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埋弧炉设备发展概况
谷长江
摘要概述了埋弧炉设备的发展，介绍了各类设备的特点及发展趋势。
关键词埋弧电炉发展概况中国
1前言
埋弧炉设备是我公司的一大类产品，已经为用户提供了容量为6.3～40MVA冶炼铁合金、电石、工业硅等产品的埋弧炉。
60年代，为了提高埋弧炉的装备水平，我公司与日本钻石公司合作，为清镇化工厂提供了35MVA封闭式采用锥形环把持器的电石炉，其中液压的电极升降、压放和把持技术，已得到了推广应用。
80年代我公司为了建造大型埋弧炉，引进了挪威埃肯公司的埋弧炉技术，为太原电石厂等单位提供了25.5MVA封闭式采用组合把持器的电石炉；还引进了德国德马克公司的埋弧电炉技术，为西北铁合金厂提供了两台半封闭旋转式采用波纹管把持器的铁合金电炉。这两项技术已经全部国产化。我们在消化吸收国外新技术的基础上，开发了新一代埋弧炉。
2埋弧电炉型式
埋弧炉有敞口固定、敞口旋转、封闭固定、封闭旋转、半封闭固定、半封闭旋转六种型式。
2.1敞口炉
旧式埋弧炉多为敞口型式，火焰外露，烟气外溢，操作环境恶劣；烟气温度较低(约低于200℃)，烟气量大(约8～12Nm3/kVA.h)，若要净化烟气，投资和运行费用都比较高，因此在用的敞口埋弧炉几乎都没有烟气净化设施。敞口埋弧炉虽属被淘汰之列，但国内还有大量的敞口埋弧炉仍在使用，需要改造成封闭或半封闭炉。
2.2封闭和半封闭炉
封闭是埋弧炉的发展方向。封闭炉的操作环境好；冶炼中生成的煤气不燃烧，气体量小(约400Nm3/t电石，约800～1900Nm3／t铁合金)，气体温度约400～600℃，气体净化的投资及运行费用较低，净化设施容易建成；煤气比烟气容易利用。因此，新建的电炉，在条件允许时，应优先采用封闭型式。
在操作条件不允许封闭时，可采用半封闭埋弧炉。其特点是操作环境尚可；烟气量较小，气体净化设施的建设有可能实现；若要利用烟气余热，烟气温度能够达到使用要求，如800～900℃。高硅硅质铁合金电炉(包括工业硅炉)，冶炼中需要捣炉，一般采用半封闭型式。
2.3旋转炉
炉体旋转能够疏松炉料、扩大坩埚区，但效果不明显，不能完全代替捣炉机的作用。因此，在125MVA硅铁电炉上曾采用的炉体旋转技术，在中小电炉上未被推广，只有捣炉工作量大的高硅硅质合金电炉，如引进的25～50MVA硅铁电炉，才采用了旋转型式。
3电极系统
3.1把持器
3.1.1液压锥形环把持器
60年代国内出现了液压锥形环把持器(图1)，实现了电极压放机械化，到70年代末几乎完全代替了各种旧式把持器。这种把持器的特点是结构简单、紧凑、质量较小，铜瓦与电极接触较好，铜瓦寿命为6个月到1年。国内自己设计的埋弧炉，除近几年个别新建的移植了引进的波纹管把持器(图2)和组合把持器(图3)外，几乎都是采用锥形环把持器。但是这种把持器不能单独控制每块铜瓦对电极的接触压力，对于电极直径大、铜瓦块数多的大型电炉，无法保证每块铜瓦都能与电极接触良好。
1.锥形环；2.铜瓦；3.电极
图1锥形环把持器
1.波纹管；2.铜瓦；3.电极
图2波纹管把持器
1.底环；2.保护套；3.接触元件；4.电极壳；5.电极壳外筋片
图3组合把持器
3.1.2波纹管把持器
