25500kVA镍铁矿热炉工程可行性研究报告 79页

'25500kVA镍铁矿热炉工程1总论1.1项目背景青山控股集团有限公司是青山钢铁董事局麾下一家主要从事不锈钢及相关产品生产和销售的全国无区域企业，它起步于二十世纪八十年代，发展于九十年代。集团公司注册资本三亿二千万元人民币，现企业总资产人民币46亿元，员工4000余人。2009年，企业年产量达83万多t，总产值达到121亿元，利税达10亿元，在国内不锈钢行业处于领先地位。集团公司现下辖浙江青山钢铁有限公司、浙江瑞浦机械有限公司、福建鼎信实业有限公司、河南青山金汇不锈钢产业有限公司、河南青浦合金材料有限公司、清远市青山不锈钢有限公司、松阳青山不锈钢有限公司等10余家直属企业。生产基地跨越浙江、福建、上海、广东、河南等地；并在广西、江苏等地有多家合资或合作的与不锈钢生产有关联的企业。集团公司在国内外建有完善的营销网络，在温州、上海、无锡、佛山设有直属销售公司，销售渠道遍布全国并跻身东南亚、欧美等国际市场。主要产品有不锈钢连铸、棒线材、板带钢、型钢、镍铁等，产品广泛应用于石油、化工、机械、电力、汽车、造船、航空航天、食品、制药和装潢等领域。企业技术装备精良、工艺流程先进、质量控制手段完善。79 先后通过国内外一系列质量体系认证，拥有当前国际、国内领先水平的炼钢、连铸、连轧、穿孔等设备，并建有技术先进的研发中心和设施完善的产品测试中心，在2008年获得中国合格评定国家认可委员会（CNAS）实验室认可证书。此外，企业还拥有国外进口的大吨位冶炼设施、全自动冶炼控制系统、装备先进的大方圆坯连铸机及国内同行领先的特钢棒线材连轧生产线等。集团连续数年荣膺中国民营企业500强、中国制造业500强、中国黑色冶金及压延加工业500强、浙江省百强企业、浙江省制造业百强、浙江省百强民营企业；并被评选为2008年中国民营科技企业500强、思源工程先进单位、“139富民攻坚计划”先进集体；企业注册并使用的“青特”商标被认定为浙江省著名商标；公司还是中国金属协会不锈钢分会副会长单位和中华全国工商业联合会冶金业商会副会长单位；企业还先后荣获中国建设银行总行AAA级信用等级客户、中国农业银行浙江省分行AAA级资信企业、中国质量信用AAA级企业、浙江省对外贸易守信合作单位等荣誉称号。企业始终秉承“透明、公平、公正”的经营理念，倡导“以人为本、以法治厂、以质兴企、以新兴业”的管理模式，青山控股集团以“咬定青山不放松，无限风光在险峰”的团队协作精神，不断提升核心竞争力，致力于打造中国不锈钢品牌，以期为振兴民族不锈钢产业做出应有的贡献。近年来，青山控股集团公司在全球范围内寻找资源，开发不锈钢上游原材料，最终选定印尼PTAntam公司为其红土矿资源合作伙伴。青山控股集团公司与PTAntam公司将合资在印尼开采红土矿，并建设利用红土矿生产镍铁及不锈钢的工厂。红土矿采用回转窑-电炉工艺炼镍铁在国外是成熟技术，但在国内还没有一家生产工厂；更别说生产镍铁和不锈钢的联合工厂。为降低海外投资风险，青山控股集团公司决定先在国内投资建设，最终选定在福安湾坞建设本镍铁项目。建设后将年产60万t/a不锈钢板坯。该项目采用回转窑干燥焙烧、预还原，得到800～900℃高温预还原焙砂，把铬矿与高温焙砂热装，在大型镍铁矿热炉内，冶炼成含镍铬的不锈钢半成品，液态不锈钢半成品再热装进AOD炉精炼，经连铸成不锈钢坯。该项目利用境外矿产资源，大力发展民族经济。其工艺流程紧凑，是冶金工业节能减排的短流程工艺的典型范例，在国内外均处于领先水平。79 项目一期工程正处于施工建设阶段，配套的两台33000kV·A国内最大的大型镍铁矿热炉，炉型为矩形炉（长16m×宽8m）。二期工程配套两台25500kV·A大型镍铁矿热炉，炉型为圆形（Φ16600×6100）。1.2主要研究依据（1）青山控股集团有限公司与四川大学签定的研究合同。（2）青山控股集团有限公司提交相关工程技术资料。（3）四川大学已撑握的矿热炉工程关键技术资料。1.3主要研究内容（1）甲方筹建的25500kV·A大型镍铁矿热炉工程国内外技术现状调研分析。（2）大型镍铁矿热炉节能型变压器及一、二次侧电压等技术参数的选择及生产厂家考察比选。（3）大型镍铁矿热炉电极直径、极心圆直径、炉膛直径、炉膛深度、炉壳内径与高度等工艺技术参数比选。（4）大型镍铁矿热炉把持器关键技术选择。（5）大型镍铁矿热炉炉体长寿关键技术选择。（6）大型镍铁矿热炉配料、物料平衡、能量平衡、冶炼电耗等分析计算与预测。1.4主要研究结论要点（1）由于25500kV·A镍铁矿热炉，在国内属于最大的利用红土矿生产镍铁的矿热炉；由于国内红土矿资源稀少，对镍铁矿热炉相关研究很少，可供参考借鉴的大型镍铁矿热炉工程数据较少。本工程关键技术方案，如矿热炉二次侧电压、电极直径与材质、极心圆直径、炉膛直径与深度、炉壳内直与高度、电极把持器形式、炉体内衬结构与耐火材料选取等均存在一定的技术和工程上的风险。79 （2）本工程项目建成后，采用红土矿进厂，不锈钢坯出厂，全程热装热送的工艺流程。生产环节少，流程极短，可有效降低冶炼镍铁的冶炼电耗，以期达到节能减排，节约生产成本的目的。工艺流程在国内外尚属首次采用，具有先进实用的特点。（3）二期工程配套两台25500kV·A大型镍铁矿热炉，炉型为三相三电极圆形炉（Φ16600×6100）。矿热炉变压器由三台8500kV·A单相壳式变压器组合而成，满足长期超载30%。冶炼镍铁时，二次侧采用Dd0连接，矿热炉二次电压范围：400～520～690V，全部电压要求恒功率输出。考虑到以后可能转炼高碳铬铁，将二次侧采用Yd11连接，二次电压范围：231～399V。电压级数共60级，采用有载电动调压。一次电压：35kV，50Hz。（4）25500kV·A大型镍铁矿热炉投产初期的1～2年内，电极把持器采用压力环把持器，电极为Φ960石墨电极。待所有生产设备调试运行正常，同时生产操作人员对设备都能控制自如时，从节约生产成本出发，并根据一期工程33000kV·A投产情况，决定是否将压力环把持器更换为组合把持器，电极改为直径Φ1200自焙电极。（5）通过对比国内外相似的冶炼红土矿或铜镍精矿的大型矿热炉进行比较，最终确定本工程项目25500kV·A大型镍铁矿热炉工艺技术参数为：石墨电极直径960mm、极心圆直径4200±100mm、超负荷30%时炉底功率密度188kV·A/m2、炉壳内径16600mm、炉壳高度6100mm、炉膛内径15000mm、炉膛深度3500mm。（6）通过综合比较，电炉变压器建议选用节能型壳式变压器，因其具有明显的优势，例如机械强度高，抗短路能力强；冷却效果好，过载能力强；噪音小，损耗低；结构紧凑，体积小、重量轻，便于运输安装等。（7）长寿矿热炉不仅直接减少昂贵的大中修费用，而且可以避免由于停产所引起的巨大经济损失。为了尽可能地延长本工程项目25500kV·79 A大型镍铁矿热炉使用寿命，对矿热炉的炉底及炉墙采用了大型高炉炉底炉缸耐火材料内衬的砌筑方案。炉底的耐火材料内衬采用工作层和导热性永久层型式的内衬。炉底下部的永久层由高度为261mm的高铝质浇注料、高度为121mm的碳化硅质自流浇注料和高度300mm的石墨碳砖与高度600mm的镁碳砖构成。石墨碳砖与炉底钢板之间设置有冷拔无缝钢管、工字钢组成的炉底冷却装置。炉底上部的工作层由一层高度为600mm的镁铝砖、一层高度为800mm的镁铬砖构成。炉底的石墨碳砖采用1500mm×400mm×300mm的大块碳砖砌筑，其余层均采用具有双向错台外形特征的特异型大块砖砌筑，以获得持续的稳定、密封效果。炉墙仍然采用永久层和工作层的砌体结构方式。侧壁中下部的反应区、熔池区的工作层由具有凹凸镶嵌形状的镁铬大块制品构成，侧壁上部砌筑标普型镁砖。工作层镁铬砖与立式冷却水套（冷却壁）之间，顶紧冷却水套砌筑小块微孔碳砖。小块微孔碳砖与镁铬砖设60mm宽度的填料缝，缝中填充高性能碳素捣打料。综上得出：炉底厚度为2600mm，炉墙厚度800mm；则炉壳内径16600mm、炉壳高度6100mm。（8）物料需求与煤气发生量全部使用拉兹红土矿（红土矿A）冶炼1t镍铁需4.99t红土矿A焙砂，5.28t红土矿A干矿，6.35t红土矿A湿矿；焦炭176.15kg；石灰479.04kg。矿热炉每小时产生的炉气量为1445.24Nm3/h。（9）冶炼电耗估算全部使用ZHEHAAIS21红土矿（红土矿B）冶炼1t镍铁需6.52t红土矿B焙砂，6.80t红土矿B干矿，8.20t红土矿B湿矿；焦炭172.78kg。矿热炉每小时产生的炉气量为1398.80Nm3/h。全部使用拉兹红土矿（红土矿A）进行冶炼，冶炼1t镍铁所需红土矿A焙砂冷料为4.99t，此时冶炼1t镍铁的理论冶炼电耗为3558.37kW·ht镍铁。79 若采用热装法冶炼镍铁时，冶炼1t镍铁理论上节约电能1122.24kW·ht镍铁。故用热装法冶炼镍铁，红土矿预还原焙砂温度达850℃以上，其冶炼理论电耗2436.13kW·h/t镍铁。2国内外镍铁矿热炉技术现状2.1国内外铜镍精矿矿热炉技术现状目前，国内外采用矿热炉熔炼硫化铜镍精矿的冶炼厂主要有中国的金川、磐石、吉林镍业公司、云南冶炼厂、前苏联的北镍、贝辰加、诺里斯克，加拿大的汤普森、鹰桥、南非的瓦特瓦尔、恩施皮雷森、杰兹卡兹干、皮尔多普等厂。一般来说，加拿大、南非等国家的矿热炉机械化、自动化程度均较高，前苏联次之，我国基本上是停滞不前。主要是因为1980年以后我国有色冶金重点放在发展闪速炉冶炼技术，关于矿热炉技术的工程化研究，文献报道不多，可资利用的工程数据及设计资料十分有限。我国用大型矿热电炉熔炼铜镍精矿已经40年多的历史了。先后建成六台大型矿热电炉，总容量达108500kV·A，在我国的铜镍生产中发挥了重要的作用，创造了可观的经济效益。曾经的云南冶炼厂先后建设两台30000kV·A电炉是当时我国建设的第一台大型炼铜矿热电炉，熔炼制粒焙烧铜精矿。该电炉1960年7月投产，当时是根据原苏联五十年代的技术设计建造，炉用变压器由3台10000kV·A单相变压器组成，总容量为30000kV·A，电极直径Φ1200mm，炉型为六电极矩形炉。电极采用卷扬机升降，用钢带吊挂人工下放，导电系统用软电缆，电极孔基本没有采用密封。投产时花了四个月的时间才使炉况基本稳定下来，初期生产很不正常，前三年的每吨炉料电耗指标均在850kW·h/t以上。79 1968年投产的金川16500kV·A熔炼镍精矿焙砂的1号矿热电炉，也是六电极矩形电炉，采用3台5500kV·A单相变压器供电，炉料经皮带运输机、箕斗、圆盘给料机、上料刮板运输机送入料仓，炉料进入矿热电炉进行冶炼。炉体和云冶电炉基本相同，电极则是采用液压结构。投产虽较顺利，但初期生产也不稳定，多次发生漏炉、断电极、漏油着火等重大事故，前三年的每吨焙砂电耗也都在850kW·h/t以上，此期间的最高供电功率为7000kV·A左右，日处理能力不过280t物料。云冶和金川经过长期生产实践，已逐步掌握了电炉熔炼技术，并对电炉进行了多方面的改造，使电炉生产能力大大提高，基本杜绝了重大事故的发生，单位电耗显著下降。当时云冶电炉电耗已下降到400kW·h/t料以下，金川电炉电耗曾也降到了670kW·h/t焙砂。二十世纪七十年代建设的磐石镍矿熔炼镍精矿干燥球团的12500kV·A的矿热电炉，由一台三相变压器供电，为三电极矩形电炉。该电炉吸取云冶、金川的经验，革新了炉体结构，虽然电极也用卷扬升降，但改为直流电动机传动，而且用可控硅自动控制；另外用软铜带导电系统代替了原来的软电缆导电系统，设计了防磁的电极孔密封装置。该电炉1979年已顺利投产，未发生任何事故，生产稳定，一开始就取得了电耗670kW·h/t干料的指标。　可以看出，我国铜镍矿热电炉冶炼技术从二十世纪八十年来已有了很大的发展，备料、操作、设备、电气等方面都取得了不少进步。但目前基本上仍处于这一时期的装备水平，主要是因为闪速炉冶炼技术的发展，使得矿热炉技术几经边缘化，近二十年来几乎没有任何重大的改进。如云铜公司1992年引进投产了艾萨炉炼铜技术，矿热炉只是作为艾萨炉停产时的备用生产设备。金川集团公司也引进了闪速炉冶炼冰镍，随后矿热炉就基本停产，近年来为了实现做大做强的目标，才又重开矿热炉，用以冶炼铜精矿。79 国内目前各厂基本上均系人工凭经验配料与加料。只有磐石镍矿曾在1981年，为改善电炉技术经济指标和加料操作条件，取消手动闸板阀，采用了自行开发的炼镍矿热炉电振自动密封加料方法，效果较好。它是由电磁振动给料机、下料管处设置的活动弧形密封板和控制箱盘、控制线路元件组成，分别安装在电极之间的炉顶两侧。左右分别各设计一组，有单独的控制盘和控制箱及操作室。