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1、电炉（矿热炉）冶炼生产中炉内电能分配关系与影响因素及解决方法矿热炉的冶炼它涉及电学、热学、物化学三者，只有这三者 能够有机统一结合才能优化冶炼生产指标，而电学在冶炼中的它 提供冶炼还原主要热能，所以对它的研究至关重要。以下主要从电炉炉膛内部导电方式、电炉回路分析、操作电 阻的影响因素、电炉电抗和谐波对冶炼工况的影响几个方面分 析。一、炉膛内部的导电方式有渣埋弧电炉内部同时存在电弧导电和电阻导电可以认为， 通过炉料、金属和熔渣以及炉衬的电流是由无数个串联和并联的 电路构成的。碳质还原剂是炉料的主要导电成分。由于炉料之间存在接触电阻，增大还原剂的粒度会减少还原 剂与矿石颗粒之间的间隙，从而减少炉料
2、电阻，增加料层电流分 布的比例。通过熔池，炉渣和金属的电流焦耳热是维持合金和炉渣过热 的热源。炉料的导电性随温度和炉料的熔化性变化很大。提高温度会 使炉料比电阻显著减少，使导电性增加。炉温升高时炉料膨胀增加了炉料的之间的接触压力和接触面 积，也导致接触电阻减少。炉料中电阻导电和电弧导电交叉在一起。炉料颗粒之间出现 电弧的电压为炉料电弧临界电压，炉料电弧临界电压与炉料性质 和温度有关。料层下部则主要是电阻导电。不同电炉电弧导电和电阻导电 的比例不一样。同一座电炉炉况变化时，电弧导电比例也经常发生变化。电 极端部的电弧性质差别很大。稳定的电弧导电截面相当大，波形畸变小。它表明冶炼区熔 池形状良好，
3、温度分布合理。这种电弧导电可以看成是电阻模式。不稳定的电弧电压波形 畸变很大，降低了输入炉膛的功率。二、电炉内部电路回路分析矿热炉炉内电流分布状况对炉内热分布、熔池结构和炉内各 部位进行的化学反应影响很大。炉内电流分布可以用以下回路来 描述：(1) 电流通过电极端部、电弧和熔池构成的星形回路；(2) 电流通过电极侧面、流经炉料与另外两支电极构成的角 形回路；(3) 电流通过电极侧面流经炉料与碳砖构成的星形回路。 如果把电弧看成纯电阻；忽略电炉内部电抗因素和通过炉墙的电流，炉内电流分布的等效电路可用下图表示：在电场和磁场的作用下，电流主要集中于电极附近的区 域。碳质结构炉衬参数对电流分布有一定影
4、响，通过炉墙的电流 占一定比例。通过炉墙的电流过大甚至会造成炉墙烧穿。经验表明，适当降低碳砖高度可以减少流经上层炉料至炉墙 的电流，有利于电极深插。三、电炉操作电阻压比。几何参数和结构对电炉的电气参数有很大影响，不 同电炉的电流电压比数值往往是不可比的。输入炉内的热能即有效电功率由电极电流和电极端对炉底中 性点的电压所决定，操作电阻反映了熔炼区的电气特性。改变冶炼品种，即改变炉料的组成和炉膛结构，操作电阻也 随之改变。这就需要改变二次电压和二次电流以适应冶炼的要求。增大 操作电阻有助于增加电炉输出功率。对于相同容量的电炉，高碳铬铁电炉的操作电阻较高而硅锰 电炉的操作电阻较低。对于容量不同的电炉
5、，操作电阻主要是由电炉的几何参数和 电气参数决定的，容量大的电炉操作电阻较小。操作电阻并不是不变的。引起操作电阻波动的原因有如下几项：(1) 炉料性能和组成的改变，特别是还原剂加入量、粒度组 成、炉料比电阻的改变。(2) 电极消耗状况或电极插入深度的变化。(3) 三根电极功率平衡情况。(4) 炉渣成分改变。渣中CaO，MnO含量过高会降低炉渣电阻 使操作电阻少。(5) 反应区结构的改变。为了得到良好的电炉技术经济指标，操作者应经常核对操作 电阻变化情况，分析引起变化的原因并及时提出处理办法。电炉设计参数和电炉运行参数往往有一定差别。因此，电炉 参数设计要留有一定调整余地。操作电阻可以通过以下手
6、段进行 调整。(1) 改变变压器的二次电压等级；(2 )调整电极工作端的位置，改变二次电流；(3) 调整炉料组成，还原剂配比和粒度分布。(4) 调整炉渣渣型。还原剂良好的导电性和合适的粒度组成是电炉顺行的保证。 优选还原剂可以增大炉料比电阻，提高电炉的操作电阻，增加输 入功率提高电效率，降低产品电耗。操作电阻变化会改变炉内的热分布，能在一定程度上影响合 金成分和元素回收率。四、电炉电抗和谐波电抗：类似于直流电路中电阻对电流的阻碍作用，在交流电路电容 及电感也会对电流起阻碍作用，称作电抗(Reactance)，其计量 单位也叫做欧姆。在交流电路分析中，电抗用X表示，是复数阻抗的虚数部 分，用于表
