25500kva大型镍铁矿热炉工程论证报告2010-02-05

福建鼎信实业有限公司25500KVA大型镍铁矿热炉关键技术工程化可行性研究四川大学二一年二月四川成都福建鼎信实业有限公司25500KVA大型镍铁矿热炉关键技术工程化可行性研究课题负责人袁熙志参加编制人员李仲恺马虹周若愚冯博四川大学二一年二月四川成都目录1总论111项目背景112主要研究依据313主要研究内容314主要研究结论要点32国内外镍铁矿热炉技术现状621国内外铜镍精矿矿热炉技术现状622国外氧化镍矿（红土矿）生产镍铁的矿热炉技术现状103电炉变压器技术参数的选择1431矿热炉变压器的技术要求1432国外冶炼红土矿的镍铁矿热炉变压器二次电压选择1533国内外铜镍精矿矿热炉变压器二次电压选择1534镍铁矿热炉变压器参数1835镍铁矿热炉变压器选择194镍铁矿热炉工艺技术参数比选2141国外冶炼红土矿的镍铁矿热炉工艺技术参数2142矿热炉工艺技术参数215电极把持器关键技术选择2351电极把持器的基本结构2352电极把持器的基本结构2353电极把持器的种类2454存在的问题及原因3055电极把持器的选择356镍铁电炉炉体长寿关键技术选择4261矿热炉炉体4262矿热炉炉底4263矿热炉炉墙结构4764各层砖衬理化性能4765炉底镍铁水凝固等温线位置5066该技术方案的特点547镍铁电炉物料与能量平衡分析5571物料平衡计算5572热平衡计算6973热装法冶炼镍铁节能计算761总论11项目背景青山控股集团有限公司是青山钢铁董事局麾下一家主要从事不锈钢及相关产品生产和销售的全国无区域企业，它起步于二十世纪八十年代，发展于九十年代。集团公司注册资本三亿二千万元人民币，现企业总资产人民币46亿元，员工4000余人。2009年，企业年产量达83万多T，总产值达到121亿元，利税达10亿元，在国内不锈钢行业处于领先地位。集团公司现下辖浙江青山钢铁有限公司、浙江瑞浦机械有限公司、福建鼎信实业有限公司、河南青山金汇不锈钢产业有限公司、河南青浦合金材料有限公司、清远市青山不锈钢有限公司、松阳青山不锈钢有限公司等10余家直属企业。生产基地跨越浙江、福建、上海、广东、河南等地；并在广西、江苏等地有多家合资或合作的与不锈钢生产有关联的企业。集团公司在国内外建有完善的营销网络，在温州、上海、无锡、佛山设有直属销售公司，销售渠道遍布全国并跻身东南亚、欧美等国际市场。主要产品有不锈钢连铸、棒线材、板带钢、型钢、镍铁等，产品广泛应用于石油、化工、机械、电力、汽车、造船、航空航天、食品、制药和装潢等领域。企业技术装备精良、工艺流程先进、质量控制手段完善。先后通过国内外一系列质量体系认证，拥有当前国际、国内领先水平的炼钢、连铸、连轧、穿孔等设备，并建有技术先进的研发中心和设施完善的产品测试中心，在2008年获得中国合格评定国家认可委员会（CNAS）实验室认可证书。此外，企业还拥有国外进口的大吨位冶炼设施、全自动冶炼控制系统、装备先进的大方圆坯连铸机及国内同行领先的特钢棒线材连轧生产线等。集团连续数年荣膺中国民营企业500强、中国制造业500强、中国黑色冶金及压延加工业500强、浙江省百强企业、浙江省制造业百强、浙江省百强民营企业；并被评选为2008年中国民营科技企业500强、思源工程先进单位、“139富民攻坚计划”先进集体；企业注册并使用的“青特”商标被认定为浙江省著名商标；公司还是中国金属协会不锈钢分会副会长单位和中华全国工商业联合会冶金业商会副会长单位；企业还先后荣获中国建设银行总行AAA级信用等级客户、中国农业银行浙江省分行AAA级资信企业、中国质量信用AAA级企业、浙江省对外贸易守信合作单位等荣誉称号。企业始终秉承“透明、公平、公正”的经营理念，倡导“以人为本、以法治厂、以质兴企、以新兴业”的管理模式，青山控股集团以“咬定青山不放松，无限风光在险峰”的团队协作精神，不断提升核心竞争力，致力于打造中国不锈钢品牌，以期为振兴民族不锈钢产业做出应有的贡献。近年来，青山控股集团公司在全球范围内寻找资源，开发不锈钢上游原材料，最终选定印尼PTANTAM公司为其红土矿资源合作伙伴。青山控股集团公司与PTANTAM公司将合资在印尼开采红土矿，并建设利用红土矿生产镍铁及不锈钢的工厂。红土矿采用回转窑电炉工艺炼镍铁在国外是成熟技术，但在国内还没有一家生产工厂；更别说生产镍铁和不锈钢的联合工厂。为降低海外投资风险，青山控股集团公司决定先在国内投资建设，最终选定在福安湾坞建设本镍铁项目。建设后将年产60万T/A不锈钢板坯。该项目采用回转窑干燥焙烧、预还原，得到800900高温预还原焙砂，把铬矿与高温焙砂热装，在大型镍铁矿热炉内，冶炼成含镍铬的不锈钢半成品，液态不锈钢半成品再热装进AOD炉精炼，经连铸成不锈钢坯。该项目利用境外矿产资源，大力发展民族经济。其工艺流程紧凑，是冶金工业节能减排的短流程工艺的典型范例，在国内外均处于领先水平。项目一期工程正处于施工建设阶段，配套的两台33000KVA国内最大的大型镍铁矿热炉，炉型为矩形炉（长16M宽8M）。二期工程配套两台25500KVA大型镍铁矿热炉，炉型为圆形（166006100）。12主要研究依据（1）青山控股集团有限公司与四川大学签定的研究合同。（2）青山控股集团有限公司提交相关工程技术资料。（3）四川大学已撑握的矿热炉工程关键技术资料。