波纹管把持器的每个液压波纹管单独顶一块铜瓦，能保证每块铜瓦与电极都接触良好；同时采用了离心浇铸后再锻造的紫铜铜瓦，使铜瓦的寿命成倍提高(约5年以上)。我国80年代引进的6台25MVA以上的大型铁合金电炉的把持器都是这种型式。但是它比锥形环把持器复杂，外形尺寸也大，因此在中小电炉上未被大量采用。
3.1.3组合把持器
组合把持器是80年代初期挪威埃肯公司研究成功的技术，是把持器的一次大变革。它完全抛弃了电炉使用的传统铜瓦，用接触元件夹持电极壳外面的筋片，把电送到电极上。其特点是变铜瓦与电极之间的圆柱面接触为平面接触，容易保证二者接触良好；不存在铜瓦对电极的强烈冷却而影响电极焙烧以及冷却水消耗量大等问题；接触元件的使用与电极直径无关，有互换性，即大直径电极用多组接触元件，小直径电极用少组接触元件，这也是组合把持器的命名来源；接触元件的寿命高，有的电炉投产已七、八年，当初的接触元件还继续在使用；把持器质量轻，约为波纹管把持器的三分之一。我公司近期制造的埋弧炉均采用组合把持器，应用在冶炼铁合金、电石、硅铝合金的封闭、半封闭电炉上，均获得成功。
3.2压放装置
3.2.1液压块式和带式抱闸
60年代国内开始用液压块式抱闸（图4）和液压带式抱闸(图5)等压放装置，配合液压把持器，实现了电炉不停电压放电极，并具有倒拔电极的功能。液压带式抱闸外形尺寸大，结构复杂，用的较少。液压块式抱闸得到了推广，应用在各种电炉上。近几年引进的6台铜瓦式电炉的压放装置也是液压块式抱闸，只不过结构上做了某些改进。
1.抱闸；2.电极
图4液压块式抱闸
1.电极；2.抱闸
图5液压带式抱闸
3.2.2气囊抱闸
70年代国内在某些小型电炉上开始使用气囊抱闸(图6)。其结构简单、质量小、压缩空气来源容易；但没从机械上保证气源发生故障时电极不下滑，因此未推广到大中型电炉上。
1.抱闸；2.电极
图6气囊抱闸
3.2.3压放单元
压放单元(图7)是与组合把持器相配合的压放装置。每个压放单元夹持电极的一个筋片，每根电极需要数个压放单元夹持数个筋片共同完成压放动作。压放单元的使用与电极直径无关，有互换性，其数量随电极直径而定。压放单元依靠弹簧夹夹持电极筋片，松开时用液压释放，从机械上保证液压发生故障时电极不下滑。弹簧夹上下移动用液压，电炉不停电压放电极。压放单元结构简单、轻巧，一组压放单元的质量仅为两道液压块式抱闸的五分之一。但这种压放装置只能与组合把持器配合使用。
1.压放单元；2.电极
图7组合式压放装置
3.3升降装置
3.3.1液压坐缸
60年代，国内开始用液压坐缸升降装置代替旧式的卷扬机升降装置，七十年代以后设计的大中型电炉几乎都采用了液压坐缸升降电极。如德马克制造的电炉的升降装置就是采用液压坐缸，缸体通过横梁、吊杆和支承筒带动电极升降。
3.3.2液压吊缸
80年代国内设计的6MVA铁合金电炉开始用液压吊缸升降装置，与坐缸升降装置相比，不存在压杆稳定问题，设备轻便，其质量约为坐缸的三分之二，容易保证电极的垂直度，油缸吊在上层平台下，电极筒穿平台处空间大，电极导向装置易于布置。埃肯电炉的升降装置是液压吊缸，油缸与平台、活塞杆与电极筒横梁之间采用特殊接头连接，改善了电极筒和油缸的受力状况。我公司最近设计的电炉都采用了液压吊缸升降装置。
4变压器和短网
4.1变压器
70年代以前国内的埋弧炉全为三相变压器，而且绝大多数为无载调压。其短网长；三根电极的短网长度不能相同，功率在三根电极上的分配不均匀，所谓的“强相”“弱相”无法消除；调节电炉功率只能依靠电极升降，故电极在炉料中的插入深度变化大，不利于炉况稳定。对于中小电炉影响较小，对于大电炉影响较大，必须重视。
