專利名稱：優(yōu)化潛弧電爐工作性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種優(yōu)化用于生產(chǎn)熔融金屬的潛弧電爐工作性能的方法。
背景技術(shù)：
人們已經(jīng)知道如何利用潛弧電爐(SAFs)通過對已經(jīng)過部分預(yù)還原的礦石爐料還原(特別是利用焦炭作為還原劑)和熔煉來生產(chǎn)鐵合金(Fe-Mn，F(xiàn)e-Cr等)和生鐵。人們還已經(jīng)知道如何使用這樣的SAFs對殘余金屬產(chǎn)品(特別是以微粒、顆?；蛲枇５男问窖b爐的金屬粉料)進行還原和熔煉。一般地，在這些SAFs中所用的還原和熔煉方法的特征在于產(chǎn)生大量熔渣；熔渣量通常與金屬量相當，甚至會大于金屬量。因此金屬熔體會被一層相當厚(厚度大約為0.4米至1.5米)的熔融熔渣覆蓋，這表示在面積為一平方米的熔體上覆蓋有重量達到1噸至3.75噸的熔渣。SAF的電極位于該爐的中央?yún)^(qū)域中，而爐料被裝入到周圍區(qū)域中，即在具有電極的中央?yún)^(qū)域和爐壁之間的區(qū)域。
在SAF中，熔煉金屬產(chǎn)品所需的熱能是由穿透熔融熔渣的電流傳導產(chǎn)生的。因此，在電極和金屬熔體之間并沒有產(chǎn)生實際的等離子弧(或自由弧)。因此，在SAF中，每平方米熔爐表面積所產(chǎn)生的電功率僅為0.2MW至0.5MW，與在自由弧電爐中每平方米熔爐表面積產(chǎn)生大約2MW的電功率相比，SAF所產(chǎn)生的功率是很低的。由于對鐵合金或殘余金屬產(chǎn)品的進行還原和熔爐所需的能量卻很高，因此目前人們希望能夠大大地提高SAF的生產(chǎn)率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提高SAF的生產(chǎn)率。根據(jù)本發(fā)明，利用如權(quán)利要求1所述的方法能夠達到本發(fā)明的目的。
本發(fā)明所涉及的方法能夠優(yōu)化用于生產(chǎn)熔融金屬的潛弧電爐工作性能。這種電爐設(shè)有至少一個電極并且裝有金屬熔體，金屬熔體上覆蓋有一層厚的熔融熔渣，單位面積的熔融熔渣質(zhì)量至少為1噸/平方米。根據(jù)本發(fā)明的一個重要方面，使熔渣局部地浮在電極周圍以在電極周圍形成一種局部泡沫礦渣(foaming slag)層，在所述局部泡沫礦渣層中的熔渣密度至少比在爐內(nèi)其它區(qū)域中的熔渣密度低50％。如果該爐具有幾個電極，那么最好使熔渣局部地浮在爐內(nèi)所有電極周圍。
本發(fā)明所涉及的方法能夠使裝有大量熔融熔渣的潛弧電爐的工作性能得到優(yōu)化，特別是能夠提高其生產(chǎn)率。形成一種局部泡沫礦渣層實際上改變了電能通過熔體的方式。穿透電阻性熔融熔渣的電流傳導至少部分地被形成在一種氣態(tài)介質(zhì)中的“等離子體”電弧代替，即使在這種氣態(tài)介質(zhì)也包括一定比例的熔融熔渣的情況下也是如此。利用這種方式能夠提高電弧的性能，即電弧電壓和電弧長度。在等離子體模式下的浸沒在泡沫礦渣中的電場至少比在電阻性模式下(在熔融熔渣中傳導)的大2至4倍。因此，能夠大大地提高SAF的功率。由于功率較高，因此能夠減少熔煉時間，從而提高生產(chǎn)率。此外，在泡沫礦渣中生產(chǎn)熔融金屬時所出現(xiàn)的情況沒有在熔融熔渣中生產(chǎn)熔融金屬時所出現(xiàn)的情況那么劇烈。這是一個或多個電極在局部泡沫礦渣層中的消耗較低的原因。
電爐可裝有金屬熔體，金屬熔體上覆蓋有一層厚的熔融熔渣，熔融熔渣厚度在0.4米至1.5米之間。包圍電極的局部泡沫礦渣層至少包括50％的氣體，最好至少包括80％的氣體。
