一种直流电弧等离子体电炉装置及其工作方法

本发明涉及高温工业炉设备，属于直流电弧等离子体电炉领域，更具体地讲，涉及一种直流电弧等离子体电炉装置。

背景技术：

1、等离子体技术起源于20世纪初对气体放电的研究，20世纪80年代后逐步工业化，等离子体作为物质的第四态，由电离气体产生，具有高能量密度和活性粒子（电子、离子），可用于高效能量传递与化学反应诱导。在工业应用发展历史上，1969年日本开发首台等离子感应炉（pif），结合感应加热与等离子电弧，实现惰性气氛下高纯度金属熔炼。

2、等离子炬主要由阴极部件和阳极部件之间产生的电弧对流通其中的气体进行电离，电离的过程将气体等离子体化，等离子态下气体具有良好的流动性、扩散性、导电性和导热性。等离子体炬亦称等离子体发生器或等离子体加热系统，等离子体炬通过平衡电离产生的热等离子体的温度可达6000℃以上，与气体混合后可以形成2000℃的高温热源，弧心温度更是高达30000℃以上。等离子体直接穿透物料，传热效率更高，热量分布更均匀，更易控制炉内气氛。热等离子体不仅可以在氧化性、还原性和惰性气体等环境下工作，而且具有比燃烧方式更高的温度和功率密度，再加上等离子体具有流体与电磁的双重属性，使得等离子体炬可以广泛用于工业领域。

3、热等离子体炬主要是将电能转化成热能，由于材料限制及结构设计的缺陷等原因，等离子体炬的使用寿命有限，严重制约了等离子体炬的技术发展。

4、工业上使用电炉所存在的问题一般为热负荷低，炉型无法做大，处理规模小，单炉产能低，同时炉内空间温度场不均衡影响物料受热，传统等离子炬炉炉型无法做大、处理规模小、单炉产能低。直流电弧等离子体电炉除了温度场不均匀引起的强制对流和自然对流以及电磁场的搅拌，还存在等离子体射流或气-粉射流引起的熔体流动，交流炉就由于极性的交替变化无法形成高速射流。射流引起的液体流动方向与电炉熔池内的大致以电极端为中心向外形成的温度梯度所引起的热运动方向基本一致，亦即射流具有在原来基础上叠加强化的作用，而交流电炉在熔池的电极外侧存在的热力流动方向与电磁力流动方向相反而相互削弱导致搅拌乏力，因此直流电弧等离子体电炉温度分布更均衡，搅拌更充分。在直流电弧等离子体电炉中需用一氧化碳或氮等作为等离子工作气体，能更好地满足产品提纯或氧化物还原的冶金过程。

5、直流电炉如今已扩展应用到冶金与材料科学及固废处理领域，用于高熔点金属（如钨、钼）、超硬合金、非晶合金的熔炼与精炼，陶瓷、复合材料的烧结（如放电等离子烧结技术sps），金属及非金属纳米材料制备，通过高温等离子体实现危险废物（如医疗垃圾、电子废料）的无害化处理与资源化回收，例如等离子体列管式燃烧炉可将有机废物完全裂解为玻璃化渣和可回收金属。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能实现等离子体能量密度梯度叠加、电弧稳定性高、强电磁搅拌作用、排气效果好的一种直流电弧等离子体电炉装置，能够有效提高设备能量利用率、显著降低电极消耗，可延长等离子体电炉的使用寿命。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种直流电弧等离子体电炉装置包括炉体，所述炉体包括炉顶、炉壁和炉底，所述炉顶的中心设有第一等离子炬阴极组件，多个第二等离子炬阴极组件设置在炉顶并均匀环绕所述炉顶的中心分布，所述第一等离子炬阴极组件和所述第二等离子炬阴极组件包括中空的进料通道。

4、所述第一等离子炬阴极组件和第二等离子炬阴极组件具有中空的等离子炬阴极，等离子炬阴极为单个大型空心圆柱电极，第一等离子炬阴极组件和第二等离子炬阴极组件的进料通道可以同时进料，也可以其中一个或几个进料，所述等离子炬阴极朝下指向所述炉体的中心，驱动件与第一等离子炬阴极组件和第二等离子炬阴极组件动力连接，并用于调节所述等离子炬阴极与炉底阳极的间距，所述炉底的中心设有炉底阳极，所述炉体从外至内依次包括钢外壳、保温材料层、绝热材料层以及耐火材料层。

