3 第三章 矿热炉

T = 1637 ℃ ∆H = 24637kJ/kg (Si)
48
冶炼温度和入炉功率
电弧热— 热等离子体 3×103～4×104 K

冶炼温度
（属低温等离子体；核聚变、激光聚 变，属高温等离子体，106 ～108K）
电阻热— 焦炭层、熔体<3×103 K

功率密度—维持反应温度的电能输入要求
49
冶炼工艺与电——热转换形式
体积密度 /g·cm-3 ≥
注：THD-1，THD-2用于封闭电炉，也称封闭糊。其余各牌号用于敞开电炉，也称标 准糊。
34
自焙电极把持器
（1）径向大螺钉顶紧式把持器 （2）径向油压环式把持器 （3）锥形环式把持器 （4）埃肯组合式把持器（取消传统铜瓦）
35
铜瓦结构示意图
a: 1-安放导电铜管处；2-固定导电铜管螺栓装置处；3-U形冷却管；4-联紧螺栓凹形穴 b: 1-U形管;2-铜瓦本体;3-锥形块; 4-绝缘云母
41
电极升降机构和压放机构
机械传动—卷扬传动，链轮传动 电极升降机构 液压传动—刚性连接，铰性连接
弹簧闸块式抱闸 电极压放机构 钢带式抱闸
42
机械传动电极升降机构
钢丝绳卷扬升降 装置
1-电极 2-把持器 3-定滑轮 4-制动器 5-平衡锤 6-手轮 7-开式齿轮对 8-减速机 9-卷筒 10-电动机
47
矿热炉内生成硅、锰金属的温度和能耗
（MnO）+ C ＝ [Mn] + CO (1) (J/mol)
G 0 = 268990 － 183.5T
T = 1192 ℃
∆H = 4890kJ/kg (Mn) (2)
（SiO2）+2C＝[Si] + 2CO
0
G = 689860 － 361.38T (J/mol)
硅铁
硅钙合金 硅钙钡 合金 工业硅
20.57
32.5 25.4 22.5 17.9
3.15
3.17 3.24 2.74 2.69 2.79 2.89
1.81
1.91 1.77
1.49
1.52 1.48 3.59 3.17 3.09 3.79 3.59 3.17 3.09 3.79
四川眉山
四川雅安 陕西安康 山西大同 广西柳州 广西柳州 广西桂林
水冷却
2.5～3.0
理论计算水冷却铜导体的电流密度选择在2.0～2.5之间比较合理
28
电极系统


矿热炉电极的分类
电极把持器结构

电极压放控制系统
29
矿热炉电极的分类

石墨电极—采用石油焦为主原料，沥青和焦油作粘结剂，挤 压成圆柱状电极坯后，装入专门的石墨化电阻炉 内制成的（生产周期达3—4个月）；
FeMn75C7.6 Mn65Si17 Mn60Si30 FeAl25Si30 FeAl50Si20 FeSi45 FeSi75
理论电耗（Kwh/t）
不同牌号的铁合金
51
铁合金生产的三种冶炼模式
要求能量在渣层放出的埋弧和热炉口操作（A型）
要求能量集中在反应区的埋弧和冷料面的操作（B型）
要求能量在熔池表面放出的明弧和热炉口操作（炼钢炉）
导体名称
集肤深度mm 铜 （50℃） 9.24 铝 （50℃） 11.72 石墨电极 （1000℃） 21.95 碳素电极 （1000℃） 44.81 自焙电极 （1000℃） 50.70
注：上述数据是按着圆柱体的几何形状计算的。
25
集肤效应深度

红色是电荷流过的截面，黄色是没有电 荷流过的截面。
52
高碳锰铁、高碳铬铁、硅锰合金 矿热炉炉膛结构示意图（A型）
1.松散的烧结料；2. 软熔带；3. 渣焦混合物；4. 焦炭层；5. 渣层（有焦炭）；6. 渣层； 53 7. 金属；8. 死料区；9. 电极碎块；10. 电极；11. 碳砖；12. 出渣口；13. 出铁口
硅铁及硅铁合金炉炉膛结构的示意图（B型）
长期超负荷运行（＞ 30%）
3
矿热炉参数
设备参数
熔炼特性参数
电气参数 变压器容量 电极电流 二次侧电压
炉型参数
电气特性 功率因素 相平衡 操作电阻
操作制度
炉膛直径
炉膛深度 电极直径
电极插入深度
化料速度 炉料透气性
极心圆大小
4
矿热炉主要设备组成
（1）炉用变压器 （2）短网系统
（3）电极系统 （5）水冷系统 （7）除尘系统 （4）炉体部分 （6）加料系统
△
c 三相变压器△-△接线 d 三台单相变压器
19
短网基本计算公式