13主要研究内容（1）甲方筹建的25500KVA大型镍铁矿热炉工程国内外技术现状调研分析。（2）大型镍铁矿热炉节能型变压器及一、二次侧电压等技术参数的选择及生产厂家考察比选。（3）大型镍铁矿热炉电极直径、极心圆直径、炉膛直径、炉膛深度、炉壳内径与高度等工艺技术参数比选。（4）大型镍铁矿热炉把持器关键技术选择。（5）大型镍铁矿热炉炉体长寿关键技术选择。（6）大型镍铁矿热炉配料、物料平衡、能量平衡、冶炼电耗等分析计算与预测。14主要研究结论要点（1）由于25500KVA镍铁矿热炉，在国内属于最大的利用红土矿生产镍铁的矿热炉；由于国内红土矿资源稀少，对镍铁矿热炉相关研究很少，可供参考借鉴的大型镍铁矿热炉工程数据较少。本工程关键技术方案，如矿热炉二次侧电压、电极直径与材质、极心圆直径、炉膛直径与深度、炉壳内直与高度、电极把持器形式、炉体内衬结构与耐火材料选取等均存在一定的技术和工程上的风险。（2）本工程项目建成后，采用红土矿进厂，不锈钢坯出厂，全程热装热送的工艺流程。生产环节少，流程极短，可有效降低冶炼镍铁的冶炼电耗，以期达到节能减排，节约生产成本的目的。工艺流程在国内外尚属首次采用，具有先进实用的特点。（3）二期工程配套两台25500KVA大型镍铁矿热炉，炉型为三相三电极圆形炉（166006100）。矿热炉变压器由三台8500KVA单相壳式变压器组合而成，满足长期超载30。冶炼镍铁时，二次侧采用DD0连接，矿热炉二次电压范围400520690V，全部电压要求恒功率输出。考虑到以后可能转炼高碳铬铁，将二次侧采用YD11连接，二次电压范围231399V。电压级数共60级，采用有载电动调压。一次电压35KV，50HZ。（4）25500KVA大型镍铁矿热炉投产初期的12年内，电极把持器采用压力环把持器，电极为960石墨电极。待所有生产设备调试运行正常，同时生产操作人员对设备都能控制自如时，从节约生产成本出发，并根据一期工程33000KVA投产情况，决定是否将压力环把持器更换为组合把持器，电极改为直径1200自焙电极。（5）通过对比国内外相似的冶炼红土矿或铜镍精矿的大型矿热炉进行比较，最终确定本工程项目25500KVA大型镍铁矿热炉工艺技术参数为石墨电极直径960MM、极心圆直径4200100MM、超负荷30时炉底功率密度188KVA/M2、炉壳内径16600MM、炉壳高度6100MM、炉膛内径15000MM、炉膛深度3500MM。（6）通过综合比较，电炉变压器建议选用节能型壳式变压器，因其具有明显的优势，例如机械强度高，抗短路能力强；冷却效果好，过载能力强；噪音小，损耗低；结构紧凑，体积小、重量轻，便于运输安装等。（7）长寿矿热炉不仅直接减少昂贵的大中修费用，而且可以避免由于停产所引起的巨大经济损失。为了尽可能地延长本工程项目25500KVA大型镍铁矿热炉使用寿命，对矿热炉的炉底及炉墙采用了大型高炉炉底炉缸耐火材料内衬的砌筑方案。炉底的耐火材料内衬采用工作层和导热性永久层型式的内衬。炉底下部的永久层由高度为261MM的高铝质浇注料、高度为121MM的碳化硅质自流浇注料和高度300MM的石墨碳砖与高度600MM的镁碳砖构成。石墨碳砖与炉底钢板之间设置有冷拔无缝钢管、工字钢组成的炉底冷却装置。炉底上部的工作层由一层高度为600MM的镁铝砖、一层高度为800MM的镁铬砖构成。炉底的石墨碳砖采用1500MM400MM300MM的大块碳砖砌筑，其余层均采用具有双向错台外形特征的特异型大块砖砌筑，以获得持续的稳定、密封效果。炉墙仍然采用永久层和工作层的砌体结构方式。侧壁中下部的反应区、熔池区的工作层由具有凹凸镶嵌形状的镁铬大块制品构成，侧壁上部砌筑标普型镁砖。工作层镁铬砖与立式冷却水套（冷却壁）之间，顶紧冷却水套砌筑小块微孔碳砖。小块微孔碳砖与镁铬砖设60MM宽度的填料缝，缝中填充高性能碳素捣打料。综上得出炉底厚度为2600MM，炉墙厚度800MM；则炉壳内径16600MM、炉壳高度6100MM。（8）物料需求与煤气发生量全部使用拉兹红土矿（红土矿A）冶炼1T镍铁需499T红土矿A焙砂，528T红土矿A干矿，635T红土矿A湿矿；焦炭17615KG；石灰47904KG。矿热炉每小时产生的炉气量为144524NM3/H。（9）冶炼电耗估算全部使用ZHEHAAIS21红土矿（红土矿B）冶炼1T镍铁需652T红土矿B焙砂，680T红土矿B干矿，820T红土矿B湿矿；焦炭17278KG。矿热炉每小时产生的炉气量为139880NM3/H。全部使用拉兹红土矿（红土矿A）进行冶炼，冶炼1T镍铁所需红土矿A焙砂冷料为499T，此时冶炼1T镍铁的理论冶炼电耗为355837KWHT镍铁。若采用热装法冶炼镍铁时，冶炼1T镍铁理论上节约电能112224KWHT镍铁。故用热装法冶炼镍铁，红土矿预还原焙砂温度达850以上，其冶炼理论电耗243613KWH/T镍铁。2国内外镍铁矿热炉技术现状21国内外铜镍精矿矿热炉技术现状目前，国内外采用矿热炉熔炼硫化铜镍精矿的冶炼厂主要有中国的金川、磐石、吉林镍业公司、云南冶炼厂、前苏联的北镍、贝辰加、诺里斯克，加拿大的汤普森、鹰桥、南非的瓦特瓦尔、恩施皮雷森、杰兹卡兹干、皮尔多普等厂。一般来说，加拿大、南非等国家的矿热炉机械化、自动化程度均较高，前苏联次之，我国基本上是停滞不前。主要是因为1980年以后我国有色冶金重点放在发展闪速炉冶炼技术，关于矿热炉技术的工程化研究，文献报道不多，可资利用的工程数据及设计资料十分有限。