（有色金属冶金专业论文）矿热炉电极把持器的设计与研究.pdf

四川大学硕士论文 矿热炉电极把持器的设计与研究 有色金属冶金专业 研究生付晓燕指导教师袁熙志 本文介绍了电极把持器的作用功能，并从电极把持器发展的历程出发， 结合工程实际对现有的把持器形式进行客观的分析评价，指出了传统的大螺 钉式、径向顶紧的压力环式、锥形环式及近年来从国外引进了波纹管式、胶 囊式及组合式把持器等类型的优缺点。在其中，目前国内应用最为广泛的是 锥形环式把持器，这种夹紧、压放电极的锥形环技术对电极的夹紧、压放工 作质量不稳定、连续运行可靠性能较差，从而导致检修频率高，严重影响了 吨炉的正常生产，热停炉多，甚至引发电极、电器等事故。 为此设计一种在技术上先进可靠，经济上利于推广的把持器显得极有必 要，论文提出的新型压力环电极把持器是作为锥形环把持器的替代品，以解 殃生产中出现的诸多问题的。 设计的新型压力环把持器是以液压油缸和大螺栓顶头代替波纹管，夹紧 方式上采用一对一的径向顶紧导电铜瓦，目的是使接触力均匀，在压力环油 缸尾部端盖法兰采用耐高温的密封设计，达到了优良的密封效果，水冷套改 为固定大套与活动小套结合，密封、导向作用优良。通过适当改进冷却水循 环路线，减少拐弯和死区，主要部件和高温部件单独供水冷却；采用软水冷 却、减少焊缝数量、提高焊接工艺水平等技术措施，使新型把持器在工程应 用中效果更加优良。 在结构设计的基础上，对把持器三个水冷部件的传热进行了系统的计算 和分析。通过传热分析得知把持器中的传热可分为烟气、空气与冷却水传热 两个部分：烟气侧的传热可分为三个部分，即烟气与壁体的对流和辐射换热， 壁体的热传导，壁体与冷却水的对流换热；空气侧的传热也可分为三个部分。 利用r a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 计算机语言编写了传热计算程序并运行 四川大学硕士论文 威功。计算结果表明：把持器内的冷却水温度和壁面温度随高度升高而降低， 堋气侧壁面温度高于空气侧壁面温度；水垢热阻的增大会削弱冷却水传热； 提高冷却水流速可以在一定程度上降低器壁最高温度，本体较厚的水冷器壁 尽管能降低一定量的热量损失，但降低了冷却水的换热效率；烟气温度是影 埔传热的重要因素。同时得到了冷却水的出口温度和本体壁面厚度及壁温。 用传热计算的结果指导把持器的设计，并以此作为选择设计参数的依据。同 时对把持器的水冷部件中冷却水流动阻力损失进行了计算，为水泵的选择提 供了理论依据。 本文利用a u t o c a d 绘制了7 5 0 0 k v a 矿热炉矮烟罩系统的设备施工图， 并可直接供其它类似工程施工借用。该把持器已在多项工程中得到应用，取 得了良好的应用效果。 关键词：铁合金矿热炉把持器压力环传热阻力损失 四川大学硕士论文 t h e d e s i g na n dr e s e a r c ho ne l e c t r o d eh o l d e ro f t h es u b m e r g e d a r cf u r n a c e m a j o r ：1 1 0 1 1f e n o u sm e t a l l u r g y g r a d u a t e ：f ux i a o y a as u p e r v i s o r ：y u a nx i z h i s u b m e r g e d - a r cf u r n a c ei s ak i n do fp r i m a r ye q u i p m e n tf o r f e r r o a l l o y s m e l t i n g , a n dt h ee l e c t r o d eh o l d e rs y s t e mi su s e df o rt r a n s f e r r i n gp o w e r f u l e l e c t r i cc u r r e n tt ot h ee l e c t r o d e ，c l a m p i n gt h ec o n t a c ts h o et ot h ee l e c t r o d e ， c o n t r o l l i n gt h es i n t e r i n go fe l e c t r o d e t h r o u g ht h ee l e c t r o d eh o l d e r sd e v e l o p i n g c o u r s ea n dt h ep r a c t i c eo nt h ee n g i n e e r i n g , t h et y p e so fe l e c t r o d eh o l d e ra r e a n a l y z e d a n di tp o i n t so u tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e s et y p e s a tp r e s e n t ，t h ec o n i c a lr i n ge l e c t r o d eh o l d e ri st h em o s t l yu s e di nc h i n a , b u t t h i sk i n do fs t r u c t i l r ei sr e l a t i v e l ye l 正i ti sp r e c a r i o u so nc l a m p i n ga n dp r e s s i n g e l e c t r o d e , w h i c hr e s u l t si nt h et o n 垂i m ea n dh i g h - f r e q u e n c yr e p a i r i