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收藏词条   编辑词条 埋弧还原电炉

创建时间:2008-08-02

埋弧还原电炉(submerged—arc electric reduction furnace)

生产铁合金的主体设备,用于对矿石等炉料进行还原熔炼。其生产特点是电极插入炉料,实行埋弧操作,并利用电阻、电弧加热矿石使之还原,故又称矿热炉。还原电炉通常有敞口式、封闭式和半封闭式,炉体有固定式和旋转式等多种形式。设备组成包括:供电系统、电极系统、炉体、烟罩(或炉盖)、加料系统和水冷系统等。此种电炉与用于生产生铁、电石、黄磷、冰铜、低冰镍、刚玉等的电炉有相似之处。

简史   在1888~1892年间,法国埃鲁(P.Heroult)首先用电炉法生产电石和铁合金,起初使用的为单相敞口电炉,容量小,设备简单,以炭素炉底的熔池作为一极,挂在手动卷扬机上,末端埋入炉料中的炭质电极作为另一极。到1909年由挪威索德别尔格(C.W.Soederberg)发明并于1919年推广使用自焙电极后,大大推动了还原电炉技术的发展,一种三电极按等边三角形布置的圆形电炉得到了广泛的采用。同时出现了三相三极、三相六极按“一字”形排列的矩形敞口电炉,用于冰铜和锰铁的冶炼。为防止炉料结壳,冶炼含硅75%以上的硅铁电炉采用了圆形旋转式炉体。随着炉子尺寸和功率的增大,环境保护要求的提高,到20世纪50年代,敞口电炉逐渐朝封闭化方向发展,不适宜封闭的敞口电炉(如冶炼硅铁的),则朝矮烟罩半封闭方向发展。50年代前电炉容量一般在1000~10000kVA左右,进入70年代,电炉容量一般为20000~40000kVA。中国在80年代建成了72750kVA的黄磷电炉,31500kVA的封闭式锰硅电炉,50000kVA的半封闭旋转式硅铁电炉。世界最大的封闭式电炉已达到75000kVA,半封闭式电炉已达到105000kVA。与此同时,炉子的配料、炉料输送、功率调节、电极压放、温度与压力测量、事故报警等也逐渐实现了集中管理、计算机控制。

20世纪80年代以来,瑞典等国开发研制的冶炼铁合金用单电极直流埋弧还原电炉,比交流电炉具有更好的冶金条件,由于具有电极消耗少、噪声低、省电且能改善电网质量等优点,受到世界各国的普遍重视,并得到迅速发展。已建成用于铁合金生产的最大容量直流电弧等离子炉是南非的40000kVA铬铁电炉。中国于1987年和1988年先后在湖北通山和河北张家口,分别建成8000kVA生产工业硅和2000kVA生产锰硅铁的试验性单电极直流电炉,随后张家口又建设了一台6300kVA直流电炉。此种电炉在设备结构上类似单相交流电炉;有的还可做成中空电极,以便将部分粉料通过电极中心孔直接加入炉内。

类型   埋弧还原电炉通常根据设备结构特点分类。(1)按炉口形式分为高烟罩敞口式(见图1)、矮烟罩敞口式(将高烟罩降低后,短网由烟罩上部引入的一种改进型)、半封闭式(见图2)和封闭式(见图3)4种。前两种为早期使用的形式,日趋淘汰;广泛采用的是半封闭式和封闭式。(2)按炉体形状分为圆形(有固定式和旋转式两种)、矩形和三角形(角为弧形)。广泛采用的是圆形炉体。(3)按电极数量分为单相单电极、单相双电极、三相三电极和三相六电极的电炉。广泛采用的是电极按等边三角形排列的三相三电极电炉。

图1 敞口固定式还原电炉

1-炉壳;2-炉衬;3-电极;4-电极把持器;5-短网;6-高烟罩;7-电极卷扬机及吊挂系统

 

图2 半封闭旋转式还原电炉

1-加料系统;2-气动系统;3-供电系统;4-水冷却系统;5-电极升降装置;6-电极压放装置;

7-液压系统;8-电极把持器;9-半封闭烟罩;10-电极;11-炉体;12-炉体旋转装置

 