表2-1为国内大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标，表2-2为国外大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标。表2-1国内大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标名称云南冶炼厂1号炉云南冶炼厂2号炉金川集团处理物料铜镍矿铜镍矿铜镍精矿处理炉料量/t·d-114001200530炉子内部尺寸：长×宽×高24×6.65×522.3×5.8×4.521.5×5.5×4.0炉底面积/159.6129118电极中心距或分布圆直径/m3.33.23.0电极直径/m1.21.21.1电极数量/根666电炉的额定容量/kV·A30000（10000×3）30000（10000×3）16500（5500×3）变压器二次侧电压/V320～696310～700173～275变压器二次侧最大电流/A300003810020000炉底单位面积功率/kV·A·m2188232125熔池深度/m1.9～2.02.0～2.12.0～2.1锍层厚度/m600～800550～800锍放出口数量233锍放出口距炉底高度/mm410、485100、370、500100、400、400放渣口数量244渣放出口距炉底高度/mm1365、14401368、1277电极电流密度A·cm-22.73.42.55单位能耗/kW·h·t-1420～440400600～62079 电极糊单耗/kg·t-13～44～54～6每日电极压放长度/mm·d-1200～300150～200电极插入深度/mm400～500400～70079 表2-2国外大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标名称北镍公司彼阡克诺林公司汤姆逊瓦特范尔今贾恩施皮雷森处理物料铜镍矿铜镍精矿铜镍精矿铜镍精矿铜镍精矿铜镍精矿铜精矿铜精矿炉子内部尺寸长×宽×高或直径11.2×5.2×4.020.5×5.5×3.922.7×5.5×5.123.2×6.0×5.127.4×6.71×3.9626.0×7.0×4.514.1×6.5×3.035.66×10.67炉底面积/5811312613918418292380分布圆直径/m3.03.03.23.23.763.43.0电极直径/m1.21.11.11.21.221.251.051.8电极数量/根36666636电炉的额定容量/kV·A30000（30000×1）31500（10500×3）50000（16667×3）45000（15000×3）18000（6000×3）19500（6500×3）5500（5500×1）51000（17000×3）变压器二次侧电压/V390～500314～683475～800266～743160～300170～350120～210150～500变压器二次侧最大电流/A3150015400258302492032500炉底单位面积功率/kV·A·m-25172813963249810760134熔池深度/mm2500230027002500～27001118～12192300锍层厚度/m600～800600～800600～800600～900600～750760锍放出口数量33443放渣口数量24441332放渣口距炉底高度/mm150017501750145015251560965电极电流密度A·cm-22.781.642.72.22.65吨料单位能耗/kW·h·t-1780～815710740525～625400～430689460吨料电极糊单耗/kg·t-12.94.14.12.8～3.41.75～1.92.72.46吨料烟气量/m3·t-118001700～19001700～19001200～1400吨料耗水量/m3·t-1334.44每日电极压放长度/mm·d-1400～500450～500450～50045013079 2.2国外氧化镍矿（红土矿）生产镍铁的矿热炉技术现状国外先后采用矿热炉熔炼氧化镍矿（红土矿）的冶炼厂主要有法国镍公司新喀里多尼亚多尼安博（Donniambo）冶炼厂、日本太平洋金属公司八户（Hachinohe）冶炼厂、日本住友金属矿业公司日向冶炼厂、印度尼西亚阿尼卡·坦姆邦（AnekaTambang）公司波马拉厂、印度尼西亚国际镍公司梭罗阿科（Sorowako）厂、多米尼加鹰桥镍公司圣多明各厂、哥伦比亚塞罗·马托莎（Cerro·Matoso）公司蒙特利巴诺（Montelibano）厂、希腊拉瑞姆纳（Larymna）公司、美国汉纳（Hanna）矿业公司、乌克兰PFK公司、马其顿FENI公司、委内瑞拉LomadeNiguel公司、巴西Codemin公司等等。上述这些冶炼厂冶炼红土矿生产镍铁合金，大都是采用RKEF工艺流程，即回转窑-电炉法，又称Elkem法。虽然都是采用RKEF工艺，但每个冶炼厂的具体工艺制度都不尽相同，比如红土矿脱水的温度，是否在回转窑中进行预还原等。（1）法国镍公司新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂法国镍公司新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂于1958年建立Elkem法。先后建设10500kV·A电炉八台，33000kV·A电炉三台。该法借助于新喀里多尼亚矿石的高镍（Ni2.5%）、低铁（Fe10～15%）与MgO/SiO2比值适度（0.6～0.7），不需加熔剂，即可产出含Ni20%的镍铁，而且矿石中的铁60～70%被还原，30～40%进入渣中，渣含镍仅0.1%左右，所以镍的回收率相当高。由于采用覆盖式熔池，低电极插入，炉顶温度低，电耗仅550～600kW·h/t干矿。电炉的入炉矿石块度为20mm，经回转窑850℃煅烧后，进入电炉，同时加入约4%的焦炭，在电炉中镍、铁还原后，得到粗镍铁合金，再经精炼后得到镍铁产品。1050079 kV·A的电炉，直径11m，设计日处理矿石量500t。熔炼1t干矿电耗为550kW·h。三电极埋弧操作，常用二次电压为150V。电极插入深度根据炉渣电导自动控制。（2）哥伦比亚塞罗·马托莎公司蒙特利巴诺厂哥伦比亚塞罗·马托莎公司蒙特利巴诺厂电炉为51000kV·A圆形电炉，炉膛内径为21000mm，炉壳有特殊冷却装置以保护炉墙。炉顶用吊顶。满负荷运行时二次电压为490V～1090V，电极直径为Φ1800自焙电极。（3）日本住友金属矿业公司日向冶炼厂日本住友金属矿业公司日向冶炼厂建于1956年9月，1968年后进行改造，采用回转窑-电炉流程，建成4座回转窑和4台电炉，其中25000kV·A电炉两台，14000kV·A电炉两台。年产镍铁12500t。该厂总结出熔炼过程中几点经验：①镍铁的RKEF工艺中，电能消耗占成本的65%左右；②采用高功率负荷操作；③采用焙砂温度：850～900℃；④采用覆盖熔池式操作；⑤采用较高的二次电压；⑥适当的炉渣碱度：MgO/SiO2=0.68～0.70；⑦适当控制金属的还原：镍还原近100%，铁60%进入金属中；⑧焙砂的运送系统包括：计量包、运输罐、炉顶料包、落料漏斗等均加保温衬里，并实行自动化操作，可减少热辐射损失4186MJ/h。、（4）印度尼西亚国际镍公司梭罗阿科厂国际镍公司于1974～1978年建立起45000kV·A圆形电炉三台，年产含镍35000t的镍锍工厂与相应的红土矿基地。最初开采西部矿石镍品位高达2.4%，但酸性过大（SiO2/MgO=2.4）；后与含Ni1.8%、SiO2/MgO=1.6的较碱性的东部矿石配合，得到含Ni2.0%、SiO2/MgO=1.9的混合矿，镍回收率90%。79 采用三台45000kV·A电炉、Φ18m圆形电炉处理预还原后的红土矿。采用大直径Φ2000mm，低单位面积功率的原因是为了尽量保护炉墙不受腐蚀。但是投产后，炉墙仍发生严重腐蚀，其原因为：①矿石的SiO2/MgO为2.2～2.4，相对镁砖来讲，酸度过大；②渣的液相线温度相对太低；③熔化粗粒炉料的橄榄石，需要有足够的过热温度。为此，将炉料的SiO2/MgO降到1.9；使渣液相线温度提高50℃；减少西部矿粗粒中的橄榄石含量，以降低炉渣所需的过热温度。排渣温度为1550℃。为了保护炉墙不被腐蚀，在渣线一带采用外壳淋水冷却。放出口附近，加强结构强度。炉顶加水冷的钢梁，梁外加耐火材料，减少热损失。电炉的能耗与经济生产规模和燃料价格相关，用煤代替部分油，电耗由516～580kW·h/t增加到580～600kW·h/t.电炉功率从36MW提高到40MW。（5）多米尼加鹰桥镍公司圣多明各厂多米尼加鹰桥镍公司的电炉熔炼原料来自还原车间的产物-经过脱水、制团、竖炉煅烧、部分还原的（850℃）热煅烧球团矿。不属于RKEF流程，但电炉的配置、构造、电气制度等可以供参考。该厂建设55500kV·A六电极矩形电炉三台，年产镍铁28750t。每台电炉有三台18500kV·A单相变压器组成，二次电压为349～1265V。碳素电极直径为1000mm，单位面积功率263kW/m2。（6）日本八户冶炼厂日本八户冶炼厂先后建设60000kV·A电炉一台，25000kV·A电炉一台，40000kV·A电炉一台。其中只有60000kV·A电炉生产镍铁，电极直径为1700mm，炉壳直径为16.5m，炉壳高度为5.8m。（7）美国汉纳矿业公司79 美国汉纳矿业公司的RKEF工艺的特点是采用改良的尤他法，即在回转窑中只预热煅烧而不是预还原，在电炉中也主要是熔化，只加部分还原剂，选择性地还原出一部分铁和镍，熔融体在路外加硅铁还原得到粗镍铁，精炼后得到产品镍铁。先后建设14000kV·A三电极圆形电炉四台，炉膛内径为8m，炉膛深度为3m，自焙电极直径为1m。常用二次操作电压为465V。79 3电炉变压器技术参数的选择3.1矿热炉变压器的技术要求（1）由于炉料电阻、原料及电源电压经常变化，要求变压器有较多的调压级数，每级输出电压级差较小，且几乎均要求前几级恒电流输出，后几级恒容量输出。（2）中小型三相矿热炉变压器的一次绕组可设计成D接法或Y接法，而在5000kV·A以上，则多采用D接法设计。（3）一般大型矿热炉变压器多由三台单相矿热炉变压器组成三相组的形式。这是由于三相矿热炉变压器的大电流短网在长度上各相有很大的差异，使三相阻抗严重不平衡，造成电能转移和各相的电流和功率不均衡现象。采用单相变压器可以围绕矿热炉对称布置，缩短短网长度，使三相阻抗近似平衡，可大大改善电能的转移和各相不均衡现象，从而减少电能损耗，增加矿热炉运行的功率因数。（4）负载不平衡和能量转移是由短网结构本身造成的，而且是难以消除的，所以电极将出现“活相”或“死相”的情况。矿热炉正常作业的主要条件是熔池中各相功率要平衡，为此变压器应该具有能够单独调整各相电压的能力，即所谓“分相电压调节”。在这种情况下，炉子的每一相都以最佳电压工作，各相电流强度均衡，熔池功率也均衡。虽然能量转移被保留下来，但是可以消除能量转移对炉子作业的不良影响。分相电压调节矿热炉变压器的各相输出电压允许差值由一次D接绕组内的环流所限制。（5）随着矿热炉功率加大，大电流回路使炉子具有较大的电抗值，致使矿热炉功率因数下降。在炉子回路中接入电容器是补偿无功功率最有效的办法，所以在大型矿热炉变压器中，常在三次侧考虑装置补偿电容器。79 3.2国外冶炼红土矿的镍铁矿热炉变压器二次电压选择法国镍公司新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂先后建设八台10500kV·A电炉，直径11m，三电极埋弧操作，常用二次电压为150V；三台33000kV·A矩形电炉，外部尺寸为33m×12m×5.5m，平均二次电压为300V。多米尼加鹰桥镍公司圣多明各厂建设55500kV·A六电极矩形电炉三台，每台电炉有三台18500kV·A单相变压器组成，二次电压为349～1200～1265V。美国汉纳矿业公司先后建设四台14000kV·A三电极圆形电炉，炉膛内径为8m，炉膛深度为3m，自焙电极直径为1m。常用二次操作电压为465V。哥伦比亚塞罗·马托莎公司蒙特利巴诺厂电炉为51000kV·A圆形电炉，炉膛内径为21000mm，炉壳有特殊冷却装置以保护炉墙。满负荷运行时二次电压为490V～1090V，平均二次电压为1080V。日本八户冶炼厂先后建设60000kV·A电炉一台，40000kV·A电炉一台，25000kV·A电炉一台。平均二次电压分别为760V、760V、664V。