礦熱爐操作人員講義

礦熱爐操作人員講義

目錄

1.為什么要求電極較深地插入爐料？.............................................2

2.硅鐵電爐的電參數(shù)及幾何參數(shù)確定方法及公式..................................2

2.1.電爐供電參數(shù)的確定.....................................................2

2.2.電爐幾何參數(shù)的確定.....................................................3

3.影響電極插入深度的因素有哪些？...............................................4

3.1.焦炭或蘭炭加入量.......................................................4

3.2.焦炭或蘭炭粒度.........................................................4

3.3.焦炭或蘭炭性質(zhì).........................................................4

3.4.礦熱爐二次電壓.........................................................5

3.5.操作情況...............................................................7

3.6.出鐵時(shí)間...............................................................7

3.7.爐內(nèi)積渣量.............................................................8

3.8.電極間的極心圓直徑.....................................................8

4.如何判斷電極出入深度？........................................................8

4.1.電弧響聲................................................................8

4.1.1.氣體放電的巴申定律...............................................12

4.2.塌料和刺火情況........................................................12

4.3.用煙區(qū)域大小..........................................................13

4.4.爐口溫度..............................................................15

4.5.出鐵情況..............................................................15

5.正常爐況應(yīng)是什么樣的？.......................................................15

6.為什么爐渣有時(shí)發(fā)粘，怎樣處理？..............................................16

6.1.爐渣過粘的特征.........................................................16

6.2.爐渣過粘的原因.........................................................16

6.3.爐渣過粘的危害性.......................................................17

6.4.爐渣過粘時(shí)操作注意事項(xiàng).................................................17

6.5.較大容量的電爐爐渣發(fā)粘時(shí)的兩個(gè)措施....................................17

7.礦熱爐爐內(nèi)為什么有時(shí)刺火，如何處理？........................................18

7.1.刺火的概念.............................................................18

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7.2.比較容易刺火的部位：...................................................18

7.3.刺火的原因.............................................................18

7.4.刺火的危害：..........................................................18

7.5.刺火的處理方法：.....................................................19

8.為什么爐渣過粘時(shí)電極不易深插？.............................................19

9.工業(yè)硅冶煉過程中礦熱爐易出現(xiàn)的幾種爐況問題...............................20

9.1.概述...................................................................20

9.2.還原劑的選擇及配料問題.................................................21

9.3.爐況波動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的問題...................................................21

9.4.出爐時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題.......................................................21

9.5.儀表操作中發(fā)現(xiàn)的問題...................................................21

1.為什么要求電極較深地插入爐料？

電極較深的插放爐料，可以提高爐溫和擴(kuò)大珀煙，為冶煉反應(yīng)充分進(jìn)行，

創(chuàng)造了必要的熱量條件。因此，使電極較深的插入爐料，是冶煉操作中的重要

環(huán)節(jié)。

當(dāng)電極插入爐料較深時(shí)，熱量損失少，爐溫高，用煙大，爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速

度快，于是出鐵量多，單位電耗低。反之，電極插入爐料較淺時(shí)，刺火和塌料

現(xiàn)象均較多，熱量損失大，爐溫低，反應(yīng)不能充分進(jìn)行，因此，就不會(huì)有較好

的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

電極的插入深度，主要與冶煉品種和爐容量大小有關(guān)。

據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，冶煉75硅鐵，較大容量爐子的電極插入深度一般為

1000?1200mm,較小容量的礦熱爐，一般為700~1000mm。冶煉45硅鐵較

大容量礦熱爐的電極插入深度，一般為800?1000mm,較小容量爐子一般為

500?800mm較為合適。

2.硅鐵電爐的電參數(shù)及幾何參數(shù)確定方法及公式

2.1.電爐供電參數(shù)的確定

以25MVA硅鐵電爐為例（下同），電爐的供電參數(shù)如下：

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（1）礦變的一次電壓以35或llOkV為常見的一次電壓。

（2）調(diào)整二次電壓，有載遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

（3）油水冷卻器冷卻電爐變壓器。

（4）電爐變壓器裝有中壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，以提高電爐冶煉的功率因數(shù)。

（5）變壓器二次電壓范圍，115?175?265V,變壓器電壓級(jí)數(shù)31級(jí)，級(jí)

差3V,電爐常用使用電壓190V,額定電流76000A左右。

（6）三個(gè)單相變壓器，接線方式DdO。

（7）自然功率因數(shù)下電爐額定有功功率16.25MVA。

2.2.電爐幾何參數(shù)的確定

電極的直徑由電極的電流密度和電極截面的功率密度來(lái)決定。電極電流密

度設(shè)定為6A/CO?,電極截面的功率密度設(shè)置為0.5kW/cm2左右。由此確定電極

直徑130cm。即使采用中壓補(bǔ)償來(lái)提高有功功率，上述計(jì)算方法仍然在有效的

范圍內(nèi)。

（1）電極的極心圓直徑如何確定？

電爐的極心圓直徑是由極心圓面積的功率密度決定的，在25MVA電爐中

極心圓的面積功率密度選擇2.65MVA/m2,由此確定電極的極心圓直徑在

3100±100mmo

（2）電極的爐膛直徑是如何確定的？

電爐的爐膛直徑是由爐膛面積的功率密度決定的，在冶煉硅鐵的25MVA

電爐中，這個(gè)數(shù)值取值500kW/m2,依此計(jì)算電爐的爐膛直徑大約在

7200mm。

（3）電爐的爐膛深度是如何確定的？

電爐的爐膛深度是由電爐容積的功率密度決定的，此數(shù)值大約

190kW/m3o由此計(jì)算25MVA的爐膛深度的在2600mm左右。

（4）爐殼高度的尺寸是如何確定的？

25MVA的爐殼高度是由爐膛深度加上2000mm,大約在4600mm左右。

這就意味著爐底厚度2000mm左右。

（5）爐殼直徑的尺寸是如何確定的？

25MVA的爐殼直徑是由爐膛直徑加上2000mm,即9700mm左右，這就意

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味著爐墻厚度1000mm左右。

(6)爐墻碳磚的高度尺寸是如何確定的？

硅鐵電爐爐墻碳磚的高度應(yīng)大于0.67d(d-電極直徑)，以保證電極的插入

深度低于碳磚的高度200?250mm。在25MVA電爐爐墻碳磚高度大約在

1100?1200mm。

這里需要特別指出的是上述爐子尺寸參數(shù)值的計(jì)算，均是在電爐自然功率

下的有功功率為基礎(chǔ)的，考慮到低壓、中壓補(bǔ)償以后有功功率的提高，應(yīng)根據(jù)

