矿热炉操作人员讲义

矿热炉操作人员讲义

目录

1.为什么要求电极较深地插入炉料？.............................................2

2.硅铁电炉的电参数及几何参数确定方法及公式..................................2

2.1.电炉供电参数的确定.....................................................2

2.2.电炉几何参数的确定.....................................................3

3.影响电极插入深度的因素有哪些？...............................................4

3.1.焦炭或兰炭加入量.......................................................4

3.2.焦炭或兰炭粒度.........................................................4

3.3.焦炭或兰炭性质.........................................................4

3.4.矿热炉二次电压.........................................................5

3.5.操作情况...............................................................7

3.6.出铁时间...............................................................7

3.7.炉内积渣量.............................................................8

3.8.电极间的极心圆直径.....................................................8

4.如何判断电极出入深度？........................................................8

4.1.电弧响声................................................................8

4.1.1.气体放电的巴申定律...............................................12

4.2.塌料和刺火情况........................................................12

4.3.用烟区域大小..........................................................13

4.4.炉口温度..............................................................15

4.5.出铁情况..............................................................15

5.正常炉况应是什么样的？.......................................................15

6.为什么炉渣有时发粘，怎样处理？..............................................16

6.1.炉渣过粘的特征.........................................................16

6.2.炉渣过粘的原因.........................................................16

6.3.炉渣过粘的危害性.......................................................17

6.4.炉渣过粘时操作注意事项.................................................17

6.5.较大容量的电炉炉渣发粘时的两个措施....................................17

7.矿热炉炉内为什么有时刺火，如何处理？........................................18

7.1.刺火的概念.............................................................18

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7.2.比较容易刺火的部位：...................................................18

7.3.刺火的原因.............................................................18

7.4.刺火的危害：..........................................................18

7.5.刺火的处理方法：.....................................................19

8.为什么炉渣过粘时电极不易深插？.............................................19

9.工业硅冶炼过程中矿热炉易出现的几种炉况问题...............................20

9.1.概述...................................................................20

9.2.还原剂的选择及配料问题.................................................21

9.3.炉况波动时出现的问题...................................................21

9.4.出炉时发现的问题.......................................................21

9.5.仪表操作中发现的问题...................................................21

1.为什么要求电极较深地插入炉料？

电极较深的插放炉料，可以提高炉温和扩大珀烟，为冶炼反应充分进行，

创造了必要的热量条件。因此，使电极较深的插入炉料，是冶炼操作中的重要

环节。

当电极插入炉料较深时，热量损失少，炉温高，用烟大，炉内化学反应速

度快，于是出铁量多，单位电耗低。反之，电极插入炉料较浅时，刺火和塌料

现象均较多，热量损失大，炉温低，反应不能充分进行，因此，就不会有较好

的技术经济指标。

电极的插入深度，主要与冶炼品种和炉容量大小有关。

据实践经验，冶炼75硅铁，较大容量炉子的电极插入深度一般为

1000〜1200mm,较小容量的矿热炉，一般为700~1000mm。冶炼45硅铁较

大容量矿热炉的电极插入深度，一般为800〜1000mm,较小容量炉子一般为

500〜800mm较为合适。

2.硅铁电炉的电参数及几何参数确定方法及公式

2.1.电炉供电参数的确定

以25MVA硅铁电炉为例（下同），电炉的供电参数如下：

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（1）矿变的一次电压以35或llOkV为常见的一次电压。