图3 封闭固定式还原电炉

1-加料系统;2-气动系统;3-供电系统;4-水冷却系统;5-电极升降装置;6-电极压放装置;

7-液压系统;8-电极把持器;9-炉盖;10-电极;11-炉体

半封闭式还原电炉应用最广。除主要用于需要进行炉口操作的硅铁、硅钙合金等品种冶炼外,还由于这种电炉(特别是中、小型的)便于观察和调整炉况,可适应不同原料条件,有利于改炼品种,因此常将它用来生产各种铁合金。电炉烟罩多为矮烟罩演变而成的半封闭罩,通常在其侧部设置若干个可调节启闭度的炉门,以便既可在需要加料、捣炉操作时开启,又可按要求控制进风量,调节炉气温度,实现烟气除尘甚至余热利用。封闭式还原电炉,亦即带炉盖的密闭电炉。常为不需要进行炉口操作的高碳锰铁、锰硅合金、高碳铬铁等品种的生产所采用。炉内产生的煤气由导管引出,再经净化处理后可回收利用。为便于操作检修,并保证安全运行,封闭电炉炉盖上设置若干个带盖的窥视、检修和防爆孔。这类电炉操作和控制技术要求较高。

主要技术参数   根据生产的品种和年产量,首先确定炉用变压器的额定容量,选择变压器的类型(三相或三台单相)、工作电压和工作电流。然后确定电炉的几何参数,包括电极直径,电极极心圆直径(或电极中心距),炉膛直径,炉膛深度,炉壳直径,炉壳高度等。所有这些参数,通常采用经验公式计算,并参照国内外生产实践进行选定。中国部分还原电炉主要技术参数见表中所列。

设备组成及构造   埋弧式还原电炉由供电系统、电极系统、炉体、烟罩(或炉盖)、加料系统和水冷却系统等组成。

供电系统   由变压器、短网和高低压控制设备等组成。电炉变压器的特点为二次侧具有低电压大电流,电压调节范围广,级数多,且大都采用有载调压。例如50000kVA硅铁电炉变压器,二次电压为120~290V,有载调压级数为32级,最大相电流为66640A。通常中、小型电炉采用一台三相变压器,大型电炉多采用三台单相变压器。短网为变压器二次侧至电极的一段大电流导体,又称二次母线,由硬母线和软母线两部分组成。硬母线用铜板或铜管制作,后者内部通水冷却,可提高载流能力。软母线使用裸铜复绞线、薄铜带或水冷电缆。为最大限度降低阻抗,在布置上从变压器到电极之间的距离要尽可能短且正负极交错排列,互相靠近。因此大都采用三角形布线,亦即在电极上完成三角形接线方式。当使用三台单相变压器供电时,各变压器互成120布置,可使短网最短且三相阻抗均衡。

电极系统   由自焙电极、电极把持器、电极升降装置和电极压放装置组成。

自焙电极由电极壳和在壳内充填的电极糊(为无烟煤、焦炭、石墨和煤焦沥青等按比例混合后压成的块状物)组成。电极壳为1.5~3mm厚钢板卷制成的圆筒.在圆筒内焊接若干条肋片,并在其上开一些圆孔或冲出一些小舌片,使电极糊与电极壳很好地结合,达到良好导电作用。随着电极的不断消耗,电极壳要陆续一节一节地焊接起来,电设糊要定期地充填。听用电极糊,通常以块状加入,也有预热成稀糊状后加入的。在电炉生产过程中依靠电流通过时产生的焦耳热和炉内传导热自行焙烧而成。