n g i ta f f e c t e d p r o d u c t i o nb a d l y , s om u c h 勰b r i n g i n go na c c i d e n t so f e l e c t r o d e ，a n ds oo n ； a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a le x p e r i e n c ea n dt h es i t u a t i o no fc h i n a ，ad e s i g n t h a tan e wp r e s s u r er i n gh o l d e rw a sp u tf o r w a r d ，w h i c hi sas u b s t i t u t ef o rt h e c o n i c a lr i n ge l e c t r o d eh o l d e r t h em e t h o do fd e s i g nc a nb ed e s c r i b e da sb e l o w ： s u b s t i t u t i n gf l u i do i l 啪a n dh o l tf o rt h eb e l l o w s , p e r f e c tc l a m p i n gs t r u c t u r ef o r t h ec o n t a c ts h o e s ，w h i c hm a k et h ec o n t a c tf o r c es y m m e t r i c a l ，t a k i n gt h eh i g h t e m p e r a t u r e - r e s i s t a n tp r e s s u r i z ea tt h et a i le n do ft h eo i lu r n , w h i c hr e a c ht h e g o o de f f e c t , a d o p t i n gt h ed e s i g no fs e t t l e db i gc o v e ra n da c t i v ec o v e r , w h i c h m a k e9 0 0 dp r e s s u r i z ea n dg u i d i n ge 舵c t al o to fm e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r dt o s o l v et h e s ep r o b l e m s ，w h i c ha r em e n t i o n e da b o v e , f o ri n s t a n c e , a m e l i o r a t i n gt h e c h a n n e l so f c o o l i n gw a t e ra n du s i n gs o f tw a t e r , r e d u c i n gt h eq u a n t i t i e so f w e l d i n g l i n e ，i m p r o v i n gt h ej o i n t i n gp r o c e s s ，a n ds oo n t h e s em e a s u r e sh a v em a d e 四川大学硕士论文 d e f i n i t ee f f e c t ac a l e u l a t i o nh a db e e nu s e df o rt h eh e a tt r a n s f e ro fe l e c t r o d e h o l d e r , w h i c hr e c t i f l e dt h em i s t a k et h a te x i s t e di nt h ec o n v e n t i o n a ld e s i g n so f e l e c t r o d eh o l d e r , a n dl e s s e nt h ei n v e s t m e n to f c o o l i n ge q u i p m e n t ，i nv i r t u eo f t h e h e a tt r a n s f e rc a l c u l a t i n go f t h ee l e c t r o d eh o l d e r ，t h ec o n f i g u r a t i o nd e s i g n i n ga n d p a r a m e t e r sc h o o s i n go ft h ee l e c t r o d eh o l d e ra r er e s e a r c h e d t h ef a c t o r sw h i c h a f f e c tt h eh e a tt r a n s f e ro f t h ee l e c t r o d eh o l d e ra r el i s t e da sf o l l o w s ：v e l o c i t yo f t h e c o o l i n gw a t e r , t h i c k n e s so ft h ew a t e rc o o l i n gw a l l ，w a t e rs c a l et h i c k n e s s ，a n d t e m p e r a t u r eo ft h ef l u eg a s i tf u l l yc o n s i d e r