3.3国内外铜镍精矿矿热炉变压器二次电压选择表3-1国内外铜镍精矿矿热炉变压器二次电压厂名电炉功率/kV·A二次电压/V云南冶炼厂1号炉30000261～404云南冶炼厂2号炉30000310～700金川集团16500173～275恩施皮雷森51000150～500北镍公司30000390～500彼阡克1号炉31500314～683彼阡克2号炉50000475～800诺林公司45000266～743汤姆逊18000160～300瓦特范尔19500170～350杰兹卡兹于50000600～800皮尔多普24000190～38079 79 表3-2国内矿热炉变压器特性序号厂名变压器短网特征备注容量/kV·A型号相数频率一次侧二次侧绕组接线短路阻抗/%调压方式特征主体材料电压/V电流/A电压/V电流/A1云南冶炼厂1号电炉10000×3HPPF-10000/35单相50Hz35000286320～696共17级37500～17241△接线320V时12.46，508V时5.44电动有载单向往复交错分别接至炉内两根电极，短网为有绝缘层的导电铜管，集电环至筒瓦由铜带连接钢管Φ70/Φ50，16根铜带2[1000mm2，20根]460V时开到25000kV·A2金川有色公司3号电炉5500×335000173275700283V以上恒功率283V以下恒电流Y-△铜管，软铜带3盘石镍矿电炉12500HSSPZ7-12500/633相、50Hz6600057.9～109.3500340180140002122721227Y/Y/△-11500V时6.34340V时14.50180V时32.10电动有载电极上接成三角形，单相往复交错，局部有异相交错铜管Φ65/Φ40，8根软铜带200×1，16片一组共8组4贵州有机化工厂电石炉35000外制3相50Hz35000577一次Y接90.5～143，一次△接157～249，27级1～9级81500～91800，10～27级91800Y-△/Y6.94分相有载电极上接成星形，三相交错中性线单独引至炉壳，短网有铝密封罩铜管3[Φ65/35，16根]，软铜带3[250×1，25片一组，12组]5吴淞化工厂电石炉16500调变TSOPZ16500/35主变HSSP-16500/35，3相50Hz35000/35000～23000相电流157～167115～175，25级54500～57700调变△/Y主变Y/△-12调变0.2～1.025分相有载电极上接成三角形，单相往复交错铜管2[Φ65/35，6根]软缆2[500mm2，24根]79 表3-3国外矿热炉变压器特性厂名变压器型号一台矿热炉变压器数电压级数绕组接线一次侧二次侧容量/kV·A电压/V电流/A电压/V电流/A北镍三相112345△/△100001730157014301320122355050045842839031500315003150031500315003000027200250002300021200彼阡克单相123456105001000986915865500450683656622583341.531415373153731537315373153731537310500101649608908352504725彼阡克25000/35单相315678910141820233500047747747747747746345244040037335980070468366464562861158152850647520830239002440025120258302583025830258302583025830258301666716667166671666716667162001540015000136501289012300诺林21000/3531234567891015202635000428.6428.6428.6428.6428.6428.6428.6412395378515.5428.5328743719.5696672.5649622.5602578555531415347.52662019020850215602231023120239002402024920249202492024920249202492015000150001500015000150001500015000144151383013240103508660663079 3.4镍铁矿热炉变压器参数综合比较以上矿热炉变压器二次电压，同时结合设计经验，本工程项目25500kV·A镍铁矿热炉变压器（长期超负荷30%运行时）二次电压选定为：冶炼镍铁时，二次侧采用Dd0连接，矿热炉二次电压范围：400～520～690V，全部电压要求恒功率输出。考虑到以后可能转炼高碳铬铁，将二次侧采用Yd11连接，二次电压范围：231～399V，经调研考察，特别是制造的可能性及电炉变压器长期运行的可行性与安全性，确定如下的相关参数：（1）变压器容量：25500kV·A（8500kV·A×3），由三台8500kV·A单相变压器组合而成，满足长期超载30%；（2）一次电压：35kV，50Hz；（3）功率因数：COSΦ≥0.90；（4）有功功率：25500×0.9=22950kV·A；二次侧：Yd11连接时：231、237、243、248、254、260、265、271、277、283、289、294、300、306、312、317、323、330、335、341、346、353、359、364、370、375、381、387、394、399V，共30档，各档恒电流。二次侧：Dd0连接时：400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、571、580、590、600、611、621、631、640、650、660、671、682、690V，共30档，各档恒功率。（5）工作电压：520V（6）电压级数：60级（7）调压方式：有载电动调压79 （8）超负荷30%时最大电极电流：3.5镍铁矿热炉变压器选择矿热炉变压器有传统的芯式变压器与新型节能型壳式变压器两种形式。壳式铁芯电炉变压器是学习美国西屋公司、挪威国民工业公司、日本三菱公司等国外先进技术与冶金、化工等有关设计院密切合作的结晶产物，针对铁合金、电石、黄磷、磨料等冶炼工业特殊要求，通过反复试验，独具特色的新技术、新工艺、研制成功的新产品。它的特点是冲破了我国传统的芯式铁芯磁路结构，别具一格的采用壳式铁芯（即外铁芯），适形油箱，低压线是用铜排制作，线圈被铁芯所包围与适形油箱构成一个整体，线圈受力面积大，确保应力的最优分布，线圈垂直放置，油道畅通，避免了局部过热现象。该产品与传统的心式铁芯变压器相比具有下列优点：（1）机械强度高，抗短路能力强壳式铁芯电炉变压器，设计工艺结构与芯式的传统设计工艺结构不同，壳式铁芯变压器是线圈在内，铁芯在外。低压线圈采取铜排制作，高压线圈是纸包扁铜线，矩形高、低压线圈交替，垂直排列在铁芯内，铁芯对线圈起到大面积夹紧作用。线圈、铁芯、油箱组成一个牢固的整体，它的机械强度高，承受较大的短路电动力，抗短路能力强。（2）冷却效果好，过载能力强由于壳式铁芯电炉变压器高、低压线圈垂直，交替放在铁芯内，油道非常畅通，冷却油在高、低压线圈中间循环流动，流量大，油流速度快，冷却面积均匀，线圈间不会有过热点，壳式铁芯变压器油温与线圈温度相差不多。而芯式铁芯变压器是铁芯在内，高压线圈抱着低压线圈，低压线圈抱着铁芯，79 高低压线圈与铁芯之间油流是轴向流动，油道阻力大，油循环效果差，热量无法散发出来，所以芯式铁芯变压器线圈铁芯温度与油面温度相差很大，实际上是油面温度低，线圈温度已经很高了。所以壳式铁芯的冷却效果好，变压器温升低，绝缘不易老化，变压器超负荷能力强，壳式变压器产品一般都在超负荷运行30%以上，有的超50%，甚至有超100%长期运行，一般温度都在50°以下。（3）噪音小，损耗低壳式铁芯变压器由于设计、工艺结构，使铁芯、线圈、外壳组成一个牢固的整体，机械噪音小；同时选用的变压器优质原材料，如硅钢片为武钢产高导磁取向30Q130、30Q120硅钢片，导线选用优质无氧铜，合理的选用导线、电流密度，变压器的铁损、铜耗减低。尤其壳式铁芯变压器交替排列的绕组，引出线直接从绕组幅向引出，都在铁芯上部高低引线容易引出，而且出线可以大大缩短，变压器的附加损耗减少，所以壳式铁芯变压器噪音小、损耗低，与传统芯式变压器相比，空载损耗降低10%以上，负载损耗降低35%以上。以HTSSPZ6-16500kV·A冶炼炉为例，一年内壳式变压器电耗节能折算约80万元/年，约2年左右时间可回收变压器的全部投资。（4）结构紧凑，体积小、重量轻，便于运输安装壳式铁芯变压器体积小、重量轻，主要是结构紧凑，铜和硅钢片不少，它少的是油和铁，因油箱紧靠铁芯，变压器体积减小，油箱重量减轻，变压器油减少，因此变压器外形体积小、重量轻，便于运输、安装，方便检修。壳式铁芯变压器的优点很多，受到机械工业部沈阳变压器研究所认定为国内首创。被列为省、市重点科研新产品开发项目，单相HCDSPZ6-8500/35×3组合容量25500/35电炉变压器荣获国家科技成果金箭奖，被列为国务院科技开发项目。综上所述，建议本工程选用节能型壳式变压器。79 4镍铁矿热炉工艺技术参数比选4.1国外冶炼红土矿的镍铁矿热炉工艺技术参数哥伦比亚塞罗·马托莎公司蒙特利巴诺厂电炉为51000kV·A圆形电炉，炉膛内径为21000mm，电极直径为Φ1800自焙电极，单位面积功率147kW/m2。多米尼加鹰桥镍公司建设55500kV·A六电极矩形电炉三台，二次电压为349～1265V。碳素电极直径为1000mm，单位面积功率263kW/m2。日本八户冶炼厂先后建设60000kV·A电炉一台，25000kV·A电炉一台，40000kV·A电炉一台。其中只有60000kV·A电炉生产镍铁，电极直径为1700mm，炉壳直径为16.5m，单位面积功率363kW/m2，炉壳高度为5.8m。美国汉纳矿业公司先后建设14000kV·A三电极圆形电炉四台，炉膛内径为8m，单位面积功率279kW/m2，炉膛深度为3m，自焙电极直径为1m。4.2矿热炉工艺技术参数矿热炉工艺主要技术参数计算如下：电极电流密度按3.6A/cm2考虑。电极直径：，取电极直径1200mm，则实际电流密度为3.25A/cm2。当用石墨电极时电极取960mm。根据有色冶金炉设计手册经验公式与系数选择计算其它参数。极心圆直径：D1=3.5×1200=4200mm炉膛内径：D2=4200+7×1200=12600mm，取15000mm，以适应各种原料的要求。79 炉膛深度：H=1600（渣层厚度）+800（铁水厚度）+300（料坡高度）+300（死铁层留铁厚度）+500（气体空间，亦即炉料距炉口平台的距离）=3500mm，烟罩高度950mm，实际气体空间500+950=1450mm。炉壳内径：15000mm+800mm×2=16600mm炉壳高度：3500mm＋2600mm=6100mm超负荷30%时炉底功率密度：矿热炉工艺技术参数详见表4-1。表4-125500kV·A镍铁矿热炉工艺参数序号名称单位数量备注1炉壳内径mm16600炉壳钢板厚20mm2炉壳高度mm61003炉膛内径mm15000偏大希望适应各种原料要求4炉膛深度mm35005炉墙厚度mm800炉缸区域设铜冷却壁6炉底厚度mm2600设水冷综合炉底7电极直径mm960石墨电极8极心圆直径mm4200±1009工作电压V52010工作电流A36807超负荷30%11电极电流密度A/cm25.09超负荷30%12电极工作行程mm1200最大1500mm13渣铁口个数个52个出铁2个出渣，铁放净口1个14电极升降速度m/min0.5～215炉底功率密度kV·A/m2188超负荷30%79 5电极把持器关键技术选择5.1电极把持器的基本结构电极把持器是生产铁合金、工业硅、电石和黄磷等矿热电炉的核心部件。它不仅承担着电极的负载，而且还受烟气、炉顶和熔融金属表面的辐射热，同时电极的电流所产生的强磁场或涡流也影响把持器的正常工作。电极把持器的主要作用是将强大的电流通过导电铜瓦传递给电极，把铜瓦牢固地夹紧在电极上，控制电极的烧结，使电极内部和外部烧结均匀合理。具体地说，电极把持器是使铜瓦在一定的压力下贴紧电极壳，保证从母线传来的大电流通过集电环、导电铜管，经铜瓦传到电极壳上。当电极压放时又需要适当减少这种压力，使电极壳与铜瓦之间产生滑动，而又不会因过松产生打弧烧毁电极壳和铜瓦。在更换铜瓦时要求拆卸、更换方便。把持器被烟气、烟罩顶和熔融金属表面的辐射热以及通过把持器的电流所加热，附近温度经常在800℃～1000℃以上。