5、所述直流电弧等离子体电炉装置还包括或连接有等离子体电源，其为直流电源，其负极与所述第一等离子炬阴极组件和第二等离子炬阴极组件电连接，正极与炉底阳极电连接。

6、所述第一等离子体炬阴极组件和第二等离子体炬阴极组件分别包括气体通道，所述气体通道同轴套装在所述进料通道外，所述气体通道可作为工作气体的通道，工作气体可以有强化以及改善燃烧效率作用，所述直流电弧等离子体电炉装置还包括或连接有供气装置，其输出端与所述气体通道连通，所述气体通道配备切向进气口结构，所述切向进气口结构包括一个圆形的涡流室，以及与圆形的涡流室切线连接的喷嘴用于进入气体，喷嘴的孔径远小于涡流室直径，起到节流孔板的作用，维持涡流室内的压力梯度稳定，切向进气口沿腔体切线方向接入，而非径向正对中心，能将气体的直线动量转化为旋转动量，气流沿腔体内壁做圆周运动，环形腔壁约束气流无法直线穿出，迫使气流沿圆周方向持续旋转，气流在涡流室内沿轴向螺旋前进，当高压气体沿切线方向进入涡流室后，高速旋转的气体在离心力作用下被持续甩向腔壁，气体在涡流室中心区域压力显著降低，这是旋流效应的产物。切向进气口结构可引导气流沿切线方向进入腔体，强制形成高速旋转气流流场（涡流/旋流），利用离心力实现颗粒分离、混合强化或改善燃烧效率。

7、所述进料通道通入的物料和所述气体通道通入的气体均从所述等离子炬阴极的中空通道进入所述炉体的中心。

8、所述直流电弧等离子体电炉装置还包括或连接进料装置、通风系统、冷却系统、尾气循环系统。

9、作为优选的技术方案，等离子炬位于炉顶中心和/或多个等离子炬以中心轴向分布，可通过功率需求与炉膛尺寸来进行设计安装。

10、进一步地，所述第一等离子炬阴极组件和第二等离子炬阴极组件通过精密丝杠调节并配备动态补偿机构驱动机构，可以倾斜调整角度决定等离子体射流方向，加热炉内不同区域，还可以驱动等离子炬阴极前进后退同炉底阳极保持一定间距，避免熔炼过程中电弧中断或发生短路；

11、进一步地，等离子炬阴极冷却水管道采用双层不锈钢水冷套，流量≥5 l/min，并配备流量传感器与温度报警器；

12、进一步地，等离子炬阴极冷却水管道上一端固定连接阴极接线柱，另一端连接可拆卸阴极端头（一般为石墨），方便更换，阴极冷却水管道外壁套接绝缘组件。

13、进一步地，所述等离子炬为空心圆柱电极，中空设置可作为加料通道和载气通道，所述载气即在输送物料的同时通入气体，可利用气体作为载体输送物料，防止沉积堵塞以及辅助粉体物料流态化提升流动性，空心电极具有压缩电弧、提高电弧温度、增强燃弧稳定性和弧柱定向性、防止偏弧以及可以降低电极消耗等的作用。

14、进一步地，电源系统采用直流电，输入10000 v以上的等离子体工作电源，集成pid控制模块以稳定电弧，总功率可达兆瓦级别；

15、进一步地，通风系统调节进料载气量供应与废气排放，确保熔炼冶金所需的气体氛围用于稳定等离子体并维持炉内压力平衡，确保炉内工作压力为一定负压；通过烟道排出尾气进入循环系统进行余热利用。

16、本发明还公开了一种直流电弧等离子体电炉的工作方法，包括以下步骤：

17、(1)将包括含精矿、矿渣、金属粉体、助熔剂和还原剂在内的物料配料后投入第一等离子炬阴极组件和第二等离子炬阴极组件的进料通道，所述进料通道同时配备载气以输送所述物料以及冷却电极。所述第一等离子体炬阴极组件和第二等离子体炬阴极组件分别包括气体通道，所述气体通道同轴套装在所述进料通道外，所述工作方法还包括在所述进料通道输送物料的同时，向所述气体通道输送工作气体，以使所述工作气体进入所述炉体，所述气体通道配备切向进气口结构，气体通过切向进气口结构可形成高速旋转气流流场（涡流/旋流），实现物料分散并混合均匀，强化以及改善燃烧效率。启动驱动件，驱动等离子炬阴极向炉底阳极移动，并使阴极与炉底阳极以及熔料之间保持一定的间距，实时监测等离子炬阴极的烧蚀状态。