电极把持器的作用是将大电流输向电极,并使电极保持在一定高度上.还可以调节电极糊的烧结状态。主要由压力环、铜瓦、导向密封筒等组成。它处于高温和强磁场条件下工作。随着电炉容量和自焙电极直径的扩大(最大自焙电极直径已达2000mm),电极把持器结构也不断发展和完善。其铜瓦的夹紧和松开大都采用液压遥控操作。铜瓦的夹紧方式主要有三种类型.一是锥形环式,二是波纹管式,三是胶囊式。前一种为利用压力环与铜瓦之问的6~15锥面.在液压缸或机镀传动下,升降压力环使铜瓦夹紧或松开,此种方式结构较简单,但作用在每块铜瓦上的力有不均现象。后两种为在压力环内对应于每块铜瓦的位置,装上波纹管或橡胶囊,利用液压控制波纹管的伸氏或缩短,胶囊的膨胀或收缩,使铜瓦夹紧或松开,此两种方式作用在每块铜瓦上的力比较均匀。铜瓦多采用紫铜材质铸造成型,其内铸有通水冷却用的紫铜管:也有采用紫铜锻造成型后再钻制水冷却用孔的方法,均可获得良好的导电和冷却效果,提高使用寿命。导向密封筒(又称水冷大套)用于把持器与炉盖或烟罩之间的密封和电极导向,以防磁钢制作,也可用铜质材料制成。70年代末期挪威埃肯(ELKEM)公司研制成了一种带电极压放装置的新型组合式把持器,它与传统方式完全不同,既简化了把持和压放机构,又可适用于不同直径的电极。由于电极壳肋片结构的相应变革,还能使电极截面上的电流分布均衡,有利于电极糊烧结,避免电极软断事故的发生。

电极升降装置用以改变电极插入炉料的深度,调节操作电阻,使输入炉内功率达到额定要求。操纵电极升降的方式有使用卷扬机和液压缸两种,卷扬机在早期或小型电炉上使用较多,大型电炉普遍采用液压传动,每根电极配备一对液压缸,它可以装在平台上,也可以吊挂在上一层平台下。电极升降速度为0.25~0.6m/min,小型电炉的电极升降速度一般要高一些。

电极压放装置用于夹紧电极并通过压放机构加大或减小电极工作端的长度。自焙电极在生产过程中随着自身的消耗,工作端逐渐变短,因而要定时补充。现代电炉已普遍采用了计算机控制的自动程序压放装置。此装置的特点是使用二道抱闸,上抱闸可上下活动,下抱闸为固定的,两道抱闸之间一般装有2~3个最多6个压放缸,电极压放时压放缸牵动上抱闸升降,并控制每次的压放量,一股一次压15~30mm。抱闸结构形式常用的有3种:块式抱闸,带式拖闸和胶囊式抱闸。前两种为机械抱紧,液压给开;后一种为充气抱紧,排气松开。

炉体   由耐火材料砌衬和钢制炉壳组成。炉体形状取决于电极的排列布置,一字排三根电极和三相武根电极的多为矩形或椭圆形炉体;等边三角形布置三根电极i抟为圆形或j角形炉体。普遍采用的是圆形炉体,其结构紧凑,刚度大,容易制作。还原电炉熔池反直区的温度高达2000~2200℃,并处于强电场之中,耐火材料需具有较高的耐火度和良好的理化指标。所用耐火材料种类取决于冶炼品种和炉子结构。常用的耐火材料为粘土砖、碳砖、镁砖等。在炉壳和耐火砖之间留有90~140mm左右的间隙,充填黏土颗粒和石棉板作为弹性层,以便部分地吸收耐火砖的膨胀和减少炉衬散热。

炉壳由15~25mm厚钢板和纵横向的加劲板分数瓣焊接或铆接而成。删壁装有出铁口,固定式电炉为1~2个.旋转式电炉为5~6个,后者有刊于炉体旋转到任意位置出铁。炉底板通常为水平板,浮放在置于混凝土基础上的工字钢排架上,通过工字钢排架可形成良好的空气通道以冷却炉底。旋转式的炉体有利于冶炼过程疏松炉料以增加透气性、扩大反应区和延长炉衬寿命,多用于生产高硅合金的电炉。其旋转装置可使炉体绕中心轴旋转或左右摆动60~120,旋转速度一般为每30~240h旋转360。大型电炉有的采用每200~600h旋转360

