用于操作電弧爐的方法以及電弧爐的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于操作弧爐（10）的方法，所述弧爐（10）包括具有通孔（32）的至少一個電極（18），其中，在所述方法中，在所述至少一個電極（18）與待熔化的爐料（16）之間產(chǎn)生電?。?0）以及將第一添加物引入到所述電極（18）的通孔（32）中，將所述第一添加物引入引起吸熱化學(xué)反應(yīng)，并且所述第一添加物的引入受到控制以便在所述至少一個電極（18）的預(yù)定區(qū)域（34）中引起所述吸熱化學(xué)反應(yīng)，所述區(qū)域面向所述待熔化的爐料（16）。
【專利說明】
用于操作電弧爐的方法以及電弧爐
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于操作電弧爐的方法。本發(fā)明此外涉及一種用于熔化爐料的電弧爐。
【背景技術(shù)】
[0002]在弧爐中，尤其是電弧爐，電弧供應(yīng)呈弧放電形式的電能至固體廢金屬并且在隨后的階段中經(jīng)由石墨電極至熔池。在第一階段中，直接通過弧和/或間接通過弧的輻射來加熱和熔化固體廢料。在隨后的階段中，通過弧的能量使熔池達到期望的目標(biāo)溫度。為了使熔化時間最小化從而確保高生產(chǎn)能力以及增加過程的能量效率，輸入至廢料或者熔化金屬的高能量是非常重要的。
[0003]通常，爐變壓器用于將中壓轉(zhuǎn)換為低壓并且將其應(yīng)用至電極。為了引起電弧穿過較小的間隙，以及通過增加該間隙來控制操作期間的電氣操作參數(shù)，諸如電壓和/或電流強度，電極與廢料或者熔池之間的間隙可以發(fā)生變化。
[0004]在電弧爐的操作期間，石墨電極經(jīng)受高溫度梯度。在頂部處，電極溫度大約為環(huán)境或者車間溫度，而剛好在熔池之上的底部則大約為3000 K。這種高溫與弧一起導(dǎo)致環(huán)境空氣中的電極消耗增加。石墨電極消耗為50%的橫向氧化。在其它方面，該消耗與電流強度的平方成比例。這意味著對于操作傳統(tǒng)弧爐，應(yīng)試著盡可能避免高電流強度和小弧同時發(fā)生，以便使石墨損失最小化。
[0005]沿著電極的溫度梯度還可以導(dǎo)致機械應(yīng)力，機械應(yīng)力可以使得碎片剝落或者在極端情況下使得電極破損。電極破損不僅會導(dǎo)致電極消耗增加而且會導(dǎo)致生產(chǎn)停工期增加，并且如果石墨電極或者其碎片落入熔池中的話，還會導(dǎo)致鋼中的碳增加。如今，輸入到熔池或者廢料中的能量僅由電氣參數(shù)和在電極與金屬之間的物理間隙來控制。
[0006]WO 2013/064413 Al公開了一種用于操作電弧爐的方法，其中，弧可以由添加物的混合物來控制，以便在電弧爐的單個操作階段中可以有利地調(diào)節(jié)特定特征。電弧中的導(dǎo)電率以及輻射功率可以取決于引入的添加物的類型而增加或者減少。
[0007]弧中(S卩，等離子體中)的導(dǎo)電率的增加會導(dǎo)致較大的電極間隙并且從而導(dǎo)致電流波動和所謂的顫動減小。同時，輻射功率在量級和容量上增加，從而能量的大體積輻射導(dǎo)致快速的廢料加熱過程。因此，可以在該階段中減少能量輸入。為了增加弧中的導(dǎo)電率，可以將金屬或者金屬鹽引入到等離子體中。
[0008]另一方面，等離子體的導(dǎo)電率的減小會導(dǎo)致小的電極間隙以及較低的輻射功率并且從而也使得爐壁上的輻射損失較低。因此，在液相操作期間，電非常有效地施加至熔池。為了減小電弧的導(dǎo)電率，可以將諸如氬氣、氮氣、甲烷、二氧化碳等引入到等離子體中。
[0009]為了將氣體引入到電弧中，可以使用中空石墨電極，中空石墨電極的上端具有用于連接氣體進給的相應(yīng)接頭(Nippel)。經(jīng)由這些接頭，可以將氣體進給到中空電極的內(nèi)部中并且從這里進料到弧中，弧具有在中空電極的下端處的根部。
[0010]在用于熔化廢料的傳統(tǒng)電弧爐的情況下，到目前為止還未使用過這種方法。另一個方面，在一些鋼包爐中，經(jīng)由中空電極來引入氣體的原理是總所周知的。然而，在這里，為了防止熔池中的碳增加，主要注入氬氣。
[0011]通常通過噴射或者向下淋水來冷卻電極的外部。在大約30年前引入以來，該方法在石墨消耗上具有巨大的影響。然而，由于向下淋的水會蒸發(fā)，所以電極的下部段沒有被冷卻。此外，電極的內(nèi)部也完全沒有被冷卻。在該文中，WO 2013/064413 Al還描述了向弧供應(yīng)添加物，添加物會引起反應(yīng)，由于反應(yīng)的能量消耗，所以該反應(yīng)會導(dǎo)致電極的冷卻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是以更加有效地方式來操作在引言中提到的這種電弧爐。
