CN111581857A - 一种节电矿热炉的工艺包设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节电矿热炉的工艺包设计方法。其特征在于按以下步骤进行：a、根据0.9的功率因素设计，先确定矿热炉容量，然后依据碳电极每平方厘米电流7A确定安全电流；b、然后按10200平方厘米横切面电极端头断面积设计，确定电极直径、同心圆和炉膛直径和电极间距；c、电位梯度按1.3至1.35伏特电压设计，确定流压比；d、根据上述矿热炉容量和计算得到的炉膛直径、炉膛深度、同心圆、电极直径、电极间距和护盖高度制造矿热炉，能达到0.9的自然功率因素。本方法排除了现有矿热炉在设计方法上存在的缺陷，弥补了从设计之始就能达到0.9功率因素矿热炉的空白。

Description

一种节电矿热炉的工艺包设计方法

技术领域

本发明涉及一种节电矿热炉的工艺包设计方法。

背景技术

矿热炉又称电弧电炉或电阻电炉或电热炉(电石炉)。它主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料。主要生产硅铁、锰铁、铬铁、钨铁、硅锰合金等铁合金，是冶金工业中重要工业原料及电石等化工原料的生产设备。其工作特点是采用碳质或镁质耐火材料作炉衬，使用自培电极。电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧的能量及电流通过炉料的，因炉料的电阻而产生能量来熔炼金属，陆续加料，间歇式出铁渣，连续作业的一种工业电炉。矿热炉是一种耗电量巨大的工业电炉。主要由炉壳，炉盖、炉衬、短网，水冷系统，排烟系统，除尘系统，电极壳，电极压放及升降系统，上下料系统，把持器，烧穿器，液压系统，矿热炉变压器及各种电器设备等组成。根据矿热炉的结构特点以及工作特点，矿热炉的系统电抗的70％是由短网系统产生的，而短网是一个大电流工作的系统，最大电流可以达到上万安培，因此短网的性能决定了矿热炉的性能，正是由于这个原因，因此矿热炉的自然功率因数很难达到0.85以上，绝大多数的炉子的自然功率因数都在0.7～0.8之间，较低的功率因数不仅使变压器的效率下降，消耗大量的无用功，且被电力部分加收额外的电力罚款，同时由于电极的人工控制以及堆料的工艺，导致三相间的电力不平衡加大，最高不平衡度可以达到20％以上，这导致冶炼效率的低下，电费增高，因此提高短网的功率因数，降低电网不平衡就成了降低能耗，提高冶炼效率的有效手段。如果采取适当的手段，提高短网功率因数，可以降低电耗、提高产量，从而给企业带来良好的经济效益，而投入的改造费用将可以在节约的电费中短期内收回。

一般情况下为了解决矿热炉功率因数低下的问题，我国目前一般采用电容补偿的方式来解决，通常是在高压端进行无功补偿，但是由于高压端补偿不能解决三相平衡的问题，而且由于短网的感抗占整个系统感抗的70％以上，因此高压端补偿并没有达到降低短网系统感抗，提高短网功率因数。增加变压器出力的目的，仅仅是对供电部门有意义。因此目前也有部分单位在新建炉子上采取了高低压同时进行无功补偿的措施，来解决以上的问题，在短网端进行补偿能够大幅提高短网端的功率因数，降低电耗，针对炉变低压侧短网的大量无功消耗和不平衡性，兼顾有效提高功率因数而实施无功就地补偿技术改造，从技术上来讲是可靠、成熟的，从经济上来讲，投入和产出是成正比的。在矿热炉低压侧针对短网无功消耗和其布置长度不一致导致的三相不平衡现象而实施的无功就地补偿，无论在提高功率因数、吸收谐波，还是在增产、降耗上，都有着高压补偿无法比拟的优势。如中国实用新型专利ZL 200720041263.2号公开的一种矿热炉低压无功补偿专用装置，其特征在于：所述控制仪对变压器输入端的信号采集后分别控制与矿热炉三相的输出端分别相连接的晶闸管，达到分相控制，分相补偿，确保矿热炉三相负荷及功率因数平衡。但是由于成本较高，同时由于工作环境恶劣，因此寿命受到极大的影响。短网低压端无功补偿也带来了谐波增加，因此又必须采取措施来抑制3～7次谐波，从而使投入加大，投资回收周期加长，同时后续维护费用高，综合效益不佳。

