CN202145085U - 矿热电弧炉节能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种矿热电弧炉节能系统，包括炉体上方设置的烟罩、与穿过烟罩的相通的出烟管道，烟罩的三相电极装置，与电极装置相连接的供电系统变压器及短网水冷电缆复合组合电极炉管，所述电极装置由电极把持部分及电极组组成，所述的电极组为三项及三项以上为一组的多项电极；电极夹把持电极壳内装有多项小电极，混合组合水冷瓦夹紧电极壳装置组成的短网单相电极。本实用新型针对传统电弧炉耗电过大，费用较高的缺陷进行改进，实现较传统电弧炉耗电小，生产效率高，工作稳定可靠，大大降低生产成本的效果。

Description

矿热电弧炉节能系统

技术领域

本实用新型涉及一种电弧冶炼炉，尤其涉及工业硅生产的矿热电弧炉的节能系统。 

背景技术

电弧炉(还原电炉)，也称矿热炉，矿热电弧炉可分成有色冶炼、黑色冶炼、铁合金冶炼等。铁合金冶炼专用交流还原电炉是电阻电弧炉，它主要用于还原冶炼矿石，炭质还原剂及溶剂等炉料。其生产特点是常采用碳质(或镁质)耐火材料做炉衬，使用自焙电极，电极插入炉料里实行埋弧操作，陆续加料，间歇式出料、出渣，连续操作。 

矿热电弧炉广泛用于冶金工业，化学工业及磨料工业中，冶炼的主要品种有：硅铁、工业硅、硅钙合金、高碳锰铁、锰铁合金、高碳铬铁、硅铬合金及稀土合金等。此外用于冶炼生铁、电石、黄磷、镍冰及刚玉等产品。 

矿热电弧炉由于冶炼过程时间短，反应剧烈，火焰高，冶炼瞬间放出大量的热和高温烟尘，产生大量热量，温度高达700℃以上，同时也消耗大量电能。 

矿热电弧炉冶炼过程是承担着高温下冶炼的任务，是一个高温的物理化学变化过程。生产品种及质量的好坏，电能及材料消耗的高低，技术及经济指标的好坏，不仅决定于原料质量和生产中冶炼的正确操作，同时还决定于整体设备，电气参数，工艺参数的正确选择。对专用变压器通过短网、混合组合式电极、炉壳向炉内输送电能及转换的效率与设计十分重要。 

实用新型内容

本实用新型旨在针对传统矿热电弧炉耗电过大，生产成本较高的上述缺陷，提供一种矿热电弧炉节能系统，采用本系统的矿热电弧炉较传统矿热电弧炉耗电小，生产效率高，工作稳定可靠，大大降低生产成本。同时也解决了烟罩及出铁口周围的散烟气排放。

为了实现本实用新型的目的，提出一种矿热电弧炉节能系统，该系统包括炉体、拱形烟罩、出烟管道、加料系统和电极装置，所述拱形烟罩设置在炉体上方，电极装置穿过拱形烟罩插入炉体内，所述电极装置由电极组、电极升降机构、液压系统、电极夹持部及短网系统组成，所述的电极组为3项或3项以上电极为一组，3组或3组以上的电极组构成的复合组合电极；电极升降机构设置在电极组上方；每个电极组外罩电极壳；所述电极装置通过电极夹持部与电气设备相连，所述电气设备包括整流变压器、短网、整流柜、高低压电气设备和电控系统。 

所述炉体由钢制炉壳和耐火材料砌衬组成，炉体设置炉体旋转机构，旋转式炉体可烧垂直轴线作360°旋转或按120°角度往复旋转，所述炉体为圆形、矩形或扁椭圆形。 

所述拱形烟罩由电极孔、下料管、炉门、冷却水管组成，所述拱形烟罩为绝缘、混合材料的带有冷却水层的中空结构，用非磁性材料对地绝缘。 

所述加料系统由料仓、给料机、下料管组成，间歇或连续的向炉内补给炉料。 

所述复合组合电极的每一组电极包括筒形电极壳，筒内装三根或多根石墨电极或碳素电极，所述电极周围加电极糊；所述电极壳采用薄钢板制成的圆筒，圆筒外加有筋片，所述电极壳上下口按直径对齐，上下壳的筋片成一垂直线。 