（2）调整二次电压，有载远程自动控制。

（3）油水冷却器冷却电炉变压器。

（4）电炉变压器装有中压无功补偿装置，以提高电炉冶炼的功率因数。

（5）变压器二次电压范围，115〜175〜265V,变压器电压级数31级，级

差3V,电炉常用使用电压190V,额定电流76000A左右。

（6）三个单相变压器，接线方式DdO。

（7）自然功率因数下电炉额定有功功率16.25MVA。

2.2.电炉几何参数的确定

电极的直径由电极的电流密度和电极截面的功率密度来决定。电极电流密

度设定为6A/CO?,电极截面的功率密度设置为0.5kW/cm2左右。由此确定电极

直径130cm。即使采用中压补偿来提高有功功率，上述计算方法仍然在有效的

范围内。

（1）电极的极心圆直径如何确定？

电炉的极心圆直径是由极心圆面积的功率密度决定的，在25MVA电炉中

极心圆的面积功率密度选择2.65MVA/m2,由此确定电极的极心圆直径在

3100±100mmo

（2）电极的炉膛直径是如何确定的？

电炉的炉膛直径是由炉膛面积的功率密度决定的，在冶炼硅铁的25MVA

电炉中，这个数值取值500kW/m2,依此计算电炉的炉膛直径大约在

7200mm。

（3）电炉的炉膛深度是如何确定的？

电炉的炉膛深度是由电炉容积的功率密度决定的，此数值大约

190kW/m3o由此计算25MVA的炉膛深度的在2600mm左右。

（4）炉壳高度的尺寸是如何确定的？

25MVA的炉壳高度是由炉膛深度加上2000mm,大约在4600mm左右。

这就意味着炉底厚度2000mm左右。

（5）炉壳直径的尺寸是如何确定的？

25MVA的炉壳直径是由炉膛直径加上2000mm,即9700mm左右，这就意

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味着炉墙厚度1000mm左右。

(6)炉墙碳砖的高度尺寸是如何确定的？

硅铁电炉炉墙碳砖的高度应大于0.67d(d-电极直径)，以保证电极的插入

深度低于碳砖的高度200〜250mm。在25MVA电炉炉墙碳砖高度大约在

1100〜1200mm。

这里需要特别指出的是上述炉子尺寸参数值的计算，均是在电炉自然功率

下的有功功率为基础的，考虑到低压、中压补偿以后有功功率的提高，应根据

有功功率的提高幅度来重新核定其尺寸参数值。

3.影响电极插入深度的因素有哪些？

3.1.焦炭或兰炭加入量

焦炭的导电性比硅强。如果焦炭加入量过多，会影响电极深插。因此，在

满足硅石中的二氧化碳充分还原的条件下，焦炭加入不要过多，以利于电极插

入。

兰炭是由优质的侏罗纪煤炭烧制而成的，具有固定碳高、比电阻高、化学

活性高、含灰份低、硫低、磷低、铝低等特性。被广泛应用于电石、铁合金、

硅铁、碳化硅等产品的生产及化工、冶炼、造气等行业。近些年，兰炭还被广

泛应用于民用领域及工业锅炉燃料。兰炭的大范围推广是使用，越来越受到各

领域的关注与推崇。

3.2.焦炭或兰炭粒度

焦炭的粒度小，表面积增大，增加接触面，炉料的电阻大，则电极插入

深；反之，焦炭的粒度大，表面积减少，炉料的电阻小，则电极的插入深度就

变浅。

兰炭也被成为半焦、焦炭，结构为块状，粒度一般在3mm以上，它的颜

色呈浅黑色。兰炭可以分为大料、中料、小料及焦面。小料粒度介于6mm〜

13mm,中料粒度介于13mm~25mm,大料粒度大于25mm,焦面粒度小于

6mm。兰炭的质量标准，固定碳＞82%,挥发分＜4%,灰份＜6%,硫＜

0.3%,水份＜10%。

3.3.焦炭或兰炭性质

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这里主要是指焦炭本身的电阻。如果焦炭的电阻小，通过炉料的电流大，

使电极上升，电极插入深度就浅。反之，焦炭的电阻大，例如使用煤气焦等，

因其电阻大，电极则可深插。

兰炭固定炭高、比电阻高、化学活性高、含灰分低、铝低、硫低、磷低的

特性，可代替冶金焦、无烟块和木炭而广泛运用于电石、金属硅、铁合金、硅

铁、格铁、硅锦、碳化硅、化肥等产品的生产中。

3.4.矿热炉二次电压

当冶炼采用较高的二次电压时，电弧较长，电极在炉料内插入较浅。反

之，采用较低的二次电压，电极插入炉料就比较深。

矿热炉也叫埋弧电炉，电极在料层内部同时存在电弧导电和电阻导电两种

方式其电流走向为：

电极T电弧T渣、铁熔体—电弧―电极

电极T固熔态炉料T电极

根据铁合金矿热电炉的一般冶炼特性，电弧导电电流约占全部电流的

70〜75%,电阻电流占全部电流的25〜30%,电阻电流比例的大小与使用二次

电压成正比与料层电阻成反比。

铁合金冶炼矿热电炉二次电压选择的经验公式为：

U2=KU^P-..................-..........-..............(1)

Ku---电压系数，与冶炼品种不同有关。其中，专孟硅合金为6.2〜6.6;图碳

格铁为7.0〜7.3;锲铁为11〜14。锲铁值为根据现有矿热电炉数据推算而得。

P——电炉功率，kVAo

可以看出，二次电压参数高低的选择与电炉功率大小、炉料、炉渣、金属

特性有关，并有如下规律：

(1)无论冶炼何种铁合金产品在同种工艺操作情况下矿热炉功率越高选用的

二次电压越高。

(2)使用同等功率电炉冶炼不同产品时，料层导电能力越高使用的二次电压

相应越低并会表现出相应偏低的功率因数。料层的导电能力通常与炉料化学物

理特性、还原用焦炭性能及配入量有关。

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>

2700

3600

一500

怒400

一

三300

.