我国用大型矿热电炉熔炼铜镍精矿已经40年多的历史了。先后建成六台大型矿热电炉，总容量达108500KVA，在我国的铜镍生产中发挥了重要的作用，创造了可观的经济效益。曾经的云南冶炼厂先后建设两台30000KVA电炉是当时我国建设的第一台大型炼铜矿热电炉，熔炼制粒焙烧铜精矿。该电炉1960年7月投产，当时是根据原苏联五十年代的技术设计建造，炉用变压器由3台10000KVA单相变压器组成，总容量为30000KVA，电极直径1200MM，炉型为六电极矩形炉。电极采用卷扬机升降，用钢带吊挂人工下放，导电系统用软电缆，电极孔基本没有采用密封。投产时花了四个月的时间才使炉况基本稳定下来，初期生产很不正常，前三年的每吨炉料电耗指标均在850KWH/T以上。1968年投产的金川16500KVA熔炼镍精矿焙砂的1号矿热电炉，也是六电极矩形电炉，采用3台5500KVA单相变压器供电，炉料经皮带运输机、箕斗、圆盘给料机、上料刮板运输机送入料仓，炉料进入矿热电炉进行冶炼。炉体和云冶电炉基本相同，电极则是采用液压结构。投产虽较顺利，但初期生产也不稳定，多次发生漏炉、断电极、漏油着火等重大事故，前三年的每吨焙砂电耗也都在850KWH/T以上，此期间的最高供电功率为7000KVA左右，日处理能力不过280T物料。云冶和金川经过长期生产实践，已逐步掌握了电炉熔炼技术，并对电炉进行了多方面的改造，使电炉生产能力大大提高，基本杜绝了重大事故的发生，单位电耗显著下降。当时云冶电炉电耗已下降到400KWH/T料以下，金川电炉电耗曾也降到了670KWH/T焙砂。二十世纪七十年代建设的磐石镍矿熔炼镍精矿干燥球团的12500KVA的矿热电炉，由一台三相变压器供电，为三电极矩形电炉。该电炉吸取云冶、金川的经验，革新了炉体结构，虽然电极也用卷扬升降，但改为直流电动机传动，而且用可控硅自动控制；另外用软铜带导电系统代替了原来的软电缆导电系统，设计了防磁的电极孔密封装置。该电炉1979年已顺利投产，未发生任何事故，生产稳定，一开始就取得了电耗670KWH/T干料的指标。可以看出，我国铜镍矿热电炉冶炼技术从二十世纪八十年来已有了很大的发展，备料、操作、设备、电气等方面都取得了不少进步。但目前基本上仍处于这一时期的装备水平，主要是因为闪速炉冶炼技术的发展，使得矿热炉技术几经边缘化，近二十年来几乎没有任何重大的改进。如云铜公司1992年引进投产了艾萨炉炼铜技术，矿热炉只是作为艾萨炉停产时的备用生产设备。金川集团公司也引进了闪速炉冶炼冰镍，随后矿热炉就基本停产，近年来为了实现做大做强的目标，才又重开矿热炉，用以冶炼铜精矿。国内目前各厂基本上均系人工凭经验配料与加料。只有磐石镍矿曾在1981年，为改善电炉技术经济指标和加料操作条件，取消手动闸板阀，采用了自行开发的炼镍矿热炉电振自动密封加料方法，效果较好。它是由电磁振动给料机、下料管处设置的活动弧形密封板和控制箱盘、控制线路元件组成，分别安装在电极之间的炉顶两侧。左右分别各设计一组，有单独的控制盘和控制箱及操作室。表21为国内大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标，表22为国外大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标。表21国内大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标名称云南冶炼厂1号炉云南冶炼厂2号炉金川集团处理物料铜镍矿铜镍矿铜镍精矿处理炉料量/TD114001200530炉子内部尺寸长宽高24665522358452155540炉底面积/1596129118电极中心距或分布圆直径/M333230电极直径/M121211电极数量/根666电炉的额定容量/KVA30000（100003）30000（100003）16500（55003）变压器二次侧电压/V320696310700173275变压器二次侧最大电流/A300003810020000炉底单位面积功率/KVAM2188232125熔池深度/M192020212021锍层厚度/M600800550800锍放出口数量233锍放出口距炉底高度/MM410、485100、370、500100、400、400放渣口数量244渣放出口距炉底1365、14401368、1277高度/MM电极电流密度ACM22734255单位能耗/KWHT1420440400600620电极糊单耗/KGT1344546每日电极压放长度/MMD1200300150200电极插入深度/MM400500400700表22国外大型矿热炉主要结构参数及技术经济指标名称北镍公司彼阡克诺林公司汤姆逊瓦特范尔今贾恩施皮雷森处理物料铜镍矿铜镍精矿铜镍精矿铜镍精矿铜镍精矿铜镍精矿铜精矿铜精矿炉子内部尺寸长宽高或直径11252402055539227555123260512746713962607045141653035661067炉底面积/5811312613918418292380分布圆直径/M303032323763430电极直径/M1211111212212510518电极数量/根36666636电炉的额定容量/KVA30000（300001）31500（105