所述复合组合电极的电极壳的圆筒直径和圆筒内装有的石墨电极或碳素电极的根数根据冶炼产品品种不同以及电极材料导电率不同而设置，比如：冶炼工业硅的所述圆筒直径为φ1250cm，变压器容量25500KWA电炉；筒内装有φ280～460的石墨电极三根或直径为φ1250cm，所述圆筒内装有φ400～550的碳素电极三根；冶炼工业硅的所述圆筒直径为φ1360cm变压器 容量为33000KW·A电炉，筒内装有φ300～500的石墨电极四根或直径为φ1360cm，所述圆筒内装有φ400～600的碳素电极四根以上；冶炼电石的所述圆筒直径为1250cm，筒内装有φ280～460石墨电极三根以上或直径为φ1250cm，变压器容量为25500KW·A电炉筒内装有φ400～550碳素电极四根以上。 

所述电极升降机构包括上气囊抱闸、下气囊抱闸、上平台、下平台和油缸，其中，上下气囊抱闸分别固定在上下平台上，所述上、下平台各有3个电极升降油缸。 

所述短网系统采用达到以下规格的部件：水冷铜管2～4A/mm²、水冷电缆3～5A/mm²、复合组合电极6～12A/cm²、复合组合电极与复合组合器接触面积电流2～9A/cm²、用导电通水铜管制作的汇流排式双布线集电环和混合组合水冷瓦夹紧电极壳装置组成的短网系统的单相电极，降低导体中电感和电抗。 

所电极夹持部为复合组合电极把持器系统，所述系统由非磁性压力环、组合接触装置、水冷母线铜管、冷却水集合管、风机、滑放装置、铜罩悬置管、立缸、螺形弹簧、接触装置、电极壳、电极壳筋片、水冷瓦、水冷大套、夹钳、油缸组成。 

根据上述结构特点，提出一种思想本实用新型目的的具体方案，矿热电弧炉节能系统采用的炉体的炉壳直径为9.2m～10.8m、高度为5.2m～6.8m；容量为25500KV·A的电弧炉，所述变压器选型为3台单项×8500KV·A的全恒功率变压器，工作最低档时输出电流为67460A；所述复合组合电极采用的单项电极直径为φ1250cm，电极壳采用黑色薄钢板或不锈钢薄钢板制成，所述电极壳圆筒外加12根筋片，所述电极壳内装3根260cm～500cm石墨电极和电极糊，电极中心距在2.8m～3.6m之间。 

本实用新型的矿热电弧炉适合使用于中型、大型电弧炉设备。其整流变压器在工作最低二次电压时输出电流全恒功率；短网系统采用大电 流，低电压工作导体。电极采用复合组合电极，将电能直接送入熔炼池、坩锅区内，有利于调整复合组合电极插入深度，保障炉矿稳定长期运行作业。本实用新型的矿热电弧炉的节能系统，较传统电弧炉耗电小，生产效率高，工作稳定可靠，大大节约吨单耗消耗，降低生产运行成本，节能降耗、改变环境保护、推进科技进步与创新发展。 

附图说明

图1是本实用新型矿热电弧炉节能系统整体结构示意图； 

图2是矿热电弧炉三组电极组合结构示意图； 

图3是一组电级结构示意图； 

图4和图5是矿热电弧炉电极升降机构示意图； 

图6是电极把持器系统结构示意图。 

1炉体	14导电铜管
		2拱形烟罩	15烟道口
3下料管	16烟罩立柱
		4电极装置	17接触装置
5压放平台	18底座
		6油缸	19电极
7电极升降油缸	20底部环
		8上气囊抱闸	21炉内铜管
9下气囊抱闸	22电极壳
		10冷却水集合管	23电极壳筋片
11滑放装置	24上平台
		12把持筒	25下平台
13水冷电缆	26风机

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并配合附图，对本实用新型进一步详细说明。 

图1是本实用新型的矿热电弧炉节能系统整体结构示意图，如图所示，该系统包括炉体1、拱形烟罩2、出烟管道15、加料系统和电极装置4。其中，拱形烟罩2设置在炉体1上方，由立柱16支撑，电极装置4穿过烟罩2插入炉体1内；电极装置4由电极组、电极升降机构、液压系统、电极夹持部及短网系统组成，所述的电极组为三项及三项以上为一组的复合组合电极；电极升降机构设置在电极组上方，电极组外罩电极壳。电极装置4通过电极夹持部与电气设备相连，电气设备包括整流变压器、短网、整流柜、高低压电气设备和电控系统等。 

