埋弧炉

电极埋在炉料中的电弧炉

埋弧炉是电极埋在炉料中的电弧炉，又称电弧电阻炉。埋弧炉的特点是炉料呈颗料或粉末状，工作时电极埋在炉料内部加热。加热炉料的热阻一部分来自电极与炉料间的电弧热(见电弧加热)，一部分来自电流流经炉料所产生的电阻热(见电阻加热)。这是一类耗电量大的电弧炉。埋弧炉主要用于用焦炭还原矿石，生产铁合金(主要是锰铁、硅铁、铬铁、镍铁)、金属硅、电熔刚玉、冰铜、电石、黄磷等。

历史发展

19世纪90年代初，法国的H.穆瓦桑(Henri Moissan)对不易用化学方法还原的金属氧化物利用电弧加热系统地进行了还原试验。1894年，法国的P.L.T.埃鲁(Paul Louis oussaint Heroult)把穆瓦桑的设想应用到工业上，首先研制成工业生产用电石炉。1909年，挪威电气化学公司工程师C.W.索德伯克(C.W.Soderberg)开发了自烧成电极(自焙电极)。1922年，泰兰德(Tyland)成功地制造了世界上第一台自焙电极式500 kW炼铁用实验炉。此后，通过自焙电极与炉子结构、设备的不断改进、完善，其用途日趋扩大，各种用途的埋弧炉相继问世。20世纪50年代以前，炉子容量为几百千伏安到1万kV·A左右。70年代，炉子的容量日趋大型化，新建的铁合金炉一般为2000～40000 kV·A，最大的封闭式铁合金炉达75000 kV·A，半封闭式炉达96000 kV·A，供电、加料、控制、除尘等设施的技术水平相应提高，电子计算机开始得到应用。80年代起直流埋弧炉得到迅速发展。世界上容量最大的铁合炉是挪威埃肯公司于1991年为Samancor Limited铁合金厂设计制造的半封闭式105000 kV·A铬铁合金电炉。

中国于1958年开始设计、制造埋弧炉。1985年中国遵义铁合金厂从联邦德国曼德斯曼德马克公司引进了50000 kV·A硅铁合金电炉。此后，中国设计、制造水平显著提高。90年代初，北京钢铁研究总院为张家口四方台铁合金厂设计、制造了直流6300 kV·A多用途铁合金炉。1998年包头钢铁设计院为巴基斯坦设计、制造了交流12500 kV·A硅铁合金炉。此时，中国的埋弧炉设计能力已达25000 kV·A。20世纪末中国已有40000 kV·A电石炉、25000kV·A锰铁炉、31500 kV·A硅锰合金炉、16500 kV·A冰铜炉和50000 kV·A硅铁炉等大型埋弧炉在顺利运行。埋弧炉正在向多用途、高生产率、节能降耗和减少环境污染的方向发展。

设备分类

埋弧炉通常按用途分类，其规格大小按所配用的电炉变压器的容量表示，小则几百千伏安，大的可近十万千伏安。各类埋弧炉的炉名、所用原料、产品名称、反应温度和电耗如表所示。埋弧炉的电耗随原料成分、炉子容量而有很大差异。通常炉子容量愈大，电耗愈低。各类埋弧炉的炉名、所用原料、产品名称、反应温度和电耗[见单位产品(产值)耗电]如下表所示。

设备结构

埋弧炉的结构型式很多，使用面最广的铁合金炉的成套埋弧炉设备由炉体、电极系统、供电系统、加料和出料装置、控制系统、除尘装置等部分组成。

炉体

多数埋弧炉的炉体呈圆筒形或圆锥形，少数炉子如大型锰铁炉、冰铜炉的炉体呈长方形，也有呈方形或椭圆形的。炉体多数有钢板外壳，内侧有用耐火砖和(或)碳砖砌成的炉衬。炉体按产品种类和容量大小有固定和旋转两种型式。多数炉子的炉体是固定的，见图(a)、(b)；某些大型铁合金炉，如硅铁炉，常采用炉体回转或来回转动的结构，以消除炉料的搭挂，减少炉料结壳，扩大反应区和有利于炉气的排出，见图(c)。转速约每周30～240 h。炉顶有敞口、封闭和半封闭三种型式。早期的埋弧炉是敞口式的，见图(a)。由于矿石还原会产生大量的一氧化碳等气体，随着环境保护要求的提高和余热利用技术的进步，对不同用途的埋弧炉分别采用了封闭式，或矮烟罩半封闭式的炉顶。半封闭式炉在烟罩下设有可调节开启度的炉门，以调节吸入的空气量和烟气温度。

电极系统

埋弧炉所用电极多数为自焙电极，即依靠炉子本身热能熔烧成的电极，也有用碳素电极和石墨电极的 (见电弧炉电极)。对圆形炉体，三相电极呈三角形对称布置在炉膛内; 对矩形或椭圆形炉体，电极一般布置在一条直线上。为了弥补炉内电极的消耗，自熔电极配有电极松放或压放装置;为调节电炉的输入功率和电流，电极配有升降调节器(见电弧炉电极自动调节器)。

供电系统

埋弧炉多数由工频交流供电，少数也有用直流供电的。交流炉大部分是三相，个别小容量的也有单相，并用两根电极构成电流回路。直流埋弧炉通常只用一根电极，而在炉底埋设导电材料 (即底电极)以构成电流回路。埋弧炉工作电压低(一般为80～300V)、电流大(几千安培到十几万安培)。交流炉由电炉变压器供电。直流炉则是由包括整流变压器等在内的大功率整流装置供电，供电系统的输出电压可调。对于交流炉，为提高炉子的功率因数，减小线路损耗，应尽可能减小大电流线路的电阻和电抗，特别是电抗，并力求三相平衡。为此，三相交流埋弧炉的大电流线路通常在电极上接成三角形接线(见短网)。三相埋弧炉可由一台三相变压器供电，但大容量者也常由3台单相变压器供电。在后一情况下，对圆形炉体的炉子，3台变压器对称地布置在炉子周围，设备占地面积虽较大，但有利于减小线路阻抗和三相阻抗不平衡度，对炉子的运行有利。

加料和出料装置

埋弧炉一般从炉顶加料。除少数小型炉由人工加料外，多数采用机械加料的间断加料方式。现代大型埋弧炉的加料装置配有原料破碎、粒度分级、干燥、预热、预还原等原料预处理设施。

用埋弧炉冶炼得到的制成品多数呈液态出料。在冶炼过程中料液沉积在炉底上，炉底适当高度上设有平时用堵口泥封住的出料口，每隔2～6 h用开口机打通出料口出料。少数制成品，如钨铁，呈固态出料，炉子容量一般不超过1000 kV·A，冶炼结束后拆去炉墙取出料块。有的制成品呈气态出料，如黄磷，用管道收集产品。

控制系统

采用微机控制系统对埋弧炉各部的动作进行综合控制。如变压器抽头切换和电极升降控制，以保持三相功率平衡；电极压放控制;电极深度控制;上料与称量控制。

除尘装置

封闭式炉中平均每吨产品产生500～1000 m(标)炉气，含粉尘为20～100 g/m(标)。敞口式炉由于反应气体在炉口燃烧形成高温吸入周围大量空气，炉气量增大60～100倍。炉气用排烟罩排除。对敞口式炉用布袋或静电除尘器除尘;封闭式炉则主要采用湿式除尘法除尘。

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