多回路变流矿热炉及多回路变流矿热炉系统

技术领域

本发明涉及冶金工程技术领域，尤其是涉及一种多回路变流矿热炉及多回路变流矿热炉系统。

背景技术

矿热炉主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料，是冶金工业中重要的设备。目前矿热炉包括三种：采用三相工频供电的交流矿热炉、采用无底电极直流供电的矿热炉以及采用三相低频供电的矿热炉，但是，采用三相工频供电的交流矿热炉具有导电线路电抗高，电炉铁磁部件涡流损耗大，电能输入电炉熔池困难，集肤效应严重导致线路载流能力下降并降低系统用电效率，电弧重复点燃熄灭次数高造成电极崩碎消耗大，系统自然功率因数低，产品吨产矿耗大和吨产电耗高等弊端；采用无底电极直流供电的矿热炉生产某些产品时阳极效应显现，从而使得熔池热源分布不均匀；采用三相低频供电的矿热炉存在使用超低频电能运行的问题，容易造成熔池内电热源长时间分布不均，影响炉料的电热化学还原反应有序进行。因此，现有的矿热炉具有多种弊端，其工业适用性和通用性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多回路变流矿热炉及多回路变流矿热炉系统，以改善现有矿热炉的弊端，提高矿热炉冶炼的适应性和通用性。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种多回路变流矿热炉，包括：变流设备、多电极装置、炉体、熔池和电炉变压器；其中，电炉变压器、变流设备、多电极装置和熔池依次相连接；熔池为炉体内部用于盛装炉料的空间；电炉变压器用于向变流设备输送工频电能；变流设备用于将工频电能转换频率为0Hz-20Hz电能后经多电极装置输送至熔池，以使变流设备经多电极装置与熔池之间建立多个电流回路，在熔池内冶炼炉料。

在一种实施方式中，变流设备包括多个变流器；其中，变流设备输出的电流回路的数量与变流器的数量相同。

在一种实施方式中，多电极装置中设置电极的数量为大于2的偶数，且电极的数量与变流器的数量相同。

在一种实施方式中，每个变流器包括第一输出端和第二输出端，第一输出端和第二输出端与多电极装置相连接；其中，每个变流器的第一输出端与第二输出端之间的输出电压具有同频率、同相位、同幅值的特性。

在一种实施方式中，每个电极连接两个变流器的第一输出端或者两个变流器的第二输出端；每个电极与相邻且电流相位相反的电极之间距离相同。

在一种实施方式中，多电极装置包括四个电极；四个电极呈正方形或者平行四边形布局；其中，平行四边形由两个相同的等边三角形组成。

在一种实施方式中，多电极装置中电极的数量为大于4的偶数，电极呈长方形布局；其中，长方形由多个相同的等腰三角形组成，每个电极位于等腰三角形的顶点。

在一种实施方式中，电极呈平行四边形布局；其中，平行四边形由多个相同的等边三角形组成，每个电极位于等边三角形的顶点。

在一种实施方式中，电极呈等边三角形布局；其中，每个电极位于等边三角形的顶点和每条边的中点。

第二方面，本发明实施例提供了一种多回路变流矿热炉系统，包括上述第一方面提供的任一项的多回路变流矿热炉，还包括与多回路变流矿热炉连接的外部电源。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的上述多回路变流矿热炉及多回路变流矿热炉系统，包括：变流设备、多电极装置、炉体、熔池和电炉变压器；其中，电炉变压器、变流设备、多电极装置和熔池依次相连接；熔池为炉体内部用于盛装炉料的空间；电炉变压器用于向变流设备输送工频电能；变流设备用于将工频电能转换频率为0Hz-20Hz电能后经多电极装置输送至熔池，以使变流设备经多电极装置与熔池之间建立多个电流回路，在熔池内冶炼炉料。上述多回路变流矿热炉的变流设备在每半个周期内可以连续输出，熔池的每个等效负载在每半个周期内获取的电功率基本不变，从而能够规避工频供电的弊端；同时，由于多电极装置的电极在一定时间内可以极性互换，从而能够改善矿热炉冶炼部分产品时阳极效应显现以及使用超低频电能运行存在的问题，使得熔池获得分布均匀的电热源，促进炉料电热化学反应有序平稳进行，从而提高矿热炉冶炼的适应性和通用性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多回路变流矿热炉的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多电极装置中四个电极的平面布局结构图；