[0013]該目的是通過具有如在權(quán)利要求1中所述特征的方法以及通過具有如在權(quán)利要求12中所述特征的弧爐來實現(xiàn)。本發(fā)明的其它有利發(fā)展在從屬權(quán)利要求中列出。
[0014]在用于操作弧爐的本發(fā)明方法中，其中，弧爐包括:至少一個具有通孔的電極;在該至少一個電極與待熔化的爐料之間引起電?。灰约暗谝惶砑游镆氲诫姌O的通孔中，其中，通過將第一添加物引入到通孔中而引起吸熱化學(xué)反應(yīng)，以及其中，第一添加物的引入受到控制，以便在至少一個電極的預(yù)定區(qū)域中引起該吸熱化學(xué)反應(yīng)，所述區(qū)域面向爐料。
[0015]弧爐尤其可以作為電弧爐來實施。電爐包括至少一個電極，該至少一個電極優(yōu)選地由石墨制成。在電極處，可以通過爐變壓器提供電壓，使得在電極與待熔化的爐料之間引起電弧。尤其，廢鋼可以用作爐料。該至少一個電極作為中空電極來實施。第一添加物可以被引入到電極的內(nèi)部，即，引入到其通孔中。所引入的第一添加物可以是固體物料、氣溶膠和/或流體。尤其，將氣體作為第一添加物進給到電極孔中。
[0016]第一添加物主要選擇成使得產(chǎn)生吸熱化學(xué)反應(yīng)。第一添加物還可以選擇為使得只有在特定溫度以上才會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，化學(xué)反應(yīng)中需要能量。該能量可以取自加熱的電極。因此，電極釋放熱能并且從而被冷卻。在這里，第一添加物的引入受到控制，以便使得在面向熔池的電極區(qū)域中發(fā)生吸熱化學(xué)反應(yīng)。因此，可以使得在弧爐的操作期間被加熱的電極區(qū)域得到冷卻。從而，可以減少電極中的機械應(yīng)力和電極消耗。
[0017]優(yōu)選地，第一添加物的引入可以控制為，使得至少在至少一個電極的通孔內(nèi)部的一些區(qū)域中產(chǎn)生吸熱化學(xué)反應(yīng)。因此，可以由通孔特別有效地冷卻電極。
[0018]在一個實施例中，為了引入第一添加物，將引入到通孔中的第一添加物的數(shù)量控制為時間函數(shù)。通過影響第一添加物的數(shù)量，可以控制由于吸熱化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致的電極的冷卻。
[0019]在另一個實施例中，為了引入第一添加物，對通孔內(nèi)的第一添加物的流率進行控制。通過沿著通孔控制第一添加物的流率，可以對通孔內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的位置進行調(diào)節(jié)。
[0020]第一添加物的流率優(yōu)選地控制為由吸熱化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的產(chǎn)物的函數(shù)。在化學(xué)反應(yīng)中，該產(chǎn)物可以包括比反應(yīng)物更多的氣體分子。因此，發(fā)生體積膨脹。如果化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物是已知的，則流率可以與體積膨脹匹配。
[0021]在另一實施例中，為了引入第一添加物，將第一添加物引入到通孔中的位置是變化的。為此，電極可以具有多個孔口，第一添加物可以通過這些孔口引入到通孔中。因此，發(fā)生吸熱化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域可以受到影響。
[0022]在一個實施例中，至少一個電極由石墨制成并且化學(xué)反應(yīng)是使用第一添加物和石墨作為反應(yīng)物而引起。例如，可以將二氧化碳或者水蒸氣作為第一添加物引入到電極的通孔中。在這里，電極材料(即，石墨，更精確地說，碳)可以用作吸熱化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)物。
[0023]在另一個實施例中，將第一氣體和不同于第一氣體的第二氣體作為第一添加物引入到通孔中。例如，可以引入甲烷作為第一氣體并且引入水蒸氣作為第二氣體。替代地，可以引入甲烷作為第一氣體并且引入二氧化碳作為第二氣體。此外，可以設(shè)想的是，第一添加物包括作為第一氣體的二氧化碳以及作為第二氣體的氫氣。這些第一添加物的優(yōu)點在于:電極不用作反應(yīng)物，并且可以在保護電極的同時進行用于冷卻電極的吸熱反應(yīng)。