电极把持器在此种高温、涡流强磁场的条件下作业，应能保证在将电流导向电极时的电能损失达到最低，并能牢固地夹住电极不让电极在冶炼过程中滑落，同时电极把持器的构造应便于作业过程中随着电极的烧损而下移或上升。5.2电极把持器的基本结构电极把持器是由导电装置、压紧装置、电极压放装置和把持筒等部分组成。5.2.1导电装置传统的导电装置一般包括集电环、导电铜管和铜瓦。79 集电环主要起均压作用，其将电流集合起来，然后再分配给导电铜管，以使每根电极上的每块铜瓦的电流基本相等。集电环中部有等分连接压紧件装置，主要与导电铜管连接。铜圆环结构的集电环，一般安装在把持筒上，并用绝缘材料隔离；导电铜管是集电环和铜瓦之间的连接管，其端口部位与冷却胶管连接，主要作用是传导电流，管内通水，自身冷却和铜瓦冷却；铜瓦的作用是传导电流和控制电极的烧结，按其材料的不同可分为铸造铜瓦和锻造铜瓦，铜瓦内部通水冷却，外部配有与导电铜管和夹紧环相配合的有关零部件。5.2.2电极抱紧施压装置电极把持器的机械（气压、液压）抱紧施压装置主要作用是夹紧和松开电极，以满足铜瓦对电极的压力和在冶炼过程中升、降电极，它是由电极夹紧环或压力环、大套、弹簧拉紧气缸或油缸及铜瓦等组成，工作可靠和操作简单是对抱紧装置的基本要求。5.2.3电极压放装置在冶炼过程中，电极的工作端是不断消耗的。电极压放装置的作用是定期压放电极，使电极消耗掉的部分得以补充，保持电极一定的工作端长度。电极压放装置有钢带式电极压放装置、双闸活动压放油缸式电极压放装置、下闸活动无压放油缸式电极压放装置、四闸活动油缸加蝶簧式电极压放装置及双气囊压放油缸式电极压放装置等。5.3电极把持器的种类电极把持器的形式很多，它的夹紧方式主要有几种类型—大螺钉式、径向顶紧的压力环式、锥形环式。近年来，又从国外引进了波纹管式、胶囊式及组合式把持器等类型。5.3.1径向大螺钉顶紧式把持器79 径向大螺钉顶紧把持器结构如图5-1所示（b是a中弹簧或蝶簧径向压紧方式的细部结构）。这种把持器的夹紧部分为弹簧式夹紧环。它是由半环、顶头、弹簧、弹簧垫、带内孔螺栓、固定螺母、外套等组成。压紧铜瓦是将钢制的顶头装入半环孔中，弹簧力通过顶头作用在铜瓦上，只要弹簧力调整合适，压放电极时，电极可靠自重克服铜瓦与电极的摩擦力向下滑移。径向大螺钉顶紧把持器把持器结构结构简单可靠，可以随电极壳的变形状况，调整铜瓦对电极壳的压紧力，图5-1（c）为完全人工调整，无弹簧施压的结构。(a)(b)(c)（a）1—电极2—铜瓦3—水冷环4—顶头5—弹簧6—顶紧螺钉（b）1—半环2—顶头3—弹簧4—套筒5—弹簧垫6—固定螺母7-带内四方孔的螺栓8-外套（c）1—铜瓦2—半环3—夹紧4—螺母5-压块6-绝缘板图5-1径向大螺钉顶紧把持器5.3.2大螺栓夹紧式把持器螺栓压紧把持器结构如图5-2所示。这种把持器的夹紧部分为大螺栓式两半夹紧环。它是由圆环、大螺栓、螺母、压块、绝缘材料组成。压紧铜瓦是将一个特制的铜螺母固定在半环孔中，通过调节大螺栓来压紧和松开电极。它的优点是简单可靠，取消了压放等一系列复杂的结构，电极压放由专用工具将电极抱紧坐在炉顶上，然后提升把持器完成一次压放操作。在黄磷及铜冶炼矿热炉中有应用，铁合金、电石电炉中应用较少。缺点是手工操作，劳动强度大，工人受辐射热熏烤厉害。79 1—把持器主体2—铜瓦3—夹紧螺栓4—拉杆图5-2大螺栓夹紧式把持器5.3.3液压缸式把持器液压缸式把持器结构如图5-3所示。1—导向水套2、4—液压缸3—铜瓦图5-3液压缸式把持器79 此结构的液压缸数是铜瓦数的一半，与液压缸相对应处则为具有顶头的固定缸，也可以设计成一个铜瓦对应一个液压缸。它借油压夹紧，靠卸油以后弹簧的反作用力松开；也可借弹簧的张力夹紧，压缩弹簧时松开。后一种情况油压系统无需经常处于工作状态。液压缸式把持器可以适应电极表面的软硬程度、电极壳的小量变形和铜瓦的小量安装误差等，并保持铜瓦对电极大致相同的夹紧力。目前此结构在工业硅电炉上仍有应用。5.3.4锥形环把持器锥形环把持器结构如图5-4所示。此结构的把持器是目前应用最多的一种，由锥形环、水套、弹簧、松紧油缸、电极把持筒、集电环、导电铜管、铜瓦吊架及铜瓦等部分组成。锥形环的内锥面紧靠导电铜瓦的外锥形面，通过锥形环上升或下降使锥形环与电极之间产生径向压力来实现压紧或放松电极。根据电极密封结构的不同，锥形环与导向水套可做成整体式，即固定水套式；也可分开，即活动水套式。（a）锥形环和导向水套分离式（b）锥形环和导向水套整体活动式1—铜瓦2—锥形环3—固定水套4—锥形块5—云母垫图5-4锥形环式把持器79 锥形环一般做成空心通水冷却，材质采用防磁钢，也可以用普通钢，夹以部分防磁钢使环状水套断磁。锥形角一般为10°～18°，最小为6°。当使用弹簧时，锥形环的升降油缸在工作状态时不送油，靠压缩弹簧的作用使把持器夹紧，这样可以防止出现事故时，压力油外泻造成火灾，并可以延长油缸密封的使用寿命。把持器松开时向油缸送油，使弹簧松开，锥形环下降，把持器即松开。当不用弹簧时，则用双作用油缸完成升降锥形环，只是对油缸的密封要求更高一些，并要增加接近限位开关来控制行程。5.3.5组合式或标准组件把持器组合式把持器结构如图5-5所示。（a）组合式电极把持器：1-铜罩2-接触装置3-非磁性钢罩4-母线铜管5-冷却水集合管6-风机7-滑放装置8-悬置9-悬置架10-铜罩悬置管11-立缸（b）剖面图：l-螺栓2-蝶形弹簧3-水冷罩4-接触装置5-电极壳6-电极壳筋板（c）滑放装置：l-电极壳2-蝶形弹簧3-夹钳4-油缸5-电极壳筋板图5-5组合式电极把持器79 组合式或标准组件把持器对传统把持器的结构进行了很大的改造，它是挪威埃肯公司最先研究设计出来的，国内引进的大型矿热炉上也有应用。它主要由滑放装置、电极壳、接触装置等组成，通过伸出电极壳外的筋片夹紧电极和导电，取代了传统电极把持器的铜瓦。此种把持器的电极筋片穿过圆形钢壳并伸入接触元件内。铜质导电接触元件是一种蝶型弹簧压紧装置，由两块接触元件分置于同一电极筋片的两侧，用螺栓拧紧蝶形弹簧使其夹在筋片上。夹紧力要适当，既保证接触元件将电流输送给筋片使电极工作，又要能顺利压放电极。筋片的数量取决于所需接触元件的组数，而接触元件的多少又取决于电极直径和最大电流。在此把持器中，接触元件是与伸出电极壳外的筋片接触，接触元件之间的面积是裸露的，能充分利用炉内热量焙烧电极并能调节电极焙烧温度，这对电极糊的烧结状况有良好的影响。归纳起来，组合式把持器有以下优点：（1）这种接触方式能使电极壳达到最佳的电流分布，进一步改善电极的烧结；（2）适用性强，可用于不同功率，不同电极直径的矿热炉；（3）由于结构设计合理，导电元件的使用寿命成倍提高；（4）日常维护费用大大降低，设备作业率明显提高。5.3.6波纹管把持器目前比较先进的是德国液压波纹管式把持器。它是由整体冲压成的封头与环板焊接构成封闭的环体，环体内安装有波纹管和由一组隔板分隔成的冷却水道，顶紧装置是由螺栓连接的压板，压装有波纹管，由波纹管的弹簧施力来顶紧铜瓦。波纹管把持器结构如图5-6所示，其中（a）为普通型，（b）为改进型。79 每一个铜瓦依靠波纹管内指向电极中心的液压力，将接触铜瓦紧紧压在电极壳表面上，优点是接触压力比较均匀，是一种技术含量高、对电极夹紧压放工作质量好、运行稳定可靠性高的一种把持器。改进型用环状钢管与环板T型焊接成封头，不需冲压制作整体封头部件，降低了制作难度和生产成本，可延长把持器工作寿命。(a)1—电极2—保护环3—铜瓦(b)1—右环板2—螺栓3—长隔板4—绝缘板5—波纹管6—压力环4—波纹管5—内环板6—左环板7—液压介质8—冷却水9—密封7—循环水道8—短隔板10—保护套9—环状不锈钢管图5-6波纹管式把持器5.4存在的问题及原因目前，国内的矿热炉电极把持器在使用过程中出现了这样或那样的问题，如对电极施压不均、不能有效控制电极压放、水循环冷却效果不佳等，从而导致检修频率高、时间长，严重影响了电炉的正常生产，热停炉多，甚至引发电极、电器等事故。5.4.1锥形环对电极施压不均79 国内使用最多的锥形环把持器是整环轴向受力，它对铜瓦的安装要求较高，同一相铜瓦的高度必须一致，否则各块铜瓦与电极的接触压力就不相等，而且还会因铜瓦与电极壳的接触表面所存在的不可避免的个体差异而加大这种不等。锥形环把持器对电极施压不均及其引起的铜瓦损耗多的情况在生产中非常普遍。此外，导电装置中的导电铜管，由于直径大、管壁厚、刚性大，直接影响到铜瓦对电极的压紧，容易造成导电铜管与铜瓦之间以及铜瓦与电极壳之间打弧而烧坏。这种夹紧、压放电极的锥形环技术相对较旧，它对电极的夹紧、压放工作质量不稳定、连续运行可靠性能较差，在实际运行中故障率较高，具体表现为：（1）锥形环的夹紧力是根据选定的锥形角和铜瓦对电极壳的压力来计算的。压力选取应适宜，过小容易打弧烧坏铜瓦；过大容易使电极壳变形。（2）锥形环的夹紧力是通过提升整个环体和锥形块而作用的，在每次提升过程中，每个锥形块的提升高度相同，所以施加的作用力也大小相同。（3）对电极的烧结要求很高，把持器段电极既不能过早烧结，又不能太软，否则容易出现电极软断及铜瓦与电极接触不良而打弧等不良情况。（4）只能适用于一种直径的电极，电极形状要求很圆，否则会使铜瓦与电极接触不良。此外，由于电极壳表面的粗糙程度不同及铜瓦的安装高度不完全相同，就很难以保证其之间接触力的均匀性，故易因接触不良引发刺火、烧穿等事故，严重影响炉子的作业率，降低使用寿命，且不适合刚性很好的工业硅电炉、黄磷炉和有色冶金炉用石墨电极或碳素电极。5.4.2组合把持器的不足组合式把持器对传统把持器的结构进行了很大的改造，如前所述有很多优点，但仍存在不足之处：（1）这种把持器只适合使用自焙电极的矿热电炉，不能用于使用石墨或碳素电极的矿热电炉。79 （2）制备电极壳的设备相对较复杂。（3）铜夹弹簧需不停地通风降温，且还需挡火环或底部环，通风或挡火环一旦有缺陷则影响弹簧寿命。（4）水路曲折，需使用软化水。（5）电极也只能下放，不能进行倒拔操作，给炉况处理和冶炼操作带来了不利影响。5.4.3波纹管制作困难虽然波纹管式把持器有压力稳定，随意性好，可很顺利容易地进行自动压放和调节等优点，但是这一技术复杂程度比较高，主要表现为以下几方面：（1）必须用大型的专用设备来冲压封头；（2）环体内冷却水循环水道比较复杂；（3）对处于高温中的波纹管冷却以及冷却水、压力油的密封技术要求很高，焊接困难易影响冷却效果，严重时会发生烧损漏水事故；（4）波纹管外购或进口困难，自制不易，少有厂家生产，质量难以保证；（5）运用波纹管时，水圈的外围尺寸也比较大，调整极心圆时困难，密封也较难处理。5.4.4径向大螺钉顶紧把持器不适合大中型电炉径向大螺钉顶紧把持器是一种较早的把持器结构，无论是纯大螺栓径向顶紧式，还是油缸弹簧螺栓径向顶紧式，都在小型电炉上应用得比较多，但劳动环境条件差，工人劳动强度大，且压紧力较小，不适合大中型电炉。特别是弹簧长期在高温和强磁场的环境下工作，容易失去弹性，且更换相当困难，在电炉大型化的趋势下已逐渐被淘汰。5.4.5不能有效控制电极压放79 把持器的压放装置中抱闸的工作压力既不能过高，否则可能压坏电极壳；也不能过低，否则容易出现电极打滑，抱不紧等状况。所以抱闸对电极壳的压力一定要控制在合适的范围内。但从国内的应用情况来看，电极压放质量并不理想，以至产生大套、锥形环打弧漏水和集电环压盖发热打弧等故障。水冷大套损坏过多主要是因为在电极抬出料面过高的情况下，铜瓦以下的电极工作端散发出大量的辐射热被大套罩住，这时大套内水温约40～60℃极易形成水垢，若经常出现这种状况，则会使大套出现受热不均而焊缝开裂漏水。同理，当料面过高，刺火翻渣时，也很可能导致大套开裂漏水。锥形环损坏过多也是因为当电极被大套罩住和电极抬出料面过高的情况下，铜瓦以下的电极工作端散发出大量的热，不仅大套吸热，同时锥形环也基本与大套处于同一环境，锥形环内循环水温处于40～60℃左右或出现沸腾，极易形成水垢。若经常出现这种情况，也会使锥形环出现受热不均而开裂漏水，且由于锥形环与铜瓦直接接触，若铜瓦不规则或电极变形会使得锥形环对铜瓦的压力不够，造成铜瓦与锥形环间打弧，导致锥形环漏水而损坏。5.4.6水循环冷却效果不佳生产中为了提高矿热炉电极把持器铜瓦的使用寿命，采用在铜瓦内通冷却水的方式来降低温度。因此，冷却水循环系统在矿热炉生产中是必不可少的。长期以来，由于循环水系统温度比较高，特别是在铜瓦部分温度可达90℃以上，造成铜瓦结垢严重，经常使电极刺火、铜瓦烧穿，直接影响正常生产和产品的成本、质量。主要问题是：（1）冷却水路设计得过长，冷却水因阻损大而流动不畅（2）选材不合理为了防磁，大套材质选用1Crl8Ni9Ti不锈钢板。