图3为本发明实施例提供的一种多电极装置中六个电极的平面布局结构图；

图4为本发明实施例提供的一种具有四个电极的多回路变流矿热炉的平面结构图；

图5为本发明实施例提供的一种具有四个电极的多回路变流矿热炉的等效电路原理图；

图6为本发明实施例提供的一种多回路变流矿热炉等效电路中电压和电流的波形示意图；

图7为本发明实施例提供的一种具有六个电极的多回路变流矿热炉的平面结构图；

图8为本发明实施例提供的一种具有六个电极的多回路变流矿热炉的等效电路原理图；

图9为本发明实施例提供的一种现有三相低频矿热炉的电路原理示意图；

图10为本发明实施例提供的一种多回路变流矿热炉系统的结构示意图。

图标：

10-变流设备；20-多电极装置；30-炉体；40-熔池；50-电炉变压器；101-1#变流器；102-2#变流器；103-3#变流器；104-4#变流器；105-5#变流器；106-6#变流器；501-1#电炉变压器；502-2#电炉变压器；503-3#电炉变压器；504-4#电炉变压器；505-5#电炉变压器；506-6#电炉变压器；201-1相电极；202-2相电极；203-3相电极；204-4相电极；205-5相电极；206-6相电极；100-多回路变流矿热炉；200-外部电源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前矿热炉包括三种：采用三相工频供电的交流矿热炉、采用无底电极直流供电的矿热炉以及采用三相低频供电的矿热炉。采用三相工频供电的交流矿热炉应用较多，具有低电压大电流负载特性，导电线路电抗高，电炉铁磁部件涡流损耗大，电能输入电炉熔池困难，集肤效应严重从而导致线路载流能力下降并降低系统用电效率，电弧重复点燃熄灭次数高造成电极崩碎消耗大，系统自然功率因数低，产品吨产矿耗大和吨产电耗高等；采用无底电极直流供电的矿热炉应用较少，其因没考虑矿热炉在冶炼每种产品时的熔池负载结构不尽相同，容易造成阳极效应显现和熔池热源分布不均，使其工业运行适应性和通用性受到限制；采用三相低频供电的矿热炉同样应用较少，其相对工频矿热炉没有取得非常明显的技术优势，工作频率在5Hz～10HZ左右就达到最佳运行效果，导电线路电抗相对工频供电降低5倍～10倍，三相低频电源输出线电压为方波，为防止三相电源环路之间发生电流短路，三相线电压每个周期内设置了2个1/6周期无输出时间，系统运行在超低频时，熔池内的每个等效负载获得的电功率将出现长时间的较大差异，造成熔池内电热源长时间分布不均，影响炉料的电热化学还原反应有序进行，限制了其使用超低频电能带来的技术优势。

基于此，本发明实施例提供的一种多回路变流矿热炉及多回路变流矿热炉系统，以改善现有矿热炉的弊端，提高矿热炉冶炼的适应性和通用性。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种多回路变流矿热炉方法进行详细介绍，参见图1所示的一种多回路变流矿热炉的结构示意图，示意出该多回路变流矿热炉包括：变流设备10、多电极装置20、炉体30、熔池40和电炉变压器50；其中，电炉变压器50、变流设备10、多电极装置20和熔池40依次相连接；熔池40为炉体30内部用于盛装炉料的空间；电炉变压器50用于向变流设备10输送工频电能；变流设备10用于将工频电能转换频率为0Hz-20Hz电能后经多电极装置20输送至熔池40，以使变流设备经多电极装置20与熔池40之间建立多个电流回路，在熔池40内冶炼炉料。

在一种实施方式中，电炉变压器50与变流设备10相连，变流设备10连接在电炉变压器50和多电极装置20之间，多电极装置20连接在变流设备10和熔池40之间；炉体30为能盛装炙热炉料的容器，熔池40为炉体30盛装炙热炉料的空间；电炉变压器50用于通电后向变流设备10提供50Hz-60Hz的工频电能，变流设备10用于把输入的工频电能转换为具有多路输出功能的0Hz-20Hz电能，然后经过多电极装置20向熔池40输送；变流设备10经多电极装置20与熔池40建立多个电流回路，在熔池40内产生电弧热和电阻热冶炼熔池40内的炉料。

