16.5 MVA硅鋇鈣特種合金礦熱爐組合把持器優(yōu)化設(shè)計

李秦燦，袁熙志，宋小剛

（1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都610065；2.廣元永興冶金設(shè)備有限公司，四川廣元628001）

16.5 MVA硅鋇鈣特種合金礦熱爐組合把持器優(yōu)化設(shè)計

李秦燦1，袁熙志1，宋小剛2

（1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都610065；2.廣元永興冶金設(shè)備有限公司，四川廣元628001）

針對16.5 MVA特種合金礦熱爐的電極把持系統(tǒng)，選用組合把持器，對主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計計算，完成對把持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化了短網(wǎng)及爐內(nèi)銅管布置。結(jié)果表明：該設(shè)計可降低電能損耗，提高礦熱爐功率因數(shù)，滿足生產(chǎn)要求。

組合把持器；設(shè)計計算；爐內(nèi)銅管

礦熱爐電極把持器受料面逸出的高溫氣體的對流熱、電弧的輻射熱、銅瓦或接觸元件傳導(dǎo)熱的影響，同時電極的電流所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場或渦流也影響把持器的正常工作［1］。組合把持器是挪威?？瞎咀钕仍O(shè)計研制出來的［2］，主要由滑放裝置、電極殼、接觸裝置等組成，通過伸出電極殼外的筋片夾緊電極和導(dǎo)電，取代了傳統(tǒng)電極把持器的銅瓦［3］。

在16.5 MVA硅鋇鈣特種合金礦熱爐電極系統(tǒng)中，對組合式把持器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，繪制了3D圖紙，從三維的角度表達(dá)組合把持器的結(jié)構(gòu)及裝配形式，對于指導(dǎo)現(xiàn)場施工安裝，降低工程施工成本、縮短施工工期都有重要的意義。

1　組合把持器的結(jié)構(gòu)特點

與錐形環(huán)、波紋管式相比，組合把持器電極裝置具有以下的顯著特點：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，簡化了把持器和壓放機(jī)構(gòu)，使用可靠，重量輕；

（2）互換性好，接觸元件和壓放裝置可適用于各種不同直徑的自焙電極；

（3）接觸電阻小，電效率高，不易與電極殼間打?。?/p>

（4）電極殼不會產(chǎn)生變形；

（5）電極殼不會在滑放時失去控制，為高電耗的冶煉工藝增加了安全電極壓放率；

（6）由于降低電極的冷卻熱交換，因而使電極焙燒位置升高；

（7）很少產(chǎn)生電極斷損事故；

（8）壽命長，普通的銅瓦式把持器一般壽命較短，塊式抱閘重且易磨損，而組合式電極柱接觸元件及壓放裝置的壽命可在傳統(tǒng)電極柱壽命的5～8倍以上；

（9）在電極導(dǎo)電系統(tǒng)中，接觸導(dǎo)電元件與電極殼之間通過彈簧進(jìn)行夾緊，電極壓放時不用降低電爐負(fù)荷，而在電爐滿負(fù)荷的狀態(tài)下進(jìn)行電極的壓放，這樣大大提高了礦熱爐的功率利用系數(shù)。

因此，基于以上優(yōu)點，在16.5 MVA硅鋇鈣特種合金礦熱爐的電極系統(tǒng)設(shè)計中，選用組合把持器電極裝置。

2　主要結(jié)構(gòu)參數(shù)計算

2.1電極殼及筋片

2.1.1電極直徑

選定電爐熔池功率Pc=15 000 kW

電極截面功率密度取ψ=0.50

則電極直徑應(yīng)為［4］：

2.1.2電極電流

變壓器視在功率S視=16 500 kVA

二次側(cè)電壓取U2=135.7 V

則變壓器二次側(cè)電流即電極電流為：

70 201 A

2.1.3接觸面載流能力計算

接觸器剖面圖如圖1所示。

圖1　接觸器剖面圖

每組接觸元件饋電面積：

S1=長×寬×2=635×21×2=26 670 mm2

每相電極接觸元件數(shù)量=10組

每相電極接觸元件總饋電面積：

S總=26 670×10=266 700 mm2

而I2=70 201 A（電極電流），此時接觸元件電流密度：

σ接=I2/S1總=70 201/266 700≈0.26 A/mm2

對于饋電母線銅-鋼接觸面允許電流密度，當(dāng)I＜2 000 A時，［σ接］=0.115 A/mm2；當(dāng)I＞2 000 A時，［σ接］=0.06 A/mm2。而接觸元件與筋片的接觸不同于饋電母線的工作狀況，因電極隨著冶煉過程的進(jìn)行是不斷消耗的，其筋片隨著電極壓放通過接觸元件后不再起饋電作用，且筋片在與接觸元件接觸給電極饋電時，接觸元件有良好的水冷通道，具有很好的冷卻作用，接觸面不會嚴(yán)重發(fā)熱。所以，此處的允許接觸電流密度較之于常規(guī)的饋電母線適當(dāng)可以提高一些［5］。

