电弧炉内的熔化方法及相应的设备

摘要

一种熔化方法，所述熔化方法包括将固态金属材料(M)装载到一电炉(11)中的步骤、在至少一电极(13)与所述金属材料(M)之间产生一电弧的步骤、将所述金属材料进行穿孔的步骤，在这期间，所述电极(13)穿过所述金属材料(M)、熔化所述固态金属材料(M)以获得一已熔化材料的步骤、通过添加反应化合物来精炼所述已熔化材料的步骤，以及其中至少在所述步骤其中一个期间设置成调节所述电弧的电参数。

说明书

技术领域

本发明涉及电弧炉中的熔化方法及相应的熔化设备。

特别地，本发明应用在用于熔化金属材料的电炉领域。

本发明的优选实施例尽管是非限制性的，但意在用于三相电弧炉。

背景技术

一种电弧炉的熔化循环通常提供以下操作步骤：

通过从上方卸下的料篮(basket)或通过装有废钢及/或直接还原铁(DRI)的连续装载运输设备将金属材料(通常是废钢)装入炉中；

产生电弧，在此期间，电极朝着金属材料下降，直到它们触发在电极的端部与待熔化的材料之间所产生的熔化电弧；

利用所产生的电弧在金属材料层上进行穿孔，在此期间，开始废钢的实际熔化使它们完全熔解；

形成已熔化金属浴池(molten metal bath)；

通过添加化学成分来精炼已熔化材料以调节浴池的温度以及钢的碳含量及/或定义钢的期望合成物；

在可能的去渣之后，将电炉中存在的已熔化材料取出。

装载、电弧产生及穿孔操作可以在单个熔化循环期间重复进行多次。例如，在炉中的金属材料的第一装填及装填物的熔化之后，可以在进行已熔化材料的精炼之前进行另一金属材料的装填以及其随后的熔化。

在连续装填熔化过程中，上述熔化循环是不同的，并且通常可将第一个料篮装载入炉中，随后进行熔化以产生足够的液体后跟水平(liquid heel level)，并随后将要熔化的材料连续引入以达到要被取出的期望数量。

在穿孔步骤期间，电极之间的电弧及金属材料的装填具有非常不稳定的行为，随着熔化的进行逐渐改善。同时，这引起所吸收的功率的意外与突然变化，这也对主电源网络产生负面影响，可能损坏通过电源网络供电的用户设备。

实际上，在穿孔与熔化期间，所收集的且尚未熔化的废钢会在电极上坍塌，从而产生短路状态，这反应到显着降低可用于熔化操作的有功功率及迅速增加主电网所吸收的电流。

也就是说，随着熔化的进行，当电弧被固体材料或泡沫液体(炉渣)适当地屏蔽时，电弧的行为变得越来越稳定，从而以这种方式增加了电弧的长度，因此也增加传递到待熔化材料的热功率。电压与电弧长度根据熔化过程进行调节以防止耐火材料过度磨损。

因此，考虑到电弧在熔化过程中的行为，在现有技术中已知的是至少在穿孔及熔化步骤期间保持高电流值，以确保没有中断或关闭电弧，例如由于废钢坍塌到已熔化浴池中。然而，电弧的平均电流值设置为低于其最大阈值，以防止可能的电弧突然峰值以某种方式损坏熔化设备的电子部件。

随后，在精炼步骤期间，已知将电弧的电流值减小例如10％到30％之间，以防止由于高温电极以及炉子的耐火炉衬过度磨损。由于可能发生的电流浪涌，电极本身可能引起上述高温。

