我國(guó)電石工業(yè)生產(chǎn)電石的電爐主要有開放式、內(nèi)燃式、密閉式三大類，而密閉式電石爐按供電方式又分為交流電石爐和直流電石爐兩種，國(guó)內(nèi)交流電石爐根據(jù)其電極把持器的結(jié)構(gòu)形式的不同主要分為引進(jìn)挪威?？瞎镜慕M合式把持器電石爐和導(dǎo)電銅瓦式電石爐兩種主要爐型。開放式電石爐主要為我國(guó)早期發(fā)展電石產(chǎn)業(yè)時(shí)期的爐型，其容量大多小于5000kVA，這種爐型在電爐二層平臺(tái)料面層為敞開式，只有一個(gè)爐體和變壓器，電極控制有卷?yè)P(yáng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，加料從二層平臺(tái)樓面加入，沒(méi)有環(huán)保裝置，生產(chǎn)操作完全靠人為經(jīng)驗(yàn)，環(huán)保效果很差，污染嚴(yán)重，能耗指標(biāo)較高，已經(jīng)全部被淘汰。內(nèi)燃式電石爐又稱半密閉式電石爐(矮煙罩電石爐)，其容量主要在25500kVA以下，主要分為兩種，一種是在敞開式電石爐的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，增加了爐蓋、加料系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)，這種改造的裝置較為簡(jiǎn)單，無(wú)原料烘干裝置及爐氣余熱利用裝置，生產(chǎn)仍以人工經(jīng)驗(yàn)為主;一種是在相關(guān)設(shè)計(jì)單位的綜合設(shè)計(jì)計(jì)算下，結(jié)合實(shí)力較強(qiáng)的設(shè)備加工制作安裝單位，全新設(shè)計(jì)并制造安裝的新型內(nèi)燃式電石爐，這種電石爐在自動(dòng)化控制、環(huán)保措施及余熱利用上都做了相應(yīng)的更新和改進(jìn)，比之前一種爐型要更為先進(jìn)，目前我國(guó)電石行業(yè)尚有40%的爐型為此種爐型，為我國(guó)的電石工業(yè)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。大型密閉式電石爐采用全密閉的密封式爐蓋系統(tǒng)，使得電石爐尾氣得以充分回收并加以利用，因電石爐尾氣的主要成分為CO氣體，其熱值較高，約為2400千卡，既可作為燃料去生產(chǎn)電石生產(chǎn)原料必不可少的石灰或者發(fā)電，又可作為生產(chǎn)氮肥的原料，增強(qiáng)了爐氣回收利用的價(jià)值，提高了產(chǎn)品的附加值。大型密閉式電石爐因電極把持器的結(jié)構(gòu)型式不同主要分為組合式把持器電石爐及導(dǎo)電銅瓦式電石爐兩種。(1)組合式把持器電石爐技術(shù)特點(diǎn)引進(jìn)的埃肯密閉電石爐技術(shù)其核心技術(shù)是組合式把持器技術(shù)[10]，此技術(shù)作為鐵合金生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)，早已廣泛的應(yīng)用于鐵合金爐，但是在我國(guó)引進(jìn)應(yīng)用以前國(guó)外沒(méi)有電石爐應(yīng)用過(guò)此項(xiàng)技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)是否符合密閉電石爐生產(chǎn)工藝的要求，值得論證。1)組合式把持器的導(dǎo)電裝置為接觸元件，接觸元件夾持電極外導(dǎo)電筋板的導(dǎo)電方式?jīng)Q定了電極焙燒程度的不可控性。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于電極燒成高度上移造成接觸元件夾持的筋板以內(nèi)區(qū)域和其周邊電極筒燒損并且連電燒損接觸元件的事故。