st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o r e l e c t r o d eh o l d e ra n da n a l y z e st h ev a r i a t i o nt e n d e n c yo fh e a tt r a n s f e ri nt h e d i f f e r e n tp a r a m e t e r s a l lt h e s ep r o v i d eab a s i sf o rt h ed e s i g na n da p p l yo ft h e e l e c t r o d eh o l d e r t h ec o m p u t a t i o n a lp r o g r a m sh a db e e nw r i t t e na n dr u nb y m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) t h er e s u l t so f h e a tt r a n s f e ri n d i c a t et h ef u l l o w i n g t h et e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e ra n dw a l lw i l ld r o pa l o n gw i t ht h er i s eo ft h e a l t i t u d e ，a n dt h ew a l l st e m p e r a t u r eo fs m o k eg a ss i d ei sh i g h e rt h a nt h a to fa i r s i d e t h ei n c r e a s eo fw a t e r sc a p a c i t yw i l lb ep r o p i t i o u st od e b a s i n gt h ew a l l s t e m p e r a t u r ea tac e r t a i ne x t e n t t h et h i c k e rw a l lw i l ln o tp r o p i t i o u st oc o o l i n g w a t e r sh e a tt r a n s f e r r i n g t h et e m p e r a t u r eo f s m o k eg a si st h ei m p o r t a n tf a c t o ro f t h eh e a tt r a n s f e r r i n g a tt h es a n l et i m e ，t h et e m p e r a t u r eo ft h ee x i tw a t e ra n d w a l la r ef o u n do u t a tt h es o m et i m e ，r e s i s t a n c el o s i n go f t h ew a t e rp a s s a g ei nt h e h o l d e ri sc a l c u l a t e d , a n di tw i l lp r o v i d et h e o r yg i s tf o rw a t e rp u m p sc h o o s i n g t h ed r a w i n g so fe l e c t r o d eh o l d e ro f7 5 0 0 k v as u b m e r g e d a r cf u r n a c eh a d b e e nf i n i s h e d b yu s i n ga u t o c a d t h ed r a w i n g sc a nb e u s e dt o p r o j e c t c o n s t r u c t i o nd i r e c t l y t h ed e s i g nf o r t h ee l e c t r o d eh o l d e ra ts u b m e r g e d - a r c f u n l a c eh a sb e e na p p l i e di nm a n yc o r p o r a t i o n sa n df a c t o r i e s i th a sm a d eg r e a t b e n e f i tt 0t h ec o r p o r a t i o n sa n df a c t o r i e s k e y w o r d s ：f e r r o a l l o y , s u b m e r g e d a r cf u r n a c e ，e l e c t r o d eh o l d e r , p r e s s u r er i n g ， h e a tt r a n s f e r , r e s i s t a n c el o s i n g i v 四川大学硕士论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得四川大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归四川大学所有，特此声明。 指导教师签 学生签名： 8 1 吁五 叩年 歹月7 甲日 | 四川大学硕士论文 1 前言 1 1 论文研究的目的及意义 1 1 1 我国铁合金生产概况 铁合金是由一种或两种以上的金属或非金属元素与铁元素组成的合金， 它不是可以直接使用的金属材料，而是主要用作钢铁生产的脱氧剂和合金元 素的添加剂。