但在实践中发现，其焊接部位经过一段时间使用后即出现渗漏水现象，这是由于焊接工艺不当等因素造成工件产生焊接裂纹等材料缺陷。研究表明，1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢在450～800℃内容易产生晶间腐蚀，而工件长期在400～700℃温度区间工作，致使其晶间腐蚀敏感性增强，产生微观腐蚀裂纹和焊接裂纹。1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的导热系数为15.2w·m-1·k-1，比普碳钢的48w·m-1·k-179 低得多，若受热与受力不均，容易造成焊口裂缝。其次，由于其导热系数较小，焊接时的局部加热使焊头温度分布不均；热膨胀系数较大，焊接时产生很大的焊接应力，导致在焊接过程中产生一次热裂纹。在焊接应力及其它外部应力作用下，易扩展成为裂缝，造成渗水、漏水。因此，1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢制造和使用中都有可能产生晶间腐蚀。另外，在高温环境中，水的存在进一步加速了金属的腐蚀，造成漏水孔洞和裂纹出现。经实践观察，漏水部位多在焊缝周围，由于裂纹纵横交错，给不锈钢焊接补漏工作带来很大不便，甚至无法进行焊接补漏，且焊缝越多产生渗漏的几率越高。此外，不锈钢水套还存在如下缺点：不锈钢价格昂贵，是普通板材的5～7倍；加工制作困难，在制作过程中两套接头处弧度不易控制，加工焊接后的水套椭圆度较大；加工制做后的工件因体积过大不易进行后处理，特别是对渗漏严重部位局部更换后的焊缝等更无法进行处理，不锈钢在前述温度下长期工作，不可避免地会产生晶间腐蚀；奥氏体不锈钢热膨胀系数比普钢高30％左右，因维修或事故等原因造成的热胀冷缩产生的应力很大；维修需专用工具，在生产中维修补焊工艺复杂，难度极大。（3）冷却水结垢冷却系统主要使用工业水作为冷却介质。由于工业水只是经过了沉淀和过滤等简单处理，其含有的钙镁离子的重碳酸盐和杂质等不稳定因素使得工业水在使用的过程中容易随温度的变化而产生水垢。水垢的导热系数不超过1.16W·m-1·K-1，水垢的存在就相当于在冷却水和水套之间增加了一绝热层，并且水垢和水套间的接触间隙也可能产生热阻，厚度为1mm的水垢就可以使温度升高达100℃以上。因此，水垢的产生会使热交换效率大大降低，严重时还会造成设备破损。79 5.5电极把持器的选择5.5.1本工程电极把持器的选择基于以上电极把持器之优缺点，对于本次25500kV·A镍铁矿热炉工程，在设备建设投产初期（1-2年）采用新型的压力环把持器，并且使用石墨电极。等到所有的生产设备调试运行正常，同时生产操作人员对设备都能控制自如的时候，从节约生产成本出发，可以考虑将压力环把持器更换为组合把持器。5.5.2新型压力环把持器的结构设计在把持器设计中，定位、隔磁、导向和密封等方面是重点考虑的对象，它们效果的好坏将直接影响到设计的成败，其中的关键是把持器夹紧铜瓦施力方式。新型的压力环把持器就是针对锥形环把持器使用中出现的种种问题而提出并实践的，它改变了传统的锥形环施力方式，由轴向施力改为径向施力。新型把持器的结构设计主要包括两个部分：大套、小套和夹紧环，其结构如图5-7所示。1-电极2-铜瓦3-吊杆4-活动小套5-压力环6-大套7-密封结构图5-7新型把持器结构示意图79 5.5.2.1把持器水冷套的设计目前，矿热炉电极把持器中水冷套大致有两种结构，一种是固定大套式，另一种式活动大套式。固定大套这种结构具有安全、绝缘和可靠的特点。不足之处在于：在电极抬出料面过高的情况下，铜瓦以下的电极工作端散发出大量的辐射热被大套罩住，这时大套内水温约40～60℃极易形成水垢，若经常出现这种状况，则会使大套出现受热不均而焊缝开裂漏水。同理，当料面过高，刺火翻渣时，也导致大套开裂漏水，并且由于固定大套的下部长期在炉内工作，距料面太近，容易烧损。此外电极硬断后较长的断头也不容易从炉内拉出。活动大套在炉盖预留孔中上、下移动，期间隙用特制耐火砖来填充情，以保证炉盖与水套的绝缘和密封，且活动大套与锥形环结构紧凑，能有效减少铜瓦直接暴露面积，以更好的保护铜瓦，而且由于活动大套容易吊出，维修也比较方便。这种把持器结构紧凑，但其缺点是活动水套与炉盖间的绝缘、密封和导向不够可靠。本设计吸收了以往两种结构优点，采取固定大套与活动小套相结合的水冷套结构。5.5.2.2水冷大套的结构设计采用固定大套，由不锈钢焊制的大套由外表面顶部焊接的五块筋板固定在矮烟罩上，与烟罩顶密封和绝缘。减小了大套的高度，增加了料面到固定大套的距离，使其尽可能远离高温区。由对称的两块隔板将大套分为两个半环，两个半环焊接为整体，并在水套内加入多层隔板，保证了水循环冷却效果。在水套下缘增加了强制水冷圈，加强了水套端部冷却效果，使抗烧损能力大大加强，并在大套和小套之间设计了特殊的密封结构，严格杜绝了烟气的上漫，而且对小套有良好的定位和导向作用。79 大套内部的水路设计如图5-8所示，水路不锈钢板隔成七层，且层高从上到下依次减小，这是为了让冷却水在大套底部（温度高）水流速度最快，以达到良好的冷却效果。在进口处有一个纵向隔板，使冷却水直接进入温度最高的底层，再沿水路逆流向上。这种逆流冷却方式，能够使冷却水在温度较低的情况下进入大套温度高的地方，从而使大套壁温趋于接近，减小热应力导致的损坏。图5-8冷却水路图5.5.2.3水冷活动小套的结构设计采用活动水冷小套，小套由4个1/4水冷环体组成，其目的是便于铜瓦拆换和检修时，环体可方便卸下，环体之间由销子联接。水路设计上采用两个1/4环体串联，即整个小套形成两个独立水路。在小套内壁与电极及铜瓦等部件之间的空隙充填了严密的硅酸铝耐火纤维，起到了很好的隔热和密封作用，使在高温恶劣环境下工作的电极和导电铜瓦免遭电弧、火焰的直接热辐射作用。小套内部的水路设计如图5-9所示，水路不锈钢板隔成五层，其设计理念与大套相同。79 图5-9冷却水路图5.5.2.4新型压力环的结构设计矿热炉压力环主要由内环板、外环板、上环板、下环板构成环体，环体的直径一般根据电极的尺寸确定，为使压力环能夹紧电极，压力环的内径必须适合电极的直径。压力环由两个半环焊接成整环，采用液压油缸与螺栓组合式，其结构如图5-10所示。一个半环中的三块或四块铜瓦由各自的液压缸装置压紧，另一个半环中的三块或四块铜瓦仍由螺栓顶紧固定。压力环中每个液压径向顶紧装置由连接油泵的液压缸和带有钢质顶头的活塞组成，其工作原理是当油泵加压时，油压压紧活塞使顶头顶紧铜瓦；当系统卸压时，则铜瓦被松开。因为铜瓦是对称安放的，并且每块铜瓦对应各自的压紧装置，所以每个铜瓦的受力比较平均，不易打弧，可大大提高铜瓦使用寿命。冷却水包围着输油管，对油管起冷却保护作用；两个半环独立的冷却水路设计保证了较好的冷却效果。79 1-油缸2-螺栓3-吊耳图5-10压力环结构示意图（1）油缸的设计压力环中的油缸是非标设备，而油缸是整个压力环压紧装置的施力部分，所以，油缸设计就显得很重要，设计的好坏将直接影响到压力环能否正常工作。油缸主要由缸盖、缸筒、顶头、活塞等组成。以顶头来直接顶紧铜瓦，79 其与活塞之间是活动连接。由油缸螺母旋紧顶紧缸盖，确保油缸不会因压力过大而从后面涨开。当液压系统加压时，高压的液压油进入油缸，把活塞向前推动，活塞推动顶头顶紧铜瓦，达到了夹紧的目的，可实现电极的自动下放。压力环工作状态时，油缸处于冷却水包围中，可以避免油缸因温度过高出现故障。在压力环外环板安装了排气阀，用于故障时辅助卸油或排气。（2）油缸的密封本系统的油缸虽然是在被冷却水包围的条件下工作的，但是在工作状态下，缸内压力很高，所以油缸的密封设计显得十分重要。油缸的活塞设计成中间带有两道密封，密封圈的材料采用O形橡胶密封圈GB/T3452.3-1998，其中末端采用YX形密封圈JB/ZQ4264-1997，这种密封圈的截面形状成V形。在这种结构中，一定压力下油会使密封圈的边缘涨开而贴紧缸筒，起到密封作用，油压越高，密封能力越强，并能自动补偿磨损，从而达到较好的密封效果。V密封的结构如图5-11所示。图5-11YX密封示意图图5-12金属密封示意图为防止冷却水的流出，油缸尾部端盖法兰必须设计密封装置。由于长期处于高温辐射（刺火、翻渣等）热流冲击，导致这里不能被完全冷却，因此较适宜采取耐高温密封结构和密封材料，彻底解决早期密封结构出现频繁漏水的问题。密封结构如图5-12所示。（3）螺栓顶紧装置的设计由于压力环是一个易损易耗件，降低压力环的造价对使用厂家极为有利。79 螺栓顶紧装置是压力环的另外一个主要部件，结构如图5-13所示。它与油缸对称安装，顶紧装置是固定在压力环环体上，当液压系统加压，对应的顶紧装置也给压力环与油缸同样大小的反作用夹紧力，就可以用替代一半数量的油缸，达到更加经济的目的。顶紧装置主要由套筒、前板、螺母座、顶紧螺栓、后座等组成。套筒焊接在压力环上，用来定位整个顶紧装置。螺母座设计了两个与螺母凸凹相对的卡槽，以防止螺母移动或转动。螺母卡稳后，将顶紧螺栓旋入螺母中，其前端是顶紧块，顶紧块的一部分伸出套筒，用来顶紧铜瓦。顶紧块的位置是固定的，它并不随着压放电极而变化，即顶紧块的位置始终是处于顶紧铜瓦的最大位移处。1—套筒2—前板3—螺母座4—后法兰5—后座6—顶紧螺栓7—顶紧螺母8—定位销图5-13顶紧螺栓结构图5.5.2.5其它部分结构设计在压力环顶部设计了一个环形定位钢围板，它是由不锈钢板焊制的构件，其外径比活动小套的内径稍小，其作用是防止小套在径向上产生位移。此外，将大小套及压力环的材质由锅炉钢改为不锈钢，提高了隔磁能力，且大小套环体内构成冷却水循环水道的一组隔板采用T型焊连接，提高了焊连接强度，可有效延长套体寿命。79 6镍铁电炉炉体长寿关键技术选择6.1矿热炉炉体本项目大型镍铁矿热炉炉型为圆形密闭式结构，炉身为固定式。矿热炉炉体由砖砌体、钢结构（骨架、炉壳或围板）及基础墩组成。由于矿热炉炉底温度较高，为保护炉底一般都采用架空结构。矿热炉的钢结构处在强大的磁场周围工作，凡是可能形成闭合回路的地方，都应用防磁材料断开磁路。例如，拉杆活接头采用防磁材料料制成。炉体钢结构要有足够的强度，以承受炉体的自重和熔体自重，以及炉体的膨胀力，为了减小膨胀力，骨架应具有一定的弹性，可以平衡部分膨胀量。炉壳一般采用20mm厚的钢板焊接而成，炉壳外表面水平和竖直方向都焊接围板，既起到增加炉壳强度，又起到增加炉壳散热面积的作用。炉壳必须严密，不能让空气进入砌体氧化砖衬。在铁口和渣口周围都补焊20mm厚的钢板，以增加结构强度。冶炼红土矿或铜镍精矿的矿热炉内衬，一般在渣线以下采用镁质耐火材料，炉顶、渣线以上采用粘土质耐火材料。25500kV·A镍铁矿热炉所用耐火材料总重量预计为2100t。目前国内外矿热炉筑炉材料使用情况见表6-1所示。6.2矿热炉炉底矿热炉炉底的寿命是矿热炉长寿的限制性环节之一，在矿热炉生产中如果全部内衬保持在低温状态，就能够减缓或防止侵蚀，延长炉底的使用寿命。矿热炉本体耐火材料内衬设计方案如图6-1所示。79 表6-1国内外矿热炉炉衬使用情况名称炉顶炉墙渣线下部炉底备注材料厚度/mm侧墙锍口端墙放渣口端墙材料厚度/mm材料厚度/mm材料厚度/mm材料厚度/mm30000kV·A铜精矿电炉粘土砖300镁砖粘土砖690113镁砖粘土砖920113镁砖粘土砖920113镁砖760炉墙渣线采用水冷粘土砖230耐热混凝土9516500kV·A镍精矿电炉耐火浇注料300镁砖粘土砖690113镁砖粘土砖692348镁砖粘土砖692348镁砖粘土砖76054012500kV·A镍精矿电炉粘土砖300镁砖粘土砖690113镁砖粘土砖920113镁砖粘土砖920113镁砖粘土砖760500炉墙渣线采用水冷6300kV·A贫化电炉耐火浇注料400镁砖600镁砖600镁砖600镁砖粘土砖760735炉墙渣线以下采用铜砖水套冷却俄罗斯北方镍公司30000kV·A铜镍矿电炉粘土砖300镁砖690镁砖1215镁砖920镁砖耐火浇注料920炉墙渣线以下采用水冷彼阡克31500kV·A铜镍矿电炉粘土砖300铬镁砖920铬镁砖1150铬镁砖1150铬镁砖耐火浇注料1170诺林公司45000kV·A铜镍精矿电炉粘土砖300铬镁砖1040铬镁砖1150铬镁砖1040铬镁砖粘土砖耐火浇注料1310加拿大汤姆逊18000kV·A铜精矿电炉粘土砖450镁砖镁砖1180镁砖1260镁砂打结106079 79 1-镁砖；2-镁铬砖；3-微孔碳砖；4-碳素捣打料；5-镁砂；6-钢板；7-镁碳砖；8-石墨质碳砖；9-碳化硅质自流浇注料；10-高铝质浇注料；11-镁铬质浇注料；12-砌筑泥浆；13-碳素胶泥；14-粘土保护砖；15-膨胀垫图6-1矿热炉本体耐火材料内衬设计方案79 炉底的耐火材料内衬采用工作层和导热性永久层型式的内衬。