埋弧电炉几何参数与经济指标之间的关系

埋弧电炉几何参数与经济指标之间的关系

吴亮亮  ,李二昌  ,蔡东彪 ,韩更升

新疆天池能源责任有限公司    新疆昌吉州     831100

摘要：铁合金冶炼技术在上世纪60年代由前苏联引进，至此已经在我国发展了60多年。积累了三代铁合金人的智慧和汗水，使铁合金冶炼技术得到了长足的发展。今天和大家分享一段我在铁合金行业十多年的心得和体会。希望能得到大家的批评指正。

关键词：炉膛；经济指标；关系

一、炉膛深度与经济指标之间的关系

炉膛深度实际反映的是料层厚度，料层的厚度影响硅元素的回收率，最终反映在单位产品消耗原料和电能的多少。硅铁生产中一氧化硅是必不可少的中间产物，而一氧化硅在高温条件下，以气态方式存在，并且随着温度的升高化学性质越稳定（氧化物△Gθ—T图）。SiO气体从坩埚区通过料层向上运动的过程中，温度逐渐下降，同时与料层中的碳发生反应形成SiC(SiO+C=SiC+CO)。另外SiO+SiC=Si+CO,这两个反应过程的速度决定了单位时间的产量，如果温度大于2000℃这俩个反应过程逐步变慢，大量的高温SiO气体将会溢出料层和空气中的氧元素反应形成微硅粉。如果料层足够厚确保SiO气体在离开料层之前全部被消耗，那么硅元素的回收利用率就会提高，成本就会下降。当然了还原剂的气孔率和反应活性也是影响其反应速度的不可忽略的指标。

而SiO气体生成过程主要由以下两个反应过程决定：

SiO2↑=SiO+O       SiO2+C= SiO+ CO,这两个反应过程随着温度的升高速度会越来越快，当坩埚区的SiO气体浓度达到饱和状态时，这两个反应过程的速度将不再增加。继续提高热量输入SiO气体迅速膨胀冲出料面形成微硅粉，降低回收率，增加成本。

从以上分析可以得出俩个结论：一、料层厚度决定回收率；二、料层厚度影响入炉功率。同时也说明温度不是决定化学反应速度的唯一条件。我们应该同时考虑另外两个因素：一、由于炉膛深度增加，电极长度也要增加，炉料和电极的接触面积就要增加炉料电阻减小导致电极电流上升，是一个电极不能稳定的负面作用。所以既要考虑回收率又要考虑电极稳定。（电极稳定是指长度稳定插入料层的深度稳定）；二、在电极长度增长后要考虑电极壳、筋板的设计结构以及电极糊的质量，确保抗拉强度在安全工作范围内。另外料层的厚度影响踏料的次数和踏料程度，每次踏料都会导致电流大幅度波动，不利于电极稳定。所以深炉膛厚料层可以减少踏料次数稳定电极。

二、炉膛直径、炉膛功率密度与经济指标之间的关系

我们先假设一种工作状态，在相同入炉功率的前提下，炉膛耐火材料的保温效果相同，化学反应的温度达合理区间，那么炉膛直径越大可能形成的坩埚区的面积就会越大，炉膛直径越小形成的坩埚区面积就会越小。当然这个最大值是与入炉功率密切相关的，不会无限制的增大。而化学反应的速度除了和温度压强有关系外，还与物料之间的接触面积、物料的状态有关系。相同温度下反应空间越大速度越快。相同反应空间里，温度在某一区间，越高反应速度越快。而炉膛直径的大小直接影响了坩埚区的大小，也就影响了反应物之间的接触面积和反应物的参与量。在原材料稳定的情况下单位面积的炉膛其产量是固定的，在合理的温度区间和温度成正比关系。所以我们设计的时候需要做到在保证温度的前提下尽量扩大反应接触面积，也就是放大炉膛直径。

炉膛直径的大小以什么为依据，首先要考虑的应该是如何维持稳定合理的炉温，而直接影响炉温的因素是入炉功率。为了研究方便我们这里引入一个概念“炉膛功率密度”就是指炉膛单位面积所容纳的有功功率。根据历史数据的分析，产量和单耗、炉膛单位面积产量（t.m2/h）与炉膛功率密度存在以下关系。

