埋弧還原電爐

1、埋弧還原電爐(submergedarc electric reduction furnace)生產(chǎn)鐵合金的主體設(shè)備，用于對(duì)礦石等爐料進(jìn)行還原熔煉。其生產(chǎn)特點(diǎn)是電 極插入 爐料，實(shí)行埋弧操作，并利用電阻、電弧加熱礦石使之還原，故又稱礦熱 爐。還原電爐通 常有敞口式、封閉式和半封閉式，爐體有固定式和旋轉(zhuǎn)式等多種 形式。設(shè)備組成包括：供 電系統(tǒng)、電極系統(tǒng)、爐體、煙罩 （或爐蓋）、加料系統(tǒng)和 水冷系統(tǒng)等。此種電爐與用于 生產(chǎn)生鐵、電石、黃磷、冰銅、低冰鎳、剛玉等的 電爐有相似之處。簡(jiǎn)史在1888 1892年間，法國(guó)埃魯（PHeroult）首先用電爐法生產(chǎn)電石和鐵合 金，起初使用的為單相敞口電爐，容量小

2、，設(shè)備簡(jiǎn)單，以炭素爐底的熔池 作為一極，掛在 手動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)上，末端埋入爐料中的炭質(zhì)電極作為另一極。到1909年由挪威索德別爾格（C. W Soederberg）發(fā)明并于1919年推廣使用自焙電極后，大 大推動(dòng)了還原電爐技術(shù)的發(fā)展，一種三電極按等邊三角形布置的圓形電爐得到 了廣泛的采 用。同時(shí)出現(xiàn)了三相三極、三相六極按“一字”形排列的矩形敞口電 爐，用于冰銅和錳鐵 的冶煉。為防止?fàn)t料結(jié)殼，冶煉含硅75%以上的硅鐵電爐采用了圓形旋轉(zhuǎn)式爐體。隨著爐子尺寸和功率的增大，環(huán)境保護(hù)要求的提高，到 20 世紀(jì) 50 年代，敞口電爐逐漸朝封閉化方向發(fā)展，不適宜封閉的敞口電爐（如冶煉硅鐵的），則朝矮煙罩半封閉方向

3、發(fā)展。50年代前電爐容量一般在 1000 10000kVA左右，進(jìn)入70年代，電爐容量一般為20000 40000kVA中國(guó)在80年代建 成了 72750kVA的黃磷電爐，31500kVA的封閉式錳硅電爐，50000kVA的半 封閉旋轉(zhuǎn) 式硅鐵電爐。世界最大的封閉式電爐已達(dá)到75000kVA半封閉式電爐已達(dá)到105000kVA與此同時(shí)，爐子的配料、爐料輸送、功率調(diào)節(jié)、電極壓放、溫度與壓 力測(cè)量、事故報(bào)警等也逐漸實(shí)現(xiàn)了集中管理、計(jì)算機(jī)控制。20 世紀(jì)80 年代以來，瑞典等國(guó)開發(fā)研制的冶煉鐵合金用單電極直流埋弧還 原電爐，比交流電爐具有更好的冶金條件，由于具有電極消耗少、噪聲低、省電 且能改善電網(wǎng)

4、質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國(guó)的普遍重視, 用于 并得到迅速發(fā)展。已建成 鐵合金生產(chǎn)的最大容量直流電弧等離子爐是南非的國(guó)于40000kVA鉻鐵電爐。中1987年和1988年先后在湖北通山和河北張家口，業(yè)硅和 分別建成8000kVA生產(chǎn)工 2000kVA生產(chǎn)錳硅鐵的試驗(yàn)性單電極直流電爐，隨后張家又建設(shè)了一臺(tái)6300kVA直流電爐。此種電爐在設(shè)備結(jié)構(gòu)上類似單相交流電爐；有的還可做成中空電極，以便將部分粉料通過電極中心孔直接加入爐內(nèi)類型 埋弧還原電爐通常根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。（1）按爐形式分為高煙 罩敞式（見圖1）、矮煙罩敞式（將高煙罩降低后，短網(wǎng)由煙罩上部引入的一種改 進(jìn)型）、半封閉式（見圖 2） 和封