洸200

100

100020003000400050006000

电炉功率/kVA

支x工高碳铭铁MA三镭硅合金正蕊镶瓢茨射

图1冶炼不同产品电炉功率与二次电压关系曲线

图1是根据收集到的不同产品，使用不同功率矿热电炉和相应常用二次电

压数据绘制而成的相关曲线，针对镖铁矿热电炉设计时二次电压的选择作如下

分析。

锦硅合金、高碳铭铁是铁合金生产中较为普遍的矿热炉冶炼产品，与银铁

同属有渣法产品冶炼在实际生产过程中其单位入炉矿焦炭配用量比镶铁冶炼

多。因而，在使用同等功率矿热炉。

冶炼时，选用的二次电压比银铁冶炼低，从表格数据可以看出：尽管这些

产品冶炼过程在使用矿种品位高低、焦炭性能、配入量等因素会有所波动，但

在同一功率矿热炉中使用的二次电压变化范围不会太大，级别设定也不会太

多。

冶炼生铁用的矿热炉数据不全，目的在于国内已有多家利用高铁镁矿或含

铭银矿冶炼低Ni锲铁和低Ni银铭合金，如何利用银矿中的Fe和Cr,也是国内

锲铁冶炼的一种趋向。冶炼上述产品的矿热电炉参数，介于锦铁、格铁与锲铁

冶炼矿热炉之间。

在银铁冶炼中，尽管使用银矿含Ni量仅在1%〜3%,红土银矿含Fe量的大

幅波动及对镶铁冶炼过程含Ni量高低控制较大范围变化的影响，加之对锲矿

预处理方法的不同，冶炼操作、冶炼过程焦炭的配入量产生较大的差值，故在

矿热炉参数选择时，首先对二次电压的选择会有较大的不同。具体表现在：

(1)以同等功率矿热炉与铁合金其他产品的冶炼相比，冶炼锲铁使用的二次

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电压较高，接近镒硅合金、高碳铭铁冶炼常用二次电压的二倍左右，不经补偿

