一种一次燃烧辅助加热电弧炉炼钢设备的制作方法

1.本实用新型属于冶金技术领域，特别涉及一种一次燃烧辅助加热电弧炉炼钢设备。


背景技术：

2.我国是世界产钢第一大国，而且都是以长流程为主。长流程钢铁冶炼工艺的碳排放量远大于短流程的电弧炉冶炼工艺，所以我国在今后的发展上一定会逐渐限制长流程，鼓励发展短流程。但是我国目前的主体电力还是来自于火电，经过二次能源转换，能源利用率低，火力发电的能源转化率仅在40％左右，且排放量仍然很大，而且很多传统电弧炉炉气余热利用不好，因此导致电耗偏高，综合碳排放量仍然偏高，因此需要开发低碳节能的短流程技术，提高能源利用率。
3.目前电弧炉也设有喷煤枪，但是目的是为了造泡沫渣；也设喷氧气枪，目的是加速废钢熔化和升温，但是是以钢铁料烧损为代价的。因此废钢金属收得率只有90％左右。
4.目前很多废钢预热尾气的治理也存在问题，硫、硝、二噁英都没有处理，造成排放超标。电弧炉的烟气温度波动太大，目前的烟气治理技术无法适应电弧炉烟气。
5.为解决上述问题，我们开发了一种低碳环保的电弧炉冶炼工艺及设备。可以取得很好的节能低碳环保效果。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种一次燃烧辅助加热电弧炉炼钢设备，选择增加在电弧炉内的一次能源燃烧来补充热能，采用一次能源替代二次能源，以获得更大的减炭效益，燃料选择煤或燃气等，根据当地的资源情况确定。传统废钢加热通常是烟气进入通道和废钢下料通道共用。这样会造成第一层机械手承受的温度高，材料难选择。采用水冷，会有安全隐患。同时熔化的废钢也容易造成机械手粘接。为此我们采用废钢下料和烟气进入竖炉分道通行。即废钢下料通道不走烟气，烟气单独通过烟道进入竖炉。为布气均匀，竖炉采用环形烟道多支管进入炉内。
7.为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
8.一种一次燃烧辅助加热电弧炉炼钢设备，包括相连接的电弧炉1和废钢预热竖炉2，所述的电弧炉1上方设有排烟管3，所述的排烟管3与废钢预热竖炉2连接。
9.由于电弧炉几何尺寸高度低、空间小的缺点，燃烧炉气换热时间短，燃烧的热量不能充分利用，这是制约电弧炉内燃烧的根本原因。因此在电弧炉后增加废钢预热竖炉，让逃逸的高温烟气加热废钢，通过与废钢换热，降低排烟温度，提高能源利用率。
10.通过废钢预热提高入炉废钢温度，缩短废钢熔化时间，既缩短了冶炼周期，也降低了二次能源-电的消耗。
11.所述的电弧炉1炉壁轴向上方间隔均匀设有若干个强还原性气体喷嘴5，轴向下方间隔均匀设有若干个氧煤枪/氧燃抢4。
12.所述的废钢预热竖炉2包括上部竖直通道和底部斜下料通道，所述的废钢预热竖炉2设置在电弧炉1的斜上方，二者通过斜下料通道连接。
13.所述的废钢预热竖炉2炉底设有旋转翻板阀8，并配合设置锁定插销。
14.所述的废钢预热竖炉2竖直段通道为n段式预热通道，具体的，由下向上依次包括一层废钢预热段，二层废钢预热段，
…
，n层废钢预热段，n＝2-4。
15.所述的废钢预热竖炉2竖直段通道由下向上依次设有第一层机械手10-1，第二层机械手10-2，
…