5、閉式（見圖 3） 4 種。前兩種為早期使用的形式， 日 趨淘汰；廣泛采用的是半封閉式和封閉式。 （2） 按爐體形狀分為圓形（有固定式 和旋轉(zhuǎn) 式兩種）、矩形和三角形（角為弧形）。廣泛采用的是圓形爐體。 （3） 按電極 數(shù)量分 為單相單電極、單相雙電極、三相三電極和三相六電極的電爐。 廣泛采用 的是電極按等 邊三角形排列的三相三電極電爐。圖 1 敞口固定式還原電爐1-爐殼；2-爐襯；3-電極；4-電極把持器；5-短網(wǎng)；6-高煙罩；7-電極卷揚(yáng)機(jī)及吊掛系統(tǒng)圖 2 半封閉旋轉(zhuǎn)式還原電爐1-加料系統(tǒng);2-氣動(dòng)系統(tǒng)；3-供電系統(tǒng)；4-水冷卻系統(tǒng)；5-電極升降裝置；6-電極壓放裝置；7-液壓系統(tǒng);8-電極

6、把持器；9-半封閉煙罩；10-電極；11-爐體；12-爐體 旋轉(zhuǎn)裝置圖 3 封閉固定式還原電爐1-加料系統(tǒng)；2-氣動(dòng)系統(tǒng)；3-供電系統(tǒng)；4-水冷卻系統(tǒng)；5-電極升降裝置；6-電極壓放裝置；7-液壓系統(tǒng)；8-電極把持器；9-爐蓋；10-電極；11-爐體半封閉式還原電爐應(yīng)用最廣。除主要用于需要進(jìn)行爐口操作的硅鐵、 硅鈣合 金等品種冶煉外，還由于 這種電爐（特別是中、小型的）便于觀察和調(diào)整爐況，可 適應(yīng)不同原料條件，有利于改煉品種，因此常將它 用來生產(chǎn)各種鐵合金。 電爐煙 罩多為矮煙罩演變而成的半封閉罩，通常在其側(cè)部設(shè)置若干個(gè)可調(diào)節(jié)啟閉度 的爐 門，以便既可在需要加料、搗爐操作時(shí)開啟，又可按要求控制

7、進(jìn)風(fēng)量，調(diào)節(jié)爐氣 溫度，實(shí)現(xiàn)煙氣除塵 甚至余熱利用。封閉式還原電爐，亦即帶爐蓋的密閉電爐。 常為不需要進(jìn)行爐口操作的高碳錳鐵、錳硅合 金、高碳鉻鐵等品種的生產(chǎn)所采用。 爐內(nèi)產(chǎn)生的煤氣由導(dǎo)管引出，再經(jīng)凈化處理后可回收利用。為便于操作 檢修，并 保證安全運(yùn)行，封閉電爐爐蓋上設(shè)置若干個(gè)帶蓋的窺視、檢修和防爆孔。這類電 爐操作和控制技 術(shù)要求較高。主要技術(shù)參數(shù) 根據(jù)生產(chǎn)的品種和年產(chǎn)量，首先確定爐用變壓器的額定容 量，選擇變壓器的類型（三相或三臺(tái)單相）、工作電壓和工作電流。然后確定電爐 的幾何參數(shù)，包括電極 直徑，電極極心圓直徑（或電極中心距），爐膛直徑，爐膛深度，爐殼直徑，爐殼高度等。所有這些參數(shù)，通

8、常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，并參照國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行選定。 中國(guó)部分還原電爐主要技術(shù)參數(shù)見表中所列。中國(guó)部分旺僚電爐圭要技術(shù)葵敷表/kVA1PT電爐變用器XM/a直徑/mm/mm護(hù)嘛/mmW*/mm爐兌/mrrii滬盤/mm罐煙 可或 爐盤7kV.“.次電壓Aid/v苗000幣器燉1(M t id 7 um?30討就1000IZOQ胡MIEM門斤律鐵IM蜒301932500 J； JC3inn71004ina12SOO半封閉弍izwaC三相）1劇 1雪* 1課jiCKIi 41。細(xì)HCO + 50?suujfivinnsolift卿：由闕5D 土鮒燦El7EiiXj和01ISO半封閉弍闔帥13兒151

9、-176Zum115038.0(1?4no44005!4DD1說師対戰(zhàn)盤5釈XX隼 相）L20 J3S-X68171200320)耐2?nrt165U21000JKKKX舉桐)X3畀址au謠00840021 DO110&l)nZKO的IE25W143-4-1 CD. fl出撫胡倆jIt&D:U0 1 1 D!jMMXI站乩4敝紋1加邀煙轉(zhuǎn)弍X3SOigJ 5031ifiatK?1営D32A11on-腫2&pr85(1(14?1M影韶|川-年嚇-X313Stl 1 AO-* 215 ssM553A0IM37i1150B50D.抻轉(zhuǎn)訕M1320封團(tuán)105WK單相)X312-1眇幣uEiiaA1+5