此種電極事故處理極其麻煩，由于電極筒的燒損部分不能起到夾持導(dǎo)電的作用，所以必須先將受損元件拆下勘查燒損高度后，用在電極上打孔爆破的方法將多余的電極炸掉，再將電極壓下至電極筒完好處重新安裝新接觸元件。根據(jù)埃肯公司的技術(shù)要求，為保證導(dǎo)電均衡，需將事故相電極的所有元件全部更換。接觸元件通過(guò)夾緊電極筒的導(dǎo)電筋板向電極傳輸電流，由于其導(dǎo)電接觸面積有限，導(dǎo)致接觸面的電流密度達(dá)到25A/平方厘米左右。一般情況下，銅與銅的壓接面允許電流密度在空氣冷卻的條件下為15A/平方厘米,在有良好的水冷條件時(shí)允許負(fù)荷為50A/平方厘米,變壓器大電流接線端子接觸面的電流密度選擇一般都留有足夠的安全裕度為20A/平方厘米。接觸元件導(dǎo)電接觸面為有水冷的銅與鋼壓接面，允許負(fù)荷取銅與銅壓接面的0.5倍值25A/平方厘米。接觸元件導(dǎo)電接觸面的實(shí)際負(fù)荷剛剛處于允許負(fù)荷的臨界狀態(tài)，沒(méi)有留有適當(dāng)?shù)脑６龋o安全運(yùn)行留下了隱患。導(dǎo)電接觸面的允許負(fù)荷受接觸面接觸電阻的制約，接觸電阻又受接觸面溫度的影響。接觸元件導(dǎo)電接觸面的冷卻條件不同于普通壓接面的冷卻，其壓接面的溫升不僅來(lái)自于接觸電阻的電熱效應(yīng)，并且有來(lái)自電極通過(guò)導(dǎo)電筋板傳導(dǎo)到壓接面的熱量，由于接觸元件特殊的導(dǎo)電方式?jīng)Q定了電極燒成高度的不可控性，接觸元件區(qū)域的溫度經(jīng)常會(huì)超過(guò)電極燒結(jié)的溫度，達(dá)到700℃以上，所以來(lái)自電極傳導(dǎo)到壓接面的熱量會(huì)很大，接觸元件壓接面的實(shí)際溫升必然高于普通壓接面正常冷卻條件下的溫升，從而導(dǎo)致接觸電阻增大。再加上接觸元件壓接面由于壓放電極的緣故經(jīng)常發(fā)生相對(duì)位移，細(xì)小的顆粒不可避免的會(huì)進(jìn)入壓接面，也導(dǎo)致了壓接面接觸電阻的增大[12]。以上兩項(xiàng)因素造成接觸元件導(dǎo)電壓接面接觸電阻增大，必然導(dǎo)致壓接面負(fù)荷能力大幅度降低，使本就處在允許負(fù)荷臨界狀態(tài)的壓接面溫度大幅度升高，因此燒損事故發(fā)生就成為必然的結(jié)果。另外，在?？蠣t上普遍采用了低壓(二次側(cè))無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，這種無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞诫m然可以提高變壓器的有功功率輸出，但是這種補(bǔ)償方式會(huì)造成變壓器二次側(cè)電流測(cè)量值與補(bǔ)償裝置接入點(diǎn)以后的電極實(shí)際運(yùn)行電流值不符的現(xiàn)象，也就是電極實(shí)際運(yùn)行電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)量值。這就造成了一種假象，二次電流監(jiān)測(cè)值雖然在允許范圍內(nèi)，但電極實(shí)際運(yùn)行電流值已經(jīng)大大超出了接觸元件的負(fù)荷能力。

