商黔麗

(遵鈦集團(tuán)股份公司技術(shù)中心， 貴州 遵義 563004)

高鈦渣電爐生產(chǎn)節(jié)能途徑

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(遵鈦集團(tuán)股份公司技術(shù)中心， 貴州 遵義 563004)

以12.5 MW高鈦渣矮煙罩電爐為例，介紹了通過合理布置變壓器，改進(jìn)短網(wǎng)結(jié)構(gòu)提高功率因數(shù)，減少操作時(shí)的熱損失，減少停電時(shí)間，自動(dòng)控制電爐功率及余熱回收與利用等達(dá)到節(jié)能目的的方法。

高鈦渣矮煙罩電爐； 節(jié)能途徑； 余熱利用

0 前言

我國(guó)高鈦渣電爐工業(yè)普遍存在耗電高，單爐容量小，工藝設(shè)備落后，效率低，生產(chǎn)成本偏高等問題。通過改進(jìn)設(shè)備，選擇合理參數(shù)(例如改變短網(wǎng)布置，縮短其長(zhǎng)度，調(diào)整極心圓，減少電抗，使電流密度適當(dāng)?shù)?，適當(dāng)提高設(shè)備水平和機(jī)械化、自動(dòng)化程度，進(jìn)一步對(duì)生產(chǎn)過程和設(shè)備實(shí)行監(jiān)控，就能保證生產(chǎn)穩(wěn)定，提高生產(chǎn)效率。為了挖掘設(shè)備節(jié)能潛力，以某廠12.5 MW高鈦渣矮煙罩電爐為例，繪制出該電爐能源分布圖，如圖1，從圖中可以看出，從電網(wǎng)輸入的能量為12.5 MW，經(jīng)高壓斷路器、電爐變壓器、短網(wǎng)至電極輸入電爐內(nèi)，是電熱法冶煉過程的主要能源，其輸入過程中已損耗2.5 MW。入爐料中還原礦石中氧化物的碳質(zhì)材料潛熱為12 MW。爐內(nèi)原料還原過程中消耗能量為5.5 MW，占輸入爐膛內(nèi)總能量(22 MW)的25%，此能量與散熱損失的1 MW是正常生產(chǎn)必然消耗，是無法回收的。但隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，其他的損耗如電力損耗可通過一些有效措施降低；750 ℃的煙氣潛熱、循環(huán)冷卻水、產(chǎn)品中鈦生鐵潛熱可通過余熱回收技術(shù)來利用。

1 降低電力損耗的措施

1.1 選擇超載型電爐變壓器

多年以來生產(chǎn)實(shí)踐表明使用HSSPZ- 12500/110型高鈦渣電爐變壓器可以解決鈦渣電爐二次電流波動(dòng)大的特點(diǎn)。該變壓器要求低壓繞組都由多個(gè)線圈幾路并聯(lián)，首尾相間的水冷銅管側(cè)部引出箱外，既降低了引線中的附加渦流損耗又便于安裝和散熱。此外，電爐變壓器需具有較低阻抗、良好的絕緣強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度以及有載電動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)壓，以適應(yīng)每爐不同期工作電壓。增大變壓器通磁鐵芯和線組銅線截面，確保鈦渣爐過載能力達(dá)30%～40%，既保證了安全，又降低了變壓器銅損，提高了電爐的電效率。雖然增加了變壓器的制造成本，但其長(zhǎng)期效益顯著。

圖1 12.5 MW高鈦渣矮煙罩電爐能源分布圖

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度看，12.5 MW鈦渣電爐選用單臺(tái)三相變壓器更經(jīng)濟(jì)；從節(jié)能角度考慮，首選電爐變一次側(cè)進(jìn)線為110 kV，這樣可省去110 kV變10 kV、35 kV的電力變損和10 kV、35 kV電纜斷路器等建設(shè)投資和這段線路的電力損耗。110 kV較10 kV、35 kV可節(jié)電能約1%～2%，且可享受110 kV電網(wǎng)電價(jià)優(yōu)惠0.03元/kW·h。兩項(xiàng)合并每臺(tái)電爐每年可節(jié)省電費(fèi)300萬元左右。3年就可收回投資費(fèi)用，并可以長(zhǎng)期受益。

1.2 改進(jìn)短網(wǎng)結(jié)構(gòu)