10、 ：7H7US2Q0Q50Qid1擁 口1協(xié)G譏單 和X5130-2A -阿電帚12S6eo145：i3SUU+ ISO7B7O:32OD 195HH5151)肝社1設(shè)備組成及構(gòu)造埋弧式還原電爐由供電系統(tǒng)、電極系統(tǒng)、爐體、煙罩（或爐蓋）、加料系統(tǒng)和水冷卻系統(tǒng)等組成。供電系統(tǒng)由變壓器、短網(wǎng)和高低壓控制設(shè)備等組成。電爐變壓器的特點(diǎn)為二次側(cè)具有低電壓大電流，電壓調(diào)節(jié)范圍廣，級(jí)數(shù)多，且大都采用有載調(diào)壓。例如50000kVA硅鐵電爐 變壓器，二次電壓為120 290V,有載調(diào)壓級(jí)數(shù)為32級(jí)，最大相電流為66640A通常中、小型電爐采用一臺(tái) 三相變壓器，大型電爐多采用三臺(tái)單相變壓器。短網(wǎng)為變壓器二次側(cè)至電

11、極的一段大電流導(dǎo)體，又稱二次 母 線，由硬母線和軟母線兩部分組成。硬母線用銅板或銅管制作，后者內(nèi)部通水冷卻，可提高載流能力。軟母線使用裸銅復(fù)絞線、薄銅帶或水冷電纜。為最大限度 降低阻抗，在布置上從變壓 器到電極之間的距離要盡可能短且正負(fù)極交錯(cuò)排列， 互相靠近。因此大都采用三角形布線，亦即在電極上完 成三角形接線方式。當(dāng)使 用三臺(tái)單相變壓器供電時(shí)，各變壓器互成 120。布置，可使短網(wǎng)最短且三相阻抗 均 衡。電極系統(tǒng) 由自焙電極、電極把持器、電極升降裝置和電極壓放裝置組成。自焙電極由電極殼和在殼內(nèi)充填的電極糊（為無煙煤、焦炭、石墨和煤焦瀝 青等按比例混合后壓成的 塊狀物）組成。電極殼為1. 5 3

12、mn厚鋼板卷制成的圓筒在圓筒內(nèi)焊接若干條肋片，并在其上開一些圓 孔或沖出一些小舌片， 使電極 糊與電極殼很好地結(jié)合，達(dá)到良好導(dǎo)電作用。隨著電極的不斷消耗，電極殼 要陸 續(xù)一節(jié)一節(jié)地焊接起來，電設(shè)糊要定期地充填。聽用電極糊，通常以塊狀加入， 也有預(yù)熱成稀糊狀后 加入的。在電爐生產(chǎn)過程中依靠電流通過時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱和 爐內(nèi)傳導(dǎo)熱自行焙燒而成。電極把持器的作用是將大電流輸向電極， 并使電極保持在一定高度上.還可 以調(diào)節(jié)電極糊的燒結(jié)狀 態(tài)。主要由壓力環(huán)、銅瓦、導(dǎo)向密封筒等組成。它處于高 溫和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下工作。隨著電爐容量和自焙電極 直徑的擴(kuò)大（最大自焙電極直徑已達(dá)2000mm）電極把持器結(jié)構(gòu)也不斷發(fā)展和

13、完善。其銅瓦的夾緊和松開大都采用液壓遙控操作。銅瓦 的夾緊方式主要有三種類型. 一是錐形環(huán)式，二是波紋 管式，三是膠囊式。前一種為利用壓力環(huán)與銅瓦之問 的 6。 15。錐面.在液壓缸 或機(jī)鍍傳動(dòng)下，升降壓力環(huán)使銅瓦夾緊或松開，此種方式結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但作用在 每塊銅瓦上的力有不均現(xiàn)象。后兩種為在壓力環(huán)內(nèi)對(duì)應(yīng)于每塊銅瓦的位置， 裝上 波紋管或橡膠囊，利用液 壓控制波紋管的伸氏或縮短， 膠囊的膨脹或收縮，使銅 瓦夾緊或松開，此兩種方式作用在每塊銅瓦上的力 比較均勻。 銅瓦多采用紫銅材 質(zhì)鑄造成型，其內(nèi)鑄有通水冷卻用的紫銅管：也有采用紫銅鍛造成型后再鉆 制水 冷卻用孔的方法，均可獲得良好的導(dǎo)電和冷卻效果

