一种底阳极侧导电直流钢包炉

摘要

一种底阳极侧导电直流钢包炉，包括钢包车部分和钢包部分，其特征在于钢包车车体上带有侧底阳极自动夹紧装置，侧底阳极自动夹紧装置有两个对称的夹紧卡头，每个夹紧卡头的夹紧面上都连接有大电流水冷开关，大电流水冷开关外侧带有冷却水管，钢包本体底部侧面设有两个侧底阳极导电块作为底阳极，侧底阳极导电块的材质为金属部分和非金属部分的复合结构，与钢包连接方式为可拆卸式。采用本发明的底阳极侧导电直流钢包炉石墨电极消耗大幅度降低，噪音较小，弧长短，埋弧好，升温速度快，钢水增碳小，适合加热精炼低碳和超低碳钢，钢包耐火材料消耗低，热效率高，节省能量。

说明书

技术领域

本发明属于冶炼设备技术领域，特别涉及一种底阳极侧导电直流钢包炉。

背景技术

钢包精炼炉是用来对电炉或转炉倒入钢包的粗钢进行精炼，使之成为满足要求的合格钢水。钢包炉精炼主要是靠包内的白渣，在还原性气氛中，由包底吹入的氩气对钢水进行搅拌并由石墨电极对包内经过粗炼炉的钢水进行电弧加热精炼的冶金过程。由于氩气搅拌加速了钢和渣之间的化学反应速度，用电弧加热进行温度补偿，可以保证较长的冶炼时间，从而使钢中的氧、硫含量以及非金属夹杂物大大降低。

目前国内外所用的炼钢精炼炉一般都是三相交流钢包炉，这种精炼炉设备简单，投资费用相对较低，操作灵活和精炼效果较好。它的不足之处主要有三点：

一是耐火材料消耗高：三根电极布置在钢包口上，由于极心圆较大，高温区距离包壁较近，造成了包壁上部的耐火材料侵蚀速度快。

二是电极消耗快：由于三根石墨电极排列在钢包口上，由于交流电的作用，使交流电弧产生偏弧燃烧而造成了电极端龟裂现象，另外三根电极在加热燃烧时，其中一根电极还要受到另外两根电极的热辐射，再加之因发射电子而形成的“阴极斑点”，因而电极端温度低等因素，从而造成了电极损失加快。

三是噪音大，对环境污染严重：由于三相电极的不平衡性以及交流电弧的不稳定性，在电极加热精炼过程中，噪音特别大，对环境造成了污染。

鉴于三相交流钢包精炼钢包炉的不足之处，目前人们在纷纷开发直流钢包炉。据了解，目前已应用的直流钢包炉大多数都是采用三电极或双电极上部导电，也有极少部分采用底导电方式的。

采用三电极和双电极上部导电有两种形式：

一是三根(或二根)电极都为石墨电极，其中一根为阴极，两根(或一根)为阳极。两根(或一根)阳极插入渣中，通过阴极起弧加热钢水。这种结构的最大缺点是阳极插入深度难以准确控制，从而造成精炼过程钢水增碳严重，有时达0.2％以上，无法加热精炼中低碳钢，更无法精炼超低碳钢：另外，由于两根(或一根)石墨电极插入渣中，石墨电极消耗快，达1.9mm/min以上。

二是三根(或二根)电极中阴极为石墨电极，两根(或一根)阳极为低碳钢金属阳极。两根(或一根)阳极插入渣中，随着精炼的进行，金属电极逐渐消耗。这种结构的最大缺点是金属电极消耗量大，加热电流难以控制，电极更换频繁，劳动强度大，成本高。

采用单电极加热的方式是，上部顶阴极为石墨电极，下部为底阳极；底阳极布置在包底上，底阳极采用多层金属与陶瓷组成的结构形式，这种结构形式的缺点是随着导电极中的金属层的熔化损失，陶瓷相的侵蚀加快，使用寿命低。而且在操作过程中，由于操作不当，可能造成金属层端部氧化粘渣而造成起弧困难。