有功功率的提高幅度來(lái)重新核定其尺寸參數(shù)值。

3.影響電極插入深度的因素有哪些？

3.1.焦炭或蘭炭加入量

焦炭的導(dǎo)電性比硅強(qiáng)。如果焦炭加入量過多，會(huì)影響電極深插。因此，在

滿足硅石中的二氧化碳充分還原的條件下，焦炭加入不要過多，以利于電極插

入。

蘭炭是由優(yōu)質(zhì)的侏羅紀(jì)煤炭燒制而成的，具有固定碳高、比電阻高、化學(xué)

活性高、含灰份低、硫低、磷低、鋁低等特性。被廣泛應(yīng)用于電石、鐵合金、

硅鐵、碳化硅等產(chǎn)品的生產(chǎn)及化工、冶煉、造氣等行業(yè)。近些年，蘭炭還被廣

泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域及工業(yè)鍋爐燃料。蘭炭的大范圍推廣是使用，越來(lái)越受到各

領(lǐng)域的關(guān)注與推崇。

3.2.焦炭或蘭炭粒度

焦炭的粒度小，表面積增大，增加接觸面，爐料的電阻大，則電極插入

深；反之，焦炭的粒度大，表面積減少，爐料的電阻小，則電極的插入深度就

變淺。

蘭炭也被成為半焦、焦炭，結(jié)構(gòu)為塊狀，粒度一般在3mm以上，它的顏

色呈淺黑色。蘭炭可以分為大料、中料、小料及焦面。小料粒度介于6mm?

13mm,中料粒度介于13mm~25mm,大料粒度大于25mm,焦面粒度小于

6mm。蘭炭的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，固定碳＞82%,揮發(fā)分＜4%,灰份＜6%,硫＜

0.3%,水份＜10%。

3.3.焦炭或蘭炭性質(zhì)

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這里主要是指焦炭本身的電阻。如果焦炭的電阻小，通過爐料的電流大，

使電極上升，電極插入深度就淺。反之，焦炭的電阻大，例如使用煤氣焦等，

因其電阻大，電極則可深插。

蘭炭固定炭高、比電阻高、化學(xué)活性高、含灰分低、鋁低、硫低、磷低的

特性，可代替冶金焦、無(wú)煙塊和木炭而廣泛運(yùn)用于電石、金屬硅、鐵合金、硅

鐵、格鐵、硅錦、碳化硅、化肥等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。

3.4.礦熱爐二次電壓

當(dāng)冶煉采用較高的二次電壓時(shí)，電弧較長(zhǎng)，電極在爐料內(nèi)插入較淺。反

之，采用較低的二次電壓，電極插入爐料就比較深。

礦熱爐也叫埋弧電爐，電極在料層內(nèi)部同時(shí)存在電弧導(dǎo)電和電阻導(dǎo)電兩種

方式其電流走向?yàn)椋?/p>

電極T電弧T渣、鐵熔體—電弧―電極

電極T固熔態(tài)爐料T電極

根據(jù)鐵合金礦熱電爐的一般冶煉特性，電弧導(dǎo)電電流約占全部電流的

70?75%,電阻電流占全部電流的25?30%,電阻電流比例的大小與使用二次

電壓成正比與料層電阻成反比。

鐵合金冶煉礦熱電爐二次電壓選擇的經(jīng)驗(yàn)公式為：

U2=KU^P-..................-..........-..............(1)

Ku---電壓系數(shù)，與冶煉品種不同有關(guān)。其中，專孟硅合金為6.2?6.6;圖碳

格鐵為7.0?7.3;鍥鐵為11?14。鍥鐵值為根據(jù)現(xiàn)有礦熱電爐數(shù)據(jù)推算而得。

P——電爐功率，kVAo

可以看出，二次電壓參數(shù)高低的選擇與電爐功率大小、爐料、爐渣、金屬

特性有關(guān)，并有如下規(guī)律：

(1)無(wú)論冶煉何種鐵合金產(chǎn)品在同種工藝操作情況下礦熱爐功率越高選用的

二次電壓越高。

(2)使用同等功率電爐冶煉不同產(chǎn)品時(shí)，料層導(dǎo)電能力越高使用的二次電壓

相應(yīng)越低并會(huì)表現(xiàn)出相應(yīng)偏低的功率因數(shù)。料層的導(dǎo)電能力通常與爐料化學(xué)物

理特性、還原用焦炭性能及配入量有關(guān)。

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>

2700

3600

一500

怒400

一

三300

.

洸200

100

100020003000400050006000

電爐功率/kVA

支x工高碳銘鐵MA三鐳硅合金正蕊鑲瓢茨射

圖1冶煉不同產(chǎn)品電爐功率與二次電壓關(guān)系曲線

圖1是根據(jù)收集到的不同產(chǎn)品，使用不同功率礦熱電爐和相應(yīng)常用二次電

壓數(shù)據(jù)繪制而成的相關(guān)曲線，針對(duì)鏢鐵礦熱電爐設(shè)計(jì)時(shí)二次電壓的選擇作如下

分析。

錦硅合金、高碳銘鐵是鐵合金生產(chǎn)中較為普遍的礦熱爐冶煉產(chǎn)品，與銀鐵

同屬有渣法產(chǎn)品冶煉在實(shí)際生產(chǎn)過程中其單位入爐礦焦炭配用量比鑲鐵冶煉

多。因而，在使用同等功率礦熱爐。

冶煉時(shí)，選用的二次電壓比銀鐵冶煉低，從表格數(shù)據(jù)可以看出：盡管這些

產(chǎn)品冶煉過程在使用礦種品位高低、焦炭性能、配入量等因素會(huì)有所波動(dòng)，但

在同一功率礦熱爐中使用的二次電壓變化范圍不會(huì)太大，級(jí)別設(shè)定也不會(huì)太

多。

冶煉生鐵用的礦熱爐數(shù)據(jù)不全，目的在于國(guó)內(nèi)已有多家利用高鐵鎂礦或含

銘銀礦冶煉低Ni鍥鐵和低Ni銀銘合金，如何利用銀礦中的Fe和Cr,也是國(guó)內(nèi)