14、， 提高使用壽命。導(dǎo)向密封筒 （又稱水冷大套）用 于把持器與爐蓋或煙罩之間的密封和電極導(dǎo)向，以防磁鋼制 作，也可用銅質(zhì)材料制成。 70 年代末期挪威埃 肯（ELKEM公司研制成了一種帶電極壓放裝置的新型組合式把持器，它與傳統(tǒng)方式完全不同，既簡(jiǎn)化了把 持和壓放 機(jī)構(gòu)，又可適用于不同直徑的電極。由于電極殼肋片結(jié)構(gòu)的相應(yīng)變革，還能使電 極截面上的電流 分布均衡，有利于電極糊燒結(jié)，避免電極軟斷事故的發(fā)生。電極升降裝置用以改變電極插入爐料的深度， 調(diào)節(jié)操作電阻，使輸入爐內(nèi)功 率達(dá)到額定要求。操縱電 極升降的方式有使用卷揚(yáng)機(jī)和液壓缸兩種，卷揚(yáng)機(jī)在早 期或小型電爐上使用較多，大型電爐普遍采用液壓傳 動(dòng)，每根

15、電極配備一對(duì)液壓 缸，它可以裝在平臺(tái)上，也可以吊掛在上一層平臺(tái)下。電極升降速度為 0. 250. 6m/min,小型電爐的電極升降速度一般要高一些。電極壓放裝置用于夾緊電極并通過壓放機(jī)構(gòu)加大或減小電極工作端的長(zhǎng)度。 自焙電極在生產(chǎn)過程中隨 著自身的消耗， 工作端逐漸變短，因而要定時(shí)補(bǔ)充。現(xiàn) 代電爐已普遍采用了計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)程序壓放裝 置。此裝置的特點(diǎn)是使用二道抱閘，上抱閘可上下活動(dòng)，下抱閘為固定的，兩道抱閘之間一般裝有2 3 個(gè)最多 6 個(gè)壓放缸，電極壓放時(shí)壓放缸牽動(dòng)上抱閘升降， 并控制每次的壓放量，一股 一次壓 15 30mm 抱閘結(jié) 構(gòu)形式常用的有 3 種：塊式抱閘，帶式拖閘和膠囊式 抱

16、閘。前兩種為機(jī)械抱緊，液壓給開；后一種為充氣抱 緊，排氣松開。爐體 由耐火材料砌襯和鋼制爐殼組成。爐體形狀取決于電極的排列布置， 一字排三根電極和三相武根 電極的多為矩形或橢圓形爐體；等邊三角形布置三根 電極 i 摶為圓形或 j 角形爐體。普遍采用的是圓形爐 體，其結(jié)構(gòu)緊湊，剛度大， 容易制作。還原電爐熔池反直區(qū)的溫度高達(dá) 2000 2200C ，并處于強(qiáng)電場(chǎng)之中， 耐火材料需具有較高的耐火度和良好的理化指標(biāo)。所用耐火材料種類取決于冶煉 品種和爐子結(jié)構(gòu)。常 用的耐火材料為粘土磚、碳磚、鎂磚等。在爐殼和耐火磚之 間留有 90 140mm 左右的間隙，充填黏土顆粒 和石棉板作為彈性層， 以便部分地

17、 吸收耐火磚的膨脹和減少爐襯散熱。爐殼由 15 25mnd 厚鋼板和縱橫向的加勁板分?jǐn)?shù)瓣焊接或鉚接而成。刪壁裝 有出鐵口，固定式電爐為 1 2 個(gè).旋轉(zhuǎn)式電爐為 5 6 個(gè)，后者有刊于爐體旋轉(zhuǎn) 到任意位置出鐵。爐底板通常為水平板，浮放在置于 混凝土基礎(chǔ)上的工字鋼排架 上,通過工字鋼排架可形成良好的空氣通道以冷卻爐底。旋轉(zhuǎn)式的爐體有利于冶 煉過程疏松爐料以增加透氣性、擴(kuò)大反應(yīng)區(qū)和延長(zhǎng)爐襯壽命，多用于生產(chǎn)高硅合 金的電爐。其旋轉(zhuǎn)裝置可使 爐體繞中心軸旋轉(zhuǎn)或左右擺動(dòng) 60。 120。，旋轉(zhuǎn)速度 一般為每 30 240h 旋轉(zhuǎn) 360。大型電爐有的采用每 200 600h 旋轉(zhuǎn) 360。煙罩 收集并排

