三项铁合金冶炼新技术述评

吕俊杰　陈超

1　低频电源矿热炉技术

　　目前我国铁合金年生产能力已超过500万吨，铁合金年产量达到400万吨，已成为世界第一铁合金生产大国和第一出口大国，现拥有各种容量矿热炉1800余座，按其供电方式可分为三相交流供电、直流供电和低频电源供电三种。传统的三相交流矿热炉，由于电抗与电阻的比值常在2.7～6.0甚至达到7.0以上，大的电抗存在，降低了系统的功率因数与有功功率，降低了电效率^〔1〕。若在传统的三相矿热炉的电炉变压器二次侧与短网间加入一个低频电源装置，即将工频50Hz交流电调节为0～3Hz的低频电源供电，可减少大电流线路的电抗，提高炉内的输入功率，节约电能，提高产量，降低消耗。

1.1　矿热炉低频电源供电系统

　　矿热炉低频供电系统如图1所示。

图1　矿热炉低频供电系统示意图

1.2　低频电源矿热炉的特点

　　据文献〔1、2〕介绍，低频电源矿热炉既兼有直流和交流供电的诸多优点，又避免了交流供电端网阻抗大、直流供电电弧偏移的缺点。由于频率低(如0.05Hz)，近于直流，其电抗可忽略不计，因而具有直流的优点，而且还是交流、三相电极、无底电极，克服了直流的弱点，使运行中起弧容易，电弧稳定。

1.2.1提高了功率因数，增强电炉变压器的供电能力

　　由于短网感抗L及电抗X都大幅度降低，在运行中功率因数均大大提高。

1.2.2炉底温度提高，电极消耗下降

　　低频电源使电流的集肤效应减少，整个电极截面通过的电流均匀，电极表面密度减少，外层温度下降，氧化消耗速度减少，从而使电极消耗下降。由于频率低，近于直流，避免了交流供电强弱相间的功率转移，三相供电平衡，电弧稳定，炉底热量集中，有利于提高炉底温度，促进了炉内还原反应的进行，也有利于铁水温度的均匀和控制炉底的上涨，这对某些品种(如Ca?Si，Ba?Si等)的冶炼过程中控制炉底上涨更为重要。

1.2.3提高了有功功率，增加了电效率

　　阻抗减少了，短网有功功率的损失也随之下降，从而使输入炉内的有功功率增加，提高了有功功率的利用效率。

1.3　低频电源矿热炉的应用及效果

　　目前西安华兴电炉公司设计出了多台低频矿热炉，并投入了生产应用(见表1)。

表1　低频电源矿热炉生产应用厂家〔2〕

　　通过以上厂家的实际应用，表明低频电源矿热炉产品结构合理，运行可靠，性能优良，其功率因数比原来提高10％～15％，达到0.92～0.94，电极消耗降低约25.7％，变压器输入的有功功率增加10％～15％，与同容量的交流工频矿热炉相比，可节电5.73％，噪声降低约15dB，具有显著的经济效益和推广价值，该项技术已通过了陕西省科委1999年3月的技术鉴定。

2　直流矿热炉技术

　　目前我国绝大部分厂家采用交流矿热炉生产铁合金、电石及黄磷等产品，其主要缺点是功率因数低、电耗高、电弧不稳定、噪音大。由于电耗高，使生产成本居高不下。70年代末80年代初，一些铁合金工作者在总结炼钢直流电弧炉所具有的一系列优点(冶炼电耗和运行噪音低、生产效率高、电极消耗少)的基础上，开发了直流矿热炉，并投入了工业应用(见表2)。

表2　我国已投产的铁合金直流埋弧炉厂家

2.1　直流矿热炉的分类

　　目前使用的直流矿热炉按其供电布线的方式分为单电极和三电极两种，其结构分别见图2和图3。其中三电极直流矿热炉可以是一台直流电源供电(见图3a)和三台直流电源供电(见图3b)。