为了补偿电流的减少，这也导致供应给熔化浴池的热能的减少，已知添加大量的化合物以产生吸热反应并且产生足够厚的炉渣层，例如确保覆盖已熔化液体浴池。

实际上，除了保护已熔化浴池不被氧化之外，炉渣层还充当防止已熔化浴池的热量散发的保护罩。

此外，电流强度的降低导致更长的熔化循环的持续时间，即更长的通电时间，高生产成本。

JP 2282413描述了一种控制供应到电弧炉的电力的系统，其中所述系统设置为在过程期间改善功率因数以提高设备的效率，所述系统具有直接连接到主电源网络的电源。文献中描述的解决方案能够在熔化过程中改变电流值，但是为了不过度地使系统失衡，其连续地需要使用过电流放电系统以维持电参数的平衡。

本发明的一个目的是完善电弧炉中的熔化方法，所述方法增加了熔化过程的效率。

本发明的另一个目的是完善电弧炉中的熔化方法，所述方法允许减少每个熔化循环的时间。

本发明的另一个目的是完善一种熔化方法，所述方法允许增加电极的持续时间及炉子的耐火衬里。

本发明的另一个目的是完善一种熔化方法，所述方法允许控制与添加用于生成炉渣的化合物有关的成本。

本发明的另一个目的是提供一种简单且经济的熔化设备。

本发明的另一个目的是提供一种有效并且减少每个熔化循环的时间的熔化设备。

申请人已经设计、测试及实施了本发明，以克服现有技术的缺点并且获得这些以及其他目的与优点。

发明内容

在独立权利要求中阐述及表征了本发明，然而从属权利要求描述了本发明的其他特征或主要发明思想的变型。

根据上述目的，根据本发明的一种熔化方法包括：

将固态金属材料装载到一电炉中的步骤；

在至少一电极与所述金属材料之间产生一电弧的步骤；

将所述金属材料进行穿孔的步骤，在这期间，所述电极穿过所述金属材料；

熔化所述固态金属材料以获得一已熔化材料的步骤，所述熔化步骤使所述电弧的一电力电流随时间实质上恒定在一第一电流值；

通过添加反应化合物来精炼所述已熔化材料的步骤。

根据本发明的一个方面，在精炼步骤期间设置成将所述电弧的所述电力电流增加一第二电流值，所述第二电流值介于所述第一电流值的1.04倍与1.2倍之间。

以这种方式，在电炉的类型及所涉及的电源相对于现有技术保持相同的情况下，所述电弧的电源电流的增加导致所述电弧的电源电压的同时降低。

所述电弧的所述电源电压通过经验关系由申请人来完善直接与所述电弧的长度相关，Larc＝Varc-35mm。由此可以得出，所述电弧电压的降低也导致所述电弧的长度的同时降低。所述电弧的长度的减小可以通过调节所述电极在所述电炉中的位置来实现。

为了保护所述电弧本身，所述电弧的长度的减小允许减小在已熔化金属上方产生的炉渣的厚度。这允许使用较少的化学反应化合物来产生所述炉渣，例如仅以石灰、煤、氧气为例，从而降低了精炼成本。

此外，具有已熔化金属的较少量的炉渣及化学反应化合物还允许相对于装载到所述炉子中的熔化物获得更高产量的被取出的已熔化材料。申请人还发现，本发明允许缩短熔化循环时间。

在所述精炼步骤期间，由于过程的稳定性，所述电力电流随着时间相当稳定，并且很少突然增加或减少。在精炼金属的步骤中电流的增加允许利用其稳定性而不会导致所述电极的更大消耗率。

此外，对于本发明，给定与现有技术中所使用的炉子相同的炉子，还可能增加在所述精炼步骤中供应给所述电极的电力，从而减少了熔化循环的时间。

本发明的实施例还涉及一种熔化设备，所述熔化设备包括：一电弧炉及一命令与控制单元，金属材料引入所述电弧炉中，并且所述电弧炉设有至少一电极，所述电极配置为朝着所述金属材料产生一电弧，以及所述命令与控制单元配置为调节所述电弧的至少一电力电流。