電爐的短網(wǎng)是指電爐變壓器低壓側(cè)至電爐的大電流(對(duì)12.5 MW鈦渣電爐二次電流為40 kA)的全部傳導(dǎo)裝置，一般不包括導(dǎo)電夾和自焙電極。短網(wǎng)的主要作用是傳輸大電流，故必須具備足夠斷面及載流能力，應(yīng)該有一定的短期過載能力和良好的機(jī)械強(qiáng)度，因?yàn)閷?dǎo)體內(nèi)功率損耗與其電流的平方及其電阻乘積成正比，所以短網(wǎng)電阻值必須很小，又因?yàn)閷?dǎo)體內(nèi)無功電壓是電流與感抗的乘積，所以短網(wǎng)感抗值必須足夠小。常規(guī)的短網(wǎng)結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)一般為0.75～0.85，如圖2。改進(jìn)型短網(wǎng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)可達(dá)0.90～0.93，如圖3。

1.電爐矮煙罩Φ8 500 mm；2.自焙電極Φ1 200 mm；3.隔離墻；4.12.5 MW變壓器；5.A、B、C三相補(bǔ)償水冷電纜，均長(zhǎng)1 800 mm；6.A、B、C三相母線銅管，A相均長(zhǎng)4 000 mm以上，C相均長(zhǎng)4 500 mm以上，B相均長(zhǎng)11 000 mm以上；7.水冷電纜，均長(zhǎng)3 000 mm圖2 12.5 MW矮煙罩電爐短網(wǎng)常規(guī)結(jié)構(gòu)

1.電爐矮煙罩Φ8 500 mm；2.自焙電極Φ1 200 mm；3.隔離墻；4.12.5 MW變壓器；5、6.A.C相對(duì)稱布置的水冷電纜組，均長(zhǎng)5 000 mm；7.B相補(bǔ)償水冷電纜，均長(zhǎng)1 800 mm左右；8.紫銅管，均長(zhǎng)8 000 mm；9.B相水冷電纜，均長(zhǎng)3 000 mm圖3 改進(jìn)后的12.5 MW矮煙罩電爐短網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在短網(wǎng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后兩個(gè)方案中，電爐變壓器安裝的位置有所差別。圖3的電爐變壓器必須布置在比爐臺(tái)加料層平面高3 m的靠近矮煙罩上側(cè)方專設(shè)的爐變室內(nèi)，這樣可將變壓器盡量靠近三相電極，實(shí)現(xiàn)電爐短網(wǎng)最短化，使其長(zhǎng)度之和僅為圖2常規(guī)配置的1/2左右，且圖3中的A、C相完全對(duì)稱布置。由于短網(wǎng)最短，所以可直接用5 m長(zhǎng)的水冷電纜連接爐變和電極導(dǎo)電夾銅管，中間再無其他接頭的接觸電阻。B相經(jīng)C相電纜上方跨越安裝；B相、C相由于跨越交叉產(chǎn)生互感效應(yīng)，相位角互不相同而抵消各自的感抗數(shù)值，有利于功率因數(shù)進(jìn)一步提高。正因?yàn)閳D3較圖2短網(wǎng)短，又有互補(bǔ)作用，因而功率因數(shù)可達(dá)0.93。而常規(guī)設(shè)計(jì)的短網(wǎng)結(jié)構(gòu)線路較長(zhǎng)，電抗數(shù)值較大，造成功率因數(shù)下降。電抗增加消耗有用功，浪費(fèi)大量電能，導(dǎo)致冶煉電耗增高，且會(huì)被電力部門加收額外電力罰款。

為了解決電爐功率因數(shù)低下的問題，國(guó)內(nèi)多數(shù)企業(yè)在高壓端進(jìn)行無功補(bǔ)償，但高壓端補(bǔ)償僅提高了高壓側(cè)的功率因數(shù)，而實(shí)際存在的低壓端短網(wǎng)系統(tǒng)的巨大感抗所產(chǎn)生的無功功率依然在低壓側(cè)短網(wǎng)系統(tǒng)中流動(dòng)，故從爐變到短網(wǎng)并沒有抵消短網(wǎng)系統(tǒng)無功功率，也不能提高低壓端功率因數(shù)，所以高壓端補(bǔ)償不能降低低壓端(圖1)的2.8 MW損耗，也不能增加變壓器出力，只可以避免罰款，僅對(duì)供電部門有意義。