的功率因数一般高达0.92〜0.96。

(2)使用同一含MgO较高(MgO>18%)的银矿，在相同功率矿热炉采用不同

操作冶炼含Ni相近的银铁时，使用二次电压的高低不同，从高到低的操作顺

序是：热矿入炉，薄料面、厚渣层操作;热矿入炉，厚料层、厚渣层操作;热烧

结矿入炉，厚料层、薄渣层操作;冷烧结矿入炉，厚料层、薄渣层操作。对于上

述操作顺序常用二次电压的参照值如下：~450VT〜420Vt〜390V-〜360V。

不同厂家使用焦炭性能不同，使用二次电压会产生一定的波动。但不同操作造

成常用二次电压的差别不能低估。

(3)以同一操作方式，使用同一银矿冶炼Ni含量越高的银铁，常用二次电

压一般越高。

以同一操作方式,使用含Ni相近，含Fe量不同的锲矿，生产含Ni不同的

银铁时，含Ni越低，使用二次电压应越低。以含Nil%〜2%,Fe>37%,生产含

Ni约3%的锲铁时，其常用二次电压已接近电炉生铁冶炼所需的二次电压。

(2)以同等功率矿热电炉冶炼银铁与其他产品相比，冶炼银铁的变压器二次

电压设计范围较宽，电压级数较多，这与最低二次电压的选择和常用二次电压

的波动范围大有关。

最低二次电压的选择与电极焙烧方式有关。投产时，采用焦炭焙烧电极，

设计时可选用较高的二次电压。采用电焙烧电极，一般会选用较低的二次电

压。

一些电炉参数设计时，选用的二次电压最高值,是否需要远超正常使用二次

电压范围，可进一步讨论分析。

二次电压选择合适与否，关系到电极直径的合理选择和电炉功率的合理使

用。

3.5.操作情况

如果操作不当，诸如混料不均，偏加料，不及时捣炉。炉渣过粘，料面过

高或炉内缺料等等，都会妨碍电极插入炉料的深度和稳定程度。

3.6.出铁时间

在炉况正常情况下，出铁间隔时间延长或铁水出不干净，炉内积存铁水势

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必较多，电极要上升，电极插入炉料内较浅。

3.7.炉内积渣量

排渣不好，炉内积渣过多，炉底上涨，电极的插入深度变浅。

3.8.电极间的极心圆直径

相同容量的矿热炉，极心圆的直径较大时，电极间距离较远，炉料的电阻

增加，电极插入炉料内较深，反之极心圆直径较小时，电极插入深度变浅。

4.如何判断电极出入深度？

实践经验可通过以下五个方面，判断电极出入深度：

4.1.电弧响声

电炉冶炼过程中，如果电弧的响声很大，则说明电极插入炉料过浅/。一

般来说电极插入深度超过800mm,电弧响声较小。

“电弧”是一种等离子体放电现象，电流通过某些绝缘介质（例如空气）所

产生的瞬间火花。电弧是一种自持气体导电（等离子体中的电传导），其大多

数载流子为一次电子发射所产生的电子。触头金属表面因一次电子发射（热

离子发射、场致发射或光电发射）导致电子逸出，间隙中气体原子或分子会因

电离（碰撞电离、光电离和热电离）而产生电子和离子。另外，电子或离子轰

击发射表面又会引起二次电子发射。当间隙中离子浓度足够大时，间隙被电击

穿而发生电弧。

矿热炉的许多重要冶金特性如温度分布、能量传递、电极消耗、矿热炉特

性等都与电弧有关。

电弧是气体导电形成的。通常，气体由中性原子和分子组成，不导电。但

当气体中某些组分在外界条件作用下发生电离时，气体便具备导电能力。电弧

导电必须满足如下两个条件：

（1）气体中有大量可移动的电荷。所有气体中都存在一定数量的离子和电

子，均呈现微弱的导电性。在电场和温度作用下气体发生离解和电离作用，导

电粒子数量大增。气体原子在室温下以400m/s速度运动，而同一温度下电子

则以100000mA运动。温度越高，粒子运动速度越快。

（2）存在使电荷做定向运动的力。在电场的作用下，带电粒子加速运动，从

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而提高带电粒子的能量。

电场强度为零时，气体的残余电离十分有限。在外电场作用下，带电粒子

将做定向运动。由于气体中游离电荷非常少，电流十分微弱，当电压提高到一

定程度时，带电粒子从电场获得能量，随着电离程度的增加，带电粒子数量迅

速增加，这时，气体被击穿，由绝缘体变为导体，该电压称为击穿电压为。

击穿电压4与电场强度E、气体压力P和放电间隙d的关系如下：

t/b=0)Pxd=Exd

气体压力数值很小时，电场中气体电离数量很少，击穿电压很高。气体的

击穿电压与气体的种类和温度有关。埋弧炉中炉气的击穿电压为30kV/cmo

当电压高于击穿电压的初期，电压会维持不变，电流很小;当气体被电流强

烈加热，温度达到一定程度时，阴极具备发射电子的能力;当气体温度高到几千

摄氏度时气体开始热离解，快速运动的分子相互碰撞产生大量的离子，这时气

体导电能力迅速增强，电弧电压迅速降低，气相中电流速度增加，电流集中于

一个通道，这就是电弧，这个通道就是电弧柱。

在矿热炉两电极之间施加一定的电压就可使气体电离，随着电离程度增

加，导电粒子数量迅速增加，电极间气体被击穿而形成导电通道，即生成电

弧。电极端部局部电流密度大于12A/cm2时就可能起弧，是在电极端部距熔

体最近的位置上起弧的;在炉料颗粒之间、炭质还原剂与金属之间也存在电弧。

炉料颗粒之间能否产生电弧主要取决于放电间隙的电压梯度。由于炉料在高温

下具有导电性，试验可以观察到混合炉料中产生的电弧现象，但矿石之间很难

形成电弧。

交流电的方向在一个周期内变换两次，在每半个周期内，交流电弧都经历

起弧、长大、衰减和灭弧几个步骤。因此，交流电弧是不稳定的。交流矿热炉

电弧在电极端部经常跳跃，在磁场作用下，三相交流电弧与电极呈一定角度，

电弧总是向炉墙一侧偏转。

电弧柱中气体电离起因于阴极斑点的热电子发射，这些斑点是电极尖端达

到白热状态的区域，由于电子的动能大于阴极材料的逸出功，就能向四周空间

发射电子。在电场作用下，电子向阳极加速运动，在靠近阳极的区域内获得很

大的动能，所以当它们和气体分子及原子碰撞时，足以使后者电离。同时，电

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弧的高温使气体分子平均动能增大，气体分子不断碰撞也产生热电离。电流的