[0024]優(yōu)選地，將引入到通孔中的第一氣體的數(shù)量和/或第二氣體的數(shù)量控制為時間函數(shù)。通過控制這兩種氣體的比例，一方面達到了溫度(在該溫度之上進行化學(xué)反應(yīng))，并且另一方面也可以使化學(xué)反應(yīng)需要的能量受到影響。
[0025]如果將第二添加物額外地引入到通孔中以減少和/或增加電弧的場強度，則這同樣是有利的。為了減小電弧(更精確地說，等離子體)的場強度，可以將使得電弧中的電離能量減小的第二添加物引入到通孔中。為此，可以將例如金屬或者金屬鹽引入作為第二添加物。為了增加該場強度，可以引入使電弧中的電離能量增加的第二添加物。為此，可以將如下氣體作為第二添加物引入到等離子體中:例如，氬氣、氮氣、甲烷、二氧化碳或者類似物。因此，除了至少一個電極的冷卻之外，電弧還可以在弧爐的不同操作階段中受到影響。
[0026]在另一個實施例中，至少一個電極的外表面可以使用水來冷卻。例如，可以將水從外面噴射到電極上。優(yōu)選地，電極只有在面向爐料的下部區(qū)域中才能由水冷卻。因此，除了電極內(nèi)部的化學(xué)冷卻外，電極還可以在外面進行冷卻。
[0027]此外，根據(jù)本發(fā)明提供了一種用于熔化爐料的弧爐，其包括:至少一個具有通孔的電極；用于在至少一個電極與待熔化的爐料之間產(chǎn)生弧的電能源;包含第一添加物的儲存裝置，其中，可以將第一添加物引入到電極的通孔中，以及其中，可以通過將第一添加物引入到通孔中而引起吸熱化學(xué)反應(yīng)；以及控制裝置，通過其可以對第一添加物引入到通孔中進行控制，以便在至少一個電極的預(yù)定區(qū)域中產(chǎn)生吸熱化學(xué)反應(yīng)，所述區(qū)域面向爐料。
[0028]上面結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的方法描述的優(yōu)點和進一步發(fā)展相應(yīng)地也可適用于根據(jù)本發(fā)明的弧爐。
【附圖說明】
[0029]現(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明進行更加詳細(xì)的解釋，在附圖中:
圖1示出了在第一操作階段中的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的弧爐；
圖2示出了在第二操作階段中的如圖1中所示出的弧爐；
圖3示意性地示出了弧爐的電極。
【具體實施方式】
[0030]下文更加詳細(xì)地描述的示例構(gòu)成本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0031]圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的弧爐10的截面?zhèn)纫晥D。弧爐10實施為電弧爐。電爐10包括上殼體部段12和下殼體部段14，上殼體部段12和下殼體部段14可以相對于彼此移動。弧爐10用于熔化爐料16，尤其是廢鋼。爐料16放置在下殼體部段14中。
[0032]弧爐10額外地包括至少一個電極18。在該示例性實施例中，弧爐10包括三個電極18。電極18連接至爐變壓器(此處未示出)，可以通過爐變壓器在電極18處提供電壓。在電極18處，選擇電壓和/或電流強度，從而使得在電極18與待熔化的爐料16之間產(chǎn)生弧20。為了在間隙較小時引起弧20，以及通過增加該間隙來影響操作期間的電氣操作參數(shù)，可以對電極18與爐料16之間的間隙進行調(diào)節(jié)。
[0033]在圖1中，弧爐10示出為處于第一操作階段中。在這里，爐料16表現(xiàn)為固體物料22。通過弧20將能量供應(yīng)至固體物料22，即廢料。這使得固體物料22熔化，并且因此爐料16表現(xiàn)為熔池24。
[0034]圖2示出了在第二操作階段中的圖1中示出的弧爐10。在這里，爐料16已經(jīng)完全是熔化的金屬熔池24。借助通過弧20施加至熔池24的能量，可以設(shè)置熔池24的預(yù)定目標(biāo)溫度。
[0035]圖3示意性地示出了弧爐10的電極18的截面?zhèn)纫晥D。在弧爐10的操作期間，溫度梯度沿著電極18形成。這是由電極18在面向爐料16的下部區(qū)域26中受到弧20的加熱以及熔池24加熱到高達3000 K的溫度而造成的。同樣，在電極18的下部區(qū)域26中產(chǎn)生了弧20。電極18的上部區(qū)域28與下部區(qū)域26相對，該上部區(qū)域28大體上處于環(huán)境溫度下，S卩，工業(yè)建筑中的環(huán)境溫度下。溫度梯度在這里由箭頭30示出。溫度梯度可以在電極18內(nèi)產(chǎn)生機械應(yīng)力，機械應(yīng)力可以導(dǎo)致電極18的損壞。此外，電極18的下部區(qū)域26中的高溫可以導(dǎo)致電極18的消耗。