鍥鐵冶煉的一種趨向。冶煉上述產(chǎn)品的礦熱電爐參數(shù)，介于錦鐵、格鐵與鍥鐵

冶煉礦熱爐之間。

在銀鐵冶煉中，盡管使用銀礦含Ni量?jī)H在1%?3%,紅土銀礦含F(xiàn)e量的大

幅波動(dòng)及對(duì)鑲鐵冶煉過程含Ni量高低控制較大范圍變化的影響，加之對(duì)鍥礦

預(yù)處理方法的不同，冶煉操作、冶煉過程焦炭的配入量產(chǎn)生較大的差值，故在

礦熱爐參數(shù)選擇時(shí)，首先對(duì)二次電壓的選擇會(huì)有較大的不同。具體表現(xiàn)在：

(1)以同等功率礦熱爐與鐵合金其他產(chǎn)品的冶煉相比，冶煉鍥鐵使用的二次

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電壓較高，接近鎰硅合金、高碳銘鐵冶煉常用二次電壓的二倍左右，不經(jīng)補(bǔ)償

的功率因數(shù)一般高達(dá)0.92?0.96。

(2)使用同一含MgO較高(MgO>18%)的銀礦，在相同功率礦熱爐采用不同

操作冶煉含Ni相近的銀鐵時(shí)，使用二次電壓的高低不同，從高到低的操作順

序是：熱礦入爐，薄料面、厚渣層操作;熱礦入爐，厚料層、厚渣層操作;熱燒

結(jié)礦入爐，厚料層、薄渣層操作;冷燒結(jié)礦入爐，厚料層、薄渣層操作。對(duì)于上

述操作順序常用二次電壓的參照值如下：~450VT?420Vt?390V-?360V。

不同廠家使用焦炭性能不同，使用二次電壓會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)。但不同操作造

成常用二次電壓的差別不能低估。

(3)以同一操作方式，使用同一銀礦冶煉Ni含量越高的銀鐵，常用二次電

壓一般越高。

以同一操作方式,使用含Ni相近，含F(xiàn)e量不同的鍥礦，生產(chǎn)含Ni不同的

銀鐵時(shí)，含Ni越低，使用二次電壓應(yīng)越低。以含Nil%?2%,Fe>37%,生產(chǎn)含

Ni約3%的鍥鐵時(shí)，其常用二次電壓已接近電爐生鐵冶煉所需的二次電壓。

(2)以同等功率礦熱電爐冶煉銀鐵與其他產(chǎn)品相比，冶煉銀鐵的變壓器二次

電壓設(shè)計(jì)范圍較寬，電壓級(jí)數(shù)較多，這與最低二次電壓的選擇和常用二次電壓

的波動(dòng)范圍大有關(guān)。

最低二次電壓的選擇與電極焙燒方式有關(guān)。投產(chǎn)時(shí)，采用焦炭焙燒電極，

設(shè)計(jì)時(shí)可選用較高的二次電壓。采用電焙燒電極，一般會(huì)選用較低的二次電

壓。

一些電爐參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，選用的二次電壓最高值,是否需要遠(yuǎn)超正常使用二次

電壓范圍，可進(jìn)一步討論分析。

二次電壓選擇合適與否，關(guān)系到電極直徑的合理選擇和電爐功率的合理使

用。

3.5.操作情況

如果操作不當(dāng)，諸如混料不均，偏加料，不及時(shí)搗爐。爐渣過粘，料面過

高或爐內(nèi)缺料等等，都會(huì)妨礙電極插入爐料的深度和穩(wěn)定程度。

3.6.出鐵時(shí)間

在爐況正常情況下，出鐵間隔時(shí)間延長(zhǎng)或鐵水出不干凈，爐內(nèi)積存鐵水勢(shì)

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必較多，電極要上升，電極插入爐料內(nèi)較淺。

3.7.爐內(nèi)積渣量

排渣不好，爐內(nèi)積渣過多，爐底上漲，電極的插入深度變淺。

3.8.電極間的極心圓直徑

相同容量的礦熱爐，極心圓的直徑較大時(shí)，電極間距離較遠(yuǎn)，爐料的電阻

增加，電極插入爐料內(nèi)較深，反之極心圓直徑較小時(shí)，電極插入深度變淺。

4.如何判斷電極出入深度？

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可通過以下五個(gè)方面，判斷電極出入深度：

4.1.電弧響聲

電爐冶煉過程中，如果電弧的響聲很大，則說明電極插入爐料過淺/。一

般來(lái)說電極插入深度超過800mm,電弧響聲較小。

“電弧”是一種等離子體放電現(xiàn)象，電流通過某些絕緣介質(zhì)（例如空氣）所

產(chǎn)生的瞬間火花。電弧是一種自持氣體導(dǎo)電（等離子體中的電傳導(dǎo)），其大多

數(shù)載流子為一次電子發(fā)射所產(chǎn)生的電子。觸頭金屬表面因一次電子發(fā)射（熱

離子發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射或光電發(fā)射）導(dǎo)致電子逸出，間隙中氣體原子或分子會(huì)因

