电炉结构及原理一、电炉内不同区域的组成、温度及反应状况为了使冶炼操作者能更清楚地了解炉况，更得心应手地去操作，以达到节能的目标，了解炉内结构很有必要。根据炉料的性质及炉膛不同深度的温度估测，和寻炉体的解剖，我将中小型炉的电炉炉膛，分成下列区带。（见图）（1）予热带：处于炉料最上层，通常厚度100250毫米。由于下部反应区产生的高温炉气，从炉料孔隙排出，同时进行了热交换并予热了炉料。另外电极的热传导和炉料中的分流电路发出的电阻热使炉料加热，并变成5001000的红热料。此阶段，炉料水分被蒸发；原料进行晶型转变，而且由于晶型号转变体积膨胀，使原料产生裂缝或炸裂。在透气良好的条件下，炉气排出均匀，炉气中的氧化物和金属蒸气被炭元素吸附，进行反应。（2）烧结区：予热带下部是烧结区，温度在10001700，直到坩埚壁，其厚度为400毫米左右，综延伸到炉缸边缘成为死料区。（3）还原区：还原区是炉膛内的实际反应区，即所谓的“坩埚”区。还原区的上部边缘为“坩埚壁”，而面部则与电弧区相连，温度很高（17002000）。（4）电弧区：电极顶端产生电弧使气体电离的空间，由于电极底部压降很大，有人试验一段弧长3.5厘米的电弧，其上的电压降为3040V，在电弧工作过程中，电极底部热点的温度极高，可达20006000。这个温度很容易达到氧化物的分解温度。还原区底部的物质逐渐溶入下部合金熔池，通过电弧区部分气化，又上升参加上部区段的反应。（5）熔池区：是熔融合金和炉渣聚集的区带。（6）假炉底：在熔池区下部，通常在开炉初期就形成的，为未声还原的熔融氧化物等和未排出的炉渣，未被还原的炭化物。逐渐积蓄而成。由于电极插入得不深，炉底温度低，排渣不好，而会逐渐加厚，导致出料口上移，电极上抬，出料不顺，炉况恶化。一定厚度的假炉底对炉底炉衬有一定保护作用。二、电炉冶炼的基本矛盾是扩大坩埚为了使电炉冶炼操作者能掌握正确的基本操作环节，对涉及冶炼的各方面因素如电气制度、设备参数、炉料质量、料面形状、炉口维护操作、电极插入深度、热停工作等一个全面综合的考虑，以指导操作者对正确的操作方法有一个科学客观的判断标准，很有必要对这个问题进行讨论和认识，充分理解这点，操作者可针对不同炉状采取主动、灵活、正确的操作方法，达到扩大坩埚以增产节电的目的。操作者的根本任务是：最大限度地把输入炉子的电能，充分利用到合金生成反应区坩埚中去。采取措施提高电效率、提高热效率以扩大坩埚反应区，提高产量、降低电耗。（1）坩埚的产生和形状：炉体内显著地进行熔化还原的区域，称作坩埚区。其结构、大小和形状许多学者进行了大量研究和讨论。认为电弧在矿热炉中起着主导作用，炉子的热的产生，是靠电流通过电极，炉料、金属层、产生电阻热及电极顶端使气体电离产生电弧发热。电弧压降很大前面已说过一段弧长3.5厘米的电弧，其上的压降为3040V，在电弧上集中了绝大部分电能，电弧中心是温度的最高点，一般可达30006000，可将到达电极顶端的物质蒸发。由电弧区蒸发出来的金属氧化物和炭化物、金属等与反应生成的CO组成的高温气流，带着电弧发出的能量向上方及能穿过气流处移动。因为电极是穿过料层插入坩埚，电弧是电极的延续，直射液态合金或渣面，所以热气流沿坩埚内层把热量传送给炉料，电弧对炉料还产生辐射传热作用。