本发明实施例提供的上述多回路变流矿热炉，包括：变流设备、多电极装置、炉体、熔池和电炉变压器；变流设备在每半个周期内可以连续输出，熔池的每个等效负载在每半个周期内获取的电功率基本不变，从而能够规避工频供电的弊端；同时，由于多电极装置的电极在一定时间内可以极性互换，从而能够改善矿热炉冶炼部分产品时阳极效应显现以及使用超低频电能运行存在的问题，使得熔池获得分布均匀的电热源，促进炉料电热化学反应有序平稳进行，从而提高矿热炉冶炼的适应性和通用性。

进一步，变流设备包括多个变流器；其中，变流设备输出的电流回路的数量与变流器的数量相同；每个变流器为单相输出，每个变流器包括第一输出端和第二输出端，第一输出端和第二输出端与多电极装置相连接；其中，每个变流器的第一输出端与第二输出端之间的输出电压具有同频率、同相位、同幅值的特性。

多电极装置中设置电极的数量为大于2的偶数，且电极的数量与变流器的数量相同，电极可以是耐高温的碳质电极。具体的，每个变流器的第一输出端和第二输出端连接多电极装置的两个电极，与熔池构成一个电流回路；多电极装置的每个电极连接两个变流器的第一输出端或者两个变流器的第二输出端；每个电极与相邻且电流相位相反的电极之间距离相同。同时，每个电极与相连的两个变流器的回路电流相关联，连接变流器第一输出端的电极数目与连接第二输出端的电极数目相同。

本发明实施例中多电极装置中设置电极的数量为大于2的偶数，为了便于理解，以四个电极为例，本发明实施例提供了一种多电极装置中四个电极的平面布局结构图，参见图2所示，四个电极呈正方形或者平行四边形布局；具体的，参见图2的(a)部分所示，四个电极的圆心点连线构成正方形平面布局，或者参见图2的(b)部分所示，四个电极的圆心点连线构成平行边形平面布局，其中，平行四边形由两个相同的等边三角形组成。

进一步，当多电极装置中电极的数量为大于4的偶数时，电极呈长方形布局；其中，长方形由多个相同的等腰三角形组成，每个电极位于等腰三角形的顶点；或者电极呈平行四边形布局；其中，平行四边形由多个相同的等边三角形组成，每个电极位于等边三角形的顶点；又或者电极呈等边三角形布局；其中，每个电极位于等边三角形的顶点和每条边的中点。

以六个电极为例，本发明实施例提供了一种多电极装置中六个电极的平面布局结构图，参见图3所示，六个电极可以呈长方形布局，可以呈平行四边形布局，也可以呈等边三角形布局。具体的，参见图3的(a)部分所示，六个电极的圆心点连线构成长方形平面布局，该长方形由多个等腰三角形组成，每个电极位于等腰三角形的顶点；参见图3的(b)部分所示，六个电极的圆心点连线构成平行四边形平面布局，该平行四边形由对个等边三角形组成，每个电极位于等边三角形的顶点；参见图3的(c)部分所示，六个电极的圆心点连线构成一个等边三角形平面布局，每个电极位于等边三角形的顶点和每条边的中点。通过上述电极的布局与变流设备的合理连接，可以使得每个电极在插入熔池时，建立均匀分布的熔池负载发热源，促进炉料电热化学反应有序平稳进行，从而提高矿热炉冶炼的适应性和通用性。

为了便于理解，本发明实施例还提供了一种具有四个电极的多回路变流矿热炉的平面结构图，参见图4所示，示意出多回路变流矿热炉包括：1#变流器101、2#变流器102、3#变流器103、4#变流器104、1#电炉变压器501、2#电炉变压器502、3#电炉变压器503、4#电炉变压器504、1相电极201、2相电极202、3相电极203以及4相电极204；其中，1#变流器101包括输出端A1(第一输出端)和输出端B1(第二输出端)、2#变流器102包括输出端A2和输出端B2、3#变流器103包括输出端A3和输出端B3、4#变流器104包括输出端A4和输出端B4，四个变流器的输出电压U