，第n-1层机械手，所述的旋转翻板阀8与第一层机械手10-1之间形成一层废钢预热段，所述的第二层机械手10-2与第一层机械手10-1之间形成二层废钢预热段，
…
，所述的第n-1层机械手以上形成n层废钢预热段。
16.所述的废钢预热竖炉2的竖炉段n段式预热通道中的一层废钢预热段，二层废钢预热段，
…
，n-1层废钢预热段侧壁底部均设有环形烟道，所述的环形烟道一端通过支气管与废钢预热竖炉2连接，另一端与排烟管3连接。
17.与第2层废钢预热段侧壁底部环形烟道连接的排烟管/连接烟道3上设有耐高温耐材阀门12，所述的耐高温耐材阀门12与该层环形烟道之间设有二次燃烧室13。
18.所述的各层机械手用于托扶废钢，为避免竖炉废钢料层太高对下部废钢静压力太大，恶化透气性，同时为了出料方便，废钢预热竖炉2设各层机械手将废钢分层加热。根据电弧炉容量、常用废钢品种和机械手承重能力设计分层数。以三层为例描述废钢分层预热过程如下：在设备运行过程中，第一层废钢落在炉底旋转翻板阀8上，第二层废钢用第一层机械手托扶，第三层废钢用第二层机械手托扶，每层废钢量按照电弧炉装入量的二分之一设计，每炉废钢分两次加入。
19.所述的第一层机械手与第一层废钢料顶之间设有二次燃烧段，所述的二次燃烧段配合设有助燃气体喷吹系统。
20.在第一层废钢顶与第二层废钢底之间设置助燃气体喷嘴，此处设置一支小型氧燃枪，作为点火器使用，氧燃枪位置尽量远离机械手。
21.第一层废钢接受烟气温度最高，当下部废钢加热到软化温度时，由于废钢软化变形密度增加，整个竖炉系统阻力会增加，当阻力达到设定限值时，控制系统启动打开连接烟道上的耐高温耐材阀门12，绝大部分烟气会直接进入第二层废钢区。由于此时烟气不再经过炉内二次燃烧段，为此在耐材阀门后进入上环形烟道9-2前设置了二次燃烧室13，未燃尽燃气在进入上环形烟道9-2前在二次燃烧室13内燃烧，控制过氧系数，避免废钢氧化。
22.所述的二次燃烧段助燃气体喷入量受炉顶一氧化碳浓度控制，喷入至炉顶一氧化碳浓度达到不超过当地环保排放标准，所述的废钢预热竖炉2炉顶设一氧化碳检测仪，随时获得炉顶一氧化碳浓度。
23.所述的废钢预热竖炉2竖直段各层废钢预热段高度按照工艺要求的每次废钢加入量设计，要充分考虑废钢密度的变化和下料造成的堆密度变化，避免彭料造成的设备无法正常运行，废钢要相对稳定。
24.所述的斜下料通道上设有耐材密封阻隔阀7，以防止斜下料通道串气和电弧炉1辐射热对废钢预热竖炉2底部设备造成高温伤害。
25.所述的废钢预热竖炉2的炉顶设有加料等静压室14，炉顶侧壁连接有竖炉排烟管道，所述的竖炉排烟管道上依次设有管道反应器15，除尘器16，引风机17和烟囱18，引风机
入口设有放气阀19，所述的烟囱18，按照当地环保要求设计合理高度。
26.所述的废钢斜下料通道与电弧炉1炉体之间设有间隙，并通过密封系统6封闭；所述的排烟管3与电弧炉1炉体之间设有间隙，并通过液压密封环11封闭，以便于电弧炉出钢、出渣等转动操作，在电弧炉需要倾动时，打开封闭系统，电弧炉可以自由实现倾动作业。
27.所述的废钢预热竖炉2的斜下料通道与电弧炉1加料口之间留有移动间隙，用密封系统6封闭连接，所述的斜下料通道中间设有耐材阻隔阀7。
