無底電極直流礦熱爐
冶煉硅鐵工藝中遇到的技術瓶頸
工業用直流電爐是從70年代興起，90年代初，隨著大功率整流管及其成套裝置在工業設備上的應用，使直流電爐不但在技術上得到較快的發展，而且直流電爐的容量也在不斷的擴大。
到目前為止，國內的直流電爐發展主要有兩種，一種是單電極直流電爐，一種是雙電極直流電爐（帶磁鏡線圈），根據我考察的結果及我公司對雙電極直流電爐的試驗得出結論；證明各種形式的直流電爐都有它的局限性，現在我們根據實踐闡述一下雙電極直流電爐冶煉硅鐵工藝中遇到的技術瓶頸。
一、 硅鐵冶煉的基本方法及原理。
硅鐵是在敞口式和半封閉式的還原電爐內采用連續作業的方法進行冶煉的，在整個冶煉過程中。電極深而穩的插入爐料中，均勻的爐料，隨料面均勻下沉而小批的加入爐內。爐內料面始終保持一定的高度，并稱平錐體形狀，爐內鐵水積存到一定程度時，打開爐眼放出。用碳做還原劑還原二氧化硅時，有中間產物碳化硅和一氧化硅生成，而且碳化硅和一氧化硅的生產和分解在二氧化硅的整個還原過程中起著重要的作用。在有鐵存在時，還原出來的硅與鐵反應生成FeSi,碳化硅也被鐵破壞生成FeSi。同時鐵的存在可以促使硅沉入熔池，使之離開反應區，從而改善二氧化硅的還原條件。冶煉硅鐵時，二氧化硅的還原反應可用下式表示：
SiO?＋2C＋nFe＝FenSi＋2CO↑
生成硅化鐵因鐵量不同，反應放出的熱量也不同，因而不同含硅量的硅鐵，其開始還原溫度也不同。熔煉的硅鐵含硅量越低，二氧化硅被還原的理論開始反應溫度也就越低。爐料根據配比按焦炭、硅石、鋼屑的次序進行配料，一般取200公斤或300公斤硅石一批料。每次只允許稱量一批料，而且稱量要準確。爐料配好后送入爐頂料倉或操作平臺上。按硅鐵冶煉的順序進行，不僅取決于正確的配料，而且更重要的是取決于均勻的加料，合適的料面狀態。為了保持爐內良好的透氣性，需要進行扎眼和搗爐。硅鐵是一種難冶煉的鐵合金品種，精心操作固然重要，但正確的判斷爐況和及時處理爐況也是必不可少的。硅鐵冶煉正常的標志是電爐負荷穩定，電極深而穩定的插入爐料中（小電爐是深度為800-1000mm，大電爐為1000-1400mm）。電極焙燒正常，下放量也正常；爐口火焰呈黃色，均勻活躍，火焰區放大；爐料松軟，料面高度適中，爐料下沉均勻；爐口溫度低；出鐵口易開易堵，出鐵順利，鐵水流頭大，能排出少量的液態爐渣；合金成分穩定，產量高。隨著冶煉過程的不斷進行，爐內存積的鐵水越來越多。到一定時候就應打開鐵口，將鐵水放出，出鐵時間不宜過長，通常為15分鐘左右。出鐵次數應根據爐子的容量、冶煉排號來確定。一般的，10000-30000KVA電爐冶煉75硅鐵時，八小時出3-4次爐，冶煉45硅鐵時出5-6次爐。爐眼打開后，根據鐵水流出和負荷情況，逐步下插電極。出鐵口相電極在出鐵前期應盡量保持不動，后期可逐步下插。出鐵時，鐵水流頭過大時，用帶爬頭圓鋼擋一擋；過小，用圓鋼桶爐眼，為防止鐵水表層凝固，要加入焦炭粉保溫。在出鐵過程中因力求多排渣，在出鐵后期應用圓鋼拉渣。