发明内容

针对现有技术问题，本发明提供一种底阳极侧导电直流钢包炉。

底阳极侧导电直流钢包炉包括钢包车部分和钢包部分。

钢包车部分包括钢包车驱动马达、钢包车车体、钢包支架和侧底阳极自动夹紧装置。

侧底阳极自动夹紧装置位于钢包车车体上，侧底阳极自动夹紧装置有两个对称的夹紧卡头，两个夹紧卡头的底部用转轴穿过，转轴的两端固定于钢包车的两个夹紧卡头支架上，每个夹紧卡头的夹紧面上都连接有大电流水冷开关，大电流水冷开关外侧带有冷却水管，开关的一端与整流电源输出端连接，另一端与侧底阳极自动夹紧装置的夹紧卡头的夹紧面连接。

钢包部分包括钢包本体、包盖、耳轴、悬挂箱、支撑座、侧底阳极导电块、滑动水口和底吹氩装置。

钢包本体底部侧面设有两个对称的侧底阳极导电块作为底阳极，侧底阳极导电块的材质为金属部分和非金属部分的复合结构，其中金属部分为奥氏体不锈钢，非金属部分的材质按重量百分比为含石墨6～20％，含氧化镁50～75％，含三氧化二铝5～44％，非金属部分镶嵌在金属部分的沟槽内，侧底阳极导电块的非金属部分插入到钢包本体内部，金属部分在钢包外壁与钢包本体底部侧面连接，其连接方式为可拆卸式。

钢包本体外侧带有悬挂箱，水、氩气、电缆等管线经滑车架接入悬挂箱，然后再分给各相应部位；滑动水口在钢包本体底部靠近钢包壁附近，底吹氩装置包括吹氩管和氩气连接装置，其中吹氩管设在钢包本体底部中心位置，氩气连接装置可连通氩气管线和吹氩管。

水管线可通过悬挂箱接入大电流水冷开关外侧的冷却水管。

本发明的底阳极侧导电直流钢包炉的工作原理为：

当进行精炼操作时，钢包被吊到钢包车上，钢包底部压到夹紧卡头底部，耳轴落入钢包车支架中但不压在钢包车支架上，钢包自身的重力使两个夹紧卡头通过转轴旋转，夹紧卡头的夹紧面连同大电流水冷开关夹紧到两个侧底阳极导电块外端的金属部分；在升降机的作用下，石墨电极通过钢包包盖孔进入钢包内，整流电源将交流电转化为直流电，并给石墨电极和底阳极供电，同时大电流水冷开关的冷却水管通入冷水；石墨电极的端头与钢水之间的空气被击穿，产生高温电弧，从而使钢包内的钢水被加热。

当精炼完成时，在升降机的作用下，石墨电极从钢包内离开，钢包从钢包车上吊起，利用夹紧装置重心的偏移，夹紧卡头自动打开，大电流水冷开关随之与侧底阳极导电块分离，电源被切断，为下次钢包就位做好准备。

侧导电钢包的主要作用，一是用作精炼炉钢水的反应容器；另一个是从出钢到精炼，最后到浇注的输送容器；三是起到导电作用。钢包底部侧面对称的设有两个非金属与金属复合结构的导电块作为底阳极。两块底阳极对称的布置在钢包的侧面，既保证了钢包加热过程中电流的自下而上的对称分布，保证直流电弧不偏弧，而且电流在钢水内部的流动中还有一部分电阻热对钢水进行加热，热效率高。

本发明的底阳极侧导电直流钢包炉的特点在于：

1、导电方式：钢包炉上部为一根石墨阴电极，钢包炉体底部侧面对称布置两个侧底阳极，下部两支电流经钢包侧壁对称汇总到钢包上部的石墨阴极上，形成对称的搅拌磁场，有利于钢水成分均匀。

2、侧导电钢包：钢包底部侧面对称的设有两个非金属与金属复合结构的导电块作为底阳极，两块底阳极对称的布置在钢包的侧面，既保证了钢包加热过程中电流的自下而上的对称分布，保证直流电弧不偏弧，而且电流在钢水内部的流动中还有一部分电阻热对钢水进行加热，热效率高。

3、复合结构侧底阳极：复合侧阳极主要有两部分组成：一是非金属部分，其主要材料为石墨、氧化镁和三氧化二铝；二是金属部分，它是由奥氏体不锈钢制作而成。非金属与金属复合成一体。