18、(2)物料在等离子体炉内下落过程中经过等离子炬弧区，在热辐射作用下，物料熔融滴落在炉底形成熔池，同时可控制炉内气氛为还原性或氧化性实现物料在下落过程中的还原或氧化。在熔池内熔体通过电磁场的电磁力作用以及温度场分布不均引起强制对流和自然对流，更重要的是中空电极加料式或多个中空电极等离子炬通过等离子体射流和气-粉射流引起的熔体流动，使熔体搅拌更均匀，反应更充分。

19、（3）等离子体炉的底部上层得到炉渣以间歇溢流方式排出，等离子体炉的底部下层得到金属液以间歇方式排出；等离子体炉的尾气由尾气排放口排至循环利用系统，实现尾气余热利用以及烟气处理。与现有技术相比，本发明的有益效果包含以下中的至少一项：

20、（1）本发明相比交流电炉熔池搅拌更充分，交流电炉为横向搅拌，直流电炉熔池引入了等离子体射流或气-粉射流引起的熔体流动，为纵向搅拌，因此直流电炉排气效果好，泡沫渣量少，反应更充分，热效率高。

21、（2）本发明能量利用率高，交流电炉在熔池的电极外侧热力流动方向与电磁力流动方向相反，相互削弱了熔池的搅拌作用，且交流电弧由于极性的交替变化形成不了高速射流。而直流电炉射流引起的液体流动方向与电炉熔池内的大致以电极端为中心向外形成的温度梯度所引起的热运动方向基本一致，即射流具有在原来熔体流动基础上叠加强化的作用，因此能量利用率更高，产能较交流电炉高10~15%。

22、（3）本发明电弧稳定性更高，交流电炉中交流电弧每秒需重复点燃/熄灭100次（频率50 hz），导致电弧不稳定，易引发短路和对电网的“闪烁效应”（电压波动），同时交流电炉会产生涡流电阻率变化大，易引发短路，而直流电弧为连续单向电流，稳定性显著提升。

23、（4）本发明电极消耗显著降低，直流电炉仅需一根顶电极（阴极），而交流电炉需三根电极，直接减少电极使用量；同时交流电炉电极需插入熔体，冲刷侵蚀更加严重，而直流电炉电极无需与熔体接触，大幅延长电极使用寿命。同时直流电弧长度较长，电极与熔池不接触，防止碳元素污染。

24、（5）本发明使用空心圆柱电极等离子炬，具有压缩电弧、提高电弧温度、增强燃弧稳定性和弧柱定向性、防止偏弧以及可以降低电极消耗等的作用。

25、（6）本发明等离子炬电极中空可加料和载气，载气可用一氧化碳或氮气作为载气，载气可以起到输送所述物料以及冷却电极的作用，该一氧化碳或氮气的载气气体同样起到了在专门的等离子冶金中的等离子工作气体的作用，即能更好地满足产品提纯或氧化物还原的冶金过程。同时，所述第一等离子体炬阴极组件和第二等离子体炬阴极组件分别包括气体通道，所述气体通道同轴套装在所述进料通道外，该气体通道可输入别的工作气体，例如保护气和反应气体等起到强化以及改善燃烧效率作用。所述等离子炬阴极为单个中空的圆柱电极，所述进料通道通入的物料和所述气体通道通入的气体均从所述中空的圆柱电极进入所述炉体。

26、（7）本发明相较于其他设备制造，单电极、阴阳极接通设计减少电缆用量，降低阻抗损耗，直流电弧产生恒定方向磁场，驱动熔池强制搅拌，促进成分均匀化，直流电弧集中且炉壁受热均匀，减少炉衬侵蚀，直流电弧热效率更高，且电磁搅拌减少熔池温度梯度，降低热损失，能耗与运行成本更低，因此可大型化，适用于工业化生产，在直流中空电极等离子体进料电炉设备领域，具有推广应用价值。

27、（8）本发明的气体通道配备切向进气口结构，所述切向进气口结构包括一个圆形的涡流室，以及与圆形的涡流室切线连接的喷嘴用于进入气体，喷嘴的孔径远小于涡流室直径，起到节流孔板的作用，维持涡流室内的压力梯度稳定，切向进气口沿腔体切线方向接入，而非径向正对中心，能将气体的直线动量转化为旋转动量，气流沿腔体内壁做圆周运动，环形腔壁约束气流无法直线穿出，迫使气流沿圆周方向持续旋转，气流在涡流室内沿轴向螺旋前进，当高压气体沿切线方向进入涡流室后，高速旋转的气体在离心力作用下被持续甩向腔壁，气体在涡流室中心区域压力显著降低，这是旋流效应的产物。切向进气口结构可引导气流沿切线方向进入腔体，强制形成高速旋转气流流场（涡流/旋流），利用离心力实现颗粒分离、混合强化或改善燃烧效率。