28.所述的设备当为三层预热段设计时，在旋转翻板阀8上300-600mm处设下环形烟道9-1，并用支气管与竖炉内连接，一是避免高温烟气对炉底设备造成高温伤害，二是避免有少量废钢熔化造成炉底设备粘接，具体距离根据烟气温度、烟气量、冶炼周期及废钢类型而定。在设计第一层废钢最高处上200-300mm处设第一层机械手10-1；在第一层机械手10-1上200-400mm上设上环形烟道9-2，并用支气管与竖炉内连接；根据所选废钢堆密度和炉子截面积，计算出第二层废钢顶部高度，留一定安全距离设第二层机械手10-2，托扶第三层废钢；根据第三层废钢高度，再考虑卸料机构需要在废钢预热竖炉2炉顶设置加料等静压室14；加料等静压室14设上层封闭板和下层封闭板。
29.所述的一次燃烧辅助加热电弧炉炼钢工艺，采用上述设备，包括以下步骤：
30.(1)电弧炉运行过程中，获得高温烟气，经排烟管3并联通入一层废钢预热段～n-1层废钢预热段，同时向废钢预热竖炉2内不同预热段，分批加入废钢，下层烟气不断向上，对层层废钢进行加热，最后烟气通过与废钢换热后降至80-150℃，从竖炉的排烟口排出，动力来自于后部引风机。
31.(2)整体设备运行平稳后，在电弧炉上部通过喷嘴5向电弧炉内喷吹强还原性燃气，还原脱除电弧和下部氧燃枪燃烧产生的氮氧化物，并与下部氧燃枪过剩氧气燃烧，降低氧气氧化性，减少废钢烧损。未反应完的还原性气体在二次燃烧段或二次燃烧室被燃烧掉。
32.(3)在第一层废钢加热温度到软熔点时，底部废钢受压密度增加，系统阻力迅速增加，当达到设计限值时，启动二次燃烧室13前的耐高温耐材阀门12，绝大部分烟气会直接进入上部环形烟道，直接加热第二层及以上层废钢，在阀门12启动同时启动二次燃烧室13的助燃风系统，助燃风系统与竖炉内二次燃烧段助燃风系统共用，设切换阀，助燃风量同时受控于竖炉排烟口烟气检测系统检测的一氧化碳浓度；
33.(4)电弧炉出钢前，停止氧燃枪和强还原燃气喷吹，停止引风机，或开到最低档，并在引风机前设置进风阀门，避免废钢预热竖炉系统进入空气，造成废钢氧化。避免频繁调整变频系统。打开废钢下料通道和烟气通道与电弧炉炉体之间的密封系统，倾动炉体出钢；
34.(5)出完钢后，封闭废钢下料通道和烟气通道与电弧炉炉体之间的密封系统6，打开废钢下料通道的耐材密封板，拔出废钢预热竖炉2炉底的旋转翻板阀插削，启动旋转翻板阀8，废钢落入电弧炉1，为减轻废钢对炉底冲击，留钢操作；
35.(6)完成废钢加入后，关闭旋转翻板阀8，插上插销，恢复耐材密封阻隔阀7到保护状态，撤出第一层机械手，将第二层废钢放到炉底，然后恢复第一层机械手到托扶状态，撤出第二层机械手，将第三层废钢放到第一层机械手上，恢复第二层机械手到托扶状态；完成整体工艺过程。
36.所述的步骤(1)中，电弧炉烟气中氮氧化物还原为氮气，脱除。
37.所述的步骤(1)中，电弧炉的电弧温度极高，原料带入的空气和由于炉子封闭不严
进入炉内的空气，在高温热环境中，氮气会氧化产生氮氧化物。炉内二次燃烧也会产生氮氧化物。电弧炉烟气的温度波动太大，很难找到合适的区段进行常规烟气脱硝。因此目前的电弧炉烟气都没有做烟气脱硝。为解决这个难题，我们采取强还原剂还原法脱硝，通过电弧炉内上部强还原性气体喷嘴5对炉内喷吹强还原性气体。如天然气、焦炉煤气等。在高温环境下，氮氧化物会被还原性强的气体迅速还原成氮气而被脱除。