炉底下部的永久层由高度为261mm的高铝质浇注料、高度为121mm的碳化硅质自流浇注料和高度300mm的A层石墨碳砖与高度600mm的B层镁碳砖构成。A层石墨质碳砖与炉底钢板之间设置有冷拔无缝钢管、工字钢组成的炉底冷却装置。为有利于炉底砖衬的寿命，将熔融金属的侵蚀程度控制在合理的位置，设计方案中同时提出了在炉底钢板和炉底A层石墨砖之间设置炉底冷却装置的方案。炉底冷却装置包括：冷拔无缝钢管、工字钢和扁钢网。工艺技术参数为：冷却水管：Φ65×5.5mm，共52根水管，两两串联为26条冷却回路，管内水流速1.2～1.6m/s；水管间距：300mm；冷却水量：380m3/h；供水压力：0.3~0.4MPa（地面接点）；进出水温升高~2℃；水质：软水或工业清水。炉底上部的工作层由一层高度为600mm的C层镁铝砖、一层高度为800mm的D层镁铬砖构成。在工作层和永久层之间设置有不锈钢板与电熔镁砂组成的滑移隔层，以消除烘炉和冶炼过程中工作层砖衬受热微量位移时对下部永久层施加的影响，同时也有利于工作层修理或者重砌。炉底的A层石墨碳砖采用1500mm×400mm×300mm的大块碳砖砌筑，B、C、D层均采用具有双向错台外形特征的特异型大块砖砌筑，以获得持续的稳定、密封效果。炉底C、D层工作层的外周砌筑具有较好导热性和微孔特征的小块微孔碳砖，小块微孔碳砖顶紧外侧的立式冷却水套砌筑，小块微孔碳砖与镁铬砖之间设60~80mm宽度的填料缝，缝中填充高性能碳素捣打料。在烘炉和开炉装料时，为了尽可能地降低这些操作对工作层的负面影响，设计在炉底和侧壁根部设置了标普型粘土砖砌筑的保护层。79 6.3矿热炉炉墙结构炉子侧壁仍然采用永久层和工作层的砌体结构方式。侧壁中下部的反应区、熔池区的工作层由具有凹凸镶嵌形状的镁铬大块制品构成，侧壁上部砌筑标普型镁砖。工作层镁铬砖与立式冷却水套之间，顶紧冷却水套砌筑小块微孔碳砖。小块微孔碳砖与镁铬砖设60mm宽度的填料缝，缝中填充高性能碳素捣打料。6.4各层砖衬理化性能6.4.1镁铬砖以氧化镁(MgO)和三氧化二铬（Cr2O3）为主要成分，方镁石和尖晶石为主要矿物组分的耐火材料制品。这类砖耐火度高，高温强度大，抗碱性渣侵蚀性强，热稳定性优良，对酸性渣也有一定的适应性。镁铬砖主要用于冶金工业，如构筑平炉炉顶、电炉炉顶、炉外精炼炉以及各种有色金属冶炼炉。超高功率电炉炉壁的高温部位采用熔铸镁铬砖，炉外精炼炉高侵蚀区采用合成料制成的镁铬砖，有色金属闪速熔炼炉高侵蚀区采用熔铸镁铬砖、合成料制成的镁铬砖。镁铬砖理化性能指标见表6-2。表6-2镁铬砖理化性能指标项目MGe-20MGe-16MGe-12MGe-8化学成分（%）MgO，不小于40456660Cr2O3，不小于20161280.2MPa荷重软化温度（开始点℃）不低于1550155015501530显气孔率（%），不大于23232324常温耐压强度（MPa），不小于24.524.524.524.56.4.2镁铝砖79 用镁砂和少量工业氧化铝或矾土为原料烧制而成的一种碱性耐火材料。热稳定性比镁砖好，耐火度在1580℃以上，能耐碱性熔渣的侵蚀。制品中氧化镁含量为85%左右，氧化铝含量为5%～10%，以方镁石为主晶相、镁铝尖晶石为次晶相（作为主要结合相）的碱性耐火材料，显气孔率一般为15～18%，热膨胀系数为10.6×10-6/℃，抗热震性比相应的镁砖好。由于基质中分布有熔点较高的镁铝尖晶石，其高温强度较高，荷重软化开始温度在1580℃以上。抗渣性也较好。一般以优质烧结镁砂为粒状料，加入按一定比例配合的镁砂同生矾土或轻烧矾土熟料或工业氧化铝组成的细粉，经混炼、成型和烧成而制得。主要用于炼钢平炉和电炉的炉顶、高温隧道窑、大型水泥回转窑和有色金属冶炼炉等。镁铝砖理化性能指标见表6-3。表6-3镁铝砖理化性能指标项目ML-80AML-80BMgO（%），不小于8080Al2O3（%）5～105～100.2MPa荷重软化温度（开始点℃）不低于16001580显气孔率（%），不大于1820常温耐压强度（MPa），不小于39.229.4热震稳定性（次），不小于336.4.3镁碳砖以氧化镁和碳为主要成分的耐火材料，含氧化镁60%～90%，碳10%～40%，由于碳的存在，使镁碳砖具有优良的抗渣侵蚀性、熔渣渗透性；导热性好，热膨胀率低，弹性模量小因而具有良好的耐热剥落性，高温蠕变率低，有良好的高温结构稳定性。抗氧化性能比碳素制品好。79 　　采用高纯镁砂粉粒、碳素材料（包括石墨）和焦油沥青或树脂等为原料，经配料、热混、成型后，再经300℃左右或1000℃以上焙烧而成。为抑制砖中的碳的氧化，常添加铝、硅、镁等金属或氮化硼，加入量不超过5%。主要用于炼钢氧化转炉的炉衬、出钢口，高功率电炉炉墙热点部位，以及炉外精炼炉内衬、盛钢桶渣线部位等。镁碳砖理化性能指标见表6-4。表6-4镁碳砖理化性能指标项目MT-10AMT-10BMT-10CMT-14AMT-14BMT-14CMT-18AMT-18BMT-18CMgO（%），不小于807876767474727270C（%），不小于101010141414181818体积密度（g/cm3），不小于2.902.852.802.902.822.772.902.822.77显气孔率（%），不大于456456345常温耐压强度（MPa），不小于403530403525403525高温抗折强度（1400℃，0.5h）（MPa），不小于6541410512756.4.3石墨碳砖采用优质低灰份高温电煅烧无烟煤、石墨为主要原材料，掺入超细粉添加剂，煤系油类为粘结剂，模压成型、高温烧成、精磨加工的炭块制品，做为高炉采用复合炉衬技术砌筑炉底时，主要用于冷却装置上部的导热砌体或炉底、炉缸炭质炉衬砌体。石墨碳砖理化性能指标见表6-5。79 表6-5石墨碳砖理化性能指标项目ML-80A真密度（g/cm3），不小于1.9体积密度（g/cm3），不小于1.50真气孔率（%），不大于22耐压强度（MPa），不小于30抗折强度（MPa），不小于7.8灰分（%），不大于10耐碱性C级6.5炉底镍铁水凝固等温线位置6.5.1稳定态平壁导热量的计算根据傅立叶导热微分公式（W）的解可得到平壁导热量的计算公式：………………………………（1）式中—平壁内侧表面温度，℃；—平壁外侧表面温度，℃；S—平壁厚度，m；—导热系数，W∕(m·℃)；—传热面积，m2令（℃∕W）称为热阻，从公式（1）可知，热阻与壁厚成正比，与热导系数和传热面积成反比。79 导热系数表示了物体导热能力的大小，其数值取决于物体的种类，成分，结构和温度。一般而言，气体的导热系数最小，固体的导热系数比较大，其中有以金属的导热系数为最大。物体的导热系数可根据试验测定，一般情况下可先测定某物体在0℃时的导热系数，然后再测定不同温度下的导热系数。工程计算中，为方便起见，可把一定范围内的导热系数与温度的关系近似的表示成如式（2）所示的直线的关系：………………………………………（2）式中：，—分别为℃与℃时的导热系数，W∕(m·℃)；—试验常数；—物体的温度，℃。但是在实际计算中，导热系数是取物体平均温度下的数值，即………………………………（3）式中：—物体的平均温度，℃，℃。对于多层平壁导热量由单层平壁导热量计算公式推导可得：…………………………（4）式中，—平壁内外表面温度，℃；，……—各层壁厚，m；，……—各层壁的平均导热系数，W∕(m·℃)；—传热面积，m2；……………………（5）即多层平壁导热的热阻为各层热阻之和。79 利用式（5）计算多层平壁得到热量，要确定各层壁的平均导热系数，因而要求知道各接触面的温度。一般采用反复假设试算逼近法（迭代法）进行计算。6.5.2炉底镍铁水凝固线位置确定镍铁水温度1500℃。所以根据以往经验假设镁铬砖顶部的温度为℃。此矿热炉设计要求炉底碳化硅质自流浇注料层上表面的温度为℃，这两个温度为两个确定不变的数值。假设炉底各层耐火砖的厚度分别为，，，各层接触面的温度相同。要确定矿热炉炉底镍铁水凝固线位置。现设计的矿热炉炉底砖型如图6-2为：79 图6-２矿热炉炉底耐火材料内衬设计图从最底层算起，第一层为石墨质碳砖，高300mm。传热系数为；第二层砖为镁碳砖，高600mm，传热系数为；第三层600mm镁铝砖，高600mm，传热系数为；四层为镁铬砖双向错台砌筑，高800mm，传热系数为。先假设第四层镁铬砖底部的温度为t1=645.15℃，由公式（3）便可求出：故假设各层均为稳定传热，各层的传热量相等。那么炉底各砖冷热面温度如表6-6所示。表6-6炉底各砖冷热面温度表t0/℃t1/℃t2/℃t3/℃t4/℃1500645.15373.78113.3090镍铁水碳含量比高炉生铁低，且含镍10%左右，使得其凝固温度79 比高炉生铁的凝固温度1150℃略高，约为1220℃。由表6-6可以看出，炉底1220℃铁水凝固等温线位于第四层砖（即最上层镁铬砖），上表面以下：6.6该技术方案的特点本技术方案的特点主要在于：工作层采用了具有较好使用性能的镁铬砖，在内衬的结构区域，配合炉底冷却装置、立式冷却水套等工艺设施，设置了具有一定导热性的永久层砖衬。同时，工作层和永久层砖衬的单砖采用了具有错台特征的双向错台与密封带的大块制品，使得内衬具备了持续的稳定、密封功能。鉴于设计方案中采用了优质耐材和具有明显有益效果的砌体结构，预计本电炉投产后可获得较长的使用寿命。79 7镍铁电炉物料与能量平衡分析镍具有抗腐蚀、耐氧化、机械强度高、延展性好等特点，是不锈钢生产中重要的添加剂，尤其是300系列不锈钢不可缺少的重要原料。近年来不锈钢领域的高速发展，带动了镍铁企业的发展。而镍铁作为镍的替代品，可解决镍资源短缺问题，降低不锈钢的生产成本。随着硫化镍矿资源的不断减少，有效开发利用占世界镍资源总量60%的低品位红土矿具有重要的现实意义。近年来，国内外出现了以红土矿为原料冶炼生成镍铁的火法工艺，并进行了工业规模的生产。为了充分了解回转窑-电炉冶炼-镍铁合金这一工艺吨产品理论电耗、生产成本及节能空间，下面分别对拉兹红土矿（简称红土矿A）和ZHEHAAIS21红土矿（简称红土矿B）进行物料平衡计算、能量平衡计算等相关分析，为工程建设及生产操作提供参考数据。7.1物料平衡计算7.1.1红土矿A7.1.1.1红土矿A焙砂化学成分计算基本原始数据：红土矿A干矿成分，焦炭成分，分别见表7-1和表7-2。表7-1红土矿A干矿的化学成分（%）红土矿主要元素及化合物的百分比含量/%Ni/NiOTFe/Fe2O3/FeOSi/SiO2CaOMg/MgOCo/Co2O3Al/Al2O3Cr/Cr2O3Mn/MnO2.21/2.8122.8/32.26/0.2820.13/43.140.459.96/16.60.06/0.081.93/3.640.18/0.260.37/0.48表7-2焦炭成分（%）CPS挥发分灰分水分800.0250.804.016.08.0红土矿在回转窑中还原焙烧过程有以下理论假设：79 ①红土矿在回转窑中铁氧化物中40%还原成金属Fe、镍氧化物80%还原为金属Ni，而剩余铁、镍元素分别以FeO、NiO形式存在；②加入的焦炭中C全部参与反应，生成CO气体；③还原焙烧温度在1100℃。根据以上假设及表7-1、表7-2数据可计算出100kg红土矿A干矿还原焙烧过程所需焦炭量，计算过程如下：（1）100kg红土矿A干矿中Fe2+、FeO含量（2）100kg红土矿A干矿中Fe3+、Fe2O3量（3）100kg红土矿A干矿中Ni2+、NiO量（4）100kg红土矿A干矿还原焙烧过程所需C含量（5）100kg红土矿A干矿还原焙烧过程所需湿焦炭含量79 式（1）中，-焦炭中固定碳的质量分数（%），即百分含量，下同；-焦炭含水的质量分数（%）。从以上计算可知，以100kg红土矿A干矿为基准于回转窑还原焙烧反应后，其总量为：可根据计算出经1100℃还原焙烧后的红土矿A焙砂，其化学成分的质量及质量分数，如表7-3所示。表7-3红土矿A焙砂名称质量质量分数（%）Ni1.7681.87NiO0.560.59Fe9.129.64Fe2+/FeO13.68/17.5914.45/18.58CaO0.450.48Mg/MgO9.96/16.610.52/17.54Si/SiO220.13/43.1421.27/45.58Mn/MnO0.37/0.480.39/0.51Cr/Cr2O30.18/0.280.19/0.30Al/Al2O31.93/3.642.04/3.85Co/Co2O30.06/0.080.06/0.08灰分0.9461.00合计59.154/94.654100%注：计算误差为（94.654-94.64）/94.654×100%=0.015%7.1.1.2以红土矿A焙砂为原料冶炼镍铁根据表7-3可知红土矿A焙砂主要元素及化合物百分比，见表6-4所示。