2)由于接觸元件不能進(jìn)入爐蓋內(nèi)工作，導(dǎo)致電極運(yùn)行長(zhǎng)度大幅度增加，在保證端底距離的前提下25500KVA電石爐電極長(zhǎng)度需控制在2.2米左右，這超長(zhǎng)的電極運(yùn)行長(zhǎng)度勢(shì)必影響電極的安全運(yùn)行，并且增加了電能損耗和無(wú)功負(fù)載。和同容量的導(dǎo)電銅瓦爐相比單相電極增長(zhǎng)約900mm、增重1500kg以上，增長(zhǎng)的電極造成每噸電石多消耗電能100度以上。為彌補(bǔ)這一缺陷并提高熱效率采用了提高料面高度的布料裝置。但這一措施的采用恰恰違背了礦熱爐料層高度應(yīng)有額定值的原則。其害有二：料面位置過(guò)高導(dǎo)致爐子的操作電阻大幅度減小，電極難以深入爐內(nèi)操作，電爐不能高負(fù)荷運(yùn)行。實(shí)際操作中，即使放棄了高質(zhì)量、高功率因數(shù)這兩項(xiàng)電石爐操作中必須遵循的工藝控制原則，仍然不能達(dá)到理想的效果。料層過(guò)厚而且將馬蹄形布料器布置于吃料口的正上方，這種料面布置方式直接抑制了反應(yīng)氣體的順利排出，使反應(yīng)區(qū)內(nèi)的壓力增大，嚴(yán)重阻礙了化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行，增加了電石爐能耗。反應(yīng)區(qū)內(nèi)的壓力增大，必然導(dǎo)致塌料、噴料現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重破壞爐內(nèi)反應(yīng)次序，并且威脅設(shè)備安全。爐內(nèi)料層預(yù)熱主要依靠熔池內(nèi)逸出的高溫爐氣對(duì)流傳熱，且預(yù)熱程度不得過(guò)高，否則將造成支路電流過(guò)大、電極難下、功率分配不當(dāng)?shù)牟涣己蠊?。而人為的增加料層厚度正是減小了三角形回路電阻，使料層中得到了更多的功率分配，從而促使?fàn)t料過(guò)度預(yù)熱、爐面溫度過(guò)高。爐料上層溫度過(guò)高產(chǎn)生粘接紅料和熔池內(nèi)部壓力過(guò)高正是爐內(nèi)產(chǎn)生熔洞、料層結(jié)殼的主要原因。針對(duì)?？显O(shè)計(jì)中極心圓直徑過(guò)大、反應(yīng)區(qū)內(nèi)功率密度不足、三相熔池經(jīng)常不通、電極難以深入爐內(nèi)操作、電石爐不能高負(fù)荷運(yùn)行等現(xiàn)象，以內(nèi)蒙古海吉化工為首的第一輪增容改造工作開始進(jìn)行。此種改造是在不改變電石爐參數(shù)的情況下將變壓器容量由25500kVA增至27000kVA—30000kVA。前面已經(jīng)分析過(guò)，電極難下，電石爐運(yùn)行不佳主要是因?yàn)榱厦娌贾貌缓侠?，?dǎo)致操作電阻大幅度減小造成的，而增加變壓器容量實(shí)際上是人為的提高電流電壓比用以滿足大幅度減小的操作電阻。這種增容方式無(wú)異于小型開放式電石爐中普遍采用的超負(fù)荷運(yùn)行方式，是以超電流運(yùn)行的方式達(dá)到高負(fù)荷運(yùn)行的目的。在小型開放式電石爐上采用這種方法，由于其短網(wǎng)結(jié)構(gòu)、熔池結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了無(wú)功負(fù)載所占比例較小;再加上靈活的爐面操作手段，實(shí)踐證明可以增加爐內(nèi)有功輸入，從而達(dá)到高產(chǎn)、低耗的效果。然而，大型密閉式電石爐由于其短網(wǎng)結(jié)構(gòu)、熔池結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了無(wú)功負(fù)載所占比例較大，只有高電壓運(yùn)行才是高功率因數(shù)、高電效率、低能耗的保證，而這種超電流運(yùn)行的方式雖然在一定程度上可以提高運(yùn)行負(fù)荷，但是必然會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行功率因數(shù)低、電效率低、能耗高的不良效果。