38.所述的步骤(1)中，具体向废钢预热竖炉2炉顶的加料等静压室，在向加料等静压室加废钢时，打开上封闭板，加完废钢后关闭上封闭板，在向废钢预热竖炉2内加废钢时，打开下封闭板，保证炉顶不泄压。
39.所述的步骤(1)中，在第二层机械手恢复到托扶状态时，打开等静压室的下封闭板，废钢落到第二层机械手后，下封闭板恢复到封闭状态，可以继续打开上封闭板，向等静压室加料，加完废钢后关闭上封闭板，强化炉顶密封。
40.所述的步骤(2)中，剩余未燃尽的还原性燃气进入竖炉，由于有过剩的还原性气体存在，避免了竖炉高温区的废钢氧化。选择竖炉温度550-800℃区间段鼓入空气做二次燃烧。这个温度燃气具备燃烧条件，废钢又不易氧化。
41.所述的步骤(2)中，电弧炉的氧煤枪或氧燃枪4，根据当地资源优势选择燃料，强还原性燃气为天然气或焦炉煤气等如果选择的燃气是天然气或焦炉煤气，可以通过调整炉内燃烧的氧燃比达到控制氮氧化物的目的，这样就可以取消强还原性气体喷嘴5；在选择煤做燃料时要尽量选择低硫、低磷、低灰分的，电弧炉造渣时要考虑灰分对炉渣碱度和有害成分的影响。
42.所述的步骤(2)中，由于增加了一次燃烧，所以烟气的硫会增加，需要处理，由于废钢上会有涂料、油脂类物质，预热时会有二噁英应、苯并芘等有害气体产生，向管道反应器15内喷吹表面活性吸附材料，脱硫、除二恶英和苯并芘；除尘器16一并用于捕捉管道反应器喷吹的表面活性物质和竖炉系统的尘；引风机17用于为整个系统提供运行动力，根据整个系统阻力、烟气量选择合适风机。风机引风强度的控制信息来自于电弧炉的压力传感器，控制在炉内微负压或微正压。根据冶炼工艺需要控制；处理后的烟气通过烟囱18达标排放，所述的表面活性吸附材料选择活性炭粉。
43.所述的步骤(2)中，根据整个系统烟气阻力和烟气量选择设计引风机，引风机电机选择变频电机。变频风机控制以保持电弧炉口微负压点，因为炉内有过剩燃气，少进一点空气不会破坏炉内气氛，这样可以避免炉气泄露。
44.所述的步骤(2)中，采取二次燃烧工艺，即炉膛内采用低氧燃比燃烧，让炉气呈还原性，减少预热废钢的高温烧损，如果燃料是固体炭质燃料，可在电弧炉上部补吹部分强还原性燃气，将烟气中的氮氧化物还原掉，未燃尽的一氧化碳及补充喷吹的强还原性燃气，在第一层废钢料顶与第二层废钢间的空料段进行鼓风二次燃烧。在二次燃烧段设常燃小型氧燃枪点火用。由于此处温度较低，做二次燃烧废钢烧损量会很少，该温度燃烧基本不产生的燃烧型氮氧化物。
45.所述的步骤(2)中，通过耐材阻隔阀7与二次燃烧室13的配合涉及，实现废钢分段加热，以提高废钢的整体温度。因为底部废钢加热温度不能太高，否则废钢会软化粘连，影响竖炉透气性，受下部升温限制，上部废钢温度就无法加热太高。也可以解决冶炼不正常时延长废钢预热时间，造成的系统阻力增加，致使排烟系统无法工作问题。根据这个原理，可
以采取每层小批量废钢，多个二次燃烧室的办法，提高废钢整体预热温度。
46.所述的步骤(2)中，采取二次燃烧工艺，二次燃烧段以下都是还原性气氛，如果预热废钢是含锌高的破碎料，在二次燃烧前将部分烟气引出做锌回收。
47.所述的步骤(2)中，采取二次燃烧工艺，二次燃烧段前烟气是还原性气氛，炉内电弧高温产生的氮氧化物和燃烧时产生的氮氧化物都会被还原成氮气，上部二次燃烧温度较低，不会再产生氮氧化物，因此烟气的氮氧化物可以控制到很低。解决了电弧炉氧气无法脱硝难题。