因此，铁合金是钢铁工业和机械铸造行业必不可少的重要原料 之一，许多工业发达的国家都十分重视铁合金的生产，把铁合金作为战略物 资来对待。在我国，近些年来经济的飞速发展，使得钢铁工业的发展十分迅 速，也由此带动了铁合金工业的迅猛发展。目前我国已能生产3 0 多个品种， 1 5 0 多种规格的铁合金产品，不仅满足了我国钢铁工业的需要，而且硅铁、 硅锰合金、钨铁、钼铁、铬铁等产品已进入国际市场，已成为世界铁合金第 一大生产国。我国现有铁合金生产企业1 5 7 0 家，生产能力2 2 1 3 万t ，主要 分布在贵州、内蒙、广西、山西、甘肃、四川、湖南、宁夏、云南等煤炭、 电力、锰矿等资源比较丰富的中西部地区“。据中国国家发改委2 0 0 7 年2 月6 日公布的报告，2 0 0 6 年全国累计生产铁合金1 ，4 3 3 2 0 万t ，同比增长 3 0 9 3 ：进口铁合金6 1 6 4 万t ，同比增长6 6 6 3 ；出口铁合金2 3 5 9 0 万t ， 同比增长3 5 9 0 。 1 1 2 铁台金冶炼设备简述 根据生产使用的冶炼设备分类，铁合金生产方法主要有高炉法、电炉法、 炉外法、转炉法和真空炉法。其中，电炉法是最主要的方法，用电炉法生产 铁合金的产量约占全部铁合金产量的7 0 以上。3 。电炉冶炼的特点主要有“1 ： ( 1 ) 电炉使用电这种最清洁的能源。其它能源如煤、焦炭、原油、天然 气等都不可避免地将伴生的杂质元素带入冶金过程。只有采用电炉才能生产 最清洁的合金。 ( 2 ) 电是唯一能获得任意高温条件的能源。 ( 3 ) 电炉中容易实现还原、精炼，氮化等各种冶金反应要求的氧分压、 氮分压等热力学条件。 电炉又可以分为矿热炉和精炼炉，因此亦可将电炉法分为矿热炉法和精 i 四川大学硕士论文 炼炉法两大类。精炼炉法是用硅作还原剂生产铁合金的方法，由于其生产原 理的限制，可生产的品种不多。矿热炉法又称埋弧电炉，是以碳为还原剂在 炉内还原矿石中的氧化物来生产铁合金的方法，冶炼过程中热量的来源为电 能。矿热炉可冶炼硅铁、硅钙合金、工业硅、高碳锰铁、高碳铬铁、硅锰合 金等铁合金品种。因此，在我国及世界其它国家的铁合金生产中都获得了最 广泛的应用。 矿热炉主要由炉体、供电系统、电极系统、加料系统、冷却水系统、检 测和控制系统、排烟系统等组成。矿热炉容量多用电炉变压器的功率来表示， 2 0 0 0 k v a 的为小电炉，9 0 0 0 k v a 的为大电炉，介于二者之间的为中 等电炉。矿热炉的炉口形状可制作成圆形、矩形、多边形或椭圆形，炉口大 小根据容量的不同而异。电极形式有单相电极和三相电极等，目前使用最多 的电极形式为三相电极。根据三相电极的特点，以及从炉壳强度、相对冷却 表面、短网的布置等方面综合考虑，三相矿热炉的炉型一般采用圆型结构。 矿热炉设备的基本结构如图1 1 所示。 2 1 图卜- 1 矿热炉设备剖面图 1 炉壳2 炉衬3 变压器4 电极系统5 矮烟罩6 出铁口 1 1 3 本文的研究目的及意义 对铁合金生产来讲，冶炼设备是非常重要的一环。企业要提高效益，首 先要保证冶炼设备的正常运行，而在铁合金电炉生产过程中，电极把持器设 备系统长期工作在高温环境中，如果这些设备不能正常运行，使电炉经常热 停检修，直接影响电炉的作业率，使产品产量、质量、成本等各项指标恶化。 2 四川大学硕士论文 近年来，为了满足我国铁合金生产建设的需要，矿燕电炉正在向大型化、 机械化、自动化等方向发展。要抓住改造和新建矿热电炉的时机，利用先进 教术来指导设计或结构改造。本课题的目的在于：( 1 ) 对铁合金的生产设备 矿热炉电极把持器进行设计研究，探讨如何对把持器系统进行优化设计 和改造；( 2 ) 通过现场调研对电极把持器的结构和运行情况进行理论上深层 砍的研究和计算分析，希望能够将得到的理论来指导今后的设计；( 3 ) 把课 题的成果应用到实际生产中，给铁合金生产企业带来巨大的经济效益，以推 动铁合金生产技术的不断向前发展。 1 2 电极把持器的功能嘲 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 嘲。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8 0 0 u 1 0 0 0 以上 8 】。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。 1 3 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。 四川大学硕士论文 1 3 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。 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。 1 3 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棚，工作可靠和操作 简单是对抱紧装置的基本要求。 1 3 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、四闷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。 1 4 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。 4 四川大学硕士论文 1 4 1 径向大螺钉顶紧式把持器“ 径向大螺钉顶紧把持器结构如图2 - 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 钥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2 - 1 ( c ) 为完全人工调整，无弹簧施 压的结构。 ( b ) ( c ) ( a ) 1 一电极2 铜瓦3 水冷环4 顶头5 弹簧6 项紧螺钉 ( b ) l 一半环2 一顶头3 弹簧4 套简5 弹簧垫6 一固定螺母7 一带内四方孔的螺 栓 外套 ( c ) l 铜瓦2 一半环3 一夹紧4 一螺母5 - 压块6 嚆缘板 圉2 - 径向大螺钉顶紧把持嚣 1 。4 2 大螺栓夹紧式把持器“ 螺栓压紧把持器结构如图2 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 5 四川大学硕士论文 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 圾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。 l 把持器主体2 铜瓦卜夹紧螺栓4 拉杆 固2 - 2 大螺栓夹紧式把持罨 1 4 3 液压缸式把持器删 液压缸式把持器结构如图2 3 所示。 1 一导向水套2 、4 一液压缸3 铜瓦 图2 - 3 液压缸式把持嚣 6 四川大学硕士论文 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 圃定缸，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。 1 4 4 锥形环把持器0 4 锥形环把持器结构如图2 - 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。 b c 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 l 铜瓦排形环卜固定水套4 锥形块5 云母垫 圈2 - 4 锥形环式把持器 7 四川大学硕士论文 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1 0 。1 8 。，最小为6 0 。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。 1 4 5 组合式或标准组件把持器m 堋 组合式把持器结构如图2 5 所示。 ( a ) 组合式电极把持器：1 铜罩2 接触装置3 一非磁性铜罩4 母线铜管5 冷却 水集合管6 一风机郴放装置8 悬置9 悬置架1 0 铜覃悬置管1 1 立缸 ( b ) 削面图：卜螺栓2 - 蝶形弹簧，一水冷罩4 一接触装置卜电极壳 6 - - 电极壳筋板 ( c ) 滑放装置：卜一电极壳2 蝶形弹簧3 一夹钳4 一油缸卜电极壳筋板 囝2 - 5 组合式电极把持器 渤。电嘲。糖 四川大学硕士论文 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 挪威埃肯公司最先设计研制出来的阱o ”，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。 1 4 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2 - 6 所示，其中c a ) 为普通型呲翻】，( b ) 为改 进型。 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。 9 四川大学硕士论文 ( a ) l 一电极 课护环3 铜瓦 4 绝缘板5 波纹管卜压力环 7 _ 液压介质槲却水卜密封 1 护套 图2 - 6 ( b ) l 右环板2 螺栓3 长隔板 4 _ 波纹管5 一内环板秸环板 7 - 循环水道8 短隔板 螂状不锈钢管 波纹管式把持器 ， 1 5 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。 1 5 1 锥形环对电极施压不均 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 商，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旌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 1 0 四川大学硕士论文 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， 就很难以保证其之问接触力的均匀性，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。 1 5 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 ) 这种把持器只适合自焙电极的矿热炉，不能用于石墨或碳素电极 的矿热电炉。 ( 2 ) 制备电极壳的设备较复杂。 ( 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，需软化水。 ( 5 ) 电极也只能下放，不能进行倒拔操作，对炉况处理和冶炼操作带 来了不利影响。 1 5 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： l l 四川大学硕士论文 ( 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，f l $ , l 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。 1 5 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。 1 5 5 不能有效控制电极压放 把持器的压放装置中抱闸的工作压力既不能过高，否则容易出现压坏电 极壳；也不能过低，否则容易出现电极打滑等。