交流电阻公式：R j k 0 R50 k1k 2 20 1 t ( ) s
集肤效应系数公源自文库： k1
l
Rj Rz

kr 0 f

2l 简化电感计算公式： M 2l ln 1 10 9 (H) L g
8-电极升降压放装置。
8
铁合金冶炼炉的供电系统
1 高压母线
2 高压隔离开关
3 高压断路器 4 电流互感器 5 电压互感器 6 高压熔断器 7 电力电缆 8 炉用变压器
炉用变压器与短网设计要点
(1)矿热炉用变压器的特点
(2)短网布置与导电体界面积选取原则
(3)关于低压补偿技术简介
10
变压器原理
U1 变压器的变比：
灰分/%≤ 挥发分/% 耐压强度 /MPa≥ 电阻率 /μΩ·m≤
THD-1 THD-2 THD-3 THD-4 THD-5
5.0
6.0
7.0 9.5~13.5 19.6 80 1.36
9.0
11.0
12.0~15.5 12.0~15.5 17.0 68 1.36 15.7 75 1.36
11.5~15.5 11.5~15.5 19.6 90 1.36 19.6 90 1.36

自焙电极—将专用电极糊（soderberg paste）加入特制的钢质 电极壳内，在冶炼过程中自动焙烧硬化而成； 碳素电极—采用无烟煤和焦炭为主原料，沥青和焦油作粘结 剂，挤压成型的电极通过焙烧成形。
30

自焙电极烧结示意图
80℃ 200℃
800℃
1200℃
>2000℃
31
自焙电极壳与筋片
自焙电极壳一般由1.25～3mm的薄钢板焊接 而成，每节长约1m，在钢质圆筒内焊有6～8个 筋片，其高度约为电极直径的0.2～0.35倍，筋 片上开有三角榫或圆孔。自焙电极横截面上， 钢板面积与碳素材料的面积之比（铁比）一般 为1.3%左右，对大型电极，其值不超过1.7%。
43
液压传动电极升降机构
液压升降电极图 1-电极 2-导电颚板 3-锥形环把持器 4-软铜带 5-集电环 6-电极护筒 7-电极升降油缸 8-下闸环 9-上闸环
44
电极压放机构
45
不同冶炼模式的矿热炉
1）矿热炉冶炼不同产品的所需温度和能量
2）冶炼工艺与电热转换形式
3）铁合金生产的三种冶炼模式
12
变压器感应电动势计算
E＝ 2 fAm Bm 10
Bm－磁通密度（Gs）
8
（V）
式中：Am－铁心截面积（cm2）
f －交流电频率（Hz）
13
变压器铁心计算
有效铁心截面积：
Am k S （cm2）
式中：
kφ－铁心磁导率系数，武钢冷扎硅钢片20.5
S’－单相变压器容量或1/3三相变压器容量（kVA）
36
径向大螺钉顶紧式把持器
电极把持器简图 1-电极； 2-铜瓦； 3-顶紧螺栓； 4-夹紧半环； 5-导电铜管； 6-吊筋； 7-把持筒
37
径向油压环式把持器
38
锥形环把持器
39
锥形环把持器
油压锥形环 1-电极；
2-油压锥形环；
3-铜瓦； 4-油压拉力活塞拉杆
40
埃肯组合式把持器
埃尔肯标准型电极 把持器 1-电极提升机构 2-电极压放装置 3-二次电流导线 4-接触装置 5-外罩
c-z
b-y
a-x
23
二次短网设计与经济运行的关系
短网截面选择的原则：
（1）用安全运行电流密度选择导体截面积 （2）用经济运行电流密度选择导体截面积 （3）克服集肤效应影响选择几何形状
24
矿热炉节电的技术措施之一 短网布置与导电体截面积选取
焦耳-楞次定律： Q=0.239I2Rt
工频电流中的导体集肤效应
式中：k0、k1、k2—分别为交流电阻系数、集肤效应系数、邻近效应系数； Rz—直流电阻；κ—导体电导率；μ0—空气磁导率；Kr—几何均距； ρ20—导体20℃时电阻率；Δt—温升；α—电阻温度系数；l—导体长度； s—导体截面积。
20
短网平面布置图
21
短网立面布置图
22
三相变压器短网设计改进
32
自焙电极烧成过程在电极垂直方向上的变化
（1）构成电极的两种材料（钢、碳）的电阻与 温度的影响关系是相反的，在电极烧成过程起
互衬作用；
（2）电极电流由主要通过电极壳和筋片过渡到
全部通过烧成的碳素电极；
（3）电极承受的重量由电极壳和筋片承重过渡 到完全烧成的碳素电极承重。
33
电极糊技术指标
牌号 项目
26
国内部分企业短网运行情况调查汇总表
产品 短网压降 % 19.23 13.72 39.8 铜管 2.79 4.1 3.7 1.97 电流密度（A/mm2） 铜排 水冷电缆 2.92 3.83 1.56 补偿器 2.92 3.83 地区 内蒙古包头 内蒙古鄂盟 四川雅安 备注 二次补偿 二次补偿 裸铜电缆
5
矿热炉主体设备示意图
1-高压母线；2-油开关；3-电炉变压器；4-高压线圈；5-低压线圈；6-铁芯； 7-铜排；8-软电缆；9-导电铜管；10-铜瓦；11-电极；12-炉衬；13-熔池
6
普通矿热炉设备示意图
7
封闭式旋转电炉断面图
1-炉衬；2-炉壳；3-炉盖；
4-旋转机构；5-把持器；
6-电极；7-加料系统；
15
炉变容量与变压器二次电压选择
电极周边电阻系数（安德列系数）
不同产品k因子不同，同一产品k因子是常数
k
电极功率密度
U2 I2
d
（kw/cm2）