2.1.4筋片載面的載流能力計算

接觸元件夾持部位電極殼筋板長度L1=635 mm

接觸元件夾持部位電極殼筋板寬度L2=21+21= 42 mm

電極殼筋板厚度d=2+3+2=7 mm

每組接觸元件夾持部位電極殼筋板截面積

S2=d（L1+L2）=（635+42）×7=4 739 mm2

每相電極接觸元件夾持部位電極殼筋板總截面積S2總，每相電極接觸元件數(shù)量為10組：

S2總=4 739×10=47 390 mm2每相電極饋電筋板電流密度：σ截=I2/S2總=70 201/47 390≈

1.48 A/mm2＜［σ截］=2 A/mm2

2.2壓放裝置、接觸元件中碟簧加載力的計算

接觸元件的壓力調(diào)定非常重要，壓力過低會使電流分配不均，導(dǎo)致接觸元件過熱等，壓力過高會使電極殼筋片磨損加重甚至?xí)璧K電極壓放。目前所使用的調(diào)節(jié)方法是控制碟簧的變形量來調(diào)整壓力。

2.2.1接觸元件中的碟簧加載力

由圖1可知，每個接觸元件有4個碟簧，每組8個無支承面的碟簧，為對合組合形式，總壓縮量控制為8.9 mm。碟簧尺寸如圖2所示。

圖2　碟簧尺寸意圖（接觸元件中）

對合組合碟簧由i個相向同規(guī)格的碟簧組成，在不計摩擦力時［6］：Pz=P fz=if

Hz=i×H0

則有：f=fz/i=8.9/8=1.112 5 mm

式中：Pz—碟簧組的負(fù)荷，N；P—單個碟簧的負(fù)荷，N；fz—碟簧組的變形量，mm；f—單個碟簧的變形量，mm；i—每組碟簧個數(shù)；

Hz—組合碟簧的自由高度，mm；

H0—單個碟簧的自由高度，H0=4.65 mm；

hz—無支承面碟簧組壓平時的變形量，mm；h0—單個無支承面碟簧壓平時的變形量，mm。單個碟簧負(fù)載：

其中：

C=D/d=60/25.5≈2.353

K1≈0.747

式中：K1—計算系數(shù)；

C—直徑比；

D—碟簧外徑，D=60 mm；d—碟簧內(nèi)徑，d=25.5 mm；

K4—無支承面碟簧時，K4=1；

E—彈性模量，E=206 000 MPa=206 000 N/mm2；

μ—泊松比，μ=0.3；t—厚度，t=3 mm。

無支承面彈簧壓平時的變形量：

h0=H0-t=4.65-3=1.65 mm

由式（1）及參數(shù)算出碟簧壓縮1.112 5 mm時的負(fù)荷：

P≈10 775 N

接觸面中心及彈簧中心到支承點的力臂之比為：

23.95÷11.55≈2.07

接觸元件對筋片的壓力為：

N壓=4×10 775÷2.07≈20 821 N

查閱手冊得銅與鋼接觸的滑動摩擦系數(shù)為0.15［6］，每組接觸元件對筋片的摩擦力為：

F=2×N壓×0.15≈6 246.3 N

10組接觸元件對筋片的總摩擦力為：F接=10×6 246.3=62 463 N

2.2.2電極自重

電極殼長度L1=17 000 mm，外徑Φ1=1 120 mm，內(nèi)徑Φ2=1 114 mm，密度ρ1=7 850 kg/m3；

內(nèi)裝電極糊長度L2=8 000 mm，密度ρ2=1 600 kg/m3；

筋板重m3=1 192.60 kg；則電極總重：

L2×ρ2+1 192.60≈13 672 kg

2.2.3壓放裝置中的碟簧加載力

夾鉗中碟簧為復(fù)合組合式，碟簧無支承面，總壓縮量為9.6 mm。碟簧尺寸如圖3所示。

圖3　碟簧尺寸示意圖（夾鉗中）

單個碟簧的變形量f=9.6/8=1.2 mm

此時，碟簧外徑D=80 mm，碟簧內(nèi)徑d=41 mm，厚度t=5 mm，代入式（1）單個碟簧負(fù)載計算公式，得單個碟簧壓縮1.2 mm時的負(fù)荷P≈31 710 N