由此，申请人提供了一种能提高功率因素的矿热炉节电方法，即按照步骤：a、取消电容补偿；改变电极的直径，改变单位面积的电流强度，即将常规25500KV电石炉的电极直径由1.25m缩小到1.14m，然后将通过电极的电流由86000A缩小到72000A；b、增大电压和电流的比值，将电流电压比值维持为1：310，减少矿热炉阻抗和感抗产生，自然功率提高到0.9，以提高电流作功利用率；c、对短网部分，提高短网的输电能力，即提高操作电压并减小电流，增加电极弧发弧长度和强度，使电力转化为热能的效率提高。该矿热炉节电方法能有效使温度集中，产量、质量提升，降低生产能耗，提高功率因素并提高产品质量。是现有矿热炉改造方法中较为有效的手段之一。

另外，国家对“两高一资”行业政策再次收紧，电石作为“两高一资”行业将面临诸多的政策限制。影响较大的有工信部发布的《电石行业准入条件(2014修订)》，全国各地陆续取消电价补贴，《环境保护综合名录(2013年版)》将电石法PVC列入“高污染、高环境风险”产品目录。

同时随着电石行业产能过剩矛盾仍将不断加剧，终端消费乏力局面短期内并不会出现大的改观。因此，综合各方面因素考量可以判断，电石整体行情或依旧疲软，持续低谷震荡走势。

在如此恶劣的大环境下，作为“两高一资”的电石行业要加大科技创新力度。研发电石生产新工艺，积极进行技术改造，提档升级，大力发展以节能降耗为核心的新技术新工艺。此外还要加强企业管理、练好内功，提高自身应对市场变化的能力。

矿热炉是冶炼生产的核心设备，通过三根电极向炉内输入电流，产生电弧电阻热，使原料在一定温度下化学还原反应生成产品。矿热炉三根电极的操作直接影响炉内温度和熔池功率的平衡程度，决定了冶炼产品的冶炼效率、电耗和质量。

传统利用矿热炉冶炼的铁合金及电石行业，基本原则是“原料是基础，设备是条件，操作是关键，管理是保障”。这其中，精细、科学、合理的操作是重中之重。而电极的提升和下插的操作更是关系电石质量、电耗和产量的关键。长期以来铁合金及电石行业都是通过看电流的方式判断电极是否找平，也就是通过看电流的方式判断各个电极下插是否至同一水平面；而且很多企业并未完全利用好变压器自身所能提供的电气参数进行科学的工艺操作方法，降低感抗。而现有电极的下插深度通常是通过检查孔，人工用铁钎测量三根电极下插的深度。但是通过该方法是不能如实反映出电极下插深度的，经常造成三根电极不能保持在一个平面，导致电极发弧的温度不能集中。以茂县新纪元电冶有限公司25500KVA密闭式电石炉以往的运行记录为例，电极不平导致电耗升高，质量下降，一级品率只能达到85％～90％，且每吨电石电耗约在3400～3700kwh左右，高位的电耗也成为铁合金及电石行业沉重的成本负担。

由此，申请人又提供了一种矿热炉节能操作方法，即按照以下步骤进行：a、在矿热炉中插入编号为A、B、C的三根电极，三根电极间距相等，剖面呈等边三角形排列；然后从炉底碳砖中引出三根中性线，三根中性线用镀锌扁铁引离高温区后，在炉外采用铜线并联分别引入中控仪表操作台；在中控仪表操作台上分别安装三支电连接三根中性线并对应三根电极的相电压表A1、B1、C1，取得三根电极对中性点相电压,三相电极在空载或轻负荷时，三相电压是基本平衡的；b、增加负荷后，电流、电压、相电压在变化，这时根据负荷变化，在增大用电量时，根据相电压调平电极，以保证电极下插深度一致；此时对A、B、C三根电极的端面进行调平操作，使相电压表A1、B1、C1反映的A、B、C三根电极各相相电压基本一致，从而判断出A、B、C三根电极的各相电压在料层中对炉底的距离一致、电位差一致；也就是在对A、B、C三根电极的端面进行调平操作时，同时观察相电压表A1、B1、C1反映的数据，当相电压表A1、B1、C1反映的A、B、C三根电极各相相电压基本一致时，能判断出A、B、C三根电极的端面位于同一水平面上，这时停止调平操作；c、矿热炉中的A、B、C三根电极为自焙烧电极，在不断消耗的同时，需要经常压放，以保持A、B、C三根电极的端面在一个水平面上，重复步骤b进行A、B、C三根电极的压放，以保证A、B、C三根电极正常的焙烧速度和A、B、C三根电极端头的工作长度。该方法能让三根电极基本平衡，做到电极不深插、不浅插、同时做功、温度集中。做到三根电极端头平、电流平、相压平。使每吨电石电耗下降并且同时节约了大量的原料，使设备工作稳定性和运转率提高，从而提高产品的质量和产量，降低了工人的劳动强度。是现有矿热炉节电方法中较为有效的手段之一。