最好通過將至少一種含碳燃料和/或至少一種氧化劑加入到所述熔渣層和/或熔融金屬熔體中或加入所述熔渣層和/或熔融金屬熔體上來形成所述局部泡沫礦渣層。含碳燃料與熔融金屬熔體中所含有的氧反應(yīng)形成CO，CO使熔渣成泡沫。另外，含碳燃料的燃燒提供能量，所提供的能量接著被添加到由于通電而產(chǎn)生的熱能中以用于還原和熔煉。通過將含氧的氣體噴射到熔渣層的上三分之一部分中可以達到CO后燃的效果，即，一種也有助于熱能提供的反應(yīng)。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，電爐包括至少三個位于電爐中央?yún)^(qū)域中的電極。接著在三個電極之間形成局部泡沫礦渣層。換言之，所述局部泡沫礦渣層包圍每一個電極并且在處于電爐中央的電極之間延伸。
最好主要在電爐的中央?yún)^(qū)域添加原料。
根據(jù)第一實施例，以微粒的形式將原料注入到熔渣的下部中和/或熔融金屬熔體中。例如可利用這種方法注入經(jīng)過預(yù)還原的鐵礦石微粒。
根據(jù)第二實施例，以丸?；驂K料的形式添加原料。這樣例如可通過使不能被注入的原料凝聚成具有足夠高的密度以致于能夠穿透熔渣層的丸粒或塊料而將這樣的原料引入到電爐中。


從下面參照附圖對作為一個說明性示例的優(yōu)選實施例的詳細描述中可以清楚地看出本發(fā)明的其它特征和特點。在附圖中圖1是表示一個用于實施本發(fā)明所涉及方法的潛弧電爐的一個截面圖。
具體實施例方式
圖1是表示一種潛弧電爐(SAF潛弧電爐)10的一個截面圖。熔融金屬熔體12被容納在爐膛14中。厚熔融熔渣層16位于金屬熔體上方。該熔融熔渣層所達到的厚度超過1.5米。這表示在面積為一平方米的金屬熔體上覆蓋有重量達到1噸至3.75噸的熔渣。幾個電極18位于電爐的中央?yún)^(qū)域，圖1中示出了其中的兩個。這些電極的底端位于在爐膛14中的熔渣正常高度平面的下方。
應(yīng)該理解的是，在電極18周圍的熔融熔渣層16是泡沫的以形成一種局部泡沫礦渣層20，所述局部泡沫礦渣層20中的熔渣密度至少比在電爐內(nèi)其它區(qū)域中的熔渣密度低50％。當電爐具有三個電極時，通常以三角形的布置方式設(shè)置在電爐的中央?yún)^(qū)域。接著形成局部泡沫礦渣層以使其在三個電極之間延伸并且包圍每一個電極。局部泡沫礦渣層改變了電流穿透熔體和熔渣的方式。應(yīng)該注意的是，在該實施例中電極是以三角形的形式布置的，但是也可以直線的形式布置的。另外，電爐也可具有三個以上的電極。
當電極被熔融熔渣包圍時，通過導電來提供電能。通過在電極周圍形成局部泡沫礦渣層，能夠在一種類似氣態(tài)介質(zhì)中形成“等離子體”電弧，這種“等離子體”電弧能夠提高電弧性能。在電阻性模式下(穿透熔融熔渣進行傳導)為0.1V/mm的電場在局部泡沫礦渣層中在等離子體電弧的模式下可增大到0.5V/mm。
應(yīng)該指出的是，本發(fā)明所涉及的方法最適于利用能夠產(chǎn)生大量熔渣的原料(諸如被預(yù)還原到一定程度的鐵礦石和殘余金屬產(chǎn)品)生產(chǎn)熔融金屬。甚至對于厚度高達1.5米的熔融熔渣層，也能夠使熔渣局部地浮在電極區(qū)域中。這樣，能夠?qū)Ξa(chǎn)生泡沫礦渣的環(huán)境進行優(yōu)化并且沒有溢流的危險。