復(fù)合組合碟簧的總負(fù)荷：

P總=31 710×3=95 130 N

由接觸面中心及彈簧中心到支承點的力臂之比為1.5。

則接觸面對筋片的壓力為：

N壓=95 130÷1.5=63 420 N

查閱手冊得鋼（接觸面）與鋼接觸的滑動摩擦系數(shù)為0.3［6］，每個夾鉗對筋片的摩擦力為：

F=2×N壓×0.3=38 052 N

本裝置共有5個夾鉗，電極壓放過程中，僅一個夾鉗會失去摩擦力，所以整套夾緊裝置所能提供的摩擦力按4個夾鉗計算：F總=4×F=152 208 N

于是有，F(xiàn)接=62 463 N＜Q=136 720 N

F總+F接=152 208+62 463=21 467 N＞Q=136 720 N

經(jīng)計算，可知夾鉗所提供的摩擦力及碟簧的選用滿足要求。

2.3液壓系統(tǒng)工作壓力的計算

壓放裝置中，夾緊油缸中心與碟簧中心到轉(zhuǎn)軸的力臂之比為：

120÷90≈1.33

則夾緊缸要松開夾鉗所需的力為：

F需松+1.33F夾=1.33×152 208≈202 437 N

油缸內(nèi)徑D=150 mm，活塞桿直徑d=40 mm，油缸的工作壓力為16 MPa。

有桿腔有效受力面積：

油缸所能提供的松力：

F松=16×16 415=262 640 N＞F需松=202 437 N

壓放電極時，夾鉗碟簧釋放壓力松開筋片，并由壓放升降缸提升至頂部位置，每次僅提升一個夾鉗，當(dāng)全部夾鉗提至頂部位置再同時壓放下降。壓放油缸所需的工作壓力較低，計算從略。

電極的升降油缸提升整個電極所需的力：

F需升=電極總重m總+電極設(shè)備重量=136 720+ 178 191=314 911 N

此升降油缸為柱塞式單作用缸，柱塞直徑為，油缸工作壓力16 MPa，根據(jù)《GB/T 2349-1980活塞行程系列標(biāo)準(zhǔn)》，取行程L=1 800 m。

油缸有效受力面積：

兩升降油缸所能提供的升力為：F升=2×16×22 698=726 336 N＞F需升=314 911 N整個電極依靠自重自然下降，無需額外動力，故電極的升降油缸所需工作壓力也滿足要求。

3　組合把持器結(jié)構(gòu)設(shè)計

繪制了16.5 MVA硅鋇鈣特種合金礦熱爐組合電極把持器三維圖，包括電極殼、底部環(huán)、接觸器、底部環(huán)及接觸器吊掛、爐內(nèi)導(dǎo)電管（優(yōu)化）、水冷管、保護(hù)屏、升降及壓放裝置等內(nèi)容。

3.1電極殼

電極殼結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圓形電極殼材料為冷軋鋼板，分成10塊相等的部分，每塊兩邊外翻過來，形成兩條縱向立筋（寬2 mm），每塊與電極筋片（寬3 mm）用電阻焊焊在一起。長筋片、短筋片、圓鋼焊接在一起，筋片上開有矩形孔，利于增加電極燒結(jié)后的強(qiáng)度［7］。長筋片折彎半徑3.5 mm，折彎短直邊6 mm。筋片一端被兩塊接觸元件夾緊，一端嵌入電極糊中，緊密結(jié)合在一起，增加電極機(jī)械強(qiáng)度［8-9］。

圖4　電極殼結(jié)構(gòu)示意圖

3.2底部環(huán)

底部環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　底部環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

底部環(huán)分為均等的五部分，每部分由本體、本體內(nèi)的水道、與水道焊接連通的底部環(huán)出水管、接觸元件支撐絕緣環(huán)板、保護(hù)屏支撐絕緣環(huán)板等組成。底部環(huán)外側(cè)呈“凹”字形狀，基本上解決了護(hù)屏因高溫絕緣粉化絕緣不好打弧、漏水問題，避免了設(shè)備事故，提高了作業(yè)率，降低了單耗。環(huán)體采用T2整體鑄造，由于銅導(dǎo)熱系數(shù)高，使冷卻效率大大提高，循環(huán)水不易結(jié)垢，能大大提高其使用壽命，減少因底部環(huán)原因而停爐維修的次數(shù)。