電離（碰撞電離、光電離和熱電離）而產(chǎn)生電子和離子。另外，電子或離子轟

擊發(fā)射表面又會(huì)引起二次電子發(fā)射。當(dāng)間隙中離子濃度足夠大時(shí)，間隙被電擊

穿而發(fā)生電弧。

礦熱爐的許多重要冶金特性如溫度分布、能量傳遞、電極消耗、礦熱爐特

性等都與電弧有關(guān)。

電弧是氣體導(dǎo)電形成的。通常，氣體由中性原子和分子組成，不導(dǎo)電。但

當(dāng)氣體中某些組分在外界條件作用下發(fā)生電離時(shí)，氣體便具備導(dǎo)電能力。電弧

導(dǎo)電必須滿足如下兩個(gè)條件：

（1）氣體中有大量可移動(dòng)的電荷。所有氣體中都存在一定數(shù)量的離子和電

子，均呈現(xiàn)微弱的導(dǎo)電性。在電場(chǎng)和溫度作用下氣體發(fā)生離解和電離作用，導(dǎo)

電粒子數(shù)量大增。氣體原子在室溫下以400m/s速度運(yùn)動(dòng)，而同一溫度下電子

則以100000mA運(yùn)動(dòng)。溫度越高，粒子運(yùn)動(dòng)速度越快。

（2）存在使電荷做定向運(yùn)動(dòng)的力。在電場(chǎng)的作用下，帶電粒子加速運(yùn)動(dòng)，從

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而提高帶電粒子的能量。

電場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，氣體的殘余電離十分有限。在外電場(chǎng)作用下，帶電粒子

將做定向運(yùn)動(dòng)。由于氣體中游離電荷非常少，電流十分微弱，當(dāng)電壓提高到一

定程度時(shí)，帶電粒子從電場(chǎng)獲得能量，隨著電離程度的增加，帶電粒子數(shù)量迅

速增加，這時(shí)，氣體被擊穿，由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，該電壓稱為擊穿電壓為。

擊穿電壓4與電場(chǎng)強(qiáng)度E、氣體壓力P和放電間隙d的關(guān)系如下：

t/b=0)Pxd=Exd

氣體壓力數(shù)值很小時(shí)，電場(chǎng)中氣體電離數(shù)量很少，擊穿電壓很高。氣體的

擊穿電壓與氣體的種類和溫度有關(guān)。埋弧爐中爐氣的擊穿電壓為30kV/cmo

當(dāng)電壓高于擊穿電壓的初期，電壓會(huì)維持不變，電流很小;當(dāng)氣體被電流強(qiáng)

烈加熱，溫度達(dá)到一定程度時(shí)，陰極具備發(fā)射電子的能力;當(dāng)氣體溫度高到幾千

攝氏度時(shí)氣體開始熱離解，快速運(yùn)動(dòng)的分子相互碰撞產(chǎn)生大量的離子，這時(shí)氣

體導(dǎo)電能力迅速增強(qiáng)，電弧電壓迅速降低，氣相中電流速度增加，電流集中于

一個(gè)通道，這就是電弧，這個(gè)通道就是電弧柱。

在礦熱爐兩電極之間施加一定的電壓就可使氣體電離，隨著電離程度增

加，導(dǎo)電粒子數(shù)量迅速增加，電極間氣體被擊穿而形成導(dǎo)電通道，即生成電

弧。電極端部局部電流密度大于12A/cm2時(shí)就可能起弧，是在電極端部距熔

體最近的位置上起弧的;在爐料顆粒之間、炭質(zhì)還原劑與金屬之間也存在電弧。

爐料顆粒之間能否產(chǎn)生電弧主要取決于放電間隙的電壓梯度。由于爐料在高溫

下具有導(dǎo)電性，試驗(yàn)可以觀察到混合爐料中產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象，但礦石之間很難

形成電弧。

交流電的方向在一個(gè)周期內(nèi)變換兩次，在每半個(gè)周期內(nèi)，交流電弧都經(jīng)歷

起弧、長(zhǎng)大、衰減和滅弧幾個(gè)步驟。因此，交流電弧是不穩(wěn)定的。交流礦熱爐

電弧在電極端部經(jīng)常跳躍，在磁場(chǎng)作用下，三相交流電弧與電極呈一定角度，

電弧總是向爐墻一側(cè)偏轉(zhuǎn)。

電弧柱中氣體電離起因于陰極斑點(diǎn)的熱電子發(fā)射，這些斑點(diǎn)是電極尖端達(dá)

到白熱狀態(tài)的區(qū)域，由于電子的動(dòng)能大于陰極材料的逸出功，就能向四周空間

發(fā)射電子。在電場(chǎng)作用下，電子向陽(yáng)極加速運(yùn)動(dòng)，在靠近陽(yáng)極的區(qū)域內(nèi)獲得很

大的動(dòng)能，所以當(dāng)它們和氣體分子及原子碰撞時(shí)，足以使后者電離。同時(shí)，電

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弧的高溫使氣體分子平均動(dòng)能增大，氣體分子不斷碰撞也產(chǎn)生熱電離。電流的

遷移是由電子趨向陽(yáng)極和正離子趨向陰極的運(yùn)動(dòng)造成的，兩者相比，電子的遷

移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正離子。抵達(dá)陽(yáng)極的電子釋放出它們的動(dòng)能，使陽(yáng)極產(chǎn)生大量的

熱，故陽(yáng)極的溫度遠(yuǎn)高于陰極。因此，在直流礦熱爐中，電極作陽(yáng)極，爐底作

陰極。

在電弧柱中同時(shí)存在著和電離相反的過程(即消電離)，包括帶正、負(fù)電荷

的質(zhì)點(diǎn)相遇后的復(fù)合和離子在溫度、壓力梯度作用下向周圍空間擴(kuò)散。顯然，

單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)人電弧的電子數(shù)目和形成的離子數(shù)目，等于由于復(fù)合和擴(kuò)散所喪