相對(duì)高壓補(bǔ)償而言，低壓末端補(bǔ)償確實(shí)能夠提高功率因數(shù)、電流輸入電壓和爐變出力，增加冶煉有效輸入功率，同樣能達(dá)到增產(chǎn)降耗。但由于低壓末端就地補(bǔ)償?shù)墓ぷ鳝h(huán)境惡劣，增加了維護(hù)成本與時(shí)間，降低了補(bǔ)償設(shè)備利用率，故目前技術(shù)水平下低壓補(bǔ)償僅處于嘗試階段。

通過以上分析可知按圖3短網(wǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)施，其自然功率因數(shù)仍能達(dá)到0.90～0.93。對(duì)于12.5 MW鈦渣電爐能夠獲得以下的經(jīng)濟(jì)效益：

(1)在同等視在功率情況下，圖3中變壓器的有用功率將降低無功電流引起的損耗，從而降低單耗，能夠有效增加產(chǎn)量10%左右，企業(yè)產(chǎn)值增加10%。

(2)由于功率因數(shù)能提高到0.9以上，因此電力收電費(fèi)不再加收無功罰款1.5%，每月為6萬元，而且超過0.90達(dá)0.92時(shí)每月將少收0.75%，即每月減少電費(fèi)1.5萬元以上。兩項(xiàng)合計(jì)每年可節(jié)約電費(fèi)支出80萬元以上。

(3)除了增設(shè)變壓器室土建費(fèi)用外，圖3較圖2的短網(wǎng)長(zhǎng)度縮短了一半，每爐可節(jié)省一次性建設(shè)投資銅材費(fèi)用100萬元左右。由于短網(wǎng)最短，功率因數(shù)得到提高，每噸產(chǎn)品節(jié)電約5%，每年增產(chǎn)節(jié)電獲利200萬元以上。

1.3 提高附屬設(shè)備的無功補(bǔ)償

附屬設(shè)備主要包含除塵風(fēng)機(jī)等動(dòng)力電動(dòng)機(jī)設(shè)備。動(dòng)力電動(dòng)機(jī)屬于感性負(fù)荷，在運(yùn)行中需要向其提供相應(yīng)的無功功率。補(bǔ)償方式有兩種：一是集中補(bǔ)償，即在動(dòng)力變高壓側(cè)或低壓側(cè)安裝并聯(lián)電容器組；二是單臺(tái)大電機(jī)就地補(bǔ)償，在單臺(tái)大電機(jī)處安裝并聯(lián)電容器等，也能使動(dòng)力用電的功率因數(shù)提高到0.95，同樣會(huì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果。

2 生產(chǎn)工藝節(jié)能措施

2. 1 減少各項(xiàng)操作的熱損失

工藝操作必須嚴(yán)明紀(jì)律，科學(xué)統(tǒng)一。特別要減少冶煉過程中大翻渣所造成的二次重焙電熱損失，減少爐口大塌料跑火及“刺火”；保持電極的插入深度；保持爐內(nèi)配碳比適當(dāng)、透氣好、加料均勻；電極周圍料層厚度也要均勻。生產(chǎn)國(guó)標(biāo)90%品位以上的高鈦渣，一定要保證入爐精礦鈦鐵氧化物含量≥97%，控制成品渣中FeO的含量≤6%，低價(jià)鈦化物(TiC，TiO，Ti2O3，Ti3O5，TiN)的含量40%左右，因?yàn)榇似肺坏囊簯B(tài)鈦渣流動(dòng)性尚好，熔煉時(shí)間較短，電耗低，產(chǎn)量高。要使?fàn)t口適時(shí)順暢快速出爐排渣出鐵，同時(shí)對(duì)爐膛進(jìn)行快速、安全、徹底搗爐，用搗下的爐料推進(jìn)爐膛電極堝內(nèi)，再快速打開下料閥門，使大批爐料流入爐膛內(nèi)被高溫潛熱蓋住，可減少輻射潛熱損失，達(dá)到增產(chǎn)降耗的節(jié)能效果。