这样，电弧能量主要传送到坩埚壁（它由半熔态的炉料组成）这就是坩埚熔炼区沿着气流方向发展的原因。坩埚内产生的金属氧化物、炭化物、及其蒸气流是维持冶炼的重要因素，它供给坩埚壁中反应所需的热量及参加反应的部分物质。在坩埚内各种原料形成各种聚集状态，的气态、碳是固态，大部分氧化物是液态。离开电弧温度急速下降，炉料中热传导主要靠气流和炉料间进行逆流热交换，气流是热量的主要载体，离开电极端越远温度越低，所以坩埚外层炉料聚集状态逐渐发生变化，最后坩埚壁转化为正常的加热料层。坩埚内形成的气体反应物透过坩埚壁而排出，在透气均匀的情况下，气体是从坩埚顶面拱形部分散出，因此坩埚顶部形状接近于旋转抛物面或迥转椭圆面。三相对称电炉中，在极心圆尺寸合理情况下，三个坩埚的直径按炉子中心线交接，如图所示三个坩埚合并成一个。侧壁三个迥转椭球汇合。极心圆过大 极心圆过小 极心圆合适坩埚拱形区有较高的温度。坩埚外壁和顶就是温度降到达不到显著熔化还原的粘稠融熔料，甚至烧结区。从坩埚的定义、形状和形成的讨论可以看出，坩埚的大小和形状，取决于气流流过的方向和途径。高温热气流从电极较远外排出，坩埚就会宽，坩埚区大；气流仅在电极近处甚至电极根部排出，坩埚必然窄，且向上了展，坩埚缩小。（2）坩埚大小决定炉况：经过大量分析讨论指出：铁合金冶炼过程的特征是，在熔炼过程中，没有明显的因重力作用而产生的物料的连续运动，是移动的熔炼区域在物料中扩展。其结果是必须周期性地破坏坩埚顶，在电极周围空间填进新炉料。这一周期过程自行重复进行。也就是高温炉气带着能量及气态反应物与坩埚内的物料进行反应，将坩埚内炉料逐渐消耗掉，形成合金或渣进入熔池，坩埚区内炉料化空，料层变薄。在大中型炉中，料层薄到支撑不住上层料面才下沉，炉口火焰变大，操作人员就要向下沉地带加料；在小型炉子上此时也很少下沉，就要采取人工辅助下料的方法，将予热料加到坩埚中去。“坩埚”就是这个炉内主要工作区域、功率一定，坩埚大就是反应工作区域大。在炉子设备及电气制度一定的情况下，电效率变动不大，要降低电耗就要提高热效率，这主要靠减少炉口热损失，减少氧化物、金属蒸气的挥发损失来获得。要做到这点，坩埚的大小和形状是起决定作用的。坩埚大就是熔化区带宽大。决定坩埚大小的物理现象是温度梯度，要使坩埚大，必须温度颁均匀，使输入炉内的一定功率能分布在电极四周较宽的区带中，即较宽的区带能达到熔化还原所需的高温。而这一点就要看传热、传质的高温气流的中径如何，是由坩埚顶部局部地区，未经热交换就较快地排出，还是由距电极较远外均匀逸出。要做到后者就要求，料层厚度大致均匀一致。这样带着能量及反应物的高温气流可以从远处的坩埚壁上均匀排出，与炉料进行逆流热交换，这可充分予热炉料，使熔化带尽可能地向予热带延伸扩大，排出气体温度低，高温气流中的有用的物质被冷料吸附，损失就少。这样全炉口冒出火焰均匀，火焰区宽，热能利用得好。炉内温度高，熔化还原快，元素收得率高，熔化区带宽。电极插入得沉且稳，三相坩埚联通好。出铁畅快，出铁口较大且排渣好，出铁口易打开、好开好堵，这就是电炉正常的征兆。反之，若料层及坩埚壁厚度不均时，电极附近的高温气流不能均匀向外排出，而是向坩埚顶部，电极四周排出。