003）50000（166673）45000（150003）18000（60003）19500（65003）5500（55001）51000（170003）变压器二次侧电压/V390500314683475800266743160300170350120210150500变压器二次侧最大电流/A3150015400258302492032500炉底单位面积功率/KVAM25172813963249810760134熔池深度/MM25002300270025002700111812192300锍层厚度/M600800600800600800600900600750760锍放出口数量33443放渣口数量24441332放渣口距炉底高度/MM150017501750145015251560965电极电流密度ACM22781642722265吨料单位能耗/KWHT1780815710740525625400430689460吨料电极糊单耗/KGT129414128341751927246吨料烟气量/M3T11800170019001700190012001400吨料耗水量/M3T133444每日电极压放长度/MMD140050045050045050045013022国外氧化镍矿（红土矿）生产镍铁的矿热炉技术现状国外先后采用矿热炉熔炼氧化镍矿（红土矿）的冶炼厂主要有法国镍公司新喀里多尼亚多尼安博（DONNIAMBO）冶炼厂、日本太平洋金属公司八户（HACHINOHE）冶炼厂、日本住友金属矿业公司日向冶炼厂、印度尼西亚阿尼卡坦姆邦（ANEKATAMBANG）公司波马拉厂、印度尼西亚国际镍公司梭罗阿科（SOROWAKO）厂、多米尼加鹰桥镍公司圣多明各厂、哥伦比亚塞罗马托莎（CERROMATOSO）公司蒙特利巴诺（MONTELIBANO）厂、希腊拉瑞姆纳（LARYMNA）公司、美国汉纳（HANNA）矿业公司、乌克兰PFK公司、马其顿FENI公司、委内瑞拉LOMADENIGUEL公司、巴西CODEMIN公司等等。上述这些冶炼厂冶炼红土矿生产镍铁合金，大都是采用RKEF工艺流程，即回转窑电炉法，又称ELKEM法。虽然都是采用RKEF工艺，但每个冶炼厂的具体工艺制度都不尽相同，比如红土矿脱水的温度，是否在回转窑中进行预还原等。（1）法国镍公司新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂法国镍公司新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂于1958年建立ELKEM法。先后建设10500KVA电炉八台，33000KVA电炉三台。该法借助于新喀里多尼亚矿石的高镍（NI25）、低铁（FE1015）与MGO/SIO2比值适度（0607），不需加熔剂，即可产出含NI20的镍铁，而且矿石中的铁6070被还原，3040进入渣中，渣含镍仅01左右，所以镍的回收率相当高。由于采用覆盖式熔池，低电极插入，炉顶温度低，电耗仅550600KWH/T干矿。电炉的入炉矿石块度为20MM，经回转窑850煅烧后，进入电炉，同时加入约4的焦炭，在电炉中镍、铁还原后，得到粗镍铁合金，再经精炼后得到镍铁产品。10500KVA的电炉，直径11M，设计日处理矿石量500T。熔炼1T干矿电耗为550KWH。三电极埋弧操作，常用二次电压为150V。电极插入深度根据炉渣电导自动控制。（2）哥伦比亚塞罗马托莎公司蒙特利巴诺厂哥伦比亚塞罗马托莎公司蒙特利巴诺厂电炉为51000KVA圆形电炉，炉膛内径为21000MM，炉壳有特殊冷却装置以保护炉墙。炉顶用吊顶。满负荷运行时二次电压为490V1090V，电极直径为1800自焙电极。（3）日本住友金属矿业公司日向冶炼厂日本住友金属矿业公司日向冶炼厂建于1956年9月，1968年后进行改造，采用回转窑电炉流程，建成4座回转窑和4台电炉，其中25000KVA电炉两台，14000KVA电炉两台。年产镍铁12500T。该厂总结出熔炼过程中几点经验镍铁的RKEF工艺中，电能消耗占成本的65左右；采用高功率负荷操作；采用焙砂温度850900；采用覆盖熔池式操作；采用较高的二次电压；适当的炉渣碱度MGO/SIO2068070；适当控制金属的还原镍还原近100，铁60进入金属中；焙砂的运送系统包括计量包、运输罐、炉顶料包、落料漏斗等均加保温衬里，并实行自动化操作，可减少热辐射损失4186MJ/H。、（4）印度尼西亚国际镍公司梭罗阿科厂国际镍公司于19741978年建立起45000KVA圆形电炉三台，年产含镍35000T的镍锍工厂与相应的红土矿基地。最初开采西部矿石镍品位高达24，但酸性过大（SIO2/MGO24）；后与含NI18、SIO2/MGO16的较碱性的东部矿石配合，得到含NI20、SIO2/MGO19的混合矿，镍回收率90。采用三台45000KVA电炉、18M圆形电炉处理预还原后的红土矿。采用大直径2000MM，低单位面积功率的原因是为了尽量保护炉墙不受腐蚀。但是投产后，炉墙仍发生严重腐蚀，其原因为矿石的SIO2/MGO为2224，相对镁砖来讲，酸度过大；渣的液相线温度相对太低；熔化粗粒炉料的橄榄石，需要有足够的过热温度。为此，将炉料的SIO2/MGO降到19；使渣液相线温度提高50；减少西部矿粗粒中的橄榄石含量，以降低炉渣所需的过热温度。