為了能夠形成局部泡沫礦渣層，例如可將碳和氧加入到熔渣的底層和/或熔融金屬熔體中。例如在圖1中示出了正在將一股含有固體碳的粉狀材料流注入到熔渣層16的下三分之一部分中的噴管22。單位時間內(nèi)流過噴管22的含有固體碳的粉狀材料的流量在10千克/分鐘至30千克/分鐘之間，單位面積的流速保持在0.5千克/分鐘，平方米至5千克/分鐘.平方米之間。還可利用噴管24將第一股氧流噴射到熔渣層16的下三分之一部分中。氧的流量最好與碳的流量成正比，保持的比率在1立方米/千克至2立方米/千克之間。第一股氧流可根據(jù)下列的反應(yīng)式產(chǎn)生CO，這些反應(yīng)式如下以及，接著為可將第二股氧流噴射到熔渣層16上三分之一部分中(未示出)以使CO燃燒
CO的后燃比C到CO的燃燒釋放了更多的能量。
應(yīng)該注意的是，可根據(jù)在原料(需要還原和熔煉的金屬產(chǎn)品)中所含的還原性氧化物的量來調(diào)節(jié)被噴射的氧的量。如果原料中含有大量的氧化物(例如FeO或NiO)，那么可減少用于產(chǎn)生泡沫礦渣而被噴射的氧的量，甚至取消噴射氧的步驟。
應(yīng)該清楚的是，用于產(chǎn)生泡沫礦渣而添加的碳必須是被注入的，另外必須對爐料進行還原以及對金屬進行脫碳。
因此可根據(jù)引入到以及包含在熔體12中的氧和碳的量改變氣體在泡沫礦渣層20中的比例。應(yīng)該注意的是，確保所形成的泡沫礦渣層20至少含有50％的氣體，最好至少含有80％的氣體。
附圖標記25和26分別代表的是設(shè)置在爐10的頂部28中的用于引入原料的外圍開口和中央開口。
采用微?；蝾w粒形式的原料最好被注入到熔渣的底層中和/或在熔體和熔渣之間的界面處被注入(未示出)。
不能被注入的原料凝聚成塊料或丸粒的形式并且最好通過中央開口26被引入。塊料或丸?？杀恢瞥蛇@樣的形式，即，使它們的質(zhì)量能夠讓它們穿透熔渣層并且使它們易于破碎。
在圖1中，箭頭30表示通過外圍開口25和中央開口26將丸粒32引入到爐10中。
利用具體數(shù)據(jù)進行說明的理論性示例目前的熔爐直徑為3.5米(熔爐的表面積約為10平方米)的SAF所產(chǎn)生的功率為3MW。對1噸的爐料進行還原和熔爐需要1500kWh的能量。當該SAF以常規(guī)的方式工作時(即，電極周圍具有熔融的熔渣)，電-熱能量效率約為0.7，并且“原始”的生產(chǎn)率(不包括澆注時間和停工時間)為3000(kW)×0.7/1500(kWh/t)≈1.4t/h在電極附近以10千克/分鐘的形式注入碳，并且在能含量為9kWh/kg時，輸入功率為10×9×60＝5400kW在利用碳以40％的能量效率轉(zhuǎn)換能量時，生產(chǎn)率增加到((3000×0.7)+(5400×0.4))/1500≈2.8t/h此外，在電極附近釋放CO形成包圍電極的局部泡沫礦渣層，從而促使等離子弧形成。通過提高對電極的供電(在最大電流相同的情況下，對變壓器進行調(diào)節(jié))，可使電弧電壓加倍。這樣，所產(chǎn)生的電功率變?yōu)?MW。假設(shè)，對于第一近似值，在不改變電-熱能量效率的情況下，電爐的生產(chǎn)率可能會增加到((6000×0.7)+(5400×0.4))/1500≈4.2t/h對各種消耗進行計算能夠獲得一些關(guān)于這種方法的有效性的想法。對于氧的需求量，大約采用每千克碳1.5立方米氧的比例。
在常規(guī)的工作中，消耗為3000/1.4＝2143kWh/t考慮到由含有固體碳的粉狀材料所提供的能量，消耗為
-電能3000/2.8＝1071kWh-碳(10×60)/2.8＝214kg/t-氧214×1.5＝321m3/t當利用由含有固體碳的粉狀材料所提供的能量和等離子弧進行工作時，消耗為-電能6000/4.2＝1428kWh-碳(10×60)/4.2＝143kg/t-氧143×1.5＝214m3/t從這些計算結(jié)果中可以看出，1千克的碳和1.5立方米的氧轉(zhuǎn)換為5kWh的電功率。這種能量轉(zhuǎn)換幾乎不會增加任何額外的操作成本。但是，生產(chǎn)率的提高(從1.4至4.2t/h)可以證明這種方法是非常有效的。