3)全國(guó)電石會(huì)上新疆天業(yè)廠最新型40500kVA組合式把持器密閉電石爐生產(chǎn)實(shí)效為證，有功功率：29000kW，功率因數(shù)：0.71，定時(shí)處理料面，防止產(chǎn)生熔洞和料層結(jié)殼。由于技術(shù)封鎖，雖然無(wú)法得知改造的具體措施，但憑借以上數(shù)據(jù)和存在的問(wèn)題就可得出效果不佳的結(jié)論。電石爐視在功率雖然已達(dá)到滿負(fù)荷，但是由于功率因數(shù)低只達(dá)到0.71，所以電效率必然也低，29000kW的有功功率中有大量的電能消耗在變壓器和短網(wǎng)中，其極心圓直徑為3950mm，29000kW的有功輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足反應(yīng)區(qū)的功率密度要求。這樣的運(yùn)行狀況只能導(dǎo)致高能耗，大量的浪費(fèi)電力資源。需要定時(shí)處理料面，防止產(chǎn)生熔洞和料層結(jié)殼。說(shuō)明料面溫度高、支路電流大、有效功率在熔池和料層中分配不當(dāng)，熔洞和料層結(jié)殼現(xiàn)象的存在會(huì)破壞爐內(nèi)正常的反應(yīng)秩序，嚴(yán)重時(shí)極大地威脅爐內(nèi)設(shè)備和爐襯的安全。(2)導(dǎo)電銅瓦式電石爐技術(shù)特點(diǎn)導(dǎo)電銅瓦爐型采用的在德國(guó)西馬克技術(shù)的基礎(chǔ)上我國(guó)相關(guān)業(yè)界專業(yè)技術(shù)人員自主創(chuàng)新的新型技術(shù)[13]，主體設(shè)備采用全密閉固定式爐型，主要由以下幾部分組成：爐體、密閉爐蓋、煙囪、短網(wǎng)、電極系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、出爐系統(tǒng)設(shè)備等。此技術(shù)核心是電極柱系統(tǒng)采用錐形環(huán)形式抱緊銅瓦，其組成部分有錐形環(huán)、水套、彈簧、松緊油缸、電極把持筒、集電環(huán)、導(dǎo)電銅瓦、銅瓦吊架及銅瓦等，錐形環(huán)的內(nèi)錐面緊靠導(dǎo)電銅瓦的外錐形面，通過(guò)錐形環(huán)的上升或者下降使錐形環(huán)與電極之間產(chǎn)生徑向壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)壓緊和放松電極，根據(jù)電極密封結(jié)構(gòu)的不同，分為固定水套式即錐形環(huán)與導(dǎo)向水套可做成整體式和活動(dòng)水套式即錐形環(huán)與導(dǎo)向水套分開兩種。錐形環(huán)采用空心通水冷卻，材質(zhì)盡量選用用1Cr18Ni9Ti。錐形角一般為10°-18°,最小為6°。組合式把持器爐型與導(dǎo)電銅瓦爐型技術(shù)特點(diǎn)相比，組合式把持器的導(dǎo)電裝置為接觸元件，接觸元件夾持電極外導(dǎo)電筋板的導(dǎo)電方式?jīng)Q定了電極焙燒程度的不可控性;由于接觸元件不能進(jìn)入爐蓋內(nèi)工作，導(dǎo)致電極運(yùn)行長(zhǎng)度大幅度增加，導(dǎo)致運(yùn)行功率因數(shù)低、電效率低、能耗高的不良效果，而銅瓦爐則很好的解決了這些問(wèn)題，運(yùn)行自然功率因數(shù)提高，電熱效應(yīng)很好的傳輸?shù)揭睙捜鄢刂?，有效地提升了電爐冶煉的電熱效率，降低了電爐電耗，提升了電爐產(chǎn)量。(3)直流電石爐技術(shù)直流電石爐技術(shù)在我國(guó)電石行業(yè)尚處于技術(shù)研發(fā)階段，還未有較為成功的案例運(yùn)用于電石生產(chǎn)中，直流電石爐技術(shù)顧名思義，就是在供電方式上采用直流電形式，直流電在通過(guò)感性負(fù)載時(shí)不會(huì)生產(chǎn)感生電流與電壓，對(duì)直流電而言感性負(fù)載只相當(dāng)于負(fù)載本身的電阻，也就是對(duì)直流電來(lái)說(shuō)感性負(fù)載本身的電感等于零，即不存在，直流電只通過(guò)感性負(fù)載本身的電阻做有用功。