失的電荷數(shù)目。復(fù)合過程往往在限定氣體容積的表面上進(jìn)行。因此，復(fù)合速率

反比于電弧的截面積，擴(kuò)散速率則正比于電極直徑。電弧周圍介質(zhì)的溫度及傳

熱條件、氣體種類、電極材料等，對(duì)電弧電離和消電離過程有決定性的影響，

如環(huán)境溫度越高，散熱條件越差，電極材料熔點(diǎn)越高，電離條件越好，電弧燃

燒越穩(wěn)定。另外，在環(huán)境條件和電極材料都相同時(shí)，電弧的截面積正比于電弧

的電流，因此電流越大，消電離速率越小，電弧燃燒越穩(wěn)定。

工業(yè)生產(chǎn)中常把電弧看作純電阻，實(shí)際上電弧是復(fù)雜的非線性現(xiàn)象，很難

建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。有時(shí)也用電阻和電抗并聯(lián)組合電路來(lái)代表電弧。沿電弧

長(zhǎng)度的電位分布如圖1所示，這也就是電弧中的功率分布。陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)的

長(zhǎng)度很小，對(duì)大氣中的電弧長(zhǎng)度約為1pm,因而其電位梯度都很大，能使電子

獲得很大的電能。電弧電壓Uh和電弧長(zhǎng)度L呈線性關(guān)系：

Uh=a+pL

式中

a-一陰極區(qū)電壓降和陽(yáng)極區(qū)電壓降的和，它隨著電極和爐料的不同而改

變,實(shí)驗(yàn)值為10?20V;

P——電弧柱中的電位梯度，在低電流(1?10kA)時(shí)為IV/mm,在40?80kA

大電流范圍內(nèi)為0.9?1.2V/mm。

若設(shè)電弧電壓Uh=134V,約20V的壓降發(fā)生在長(zhǎng)度為lum左右的陽(yáng)極區(qū)和

陰極區(qū)，其余的壓降落在電弧柱上，則15%的電弧功率在電極端面和熔池面上

放出，而85%的電弧功率由電弧柱放出。交流電弧的能量平衡可用圖2所示的

例子來(lái)說明。

第10頁(yè)共22頁(yè)

圖2沿電弧長(zhǎng)度的電位分布

電弧是一個(gè)氣體導(dǎo)體，在其受到由本身電流造成的磁場(chǎng)作用下，電弧在徑

向受到一個(gè)壓縮力，而將沿軸向傳遞出去，于是作用在電極和熔池面上的力

F(N)為:

F=5xl08i2-..........................................-...........................................(1)

式中i——電弧電流，Ao

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電弧氣體可推開熔池液面并使其形成彎月面，對(duì)熔體進(jìn)行攪動(dòng)和對(duì)流傳

熱。電流流過熔體也產(chǎn)生磁場(chǎng)，使熔體發(fā)生攪動(dòng)。因此，氣體對(duì)流是電弧最主

要的傳熱方式，電弧四周的氣體被吸人電弧區(qū)，經(jīng)電弧加熱后由電弧推動(dòng)氣體

和熔體運(yùn)動(dòng)。對(duì)流傳熱占電弧總能量的50%以上。

在三相礦熱爐中，每相電弧受到其他兩相電弧所建立磁場(chǎng)的作用，在電磁

力作用下移至電極端部靠近爐壁的外側(cè)而產(chǎn)生電弧外吹，使電弧柱和熔池面間

夾角減小至45。?75。。由于電子的撞擊，大量的陽(yáng)極材料會(huì)從電極表面剝落下

來(lái)，電極末端的形狀也隨之改變。電弧外吹的高溫氣流(即電弧焰)沖向外側(cè)，

高速拋出金屬、渣、炭粒等質(zhì)點(diǎn)，使電弧附近上方的用煙壁形成熱點(diǎn)。

4.1.1.氣體放電的巴申定律

巴申(Paschen)于1889年從大量的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出了擊穿電壓/與Pd的

關(guān)系曲線，其結(jié)果如圖1所示，稱為巴申定律，即

Ub=f(Pd)或f2(l4/Pd){exp[Pdfl(Ub/Pd)-l]}=l

圖1給出了空氣間隙的為與Pd關(guān)系曲線，可見，首先，/并不僅僅由d

決定，而是Pd的函數(shù)；其次，/不是Pd的單調(diào)函數(shù)，而是U形曲線，有極小

值。

/x//(cm-mmHg)

圖1巴申定律

4.2.塌料和刺火情況

正常配料情況下，如果塌料和“刺火”現(xiàn)象頻繁，說明電極插入爐料太淺。

熔渣和鐵液分離區(qū)爐內(nèi)發(fā)生塌料、爆炸屬惡性事故，應(yīng)將其歸因于可燃?xì)?/p>

體的一種帶有壓力波的燃燒一爆燃或爆轟。礦熱爐作為還原性氣氛冶煉設(shè)備，

其爐氣氣體爆炸必須具備3個(gè)基本條件：

第12頁(yè)共22頁(yè)

(1)有合適濃度的可燃?xì)怏w；

(2)有合適濃度的氧氣；

(3)有足夠能量的點(diǎn)火源。

可燃?xì)怏w與空氣混合達(dá)到某一比例濃度范圍，一遇明火，即引起爆炸。這

個(gè)比例濃度范圍，就叫做爆炸范圍。爆炸范圍是由發(fā)生速度和傳熱速度相互決

定的。由于在低濃度區(qū)域內(nèi)的可燃性氣體量不足，而在高濃度區(qū)域空氣量又不

足，所以在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)不發(fā)生爆炸。

礦熱爐正常作業(yè)時(shí)，爐膛內(nèi)因碳熱還原反應(yīng)生成的CO、％等可燃性氣體

一般通過爐料層升至料面上方，再經(jīng)煙道排放。對(duì)密閉爐而言，因爐內(nèi)無(wú)空

氣，可燃性氣體濃度高，不會(huì)產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。燃?xì)庋刂鵂t內(nèi)料層流動(dòng)到爐外。