综上可以看出，电石行业对电能的消耗十分巨大，节电以及让矿热炉生产效率提高是该行业长期且艰巨的任务。虽然申请人提出了上述方法能够解决现有矿热炉在操作上如何节电的问题。

但是，我们国家电力部门要求电热炉必须按0.9功率因素计算收费，达不到就必须安装补偿来解决。申请人了解全国矿热炉从设计就没有按0.9设计，所以基本上都要用补偿来解决功率因素问题。补偿耗资大，有高﹑中﹑低都补偿的做法，这是厂家要达到电力部门规定0.9的功率因素，才不罚款。补偿设备费用大，问题也多，补偿耗电及电溶老化快，电溶后期废品污染严重的问题多。

即现有矿热炉本身存在的缺陷无法避免，只有通过后期补偿或者改造进行弥补，也就是，现有矿热炉无法在设计之初便具有节电且高效的能力，而后期的补偿或者改造仅仅是基本满足要求，无法达到真正的节能并高效生产的目的。

因此，现有矿热炉在设计方法上存在缺陷，急需提供一种节电且高效的矿热炉的工艺设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种节电矿热炉的工艺包设计方法。

本发明的基本构思是：

要在设计工艺包上，达到0.9功率因素，申请人发现了关于电流比电压关系的重要。多年来，申请人从12500KVA矿热炉﹑20000KVA矿热炉﹑25500KVA密闭式矿热炉上，总结了很多并作出多次分析，得出的结论是电流与电压的关系对功率因素，高低是必然的，流压比决定功率因素高低这个理论，通过多次各炉分别总结，得出的结果是：都能达到0.9功率因素。我们国家电力部门要求电热炉必须按0.9功率因素计算收费，达不到就必须安装补偿来解决。申请人了解全国矿热炉从设计就没有按0.9设计，所以基本上都要用补偿来解决功率因素问题。补偿耗资大，有高﹑中﹑低都补偿的做法，这是厂家要达到电力部门规定0.9的功率因素，才不罚款。补偿设备费用大，问题也多，补偿耗电及电溶老化快，电溶后期废品污染严重的问题多。

申请人通过多年的总结﹑试验，最终成功达出结果，结果是：不加补偿，完全能达到0.9的功率因素。有几个条件，必须达到才能实现。

从设计开始，就按0.9的功率因素设计，冶炼的产品不同，物料电阻不一样，设计参数是不一样的。我国发展到今天，电炉容量都在往大炉型发展。装机容量大，功率因素更低，举例：青海盐湖镁业公司﹑加拿大赫式公司设计的195000KVA，电热炉(电石炉)自然功率因素0.46，实际有功就只有89700KVA容量。为了满足电力部门的要求，0.9的功率因素，补偿投入几千万元，还不能用，问题多。这次申请人加入盐湖镁业电石炉改造，因炉型已定型，只能根据现有的条件﹑设计，申请人的工艺包来改造，能达到原设计的有功用量，还能提高至10万--11万有功电量，取消补偿，能达到0.85-0.9功率因素，解决这个世界难题。大小炉都能达到0.9功率因素。建议：国家对矿热炉也要按0.9的功率因素为标准，满足电力部门的要求，最主要的是有节能降耗﹑提高效益﹑创新各方面。科学进步，减少投资，矿热炉大型化，都能达到自然功率因素0.9。申请人通过发现、试验和分析，总结在25500KVA电石炉上，成功稳定运行了，提高产品产质，产量，有很好的效果。

