25500kVA镍铁矿热炉工程可行性研究报告

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。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800〜900C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。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 16mK宽8m)。二期工程配套两台25500kVA大型镍铁矿热炉，炉型为圆形(①16600X61001.2主要研究依据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。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。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。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。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(①16600X610)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Ydu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。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①960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①1200自焙电极。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±00mm、超负荷30%时炉底功率密度188kVA/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・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1500mrH400mM300mm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。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 850C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30000kVA，电极直径①1200mm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。1968年投产的金川16500kVA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。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子内部尺寸：长浚湛24X6.65822.3>.8X.521.58.5X.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/kVA30000(10000>6)30000(10000X)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/kVA-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/kWh•420〜440400600〜620电极糊单耗/kgt-13~44~54~6每日电极压放长度/mm-d-1200〜300150〜200电极插入深度/mm400~500400〜700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爲.24020.5X.5X.922.7X.5X.123.2X.0X.127.4X.71X.9626.0X.0X.514.1X.5X.035.66X0.67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/kVA30000(30000X1)31500(10500X3)50000(16667X3)45000(15000X3)18000(6000X3)19500(6500X3)5500(5500X1)51000(17000X3)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/■2kVAm25172813963249810760134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放渣口距炉底咼度/mm150017501750145015251560965电极电流密度A-cm"22.781.642.72.22.65吨料单位能耗/kW-hf1780〜815710740525〜625400〜430689460吨料电极糊单耗/kgt"12.94.14.12.8〜3.41.75〜1.9:2.72.46吨料烟气量/m3t"118001700〜19001700〜19001200〜1400吨料耗水量/m3t-1334.44每日电极压放长度/mm-d-1400〜500450〜500450〜500450130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（CerroMatoso）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10500kVA电炉八台，33000kVA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/SiO?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850C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。10500kV・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。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①1800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：镍铁的RKEF工艺中,电能消耗占成本的65%左右；采用高功率负荷操作；采用焙砂温度：850〜900C;采用覆盖熔池式操作；采用较高的二次电压;适当的炉渣碱度：MgO/SiO2=0.68~0.70;适当控制金属的还原：镍还原近100%,铁60%进入金属中;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%采用三台45000kV・A电炉、①18m圆形电炉处理预还原后的红土矿。采用大直径①2000mm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50C;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1550C。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580〜600kWh/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（850C）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60000kVA电炉一台，25000kVA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二电极圆形电炉四台，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。3电炉变压器技术参数的选择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。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33000kVA矩形电炉，外部尺寸为33mxi2mx5.5m,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60000kVA电炉一台，40000kVA电炉一台，25000kVA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/kVA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51000P 150〜500北镍公司30000390〜500彼阡克1号炉31500314〜683彼阡克2号炉50000P 475〜800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24000190〜380表3-2国内矿热炉变压器特性序号厂名变 压1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/A云南单向往复交错冶炼320V时分别接至炉内钢管①70/①5016460V时厂1320〜69637500〜12.46 ,两根电极，短网根铜带开到1号电10000>3HPPF-10000/35单35000286共17级17241△接线508V时为有绝缘层的2［1000mm2,20根］25000炉相50Hz5.44导电铜管，集电环至筒瓦由铜带连接kV-A金川173283V以上有色275恒功率2公司5500>335000700283V以下Y-△铜管，软铜带3号恒电流电炉盘石500V时电极上接成三铜管①65/①408镍矿6.34角形，单相往复根软铜带200X1,3电炉12500HSSPZ7-12500/636600057.9〜50014000340V时交错，局部有异16片一组共8组3相、50Hz109.334021227Y/Y/△-1114.50相交时32.10贵州一次Y接1〜9级6.94电极上接成星:铜管3［①65/35,16有机90.5〜143,81500〜形，三相交错中根］,软铜带4化工35000夕卜制3相50Hz35000577一次△接91800,10〜Y-△/Y性线单独引至3［250X,25片一厂电157〜249,27级91800炉壳，短网有铝组，12组］石炉27级密封罩吴淞调变相电流调变△/Y电极上接成三铜管2［①65/35, 6化工TSOPZ16500/35157〜115〜175,54500~主 变调变0.2〜角形，单相往复根］软缆5厂电16500主变35000/35000〜16725级57700Y/△-121.025交错2［500mm2,24根］石炉HSSP-16500/35,3相50Hz23000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/A117305503150030000215705003150027200北镍三相13△/△1000014304583150025000413204283150023000512233903150021200110006831537310500彼29866561537310164阡单相310500915622153739608克48655831537390835500341.51537352506450314153734725147780020830166675477704239001666764776832440016667彼74776642512016667阡25000/35单38350004776452583016667克相946362825830162001045261125830154001444058125830150001840052825830136502037350625830128902335947525830123001428.674320190150002428.6719.520850150003428.669621560150004428.6672.522310150005428.664923120150006428.6622.52390015000诺林21000/353735000428.66022402015000841257824920144159395555249201383010378531249201324015515.5415249201035020428.5347.5249208660263282662492066303.4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25500kVA镍铁矿热炉变压器(长期超负荷30%运行时)二次电压选定为:「25500< 「25500< 30.30573二520(V)冶炼镍铁时，二次侧采用Dd°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Yd"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：变压器容量：25500kV・A(8500kV・AX3),由三台8500kV・A单相变压器组合而成，满足长期超载30%;一次电压：35kV,50Hz;功率因数：CO⑥》0.9Q有功功率：25500X0.9=22950kVA;二次侧：Ydu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0二次侧：Ddo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0(5)工作电压：520V电压级数：60级调压方式：有载电动调压,25500".3如000（8）超负荷30%时最大电极电流：I 368°7（A）520xv33.5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，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 HCDSPZ6-8500/3咏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。

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①1800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60000kVA电炉一台，25000kVA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。255001031.35201.732电极直径:35201.732电极直径:3・64114(cm)，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=3.5X200=4200mm炉膛内径：D2=4200+7海200=12600mm,取15000mm,以适应各种原料的要求。

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+800mm2=16600mm炉壳高度：3500mm+2600mm=6100mm超负荷30%时炉底功率密度:25500超负荷30%时炉底功率密度:255001.3=188kVA/m2兀 2—152矿热炉工艺技术参数详见表4-1表4-125500kVA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炉壳咼度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电极工作仃程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%5电极把持器关键技术选择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800C〜1000C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。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。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。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。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。

1—把持器主体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

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(a)锥形环和导向水套分离式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。ca（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：I-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：I-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。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。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（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40〜60C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40〜60C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90C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450〜800C内容易产生晶间腐蚀，而工件长期在400〜700C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15.2wm-1k-1,比普碳钢的48w-m-1k-1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1.16Wm-1K-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100C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。

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25500kVA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。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40〜60C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。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。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。

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。

（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，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。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 0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。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。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。5.525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。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。25500kVA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。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•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9516500kVA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76054012500kVA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6300kVA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