迁移是由电子趋向阳极和正离子趋向阴极的运动造成的，两者相比，电子的迁

移率远远超过正离子。抵达阳极的电子释放出它们的动能，使阳极产生大量的

热，故阳极的温度远高于阴极。因此，在直流矿热炉中，电极作阳极，炉底作

阴极。

在电弧柱中同时存在着和电离相反的过程(即消电离)，包括带正、负电荷

的质点相遇后的复合和离子在温度、压力梯度作用下向周围空间扩散。显然，

单位时间内进人电弧的电子数目和形成的离子数目，等于由于复合和扩散所丧

失的电荷数目。复合过程往往在限定气体容积的表面上进行。因此，复合速率

反比于电弧的截面积，扩散速率则正比于电极直径。电弧周围介质的温度及传

热条件、气体种类、电极材料等，对电弧电离和消电离过程有决定性的影响，

如环境温度越高，散热条件越差，电极材料熔点越高，电离条件越好，电弧燃

烧越稳定。另外，在环境条件和电极材料都相同时，电弧的截面积正比于电弧

的电流，因此电流越大，消电离速率越小，电弧燃烧越稳定。

工业生产中常把电弧看作纯电阻，实际上电弧是复杂的非线性现象，很难

建立准确的数学模型。有时也用电阻和电抗并联组合电路来代表电弧。沿电弧

长度的电位分布如图1所示，这也就是电弧中的功率分布。阴极区和阳极区的

长度很小，对大气中的电弧长度约为1pm,因而其电位梯度都很大，能使电子

获得很大的电能。电弧电压Uh和电弧长度L呈线性关系：

Uh=a+pL

式中

a-一阴极区电压降和阳极区电压降的和，它随着电极和炉料的不同而改

变,实验值为10〜20V;

P——电弧柱中的电位梯度，在低电流(1〜10kA)时为IV/mm,在40〜80kA

大电流范围内为0.9〜1.2V/mm。

若设电弧电压Uh=134V,约20V的压降发生在长度为lum左右的阳极区和

阴极区，其余的压降落在电弧柱上，则15%的电弧功率在电极端面和熔池面上

放出，而85%的电弧功率由电弧柱放出。交流电弧的能量平衡可用图2所示的

例子来说明。

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图2沿电弧长度的电位分布

电弧是一个气体导体，在其受到由本身电流造成的磁场作用下，电弧在径

向受到一个压缩力，而将沿轴向传递出去，于是作用在电极和熔池面上的力

F(N)为:

F=5xl08i2-..........................................-...........................................(1)

式中i——电弧电流，Ao

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电弧气体可推开熔池液面并使其形成弯月面，对熔体进行搅动和对流传

热。电流流过熔体也产生磁场，使熔体发生搅动。因此，气体对流是电弧最主

要的传热方式，电弧四周的气体被吸人电弧区，经电弧加热后由电弧推动气体

和熔体运动。对流传热占电弧总能量的50%以上。

在三相矿热炉中，每相电弧受到其他两相电弧所建立磁场的作用，在电磁

力作用下移至电极端部靠近炉壁的外侧而产生电弧外吹，使电弧柱和熔池面间

夹角减小至45。〜75。。由于电子的撞击，大量的阳极材料会从电极表面剥落下

来，电极末端的形状也随之改变。电弧外吹的高温气流(即电弧焰)冲向外侧，

高速抛出金属、渣、炭粒等质点，使电弧附近上方的用烟壁形成热点。

4.1.1.气体放电的巴申定律

巴申(Paschen)于1889年从大量的实验中总结出了击穿电压/与Pd的

关系曲线，其结果如图1所示，称为巴申定律，即

Ub=f(Pd)或f2(l4/Pd){exp[Pdfl(Ub/Pd)-l]}=l

图1给出了空气间隙的为与Pd关系曲线，可见，首先，/并不仅仅由d

决定，而是Pd的函数；其次，/不是Pd的单调函数，而是U形曲线，有极小

值。

/x//(cm-mmHg)