4、钢包车侧底阳极卡紧装置：钢包车两侧对称的设有侧底阳极加紧卡头，当钢包吊至钢包车上时，利用钢包自身的重力使两个夹紧卡头自行夹紧到钢包的侧底阳极导电块上，无需外加动力，节省能量；当钢包被吊走时，利用加紧装置中心的偏移，使加紧卡头自动打开，为下次钢包就位做好准备；这些动作，无需人工干涉，安全可靠。

本发明的底阳极侧导电直流钢包炉在精炼系统中的应用如图1所示：

精炼系统包括电源系统、升降机系统、水电气管线系统、本发明的底阳极侧导电直流钢包炉和仪表计算机检测系统。

电源系统包括变压器、整流电源、电抗器和短网。

升降机系统包括升降机驱动马达、升降机立柱、横臂、顶阴极夹紧装置和石墨电极。

其中整流电源将变压器输入的交流电转化为直流电，通过短网向石墨电极供电，并且经电抗器后接到大电流水冷开关的一端，向底阳极供电；钢包炉在加热精炼时，由于氩气搅拌等原因，钢水面波动较大，加热电流变化较大，对电源的冲击较大，有可能造成电源频繁跳闸而影响加热的效果，加电抗器的目的就是阻碍加热过程中电流的突然变化，减少电流的变化对电源的冲击，保证加热精炼的连续性；短网的作用是输送大电流的导体。

横臂固定顶阴极夹紧装置，升降立柱用于支撑横臂；升降机驱动马达用于与驱动立柱的升降；顶阴极夹紧装置主要用于卡紧和放松石墨电极，以调整石墨电极与钢水面的距离。

仪表计算机检测系统由操作站和网络系统组成，PLC系统采用西门子S7-300系统。

整个工艺设备采用PLC控制，在操作室设集中控制台，并在炉前设机旁操作箱，实现机旁和集中两种操作方式，LF炉采用自动和手动两种控制，正常生产采用自动操作，而调试、检修和故障时用机旁手动或半自动操作。

通过PLC控制系统分别对钢包炉本体各部分设备、动力介质系统及电极升降进行控制和调节，使各部分设备正常进行和保证电弧工作稳定。根据工艺操作需要可灵活调节输入功率，系统还具有自动起弧和防止电极插入钢水的保护功能和电极升降调节用手动/自动转换功能。

各组成部分主要功能包括如下：

1、PLC主要功能为：

1)各种信号采集：主要包括设备操作各种电气参数、钢水温度、冷却水及其它各种能源介质参数、气体搅拌参数、加热输入功率、物料添加参数(人工输入)等信号采集。

2)逻辑程序控制。

3)信号报警。

4)与计算机通讯。

5)向现场传输控制讯号。

2、管理控制级(上位机)的主要功能及监控画面：

由配有显示器的工控机和打印机等组成，实现LF炉自动控制系统的计算、管理、记录、显示等功能，在操作站上显示各种信号、参量、画面、储存数据、进行故障报警。提供报表打印等，并实现人机对话、发出指令、组成自动控制系统。

具体主要功能为：

1)主监控画面。系统运行后，自动进入此画面。该画显示炉体及阀站。阀站部分显示各气体的流量、压力和快速关断阀通断状态。该画面，还显示冷却水温度和压力，烟气气温度、钢水温度。

2)该画面下方显示下列监控画面的调用键：报警及操作记录画面，电流、电压、功率历史趋势画面(查询和打印)，气体流量、压力历史趋势画面(查询和打印)，冷却水温度、压力历史趋势画面(查询和打印)，调节及控制画面(控制各气体快速关断阀通断，设定调节流量或直接设定流量调节阀的开度)，设备参数设定画面(各报警值及延时时间设定，控制参数设定，升降快慢速速度设定，读、写、打印)，生产数据打印。

