[科普中國(guó)]-埋弧爐

歷史和發(fā)展

19世紀(jì)90年代初，法國(guó)的H.穆瓦桑(Henri Moissan)對(duì)不易用化學(xué)方法還原的金屬氧化物利用電弧加熱系統(tǒng)地進(jìn)行了還原試驗(yàn)。1894年，法國(guó)的P.L.T.埃魯(Paul Louis oussaint Heroult)把穆瓦桑的設(shè)想應(yīng)用到工業(yè)上，首先研制成工業(yè)生產(chǎn)用電石爐。1909年，挪威電氣化學(xué)公司工程師C.W.索德伯克(C.W.Soderberg)開(kāi)發(fā)了自燒成電極(自焙電極)。1922年，泰蘭德(Tyland)成功地制造了世界上第一臺(tái)自焙電極式500 kW煉鐵用實(shí)驗(yàn)爐。此后，通過(guò)自焙電極與爐子結(jié)構(gòu)、設(shè)備的不斷改進(jìn)、完善，其用途日趨擴(kuò)大，各種用途的埋弧爐相繼問(wèn)世。20世紀(jì)50年代以前，爐子容量為幾百千伏安到1萬(wàn)kV·A左右。70年代，爐子的容量日趨大型化，新建的鐵合金爐一般為2000～40000 kV·A，最大的封閉式鐵合金爐達(dá)75000 kV·A，半封閉式爐達(dá)96000 kV·A，供電、加料、控制、除塵等設(shè)施的技術(shù)水平相應(yīng)提高，電子計(jì)算機(jī)開(kāi)始得到應(yīng)用。80年代起直流埋弧爐得到迅速發(fā)展。世界上容量最大的鐵合爐是挪威埃肯公司于1991年為Samancor Limited鐵合金廠設(shè)計(jì)制造的半封閉式105000 kV·A鉻鐵合金電爐。

中國(guó)于1958年開(kāi)始設(shè)計(jì)、制造埋弧爐。1985年中國(guó)遵義鐵合金廠從聯(lián)邦德國(guó)曼德斯曼德馬克公司引進(jìn)了50000 kV·A硅鐵合金電爐。此后，中國(guó)設(shè)計(jì)、制造水平顯著提高。90年代初，北京鋼鐵研究總院為張家口四方臺(tái)鐵合金廠設(shè)計(jì)、制造了直流6300 kV·A多用途鐵合金爐。1998年包頭鋼鐵設(shè)計(jì)院為巴基斯坦設(shè)計(jì)、制造了交流12500 kV·A硅鐵合金爐。此時(shí)，中國(guó)的埋弧爐設(shè)計(jì)能力已達(dá)25000 kV·A。20世紀(jì)末中國(guó)已有40000 kV·A電石爐、25000kV·A錳鐵爐、31500 kV·A硅錳合金爐、16500 kV·A冰銅爐和50000 kV·A硅鐵爐等大型埋弧爐在順利運(yùn)行。埋弧爐正在向多用途、高生產(chǎn)率、節(jié)能降耗和減少環(huán)境污染的方向發(fā)展。

分類(lèi)埋弧爐通常按用途分類(lèi)，其規(guī)格大小按所配用的電爐變壓器的容量表示，小則幾百千伏安，大的可近十萬(wàn)千伏安。各類(lèi)埋弧爐的爐名、所用原料、產(chǎn)品名稱(chēng)、反應(yīng)溫度和電耗如表所示。埋弧爐的電耗隨原料成分、爐子容量而有很大差異。通常爐子容量愈大，電耗愈低。各類(lèi)埋弧爐的爐名、所用原料、產(chǎn)品名稱(chēng)、反應(yīng)溫度和電耗[見(jiàn)單位產(chǎn)品(產(chǎn)值)耗電]如下表所示。2

設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理埋弧爐的結(jié)構(gòu)型式很多，使用面最廣的鐵合金爐的成套埋弧爐設(shè)備由爐體、電極系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、加料和出料裝置、控制系統(tǒng)、除塵裝置等部分組成。