18、除敞口爐煙氣的裝置。有高煙罩、矮煙罩、半封閉煙罩 3 種。高煙罩為吊掛式，通過其頂部的加強(qiáng)梁吊掛在操怍平臺(tái)上方的平臺(tái)下，其直徑同爐殼直徑相近。煙罩下沿與操作平臺(tái)之間留出 1 1. 5m 環(huán)形空隙，裝設(shè)鏈 條或水冷門，既可擋爐口輻射熱，又便于爐口操作。側(cè)壁三面開窗口，用于短網(wǎng) 和水冷管路進(jìn)入。這種煙罩 多為早期和小型電爐所采用?，F(xiàn)代電爐普遍采用由矮 煙罩演變而成的半封閉煙罩，這種煙罩短網(wǎng)和水冷管路 均可布置在頂蓋上面。 半 封閉煙罩側(cè)下部通常安裝 3 個(gè)或 6 個(gè)可調(diào)節(jié)啟閉度的升降爐門，用以進(jìn)行爐口操 作和控制進(jìn)風(fēng)量，調(diào)節(jié)煙氣溫度。按爐門數(shù)量、大小及煙道布置要求，煙罩可做 成圓形或多邊形。煙罩結(jié)

19、構(gòu) 視煙氣溫度高低，有水冷式、耐火混凝土式或二者混 合式，最常用的耐高溫?zé)熣譃榛旌鲜剑错敳坎捎脙?nèi)襯 60mm 左右厚耐火混凝土 的水冷蓋板。整個(gè)煙罩要有良好的對(duì)地絕緣，大型電爐還常將頂蓋按電極分成三 個(gè)扇形段，之間也加以絕 緣。在頂蓋上裝有電極密封孔和料管密封孔； 靠近電極 區(qū)域?yàn)榉乐箿u流和磁滯損失，需采用防磁材料制 作。在煙罩側(cè)部或頂部裝有 12 個(gè)煙囪，用以引導(dǎo)煙氣排至凈化系統(tǒng)或大氣中。爐蓋 封閉式爐上收集并排出反應(yīng)氣體的裝置，分熱爐蓋和冷爐蓋兩大類。 熱爐蓋采用耐火混凝土或耐 火磚砌筑，常用于生產(chǎn)冰銅、黃磷等的電爐上。冷爐 蓋為混合式結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于鐵合金電爐上，它采用水 冷骨架，其間

20、打結(jié)耐火混 凝土或鋪以水冷蓋板，在水冷蓋板內(nèi)側(cè)也可打結(jié) 60mm 左右厚的耐火混凝土。骨 架使用鋼管制作以減少焊縫，靠近電極處采用防磁材料制作，以減少渦流和磁滯 損失。爐蓋呈錐臺(tái)形，中部 的水平面裝有電極密封孔和料管密封孔， 側(cè)壁裝有帶 防爆蓋的爐門，用以取出折斷的電極頭和進(jìn)行爐內(nèi)檢修，還裝設(shè) 1 2 個(gè)煙囪以 引導(dǎo)爐氣排入除塵系統(tǒng)或大氣中。整個(gè)爐蓋對(duì)地絕緣，大型電爐常按電極分成 3 個(gè)扇形段，之間也加以絕緣。爐蓋支于操作平臺(tái)上或爐體上，其下部設(shè)帶環(huán)形圈 的砂封刀，以便插入爐殼上口的砂封槽中起密封作用。爐蓋凈空高度通常為 1. 5 1. 7m。加料系統(tǒng) 定時(shí)或連續(xù)向電爐爐內(nèi)補(bǔ)給爐料的裝置。它由料倉(cāng)、給料機(jī)（或 閘門）、料管和料管出口端組成。向爐內(nèi)加料的方法通常隨電爐容量的大小和冶 煉品種的不同而異。一般小 型敞口電爐米用人工加料， 大、中型敞口電爐大都米 用加料管直接入爐，然后由人工補(bǔ)料、推料和搗爐； 也有用加料搗爐機(jī)完成全部 作業(yè)的。封