48.所述的步骤(2)中，整体设备运行初始，由于整个系统温度低，二次燃烧段温度低，无法实现二次燃烧，此时不要喷吹强还原性气体，可适当增加氧气比例，保证排放烟气的一氧化碳浓度达标。因为此时废钢温度低，废钢烧损不严重。避免燃气逃逸；在二次燃烧段设置一个常燃小型氧燃枪，起到点火助燃的作用；二次燃烧的助燃风喷入量受控竖炉排烟口烟气检测系统检测的一氧化碳浓度；待设备进入正常运行时，启动喷吹强还原性气体。
49.所述的步骤(4)中，在电弧炉停止喷煤喷气及出钢时，为防止废钢预热系统吸入空气，变频风机的转速会降得很低或停止引风，变频风机不适合频繁停启，为便于调控对竖炉的引风压力，在除尘器16与引风机17之间的管道上设一放气阀19，避免调频风机频繁启动。
50.所述的工艺中，第一层机械手采用风冷。因为二次燃烧的燃气量很少，一般温度不会太高，风冷就可以满足，最好不用水冷；
51.废钢的装料制度到考虑机械手的托扶漏料问题，同时也要考虑环形烟道进气处的透气性问题，此处不要装透气性差的破碎料和轻薄料。
52.本实用新型的有益效果：
53.本实用新型的设备在结构设计基础上，通过增加二次燃烧热源，能够明显提高废钢整体入炉温度，解决了废钢预热温度高时造成的系统阻力激增，甚至造成系统无法运行问题，综合实现减排、降本效果，降低钢铁料烧损。
附图说明
54.图1为本实用新型实施例1的一次燃烧辅助加热电弧炉炼钢设备结构示意图，其中：
55.1-电弧炉，2-废钢预热方形竖炉，3-连接烟道，4-氧煤枪，5-强还原性气体喷嘴，6-液压密封系统，7-耐材密封阻隔阀，8-对开旋转板阀，9-1下环形烟道，9-2上环形烟道，10-1第一层机械手，10-2第二层机械手，11-液压密封环，12-耐材阀门，13-二次燃烧室，14-加料等静压室，15-管道反应器，16-除尘器16，17-引风机，18-烟囱，19-放气阀。
具体实施方式
56.实施例1
57.某电弧炉短流程钢厂有75吨超高功率电弧炉一座，为降低成本提高产能，原来设有钢包氧燃枪加热废钢。热效率不到40％，废钢烧损11％以上，烟气只有除尘，硫、硝、二噁英都超标。由于环保不能达标，被当地环保部门关停。由于没有废钢加热，冶炼周期无法满足连铸工序要求，经常出现断浇现象，导致成本增高。为解决废钢预热问题，采用本专利技术和设备。
58.一次燃烧辅助加热电弧炉炼钢设备，其结构示意图如图1所示：设备详细结构如前述实用新型内容部分所记载，在75吨电弧炉1的炉壁设四支氧煤枪4、两支天燃气喷嘴5，在电弧炉的侧上方建一座废钢预热方形竖炉2，炉内耐材边长2米，废钢最低堆比重按2.0吨/立方米设计。在电弧炉炉盖上开2米方口，用于废钢加料；竖炉内废钢分三层，设两层机械手10-1、10-2，每层废钢预计有35-40吨。每炉冶炼分两次加入废钢；
59.竖炉炉底设旋转翻板阀8，旋转翻板阀8设有锁定插销，第一层机械手10-1设在距离炉底炉底设旋转翻板阀8的6米高处，第二层机械手10-2距离第一层机械手10-1为5.5米，废钢预热竖炉2炉顶与第二层机械手10-2为6米；