爐內積渣多時，可往爐內一次性加入200-300公斤或每批料加入5-10公斤顆粒度合適的石灰，以降低爐渣熔點，增加其流動性，促使爐渣排出。這種方法不宜常用。減少爐渣的主要手段應該是嚴格控制爐料雜質的帶入。堵眼前先把出鐵口燒圓，保持出鐵口形狀為內小外大，消除爐眼處的渣子。堵眼用的材料是摻有一定量焦炭粉或電極糊的錐形粘土泥球。出鐵口使用2-3周時，就應用電極湖封眼。同時注意修補流槽。鐵水在鐵水包內鎮靜短時間后，加入一根石墨棒擋渣，然后澆入錠模。為防止合金成分產生嚴重的偏析，應減少鐵錠的厚度，降低鐵水澆模溫度。加快鐵錠的冷卻速度。75硅鐵厚度應小于100毫米。45號硅鐵厚度應小于150毫米。
生產一噸75硅鐵的消耗硅石：1780-1850公斤，焦炭：890-930公斤，鋼屑：220-230公斤，電極湖45-50公斤，電耗8400-9000KW/h。
二、 無底雙電極直流電爐的優點和缺點
優點是：1、無底雙電極直流電爐與交流爐相比，簡化爐膛設計。
2、將現有的多種爐形，如圓形、長方形交流爐可輕松改裝為直流電爐。
3、電爐功率因數高。
4、與帶底電極同容量設計相比，在給定功率下，電爐將 以更低的總電流（大約一半）運行。這是由于在渣池上存在有兩個串聯的電弧和兩個電弧附著區，們的作用是增加爐襯的總電阻。
缺點是：1、無底雙電極直流電爐載流能力與單電極直流電爐相同，因為每一個電極都承載全爐電流。
2、無底雙電極直流電爐由于電阻增加，電爐二次電壓將在更高的電壓下運行（大約是單電極直流電爐的2倍）。
3、無底雙電極直流電爐由于陽極和陰極同在爐頂，產生兩個弧柱，其中陽極弧柱“拓撲”到陰極上去（拓撲是一個數學術語；它只考慮物體間的位置關系而不考慮它們的形狀和大?。?。
4、無底雙電極直流電爐從直流電壓供給陽極，經陽極工作端→陽極弧柱→爐底→陰極弧柱→陰極工作端→電源負極，這一過程產生的電壓降大約為25V-30V，那么陽極的功率大于陰極的功率，這也就形成了陽極反應區溫度高于陰極反應區的溫度；由于陽極溫度較高，無底電極直流礦熱爐電極消耗與交流礦熱爐電極消耗持平。
5、無底雙電極直流電爐陽極和陰極電弧射流攜帶的電流方向相反，并會相互排斥，導致兩個弧柱成外八字偏??；由于電極分布存在冷區，冶煉時間延長，和交流礦熱爐相比節電效果不明顯。
三、為什么無底雙電極直流電爐不適合冶煉硅系產品（硅鐵、硅鈣、硅鋁、工業硅等）
1、硅系產品在冶煉過程中需要低電壓大電流進行一段時間的悶燒，恰恰無底雙電極直流電爐的特性是 高電壓低電流，所以無底雙電極直流電爐不適合無渣冶煉工藝技術。
2、由于無底雙電極直流電爐兩電極之間溫度的差別，陰極溫度低于陽極溫度，在陰極部位存在的碳化 硅需要更高的溫度去分解碳化硅，而陰極溫度低于陽極溫度，容易在陰極反應區形成碳化硅堆積，造成爐底上漲。
3、由于無底電極直流電爐（偶數電極）在熔池中分布的電極極心圓形狀不合理，形成多個冷區，延長了冶煉時間，造成冶煉電耗升高。
通過以上理論分析和應用實踐，證明無底電極直流電爐（偶數電極）不適合硅系無渣冶煉工藝，如在硅系產品中應用還需要進行進一步探討和研究如何解決上述技術難題。
2023年6月24日