如图4所示，1#电炉变压器501与1#变流器101相连接，2#电炉变压器502与2#变流器102相连接，3#电炉变压器503与3#变流器103相连接，4#电炉变压器504与4#变流器104相连接；1相电极201分别与1#变流器101的输出端A1和4#变流器104的输出端A4相连接，2相电极202分别与1#变流器101的输出端B1和2#变流器102的输出端B2相连接；3相电极203分别与2#变流器102的输出端A2和3#变流器103的输出端A3相连接，4相电极204分别与3#变流器103的输出端B3和4#变流器104的输出端B4相连接。

进一步，参见图5所示的一种具有四个电极的多回路变流矿热炉的等效电路原理图，1#变流器101的输出端A1连接1相电极201，输出端B1连接2相电极202，1#变流器101与熔池负载构成回路电流i1；2#变流器102的输出端A2连接3相电极203，输出端B2连接2相电极202，2#变流器102与熔池负载构成回路电流i2；3#变流器103的输出端A3连接3相电极203，输出端B3连接4相电极204，3#变流器103与熔池负载构成回路电流i3；4#变流器104的输出端A4连接1相电极201，输出端B4连接4相电极204，4#变流器104与熔池负载构成回路电流i4。

1相电极201连接1#变流器101的输出端A1和4#变流器104的输出端A4，该电极关联i1和i4两个回路电流，与相邻且电流相位相反的2相电极202和4相电极204之间距离相同。

2相电极202连接1#变流器101的输出端B1和2#变流器102的输出端B2，该电极关联i1和i2两个回路电流，与相邻且电流相位相反的1相电极201和3相电极203之间距离相同。

3相电极203连接2#变流器102的输出端A2和3#变流器103的输出端A3，该电极关联i2和i3两个回路电流，与相邻且电流相位相反的2相电极202和4相电极204之间距离相同。

4相电极204连接3#变流器103的输出端B3和4#变流器104的输出端B4，该电极关联i3和i4两个回路电流，与相邻且电流相位相反的3相电极203和1相电极201之间距离相同。

对于上述具有四个电极的多回路变流矿热炉，参见图6所示的一种多回路变流矿热炉等效电路中电压和电流的波形示意图，变流设备的四个变流器在每半个电周期内无中断输出，四个变流器之间的环路电压降U

本发明实施例还提供了一种具有六个电极的多回路变流矿热炉的平面结构图，参见图7所示，示意出多回路变流矿热炉包括：1#变流器101、2#变流器102、3#变流器103、4#变流器104、5#变流器105、6#变流器106、1#电炉变压器501、2#电炉变压器502、3#电炉变压器503、4#电炉变压器504、5#电炉变压器505、6#电炉变压器506、1相电极201、2相电极202、3相电极203、4相电极204、5相电极205以及6相电极206；其中，1#变流器101包括输出端A1和输出端B1、2#变流器102包括输出端A2和输出端B2、3#变流器103包括输出端A3和输出端B3、4#变流器104包括输出端A4和输出端B4、5#变流器105包括输出端A5和输出端B5、6#变流器106包括输出端A6和输出端B6，四个变流器的输出电压U

如图7所示，1#电炉变压器501与1#变流器101相连接，2#电炉变压器502与2#变流器102相连接，3#电炉变压器503与3#变流器103相连接，4#电炉变压器504与4#变流器104相连接，5#电炉变压器505与5#变流器105相连接，6#电炉变压器506与6#变流器106相连接。

进一步，参见图8所示的一种具有六个电极的多回路变流矿热炉的等效电路原理图，1#变流器101的输出端A1连接1相电极201，输出端B1连接2相电极202，1#变流器101与熔池负载构成回路电流i1；2#变流器102的输出端B2连接2相电极202，输出端A2连接3相电极203，2#变流器102与熔池负载构成回路电流i2；3#变流器103的输出端A3连接3相电极203，输出端B3连接4相电极204，3#变流器103与熔池负载构成回路电流i3；4#变流器104的输出端B4连接4相电极204，输出端A4连接5相电极205，4#变流器104与熔池负载构成回路电流i4；5#变流器105的输出端A5连接5相电极205，输出端B5连接6相电极206，5#变流器105与熔池负载构成回路电流i5；6#变流器106的输出端B6连接6相电极206，输出端A6连接1相电极201，6#变流器106与熔池负载构成回路电流i6。