表7-4红土矿A焙砂化学成分（%）NiNiOFeFeOMg/MgOSi/SiO2Al/Al2O3灰分其他1.870.599.6418.5810.52/17.5421.27/45.582.04/3.851.001.357.1.1.2.1红土矿A焙砂理论耗碳量的计算79 假设红土矿A焙砂中NiO100%还原Ni、FeO50%还原成Fe，SiO22%还原成Si，加入的焦炭全部用于还原氧化物，则耗碳量见表7-5。表7-5100kg红土矿A焙砂耗C量名称反应方程式耗C量/kgNiO0.59/74.7×12=0.09FeO18.58×50%/72×12=1.55SiO2SiO2+2C=Si+0.43/28×2×12=0.36镍铁水中含C量由铁水量求得20.07×3%=0.60合计2.60100kg红土矿A焙砂消耗焦炭量可知冶炼100kg红土矿A焙砂需焦炭量为3.53kg。冶炼1t镍铁所需镍烧结矿量：式（2）中，-红土矿A焙砂中单质铁的质量分数；-红土矿A焙砂中Fe2+的质量分数；还原率Fe2+-设为70%；-镍铁水中铁的质量分数，则：即冶炼1t镍铁水需4.99t红土矿A焙砂。相应的，冶炼1t镍铁水消耗焦炭量M焦=3.53×4.99×10=176.15kg7.1.1.2.2CO生成量计算100kg红土矿A焙砂生成CO量见表7-6。即每100kg红土矿A焙砂会产生167.5molCO，m气=4.69kg。79 表7-6100kg红土矿A焙砂生成CO量名称反应方程式生成CO量/kgNiO0.59/74.7×28=0.22FeO18.58×50%/72×28=3.61SiO2SiO2+2C=Si+0.43/28×2×28=0.86合计4.697.1.1.2.3渣铁比计算以100kg红土矿A焙砂配3.53kg焦炭为基础计算，假设元素分配按表7-7所示。红土矿A焙砂成渣量与成合金量见表7-8所示。表7-7元素分配平衡表元素或成分（%）NiFeSiO2CaOMgOCo2O3Al2O3Cr2O3MnOP入渣率730981001001001001001000入合金率93702000000100其中焦炭灰分为3.53×16%+100×1.0%=1.56kg，主要所含化学成分为：SiO2（69.53%）、Al2O3（28.33%）、MgO（1.50%）、CaO（0.64%）。则：由于冶炼镍铁时，（MgO+CaO）/SiO2=0.55～0.65，考虑到渣的流动性和节能，最佳值取0.6。则以100kg红土矿A焙砂冶炼镍铁时，由于(MgO+CaO)/SiO2=0.39，则需加入的CaO（石灰）量为：45.73×0.21=9.60kg。则冶炼1t镍铁所需添加CaO（石灰）量为：9.60×4.99×10=479.04kg。表7-8红土矿A焙砂成渣量和成合金量名称进入渣中量/kg质量分数/%进入合金量/kg质量分数/%Ni1.87/(1-20%)×7%=0.160.181.87/(1-20%)×93%=2.1710.81FeO/Fe18.58×50%=9.2910.569.64+18.58×50%/72×56=16.8784.05SiO2/Si（45.58+1.08）×98%=45.7351.96(45.58+1.08)×2%/60×28=0.432.14C—20.07×3%=0.63.0CaO0.48%×100+0.01+9.60kg=10.0911.46MgO17.54%×100+0.023=17.5619.95MnO0.51%×100=0.510.58Cr2O30.30%×100=0.300.34Al2O33.85%×100+0.44=4.294.87Co2O30.08%×100=0.080.10合计88.01(2.17+16.87+0.43)/(1-3%)=20.07100渣铁比4.479 物料平衡中未计算P、S的物料平衡，按国内镍铁合金生产产业的生产情况，设定P和S的含量。则冶炼所得镍铁水成分见表7-9。表7-9镍铁水成分（%）名称NiFeSiCP（设定值）S（设定值）镍铁水10.8184.052.1430.045～0.0700.030～0.035根据表7-8可计算出炉渣成分，见表7-10。表7-10炉渣成分名称NiFeOSiO2CaOMgOMnOCr2O3Al2O3Co2O3合计质量分数/%0.1810.5651.9611.4619.950.580.344.870.101007.1.1.2.4配料计算根据以上数据，可知100kg红土矿A焙砂的配料情况，见表7-11。表7-11100kg红土矿A焙砂配料情况表名称红土矿A焙砂焦炭CaO质量/kg1003.539.60则冶炼1t镍铁的配料计算为：①所需红土矿A焙砂②所需红土矿A干矿假设红土矿A干矿-红土矿A焙砂这一过程Ni元素没损失，则冶炼1t镍铁所需红土矿A干矿为：③所需红土矿A湿矿因红土矿A含水为16.9%，则冶炼1t镍铁所需红土矿A湿矿为：冶炼1t镍铁的配料计算见表7-12。79 表7-12冶炼1t镍铁配料情况名称质量/kg红土矿A湿矿/红土矿A干矿/红土矿A焙砂6351/5278/4990焦炭176.15CaO479.047.1.1.2.5炉气成分计算根据表7-6可知100kg红土矿A焙砂冶炼生成镍铁会产生CO167.5mol；根据表7-11可知，100kg红土矿A焙砂冶炼生成镍铁会产生H2O(气)为：3.53×8%=0.2824kg，即15.69mol。由于矿热炉冶炼镍铁按微负压操作，有部分空气进入炉内，假设有15%的空气进入炉内，则有：①冶炼100kg红土矿A焙砂所产炉气量②冶炼1t镍铁所产炉气量（烟气）有③按1台25500kV·A镍铁电炉年工作日为330d，年产量为50000t/a，则每小时所产炉气量有：1台25500kV·A镍铁电炉每小时镍铁的产量为：50000/330/24=6.31t/h79 则每小时所产炉气量：6.31×229.04=1445.24Nm3/h；根据计算①和②可知炉气的成分组成，分别见表7-13。表7-13炉气成分组成名称COCO2H2ON2合计体积分数80.391.317.6310.671007.1.1.2.6物料平衡表编制冶炼100kg红土矿A焙砂生产镍铁水的物料平衡见表7-14。表7-14物料平衡表收入支出项目质量/kg质量分数/%项目质量/kg质量分数/%红土矿焙砂100.088.39镍铁水20.0719.70炉渣88.0176.21焦炭3.533.12挥发分3.53×4%=0.140.12CaO9.608.49炉气(含水分)4.69+3.53×8%=4.973.97113.13100113.19100计算误差为：(113.19-113.13)/113.19×100%=0.05%7.1.2红土矿B7.1.2.1红土矿B焙砂化学成分计算基本原始数据：红土矿B干矿成分，焦炭成分，分别见表7-15和表7-16。表7-15红土矿B干矿的化学成分（%）主要元素及化合物的百分比含量/%Ni/NiOTFe/Fe2O3/FeOSi/SiO2Mg/MgOAl/Al2O3其它2.24/2.8517.0/24.08/0.1814.27/30.5812.53/20.890.28/0.5320.89表7-16焦炭成分（%）CPS挥发分灰分水分800.0250.804.016.08.0红土矿在回转窑中还原焙烧过程有以下理论假设：①红土矿在回转窑中铁氧化物中40%还原成金属Fe、镍氧化物80%还原为金属Ni，而剩余铁、镍元素分别以FeO、NiO形式存在；②加入的焦炭中C全部参与反应，生成CO气体；③还原焙烧温度在1100℃。79 根据以上假设及表7-15、表7-16数据可计算出100kg红土矿B干矿还原焙烧过程所需焦炭量，计算过程如下：（1）100kg红土矿B干矿中Fe2+、FeO含量（2）100kg红土矿B干矿中Fe3+、Fe2O3含量（3）100kg红土矿B干矿中Ni2+、NiO含量（4）100kg红土矿B干矿还原焙烧过程所需C含量（5）100kg红土矿B干矿还原焙烧过程所需湿焦炭含量式（1）中，79 —焦炭中固定碳的质量分数（%），即百分含量，下同；-焦炭含水的质量分数（%）。从以上计算可知，以100kg红土矿B干矿为基准于回转窑还原焙烧反应后，其总量为：可根据计算出经1100℃还原焙烧后的红土矿B焙砂，其化学成分的质量及质量分数，如表7-17所示。表7-17红土矿B焙砂名称质量质量分数（%）Ni1.7921.87NiO0.570.59Fe6.87.09Fe2+/FeO10.2/13.1110.63/13.66Mg/MgO12.53/20.8913.06/21.77Si/SiO214.27/30.5814.87/31.87Al/Al2O30.28/0.530.29/0.55其他20.8921.77灰分0.7890.82合计68.121/95.951100%注：计算误差为(95.951-95.88)/95.951×100%=0.074%7.1.2.2以红土矿B焙砂为原料冶炼镍铁根据表7-17可知红土矿B焙砂主要元素及化合物百分比，见表7-18所示。表7-18红土矿B焙砂化学成分（%）NiNiOFeFeOMg/MgOSi/SiO2Al/Al2O3灰分其他1.870.597.0913.6613.06/21.7714.87/31.870.29/0.550.8221.777.1.2.2.1红土矿B焙砂理论耗碳量的计算假设红土矿B焙砂中NiO100%还原Ni、FeO50%还原成Fe，SiO22%还原成Si，加入的焦炭全部用于还原氧化物，则耗碳量见表7-19。表7-19100kg红土矿B焙砂耗C量名称反应方程式耗C量/kgNiO0.59/74.7×12=0.09FeO13.66×50%/72×12=1.14SiO2SiO2+2C=Si+0.3/28×2×12=0.26镍铁水中含C量由铁水量求得15.32×3%=0.4679 合计1.95100kg红土矿B焙砂消耗焦炭量可知冶炼100kg红土矿B焙砂需焦炭量为2.65kg。冶炼1t镍铁所需镍烧结矿量：式（2）中，—红土矿B焙砂中单质铁的质量分数；—红土矿B焙砂中Fe2+的质量分数；还原率Fe2+—设为70%；—镍铁水中铁的质量分数，则：即冶炼1t镍铁水需6.52t红土矿B焙砂。相应的，冶炼1t镍铁水消耗焦炭量M焦=6.52×2.65×10=172.78kg7.1.2.2.2CO生成量计算冶炼100kg红土矿B焙砂生成CO量见表7-20。即每100kg红土矿B焙砂会产生124.29molCO(g)，mCO=3.48kg。表7-20100kg红土矿B焙砂生成CO量名称反应方程式生成CO量/kgNiO0.59/74.7×28=0.22FeO13.66×50%/72×28=2.66SiO2SiO2+2C=Si+0.30/28×2×28=0.60合计3.487.1.2.2.3渣铁比计算以100kg红土矿B焙砂配2.64kg焦炭为基础计算，假设元素分配按表7-21所示。红土矿B焙砂成渣量与成合金量见表7-22所示。79 表7-21元素分配平衡表元素或成分（%）NiFeSiO2CaOMgOAl2O3P其它入渣率73098100100100100入合金率937020001000其中焦炭灰分为2.65×16%+100×0.82%=1.24kg，主要所含化学成分为：SiO2（69.53%）、Al2O3（28.33%）、MgO（1.50%）、CaO（0.64%）。则：由于冶炼镍铁时，考虑到渣的流动性和节能，（MgO+CaO）/SiO2=0.55～0.65，而以100kg红土矿B焙砂冶炼镍铁时，由于（MgO+CaO）/SiO2=0.70，则达到冶炼所需要求。表7-22红土矿B焙砂成渣量和成合金量名称进入渣中量/kg质量分数/%进入合金量/kg质量分数/%Ni1.87/(1-20%)×7%=0.160.191.87/(1-20%)×93%=2.1714.15FeO/Fe13.66×50%=6.838.177.09+13.66×50%/72×56=12.4080.89SiO2/Si(31.87+0.86)×98%=32.0838.40(31.87+0.86)×2%/60×28=0.301.96C—15.33×3%=0.463.00MgO21.77%×100+0.02=21.7926.08CaO0.01Al2O30.55%×100+0.35=0.901.08其它21.78%×100=21.7826.08合计83.55100(2.17+12.40+0.30)/(1-3%)=15.33100渣铁比5.5物料平衡中未计算P、S的物料平衡，按国内镍铁合金生产产业的生产情况，设定P和S的含量。