根据本发明的一个方面，所述熔化设备包括一调节装置，所述调节装置配置为至少在一熔化步骤及一精炼步骤期间至少调节所述电弧的所述电力电流，使得在所述电源电流在所述熔化步骤期间保持在一第一电流值并且在所述精炼步骤期间保持在一第二电流值，所述第二电流值介于所述第一电流值的1.04倍与1.2倍之间。

附图说明

参考附图通过以下作为非限制性示例给出的一些实施例的描述，本发明的这些及其他特征将变得显而易见，其中：

图1根据本发明的一些实施例是电弧炉的电力设备的示意图；

图2显示在装载、穿孔、熔化与精炼铸件的最后料篮期间，现有技术中以及在根据本发明的两个可能的实施例中(虚线与点划线)的已知解决方案中的电弧的电力电流的时间变化(实线)；

图3显示在装载、穿孔、熔化与精炼铸件的最后料篮期间，现有技术中以及在根据本发明的两个可能的实施例中(虚线与点划线)的已知解决方案中的电弧的电压的时间变化(实线)；

图4显示在装载、穿孔、熔化与精炼铸件的最后料篮期间，现有技术中以及在根据本发明的两个可能的实施例中(虚线与点划线)的已知解决方案中的电弧的平均电力的时间变化(实线)；

图5显示在装载、穿孔、熔化与精炼铸件的最后料篮期间，现有技术中以及在根据本发明的两个可能的实施例中(虚线与点划线)的已知解决方案中的电弧的长度的时间变化(实线)；

图6显示在装载、穿孔、熔化与精炼铸件的最后料篮期间，现有技术中以及在根据本发明的两个可能的实施例中(虚线与点划线)的已知解决方案中的炉渣的厚度的时间变化(实线)。

为了有助于理解，在可能的地方使用了相同的附图标记来标识图中相同的共同元件。应当理解，一个实施例的元件及特征可以方便地结合到其他实施例中而无需进一步的厘清。

具体实施方式

本发明的实施例涉及一种熔化设备，所述熔化设备总体上以参考数字10(图2)表示，并且包括一电弧炉11。

所述电炉11包括一容器12或外壳，金属材料M被引入其中以待后续进行熔化。

所述电炉11还设置有至少一电极13，在所示的情况下，三个电极13配置为触发穿过金属材料M的电弧并且将其熔化。

根据本发明的一些实施例，所述电极13安装在多个移动装置14上，所述移动装置14配置为选择性地将所述电极13朝向/远离所述金属材料M移动。所述电极13的移动允许调整它们相对于具体的生产步骤的位置。特别地，通过调节所述电极13的位置，也可能管理在所述电极13与所述金属材料M之间建立的所述电弧的长度。

通常，所述移动装置14可以提供所述电极13的独立运动，以允许控制由它们中的每一个所产生的所述电弧的长度。

在优选的解决方案中，调节所述电极13的所述位置，使得由所述电极13产生的所述电弧实质上彼此相等，即，在不同的电极之间没有相位不平衡。

所述移动装置14可以包括一机械致动器、一电致动器、一气动致动器、一液压致动器、一铰接机构、一机械运动，相似与可比较的构件或上述的一个可能组合中的至少一个的一个群组。

根据本发明的可能的解决方案，如果存在三个电极13，则它们中的每个都连接到各自的电力相。

根据本发明的一些实施例，所述熔化设备10包括至少一变压器15，所述变压器15直接或间接地连接到一电网16，所述电网16提供一主交流电压Ur及一主交流电流Ir并且配置为将所述主交流电压Ur及电流Ir变换为一基础交流电压Ub及一基础交流电流Ib。