3.3接觸器

接觸器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　接觸器結(jié)構(gòu)示意圖

接觸器由銅質(zhì)導(dǎo)電元件、銅質(zhì)導(dǎo)電元件連接塊、內(nèi)部水道、O形圈、碟簧、螺栓、螺母及平墊等組成。

每相電極有10組接觸元件，每組由兩塊接觸元件分置于同一電極筋片的兩側(cè)，用螺栓擰緊蝶形彈簧使其夾在筋片上。夾緊力要適當(dāng)，既保證接觸元件將電流輸送給筋片使電極工作，又要能順利壓放電極［10］。

接觸元件是與伸出電極殼外的筋片接觸，接觸元件之間的面積是裸露的，能充分利用爐內(nèi)熱量焙燒電極并能調(diào)節(jié)電極焙燒溫度，這對電極糊的燒結(jié)狀況有良好的影響［11-12］。

3.4底部環(huán)及接觸器吊掛

底部環(huán)及接觸器吊掛結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　底部環(huán)及接觸器吊掛結(jié)構(gòu)示意圖

每相電極有5組底部環(huán)吊掛，每組由吊板、吊環(huán)、絕緣管、絕緣墊圈、螺母等組成，將底部環(huán)懸掛固定于上部的絕緣法蘭。

每相電極有10組接觸器吊掛，每組由吊板、平板、碟簧、絕緣管、絕緣墊圈、螺栓及螺母等組成，將接觸器懸掛固定于上部的絕緣法蘭。

3.5爐內(nèi)導(dǎo)電管優(yōu)化

爐內(nèi)導(dǎo)電管結(jié)構(gòu)如圖8所示。由導(dǎo)電管吊掛夾、導(dǎo)電管絕緣夾支撐與水冷電纜連接，由導(dǎo)電管固定夾固定于電極殼外部鋼殼把持筒上。

短網(wǎng)采用水冷銅管及水冷電纜，并按來去電流方向交錯排列在電極上連接成三角形布置［13-14］，減少了短網(wǎng)感抗，一定程度上改善了三相電極平衡。對爐內(nèi)導(dǎo)電管有進(jìn)一步的優(yōu)化改造，與以往的導(dǎo)電管排布（如圖9所示）相比，并未在接觸元件前形成的環(huán)形銅管就直接短接［15］，而是到接觸元件處才短接變?yōu)榫€電流，就避免了從上部環(huán)管短接處到接觸元件這一部分導(dǎo)管電阻引起的過多電能損耗。

根據(jù)功率損耗公式，導(dǎo)體的有效電阻［14］：

式中：P20—20℃時電阻率，銅0.017 5；α—導(dǎo)體的溫度系數(shù)，0.004 3；

圖8　爐內(nèi)導(dǎo)電管示意圖（改進(jìn)后）

圖9　爐內(nèi)導(dǎo)電管示意圖（改進(jìn)前）

S—導(dǎo)體的截面積，mm2；

l—導(dǎo)體的長度，該部分導(dǎo)電管取平均長度2.67 m；

K—導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù)，取1.2；

Δt—導(dǎo)體的溫度與20℃環(huán)境溫差，取50℃。

改進(jìn)前：

導(dǎo)電管有效電阻（外徑40 mm，內(nèi)徑25 mm）

R前=0.017 5×（1+0.004 3×50）×

由2.1.2節(jié)知，電極電流I2=70 201 A。而該部分銅管流過的是線電流，即

I前=I2=70 201 A

則每相電極在該部分的電能損耗為

P前=I前

2R前=70 2012×4.45×10-6≈21 930.40 W。改進(jìn)后：

導(dǎo)電管有效電阻（外徑60 mm，內(nèi)徑35 mm）

R后=0.017 5×（1+0.004 3×50）×

該部分銅管將流過相電流，即

I后=I2/

2R后=2×40 5312×3.65×10-6≈11 992.16 W

由此可知，通過對爐內(nèi)導(dǎo)電管進(jìn)行優(yōu)化，礦熱爐每年在這部分可以節(jié)電（一年以330天計）：P節(jié)=（P前-P后）×3×24×330=（21 930.40-

11 992.16）×3×24×330≈2.36×105kW·h這樣的布置極大地降低了冶煉電耗，提高了爐子的功率因數(shù)，值得工程推廣應(yīng)用。

3.6水冷管

水冷管結(jié)構(gòu)如圖10所示。

由底部環(huán)水冷管及保護(hù)屏水冷管組成。三進(jìn)三≈40 531 A

則每相電極在該部分的電能損耗為

P后=2I后

圖10　水冷管結(jié)構(gòu)示意圖

出，共12根管（每相電極）。支架上部6根為進(jìn)水管，下部6根為出水管。

3.7保護(hù)屏

保護(hù)屏結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11　保護(hù)屏結(jié)構(gòu)示意圖