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4 0 6 0 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“”。 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，不但大套吸热，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4 0 6 0 c 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。 1 2 四川大学硕士论文 1 5 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9 0 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i c r l 8 n i 9 t i 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，i c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈 钢在4 5 0 8 0 0 c 内容易产生晶间腐蚀，而工件长期在4 0 0 7 0 0 温度区间工 作，致使其晶问腐蚀敏感性增强“”，产生微观腐蚀裂纹和焊接裂纹。 l c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢的导热系数为1 5 2 w - m - k 1 ，比普碳钢的4 8 w - m - 1 k 低得多n 帕，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，i c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢制造和使用中都有可能产生晶间腐蚀 嘲 。 另外，在高温环境中，水的存在迸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问腐蚀；奥氏体不锈钢热膨胀系数比普钢高 四川大学硕士论文 3 0 左右胁1 ，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锝工 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 1 6w m - i k - 1 蚴，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i 珊的水垢就可以使 温度升高达1 0 0 嘲以上因此，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。 1 6 常规的解决措施 针对电极把持器易出现的各种问题，生产和研究人员根据实际生产经验 及国外先进技术，结合我国国情提出了一些解决方法。 ( 1 ) 铜瓦的使用寿命与铜瓦的制造方法和材质有关伽 早期的铸造铜瓦内部水路是采用无缝钢管，因钢与铜不能铸熔在一起， 使用时易开裂掉块，而且熟传导不好，寿命低。后来以铜管代替钢管铸造试 验成功，并在很多厂的电炉上得到了推广应用。引进的德马克电炉铜瓦是锻 造的，我国厂家也已开发并开始采用。锻造铜瓦的优点：一是强度大，二是 导热导电率高，其使用寿命是铸造铜瓦的5 1 0 倍。所以改铸造铜瓦为锻造 铜瓦，更能提高铜瓦使用寿命和质量。 ( 2 ) 铜瓦与电极的压紧方式是影响铜瓦与电极的接触压力的一个至关 重要的因素m 由于锥形环把持器整环轴向受力方式夹紧铜瓦存在许多缺点和不足，所 以在每块铜瓦后面有一个单独的压力单元是大家研究和追求的目标。例如： 从德国伍德公司引进的7 0 m y a 黄磷炉，采用的是弹簧调整压力的杠杆式； 遵义钛厂在6 3 m v a 工业硅电炉上采用的是用弹簧调整的倒锥形块式嗌1 ，但 这种把持器铜瓦更换相当困难；从挪威埃肯公司引进的3 0 m v a 硅钙电炉， 为水压的橡胶囊式，但一直未正式投入使用；在6 m v a 左右的电石炉和铁合 金电炉上，采用液压缸方式；从德马克公司引进的2 5 1 d v - a 和5 0 m y a 硅铁电 1 4 四川大学硕士论文 炉和3 i 5 删a 锰硅电炉，采用的是波纹管式。这些结构都存在某些不足， 如有的结构在高温下变形漏油；有的在压放时有卡死电极的现象；有的结构 使用寿命短。采用改进型波纹管唧和开发的新型压力环把持器，可以很好地 解决存在的问题。 ( 3 ) 近期的设计已经针对导电铜管的缺陷，将集电环到铜瓦之间的导 电铜管改成了软铜带，这样就对克服了原有铜管对压紧的不利影响嘲，采用 无集电环结构就彻底解决了压盖打弧现象。 ( 4 ) 适当改迸冷却水循环路线，减少拐弯和死区；取消水路之间的串 联，缩短冷却水走过的路程，主要部件和高温部件单独供水冷却。 ( 5 ) 全液压系统的使用使电极系统的操作简便可靠、故障率低。 ( 6 ) 目前解决冷却水结垢问题的普遍方法是改进冷却水的水质和稳定 性，即采用经过软化处理的软水。与工业水相比，软水中含有的钙镁离子的 重碳酸盐浓度较低，其稳定性也优于工业水，在一定程度上减少了结垢现象 的发生。无论是工业水还是软水，在温度高于5 0 的情况下，其所含的钙盐 容易形成沉淀嘲。因此，需要严格控制冷却水的温度来保证它的稳定性，这 可以通过加大冷却水量等方法来实现。此外，还可以利用水质稳定剂水处理 技术来解决循环冷却水系统的结垢问题，特别是在高热、高温和局部水过热 情况的循环水系统应用，有突出的阻垢防腐杀藻效果。 1 7 本文研究的主要内容 目前针对矿热炉把持器系统的研究和改造，其内容大多都是对工作构件 缺陷的描述和提出在工