其中，炉体1设置炉体旋转机构，炉盖上设置拱形烟罩2，下料管3、烟道口15和复合组合电极插入口；炉体1由钢制炉壳和耐火材料砌衬组成，炉体的形状是根据电极的配置情况确定的，一般为圆形、矩形或扁椭圆形几种类型，最佳为圆形炉体，其优点是结构紧凑，大中型电炉炉壳一般使用圆形炉体。旋转式炉体可绕垂直轴线作360°旋转，或按120°角度往复旋转，该结构有利于松动炉料，增加透气性，扩大钳锅区，减少捣炉操作，延长炉衬使用寿命。 

所述拱形烟罩2由电极孔、下料管、炉门、冷却水管等组成。烟罩是捕集并导出烟气的装置，用非磁性材料对地绝缘及绝缘、混合材料结构。烟罩带有冷却水层的中空结构，形成水冷涡流，能够起到耐高温、防磁滞损失及防磁辐射的作用。 

所述加料系统是间歇或连续的向电炉内补给炉料的装置。它由料仓、给料机、下料管等组成。向炉内加料的方式通常随着电炉容量的大小技术装备水平和冶炼品种的不同而定。 

图2是矿热电弧炉三组电极组合结构示意图，图3是一组电级结构示意图；如图所示，本实用新型采用三项为一组，共3组的复合组合电极；复合组合电极的每一组电极包括筒形电极壳22，筒内装三根或多根石墨电极或碳素电极19，电极19周围加专用特制电极糊；电极糊加入电极筒内，根据炉内料层温度变化、改变起电弧的大小，料层里温度越高，电弧越长，导电能力越强。电弧变长，就能减少电能在料面的做功， 减少短网压降，提高有效电压，提高熔池功率。 

所说的特制电极糊和其他电极的对比见下表： 

电极壳22采用薄钢板(黑色钢板或不锈钢板)制成的圆筒，圆筒外加有筋片23。圆筒直径根据电弧炉的大小来定，筋片23的数量是根据圆筒直径来制定。通过筋片导电，同时筋片23的厚度也增加电极壳22(或电极19)的机械强度和脱壳时的机械强度。电极壳22上下口按直径对齐焊接，上下壳和筋片23成一线垂直，能更好的导电，同时便于导电夹夹紧，更好的压放电极壳22。 

电极直径是根据电炉变压器容量计算设计：炉型大，电极壳外加筋片也起变化根数增加，直径也就相应变大。炉型小，电极壳外加筋片也起变化根数减少，电极设计直径也就相应变小。 

本矿热电弧炉按电极数量级布置形式可分为三相六电极按等边三角形布置的圆形电炉和三相六电极按“一”字行排列的矩形电炉。复合组合电极主要的热传导机理是直接的，稳定的单向对流，不在上料面层传导，这种热传导在冶炼过程中比常规电极再熔炼钳锅内的电弧更优越，有利于调整电极深插深度。 

通过把持器下部，电极筒及筋片使复合组合器接触复合组合电极，对炉底拉弧对流导电，保证了复合组合电极在钳锅池内那弧及电极插入深度一直在热传导的最佳位置进行拉弧对流导电，提高了炉内功率因素，使坩埚内的还原剂速度加快。 

根据冶炼产品品种不同、电极材料导电率不同、复合组合电极筒内装有的石墨电极或碳素电极的根数也不相同。如冶炼工业硅的电极筒直径 为φ1250cm；筒内装有φ280～460的石墨电极三根(直径为φ1250cm电极筒内装有φ400～550的碳素电极三根)；冶炼工业硅的电极筒直径为φ1360cm，电极筒内装有φ300～500的石墨电极三根(直径为φ1360cm电极筒内装有φ400～600的碳素电极四根)；如冶炼电石的电极筒直径为1250cm，电极筒内装有φ280～460石墨电极二根以上；(直径为φ1250cm电极筒内装有φ400～550碳素电极三根以上) 

