶炼电极的均等焙烧。

进一步地，所述n对冶炼电极的极性切换方式包括自动切换、固定设定切换以及手动切换。

进一步地，所述调压整流变压器包括原边u相绕组、原边v相绕组、原边w相绕组接成的三相变压器；

与所述原边u相绕组对应的、匝数相同但极性相反且连接在平衡电抗器两端的副边u相同名端绕组u和副边u相异名端绕组u'；

与所述原边v相绕组对应的、匝数相同但极性相反且连接在平衡电抗器两端的副边v相同名端绕组v和副边v相异名端绕组v'；

与所述原边w相绕组对应的、匝数相同但极性相反且连接在平衡电抗器两端的副边w相同名端绕组w和副边w相异名端绕组w'；

所述整流控制柜内设置有由分别连接于所有副边同名端绕组对应支路中的正向导通晶闸管构成的正向导通晶闸管组以及由分别并联于各所述正向导通晶闸管的反向导通晶闸管构成的反向导通晶闸管组，所述正向导通晶闸管组与反向导通晶闸管组交替轮流导通；

以及直流汇流排m和直流汇流排n；

所述三相变压器、副边u相同名端绕组u和副边u相异名端绕组u'、副边v相同名端绕组v和副边v相异名端绕组v'、w相同名端绕组w和副边w相异名端绕组w'、正向导通晶闸管组、反向导通晶闸管组、两个星型中性点之间接入的平衡电抗器以及直流汇流排m和直流汇流排n构成一组带平衡电抗器的双反星型调压整流电路。

进一步地，所述整流控制柜还包括控制正向导通晶闸管组与反向导通晶闸管组不同时导通的plc系统以及控制正向导通晶闸管组与反向导通晶闸管组导通时间的晶闸管脉冲分配器。

进一步地，所述冗余互备开关组包括设置于各所述整流调压供电系统与各所述冶炼电极通路上的直流刀开关，通过各所述直流刀开关的配合使用实现整流调压供电系统对冶炼电极组的一对一控制。

本发明还提供了一种基于上述可变直流回路铁合金矿热炉的使用方法，通过冶炼电极的极性切换实现各对冶炼电极的均等焙烧。

进一步地，通过调压整流变压器实现对电极冶炼电压的粗调。

进一步地，通过正向导通晶闸管组与反向导通晶闸管组实现对电极冶炼电压的微调，且导通角不大于10°。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的可变直流回路铁合金矿热炉，通过切换冶炼电极极性实现了电极的同步焙烧，从而有效避免或者减少断电极事故，保证生产的顺利进行。

2、本发明使用的大功率投切开关为多个并联的晶闸管组，可实现大功率负荷的带载无扰动切换，电极极性切换初期通过晶闸管脉冲分配器控制晶闸管的导通角，使负荷逐渐稳步上升最终达到生产要求的目标值，实现了带载无扰动电极极性切换。

3、本发明在实际生产过程中，通过脉冲分配器控制调节晶闸管的导通角，使电极工作电流维持在最佳的恒定范围内，减少负载波动，则冶炼直流电弧稳定性好，产品质量有可靠保证。

基于上述理由本发明可在直流矿热炉冶炼领域广泛推广。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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本发明实施例中可变直流回路4电极矿热炉平面图。

图2本发明实施例中可变直流回路4电极矿热炉立面图。

图3本发明实施例中可变直流回路矿热炉供电原理图。

图4本发明实施例中可变直流回路6电极矩形矿热炉平面布置图。

图5本发明实施例中可变直流回路6电极圆形矿热炉平面布置图。

图6本发明实施例中可变直流回路6电极超大功率矩形矿热炉平面布置图。

图7本发明实施例中可变直流回路8电极矩形矿热炉平面布置图。

图8本发明实施例中可变直流回路10电极矩形矿热炉平面布置图。

图中：1、矿热炉本体；2、连接导体；3、冶炼电极a1；4、冶炼电极a2；5、冶炼电极b1；6、冶炼电极b2；7、调压整流变压器；8、连接铜牌；9、整流控制柜；10、整流调压供电系统；11、直流刀开关s11；12、直流刀开关s12；13、直流刀开关s21；14、直流刀开关s22；15、三相变压器；16、原边u相绕组；17、原边v相绕组；18、原边w相绕组；19、平衡电抗器；20、负载；21、副边u相同名端绕组u；22、副边w相异名端绕组w'；23、副边v相同名端绕组v；24、副边u相异名端绕组u'；25、副边w相同名端绕组w；26、副边v相异名端绕组v'；27、正向导通晶闸管组；28、反向导通晶闸管组；29、直流汇流排m；30、直流汇流排n。