本发明的底阳极侧导电直流钢包炉与三相交流钢包炉相比，底阳极侧导电直流钢包炉具有以下优点：

1、石墨电极消耗大幅度降低，石墨电极的消耗仅为三相交流钢包炉的1/3左右。由于石墨电极作阴极，不存在因发射电子而形成的“阴极斑点”，因而电极端温度低。且直流电弧稳定地在电极端垂直地燃烧，并始终处于熔池的上方，消除了交流电弧偏斜燃烧而产生的电极端龟裂现象；单电极电弧炉一般采用与同等容量的三相交流电弧炉相同的电极直径，因此直流钢包炉内石墨电极的侧面积比交流电弧炉减少近2/3。交流钢包炉内每根石墨电极的侧面受其他两根电极的电弧辐射，侧面温度高。直流电弧炉燃烧稳定，熔化时大大减少了塌料及电极震动现象，机械性电极折断损失少。

2、电压波动和闪变小，对前级电网的冲击小。

3、只需一套电极系统，可使用与三相交流钢包炉同直径的石墨电极。

4、缩短冶炼时间，可降低熔炼单位电耗5％～10％。

5、噪声水平平均可减低10～15dB。

6、耐火材料消耗可减低40％左右，单电极直流钢包炉内电弧始终处在炉子的中心燃烧，一般无炉壁热点现象，炉壁的热负荷均匀，且电弧距炉壁远，因此炉壁，特别是渣线部位的热负荷比交流钢包炉小；底电极的寿命一般很高，一般与炉衬同步，不致引起耐火材料消耗的增加。

7、金属熔池始终存在强烈的循环搅拌。

8、投资回收快。

9、操作稳定，输入功率高、升温效率高，熔化均匀快速，生产率提高，烟尘排放量减少。

10、由于电化学的作用，使得精炼后钢水成品硫和氢含量进一步降低。

本发明的底阳极侧导电直流钢包炉与三电极或双电极上部导电直流钢包炉相比，底阳极侧导电直流钢包炉具有以下优点：

1、石墨电极消耗降低，冶炼成本低。由于采用一根石墨电极钢包上部的加热方式，石墨电极的消耗极为三电极加热方式的1/3～1/4左右，冶炼成本低。

2、钢水增碳小，适合加热精炼低碳和超低碳钢。由于采用单电极上部加热方式，无插入渣中的两根石墨电极，钢水增碳低，适合精炼超低碳钢。

3、操作简单，劳动强度低。无消耗型金属电极插入渣中，无金属电极消耗，无频繁的电极更换，无须加工金属电极和频繁地更换金属电极，减少劳动强度。

本发明的底阳极侧导电直流钢包炉与一般的单电极低导电的直流钢包炉相比，底阳极侧导电直流钢包炉具有以下优点：

1、底电极使用寿命长，安全可靠。由于它采用的是金属与非金属复合的结构的导电体，此导电体抗高温熔侵抗热振性好，电极的熔损速度慢，使用寿命长，安全可靠。

2、节省能源。由于采用了底阳极侧导电方式，钢包车两侧对称的设有水冷的侧底阳极加紧卡头，当钢包吊至台车上时，利用钢包自身的重力作用使两个加紧板卡头自行加紧到钢包的侧底阳极导电块上，无需外加动力，节省能量；当钢包被吊走时，利用加紧装置中心的偏移，使加紧卡头自动打开，为下次钢包就位做好准备；这些动作，无需人工干涉，安全可靠。

3、采用自行分离的大电流水冷开关，当钢包车运行到精炼工位时，开关自动合上，钢包车开出精炼工位时，开关自动断开，无须人工干涉，操作简单，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的底阳极侧导电直流钢包炉在精炼系统中的应用示意图，图中1、变压器，2、导电铜排，3、整流电源，4、电抗器，5、短网，6、水冷电缆，7升降机驱动马达，8、升降立柱，9横臂，10、顶阴极夹紧装置，11、石墨电极，12、包盖，13、钢包本体，14、侧底阳极自动夹紧装置夹紧卡头，15钢包车车体。

图2为本发明的底阳极侧导电直流钢包炉示意图，图中13、钢包本体，14、侧底阳极自动夹紧装置夹紧卡头，15、钢包车车体，16、侧底阳极导电块，17、钢包车驱动马达，18、大电流水冷开关，19、耳轴，20、侧底阳极自动夹紧装置转轴，21、钢包车支架。