2.2 自動(dòng)控制電爐功率

鈦渣電爐每爐間歇生產(chǎn)中，每爐次開始時(shí)，由于新加入的爐料層溫度低，料阻偏高，此時(shí)應(yīng)配置較高的爐變二次電壓相適應(yīng)，才能使輸入電爐額定功率恒定。應(yīng)力求維持三相功率平衡，通常采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，通過有載手動(dòng)電動(dòng)調(diào)壓調(diào)節(jié)二次電壓高低，通過升降電極來調(diào)節(jié)電極電流大小，要求電極提升時(shí)速為0.7 m/s,下降時(shí)速為0.3 m/s，正常爐況下，頻繁的電極電流調(diào)節(jié)需切入自動(dòng)擋，將采集到的110 kV每電極相應(yīng)的智能電流互感器信息輸入到微機(jī)內(nèi)與每爐次電流設(shè)定曲線值進(jìn)行比較。

當(dāng)電極電流偏離設(shè)定值時(shí)，微機(jī)便發(fā)出指令，控制電極液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電極提升或下降，從而實(shí)現(xiàn)了電爐電流平穩(wěn)控制在操作曲線上、下波動(dòng)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了功率自動(dòng)控制，提高了電爐平均電荷，增加了產(chǎn)量，降低了電單耗。

2.3 電極液壓壓放減少停電時(shí)間

鈦渣電爐電極多屬自焙電極，在冶煉中不斷消耗，故需不斷壓放電極。該操作通過上、下環(huán)及主缸的順序動(dòng)作壓放，如圖4所示。動(dòng)作的順序?yàn)椋核缮檄h(huán)→升立缸(提高上環(huán))→緊上環(huán)→松下環(huán)→降立缸(壓下電極)→緊下環(huán)。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐選擇“勤壓、少壓”的操作系列，每次壓放50～80 mm以保證電極的正常焙燒速度和必要的電極工作端長(zhǎng)度,使電極深度保持在最佳位置,從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品單位電耗和生產(chǎn)率最佳化。電極壓放設(shè)手動(dòng)和自動(dòng)控制兩檔。

1.上液壓抱閘； 2. 下液壓抱閘； 3.立缸圖4 還原電爐電極壓放控制示意圖

還原爐電爐自焙電極的壓放控制包括壓放時(shí)機(jī)的選擇和壓放動(dòng)作過程的程序控制，已廣泛采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)。

3 電爐余熱回收與利用

(1)洗澡供暖。電爐的循環(huán)冷卻水再經(jīng)過煙氣進(jìn)一步加熱至沸點(diǎn)或蒸汽，供全廠職工洗澡供暖，可取代供暖鍋爐。

(2)預(yù)熱或烘干其他中間產(chǎn)品。

(3)對(duì)于更大容量的電爐(如30 MW以上)，其煙氣余熱量更大，可用余熱發(fā)電，回收電能可達(dá)10%～20%。

(4) 出鐵嘴排出的液態(tài)渣和鐵，經(jīng)沉降分離后，將液態(tài)的優(yōu)質(zhì)鈦生鐵就地鑄成鐵錠，或用鐵水包運(yùn)往鑄件分廠，倒入工頻保溫爐中經(jīng)配料加工成工業(yè)鑄件，如鋼球、鋼段等市政工程鑄件，充分利用鐵水潛熱。

4 結(jié)束語

近十多年來，我國(guó)鈦工業(yè)突飛猛進(jìn)，工業(yè)產(chǎn)品的品種、冶煉工藝在節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)、能源回收等方面都取得了迅速發(fā)展和突破。鈦渣爐的大型化有利于實(shí)施科學(xué)技術(shù)裝備升級(jí)和完善，其采用的自動(dòng)化、機(jī)械化、智能化手段，可為節(jié)能降耗、降低產(chǎn)出成本、增加經(jīng)濟(jì)效益提供有力保障。

[1] 楊紹利，盛繼孚.鈦鐵礦熔煉鈦渣與生鐵技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社.

Methods of Energy Conservation in High Titanium Slag Electric Furnace Production

SHANG Qian-li

Based on an example of 12.5 MW high titanium slag short vessel hood electric furnace, the following methods are introduced to achieve the goal of energy conservation: reasonable transformer arrangement, short net structure improving to increase power factor, heat loss reducing in operation, outage time reducing, electric power automatic control, waste heat recovering and utilizing, and so on.

high titanium slag short vessel hood electric furnace; energy conservation; waste heat utilization

2014-08-15

商黔麗(1968—)，女，貴州人，大學(xué)本科，工程師，主要從事冶煉工藝設(shè)計(jì)工作。

TF823

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1008-5122(2014)06-0035-03