[0036]電極18在這里實施為中空電極。電極18基本上是中空圓筒形狀。電極18具有通孔32，通孔32沿著電極18的縱向范圍從電極18的上部區(qū)域28延伸至下部區(qū)域26?？梢詫⒌谝惶砑游镆氲酵?2中。在這里，這由箭頭36示出。為此，可以在電極18上設(shè)置恰當(dāng)?shù)难b置，該裝置連接至包含第一添加物的儲存裝置或者儲罐。尤其，將第一氣體引入到通孔32中作為添加物。將第一添加物引入到通孔32中引起吸熱化學(xué)反應(yīng)。例如，可以將二氧化碳或者水蒸氣引入作為第一添加物。這種反應(yīng)的示例是:
CO2 + C ^ 2 CO; AHr = +172.6 kj/mol(I)
C + H2O — CO + H2; AHr = +131.4 kj/mol(2)
C + 2 H2O ^ CO2 + 2 H2; A Hr = +90.2 kj/mol(3)
在等式(I)至(3)中描述的反應(yīng)中，石墨電極材料，即碳，用作反應(yīng)物。等式(I)描述了所謂的波多反應(yīng)(Boudouard-Gleichgeweicht)。Δ Hr描述了進行吸熱化學(xué)反應(yīng)需要的能量的量。該能量數(shù)量△ Hr取自環(huán)境。尤其，該能量以熱能形式取自電極18。
[0037]第一氣體和第二氣體可以作為添加物引入到電極18中的孔32中。在這里，電極18不是化學(xué)反應(yīng)的參與物。例如，可以將甲烷和水蒸氣、甲烷和二氧化碳、或者二氧化碳和氫氣引入到通孔32中。這種反應(yīng)的示例為:
CH4 + H2O — CO + 3 H2; AHr = +206.2 kj/mol(4)
CH4 + CO2 ^ 2 CO + 2 H2; A Hr = +250.0 kj/mol(5)
CO2 + H2 ^ CO + H2O; AHr = +41.2 kj/mol(6)
應(yīng)注意，等式(I)至(6)中描述的反應(yīng)是平衡反應(yīng)，其尤其僅在300 K以上的溫度下進行。然而，由于不同溫度水平下的熱力學(xué)，所以平衡轉(zhuǎn)移到產(chǎn)物側(cè)。
[0038]通過選擇反應(yīng)物，可以對反應(yīng)需要的能量數(shù)量△Hr和發(fā)生反應(yīng)的溫度進行調(diào)節(jié)。由于沿著電極18出現(xiàn)溫度梯度，所以可以通過選擇化學(xué)反應(yīng)來對化學(xué)冷卻效果開始的區(qū)域34進行監(jiān)控并且沿著電極軸線進行改變。然而，應(yīng)注意，在溫度低于500°C時，上面描述的平衡在沒有催化劑的情況下可能在動力上受到抑制并且因此以有限的速度進行，從而使得熱力學(xué)平衡的建立會延遲。
[0039]在一些情況下，可以通過對電極18的通孔32中的第一添加物的流率進行調(diào)節(jié)從而來補償這種延遲。此外，應(yīng)注意，除了根據(jù)等式(6)的反應(yīng)之外，上面描述的所有反應(yīng)的進行均會使得體積增加。即是說，每個公式轉(zhuǎn)換中，反應(yīng)物側(cè)上涉及的氣體分子均比產(chǎn)物側(cè)上要少。例如，在根據(jù)等式(4)的反應(yīng)的情況下，從兩個氣體分子形成為四個氣體分子。體積的增加導(dǎo)致流率的增加，從而使得能夠在電極18的熱區(qū)域中實現(xiàn)額外的冷卻效果。
[0040]為了防止吸熱化學(xué)反應(yīng)進行得太早，S卩，在電極18的上部區(qū)域28中進行，能夠提供多個區(qū)域(此處未示出)以將第一添加物進給到通孔32中并且從而利用空間自由度。
[0041]除了第一添加物外，還可以將第二添加物引入電極18的通孔32中，從而能夠使得弧20的特性受到影響。例如，弧20的場強度可以受到第二添加物的影響。可以使用常見的裝備構(gòu)造來提供電極18的化學(xué)冷卻和弧操縱的組合。為了控制第一添加物和/或第二添加物的引入，可以對弧的電壓和/或電流強度進行監(jiān)控。
[0042]通過引入諸如一氧化碳、二氧化碳、氫氣、水蒸氣和/或甲烷等氣體(其隨著諸如氬氣、氮氣、氧氣和/或壓縮空氣可以以任何方式進行使用以便影響電弧等離子體)，這樣可以實現(xiàn)對電極18進行額外冷卻。此外，可以在弧爐10的單個操作階段中對氣體的數(shù)量、氣體引入到通孔32中的位置和/或其流率進行控制。