电极周围局部熔化过快，使熔化区带缩小且向上民展。炉子侧面的炉料烧结带，由于高温区缩小而向内发展，坩埚区缩小，坩埚风内气体压力增大，电流增大，电极上抬。气体甚至会从电极边料层薄处冲出，造成剌火塌料，将坩埚顶破坏。炉内温度降低，高温气体带着未进行热交换的热量和大量未反应的氧化物、碳化物等排出炉外，造成热损失和有用元素的损失，这样传热和传质都没法充分进行，产量质量必然低，回收率低，热效率低，坩埚区窄，甚至三相坩埚不联通，出铁不畅，炉渣不易排出，炉低上涨，电极上抬，炉况明显恶化。所以，坩埚区宽窄，是炉况正常与否的重要标志。坩埚大小决定炉况。扩大坩埚是联系铁合金冶炼各方面的一个基本环节，是贯彻始终的一个基本矛盾。影响坩埚扩大的因素涉及到各方面，不论在客观条件上（如炉子参数、电气制度、原料精选等）、或者在主观操作上，人们在自觉或不自觉地在为扩大坩埚而努力。一切利于坩埚扩大的操作才是正确的操作。（3）影响坩埚扩大的因素：应采用合适的电极直径和电极极心圆直径：要使坩埚大，前提是炉内温度分布尽可能地均匀，炉内电流分布是影响温度梯度的重要因素，电流密度不能过大。在一定电气制度及原料条件下，电流是沿电极的端面流入炉内的。炉内电流均匀与否，取决于电极直径。为减少炉内温度梯度，扩大坩埚，应考虑较粗电极，使功率分布均匀，电极电流密度取56.5安/平方厘米为宜。电极电流密度过大电极太细，局部温度过高，炉内温度一均匀。极心圆直径要适当，极心圆过大炉心温度低坩埚不联通，坩埚也小；极心圆过小，热量过于集中，坩埚虽联通，但坩埚也不大。一般极心圆取电极直径的2.5倍，电位梯度适当，三相既联通，热量又均匀，坩埚大。应采用合适的二次电压：二次电压过高弧光功率提高，弧光拉长，电极上抬，温度梯度加大，高温区上移，电极插得浅，热量损失大“坩埚”缩小且上移，炉况变坏。但电压过低，电效率低，输入功率低，炉口料层过厚，火焰不均匀，坩埚不能扩大。要精料入炉：增加炉料比电阻，以提高炉料电阻，使炉料分流减小，料面温度降低，使功率集中在电弧区，电能利用得好，坩埚熔化区扩大。要注意炉料洁净，减少粘稠炉渣消耗电能，影响炉内电流均匀分布。炉渣多，炉料熔化慢，难还原，坩埚壁中含有不易还原的杂质多，坩埚也不易扩大。炉料透气不好，渣特别多时不会翻渣造成透气进一步变坏。炉口火不均匀，使坩埚难以扩大。炉料粒度也要配合好，使炉料比电阻大，透气好。若还原剂粒度过大，电极上抬；粒度过小烧损大透气也不好，都会影响坩埚的扩大。还原剂不足或过多均会影响电极插入深度，影响坩埚扩大。加料均匀：采取保持平顶锥体炉心略高的料面，主动集中加料的操作使炉内电流分布平匀，保持炉口火焰均匀，炉口各处料层厚度均匀，气流排出阻力大小一致，排出面就大，熔化区宽，坩埚才能扩大。正确地捣炉透气：一要经常透气和进行适当地捣炉，松动炉料一方面使气体排出均匀，同时还可增加炉料比电阻帮助电极下插。捣炉及透气是用击穿坩埚粘状厚壁的方法使气体自由排出。在冶炼中电极近处温度高熔化快，远处炉料由于气流从一处冲出而不能再加热的部位，温度下降，已熔料又被冷凝烧结，或因其他原因形成硬块影响透气及坩埚扩大，所以要进行捣炉将硬块或冷凝料打碎，并松动，使高温气流恢复从那里流过，而加热电极远处的炉料，这是扩大坩埚改善炉况的重要操作。7