图2　单电极直流埋弧炉结构示意图

a)5MV直流埋弧炉　　b)16.5MVA直流埋弧炉

图3　三电极直流埋弧炉结构示意图

2.2　直流电弧炉的特点

2.2.1　炉底导电结构简单，运行可靠，安装维修方便。
2.2.2　熔池反应区温度较高，炉眼易开，出铁顺畅。
2.2.3　炉底热量集中，反应坩埚区接近于炉底，有利于还原反应的进行，从而有效地控制了炉底上涨，对难炼产品(如Ca?Si、Ba?Si等)的冶炼周期延长更为重要。
2.2.4　电弧稳定，电极消耗降低，噪声减少。
2.2.5　节约电能，增加产量，显著地改善铁合金冶炼的技术经济指标。

2.3　直流矿热炉的应用效果

　　据文献〔3～6〕介绍，目前张家口市四方台铁合金厂的2MVA和6.3MVA单电极直流矿热炉(冶炼锰硅合金)同国内重点铁合金厂的交流矿热炉相比，电耗降低7％以上，电极糊节约45％，功率因数提高6％，产量增加12％左右。
　　表3列出了某铁合金厂生产75％硅铁的24MVA交流矿热炉与直流矿热炉的技术经济指标的比较^〔7〕。
　　青海华电铁合金厂在6.3MVA直流矿热炉上生产75％硅铁的实践表明，直流矿热炉电耗比交流矿热炉降低6％～8％，电极消耗节省40％～50％，设备噪音减少7～13dB，炉子功率因数提高至0.94^〔8〕。

3　以煤代焦冶炼铁合金

　　近十多年来，高炉上已广泛采用喷煤技术，以降低高炉焦比(如攀钢、鞍钢等)；电弧炉炼钢已通过喷枪向炉内喷吹煤粉引入外部热源，加速废钢熔化，降低电耗(如石家庄钢铁厂、广钢等)。最近转炉上也已开始实施加煤炼钢，以降低铁水消耗，达到提高入炉的冷料比，多吃废钢和生铁块(如重钢等)。国外的厂家早已采用以煤代替部分焦炭生产铁合金，并取得了显著的经济效益，我国近年来也开展了向矿热炉内喷吹(加)煤粉代替焦炭生产铁合金的试验^〔9、10〕。

3.1　以煤代焦的背景

　　焦炭价格和电价的上涨，使铁合金生产成本上升，寻求以我国丰富的煤炭资源代替部分焦炭，直接喷吹或加入炉内作为第二热源是很有必要的。煤的燃烧提高了炉内反应温度，改善了铁合金还原的动力学条件，扩大了反应区，加快了反应过程，从而提高了热效率，降低了冶炼电耗和生产成本。

3.2　煤的加入方法及效果

3.2.1煤可以代替部分焦炭(一般少于还原剂总用量的30％)直接与焦炭一起配加入炉。
3.2.2将煤加工成粒度为0～2mm，采用喷枪系统，以压缩空气作载体，将煤粉通过空心电极喷入炉内的熔池区(坩埚区)。
3.2.3喷吹煤粉代替部分焦炭，改善了炉内的还原条件。在冶炼锰硅合金时取得了较好的技术经济指标，电极消耗降低35％～45％，节电9％～18％，增加产量10％～20％，降低成本约100元/吨^〔9〕。而未采用喷吹系统，将煤与焦炭一起直接加入炉内，其节能降耗效果不明显^〔10〕。李春德等人开展的喷吹煤粉代替部分焦炭的“电－煤双热源生产硅铁技术”已获得国家发明专利，该技术的推广应用，对提高铁合金产量，节能降耗有显著效果^〔11〕。

4　结语

　　以上三项新技术(低频电源矿热炉、直流矿热炉冶炼铁合金、以煤代焦)具有广阔的应用前景，能取得显著的社会、经济效益，若在我国铁合金行业推广，对推动铁合金工业的技术进步，提高铁合金企业的经济效益是十分有利和必要的。

表3　某厂生产75％硅铁的直流矿热炉