无底电极直流矿热炉
冶炼硅铁工艺中遇到的技术瓶颈
工业用直流电炉是从70年代兴起，90年代初，随着大功率整流管及其成套装置在工业设备上的应用，使直流电炉不但在技术上得到较快的发展，而且直流电炉的容量也在不断的扩大。
到目前为止，国内的直流电炉发展主要有两种，一种是单电极直流电炉，一种是双电极直流电炉（带磁镜线圈），根据我考察的结果及我公司对双电极直流电炉的试验得出结论；证明各种形式的直流电炉都有它的局限性，现在我们根据实践阐述一下双电极直流电炉冶炼硅铁工艺中遇到的技术瓶颈。
一、 硅铁冶炼的基本方法及原理。
硅铁是在敞口式和半封闭式的还原电炉内采用连续作业的方法进行冶炼的，在整个冶炼过程中。电极深而稳的插入炉料中，均匀的炉料，随料面均匀下沉而小批的加入炉内。炉内料面始终保持一定的高度，并称平锥体形状，炉内铁水积存到一定程度时，打开炉眼放出。用碳做还原剂还原二氧化硅时，有中间产物碳化硅和一氧化硅生成，而且碳化硅和一氧化硅的生产和分解在二氧化硅的整个还原过程中起着重要的作用。在有铁存在时，还原出来的硅与铁反应生成FeSi,碳化硅也被铁破坏生成FeSi。同时铁的存在可以促使硅沉入熔池，使之离开反应区，从而改善二氧化硅的还原条件。冶炼硅铁时，二氧化硅的还原反应可用下式表示：
SiO₂＋2C＋nFe＝FenSi＋2CO↑
生成硅化铁因铁量不同，反应放出的热量也不同，因而不同含硅量的硅铁，其开始还原温度也不同。熔炼的硅铁含硅量越低，二氧化硅被还原的理论开始反应温度也就越低。炉料根据配比按焦炭、硅石、钢屑的次序进行配料，一般取200公斤或300公斤硅石一批料。每次只允许称量一批料，而且称量要准确。炉料配好后送入炉顶料仓或操作平台上。按硅铁冶炼的顺序进行，不仅取决于正确的配料，而且更重要的是取决于均匀的加料，合适的料面状态。为了保持炉内良好的透气性，需要进行扎眼和捣炉。硅铁是一种难冶炼的铁合金品种，精心操作固然重要，但正确的判断炉况和及时处理炉况也是必不可少的。硅铁冶炼正常的标志是电炉负荷稳定，电极深而稳定的插入炉料中（小电炉是深度为800-1000mm，大电炉为1000-1400mm）。电极焙烧正常，下放量也正常；炉口火焰呈黄色，均匀活跃，火焰区放大；炉料松软，料面高度适中，炉料下沉均匀；炉口温度低；出铁口易开易堵，出铁顺利，铁水流头大，能排出少量的液态炉渣；合金成分稳定，产量高。随着冶炼过程的不断进行，炉内存积的铁水越来越多。到一定时候就应打开铁口，将铁水放出，出铁时间不宜过长，通常为15分钟左右。出铁次数应根据炉子的容量、冶炼排号来确定。一般的，10000-30000KVA电炉冶炼75硅铁时，八小时出3-4次炉，冶炼45硅铁时出5-6次炉。炉眼打开后，根据铁水流出和负荷情况，逐步下插电极。出铁口相电极在出铁前期应尽量保持不动，后期可逐步下插。出铁时，铁水流头过大时，用带爬头圆钢挡一挡；过小，用圆钢桶炉眼，为防止铁水表层凝固，要加入焦炭粉保温。在出铁过程中因力求多排渣，在出铁后期应用圆钢拉渣。炉内积渣多时，可往炉内一次性加入200-300公斤或每批料加入5-10公斤颗粒度合适的石灰，以降低炉渣熔点，增加其流动性，促使炉渣排出。这种方法不宜常用。减少炉渣的主要手段应该是严格控制炉料杂质的带入。堵眼前先把出铁口烧圆，保持出铁口形状为内小外大，消除炉眼处的渣子。堵眼用的材料是掺有一定量焦炭粉或电极糊的锥形粘土泥球。出铁口使用2-3周时，就应用电极湖封眼。同时注意修补流槽。铁水在铁水包内镇静短时间后，加入一根石墨棒挡渣，然后浇入锭模。为防止合金成分产生严重的偏析，应减少铁锭的厚度，降低铁水浇模温度。加快铁锭的冷却速度。75硅铁厚度应小于100毫米。45号硅铁厚度应小于150毫米。
生产一吨75硅铁的消耗硅石：1780-1850公斤，焦炭：890-930公斤，钢屑：220-230公斤，电极湖45-50公斤，电耗8400-9000KW/h。
二、 无底双电极直流电炉的优点和缺点
优点是：1、无底双电极直流电炉与交流炉相比，简化炉膛设计。
2、将现有的多种炉形，如圆形、长方形交流炉可轻松改装为直流电炉。
3、电炉功率因数高。
4、与带底电极同容量设计相比，在给定功率下，电炉将 以更低的总电流（大约一半）运行。这是由于在渣池上存在有两个串联的电弧和两个电弧附着区，们的作用是增加炉衬的总电阻。
缺点是：1、无底双电极直流电炉载流能力与单电极直流电炉相同，因为每一个电极都承载全炉电流。
2、无底双电极直流电炉由于电阻增加，电炉二次电压将在更高的电压下运行（大约是单电极直流电炉的2倍）。
3、无底双电极直流电炉由于阳极和阴极同在炉顶，产生两个弧柱，其中阳极弧柱“拓扑”到阴极上去（拓扑是一个数学术语；它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小）。
4、无底双电极直流电炉从直流电压供给阳极，经阳极工作端→阳极弧柱→炉底→阴极弧柱→阴极工作端→电源负极，这一过程产生的电压降大约为25V-30V，那么阳极的功率大于阴极的功率，这也就形成了阳极反应区温度高于阴极反应区的温度；由于阳极温度较高，无底电极直流矿热炉电极消耗与交流矿热炉电极消耗持平。
5、无底双电极直流电炉阳极和阴极电弧射流携带的电流方向相反，并会相互排斥，导致两个弧柱成外八字偏弧；由于电极分布存在冷区，冶炼时间延长，和交流矿热炉相比节电效果不明显。
三、为什么无底双电极直流电炉不适合冶炼硅系产品（硅铁、硅钙、硅铝、工业硅等）
1、硅系产品在冶炼过程中需要低电压大电流进行一段时间的闷烧，恰恰无底双电极直流电炉的特性是 高电压低电流，所以无底双电极直流电炉不适合无渣冶炼工艺技术。
2、由于无底双电极直流电炉两电极之间温度的差别，阴极温度低于阳极温度，在阴极部位存在的碳化 硅需要更高的温度去分解碳化硅，而阴极温度低于阳极温度，容易在阴极反应区形成碳化硅堆积，造成炉底上涨。
3、由于无底电极直流电炉（偶数电极）在熔池中分布的电极极心圆形状不合理，形成多个冷区，延长了冶炼时间，造成冶炼电耗升高。
通过以上理论分析和应用实践，证明无底电极直流电炉（偶数电极）不适合硅系无渣冶炼工艺，如在硅系产品中应用还需要进行进一步探讨和研究如何解决上述技术难题。
2023年6月24日