保護(hù)屏材料為不銹鋼，由均等的五部分組成。每部分由圓弧鋼板、絕緣弧板、U形鋼、吊耳、固定座等組成，兩部分之間用螺栓擰緊鋼板連接。保護(hù)屏吊掛在把持筒下緣的法蘭邊上，與底部環(huán)一起組成屏障，使接觸元件免受爐內(nèi)煙塵及輻射熱的影響［5］。

3.8升降及壓放裝置

升降及壓放裝置如圖12所示。

圖12　升降及壓放裝置結(jié)構(gòu)示意圖

電極的升降及壓放由液壓系統(tǒng)來完成。電極升降靠兩側(cè)立缸的動作實現(xiàn)，給油時電極升起，泄油時電極下降。電極壓放由夾緊壓放油缸控制，每相電極有5個夾緊油缸和5個壓放油缸。壓放缸活塞桿的上部作為夾鉗的轉(zhuǎn)軸。正常時電極由夾緊油缸上的碟簧張力作用于卡鉗來夾持電極，需要壓放電極時，夾緊油缸給油，卡鉗松開電極筋片，接著壓放油缸升起，然后夾緊油缸泄油卡鉗又夾緊電極筋片，夾緊壓放油缸順序完成以上動作后，壓放油缸同時給油實現(xiàn)電極的壓放。每次電極壓放20 mm。同時每相電極還配有5個事故夾鉗，用于在安裝前期或事故狀態(tài)下固定電極。

3.9把持器總裝配圖

把持器總裝配圖如圖13所示。

圖13　組合把持器結(jié)構(gòu)示意圖

上部電極外套端面組裝電極壓放裝置以及事故夾鉗，下部電極外套固定電極水路、導(dǎo)電管，下端吊掛接觸元件、底部環(huán)以及不銹鋼護(hù)屏等裝置。

電流由變壓器二次出線端經(jīng)過短網(wǎng)、導(dǎo)電管、接觸元件、經(jīng)電極輸送到電爐內(nèi)。接觸元件靠碟形彈簧張力與電極殼筋板接觸，傳導(dǎo)電流。

電極水路用于冷卻底部環(huán)和不銹鋼護(hù)屏。接觸元件與短網(wǎng)共用一路冷卻水，冷卻水由變壓器連接套進(jìn)入，經(jīng)過短網(wǎng)、導(dǎo)電管進(jìn)入接觸元件，再由接觸元件經(jīng)過導(dǎo)電管、短網(wǎng)、變壓器連接套流出。

電極壓放裝置定期壓放電極，使電極消耗掉的部分得以補(bǔ)充，以保持電極一定的工作端長度。

4　結(jié)語

（1）組合電極把持器系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，由于接觸裝置可適用于不同直徑的自焙電極，使得備件的庫存量大大減少；由冷卻水引起的熱損失減少；無電極殼變形減少以及電極失控下滑的危險降低，減少了電極軟斷、硬斷事故；易于維護(hù)和檢修。因此，16.5 MVA硅鋇鈣特種合金礦熱爐電極把持器系統(tǒng)選用此方案。

（2）短網(wǎng)采用水冷銅管及水冷電纜，并按來去電流方向交錯排列在電極上連接成三角形布置，同時，取消原先在接觸元件前形成的環(huán)形銅管就直接短接的方式，而是到接觸元件處才變?yōu)榫€電流，這樣的布置可節(jié)電耗高達(dá)30%左右，大大提高了爐子的功率因數(shù)，值得推廣利用。

（3）三維設(shè)計在組合把持器上的應(yīng)用，效果直觀，是工程設(shè)計技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

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Optimal Design of Modular Electrode Holders in 16.5 MVA Silicon-Barium-Calcium Special Alloy Submerged-Arc Furnace

LI Qincan1，YUAN Xizhi1，SONG Xiaogang2
（1.College of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Guangyuan Yongxing Metallurgical Equipment Co.，Ltd，Guangyuan 628001，China）

Aiming at the electrode supporting cylinder system of 16.5 MVA special alloy submergedarc furnace，by selecting modular electrode holders，the main structure parameters were calculated and the structure design of holders was completed.The short network and contact tube decoration was optimized，which can reduce the power loss，improve the power factor，and meet the demands of production.

modular electrode holders；design calculation；contact tube in furnace

TF33

B

1001-6988（2016）04-0044-07

2016-04-01

李秦燦（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向為鋼鐵冶金工程設(shè)計與研究.