4P 3 d 2
式中：P－炉口有效功率kW
16
直流电源内阻与灯泡电阻
r
k
R
17
炉子电压圆图
18
Y
短网三种接线方式
Y
a 三相变压器Y-△接线 b 三相变压器Y-△接线
裸铜电缆
裸铜电缆 裸铜电缆 二次补偿 二次补偿 二次补偿 二次补偿
锰硅合金
16.9 27.74
21.21
碳铬合金 22.94
2.88
2.96
1.43
1.53
1.08
3.06
2.39
1.53
江西萍乡
广西北海
裸铜电缆
空冷补偿器 27
化工部短网节能电流密度选择规范
导体名称
铜导体
单位
A/mm2
空气冷却
0.9～1.1
第三章 矿热炉
(Submerged Arc Electric Furnace)

铁合金生产三要素 矿热炉主体设备组成 炉用变压器与短网设计要点


电极系统
不同冶炼模式的矿热炉
1
铁合金生产三要素
大酒店（饭店）
锅灶
铁合金厂
设备
材料
大厨师
原料
生产者
2
铁合金冶炼设备认识的几点误区
万能炉（适用于产品改炼） 单纯追求高功率因素（有效利用变压器，节电）
U2
kB
U1 U2

I2 I1

N1 N2
11
式中：N1－高压线圈的匝数；N2－低压线圈的匝数
矿热炉炉变二次电压调压方式

矿热炉变压器在制造行业称作特种变压 器，与电力变压器不同的特点是：电力 变压器的二次电压恒定，一次电压随电 网波动调整；矿热炉变压器是一次电压 恒定，二次电压在一定范围内调整。
1－预热区；2－烧结区；3－还原区；4－电弧区；5－熔池区； 6－假炉底；7－死料区；8－电极； 9－炉衬； 10－出铁口
54
镍铁合金矿热炉(熔分炉)炉膛结构示意图
遮弧冶炼过程
电渣冶炼过程
55
谢 谢 ！
56
冶炼模式
有渣法冶炼（Mn系、Cr系） (MO)渣中+C M+CO 无渣法冶炼（Si系） MO+C M+CO
电热——转换形式
电阻加热为主 有焦炭层 电弧加热为主 无焦炭层
不同种类铁合金产品的理论电耗
7700 7200 6700 6200 5700 5200 4700 4200 3700 3200 2700 2200 1700
14
炉变容量与变压器二次电压选择
前苏联A.C.米库林斯基的矿热炉变压器二次电压计算公式
U 2 K u 3 Ps
式中：Ps－视在功率kVA；
（V）
Ku－与铁合金产品及变压器容量相关的系数 用炉口导纳计算变压器二次电压
U2
3 S 3G
（V）
G
1 RL rw
（西门子）
式中：S”－运行容量VA；RL－炉口电阻；rw－短网电阻