电流乘以电压等于容量，反过来，容量除以电流决定了电压；

电极参数：碳电极是自焙烧碳电极，是以碳元素为主，碳电极每平方厘米电流7A，长时间电流高于7A碳电极要烧毁，电流低于7A短时间碳电极焙烧不好，长时间电流低于7A碳电极会变软，焙烧的速度，耗电量跟不上。所以本申请按照碳电极最佳工作状态进行计算。

相电压和线电压的关系：一旦档位决定，电压就决定，相电压永远在线电压的根号3。电压决定弧长，电弧之间需要交叉才能更好的产生热弧效应，所以根据电压产生的电弧长度来确定电极之间的间距。

计算公式：(114厘米÷2)²×3.14＝10201.86平方厘米，也即是根据S＝πr²反推算电极直径，即假设电极直径为X，带入公式(X厘米÷2)²×3.14＝10200平方厘米，计算结果为X约等于114厘米；电极间距是：同心圆340厘米除以

减一根电极直径答出的结果。180厘米计算公式：340厘米×(1.732÷2)＝294.44厘米。减电极直径：294.44厘米-114厘米＝179.56厘米，设计过程中，多数都采用小数点后数据，没有很注重精确度。电位梯度伏特1.3伏特至1.4伏特数据是电压除电极间距答出的结果。230伏÷180厘米＝1.2777伏(每厘米电压)为电位梯度，通常采用数据取中间作基准点。例如110KVA电压线上，有时115KVA，有时112KVA，有时109KVA。电力部门实际110KVA线路等级建开关站。炉堂深度270厘米：是通常25500KVA电石炉上通用，也可以280厘米，多少10厘米在电热炉上，没有多大关系。要达到0.9的功率因素，主要参素是工艺包及生产产品不同时，选择参数是不一样的，是要对生产原料的电阻及原料所需温度及操作工艺有很大的差距。

申请人发现几何参数工艺包很重要，工艺上选择错误，生产产品就会发生问题。工艺是很好的一个节点，即在制造矿热炉时就需要按照几何参数工艺包进行设计，而不是制造完成矿热炉后再进行操作上的调整以满足生产的需要。并且现有矿热炉一旦操作不当还会烧穿炉膛，不仅烧穿炉膛会大量耗电，损失矿物，而且极有可能造成人员伤亡。

现有的专利显示的是矿热炉定型后，由于矿热炉设计有缺陷，需要进行补偿才能达到功率因素0.9，因此，现有专利通过调整电压和电流来实现功率因素0.9，而不需要对现有矿热炉进行补偿。而本申请提出的是从矿热炉设计方面入手，提供一种工艺包，让矿热炉通过运用该工艺包进行设计，即矿热炉定型后在设计上没有缺陷。

现有矿热炉是设计出来后才算流压比。4.5万的容量0.7的功率因素先算等于多大的电流，多大的电压，37到35个档位从低到高，最终找到合适的功率因素，是为了方便开炉。电流算出来，然后决定电极要多粗，电极设计出来后，考虑同心圆多大，同心圆考虑出来后，才考虑炉膛要多大。

现在对电炉进行补偿的国内企业很多，只要进行补偿就无法节电，即进行补偿的设备本身也耗电，并且进行补偿的设备还存在老化和污染的问题。

本发明工艺包设计方法，先决定矿热炉的容量，然后按照0.9的功率因素，然后反推电压、电流达到设计容量，然后考虑电弧多长，电极间距多长，让电弧和电弧之间要交叉，使按照本申请工艺包设计制造的矿热炉能够直接满足0.9功率因素，而不需要在投入生产后进行补偿。