图1巴申定律

4.2.塌料和刺火情况

正常配料情况下，如果塌料和“刺火”现象频繁，说明电极插入炉料太浅。

熔渣和铁液分离区炉内发生塌料、爆炸属恶性事故，应将其归因于可燃气

体的一种带有压力波的燃烧一爆燃或爆轰。矿热炉作为还原性气氛冶炼设备，

其炉气气体爆炸必须具备3个基本条件：

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(1)有合适浓度的可燃气体；

(2)有合适浓度的氧气；

(3)有足够能量的点火源。

可燃气体与空气混合达到某一比例浓度范围，一遇明火，即引起爆炸。这

个比例浓度范围，就叫做爆炸范围。爆炸范围是由发生速度和传热速度相互决

定的。由于在低浓度区域内的可燃性气体量不足，而在高浓度区域空气量又不

足，所以在这两个区域内不发生爆炸。

矿热炉正常作业时，炉膛内因碳热还原反应生成的CO、％等可燃性气体

一般通过炉料层升至料面上方，再经烟道排放。对密闭炉而言，因炉内无空

气，可燃性气体浓度高，不会产生爆燃现象。燃气沿着炉内料层流动到炉外。

4.3.t甘烟区域大小

正常配料比情况下，如果炉料下降慢，说明电极插的浅，由于电极插的

浅，高温区则上移，热量损失大，因此均烟区域较小。

电弧弧长取决于电弧电场中的介质(炉料)，影响电弧电压。因此，电炉

工作电压与治炼产品原料的物理化学性质、炉料配比、粒度、工艺操作等因素

直接相关。弧柱截面积与电流成正比，随着电流的增加，面积按线性尺寸的平

方值增大，弧柱周边长度按线性增长。也就是说电弧向周围空间的热量散失成

倍减少。这样，II着电流的增大，电弧空间的电离程度和温度就越高。

电弧弧柱长与电压成正比，电弧弧柱截面积与电流成正比。当电极电流增

大到电弧弧柱呈半球体状态时，在炉内形成了所谓的熔池“生烟”。在这种状

态下，炉内反应区的温度最高、热效率也最高。

电炉运行中，选择电炉工作电压就决定了生期高度，操作电极电流的大

小，就是在控制均期截面积大小。

因此，电弧静伏安特性揭示了矿热炉埋弧运行的物理机理。

按电弧静伏安特性，珀期高度与电压U成正比，珀塌截面积与电流I成正

比。电压电流的比值，与电弧电场中的炉料性质相关。电极电流逐渐增大，当

均期直径等于D,珀期高度等于%D时，形成半球体状用埸熔池。见图2单极

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电炉的物理模型。

1、单极电炉模型与数学表达式

按单极电炉模型，用数学式表示，即是：

%xD8U...............................-....................................................................................................（2）

%XTID28I.........................................................................................-........................................（3）

两式相比，比例系数为a，有：电弧电阻称为操作电阻R=U/I=a/n

Do

假设电能通过电极电流全部输入到用烟熔池，生堀直径D与电极直径d的

比值等于bo

即：D=b,dF式中K=a/b所以有：

R=K/ndK=ndR

这就是著名的安德烈周边电阻公式。

安德烈公式意义是，第一次把电炉电气参数和炉子几何尺寸联系起来，用

于指导电炉的设计和运行。

随着电炉容量增大，安德烈K因子出现了偏差。由于安德烈公式只是指出

了，电压电流比U/I与珀期线性尺寸之间的关系，却未说明电压电流的乘积P

=IU与组期体积之间的关系。

将（2）式乘以（3）式，珀期体积功率密度为C,有下式：

P=D3或C=P/D3--------------------------------------------------------------------------（4）

关系式（3）即：密蜗截面积电流密度为C4=41/nD2或D=C4V7o

对比（3）式和（4）式，可有：I=C3P2/3,

由P=IU=I2R,有U=C2Pl/3,R=C1P-l/3o

这几个数学表达式，就是威斯特里公式。

从安德烈公式和威斯特里公式的推导过程可以看到：

安德烈公式的内涵是：以堵期截面积电流密度计算生烟尺寸和电极直径。

威斯特里公式的内涵是：用用烟截面积电流密度的同时，还用了体积功率

密度来计算生期尺寸。

对于不同容量使用相近原料生产相同产品的电炉，存在着表征能量的电能

动力指标，最具有代表性的当是电流密度和反应区体积功率密度。如果以电弧

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半球体空间为基准数，定量计算反应区体积，就可以统计对比不同容量电炉的

动力指标，这些指标应该是一个常量。

2、三相电炉模型

对于三相电炉，各电极的中心矩呈等边三角形布置，当三根电极电弧作用

区刚好相交于炉心，使各电极下电弧熔池相互连通。这样，单根电极的用烟直

径等于三相电炉的极心园直径。所以，从单极电炉模型可以建立三相电炉的模

型。见图2三相电炉模型几何尺寸关系图。

图2三相电炉模型几何尺寸关系

三相电炉的主要负载回路，是以炉底合金熔液（或碳秽）为中性点的Y星

形连接电路。对无渣法或有渣法冶炼工艺的电炉，只是电弧作用区介质的差

异，电炉物理模型都可适用。

任何物理模型都是抓住了物理现像的本质，进行抽像归纳建立起来的。这

是矿热炉运行最佳状态的理想模型，运行良好的电炉参数，只能向理想模型状

态接近。

4.4.炉口温度

炉口料表面温度高，操作条件较差，说明电极插入浅。

4.5.出铁情况

正常配料比情况下，出铁口不易打开，铁水流速慢，温度较低，炉渣发粘

流动性不好，不易排出，说明电极往料内插入较浅。

综上所述，电极插入炉料深度不够，往往是由于焦炭加入量过多或电极工

作断过短，此时就要相应的减少焦炭加入量或酌情下放电极。

5.正常炉况应是什么样的？

冶炼工基本任务之一，应当善于正确判断炉况，即使地调整和处理炉况，

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使炉况经常处于正常状态。

正常炉况的特征如下:

1.电极深而稳地插入炉料中。此时生期较大，料面的透气性好，料层松

软，炉气从炉口均匀地送出，火焰呈桔黄色，料面没有发暗和烧结的区域，没

有大刺火和塌料现象。料面较低并比较平缓，椎体宽大。炉料下降较快，较大

容量电炉的炉心料面稍呈下陷。

2.电流比较均衡和稳定，并能给足负荷。

3.出铁工作比较顺利。出铁口好开，路眼畅通，铁水流速快，打开出铁口

后电流明显地下降，铁水温度高，炉渣流动性和排渣情况均良好。出铁的后

期，从出铁口喷出的炉气压力不大，炉气自然地溢出。出铁完毕，出铁口好

堵。

出铁量正常，成份稳定。

6.为什么炉渣有时发粘，怎样处理？

炉内还原剂不足，料面透气性不好的情况，叫炉渣过粘，有的单位将炉渣

过粘叫炉况黑，亦即料面光泽较暗。

6.1.炉渣过粘的特征

1.电极工作不稳定，符合波动较大，仪表不好操纵，电流表指针摇摆频

繁，有时还出现给不足负荷的现象。

2.料面的透气性不好，一出的炉气不均匀并且微弱无力。料层较硬。刺火

现象严重，局部刺出的是呈灼白色强烈的火焰。大面的火焰很少。

3.捣炉时会掘出粘结的大块料，甚至捣完炉之后，大面仍不冒火。

4.电极工作端的根部沾结较难清除，即使清除了又易沾结。

5.出铁工作不顺利。出铁口不易打开，铁水流速慢，出铁口不畅通，炉渣

粘，不易排出，从出铁口喷出炉气的压力大。

铁水温度较低，出铁量较少，硅铁中含硅量偏低。

6.2.炉渣过粘的原因

1,配量比不适当，还原剂不足，炉内的化学反应没能充分进行，造成炉内

硅石过剩，经熔化后便形成粘稠的炉渣。

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2.有时为了增加电极插入炉料中的深度，加入过多地硬料（硅石较多的炉