则冶炼所得镍铁水成分见表7-23。表7-23镍铁水成分（%）名称NiFeSiCP（设定值）S（设定值）镍铁水14.1580.891.9630.045～0.0700.030～0.035根据表7-8可计算出炉渣成分，见表7-24。表7-24炉渣成分名称NiFeOSiO2MgOAl2O3其它合计质量分数/%0.198.1738.4026.081.0826.081007.1.2.2.4配料计算79 根据以上数据，可知100kg红土矿B焙砂的配料情况，见表7-25。表7-25100kg红土矿B焙砂配料情况表名称红土矿B焙砂焦炭质量/kg1002.65则冶炼1t镍铁的配料计算为：①所需红土矿B焙砂②所需红土矿B干矿假设红土矿B干矿—红土矿B焙砂这一过程Ni元素没损失，则冶炼1t镍铁所需红土矿B干矿为：③所需红土矿B湿矿因红土矿B含水为17.0%，则冶炼1t镍铁所需红土矿B湿矿为：因冶炼1t镍铁需6.52t红土矿B焙砂，则冶炼1t镍铁的配料计算见表7-26。表7-26冶炼1t镍铁配料情况名称质量/kg红土矿B湿矿/红土矿B干矿/红土矿B焙砂8197/6804/6520焦炭172.787.1.2.2.5炉气成分计算根据表7-20可知100kg红土矿B焙砂冶炼生成镍铁会产生CO124.29mol；根据表6-25可知，100kg红土矿B焙砂冶炼生成镍铁会产生H2O（气）为：2.65×8%=0.212kg，即11.78mol。由于矿热炉冶炼镍铁按微负压操作，有空气进入炉内，假设有15%的空气进入炉内，则有：①冶炼100kg红土矿B焙砂所产炉气量79 ②冶炼1t镍铁所产炉气量③按1台25500kV·A镍铁电炉年工作日为330d，年产量为50000t/a，则每小时所产炉气量有：1台25500kV·A镍铁电炉每小时镍铁的产量为:50000/330/24=6.31t/h则每小时所产炉气量：6.31×221.68=1398.80Nm3/h；根据计算①和②可知炉气的成分组成，分别见表7-27。表7-27炉气成分组成名称COCO2H2ON2合计体积分数80.291.477.6510.591007.1.2.2.6物料平衡表编制冶炼100kg红土矿B焙砂生产镍铁水的物料平衡见表7-28。表7-28物料平衡表收入支出项目质量/kg质量分数/%项目质量/kg质量分数/%红土矿焙砂100.097.42镍铁水15.3314.93炉渣83.5581.37焦炭2.652.58挥发分2.65×4%=0.110.11炉气（含水分）3.48+2.65×8%=3.693.59102.65102.6810079 计算误差为：(102.68-102.65)/102.68×100%=0.03%7.2热平衡计算根据盖斯定律，把矿热炉冶炼镍铁合金的过程作为绝热过程考虑，并作以下假设：①所以得反应物和生成物均按纯物质考虑；②首先在25℃进行还原反应，生成纯Ni、Fe、Si等，铁水在熔点温度下溶解，然后升温到1500℃；③各氧化物100%直接还原，还原耗碳由焦炭提供；④焦炭焓变按纯焦炭计算；⑤焦炭及烧结矿中的灰分、水分及挥发分忽略不计；⑥熔解热按Ni、Fe、Si溶解计算。矿热炉冶炼过程是电热过程，可认为所用的能量均由电能提供，焦炭只作为加热体和还原剂。电能提供的能量一部分用于加热炉料，另一部分用于直接还原的吸热。炉料在25℃时发生反应，反应热效应为ΔH1，所有反应产物和未反应物从25℃升温升温到1500℃，其热效应为ΔH2，则ΔH=ΔH1+ΔH2。如图7-1所示。图7-1镍铁合金理论电耗计算示意图79 其中，需考虑热损失（炉壁等）和把持器、炉盖、炉底等冷却水，炉底、砖层带走热。计算所需原始数据有：原料及产物温度、反应热效应、主要元素和化合物的热力学数据等，见表7-29和表7-30。表7-29原料及产物温度/℃入炉物料产物红土矿A焙砂焦炭石灰镍铁水炉渣炉气252525150015001500表7-30溶入铁中的元素对铁熔点的降低值元素含1%时使铁熔点的降低值/℃元素含1%时使铁熔点的降低值/℃Ni2.9P28C90S40Si6.2假设矿热炉为绝热体系，热平衡项目有：①热支出元素还原热、镍铁水物理热、炉渣物理热、炉气物理热、炉盖冷却水所带走的热量；②热收入电能、成渣反应放热、金属元素熔解热;热平衡的计算过程如下（以100kg红土矿A焙砂为基础进行计算）。7.2.1计算热支出QZ7.2.1.1元素还原热QH各元素还原消耗热及总量见表7-31。表7-31元素还原消耗热量组元化学反应ΔHΘ298/（kJ/mol）Q/kJNiO138.080.59×1000/74.7×138.08=1090.6FeO161.5218.58×50%×1000/72×161.5=20840.6SiO2SiO2+2C=Si+654.932.14%×20.07×1000/28×654.93=10046.1合计31977.37.2.1.2镍铁水物理热Q根据镍铁水化学成分及表7-30，可计算镍铁水的熔点T0。℃设镍铁水熔点为1220℃，则Ni、Fe、Si等元素在1220℃熔化。79 镍铁水中主要成分为Ni、Fe、Si，被还原的Ni、Fe、Si元素从25℃上升到1500℃时所需热量即镍铁水物理热Qt。计算公式：（3）式（3）中，为不同温度段的摩尔热容，为相变热，为熔化热，其中1cal=4.184J，则计算过程如下：①Ni元素升温热②Fe元素升温热③Si元素升温热④C元素升温热则镍铁水的物理热见表7-32。表7-32镍铁水物理热元素（kJ/mol）Q（kJ）Ni67.21.87/（1-20%）×93%×1000/58.7×67.2=2488.66Fe72.9（9.64+18.58/72×56×50%）×1000/56×72.9=21955.34Si88.22.14%×20.07×1000/28×88.2=1352.92C29.80.6×1000/12×29.8=1490合计27286.927.2.1.3炉渣物理热QZ79 ①FeO升温热②SiO2升温热③CaO升温热④MgO升温热⑤MnO升温热⑥Cr2O3升温热⑦Al2O3升温热炉渣中各物质摩尔热及总量见表7-33。79 表7-33炉渣中各物质摩尔热及总量成分Q’（kJ/mol）Q（kJ）Ni67.21.87/（1-20%）×7%×1000/58.7×67.2=187.32FeO84.618.58×50%×1000/72×84.6=10915.75SiO2100.651.90%×88.01×1000/60×100.6=76585.42CaO77.111.46%×88.01×1000/56×77.1=13891.77MgO72.219.95%×88.01×1000/40×72.2=31692.18MnO79.90.51×1000/71×79.9=573.93Cr2O3185.80.30×1000/68×185.8=819.70Al2O3178.94.87%×88.01×1000/102×178.9=7517.46合计142183.537.2.1.4炉气物理热QCO①CO升温热②CO2升温热③H2O升温热④N2升温热炉气中各物质摩尔热及总量见表7-34。表7-34炉气中各物质摩尔热及总量成分Q’（kJ/mol）Q（kJ）CO48.00（167.14-5.80/2）×48.00=7883.52CO281.295.80/2×81.29=235.74H2O60.7015.69×60.70=952.38N247.6821.43×47.68=1021.78合计10093.427.2.1.5把持器、炉盖、炉底冷却水所带走的热QD79 经手册查询，25500kV·A矿热炉电炉把持器和炉盖总用水量为240m3/h，其中把持器用水占60%，即144m3/h，进出口温度分别35℃和40℃；炉盖用水占40%，即96m3/h，进出口温度分别35℃和40℃。炉底冷却水用量为380m3/h，进出口温度分别为33℃和35℃按1台25500kV·A镍铁电炉年工作日为330d，年产量为50000t/a。1台25500kV·A镍铁电炉每小时镍铁的产量为6.31t/h。则以100kg红土矿A焙砂为基准，冷却水带走热为：①把持器冷却水带走热。②炉盖冷却水带走热③炉底冷却水带走热故把持器、炉盖、炉底冷却水带走总热为：9654.11+6436.78+10150.56=26241.45kJ。7.2.1.6炉底砖层带走热根据25500kV·A镍铁矿热炉的设计，炉底砖层面积为216.31m279 ，且冶炼1t镍铁时，炉底砖热负荷为1834.222W/m2，则炉底砖带走热为：7.2.2计算热收入QS7.2.2.1成渣反应放热炉渣中碱性氧化物和酸性氧化物反应放热，反应按CaO与SiO2反应，MgO与SiO2反应。成渣反应热见表7-35。表7-35成渣反应热名称反应方程式ΔHΘ298/（kJ/mol）Q/kJCaO-48.99（0.48+0.01+9.60）×1000/56×48.99=8826.95MgO-3.2419.95%×88.01×1000/40×3.24=1422.20合计10249.157.2.2.2溶解热金属溶于铁液中会有溶解热，其中C元素吸热，Ni和Si元素放热。则镍铁水中金属溶解热Qr见表7-36。表7-36金属元素溶解热Qr元素-ΔH/（kJ/mol）Qr/kJC-22.580.6×1000/12×48.99=-2449.50Ni131.501.87/（1-20%）×93%×1000/58.7×131.50=4869.92Si23.002.14%×20.07×1000/28×23.00=352.80合计2773.227.2.3热平衡表上述计算中假设矿热炉为绝热体系，实际矿热炉炉体热损失约占总损失的10%，则上述支出占总热支出的90%，则冶炼100kg红土矿A焙砂生产镍铁水的热平衡见表7-37。79 表7-37热平衡表热收入热支出项目热量/kJ所占比例/%项目热量/kJ所占比例/%电能256731.4295.17元素还原热31977.311.85成渣反应放热10249.153.80镍铁水物理热27286.9210.12炉渣物理热142183.5352.71炉气物理热10093.423.74金属元素溶解热2773.221.03把持器等冷却水热26241.459.73炉底砖热4995.791.85炉体散热损失26975.3810.00合计269753.79合计242778.41/(1-10%)=269753.79100.007.2.4镍铁合金吨产品理论电耗计算由表7-37可知，冶炼100kg红土矿A焙砂理论电耗为256731.42kJ，即为256731.42/3600=71.31kW·h，而冶炼1t镍铁所需红土矿A焙砂为4.99t，则冶炼1t镍铁的理论电耗为：71.31×4.99×10=3558.37kW·h。7.3热装法冶炼镍铁节能计算根据盖斯定律，镍铁冷装法的理论热量消耗为ΔH，而采用热装法时，红土矿A焙砂从25℃升温到850℃，热效应为ΔH1；焦炭、石灰从25℃升温到850℃，热效应为ΔH2；在850℃发生反应，反应产物和未反应物从850℃升温到1500℃，热效应为ΔH3。则（ΔH2+ΔH3）热装法的吨镍铁合金的能量消耗，ΔH1为热装法节约的电能消耗。红土矿A焙砂升温消耗热量见表7-38。79 表7-38红土矿A焙砂升温消耗热量成分Q’（kJ/mol）Q（kJ）Ni1.87×1000/58.7×25.83=822.86NiO0.59×1000/74.7×196.32=1550.59Fe9.64×1000/56×31.02=5339.87FeO18.58×1000/72×44.45=11470.57SiO245.58×1000/60×53.37=40543.41CaO0.48×1000/56×41.32=354.17MgO17.54×1000/40×37.88=16610.38MnO0.51×1000/71×42.17=302.91Cr2O30.30×1000/68×100.02=441.26Al2O33.85×1000/102×93.45=3527.28合计80963.30则热装法冶炼1t镍铁节约电能ΔH1：80963.30/3600×4.99×10=1122.24kW·h/t镍铁由7.2.4知，冷料冶炼镍铁时其冶炼电耗为3558.37kW·h/t镍铁，故用热装法冶炼镍铁时，其冶炼电耗为：3558.37-1122.24=2436.13kW·h/t镍铁。79'