具体来说，本发明的一种节电矿热炉的工艺包设计方法，其特征在于按以下步骤进行：

a、根据0.9的功率因素设计，先确定矿热炉容量，然后依据碳电极每平方厘米电流7A确定安全电流；

b、然后按10200平方厘米横切面电极端头断面积设计，确定电极直径、同心圆和炉膛直径和电极间距；

c、电位梯度按1.3至1.35伏特电压设计，确定流压比；

d、根据上述矿热炉容量和计算得到的炉膛直径、炉膛深度、同心圆、电极直径、电极间距和护盖高度制造矿热炉，能达到0.9的自然功率因素。

本发明步骤a中依据碳电极每平方厘米电流7A确定安全电流，即是按照自焙电极每平方厘米带电流7安培计算，安全电流为7万安培。

本发明步骤b中按10200平方厘米横切面电极端头断面积设计，电极直径为114厘米，电极间距180厘米，同心圆340厘米，炉膛直径780厘米；计算过程为，根据S＝πr²反推算电极直径，即假设电极直径为X，带入公式(X厘米÷2)²×3.14＝10200平方厘米，计算结果为X约等于114厘米；电极间距是同心圆340厘米除以

减一根电极直径得出的结果；即180厘米计算公式为340厘米×(1.732÷2)＝294.44厘米；然后减一根电极直径：294.44厘米-114厘米＝179.56厘米，约等于180厘米；设计过程中，采用小数点后数据取约等于值。

本发明步骤c中电位梯度按1.3至1.35伏特电压设计为230至240伏特，二次电压70000安培除以230伏特等于304安培电流，电流和电压的比例为304安培：1伏特，70000安培除以235伏特等于297.87安培，电流和电压的比例为297.87安培：1伏特；电位梯度伏特1.3伏特至1.4伏特数据是电压除电极间距得出的结果；230伏÷180厘米＝1.2777伏(每厘米电压)为电位梯度，采用数据取中间作基准点。

本发明步骤d中矿热炉容量为25500KVA时，炉膛直径7.8米、炉膛深度2.7米、同心圆3.4米、电极直径1.14米、电极间距1.8米和护盖高度1.2米，能达到0.9的自然功率因素。

与前述现有同类产品相比，本发明的一种节电矿热炉的工艺包设计方法排除了现有矿热炉在设计方法上存在的缺陷，弥补了从设计之始就能达到0.9功率因素矿热炉的空白。根据本发明工艺包设计方法制造的矿热炉既不用进行补偿也不用改造，就能达到真正的节能并高效生产的目的。

本发明的内容结合以下实施例作更进一步的说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。

具体实施方式

实施例1：本实施例中所述一种节电矿热炉的工艺包设计方法，其特征在于按以下步骤进行：

a、根据0.9的功率因素设计，先确定矿热炉容量，然后依据碳电极每平方厘米电流7A确定安全电流；

b、然后按10200平方厘米横切面电极端头断面积设计，确定电极直径、同心圆和炉膛直径和电极间距；

c、电位梯度按1.3至1.35伏特电压设计，确定流压比；

d、根据上述矿热炉容量和计算得到的炉膛直径、炉膛深度、同心圆、电极直径、电极间距和护盖高度制造矿热炉，能达到0.9的自然功率因素。

本实施例步骤a中依据碳电极每平方厘米电流7A确定安全电流，即是按照自焙电极每平方厘米带电流7安培计算，安全电流为7万安培。

本实施例步骤b中按10200平方厘米横切面电极端头断面积设计，电极直径为114厘米，电极间距180厘米，同心圆340厘米，炉膛直径780厘米；计算过程为，根据S＝πr²反推算电极直径，即假设电极直径为X，带入公式(X厘米÷2)²×3.14＝10200平方厘米，计算结果为X约等于114厘米；电极间距是同心圆340厘米除以

减一根电极直径得出的结果；即180厘米计算公式为340厘米×(1.732÷2)＝294.44厘米；然后减一根电极直径：294.44厘米-114厘米＝179.56厘米，约等于180厘米；设计过程中，采用小数点后数据取约等于值。

本实施例步骤c中电位梯度按1.3至1.35伏特电压设计为230至240伏特，二次电压70000安培除以230伏特等于304安培电流，电流和电压的比例为304安培：1伏特，70000安培除以235伏特等于297.87安培，电流和电压的比例为297.87安培：1伏特；电位梯度伏特1.3伏特至1.4伏特数据是电压除电极间距得出的结果；230伏÷180厘米＝1.2777伏(每厘米电压)为电位梯度，采用数据取中间作基准点。