7、示电感及电容对电流的阻碍作用。电抗随着交流电路频率而变化，并引起电路电流与电压的相位变化。谐波：是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指 对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率 的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此 任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。电炉电抗主要是由电炉短网所决定的，电炉电抗随电炉容量 增大而增加。这是因为随着电极直径和短网截面积加大，电极之间的距离 增大，短网的单相部分长度增加。因此，大型电炉电抗值更大一 些。通常认为，电炉电抗主要与电炉结构有关，而与电极位置和 电极工作状态关系不大。由设备所产生的电抗称
8、为短路电抗。在分析电炉工作特性 时，人们把短路电抗作为定值绘制电炉工作特性曲线。电炉在运行中电抗是经常发生变化的。熔池电抗的波动与电 弧的谐波有关。电弧是非线性电阻，电弧电阻的瞬时值受到炉膛温度、压 力、炉料组成、冶金过程所产生的气体成分以及电弧区的几何形 状等条件的影响。当这些条件发生变化时，电炉电流偏离源电压的波形，电弧 电压波形发生畸变，产生相当于正弦交变电压基础频率的高次谐 波。二次电压和电极电流决定了操作电抗大小。操作电抗随电极 电流增大而减小，随电弧长度增加而增大。当电流达到一定值时，功率因数达到最大值。电流低于临界 电流值，会大幅度降低电炉有效功率。五、影响熔池电抗的因素电炉工作
9、电压。在出炉过程中，随着铁水排出，熔池液面下降，电弧增强， 电抗有较大的增长。分析电弧波形时注意到电弧基本频率、电压波形与电流波形 有相位转移。这表明，并非是谐波使电抗增加，而是电弧的非线性特性使 电抗增加。(2) 电流分布状况。熔池结构发生变化，炉料分布的不均匀性使电流路径改变， 也可以使电炉电抗发生改变。(3) 炉膛结构。熔池中的物质比例变化和结构变化时平衡状态就会受到破坏，气相导电和电极端部放电均会受到抑制。熔池缩小使电极位 置升高、电抗增加，使电弧稳定性变坏。电弧的畸变和高次谐波的研究可用于分析和处理炉况、调整输人功率。分析电弧畸变可以判断炉膛内部发生的变化，如电弧区温度 降低或电弧位
10、置变化、还原剂过剩、还原剂不足、电极消耗过快 等。谐波的测量可以用于判断炉料中的碳/氧化物比例，从而控 制炉料中的碳含量平衡。当原料中碳含量波动为5%时，所产生的谐波讯号波动可达 30%，增加炉料碳的数量会减少炉料分路电阻，改进熔池电阻的 线性，因此可以减少电压畸变。六、矿热炉的电热反应多为吸热反应：热能的取得主要来自电炉的有效功率。从不同角度研究电炉 时不难发现，运行良好的电炉其操作电阻与有效功率之间存在着 一定关系既：1、操作电阻随着电炉有功增大而降低。这就说明为什么大 功率电炉的功率因数常常偏低，而小功率电炉功率因数偏高的缘 故。2、在炉料一定的情况下，一定的有效功率，必有一定的操 作电
11、阻值与相适应，而得到良好的热能分配。3、想要提高操作电阻，即想要运行较高的操作电阻而不影 响电炉良好的热能分配，必须首先提高产品的电阻常数，即炉料 比电阻。七、电炉内电能电阻的构成及控制：R1R3，R4R6 相同的条件：1、料面高度一致；2、炉料绝对均匀；3、电极工作长度一致；4、电极电气运行参数相同；5、炉料透气性相同；6、炉底工况相同；R4R6 的电阻是料面中的电极对电炉四周碳砖墙形成的料面预 热电阻，从电路结构上也是星型结构。对其阻值的控制可以调节电 极外侧物料的熔化与衬料速度。当外围物料配碳量增加时外围吃料速度会加快，但是受冲刷炉 墙限制。八、影响电能关系分配的因数：1、极心园大小：极
12、心园大R1R3增大，有利于电极深插，但是炉料加热功率分 配变小。2、炉墙碳砖高度与厚度：碳砖高度增加，R4R6变小，有利于提高电炉周边沉料速度。3、料层厚度：厚度越大，料面电阻越小，电能加热物料电能分配比例越高。4、电炉温度： 电炉温度越高，碳材石墨化程度越高，料面电阻越小，因此需要合理控制电弧深度。5、炉料透气性： 料面透气性差，物料接触紧密，炉料电阻小，尾气也难以排出。6、堆料形状： 电极附近料堆越低，电极附近电压梯度越大。7、电气操作参数：料面高度相同时，电极入炉功率大的电极，炉内反应区体积 大，料层薄，料面电阻大，炉料预热不充分，需要调整料堆。九、料面控制及偏加料对电能关系的影响：1、进行料面控制与偏加料时除了进行料面电阻控制还要控制电 弧电阻，即合理的电极位置。2、最优的电炉整体电阻控制是控制化料与反应的平衡，即控制 料面电阻与炉底电弧电阻的最佳比例。3、适当降低料面提高透气性可以降低弱相电极预热物料的电能 分配比例。