4.3.t甘煙區(qū)域大小

正常配料比情況下，如果爐料下降慢，說明電極插的淺，由于電極插的

淺，高溫區(qū)則上移，熱量損失大，因此均煙區(qū)域較小。

電弧弧長(zhǎng)取決于電弧電場(chǎng)中的介質(zhì)(爐料)，影響電弧電壓。因此，電爐

工作電壓與治煉產(chǎn)品原料的物理化學(xué)性質(zhì)、爐料配比、粒度、工藝操作等因素

直接相關(guān)?；≈孛娣e與電流成正比，隨著電流的增加，面積按線性尺寸的平

方值增大，弧柱周邊長(zhǎng)度按線性增長(zhǎng)。也就是說電弧向周圍空間的熱量散失成

倍減少。這樣，II著電流的增大，電弧空間的電離程度和溫度就越高。

電弧弧柱長(zhǎng)與電壓成正比，電弧弧柱截面積與電流成正比。當(dāng)電極電流增

大到電弧弧柱呈半球體狀態(tài)時(shí)，在爐內(nèi)形成了所謂的熔池“生煙”。在這種狀

態(tài)下，爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)的溫度最高、熱效率也最高。

電爐運(yùn)行中，選擇電爐工作電壓就決定了生期高度，操作電極電流的大

小，就是在控制均期截面積大小。

因此，電弧靜伏安特性揭示了礦熱爐埋弧運(yùn)行的物理機(jī)理。

按電弧靜伏安特性，珀期高度與電壓U成正比，珀塌截面積與電流I成正

比。電壓電流的比值，與電弧電場(chǎng)中的爐料性質(zhì)相關(guān)。電極電流逐漸增大，當(dāng)

均期直徑等于D,珀期高度等于%D時(shí)，形成半球體狀用埸熔池。見圖2單極

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電爐的物理模型。

1、單極電爐模型與數(shù)學(xué)表達(dá)式

按單極電爐模型，用數(shù)學(xué)式表示，即是：

%xD8U...............................-....................................................................................................（2）

%XTID28I.........................................................................................-........................................（3）

兩式相比，比例系數(shù)為a，有：電弧電阻稱為操作電阻R=U/I=a/n

Do

假設(shè)電能通過電極電流全部輸入到用煙熔池，生堀直徑D與電極直徑d的

比值等于bo

即：D=b,dF式中K=a/b所以有：

R=K/ndK=ndR

這就是著名的安德烈周邊電阻公式。

安德烈公式意義是，第一次把電爐電氣參數(shù)和爐子幾何尺寸聯(lián)系起來(lái)，用

于指導(dǎo)電爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

隨著電爐容量增大，安德烈K因子出現(xiàn)了偏差。由于安德烈公式只是指出

了，電壓電流比U/I與珀期線性尺寸之間的關(guān)系，卻未說明電壓電流的乘積P

=IU與組期體積之間的關(guān)系。

將（2）式乘以（3）式，珀期體積功率密度為C,有下式：

P=D3或C=P/D3--------------------------------------------------------------------------（4）

關(guān)系式（3）即：密蝸截面積電流密度為C4=41/nD2或D=C4V7o

對(duì)比（3）式和（4）式，可有：I=C3P2/3,

由P=IU=I2R,有U=C2Pl/3,R=C1P-l/3o

這幾個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式，就是威斯特里公式。

從安德烈公式和威斯特里公式的推導(dǎo)過程可以看到：

安德烈公式的內(nèi)涵是：以堵期截面積電流密度計(jì)算生煙尺寸和電極直徑。

威斯特里公式的內(nèi)涵是：用用煙截面積電流密度的同時(shí)，還用了體積功率

密度來(lái)計(jì)算生期尺寸。

對(duì)于不同容量使用相近原料生產(chǎn)相同產(chǎn)品的電爐，存在著表征能量的電能

動(dòng)力指標(biāo)，最具有代表性的當(dāng)是電流密度和反應(yīng)區(qū)體積功率密度。如果以電弧

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半球體空間為基準(zhǔn)數(shù)，定量計(jì)算反應(yīng)區(qū)體積，就可以統(tǒng)計(jì)對(duì)比不同容量電爐的

動(dòng)力指標(biāo)，這些指標(biāo)應(yīng)該是一個(gè)常量。

2、三相電爐模型

對(duì)于三相電爐，各電極的中心矩呈等邊三角形布置，當(dāng)三根電極電弧作用

區(qū)剛好相交于爐心，使各電極下電弧熔池相互連通。這樣，單根電極的用煙直

徑等于三相電爐的極心園直徑。所以，從單極電爐模型可以建立三相電爐的模

型。見圖2三相電爐模型幾何尺寸關(guān)系圖。

圖2三相電爐模型幾何尺寸關(guān)系

三相電爐的主要負(fù)載回路，是以爐底合金熔液（或碳穢）為中性點(diǎn)的Y星

形連接電路。對(duì)無(wú)渣法或有渣法冶煉工藝的電爐，只是電弧作用區(qū)介質(zhì)的差

異，電爐物理模型都可適用。

任何物理模型都是抓住了物理現(xiàn)像的本質(zhì)，進(jìn)行抽像歸納建立起來(lái)的。這

是礦熱爐運(yùn)行最佳狀態(tài)的理想模型，運(yùn)行良好的電爐參數(shù)，只能向理想模型狀

態(tài)接近。

4.4.爐口溫度

爐口料表面溫度高，操作條件較差，說明電極插入淺。

4.5.出鐵情況

正常配料比情況下，出鐵口不易打開，鐵水流速慢，溫度較低，爐渣發(fā)粘

流動(dòng)性不好，不易排出，說明電極往料內(nèi)插入較淺。

綜上所述，電極插入爐料深度不夠，往往是由于焦炭加入量過多或電極工

作斷過短，此時(shí)就要相應(yīng)的減少焦炭加入量或酌情下放電極。

5.正常爐況應(yīng)是什么樣的？

冶煉工基本任務(wù)之一，應(yīng)當(dāng)善于正確判斷爐況，即使地調(diào)整和處理爐況，

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使?fàn)t況經(jīng)常處于正常狀態(tài)。

正常爐況的特征如下:

1.電極深而穩(wěn)地插入爐料中。此時(shí)生期較大，料面的透氣性好，料層松

軟，爐氣從爐口均勻地送出，火焰呈桔黃色，料面沒有發(fā)暗和燒結(jié)的區(qū)域，沒

有大刺火和塌料現(xiàn)象。料面較低并比較平緩，椎體寬大。爐料下降較快，較大

容量電爐的爐心料面稍呈下陷。

2.電流比較均衡和穩(wěn)定，并能給足負(fù)荷。

3.出鐵工作比較順利。出鐵口好開，路眼暢通，鐵水流速快，打開出鐵口

后電流明顯地下降，鐵水溫度高，爐渣流動(dòng)性和排渣情況均良好。出鐵的后

期，從出鐵口噴出的爐氣壓力不大，爐氣自然地溢出。出鐵完畢，出鐵口好

堵。

出鐵量正常，成份穩(wěn)定。

6.為什么爐渣有時(shí)發(fā)粘，怎樣處理？

爐內(nèi)還原劑不足，料面透氣性不好的情況，叫爐渣過粘，有的單位將爐渣

過粘叫爐況黑，亦即料面光澤較暗。

6.1.爐渣過粘的特征

1.電極工作不穩(wěn)定，符合波動(dòng)較大，儀表不好操縱，電流表指針搖擺頻

繁，有時(shí)還出現(xiàn)給不足負(fù)荷的現(xiàn)象。

2.料面的透氣性不好，一出的爐氣不均勻并且微弱無(wú)力。料層較硬。刺火

現(xiàn)象嚴(yán)重，局部刺出的是呈灼白色強(qiáng)烈的火焰。大面的火焰很少。

3.搗爐時(shí)會(huì)掘出粘結(jié)的大塊料，甚至搗完?duì)t之后，大面仍不冒火。

4.電極工作端的根部沾結(jié)較難清除，即使清除了又易沾結(jié)。

5.出鐵工作不順利。出鐵口不易打開，鐵水流速慢，出鐵口不暢通，爐渣

粘，不易排出，從出鐵口噴出爐氣的壓力大。

鐵水溫度較低，出鐵量較少，硅鐵中含硅量偏低。

6.2.爐渣過粘的原因

1,配量比不適當(dāng)，還原劑不足，爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)沒能充分進(jìn)行，造成爐內(nèi)

硅石過剩，經(jīng)熔化后便形成粘稠的爐渣。

第16頁(yè)共22頁(yè)

2.有時(shí)為了增加電極插入爐料中的深度，加入過多地硬料（硅石較多的爐

料），造成爐渣過粘。

3.由于原料質(zhì)量較差，諸如焦炭粉末多或其水分含量增多；柜式的力度過

碎或其抗爆性能差（即高溫下強(qiáng)度差），使?fàn)t內(nèi)卻炭火料面透氣性變壞，造成了

爐渣過粘

4.操作中沒有及時(shí)搗爐，料面透氣性不好，造成爐渣過粘。

6.3.爐渣過粘的危害性

1.爐渣過粘，造成嚴(yán)重刺火，熱量損失大。爐內(nèi)的過剩硅石，經(jīng)熔化便形

成爐渣，消耗熱量增多。因此，生產(chǎn)硅鐵的單位電耗增加。

爐渣過粘，還原劑不足，加之料面透氣性不好，珀期小，爐溫低，使?fàn)t內(nèi)

化學(xué)反應(yīng)速度減慢，爐料下沉緩慢，則出鐵量減少。

2.爐渣過粘，說明玷煙附近有較多未被還原的二氧化硅，料層的透氣性不

好倒是刺火嚴(yán)重，干過縮小，如果不及時(shí)處理，就會(huì)造成爐底上漲，電極深上

升，路況進(jìn)一步惡化。

6.4.爐渣過粘時(shí)操作注意事項(xiàng)

爐渣過粘時(shí)，首先要穩(wěn)定電極，然后處理爐況。否則，點(diǎn)擊上升后，路況

將會(huì)更加惡化。

1.如果由于配料比不當(dāng)造成爐渣過粘，應(yīng)及時(shí)調(diào)整，增加焦炭加入量，或

者是當(dāng)?shù)馗郊咏固?，最好是邊搗爐，邊附加焦炭。

2.加強(qiáng)料層透氣性，徹底搗爐。如果爐渣過粘，產(chǎn)生嚴(yán)重刺火，應(yīng)徹底搗

爐。同時(shí)加強(qiáng)扎氣眼操作，引出高溫爐氣，放寬椎體，以利于增加透氣性和擴(kuò)

大生煙。

3.爐渣過粘，給不足負(fù)荷時(shí)，可生氣電極，適當(dāng)?shù)卦黾咏固俊?/p>

6.5.較大容量的電爐爐渣發(fā)粘時(shí)的兩個(gè)措施

較大容量的電爐，爐渣發(fā)粘時(shí)，可采取以下兩個(gè)措施：

1.爐渣過粘，爐渣排不出去，出鐵口不暢通，在出鐵前應(yīng)向出鐵口相電極

附近，加螢石100?200公斤，以稀釋爐渣。

2.爐渣過粘，點(diǎn)擊插的淺，爐底溫度低，爐渣不易排出，此時(shí)可加石灰塊

300?400公斤，稀釋爐渣，擴(kuò)大生煙和提高爐溫，已逐漸消除爐渣過粘的現(xiàn)

第17頁(yè)共22頁(yè)