本实施例步骤d中矿热炉容量为25500KVA时，炉膛直径7.8米、炉膛深度2.7米、同心圆3.4米、电极直径1.14米、电极间距1.8米和护盖高度1.2米，能达到0.9的自然功率因素。

也就是说，按照容量25500KVA的电石炉为基准的设计方案是：

按10200平方厘米电极端头断面积设计，电极直径为1140厘米，电极间距180厘米，同心圆3400厘米，炉膛直径7800厘米。因碳素材料，自焙电极按每平方厘米带电流7安培计算，安全电流为7万安培，电极间距180厘米，设计电位梯度按1.3至1.35伏特电压设计，为230至240伏特，二次电压70000安培除以230伏特等于304安培电流，电流和电压的比例为304安培：1伏特，70000安培除以235伏特等于297.87安培，电流和电压的比例为297.87安培：1伏特。这样设计出来的电石炉自然功率因素就能达到0.9功率因素；详细来说，电炉25500KVA，炉膛直径7.8米，炉膛深度2.7米，同心圆3.4米，电极直径1.14米，电极间距1.8米，护盖高度1.2米，完全达到0.9的自然功率因素。

现把25500KVA电石炉运行实际数据总结统计记录，例：110KV进线，通过矿热炉变压器输出的各档位电压，电流比为：

电压 150V 流压比为250A:1V时，功率因素0.9

180V 流压比为260---265A:1V时，功率因素0.9

200V 流压比为270----280A:1V时，功率因素0.9

220v 流压比为280----290A:1V时，功率因素0.9

240V 流压比为295-----305A:1V时，功率因素0.9。

Claims (5)

1.一种节电矿热炉的工艺包设计方法，其特征在于按以下步骤进行：

a、根据0.9的功率因素设计，先确定矿热炉容量，然后依据碳电极每平方厘米电流7A确定安全电流；

b、然后按10200平方厘米横切面电极端头断面积设计，确定电极直径、同心圆和炉膛直径和电极间距；

c、电位梯度按1.3至1.35伏特电压设计，确定流压比；

d、根据上述矿热炉容量和计算得到的炉膛直径、炉膛深度、同心圆、电极直径、电极间距和护盖高度制造矿热炉，能达到0.9的自然功率因素。

2.如权利要求1所述的一种节电矿热炉的工艺包设计方法，其特征在于步骤a中依据碳电极每平方厘米电流7A确定安全电流，即是按照自焙电极每平方厘米带电流7安培计算，安全电流为7万安培。

3.如权利要求1所述的一种节电矿热炉的工艺包设计方法，其特征在于步骤b中按10200平方厘米横切面电极端头断面积设计，电极直径为114厘米，电极间距180厘米，同心圆340厘米，炉膛直径780厘米；计算过程为，根据S＝πr²反推算电极直径，即假设电极直径为X，带入公式(X厘米÷2)²×3.14＝10200平方厘米，计算结果为X约等于114厘米；电极间距是同心圆340厘米除以

减一根电极直径得出的结果；即180厘米计算公式为340厘米×(1.732÷2)＝294.44厘米；然后减一根电极直径：294.44厘米-114厘米＝179.56厘米，约等于180厘米；设计过程中，采用小数点后数据取约等于值。

4.如权利要求1所述的一种节电矿热炉的工艺包设计方法，其特征在于步骤c中电位梯度按1.3至1.35伏特电压设计为230至240伏特，二次电压70000安培除以230伏特等于304安培电流，电流和电压的比例为304安培：1伏特，70000安培除以235伏特等于297.87安培，电流和电压的比例为297.87安培：1伏特；电位梯度伏特1.3伏特至1.4伏特数据是电压除电极间距得出的结果；230伏÷180厘米＝1.2777伏(每厘米电压)为电位梯度，采用数据取中间作基准点。

5.如权利要求1所述的一种节电矿热炉的工艺包设计方法，其特征在于步骤d中矿热炉容量为25500KVA时，炉膛直径7.8米、炉膛深度2.7米、同心圆3.4米、电极直径1.14米、电极间距1.8米和护盖高度1.2米，能达到0.9的自然功率因素。