具体实施方式

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供了一种可变直流回路铁合金矿热炉，包括：

a.内部伸入n对冶炼电极、用以加热熔化冶炼矿石的矿热炉本体。

b.与所述冶炼电极连接、分别控制切换所述冶炼电极极性的n套整流调压供电系统，各所述整流调压供电系统包括依次连接的调压整流变压器、连接铜牌与整流控制柜。所述调压整流变压器包括由原边u相绕组、原边v相绕组、原边w相绕组接成的三相变压器。还包括：与所述原边u相绕组对应的、匝数相同但极性相反且连接在平衡电抗器两端的副边u相同名端绕组u和副边u相异名端绕组u’；与所述原边v相绕组对应的、匝数相同但极性相反且连接在平衡电抗器两端的副边v相同名端绕组v和副边v相异名端绕组v’；与所述原边w相绕组对应的、匝数相同但极性相反且连接在平衡电抗器两端的副边w相同名端绕组w和副边w相异名端绕组w’；所述整流控制柜内还设置有由分别连接于所有副边同名端绕组对应支路中的正向导通晶闸管构成的正向导通晶闸管组以及由分别并联于各所述正向导通晶闸管的反向导通晶闸管构成的反向导通晶闸管组，所述正向导通晶闸管组与反向导通晶闸管组交替轮流导通；以及直流汇流排m和直流汇流排n。所述三相变压器、副边u相同名端绕组u和副边u相异名端绕组u'、副边v相同名端绕组v和副边v相异名端绕组v'、w相同名端绕组w和副边w相异名端绕组w'、正向导通晶闸管组、反向导通晶闸管组、两个星型中性点之间接入的平衡电抗器以及直流汇流排m和直流汇流排n构成一组带平衡电抗器的双反星型调压整流电路。进一步地，所述整流控制柜还包括控制正向导通晶闸管组与反向导通晶闸管组不同时导通的plc系统以及控制正向导通晶闸管组与反向导通晶闸管组导通时间的晶闸管脉冲分配器。

c.设置于连接导体上的、用以转换各套整流调压供电系统控制目标的冗余互备开关组，所述连接导体主要包括水冷铜管、矩形铜牌、铜牌软连接、铜棒。进一步地，所述冗余互备开关组包括设置于各所述整流调压供电系统与各所述冶炼电极通路上的直流刀开关，通过各所述直流刀开关的配合使用实现整流调压供电系统对冶炼电极组的一对一控制。

本发明还提供了一种基于上述可变直流回路铁合金矿热炉的使用方法，通过冶炼电极的极性切换实现各对冶炼电极的均等焙烧。且在生产过程中，调压整流变压器实现对电极冶炼电压的粗调；正向导通晶闸管组与反向导通晶闸管组实现对电极冶炼电压的微调，导通角不大于10°。

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步阐述：

实施例1

本发明提供的的可变直流回路铁合金矿热炉，基于标准的带平衡电抗器的双反星型整流电路设计，其连接方式如图1-2所示，该矿热炉主要由矿热炉本体(1)、连接导体(2)、冶炼电极a1(3)、冶炼电极a2(4)、冶炼电极b1(5)、冶炼电极b2(6)、整流调压供电系统(10)、直流刀开关s11(11)、直流刀开关s12(12)、直流刀开关s21(13)、直流刀开关s22(14)所组成。其中，连接导体(2)主要由水冷铜管、矩形铜牌、铜牌软连接、铜棒组成。整流调压供电系统(10)由调压整流变压器(7)、连接铜牌(8)、整流控制柜(9)构成。

如图3所示，整流调压供电系统(10)详细供电原理图，该系统由三相变压器(15)、原边u相绕组(16)、原边v相绕组(17)、原边w相绕组(18)、平衡电抗器(19)、负载(20)、副边u相同名端绕组u(21)、副边w相异名端绕组w'(22)、副边v相同名端绕组v(23)、副边u相异名端绕组u'(24)、副边w相同名端绕组w(25)、副边v相异名端绕组v'(26)、正向导通晶闸管(27)、反向导通晶闸管(28)、直流汇流排m(29)、直流汇流排n(30)等组成。

具体地，按照电力电子变流技术理论，标准的带平衡电抗器的双反星型整流电路为图3中去除由反向导通晶闸管(28)组成的反向导通晶闸管组以后，剩余其他电气元件所组成的供电系统回路。其中，副边u相同名端绕组u(21)和副边u相异名端绕组u'(24)极性相反用以消除原边u相绕组(16)铁芯的直流磁化，同理原边v相绕组(17)、原边w相绕组(18)对应的铁芯线圈绕法与之相同。

基于上述标准的整流电路，本发明进行了进一步的开发设计，在变压器所有的副边同名端绕组对应的支路中与正向导通晶闸管并联反向导通晶闸管，如图3所示，形成正向导通晶闸管组和反向导通晶闸管组。实际工作过程中，正向导通晶闸管组和反向导通晶闸管组受控于plc系统和晶闸管脉冲分配器(未在图中示出：该元件布置在整流控制柜内)，两组晶闸管组在任何时刻都只有一组在运行，plc系统控制确保两晶闸管组不同时工作。当正向导通晶闸管组投入工作时，直流汇流排m(29)表现为正极性，直流汇流排n(30)表现为负极性；当反向导通晶闸管组(28)投入工作时，直流汇流排m(29)表现为负极性，直流汇流排n(30)表现为正极性。无论正向导通晶闸管组还是反向导通晶闸管组投入工作，变压器的副边绕组和晶闸管投入工作和导通顺序均为：副边u相同名端绕组u(21)→副边w相异名端绕组w’(22)→副边v相同名端绕组v(23)→副边u相异名端绕组u’(24)→副边w相同名端绕组w(25)→副边v相异名端绕组v’(26)，按周期不断循环投入导通工作。