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化用于生產(chǎn)熔融金屬的潛弧電爐(10)工作性能的方法，這種電爐設(shè)有至少一個電極(18)并且裝有金屬熔體(12)，金屬熔體上覆蓋有一層厚的熔融熔渣(16)，單位面積的熔融熔渣質(zhì)量至少為1噸/平方米，其特征在于，使所述熔渣層局部地在至少一個電極(18)周圍泡沫化以在電極(18)周圍形成一種局部泡沫礦渣層(20)，在所述局部泡沫礦渣層中的熔渣密度至少比在爐(10)內(nèi)其它區(qū)域中的熔渣密度低50％。
2.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電爐(10)裝有金屬熔體(12)，金屬熔體上覆蓋有一層厚的熔融熔渣(16)，熔融熔渣厚度在0.4米至1.5米之間。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述局部泡沫礦渣層(20)至少包括50％的氣體，最好至少包括80％的氣體。
4.一種如權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，通過將至少一種含碳燃料和/或至少一種氧化劑加入到所述渣層和/或熔融金屬熔體中或加入所述渣層和/或熔融金屬熔體上來形成所述局部泡沫礦渣層(20)。
5.一種如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，一種含有固體碳的粉狀材料被注入到所述熔渣層的下三分之一部分中。
6.一種如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，一種含氧的氣體被噴射到所述熔渣層的上三分之一部分中。
7.一種如上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述電爐(10)包括至少三個位于電爐中央?yún)^(qū)域中的電極(18)并且在三個電極(18)之間形成所述局部泡沫礦渣層(20)。
8.一種如上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，主要在電爐(10)的中央?yún)^(qū)域添加原料。
9.一種如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，以微粒的形式將原料注入到渣層的下部中和/或熔融金屬熔體中。
10.一種如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，以丸粒(32)或塊料的形式添加原料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種優(yōu)化用于生產(chǎn)熔融金屬的潛弧電爐(10)工作性能的方法。這種電爐設(shè)有至少一個電極(18)并且裝有金屬熔體(12),金屬熔體上覆蓋有一層厚的熔融熔渣(16),單位面積的熔融熔渣質(zhì)量至少為1噸/平方米。使所述熔渣層局部地浮在至少一個電極(18)周圍以在電極(18)周圍形成一種局部泡沫礦渣層(20),在所述局部泡沫礦渣層中的熔渣密度至少比在爐(10)內(nèi)其它區(qū)域中的熔渣密度低50%。
文檔編號C21C5/54GK1357054SQ00809125
公開日2002年7月3日 申請日期2000年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月25日
發(fā)明者讓-盧克·羅思 申請人:保爾·沃特公司