料），造成炉渣过粘。

3.由于原料质量较差，诸如焦炭粉末多或其水分含量增多；柜式的力度过

碎或其抗爆性能差（即高温下强度差），使炉内却炭火料面透气性变坏，造成了

炉渣过粘

4.操作中没有及时捣炉，料面透气性不好，造成炉渣过粘。

6.3.炉渣过粘的危害性

1.炉渣过粘，造成严重刺火，热量损失大。炉内的过剩硅石，经熔化便形

成炉渣，消耗热量增多。因此，生产硅铁的单位电耗增加。

炉渣过粘，还原剂不足，加之料面透气性不好，珀期小，炉温低，使炉内

化学反应速度减慢，炉料下沉缓慢，则出铁量减少。

2.炉渣过粘，说明玷烟附近有较多未被还原的二氧化硅，料层的透气性不

好倒是刺火严重，干过缩小，如果不及时处理，就会造成炉底上涨，电极深上

升，路况进一步恶化。

6.4.炉渣过粘时操作注意事项

炉渣过粘时，首先要稳定电极，然后处理炉况。否则，点击上升后，路况

将会更加恶化。

1.如果由于配料比不当造成炉渣过粘，应及时调整，增加焦炭加入量，或

者是当地附加焦炭，最好是边捣炉，边附加焦炭。

2.加强料层透气性，彻底捣炉。如果炉渣过粘，产生严重刺火，应彻底捣

炉。同时加强扎气眼操作，引出高温炉气，放宽椎体，以利于增加透气性和扩

大生烟。

3.炉渣过粘，给不足负荷时，可生气电极，适当地增加焦炭。

6.5.较大容量的电炉炉渣发粘时的两个措施

较大容量的电炉，炉渣发粘时，可采取以下两个措施：

1.炉渣过粘，炉渣排不出去，出铁口不畅通，在出铁前应向出铁口相电极

附近，加萤石100〜200公斤，以稀释炉渣。

2.炉渣过粘，点击插的浅，炉底温度低，炉渣不易排出，此时可加石灰块

300〜400公斤，稀释炉渣，扩大生烟和提高炉温，已逐渐消除炉渣过粘的现

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象。

较小容量电炉，路况发粘，捣炉时可将粘料挑出，并且附加些焦炭。出铁

口不好开时，可用氧气烧眼，扩大出铁口，以利于炉渣排出。

炉渣过粘是炉况不正常现象之一，处理也比较困难，处理后约需8〜16小

时，或更长时间，才能恢复到正常状态。

因此，操作人员要经常观察炉况，即使地调整不正常的炉况，从而减少炉

渣过粘现象。

7.矿热炉炉内为什么有时刺火，如何处理？

7.1.刺火的概念

硅铁冶炼过程中，由于炉料粘，料面透气性不好，或电极工作短，电极跟

部或其周围的薄弱部位，喷出较大压力的高温热气流，形成灼白色火焰，这种

现象叫“刺火"，也叫跑火。

7.2.比较容易刺火的部位：

1.当炉渣过粘，料面透气性不好或锥体过尖，刺火往往发生在电极沾结粘

料的地方，或料面某一尖峰薄弱之处。

2.当电极工作端过短时，这时热量集中在电极周围，刺火多发生在电极根

部。

7.3.刺火的原因

刺火的原因是多方面的。主要有以下几点原因：

1.虽配料比正常，但由于操作不当，列如偏加料，加料速度过急或料面形

状过尖等，加上捣炉不及时，不彻底，使料面透气性变坏，炉内气体压力比较

大，突破薄弱的料层而产生刺火现象。

2,配料中的还原剂不足，炉渣过粘，透气性不好而产生刺火现象。

3.电极工作端过短，热量集中在电极根部周围，甚至埋不住电弧，而在电

极根部产生刺火现象。

4.配料比中的还原剂过多，电极在炉料中插的较浅，或在电极根部沾结碳

化硅（SiC导电性很强）处，产生刺火现象。

7.4.刺火的危害：

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1.刺火时喷出大量的高温热气流，热损失很大，增加电耗。

2.炉气多集中在刺火之外挽出，其他的部位炉气迤出的很少，透气性不均

匀，不利于扩大用烟，从而炉内的化学反应速度减慢。

3.炉口温度高，操作条件较为困难。

4.刺火严重时，如果铜瓦距料面较近，则容易烧坏铜瓦或冷却水管，造成

热停炉。

5.刺火严重时，大量的一氧化硅气体逸出，易使硅铁中的含硅量降低。

7.5.刺火的处理方法：

刺火现象是冶炼中经常出现的一种不正常炉况。处理刺火往往是一项比较

难的操作，有时由于处理不彻底，连续出现刺火。因此，首先要找出山声刺火

的原因，然后进行彻底处理，这样，减少热量损失，减轻劳动强度，使生产顺

利进行。

1.采取下列方法处理刺火，及时要和适当的扎透气眼的方法结合起来，以

利于增加透气性和扩大生烟。

2.如因电极工作端表面沾结粘料产生刺火时，应将沾后加入新料。

3.如因料面锥体过尖产生刺火，应及时变料，增加焦炭加入量，或边捣炉

边附加焦炭。

4.如因电极工作端过短产生刺火，应酌情放电极。

5.如因偏加料产生局部刺火，应适当扎几个透气眼，如不见效，挑出粘

料，推向炉心。加入炉料后再扎几个透气眼。

6.长时间的刺火，刺火的部位料层已经很薄，接近要塌料时，应彻底挑

开，先用炉内热料填平，再加入新料。

8.为什么炉渣过粘时电极不易深插？

炉渣过粘，珀土曷必然缩小，使电极不易交深地插入炉料中，主要原因：

1.电极与堵烟间的距离缩短，电阻减少，导电性增强，点击不易深插，尤

其是均期缩小，炉底上涨后，铁水距电极较近，电极更不易深插。

2.透气性不好，热量多集中于生堪内，局部温度过高，并且是过剩的硅石

被熔化成为了导电性良好的液体，使电极不易深插。

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9.工业硅冶炼过程中矿热炉易出现的几种炉况问题

9.1.概述

工业硅又称为金属硅，工业硅产品属于光伏产业（新能源）及电子工业的上

游产品。目前，我国太阳能光伏产品占世界光伏市场80%以上的份额。为此，

工业硅产品的市场需求及产品价格稳定而受行业的青睐。工业硅冶炼行业属于

高能耗领域，电能的消耗占据综合生产成本相当大的比重。近年来，随着国家

宏观政策及企业产能的提高等因素影响，工业硅电炉装备向着大型化、自动

化、环保化方向发展。但是，工业硅电炉大型化、自动化后引起炉况波动较为

频繁、炉底容易上涨，炉况有效冶炼周期较短，不仅造成生产指标较差、单位

电耗较高，而且导致停炉、挖炉、砌炉、新开炉等综合费用大幅度增加。

硅在生产过程中生成的碳化物、熔