排渣温度为1550。为了保护炉墙不被腐蚀，在渣线一带采用外壳淋水冷却。放出口附近，加强结构强度。炉顶加水冷的钢梁，梁外加耐火材料，减少热损失。电炉的能耗与经济生产规模和燃料价格相关，用煤代替部分油，电耗由516580KWH/T增加到580600KWH/T电炉功率从36MW提高到40MW。（5）多米尼加鹰桥镍公司圣多明各厂多米尼加鹰桥镍公司的电炉熔炼原料来自还原车间的产物经过脱水、制团、竖炉煅烧、部分还原的（850）热煅烧球团矿。不属于RKEF流程，但电炉的配置、构造、电气制度等可以供参考。该厂建设55500KVA六电极矩形电炉三台，年产镍铁28750T。每台电炉有三台18500KVA单相变压器组成，二次电压为3491265V。碳素电极直径为1000MM，单位面积功率263KW/M2。（6）日本八户冶炼厂日本八户冶炼厂先后建设60000KVA电炉一台，25000KVA电炉一台，40000KVA电炉一台。其中只有60000KVA电炉生产镍铁，电极直径为1700MM，炉壳直径为165M，炉壳高度为58M。（7）美国汉纳矿业公司美国汉纳矿业公司的RKEF工艺的特点是采用改良的尤他法，即在回转窑中只预热煅烧而不是预还原，在电炉中也主要是熔化，只加部分还原剂，选择性地还原出一部分铁和镍，熔融体在路外加硅铁还原得到粗镍铁，精炼后得到产品镍铁。先后建设14000KVA三电极圆形电炉四台，炉膛内径为8M，炉膛深度为3M，自焙电极直径为1M。常用二次操作电压为465V。3电炉变压器技术参数的选择31矿热炉变压器的技术要求（1）由于炉料电阻、原料及电源电压经常变化，要求变压器有较多的调压级数，每级输出电压级差较小，且几乎均要求前几级恒电流输出，后几级恒容量输出。（2）中小型三相矿热炉变压器的一次绕组可设计成D接法或Y接法，而在5000KVA以上，则多采用D接法设计。（3）一般大型矿热炉变压器多由三台单相矿热炉变压器组成三相组的形式。这是由于三相矿热炉变压器的大电流短网在长度上各相有很大的差异，使三相阻抗严重不平衡，造成电能转移和各相的电流和功率不均衡现象。采用单相变压器可以围绕矿热炉对称布置，缩短短网长度，使三相阻抗近似平衡，可大大改善电能的转移和各相不均衡现象，从而减少电能损耗，增加矿热炉运行的功率因数。（4）负载不平衡和能量转移是由短网结构本身造成的，而且是难以消除的，所以电极将出现“活相”或“死相”的情况。矿热炉正常作业的主要条件是熔池中各相功率要平衡，为此变压器应该具有能够单独调整各相电压的能力，即所谓“分相电压调节”。在这种情况下，炉子的每一相都以最佳电压工作，各相电流强度均衡，熔池功率也均衡。虽然能量转移被保留下来，但是可以消除能量转移对炉子作业的不良影响。分相电压调节矿热炉变压器的各相输出电压允许差值由一次D接绕组内的环流所限制。（5）随着矿热炉功率加大，大电流回路使炉子具有较大的电抗值，致使矿热炉功率因数下降。在炉子回路中接入电容器是补偿无功功率最有效的办法，所以在大型矿热炉变压器中，常在三次侧考虑装置补偿电容器。32国外冶炼红土矿的镍铁矿热炉变压器二次电压选择法国镍公司新喀里多尼亚多尼安博冶炼厂先后建设八台10500KVA电炉，直径11M，三电极埋弧操作，常用二次电压为150V；三台33000KVA矩形电炉，外部尺寸为33M12M55M，平均二次电压为300V。多米尼加鹰桥镍公司圣多明各厂建设55500KVA六电极矩形电炉三台，每台电炉有三台18500KVA单相变压器组成，二次电压为34912001265V。美国汉纳矿业公司先后建设四台14000KVA三电极圆形电炉，炉膛内径为8M，炉膛深度为3M，自焙电极直径为1M。常用二次操作电压为465V。哥伦比亚塞罗马托莎公司蒙特利巴诺厂电炉为51000KVA圆形电炉，炉膛内径为21000MM，炉壳有特殊冷却装置以保护炉墙。满负荷运行时二次电压为490V1090V，平均二次电压为1080V。日本八户冶炼厂先后建设60000KVA电炉一台，40000KVA电炉一台，25000KVA电炉一台。平均二次电压分别为760V、760V、664V。33国内外铜镍精矿矿热炉变压器二次电压选择表31国内外铜镍精矿矿热炉变压器二次电压厂名电炉功率/KVA二次电压/V云南冶炼厂1号炉30000261404云南冶炼厂2号炉30000310700金川集团16500173275恩施皮雷森51000150500北镍公司30000390500彼阡克1号炉31500314683彼阡克2号炉50000475800诺林公司45000266743汤姆特范尔19500170350杰兹卡兹于50000600800皮尔多普24000190380表32国内矿热炉变压器特性变压器短网特征一次侧二次侧序号厂名容量/KVA型号相数频率电压/V电流/A电压/V电流/A绕组接线短路阻抗/调压方式特征主体材料备注1云南冶炼厂1号电炉100003HPPF10000/35单相50HZ35000286320696共17级3750017241接线320V时1246，508V时544电动有载单向往复交错分别接至炉内两根电极，短网为有绝缘层的导电铜管，集电环至筒瓦由铜带连接钢管70/50，16根铜带21000MM2，20根460V时开到25000KVA2金川有色公司3号电炉5500335000173275700283V以上恒功率283V以下恒电流