根据本发明的可能的解决方案，所述主电网16可以是三相的。

所述基础电压“Ub”及所述基础电流“Ib”是通过所述变压器15自身的设计特性，即通过变压比来预先定义与设定的。

例如多抽头类型的变压器15可以设有未显示出的多个调节装置，所述调节装置设置成相对于特定要求选择性地调节所述变压器15的电变比。

根据本发明的设备10还包括多个整流器19，所述整流器19连接到所述变压器15并且配置为将所述基础交流电压Ub及电流Ib转换成直流电压与电流。

具体地，所述整流器19允许将所述基础交流电压Ub及电流Ib整流为相应的直流电压及电流。

所述整流器19可以从包括一个二极管桥及一个晶闸管桥的一个群组中来选择。

根据一种可能的解决方案，所述整流器19包括多个装置，例如选自包括二极管、SCR(硅控制整流器)、GTO(关断晶闸管)、IGCT(集成栅极换流晶闸管)、MCT(金属氧化物半导体控制晶闸管)、BJT(双极结型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)及IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的一个群组。

根据本发明的另一方面，所述设备10包括多个转换器20，所述转换器20连接至所述整流器19，并且配置为将所述直流电压及电流转换为所述电极13的一电力电压“Ua”及一电力电流“Ia”。

如下所述选择性地调节所述电力电压“Ua”及所述电力电流“Ia”。

根据一种可能的解决方案，所述转换器20包括多个装置，例如选自包括二极管、SCR(硅控制整流器)、GTO(关断晶闸管)、IGCT(集成栅极换流晶闸管)、MCT(金属氧化物半导体控制晶闸管)、BJT(双极结型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)及IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的一个群组。

所述转换器20连接到熔化炉11的所述电极13上，并且连接到一控制与命令单元21，所述控制与命令单元21配置为控制与命令所述转换器20的功能，并且随着时间调节所述电极13的所述电力电压Ua及电力电流Ia。

具体地，所述控制与命令单元21控制所述转换器20，以选择性地设定交流电源的参数。

根据本发明的一方面，所述控制与命令单元21设有多个调节装置22，所述调节装置22配置为调节所述交流电源的所述电力电流“Ia”及所述电力电压“Ua”。

根据本发明的可能的解决方案，所述调节装置22仅作为示例可以包括。

根据可能的解决方案，所述整流器19可以通过至少一个中间电路23连接到所述转换器20。

所述中间电路23以直流电工作并且仅作为示例可以包括一直流母线(DC-link)。

所述中间电路23配置为连续地存储电能并且在所述电极13与所述整流器19之间产生一个隔离，并且因此与所述主电网16产生隔离。

特别地，通过所述中间电路23部分地过滤了源自过程的快速功率波动，减小了它们在所述电网16侧的影响。

所述控制与命令单元21也可以依次连接到所述移动装置14，以允许相对于熔化过程的不同步骤来调节所述电极13的位置。

特别地，所述电极13通过所述移动装置14来移动以跟随材料的位置并且因此改变所述电弧的长度。

以这种方式，所述控制与命令单元21可以相对于处理的特定步骤来管理与命令至少以下参数：电源电压Ua、电源电流Ia及所述电极13的位置。

控制各种参数的高可能性允许优化对过程的能量传递，同时减少源自于炉子侧的功率的快速变化对所述电网16的影响。

根据本发明的可能的实施例，所述控制与命令单元21可以配置为还调节所述电源的电力频率“fa”。

根据可能的解决方案，所述变压器15、连接到所述变压器15的所述整流器19以及所述转换器20一起定义了一电力模块24。

根据本发明的可能的实施例，所述设备10可以设置有彼此并联连接并且连接到所述电网16及所述电炉11的多个电力模块24。

多个电力模块24的组合允许获得一熔化设备10，所述熔化设备10的尺寸根据待供电的所述电炉11的具体尺寸是可规画的。

根据一种可能的解决方案，所述控制与命令单元21连接到所有电力模块24，以至少控制相应的转换器20，使得每个模块将相同的电压Ua、电流Ia及电力频率“fa”值提供给所述电极。这样，可能防止整个系统的故障。