电极性能系数如下表： 

图4和图5是矿热电弧炉电极电极升降机构示意图；矿热电弧炉共有3相电极，要求每根电极的压放能够单独动作。复合组合电极每相内装三根或多根电极，其上装有上气囊抱闸8、下气囊抱闸9，3个上气囊抱闸8固定在上平台上，3个下气囊抱闸固定在下平台上，上、下平台各有3个电极升降油缸7，(液压缸总行程为30-300mm)，控制平台上升、下降，工艺流程如下： 

电极壳压放流程说明 

本矿热炉共有3相复合组合电极(电极由极壳、单相内装的三根或多根石墨电极、或碳素电极、电极糊组成)，要求每根复合组合电极压放能够单独动作。单相复合组合电极壳有6个液压夹紧缸控制，6个液压夹紧缸分别为单元1～6，每次释放、上升时只允许1个单元动作，6个单元全部上升完毕后，下降时单元1～6分别动作，一次压放完毕，根据液压缸行程每次压放，如果压放正常，复合组合电极壳压放量为20mm。 

.电极脱壳压放流程说明 

矿热炉共有3相电极，要求每根复合组合电极压放能够单独动作。单相复合组合电极里有内装的三根或多根石墨电极、或碳素电极，每相内装的三根或多根石墨电极、或碳素电极上装有上、下气囊刨闸，单相电极3个上气囊刨闸固定在上平台上，3个下气囊刨闸固定在下平台上，上、下平台各有3个液压缸，(总行程为30-300mm)，控制平台上升、下降，工艺流程如下： 

正常停止状态时单相复合组合电极6个上、下气囊刨闸都处于夹紧状态。按下压放按钮→单相复合组合电极3个上气囊刨闸松开→上平台上的3个液压缸同时动作，控制上平台及3个上气囊刨闸上升15mm后停止→单相复合组合电极3个上气囊刨闸夹紧→单相复合组合电极3个下气囊刨闸松开→上平台上的3个液压缸同时动作，控制上平台及3个上气囊刨闸(带动电极)下降15mm后停止→单相复合组合电极3个下气囊刨闸夹紧→单相复合组合电极一次压放动作完成。 

本系统的液压系统是复合组合电极升降，压放和把持器等的动力源。该系统由油泵站、阀站、蓄能器组和连接管路组成，该液压装置保障正常安全、可靠，运行率高。 

本系统的矿热电弧炉水冷却系统是对处于高温条件下工作的构建进行冷却、循环及绝缘的装置，保障设备正常安全、可靠经济运行。 

本系统的变压器因冶炼过程中空载情况较少，所以除了选用低损耗硅钢片以外，更重要的是降低变压器的负载损耗。电弧炉变压器参数采 用了全恒功率，既在变压器最低二次电压时保证全功率输出，比常规设计变压器的输出电流能力大30％以上。 

根据矿热电弧炉的结构特点以及工作特点，系统电抗的70％是由短网系统产生的，而短网是一个大电流工作的系统。在设计短网时对集肤效应系数，临近效应系数都要综合增阻并强制导体间磁场相消弱其感抗的计算；互消磁场之电感的计算；强化正负极之间的绝缘体的计算；强化冷却导电体的高温补偿功能的计算；强化短网的典型布置计算设计。 

如根据导体载面积电流密度计算；导电铜管2～4A/mm²，水冷电缆3～5A/mm²，复合组合电极6～12A/cm²；复合组合电极与复合组合器接触面积电流2～9A/cm²。 

一般情况下为了解决矿热炉功率因数低下的问题，我国目前多采用在高压端进行无功补偿的方法来解决，高压补偿仅仅是提高了高压侧的功率因数，但是由于低压端短网系统的巨大的感抗所产生的无功功率依然在短网系统中流动，同时由于短网的强相(短网较短故感抗较小、所以损耗较小，输出较大故名强相)和弱相造成三相不平衡，功率在相间转移导致系统损耗增加，冶炼效果降低，而传统的高压固定三相补偿不能解决三相平衡的问题，也没有达到抵消短网系统无功、提高低压端功率因数的作用，由于短网的感抗占整个系统感抗的70％以上，所以不能降低低压端的损耗，也不能增加变压器的出力。 