具体实施方式

实施例1

底阳极侧导电直流钢包炉如图2所示，钢包车车体15上带有侧底阳极自动夹紧装置，侧底阳极自动夹紧装置有两个对称的夹紧卡头14，两个夹紧卡头14的底部用转轴20穿过，转轴20的两端固定于钢包车的两个夹紧卡头支架上，每个夹紧卡头的夹紧面上都连接有大电流水冷开关18，大电流水冷开关18外侧带有冷却水管，开关的一端与整流电源输出端连接，另一端与侧底阳极自动夹紧装置的两个夹紧卡头14的夹紧面连接。

钢包本体13底部侧面设有两个对称的侧底阳极导电块16作为底阳极，侧底阳极导电块16的材质为金属部分和非金属部分的复合结构，其中金属部分为奥氏体不锈钢，非金属部分的材质按重量百分比为含石墨10％，含氧化镁74％，含三氧化二铝16％，非金属部分镶嵌在金属部分的沟槽内，并处在钢包本体内部，而金属部分不接触钢包内的钢水，工作时非金属与钢水接触，它既有良好的导电性能，又耐高温，最高耐温为1800℃；金属部分与外部的大电流水冷开关18和夹紧卡头14相连接，强度高，寿命长。侧底阳极导电块15金属部分与钢包外壁的连接方式为：用螺栓将侧底阳极导电块15固定在钢包本体13上；拆卸时将螺栓拧下即可拆下侧底阳极导电块16；安装、拆卸非常方便；而且这种底阳极连接方式对钢水不造成任何污染，可以精炼低碳钢和超低碳钢。这种设计的优点在于，它既有非金属的耐高温特性，又具有金属强度高、韧性好的特性，因此，钢包使用寿命长，强度高，钢包吊运、操作方便、安全可靠。

钢包本体13外侧带有悬挂箱，水、氩气、电缆等管线经滑车架接入悬挂箱，然后再分给各相应部位；滑动水口在钢包本体13底部靠近钢包壁附近，底吹氩装置包括吹氩管和氩气连接装置，其中吹氩管设在钢包本体13底部中心位置，氩气连接装置可连通氩气管线和吹氩管。

水管线可通过悬挂箱接入大电流水冷开关18外侧的冷却水管。

当进行精炼操作时，钢包被吊到钢包车上，钢包底部压到夹紧卡头14底部，耳轴19落入钢包车支架21中但不压在钢包车支架21上，钢包自身的重力使两个夹紧卡头14通过转轴20旋转，夹紧卡头14的夹紧面连同大电流水冷开关18夹紧到钢包的两个侧底阳极导电块16外端的金属部分；在升降机的作用下，石墨电极11通过钢包包盖孔进入钢包内，整流电源3将交流电转化为直流电，并给石墨电极11和底阳极供电，同时大电流水冷开关的冷却水管通入冷水；石墨电极11的端头与钢水之间的空气被击穿，产生高温电弧，从而使钢包内的钢水被加热。

当精炼完成时，在升降机的作用下，石墨电极11从钢包内离开，钢包从钢包车上吊起，利用夹紧装置重心的偏移，夹紧卡头14自动打开，大电流水冷开关18随之与侧底阳极导电块16分离，电源被切断，为下次钢包就位做好准备。

设备经两年的现场应用达到如下效果：

1、石墨电极消耗大幅度降低。石墨电极消耗仅为三相交流钢包炉和普通的直流钢包炉的1/3～1/4左右。

2、噪音较小，弧长短，埋弧好，升温速度快。在造好泡沫渣的情况下，加热电流非常平稳；噪音较小，弧长短，埋弧好；加热升温速度较快，在直流电压为78.1V、加热电流为4.1～5.8KA时，最大升温速度可达6.2℃/min。

3、钢水增碳小，适合加热精炼低碳和超低碳钢。精炼X80管线钢，经过45min的加热精炼，钢水增[C]仅为0.0139％。

4、钢包耐火材料消耗低。经过9次精炼试验后观察包衬的变化发现，包衬侵蚀速度非常慢，无论从渣线还是盛钢水部位，没有发现明显的侵蚀沟痕现象。耐火材料消耗仅为普通钢包炉的1/3～1/4左右。

5、热效率高，节省能量。由于加热电压低，仅为74V～90V，弧长短，埋弧好，热量损失少，热效率高；利用钢包的重力使得钢包车卡头自动卡到钢包两个侧底阳极上，无需另外供电，节省能量。