烟罩   收集并排除敞口炉烟气的装置。有高烟罩、矮烟罩、半封闭烟罩3种。高烟罩为吊挂式,通过其顶部的加强梁吊挂在操怍平台上方的平台下,其直径同炉壳直径相近。烟罩下沿与操作平台之间留出1~1.5m环形空隙,装设链条或水冷门,既可挡炉口辐射热,又便于炉口操作。侧壁三面开窗口,用于短网和水冷管路进入。这种烟罩多为早期和小型电炉所采用。现代电炉普遍采用由矮烟罩演变而成的半封闭烟罩,这种烟罩短网和水冷管路均可布置在顶盖上面。半封闭烟罩侧下部通常安装3个或6个可调节启闭度的升降炉门,用以进行炉口操作和控制进风量,调节烟气温度。按炉门数量、大小及烟道布置要求,烟罩可做成圆形或多边形。烟罩结构视烟气温度高低,有水冷式、耐火混凝土式或二者混合式,最常用的耐高温烟罩为混合式,即顶部采用内衬60mm左右厚耐火混凝土的水冷盖板。整个烟罩要有良好的对地绝缘,大型电炉还常将顶盖按电极分成三个扇形段,之间也加以绝缘。在顶盖上装有电极密封孔和料管密封孔;靠近电极区域为防止涡流和磁滞损失,需采用防磁材料制作。在烟罩侧部或顶部装有1~2个烟囱,用以引导烟气排至净化系统或大气中。

炉盖   封闭式炉上收集并排出反应气体的装置,分热炉盖和冷炉盖两大类。热炉盖采用耐火混凝土或耐火砖砌筑,常用于生产冰铜、黄磷等的电炉上。冷炉盖为混合式结构,广泛应用于铁合金电炉上,它采用水冷骨架,其间打结耐火混凝土或铺以水冷盖板,在水冷盖板内侧也可打结60mm左右厚的耐火混凝土。骨架使用钢管制作以减少焊缝,靠近电极处采用防磁材料制作,以减少涡流和磁滞损失。炉盖呈锥台形,中部的水平面装有电极密封孔和料管密封孔,侧壁装有带防爆盖的炉门,用以取出折断的电极头和进行炉内检修,还装设1~2个烟囱以引导炉气排入除尘系统或大气中。整个炉盖对地绝缘,大型电炉常按电极分成3个扇形段,之间也加以绝缘。炉盖支于操作平台上或炉体上,其下部设带环形圈的砂封刀,以便插入炉壳上口的砂封槽中起密封作用。炉盖净空高度通常为1.5~1.7m。

加料系统   定时或连续向电炉炉内补给炉料的装置。它由料仓、给料机(或闸门)、料管和料管出口端组成。向炉内加料的方法通常随电炉容量的大小和冶炼品种的不同而异。一般小型敞口电炉采用人工加料,大、中型敞口电炉大都采用加料管直接入炉,然后由人工补料、推料和捣炉;也有用加料捣炉机完成全部作业的。封闭式电炉则全用料管给料,为达到合理布料,通常设一个中心料管,3个相间料管,6~12个外围料管。在操作平台上方设置钢结构或混凝土料仓,其数量一般与加料管相对应。敞口电炉在料仓下口设闸门,以人工控制给料;封闭电炉在料仓下口则装一些常开的针形栅条,以便停炉或发生事故时阻止炉料进入炉内。料管直径按炉料块度大小的不同为350~450mm。位于炉子三角区和靠近大电流导体的料管用防磁材料制作。敞口电炉的料管常采用气封,以防烟囱效应。封闭电炉的料管设置800mm长的绝缘段(常用耐火混凝土制作),以防通过炉料造成电气接地短路。料管出口端通常为水冷结构,且伸入炉内的高度具有一定的可调范围,以适应炉内高温条件,控制料面状态。

水冷却系统   对高温条件下工作的电炉构件进行冷却的装置。矿热炉一般均采用循环用水,用水量(不含变压器冷却用水)为每1000kVA约10~15m3/h,为防止被冷却的构件结垢,水的总硬度(CaCO3含量)应小于200×10-6,最好使用软化水,水压0.3MPa,进出水温差控制在8℃左右。冷却装置由给水干管、水分配器、集水箱、配管、仪表等组成。冷却供水经给水于管进入水分配器,再分配给各被冷却构件,然后回至集水箱,排入冷却池或泵入冷却塔或冷却器。在分配给各被冷却构件的压力管路上装有截止阀,用以调节水量;有的还装设水流指示器。分配器装有检测供水压力和温度的压力表和温度表。大型电炉的重要构件通常还配备单独的冷却水回路,包括专用的压力表和温度表。水管与被冷却构件之间用胶管相连,可使电炉对地绝缘。

 

 

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