本实用新型对短网改进采用导电通水铜管及通水软水冷电缆，用导电通水铜管制作的汇流排式双布线集电环，再加上混合组合水冷瓦夹紧电极壳装置，组成的短网单相电极，降低导体中电感和电抗，改变了汇流排式双布线集电环，改变了用铜瓦组合式把持器的夹紧装置及脱壳电极装置。 

图6是电极把持器系统结构示意图。由于本实用新型的电极是用连续复合组合自焙式，它由复合组合电极壳和壳内装有三根或多根石墨电极(或多根碳素电极)再用电极糊填充组成的，本实用新型的电极把持 器系统为复合组合电极把持器系统，该系统由把持筒12、非磁性压力底部环20、水冷电缆13、导电铜管14、炉内铜管21、风机26、滑放装置11、接触装置17、电极壳22、电极壳筋片23、油缸6组成。 

复合组合把持器的优点： 

●结构简单，它简化了把持器和放机构，使用可靠，工作效率高。 

②接触装置和滑放装置可适用于各种不同直径的自焙及石墨、碳素电极；同时也解决了中大型电炉的大电极问题。 

③电极壳再不会变形，也可脱壳使用降低生产运行成本。 

④电极再不会在滑放时失去控制，为高电耗的冶炼工艺增加了安全电极滑放率。 

⑤由于减低电极的冷却，因而使电极焙烧位置升高。 

⑥减少了电极断损事故。 

本实用新型在设计交流还原电炉时，对主要技术工艺及参数选择计 

炉膛深度H(cm)＝βd                                     (3) 

炉膛直径D₂(cm)＝γd                                    (4) 

根据冶炼品种及其规模进行选择电炉容量(变压器额定容量)，确定电炉的工艺几何参数，如电极直径、电极极心直径(或电极中心矩)炉壳直径及高度，炉膛直径及深度等。 

还原电炉设计能力采用下述公式计算炉子大小型号： 

$Q=\frac{24\mathrm{TP}{K}_1{K}_2{K}_3\cos \mathrm{\φ}}{W}---\left(5\right)$

式中Q-电炉生产量t/a；吨/年 

24-电炉每天连续作业24h；24/小时 

T-电炉工作日历天数d/a；天/年 

P-电炉变压器额定容量KV·A；千伏/安 

cosφ-电炉自然功率因数，视电炉容量大小而异，容量越大，其值就越小，一般为0.65～0.95％； 

K₁-电源电压波动系数，一般为0.95～1.0％； 

K₂-电炉变压器功率利用系数，一般为0.95～1.0％； 

K₃-电炉作业时间利用系数，一般为0.95～0.98％； 

W-产品冶炼电耗，KW·h/t。 

根据上述计算方式，确定本系统的各项参数，如确定25500KV·A电炉，变压器选型为3台单项×8500KV·A、(全恒功率变压器，当全恒功率变压器工作最低档时输出电流为67460A)，电极直径为单项φ1250cm的复合组合电极(内装3根以上260cm～380cm石墨电极固定压放装置及电极糊)。电极直径根据炉型大小及变压器容量大小增大减少直径。炉壳直径，炉壳高度，极心圆直径，根据变压器容量来定尺寸。电极壳为复合组合电极壳，采用薄钢板(黑色钢板及不锈钢钢板)制成的圆筒，外加12根筋片(筋片根据炉型大小，变压器容量增加和减少筋片)。电极极心圆直径或电极中心距为2.8m～3.6m之间，炉壳直径为9.2m～10.8m、高度为5.2m～6.8m。 

本实用新型的技术方案对于冶炼品种单耗、吨耗在10000度以上的产品节能、节电20～30％度/吨；冶炼品种单耗、吨耗在10000度以下的产品节能、节电10～26％度/吨； 

冶炼品种单耗、吨耗碳质还原剂、产品吨耗节约6～12％/吨； 

冶炼品种单耗、吨耗矿石、产品吨耗节约8～16％/吨； 

冶炼品种单耗、吨耗复合组合电极、产品吨销耗节约成本300～1600元以上/吨；(根据炉型大小计算) 

二氧化碳、烟气粉尘排放量产品吨耗减少量8～30％/吨； 

虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本实用新型，本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所 界定的内容为准。任何熟习本技术领域者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，所作的各种变化或等同替换，都应当属于本实用新型的保护范围。 