Y铜管，软铜带3盘石镍矿电炉12500HSSPZ712500/633相、50HZ660005791093500340180140002122721227Y/Y/11500V时634340V时1450180V时3210电动有载电极上接成三角形，单相往复交错，局部有异相交错铜管65/40，8根软铜带2001，16片一组共8组4贵州有机化工厂电石炉35000外制3相50HZ35000577一次Y接905143，一次接157249，27级19级8150091800，1027级91800Y/Y694分相有载电极上接成星形，三相交错中性线单独引至炉壳，短网有铝密封罩铜管365/35，16根，软铜带32501，25片一组，12组5吴淞化工厂电石炉16500调变TSOPZ16500/35主变HSSP16500/35，3相50HZ35000/3500023000相电流157167115175，25级5450057700调变/Y主变Y/12调变021025分相有载电极上接成三角形，单相往复交错铜管265/35，6根软缆2500MM2，24根表33国外矿热炉变压器特性一次侧二次侧厂名变压器型号一台矿热炉变压器数电压级数绕组接线电压/V电流/A电压/V电流/A容量/KVA北镍三相112345/100001730157014301320122355050045842839031500315003150031500315003000027200250002300021200彼阡克单相123456105001000986915865500450683656622583341531415373153731537315373153731537310500101649608908352504725彼阡克25000/35单相315678910141820233500047747747747747746345244040037335980070468366464562861158152850647520830239002440025120258302583025830258302583025830258301666716667166671666716667162001540015000136501289012300诺林21000/353123456789101520263500042864286428642864286428642864123953785155428532874371956966725649622560257855553141534752662019020850215602231023120239002402024920249202492024920249202492015000150001500015000150001500015000144151383013240103508660663034镍铁矿热炉变压器参数综合比较以上矿热炉变压器二次电压，同时结合设计经验，本工程项目25500KVA镍铁矿热炉变压器（长期超负荷30运行时）二次电压选定为0352253012NUKPV冶炼镍铁时，二次侧采用DD0连接，矿热炉二次电压范围400520690V，全部电压要求恒功率输出。考虑到以后可能转炼高碳铬铁，将二次侧采用YD11连接，二次电压范围231399V，经调研考察，特别是制造的可能性及电炉变压器长期运行的可行性与安全性，确定如下的相关参数（1）变压器容量25500KVA（8500KVA3），由三台8500KVA单相变压器组合而成，满足长期超载30；（2）一次电压35KV，50HZ；（3）功率因数COS090；（4）有功功率255000922950KVA；二次侧YD11连接时231、237、243、248、254、260、265、271、277、283、289、294、300、306、312、317、323、330、335、341、346、353、359、364、370、375、381、387、394、399V，共30档，各档恒电流。二次侧DD0连接时400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、571、580、590、600、611、621、631、640、650、660、671、682、690V，共30档，各档恒功率。（5）工作电压520V（6）电压级数60级（7）调压方式有载电动调压（8）超负荷30时最大电极电流2501303687IA35镍铁矿热炉变压器选择矿热炉变压器有传统的芯式变压器与新型节能型壳式变压器两种形式。壳式铁芯电炉变压器是学习美国西屋公司、挪威国民工业公司、日本三菱公司等国外先进技术与冶金、化工等有关设计院密切合作的结晶产物，针对铁合金、电石、黄磷、磨料等冶炼工业特殊要求，通过反复试验，独具特色的新技术、新工艺、研制成功的新产品。它的特点是冲破了我国传统的芯式铁芯磁路结构，别具一格的采用壳式铁芯（即外铁芯），适形油箱，低压线是用铜排制作，线圈被铁芯所包围与适形油箱构成一个整体，线圈受力面积大，确保应力的最优分布，线圈垂直放置，油道畅通，避免了局部过热现象。该产品与传统的心式铁芯变压器相比具有下列优点（1）机械强度高，抗短路能力强壳式铁芯电炉变压器，设计工艺结构与芯式的传统设计工艺结构不同，壳式铁芯变压器是线圈在内，铁芯在外。