象。

較小容量電爐，路況發(fā)粘，搗爐時(shí)可將粘料挑出，并且附加些焦炭。出鐵

口不好開時(shí)，可用氧氣燒眼，擴(kuò)大出鐵口，以利于爐渣排出。

爐渣過粘是爐況不正?，F(xiàn)象之一，處理也比較困難，處理后約需8?16小

時(shí)，或更長(zhǎng)時(shí)間，才能恢復(fù)到正常狀態(tài)。

因此，操作人員要經(jīng)常觀察爐況，即使地調(diào)整不正常的爐況，從而減少爐

渣過粘現(xiàn)象。

7.礦熱爐爐內(nèi)為什么有時(shí)刺火，如何處理？

7.1.刺火的概念

硅鐵冶煉過程中，由于爐料粘，料面透氣性不好，或電極工作短，電極跟

部或其周圍的薄弱部位，噴出較大壓力的高溫?zé)釟饬鳎纬勺瓢咨鹧?，這種

現(xiàn)象叫“刺火"，也叫跑火。

7.2.比較容易刺火的部位：

1.當(dāng)爐渣過粘，料面透氣性不好或錐體過尖，刺火往往發(fā)生在電極沾結(jié)粘

料的地方，或料面某一尖峰薄弱之處。

2.當(dāng)電極工作端過短時(shí)，這時(shí)熱量集中在電極周圍，刺火多發(fā)生在電極根

部。

7.3.刺火的原因

刺火的原因是多方面的。主要有以下幾點(diǎn)原因：

1.雖配料比正常，但由于操作不當(dāng)，列如偏加料，加料速度過急或料面形

狀過尖等，加上搗爐不及時(shí)，不徹底，使料面透氣性變壞，爐內(nèi)氣體壓力比較

大，突破薄弱的料層而產(chǎn)生刺火現(xiàn)象。

2,配料中的還原劑不足，爐渣過粘，透氣性不好而產(chǎn)生刺火現(xiàn)象。

3.電極工作端過短，熱量集中在電極根部周圍，甚至埋不住電弧，而在電

極根部產(chǎn)生刺火現(xiàn)象。

4.配料比中的還原劑過多，電極在爐料中插的較淺，或在電極根部沾結(jié)碳

化硅（SiC導(dǎo)電性很強(qiáng)）處，產(chǎn)生刺火現(xiàn)象。

7.4.刺火的危害：

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1.刺火時(shí)噴出大量的高溫?zé)釟饬鳎瑹釗p失很大，增加電耗。

2.爐氣多集中在刺火之外挽出，其他的部位爐氣迤出的很少，透氣性不均

勻，不利于擴(kuò)大用煙，從而爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速度減慢。

3.爐口溫度高，操作條件較為困難。

4.刺火嚴(yán)重時(shí)，如果銅瓦距料面較近，則容易燒壞銅瓦或冷卻水管，造成

熱停爐。

5.刺火嚴(yán)重時(shí)，大量的一氧化硅氣體逸出，易使硅鐵中的含硅量降低。

7.5.刺火的處理方法：

刺火現(xiàn)象是冶煉中經(jīng)常出現(xiàn)的一種不正常爐況。處理刺火往往是一項(xiàng)比較

難的操作，有時(shí)由于處理不徹底，連續(xù)出現(xiàn)刺火。因此，首先要找出山聲刺火

的原因，然后進(jìn)行徹底處理，這樣，減少熱量損失，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，使生產(chǎn)順

利進(jìn)行。

1.采取下列方法處理刺火，及時(shí)要和適當(dāng)?shù)脑笟庋鄣姆椒ńY(jié)合起來(lái)，以

利于增加透氣性和擴(kuò)大生煙。

2.如因電極工作端表面沾結(jié)粘料產(chǎn)生刺火時(shí)，應(yīng)將沾后加入新料。

3.如因料面錐體過尖產(chǎn)生刺火，應(yīng)及時(shí)變料，增加焦炭加入量，或邊搗爐

邊附加焦炭。

4.如因電極工作端過短產(chǎn)生刺火，應(yīng)酌情放電極。

5.如因偏加料產(chǎn)生局部刺火，應(yīng)適當(dāng)扎幾個(gè)透氣眼，如不見效，挑出粘

料，推向爐心。加入爐料后再扎幾個(gè)透氣眼。

6.長(zhǎng)時(shí)間的刺火，刺火的部位料層已經(jīng)很薄，接近要塌料時(shí)，應(yīng)徹底挑

開，先用爐內(nèi)熱料填平，再加入新料。

8.為什么爐渣過粘時(shí)電極不易深插？

爐渣過粘，珀土曷必然縮小，使電極不易交深地插入爐料中，主要原因：

1.電極與堵煙間的距離縮短，電阻減少，導(dǎo)電性增強(qiáng)，點(diǎn)擊不易深插，尤

其是均期縮小，爐底上漲后，鐵水距電極較近，電極更不易深插。

2.透氣性不好，熱量多集中于生堪內(nèi)，局部溫度過高，并且是過剩的硅石

被熔化成為了導(dǎo)電性良好的液體，使電極不易深插。

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9.工業(yè)硅冶煉過程中礦熱爐易出現(xiàn)的幾種爐況問題

9.1.概述

工業(yè)硅又稱為金屬硅，工業(yè)硅產(chǎn)品屬于光伏產(chǎn)業(yè)（新能源）及電子工業(yè)的上

游產(chǎn)品。目前，我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品占世界光伏市場(chǎng)80%以上的份額。為此，

工業(yè)硅產(chǎn)品的市場(chǎng)需求及產(chǎn)品價(jià)格穩(wěn)定而受行業(yè)的青睞。工業(yè)硅冶煉行業(yè)屬于

高能耗領(lǐng)域，電能的消耗占據(jù)綜合生產(chǎn)成本相當(dāng)大的比重。近年來(lái)，隨著國(guó)家

宏觀政策及企業(yè)產(chǎn)能的提高等因素影響，工業(yè)硅電爐裝備向著大型化、自動(dòng)

化、環(huán)?；较虬l(fā)展。但是，工業(yè)硅電爐大型化、自動(dòng)化后引起爐況波動(dòng)較為

頻繁、爐底容易上漲，爐況有效冶煉周期較短，不僅造成生產(chǎn)指標(biāo)較差、單位

電耗較高，而且導(dǎo)致停爐、挖爐、砌爐、新開爐等綜合費(fèi)用大幅度增加。

硅在生產(chǎn)過程中生成的碳化物、熔