Claims (8)

1.一种矿热电弧炉节能系统，该系统包括炉体、拱形烟罩、出烟管道、加料系统和把持系统电极及提升装置，变压器及短网，所述拱形烟罩设置在炉体上方，电极及提升装置穿过拱形烟罩插入炉体内，其特征在于，所述电极装置由复合组合电极、电极升降机构、液压系统、电极把持变压器短网供电系统组成，所述的电极组每相为3相或3相以上电极为一组，3组或3组以上的电极组构成的复合组合电极；电极升降机构设置在电极组上方；每个电极组外筒电极壳；所述电极装置通过电极夹持部与电气设备相连，所述电气设备包括整流变压器、短网、整流柜、高低压电气设备和电控系统。

2.根据权利要求1所述的矿热电弧炉节能系统，其特征在于，所述炉体由钢制炉壳和耐火材料砌衬组成，炉体设置炉体旋转机构，旋转式炉体可烧垂直轴线作360°旋转或按120°角度往复旋转，所述炉体为圆形、矩形或扁椭圆形；

所述拱形烟罩由电极孔、下料管、炉门、冷却水管、排烟管组成，所述拱形烟罩为绝缘、混合材料的带有冷却水层的中空结构，用非磁性材料对地绝缘；

所述加料系统由料仓、给料机、下料管组成。

3.根据权利要求1所述的矿热电弧炉节能系统，其特征在于，所述复合组合电极的每一组电极包括筒形电极壳，筒内装三根或多根石墨电极或碳素电极，所述电极周围加特制电极糊；所述电极壳采用薄钢板制成的圆筒，圆筒外加有筋片，所述电极壳上下口按直径对齐，上下壳的筋片成一垂直线。

4.根据权利要求1所述的矿热电弧炉节能系统，其特征在于，冶炼工业硅的圆筒直径为φ1250cm；筒内装有φ280～460的石墨电极三根以上或直径为φ1250cm，所述圆筒内装有φ400～550的碳素电极三 根以上；冶炼工业硅的圆筒直径为φ1360cm，筒内装有φ300～500的石墨电极三根以上或直径为φ1360cm，所述圆筒内装有φ400～600的碳素电极三根以上；冶炼电石的所述圆筒直径为1250cm，筒内装有φ280～460石墨电极三根以上或直径为φ1250cm，所述圆筒内装有φ400～550碳素电极四根及四根以上。

5.根据权利要求1所述的矿热电弧炉节能系统，其特征在于，所述电极升降机构包括上气囊抱闸、下气囊抱闸、上平台、下平台和油缸，其中，上下气囊抱闸分别固定在上下平台上，所述上、下平台各有3个电极升降油缸。

6.根据权利要求1所述的矿热电弧炉节能系统，其特征在于，所述短网系统采用达到以下规格的部件：水冷铜管2～4A/mm²、水冷电缆3～5A/mm²、复合组合电极6～12A/cm²、复合组合电极与复合组合器接触面积电流2～9A/cm²、用导电通水铜管制作的汇流排式双布线集电环和混合组合水冷瓦夹紧电极壳装置组成的短网系统的单相电极，降低导体中电感和电抗。

7.根据权利要求1所述的矿热电弧炉节能系统，其特征在于，所述的电极夹持部为复合组合电极把持器系统，所述系统由该系统由把持筒、非磁性及混合材料压力底部环、水冷电缆、导电铜管、炉内铜管、风机、滑放装置、接触装置、电极壳、电极壳筋片和油缸组成。

8.根据权利要求1-7之一所述的矿热电弧炉节能系统，其特征在于，所述炉体的炉壳直径为9.2m～10.8m、高度为5.2m～6.8m；容量为25500KV·A的电弧炉，所述变压器选型为3台单项×8500KV·A的全恒功率变压器，工作最低档时输出电流为67460A；所述复合组合电极采用的单项电极直径为φ1250cm，电极壳采用黑色薄钢板或不锈钢薄钢板制成，所述电极壳圆筒外加12根筋片，所述电极壳内装 3根260cm～380cm石墨电极和电极糊，电极中心距在2.8m～3.6m之间。 

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