[0043]這提供了發(fā)展一種控制和自動化構(gòu)思的可能性，其中，在多維參數(shù)空間中，通過弧20輸入到爐料16的能量以及電極18的冷卻和電極18的消耗均可以有利地通過如下方式受到影響:選擇氣體組合、其混合比率、氣體進給到通孔32中的位置、氣體的流率和/或體積流率。
【主權(quán)項】
1.一種用于操作弧爐(10)的方法，所述弧爐(10)包括具有通孔(32)的至少一個電極(18)，其中，所述方法由如下組成:在至少一個電極(18)與待熔化的爐料(16)之間產(chǎn)生弧(20)以及將第一添加物引入到所述電極(18)的通孔(32)中，其中，通過將所述第一添加物引入到所述通孔(32)中而引起吸熱化學(xué)反應(yīng)， 其特征在于， 所述第一添加物的引入受到控制，以便在所述至少一個電極(18)的預(yù)定區(qū)域(34)中引起所述吸熱化學(xué)反應(yīng)，所述區(qū)域面向所述待熔化的爐料(16)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一添加物的引入受到控制，使得在所述至少一個電極(18)的通孔(32)內(nèi)的至少一些區(qū)域中引起所述吸熱化學(xué)反應(yīng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，為了引入所述第一添加物，將引入到所述通孔(32)中的第一添加物的數(shù)量控制為時間函數(shù)。4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，為了引入所述第一添加物，對所述第一添加物在所述通孔(32)內(nèi)的流率進行控制。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一添加物的流率控制為由所述吸熱化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的產(chǎn)物的函數(shù)。6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，為了引入所述第一添加物，所述第一添加物引入到所述通孔(32)中的位置是變化的。7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，所述至少一個電極(18)是由石墨制成并且所述吸熱化學(xué)反應(yīng)是使用所述第一添加物和所述石墨作為反應(yīng)物而引起的。8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的方法，其特征在于，將第一氣體和不同于所述第一氣體的第二氣體引入到所述通孔(32)中作為所述第一添加物。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，將引入到所述通孔(32)中的第一氣體的數(shù)量和/或第二氣體的數(shù)量控制為時間的函數(shù)。10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，將第二添加物額外地引入到所述通孔(32)中以減少和/或增加所述弧(20)的場強度。11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，所述至少一個電極(18)的外表面是水冷的。12.—種用于熔化爐料(16)的弧爐(10)，其包括:具有通孔(32)的至少一個電極(18)、用于在所述至少一個電極(18)與待熔化的爐料(16)之間產(chǎn)生弧(20)的電能源、儲存裝置，其中設(shè)置有所述第一添加物，其中，可以將所述第一添加物引入到所述電極(18)的通孔(32)中，并且可以通過將所述第一添加物引入到所述通孔(32)中而引起吸熱化學(xué)反應(yīng)， 其特征在于， 所述弧爐(10)包括控制裝置，所述第一添加物的引入可以由所述控制裝置控制，使得在所述至少一個電極(18)的預(yù)定區(qū)域(32)中引起所述吸熱化學(xué)反應(yīng)，所述區(qū)域面向所述待熔化的爐料(16)。
【文檔編號】C21C5/52GK105940765SQ201480059936
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2014年10月23日
【發(fā)明人】M.巴道夫, M.赫格特, T.馬特舒拉特
【申請人】首要金屬科技德國有限責(zé)任公司