根据一种可能的解决方案，在所述电网16与所述电力模块24之间可以插入另一个变压器25，所述变压器25设置为将网络的电能转换为要提供给所述电力模块24的电能。

本发明的实施例还涉及一种熔化方法，所述方法包括将固态金属材料M装载到所述电炉11的步骤。

装载步骤可以使用装载篮来执行，所述装载篮用于将预定量的金属材料M插入所述电炉11中。

根据可能的变型实施例，装载所述金属材料M的步骤可以实质上连续地发生，例如借助于振动传送机或传送带。

在实质上连续装载的情况下，可以设置成在穿孔步骤开始之前，装载预定量的金属材料M，所述预定量是将要装载到所述电炉11中的总量的一部分。通过一个或多个料篮或用于连续装载的相同传送机可以执行装载。

随后开始所述穿孔步骤。在所述穿孔步骤及熔化步骤期间，将另外的金属材料M实质上连续地装载到所述电炉11中，过程持续到精炼金属材料M的步骤开始或之前。

尽管描述连续，并且参照图2-6，我们参考具有不连续装载的过程，不排除这样的考虑，以及在图2-6中识别的参数的趋势，也可以用于连续装载的熔化过程。

在具有连续装载的熔化过程的情况下，熔化所述金属材料的步骤相较于图2-6所示的持续时间具有更长持续时间。仅作为示例，在连续装载的情况下，熔化步骤的持续时间至少是精炼步骤的持续时间的三倍。

根据本发明的方法为了开始熔化金属材料M的步骤，还提供了在每个所述电极13与所述金属材料M之间产生一电弧的步骤。

根据本发明的一个方面，熔化所述固体金属材料M的步骤允许获得已熔化材料，并且在熔化过程中，其设置成将所述电力电流Ia保持实质上随时间恒定在一第一电流值I1(图2)。

仅作为示例，对于100吨的电炉，所述第一电流值I1可以介于40kA与70kA之间。

根据本发明的可能的实施例，在产生所述电弧的步骤与熔化步骤之间设置对所述金属材料进行穿孔的步骤，在熔化步骤期间，所述电极13移动通过所述金属材料M，导致其随后的熔化。随着所述金属材料M的逐渐熔化，所述电极13穿透所述金属材料M的仍然固体的部分以逐渐熔化它。当所述电极13到达所述容器12内的一个位置时，围绕所述电极13的剩余金属材料M的真正熔化才开始。

根据可能的解决方案，所述穿孔步骤及所述熔化步骤可以在已熔化材料的最终精炼之前重复几次，并且在它们之间设置将另外的金属材料M装载到所述电炉11中的步骤。以此方式，可能获得所述电炉11的完全负载，直到达到其总容量为止。

在所述穿孔步骤期间，所述电源电流“Ia”保持实质上等于所述第一电流值I1(图2)，而所述电源电压“Ua”具有一个数值，所述数值介于所述熔化过程中施加的所述电源电压Ua(图3)的0.3倍与0.7倍之间，优选在0.4倍与0.6倍之间。由此得出，所述平均电功率(图4)也具有实质上类似于所述电源电压Ua的一个趋势。

在所述穿孔步骤期间，维持有限的电力允许补偿由于所述电极13之间可能的短路而可能发生的可能的电涌。这防止了损坏所述熔化设备10的电子部件。

在所述穿孔步骤中，所述电弧的长度(图5)介于所述熔化步骤期间存在的所述电弧的长度的0.3倍与0.7倍之间。这防止了在所述穿孔步骤期间所述电弧的任何不希望的切断，从而降低了熔化效率。

在所述金属材料M完全熔化之后，进行所述已熔化材料的精炼，添加反应化合物给精炼的已熔化材料。

仅作为示例，反应化合物可包括煤、石灰、氧气、合金元素，例如镍、铬、钼、钒、二氧化硅等。

所述反应化合物可以改变所述已熔化材料的组成并且产生一层保护渣，所述保护渣设置在所述已熔化材料上方并且保护所述已熔化材料。

实际上，炉渣层产生了防止所述已熔化金属材料氧化的屏障，并且作为防止热量向外部辐射的一个屏蔽。

根据本发明的一个方面，在精炼期间设置成将所述电弧的所述电力电流“Ia”增加到一第二电流值I2(图2)，所述第二电流值I2介于熔化期间所述第一电流值I1的1.04倍与1.2倍之间。