从上图可以看出最合理的入炉功率应该在C点位置，在实际生产中我们不可能准确地控制到C点，那么我们设置以C为中心，最大值在B最小值在A。这样既解决了设计上选择入炉功率的问题，也解决了操作中没有标准的问题。从炉膛单位面积产量（t.m2/h）和功率密度关系看，功率密度达到某一数值的时候，每平方米炉膛面积上的产量几乎恒定不变，所以入炉功率没必要设计的很大。

三、电极占空比与炉况之间的关系

电极占空比是指三相电极截面积之和与炉膛截面积之间的比值。这个参数的大小直接影响炉料的塌陷频率。入炉物料粒度固定的情况下，该比值越大踏料次数越少。踏料次数越少电极越稳定。电极稳定生产状况就稳定，减少了人为因素影响炉况。同理电极占空比较大的设备，可以适当放宽对原料粒度的要求，小粒度的硅石比例增加踏料次数也不会增加多少，解决了入炉料批粒度对炉况的影响，原料可选范围扩大成本也会下降。

电极占空比大，就要求电极直径放大。在耗电量相同的情况下电极直径越大长度方向消耗的速度越慢，所以大电极直径有利于稳定电极长度；电极直径放大之后载流能力提高，所以对电极糊质量要求降低，生产成本相应也降低。电极直径增加后可能出现的负面效应有以下几方面：一、自重增加，对把持系统、上下抱闸设计要进一步加强；二、烧结时间有可能延长，但是可以通过调整电极糊的挥发分和石墨的比例来解决；三、电极直径放大，长度增加对电极壳、筋板的设计需要加强，防止脱壳软断。如果解决了筋板设计问题，放大电极直径利大于弊。

四、糊柱高度与炉况之间的关系

糊住高度影响电极的烧结密度，烧结密度越大电极消耗速度越慢，电极长度越稳定。所以要求上下抱闸的抱合力一定达到电极糊柱最高时候要求的力量，同时还不能出现电极壳被压变形的情况。如果再加强管理，电极糊每次少加，增加加糊次数，保证液态电极糊受压恒定，电极的烧结密度稳定，消耗速度也就减少了一个波动原因，掌握电极长度的变化也就成为可能。

五、还原剂配入量

      还原剂主要考虑的因素是能够100%还原二氧化硅，在理想状态下一比一的配比是最经济的做法。考虑到实际情况表面烧损和还原其它成分所消耗的碳量，实际操作的时候要适当提高还原剂配入量。硅石中的其他成分主要有K、Ca、Na、Me、Al、Mn、S、P等，但是其总量很少。其中还原温度低于硅还原温度的需要消耗部分还原剂，由于其数量少可以忽略不计。另外铁制品对还原剂的消耗也是微不足道的，由于铁制品主要成分是Fe2O3它的还原开始温度500多度，而且很容易被CO还原，只有极少量的氧化亚铁和四氧化三铁需要消耗还原剂。所以，铁制品消耗的碳量也可以忽略不计。由此可见，还原剂的配入量只考虑还原硅和烧损这两部分，还原1000kgSiO2所需固定碳是400Kg，烧损可以根据路况在1%-5%之间选择，次火频繁烧损严重的选5%，依次递减。在保证了入炉固碳的情况下入炉水分也需要稳定，通常使用含水量不同的二到三种还原剂，以水分居中的原料为基础，调整其比例使其入炉水分恒定，尤其是更换料批的时候。

六、大气压强对炉温的影响

目前我们所有的设备都是敞口容器，属于恒压反应。恒压反应的特点就是同一种物质（纯净物或比例稳定的混合物）在标准大气压下其最高温度是恒定的，不会因为提供的热量多少而改变。多余的热量都以体积功的形式消耗掉。当气压升高时温度也升高，气压下降温度也下降。这就是相同的炉型在不同地区出现指标差异很大的主要原因。由于海拔高度的变化导致大气压的变化影响炉温。如何能够避免这种影响呢？主要有以下两个方面：1、在设计方面要考虑较大的电极占空比，较大的电极占空比可以减小炉料粒度，小粒度的炉料能够提高炉内气体溢出的阻力从而增加炉内压强，以弥补海拔高度造成的大气压强偏低。2、选择合适的用电量，确保在当地大气压的情况下最高反应温度，但是不能无限制的提高，增加体积功的损耗。