爐體多數(shù)埋弧爐的爐體呈圓筒形或圓錐形，少數(shù)爐子如大型錳鐵爐、冰銅爐的爐體呈長(zhǎng)方形，也有呈方形或橢圓形的。爐體多數(shù)有鋼板外殼，內(nèi)側(cè)有用耐火磚和(或)碳磚砌成的爐襯。爐體按產(chǎn)品種類(lèi)和容量大小有固定和旋轉(zhuǎn)兩種型式。多數(shù)爐子的爐體是固定的，見(jiàn)圖(a)、(b)；某些大型鐵合金爐，如硅鐵爐，常采用爐體回轉(zhuǎn)或來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，以消除爐料的搭掛，減少爐料結(jié)殼，擴(kuò)大反應(yīng)區(qū)和有利于爐氣的排出，見(jiàn)圖(c)。轉(zhuǎn)速約每周30～240 h。爐頂有敞口、封閉和半封閉三種型式。早期的埋弧爐是敞口式的，見(jiàn)圖(a)。由于礦石還原會(huì)產(chǎn)生大量的一氧化碳等氣體， 隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高和余熱利用技術(shù)的進(jìn)步， 對(duì)不同用途的埋弧爐分別采用了封閉式，或矮煙罩半封閉式的爐頂。半封閉式爐在煙罩下設(shè)有可調(diào)節(jié)開(kāi)啟度的爐門(mén)， 以調(diào)節(jié)吸入的空氣量和煙氣溫度。

電極系統(tǒng)埋弧爐所用電極多數(shù)為自焙電極， 即依靠爐子本身熱能熔燒成的電極，也有用碳素電極和石墨電極的 (見(jiàn)電弧爐電極)。對(duì)圓形爐體，三相電極呈三角形對(duì)稱(chēng)布置在爐膛內(nèi); 對(duì)矩形或橢圓形爐體，電極一般布置在一條直線(xiàn)上。為了彌補(bǔ)爐內(nèi)電極的消耗，自熔電極配有電極松放或壓放裝置;為調(diào)節(jié)電爐的輸入功率和電流，電極配有升降調(diào)節(jié)器(見(jiàn)電弧爐電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器)。

供電系統(tǒng)埋弧爐多數(shù)由工頻交流供電，少數(shù)也有用直流供電的。交流爐大部分是三相，個(gè)別小容量的也有單相，并用兩根電極構(gòu)成電流回路。直流埋弧爐通常只用一根電極，而在爐底埋設(shè)導(dǎo)電材料 (即底電極)以構(gòu)成電流回路。埋弧爐工作電壓低(一般為80～300V)、電流大(幾千安培到十幾萬(wàn)安培)。交流爐由電爐變壓器供電。直流爐則是由包括整流變壓器等在內(nèi)的大功率整流裝置供電， 供電系統(tǒng)的輸出電壓可調(diào)。對(duì)于交流爐，為提高爐子的功率因數(shù)，減小線(xiàn)路損耗，應(yīng)盡可能減小大電流線(xiàn)路的電阻和電抗，特別是電抗，并力求三相平衡。為此，三相交流埋弧爐的大電流線(xiàn)路通常在電極上接成三角形接線(xiàn)(見(jiàn)短網(wǎng))。三相埋弧爐可由一臺(tái)三相變壓器供電，但大容量者也常由3臺(tái)單相變壓器供電。在后一情況下，對(duì)圓形爐體的爐子，3臺(tái)變壓器對(duì)稱(chēng)地布置在爐子周?chē)O(shè)備占地面積雖較大，但有利于減小線(xiàn)路阻抗和三相阻抗不平衡度，對(duì)爐子的運(yùn)行有利。

加料和出料裝置埋弧爐一般從爐頂加料。除少數(shù)小型爐由人工加料外，多數(shù)采用機(jī)械加料的間斷加料方式?，F(xiàn)代大型埋弧爐的加料裝置配有原料破碎、粒度分級(jí)、干燥、預(yù)熱、預(yù)還原等原料預(yù)處理設(shè)施。

用埋弧爐冶煉得到的制成品多數(shù)呈液態(tài)出料。在冶煉過(guò)程中料液沉積在爐底上，爐底適當(dāng)高度上設(shè)有平時(shí)用堵口泥封住的出料口，每隔2～6 h用開(kāi)口機(jī)打通出料口出料。少數(shù)制成品，如鎢鐵，呈固態(tài)出料，爐子容量一般不超過(guò)1000 kV·A，冶煉結(jié)束后拆去爐墻取出料塊。有的制成品呈氣態(tài)出料，如黃磷，用管道收集產(chǎn)品。

控制系統(tǒng)采用微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)埋弧爐各部的動(dòng)作進(jìn)行綜合控制。如變壓器抽頭切換和電極升降控制，以保持三相功率平衡；電極壓放控制;電極深度控制;上料與稱(chēng)量控制。

除塵裝置封閉式爐中平均每噸產(chǎn)品產(chǎn)生500～1000 m(標(biāo))爐氣，含粉塵為20～100 g/m(標(biāo))。敞口式爐由于反應(yīng)氣體在爐口燃燒形成高溫吸入周?chē)罅靠諝?，爐氣量增大60～100倍。爐氣用排煙罩排除。對(duì)敞口式爐用布袋或靜電除塵器除塵;封閉式爐則主要采用濕式除塵法除塵。