所述电力电流I1的增加允许增加在熔化期间由所述电极13供应的热输入。

根据本发明的可能的解决方案，所述第二电流值I2介于在熔化期间的所述第一电流值I1的1.05与1.15倍之间。

根据本发明的第一实施例，如图2-6用点划线所示，设置成在熔化期间，所述电源电压Ua保持在一第一电压值U1，并且在精炼步骤期间，所述电源电压Ua保持在一第二值U2，所述第二值U2介于所述第一电压值U1的0.6倍与0.85倍之间。

根据第一实施例(图4)，在所述精炼步骤期间，设置成将供应给所述电极13的电力降低了一个数值，所述数值介于相对于在所述熔化步骤期间提供给所述电极13的所述电力的7％与15％之间。

在精炼步骤期间所述电源电压Ua的减小允许相对于在所述熔化步骤中施加的长度减小所述电弧的长度。

仅作为示例，可以设置成，在所述精炼步骤期间所述电弧的长度介于所述熔化步骤期间所述电弧的长度的0.6倍至0.85倍。

所述电弧的长度的减小允许增加电流传输到所述已熔化金属的效率，并且因此提高加热效率。

所述熔化步骤与所述精炼步骤之间的所述电弧的长度的减小允许减小已熔化金属上方的所述炉渣层的厚度。这允许减少待引入到所述电炉的反应化合物的量，并且同时还允许提高引入到所述电炉11的所述金属材料M的产量。

根据本发明的可能的解决方案，在所述精炼步骤期间的所述炉渣层的厚度介于所述熔化步骤期间所述炉渣层的厚度的0.5倍至0.85倍。

根据本发明的第二实施例，如在图2-6中用虚线所示，设置成调节所述电极13的所述电源电压Ua，使得在所述精炼步骤期间施加到所述电极13的所述电力介于在所述熔化步骤期间施加到所述电极的所述电力的0.9倍与1.1倍之间。

本发明的解决方案允许用相当大的年度节能将熔化循环时间减少约3％。

根据此解决方案，可以设置成在所述熔化步骤期间所述电源电压Ua保持在一第一电压值U1，并且在所述精炼步骤中保持一第二电压值U2，所述第二电压值U2介于所述第一电压值U1的0.8倍与0.95倍之间。

根据此第二实施方式，可以设置成所述第二电流值I2介于所述第一电流值I1的1.12倍与1.17倍之间。

根据此解决方案，可以设置成在所述精炼步骤期间所述电弧的长度介于所述熔化步骤期间的所述电弧的长度的0.8倍与0.95倍之间。

根据此第二解决方案，在所述精炼步骤期间，所述炉渣层的厚度介于在所述熔化步骤期间的所述炉渣层的0.8倍与0.95倍之间。

以下表格1-6根据现有技术、根据本发明上述的第一实施例与第二实施例显示了熔化设备的不同功能电参数之间的比较。具体地，所报告的值均参考具有100吨容量具有熔炉的熔化设备。

表格1

表格2

表格3

表格4

表格5

表格6

显然，在不脱离本发明的领域及范围的情况下，可以对熔化方法及相应的设备10进行部件的修改及/或增加。

同样清楚的是，尽管已经参照一些具体示例描述了本发明，但是本领域技术人员应当能够实现具有权利要求书中提及的特性的熔化方法及相应的设备10的许多其他等效形式，并且因此均落入定义的保护范围之内。

在以下权利要求中，括号内引用的唯一目的是为了便于阅读：关于在特定权利要求中要求的保护的范围内，不得将它们视为限制性因素。