80年代引进的埋弧炉均为单相有载调压变压器，不但短网长度小，而且三根电极的短网几乎相等；在功率调节时，电流电压比在允许范围内，可以调电压，稳定电极。尽管三台单相变压器比一台三相变压器贵，但新建的埋弧炉还都用单相变压器，并且已经推广到10MVA左右的埋弧炉上。
4.2短网
80年代中期以前国内所建埋弧炉的短网，由铜排或者水冷铜管与裸铜复绞线组成。复绞线允许的电流密度很低，约1～1.5A/mm2，因此复绞线根数很多(大电炉更甚)。复绞线两端不可能与根数较少的铜排和导电管一一对应连接，只好采用接线板和集电环。电流在导电管和复绞线上分配不均，有的复绞线因电流过大而烧坏；接点多接触电阻大；复绞线占用空间大，影响电炉周围其他设备的布置。当时也曾考虑用水冷电缆，因没有很好解决水冷电缆的接头而被搁置。
引进埋弧炉技术后，接头随之解决。电炉短网从此由水冷铜管和水冷电缆组成，两根水冷铜管——两根水冷电缆——两根导电管——一块铜瓦或一组接触元件形成一个回路，将电送到电极上。水冷电缆电流密度可达4～5A/mm2，电缆根数少，网路简单；电流在各回路中分配较均匀；取消了接线板和集电环，结点少接触电阻小，电路缩短电抗电阻小。
引进技术后，取消了温度补偿软铜带，用变压器二次端头自身摆动或者水冷电缆代之，变压器与电炉中心的距离相应减小。
5炉顶上料装置
我公司生产的炉顶上料装置有环形运输机、胶带运输机、多斗环形加料机。连续输送，能力大，全部自动化。
5.1多斗环形加料机
多斗环形加料机是60年代引进35MVA电石炉的技术，在环形布置的炉顶料仓上回转，炉料从料斗底部卸入料仓，不足之处是料斗容积小仅为0.05m3，多达40余个，结构复杂，易损件多，维修工作量大，因此未大量应用。
5.2胶带运输机
胶带运输机在料仓上的布置有两种方式。一种是布置在环形料仓上，胶带机一端位于炉心，另一端(卸料端)位于料仓中心分布圆的上方，胶带机架下面有滚轮，以炉心为圆心回转。
另一种方式是梭式胶带机，在直线布置的料仓上往复移动，料仓不能呈理想的环形布置，一般呈三角形布置，一台电炉至少设三台梭式胶带机。
它们共同的不足之处是胶带机位置不固定，占地面积和空间大，中小电炉的上料平台容纳不下，因此只能用在20MVA以上的大型电炉上，另外落料点移动，烟尘不易收集。
5.3环形运输机
环形运输机是埃肯电炉的上料装置。一个回转的大圆盘位于环形料仓上方，气动刮板将料导进每个料仓。只一台设备，体积较小、紧凑，整个设备位于一个密闭的大罩子里，易于收集烟尘，是目前一种较理想的上料装置。
现在国内许多铁合金厂仍然使用旧式的单轨悬挂运料小车、电石厂使用电葫芦悬吊的料斗，有空行程，输送能力小，不易自动化和收集烟尘。若经过改造，环形运输机就可用在料仓呈环形布置的电炉上。
6空心电极技术
空心电极技术可以利用原料加工中产生的大量粉末(约占入炉原料的15％～25％)，改善电极工作状况，降低电极糊消耗，调节炉况。
80年代中期我国引进了几套电石炉的空心电极技术，投产后均取得一定的经济效果，但由于该技术不是电石生产的必须工序，在维修管理上舍不得投入，设备多年失修，不能使用时即报废。