1相电极201连接6#变流器106的输出端A6和1#变流器101的输出端A1，该电极关联i6和i1两个回路电流，与相邻且电流相位相反的6相电极206和2相电极202之间距离相同。

2相电极202连接1#变流器101的输出端B1和2#变流器102的输出端B2，该电极关联i1和i2两个回路电流，与相邻且电流相位相反的1相电极201、3相电极203和5相电极205之间距离相同。

3相电极203连接2#变流器102的输出端A2和3#变流器103的输出端A3，该电极关联i2和i3两个回路电流，与相邻且电流相位相反的2相电极202和4相电极204之间距离相同。

4相电极204连接3#变流器103的输出端B3和4#变流器104的输出端B4，该电极关联i3和i4两个回路电流，与相邻且电流相位相反的3相电极203和5相电极205之间距离相同。

5相电极205连接4#变流器104的输出端A4和5#变流器105的输出端A5，该电极关联i4和i5两个回路电流，与相邻且电流相位相反的4相电极204、2相电极202和6相电极206之间距离相同。

6相电极206连接5#变流器105的输出端B5和6#变流器106的输出端B6，该电极关联i5和i6两个回路电流，与相邻且电流相位相反的5相电极205和1相电极201之间距离相同。

对于上述具有六个电极的多回路变流矿热炉，变流设备的六个变流器在每半个电周期内无中断输出，六个变流器之间的环路电压降U

综上所示，本发明实施例提供的多回路变流矿热炉采用超低频电能运行时，能够规避现有的矿热炉使用工频电能的各种弱点，规避现有的三相低频矿热炉使用超低频电能运行的弱点，以及规避现有的无底电极直流矿热炉生产某些产品时阳极效应显现的弱点，使得熔池获得分布均匀的电热源，促进炉料电热化学反应有序平稳进行；本发明实施例提供的多回路变流矿热炉采用0Hz电能运行时可冶炼部分阳极效应不显现的产品；此外本发明可以提高矿热炉生产的冶炼技术指标，同时具有良好的矿热炉冶炼适应性和通用性，提高了矿热炉的实际工业运行价值。

此外，参见图9所示的一种现有三相低频矿热炉的电路原理示意图，三相低频电源输出线电压为方波，为防止三相电源环路之间发生电流短路，三相线电压每个周期内设置了2个1/6周期无输出时间，系统运行在超低频时，熔池内的每个等效负载获得的电功率将出现长时间的较大差异。与现有技术相比，参见图6所示，本发明提供的变流设备在每半个周期内可以连续输出，熔池的每个等效负载在每半个周期内获取的电功率基本不变，从而能够规避工频供电的弊端。

对于前述多回路变流矿热炉，本发明实施例还提供了一种多回路变流矿热炉系统，参见图10所示的一种多回路变流矿热炉系统的结构示意图，示意出该系统包括：多回路变流矿热炉100，还包括与多回路变流矿热炉100连接的外部电源200。

本发明实施例提供的上述多回路变流矿热炉系统，多回路变流矿热炉的变流设备在每半个周期内可以连续输出，熔池的每个等效负载在每半个周期内获取的电功率基本不变，从而能够规避工频供电的弊端；同时，由于多电极装置的电极在一定时间内可以极性互换，从而能够改善矿热炉冶炼部分产品时阳极效应显现以及使用超低频电能运行存在的问题，使得熔池获得分布均匀的电热源，促进炉料电热化学反应有序平稳进行，从而提高矿热炉冶炼的适应性和通用性。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“A”、“B”仅用于描述区分每个变流器的两个输出端，术语“A1”、“A2”、“A3”、“A4”、“A5”、“A6”仅用于描述区分每个变流器的输出端A，术语“B1”、“B2”、“B3”、“B4”、“B5”、“B6”仅用于描述区分每个变流器的输出端B，因此不能理解为对本申请的限制。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。