低压线圈采取铜排制作，高压线圈是纸包扁铜线，矩形高、低压线圈交替，垂直排列在铁芯内，铁芯对线圈起到大面积夹紧作用。线圈、铁芯、油箱组成一个牢固的整体，它的机械强度高，承受较大的短路电动力，抗短路能力强。（2）冷却效果好，过载能力强由于壳式铁芯电炉变压器高、低压线圈垂直，交替放在铁芯内，油道非常畅通，冷却油在高、低压线圈中间循环流动，流量大，油流速度快，冷却面积均匀，线圈间不会有过热点，壳式铁芯变压器油温与线圈温度相差不多。而芯式铁芯变压器是铁芯在内，高压线圈抱着低压线圈，低压线圈抱着铁芯，高低压线圈与铁芯之间油流是轴向流动，油道阻力大，油循环效果差，热量无法散发出来，所以芯式铁芯变压器线圈铁芯温度与油面温度相差很大，实际上是油面温度低，线圈温度已经很高了。所以壳式铁芯的冷却效果好，变压器温升低，绝缘不易老化，变压器超负荷能力强，壳式变压器产品一般都在超负荷运行30以上，有的超50，甚至有超100长期运行，一般温度都在50以下。（3）噪音小，损耗低壳式铁芯变压器由于设计、工艺结构，使铁芯、线圈、外壳组成一个牢固的整体，机械噪音小；同时选用的变压器优质原材料，如硅钢片为武钢产高导磁取向30Q130、30Q120硅钢片，导线选用优质无氧铜，合理的选用导线、电流密度，变压器的铁损、铜耗减低。尤其壳式铁芯变压器交替排列的绕组，引出线直接从绕组幅向引出，都在铁芯上部高低引线容易引出，而且出线可以大大缩短，变压器的附加损耗减少，所以壳式铁芯变压器噪音小、损耗低，与传统芯式变压器相比，空载损耗降低10以上，负载损耗降低35以上。以HTSSPZ616500KVA冶炼炉为例，一年内壳式变压器电耗节能折算约80万元/年，约2年左右时间可回收变压器的全部投资。（4）结构紧凑，体积小、重量轻，便于运输安装壳式铁芯变压器体积小、重量轻，主要是结构紧凑，铜和硅钢片不少，它少的是油和铁，因油箱紧靠铁芯，变压器体积减小，油箱重量减轻，变压器油减少，因此变压器外形体积小、重量轻，便于运输、安装，方便检修。壳式铁芯变压器的优点很多，受到机械工业部沈阳变压器研究所认定为国内首创。被列为省、市重点科研新产品开发项目，单相HCDSPZ68500/353组合容量25500/35电炉变压器荣获国家科技成果金箭奖，被列为国务院科技开发项目。综上所述，建议本工程选用节能型壳式变压器。4镍铁矿热炉工艺技术参数比选41国外冶炼红土矿的镍铁矿热炉工艺技术参数哥伦比亚塞罗马托莎公司蒙特利巴诺厂电炉为51000KVA圆形电炉，炉膛内径为21000MM，电极直径为1800自焙电极，单位面积功率147KW/M2。多米尼加鹰桥镍公司建设55500KVA六电极矩形电炉三台，二次电压为3491265V。碳素电极直径为1000MM，单位面积功率263KW/M2。日本八户冶炼厂先后建设60000KVA电炉一台，25000KVA电炉一台，40000KVA电炉一台。其中只有60000KVA电炉生产镍铁，电极直径为1700MM，炉壳直径为165M，单位面积功率363KW/M2，炉壳高度为58M。美国汉纳矿业公司先后建设14000KVA三电极圆形电炉四台，炉膛内径为8M，单位面积功率279KW/M2，炉膛深度为3M，自焙电极直径为1M。42矿热炉工艺技术参数矿热炉工艺主要技术参数计算如下电极电流密度按36A/CM2考虑。电极直径，取电极直径32501721464DCM1200MM，则实际电流密度为325A/CM2。当用石墨电极时电极取960MM。根据有色冶金炉设计手册经验公式与系数选择计算其它参数。极心圆直径M炉膛内径D242007120012600MM，取15000MM，以适应各种原料的要求。炉膛深度H1600（渣层厚度）800（铁水厚度）300（料坡高度）300（死铁层留铁厚度）500（气体空间，亦即炉料距炉口平台的距离）3500MM，烟罩高度950MM，实际气体空间5009501450MM。炉壳内径15000MM800MM216600MM炉壳高度3500MM2600MM6100MM超负荷30时炉底功率密度22A/MKV185430矿热炉工艺技术参数详见表41。表4125500KVA镍铁矿热炉工艺参数序号名称单位数量备注1炉壳内径MM16600炉壳钢板厚20MM2炉壳高度MM61003炉膛内径MM15000偏大希望适应各种原料要求4炉膛深度MM35005炉墙厚度MM800炉缸区域设铜冷却壁6炉底厚度MM2600设水冷综合炉底7电极直径MM960石墨电极8极心圆直径MM42001009工作电压V52010工作电流A36807超负荷3011电极电流密度A/CM2509超负荷3012电极工作行程MM1200最大1500MM13渣铁口个数个52个出铁2个出渣，铁放净口1个14电极升降速度M/MIN05215炉底功率密度KVA/M2188超负荷305电极把持器关键技术选择51电极把持器的基本结构电极把持器是生产铁合金、工业硅、电石和黄磷等矿热电炉的核心部件。它不仅承担着电极的负载，而且还受烟气、炉顶和熔融金属表面的辐射热，同时电极的电流所产生的强磁场或涡流也影响把持器的正常工作。电极把持器的主要作用是将强大的电流通过导电铜瓦传递给电极，把铜瓦牢固地夹紧在电极上，控制电极的烧结，使电极内部和外部烧结均匀合理。具体地说，电极把持器是使铜瓦在一定的压力下贴紧电极壳，保证从母线传来的大电流通过集电环、导电铜管，经铜瓦传到电极壳上。