我公司引进的埃肯技术包括空心电极，与电石炉同步建成并试运转，工艺流程较短，也是基于上面的原因，影响了这项技术的推广。随着经营思想从粗放型向集约型转变，空心电极技术仍是一项有前途的节能措施。
7计算机
80年代初，我国开始将计算机用于埋弧炉的配料。80年代中期引进的埋弧炉技术都带进了计算机，用于控制配料、冶炼和煤气清洗过程。
采用计算机控制配料主要是修正配料过程中的误差，提高配料准确度(误差低于1％)；冶炼过程中及时调节变压器二次侧电压和升降电极，调整电炉负荷；根据电极消耗和焙烧情况自动压放电极，减少电极事故，提高电炉作业率。另外还可以收集数据，人机对话，打印报表等，方便并节省人力。
据统计，用计算机后电炉平均负荷可提高3％～6％，作业率提高3％～8％，单位冶炼电耗降低5％～12％，产量可增加7％～15％。计算机已发展到现在的普及阶段，在埋弧炉上使用计算机已成共识。我公司近期设计的12.5MVA以上埋弧炉都采用计算机控制。另外，我公司还正在进一步开发测检技术。
8炉气净化装置
埋弧炉冶炼中产生大量含尘浓度高的炉气。我国规定，环保评价与项目审批同时进行，环保不合格的在用电炉限期治理。因此，新建的大中型电炉都要上炉气净化装置，在用的电炉也陆续上炉气净化装置。
炉气净化方法有干法、湿法两种。国内70年代前湿法较多，80年代后干法增多，因湿法存在污水处理问题。80年代以后国内新建的17台25MVA以上的埋弧炉有15台用干法，只有2台用湿法。
常用的干法除尘是袋式除尘。袋式除尘系统又分为正压和负压两种方法。正压对净化装置的密封要求不严，不必考虑漏风量，除尘设施和运行费用较低，国外采用较多，国内较少。由于正压除尘时，含尘浓度高的气体严重磨损风机叶片，能适应这种工作条件的风机价格较高，限制了正压除尘技术的推广应用。负压对净化装置的密封要求严格，考虑漏风量，除尘气体体积大，除尘设施的投资和运行费用较高，但风机用于输送净化后的气体，对风机没有特殊要求，所以国内负压除尘用的较多。我国近些年引进的袋式除尘技术，均是正压除尘，出炉烟气经予除尘器除掉大颗粒灰尘和火花，风机工作条件得到改善。现在我国风机制造技术已有所进步，因此国内也开始用正压除尘，今后其应用将会越来越多。
埋弧炉的炉气温度高，而目前袋式除尘器滤布的使用温度最高为300℃，因此高温气体必须冷却后才能净化。封闭炉煤气温度约400～600℃，通常较多的是用水冷管进行间接冷却，冷却强度大；也有用旋风冷却器进行间接风冷，冷却强度低，用的较少。引进的埃肯埋弧炉技术，其除尘是采用旋风冷却器冷却煤气。
半封闭炉的高温烟气一般用U形管空气冷却器和余热锅炉进行冷却。用U形管空冷器时，出炉烟气温度一般控制在450℃左右，对冷却设备的材质没有特殊要求，烟气体积比混冷空气降温时缩小一倍左右，除尘投资和运行费用较低，但烟气余热不能回收。国内硅铁电炉烟气的冷却绝大多数用这种方式。
用余热锅炉冷却高温烟气是最好的方式，不但可以回收烟气中70％左右的余热，而且烟气体积更小。这种方式在国外用的比国内多，电炉出炉烟气温度一般控制在800～900℃。国内70年代末开始在1.8MVA的半封闭硅铁电炉上采用余热锅炉，近几年在6.3MVA的工业硅电炉、12.5MVA硅铬电炉上也有应用，取得了令人满意的效果，但推广的进展很慢。这是一项重要的节能方法，很有发展前途，尚需进一步开发。
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