60.竖炉底部与电弧炉的废钢加料口用斜滑道连接，电弧炉废钢加料口设密封座与废钢斜滑道之间留有一定间隙，用液压密封系统6密封，在电弧炉倾动出钢出渣时，液压密封板6自动打开；在斜滑道上设耐材密封阻隔阀7，阻隔电弧炉辐射热、防止高温烟气泄露，保护竖炉炉底设备；
61.以三段式预热通道为例，在废钢预热竖炉2距离炉底500mm、6300mm处上部分别设下环形烟道9-1和上环形烟道9-2，上下环形烟道与竖炉内用四周布置的支气管连接；下环形烟道和上环形烟道与电弧炉排气口用连接烟道连接。
62.下环形烟道9-1和上环形烟道9-2与电弧炉排气口用连接烟道3相连接，在连接烟道3进入上环形烟道9-2前设二次燃烧室13，在二次燃烧室13前的连接烟道3上设耐材阀门12，在第一层废钢料顶与第一层机械手之间设炉内二次燃烧段，炉壁每面布置3支助燃气喷嘴，在二次燃烧段补吹助燃气燃烧掉未燃尽燃气，由于补气量不大，为调整方便，助燃气体选择压缩空气，喷入助燃气体量根据炉顶排烟口一氧化碳气检测仪检测的一氧化碳浓度调整。耐高温耐材阀门12的指挥系统受系统阻力限制，所述的耐高温耐材阀门12连接指挥系统，所述的指挥系统能够进行设备压力检测，当检测到的负压值达到设定值时，指挥系统自动打开耐材阀门12，二次燃烧室13的助燃气体系统与炉内二次燃烧段的助燃气体系统共用，当耐高温耐材阀门12打开时，助燃气体系统自动切换到二次燃烧室13助燃，同时自动根据烟气检测系统的一氧化碳浓度值调整喷入助燃气体量，以使一氧化碳浓度降低至当地环保排放标准。
63.电弧炉排气口设有连接密封座，连接烟道3与电弧炉排气口连接密封座之间留有一定间隙，用液压密封环11密封，在电弧炉倾动出钢出渣时，液压密封环11可以自动打开；
64.竖炉炉底设两块对开旋转板阀8，旋转轴在两侧，旋转板在封闭承废钢状态时，中间分别设两个旋转板阀的锁死插销，在卸废钢时，先拔出插销，启动旋转板阀旋转系统卸掉废钢，卸出废钢后再将旋转板阀旋回封闭状态，插上插销。
65.竖炉炉顶设置等静压密封加料系统。等静压密封加料系统设上封闭板和下封闭板，加料系统在不工作期间上下封闭板都在封闭状态，向废钢槽加入废钢时打开上封闭板，加入废钢后关闭上封闭板，在向竖炉内加废钢时，打开下封闭板，卸完废钢后再关闭下封闭板。这样可以避免系统泄压造成大量野风进入系统，而影响系统正常烟气流动。
66.在除尘器16与引风机17之间的管道上设置放风阀19，在调频风机运行到低位时，启动放风阀调节状态。调整控制系统信号来自于电弧炉压力传感器。
67.主燃料选择发热值6500千卡/公斤无烟煤，吨钢喷煤40公斤/吨钢，天然气消耗10立方米/吨钢，电耗100千瓦时/吨钢，氧气消耗95立方米/吨钢。改造前吨钢电耗550度/吨
钢，氧气消耗40立方米/吨钢，煤粉消耗15公斤/吨钢，电耗550千瓦时/吨钢。
68.金属收得率：改造前89％，改造后97％，提高8％。
69.氮氧化物去除率：改造前350mg/nm3，改造后30mg/nm3。
70.煤炭成本按照800元/吨钢计算，电价按照0.6元/千瓦时计算，氧气按照0.5元/立方米计算，天然气按照2.8元/立方米计算，钢铁料损失按照2500元/吨钢，吨钢节省燃料成本190元/吨钢，节省钢铁料降本200元/吨钢。降本效果显著。
71.改造后冶炼周期缩短10分钟，可以完全满足连铸节奏。烟气排放完全满足环保要求。吨钢减排二氧化碳300公斤/吨钢左右，减排60％左右。