通过控制正向导通晶闸管组和反向导通晶闸管组按不同的时间间隔进行使用上的切换，可实现直流汇流排m(29)和直流汇流排n(30)的极性互换，进而实现对冶炼电极a1(3)和冶炼电极a2(4)的正负极性互换，其中直流汇流排与冶炼电极通过铜质接触元件或者铜瓦连接。同理也能实现冶炼电极b1(5)和冶炼电极b2(6)的极性互换。上述极性切换功能有自动、固定设定、手动三种方式可供选择，其中自动方式是根据电极能量消耗量累计定量进行自动切换、固定设定方式为根据实际生产经验设定的固定时间间隔到时切换、手动方式为操作员人工操作按钮进行切换。

本实施例中所述矿热炉加热方案中，使用的大功率投切开关为多个并联的晶闸管组，可实现大功率负荷的带载无扰动切换，电极极性切换初期通过晶闸管脉冲分配器控制晶闸管的导通角，使负荷逐渐稳步上升最终达到生产要求的目标值，如此则实现了带载无扰动电极极性切换。在实际生产过程中，通过脉冲分配器控制调节晶闸管的导通角，使电极工作电流维持在最佳的恒定范围内，减少负载波动，则冶炼直流电弧稳定性好，产品质量有可靠保证。

此外，在大功率电流铁合金冶炼行业中，由于冶炼电流巨大，所以每个支路回路的功率管都要有多支并联才能实现大电流供电，但功率管的均流控制是个不小的问题。如功率器件选用的是二极管，则多配套使用均流仪，串联均流电抗器、电阻、互感器等办法来解决各支路间电流分配不均问题，以达到提高电流均衡度的目的。由于本方案选用的是晶闸管功率器件，通过脉冲分配器调节导通角可实现每支晶闸管的均流控制，无需再配套使用均流仪等相关设备，进而节省柜内布置空间，提高控制性能。

作为本发明较佳的实施方案，本实施例中可变直流回路铁合金矿热炉供电系统使冶炼电极a1(3)、冶炼电极a2(4)和冶炼电极b1(5)、冶炼电极b2(6)具有冗余互备功能，通过直流刀开关s11(11)、直流刀开关s12(12)、直流刀开关s21(13)、直流刀开关s22(14)投切实现。正常工作时，两套整流调压供电系统(10)均投入工作，直流刀开关s11(11)与直流刀开关s21(13)闭合，直流刀开关s12(12)与直流刀开关s22(14)断开；或者直流刀开关s12(12)与直流刀开关s22(14)闭合，直流刀开关s11(11)与直流刀开关s21(13)断开。考虑到现场设备维护，在任何时刻只要有任何一组整流调压供电系统(10)投入工作即可使任意一组电极投入工作，保持炉内炉温不降低太多，同时保持冶炼电极温度处于正常温度范围之内。

作为本发明较佳的实施方式，本实施例中，调压整流变压器(7)选用输出电压可调节的多档位有载开关调压变压器，可实现对三相变压器(15)输入电压的调节。通过调压整流变压器(7)实现对电极冶炼电压的粗调；通过正向导通晶闸管组或者反向导通晶闸管组实现对电极冶炼电压的微调，我们将晶闸管的导通角限制在10°以内，用以实现微调的同时系统产生的无功分量和谐波含量都较小，保证对上级电网供电系统的影响在可接受范围内，满足电网的供电要求。

实施例2

实施例1以4电极圆形炉为样板，设计了矿热炉结构，如图4-8所示，(在实施例1的基础上，)本发明还提供了几种同样适用于本发明的其他形式的电极分布方式。图4为可变直流回路6电极矩形矿热炉平面布置图、图5为可变直流回路6电极圆形矿热炉平面布置图、图6可变直流回路6电极超大功率矩形矿热炉平面布置图、图7可变直流回路8电极矩形矿热炉平面布置图、图8为可变直流回路10电极矩形矿热炉平面布置图。上述电极布置方式均遵循任意电极周围全是反极性的冶炼电极的分布规律。采用上述布置方式或者在此基础上衍生的炉型及设计理念均应涵盖在本专利的保护范围之内。

本专利涉及的技术内容可以直接应用到申请人承接的贵州金源硅锰直流炉项目、宁夏三和硅铁矿热炉项目、兴义中联硅锰直流炉项目。可以解决直流炉正负电极焙烧不同步的技术屏障。与冶炼工艺上正电极加粗、生产使用石墨电极等机械设备的改进相比，无论从设备投资还是从长期冶炼生产成本上来讲，都具有极大的成本优势。另外，拥有自主知识产权的独有技术可大大提升总承包的竞争优势。

另外，本发明基于标准的带平衡电抗器的双反星型整流电路供电系统，在此基础上开发性能更加完善的铁合金矿热炉，此种设计理念同时适用于双反星型整流并联回路，及其繁衍的电气供电系统，均应包含在本专利的保护范围之内。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。