当电极压放时又需要适当减少这种压力，使电极壳与铜瓦之间产生滑动，而又不会因过松产生打弧烧毁电极壳和铜瓦。在更换铜瓦时要求拆卸、更换方便。把持器被烟气、烟罩顶和熔融金属表面的辐射热以及通过把持器的电流所加热，附近温度经常在8001000以上。电极把持器在此种高温、涡流强磁场的条件下作业，应能保证在将电流导向电极时的电能损失达到最低，并能牢固地夹住电极不让电极在冶炼过程中滑落，同时电极把持器的构造应便于作业过程中随着电极的烧损而下移或上升。52电极把持器的基本结构电极把持器是由导电装置、压紧装置、电极压放装置和把持筒等部分组成。521导电装置传统的导电装置一般包括集电环、导电铜管和铜瓦。集电环主要起均压作用，其将电流集合起来，然后再分配给导电铜管，以使每根电极上的每块铜瓦的电流基本相等。集电环中部有等分连接压紧件装置，主要与导电铜管连接。铜圆环结构的集电环，一般安装在把持筒上，并用绝缘材料隔离；导电铜管是集电环和铜瓦之间的连接管，其端口部位与冷却胶管连接，主要作用是传导电流，管内通水，自身冷却和铜瓦冷却；铜瓦的作用是传导电流和控制电极的烧结，按其材料的不同可分为铸造铜瓦和锻造铜瓦，铜瓦内部通水冷却，外部配有与导电铜管和夹紧环相配合的有关零部件。522电极抱紧施压装置电极把持器的机械（气压、液压）抱紧施压装置主要作用是夹紧和松开电极，以满足铜瓦对电极的压力和在冶炼过程中升、降电极，它是由电极夹紧环或压力环、大套、弹簧拉紧气缸或油缸及铜瓦等组成，工作可靠和操作简单是对抱紧装置的基本要求。523电极压放装置在冶炼过程中，电极的工作端是不断消耗的。电极压放装置的作用是定期压放电极，使电极消耗掉的部分得以补充，保持电极一定的工作端长度。电极压放装置有钢带式电极压放装置、双闸活动压放油缸式电极压放装置、下闸活动无压放油缸式电极压放装置、四闸活动油缸加蝶簧式电极压放装置及双气囊压放油缸式电极压放装置等。53电极把持器的种类电极把持器的形式很多，它的夹紧方式主要有几种类型大螺钉式、径向顶紧的压力环式、锥形环式。近年来，又从国外引进了波纹管式、胶囊式及组合式把持器等类型。531径向大螺钉顶紧式把持器径向大螺钉顶紧把持器结构如图51所示（B是A中弹簧或蝶簧径向压紧方式的细部结构）。这种把持器的夹紧部分为弹簧式夹紧环。它是由半环、顶头、弹簧、弹簧垫、带内孔螺栓、固定螺母、外套等组成。压紧铜瓦是将钢制的顶头装入半环孔中，弹簧力通过顶头作用在铜瓦上，只要弹簧力调整合适，压放电极时，电极可靠自重克服铜瓦与电极的摩擦力向下滑移。径向大螺钉顶紧把持器把持器结构结构简单可靠，可以随电极壳的变形状况，调整铜瓦对电极壳的压紧力，图51（C）为完全人工调整，无弹簧施压的结构。34156ABC（A）1电极2铜瓦3水冷环4顶头5弹簧6顶紧螺钉（B）1半环2顶头3弹簧4套筒5弹簧垫6固定螺母7带内四方孔的螺栓8外套（C）1铜瓦2半环3夹紧4螺母5压块6绝缘板图51径向大螺钉顶紧把持器532大螺栓夹紧式把持器螺栓压紧把持器结构如图52所示。这种把持器的夹紧部分为大螺栓式两半夹紧环。它是由圆环、大螺栓、螺母、压块、绝缘材料组成。压紧铜瓦是将一个特制的铜螺母固定在半环孔中，通过调节大螺栓来压紧和松开电极。它的优点是简单可靠，取消了压放等一系列复杂的结构，电极压放由专用工具将电极抱紧坐在炉顶上，然后提升把持器完成一次压放操作。在黄磷及铜冶炼矿热炉中有应用，铁合金、电石电炉中应用较少。缺点是手工操作，劳动强度大，工人受辐射热熏烤厉害。接母线1把持器主体2铜瓦3夹紧螺栓4拉杆图52大螺栓夹紧式把持器533液压缸式把持器液压缸式把持器结构如图53所示。1导向水套2、4液压缸3铜瓦图53液压缸式把持器此结构的液压缸数是铜瓦数的一半，与液压缸相对应处则为具有顶头的固定缸，也可以设计成一个铜瓦对应一个液压缸。它借油压夹紧，靠卸油以后弹簧的反作用力松开；也可借弹簧的张力夹紧，压缩弹簧时松开。后一种情况油压系统无需经常处于工作状态。液压缸式把持器可以适应电极表面的软硬程度、电极壳的小量变形和铜瓦的小量安装误差等，并保持铜瓦对电极大致相同的夹紧力。目前此结构在工业硅电炉上仍有应用。534锥形环把持器锥形环把持器结构如图54所示。此结构的把持器是目前应用最多的一种，由锥形环、水套、弹簧、松紧油缸、电极把持筒、集电环、导电铜管、铜瓦吊架及铜瓦等部分组成。锥形环的内锥面紧靠导电铜瓦的外锥形面，通过锥形环上升或下降使锥形环与电极之间产生径向压力来实现压紧或放松电极。根据电极密封结构的不同，锥形环与导向水套可做成整体式，即固定水套式；也可分开，即活动水套式。（A）锥形环和导向水套分离式（B）锥形环和导向水套整体活动式1铜瓦2锥形环3固定水套4锥形块5云母垫图54锥形环式把持器锥形环一般做成空心通水冷却，材质采用防磁钢，也可以用普通钢，夹以部分防磁钢使环状水套断磁。锥形角一般为1018，最小为6。当使用弹簧时，锥形环的升降油缸在工作状态时不送油，靠压缩弹簧的作用使把持器夹紧，这样可以防止出现事故时，压力油外泻造成火灾，并可以延长油缸密封的使用寿命。把持器松开时向油缸送油，使弹簧松开，锥形环下降，把持器即松开。当不用弹簧时，则用双作用油缸完成升降锥形环，只是对油缸的密封要求更高一些，并要增加接近限位开关来控制行程。535组合式或标准组件把持器组合式把持器结构如图55所示。123456BC43215A876543211910（A）组合式电极把