交流電不僅需要通過(guò)感性負(fù)載本身的電阻做有用功，還要通過(guò)感性負(fù)載本身的電感做無(wú)用功(即無(wú)用功輸出)，因此那些大型用電設(shè)備(如電弧爐等)采用交流電供電不僅電能利用效率低，損耗大，還會(huì)在其系統(tǒng)中形成極為復(fù)雜的損耗關(guān)系，給節(jié)能、降耗帶來(lái)較大困難及高額的資金投入。直流電石爐技術(shù)會(huì)是以后電石工業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向，但是目前仍未能夠與工業(yè)生產(chǎn)有效地結(jié)合起來(lái)，在試驗(yàn)的過(guò)程中仍有很多問(wèn)題未能得到有效地解決，因此，直流爐技術(shù)仍需要業(yè)界同仁繼續(xù)努力研究，找到實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生問(wèn)題的解決辦法，完善其從試驗(yàn)裝置到工業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，早日運(yùn)用到電石生產(chǎn)中去，將為電石工業(yè)的節(jié)能、降耗帶來(lái)不可估量的變革。大型密閉電石爐其構(gòu)造型式大同小異，其核心部件主要有爐體、爐蓋、電極把持器、液壓系統(tǒng)、下料系統(tǒng)等，本次課題主要以導(dǎo)電銅瓦式電石爐為主要研究模型。電石爐各平臺(tái)的配置見下表：

表1 電石爐各平臺(tái)配置表

圖1 電石爐立面布置圖

導(dǎo)電銅瓦電石爐主要包括：1)爐殼爐殼是爐體的主要組成部分，為采用δ=20mm鋼板焊接而成的圓筒體，爐底板采用δ=20mm鋼板，爐體采用工字鋼支撐，自然通風(fēng)冷卻爐底[14]。爐殼設(shè)有3個(gè)出爐口，爐襯采用高鋁磚和自焙碳磚新工藝砌筑。2)電爐密閉爐蓋爐蓋側(cè)蓋是碳鋼制作的水冷箱體，上平面由π字形三角梁和蓋在其上的覆板構(gòu)成，上平面π字形三角梁和覆板全部采用1Cr18Ni9無(wú)磁不銹鋼材質(zhì)制作，并且通水冷卻。上平面共設(shè)有3個(gè)電極孔和13個(gè)下料孔，側(cè)面設(shè)有一個(gè)爐氣抽出孔、11個(gè)防爆孔和3個(gè)檢修門。3)密閉電石爐襯電石爐的爐襯包括爐底自焙碳磚、粘土磚、高鋁磚等耐火材料。其中爐底自焙碳磚為我國(guó)某耐火材料廠自主研發(fā)的爐襯絕熱技術(shù)。爐底自焙碳磚爐襯絕熱技術(shù)，可改善密閉電石爐內(nèi)電石生成反應(yīng)的環(huán)境，使熱能容易集中穩(wěn)定在爐膛內(nèi)，改變了爐膛內(nèi)部溫度場(chǎng)，并增加了爐底的溫度，增強(qiáng)了爐底整體導(dǎo)電性能，使電極運(yùn)行趨于穩(wěn)定，爐內(nèi)電能分布更加合理，使得三相間的熔池得以貫通，電石的質(zhì)量得到提升。自焙碳磚爐襯絕熱技術(shù)幫助我們解決了電石爐生產(chǎn)工藝過(guò)程中的電極控制問(wèn)題，這樣電石生產(chǎn)過(guò)程就會(huì)更加順行，工況更為穩(wěn)定，更容易生成高質(zhì)量的電石，且電石熔液在爐底上粘度變小，更容易排出。4)短網(wǎng)短網(wǎng)包括水冷補(bǔ)償器、水冷銅管、水冷電纜、集電環(huán)、導(dǎo)電銅管及導(dǎo)電銅瓦等裝置。適當(dāng)?shù)母淖兺两ńY(jié)構(gòu)使三臺(tái)變壓器盡可能的靠近電石爐且距離相等，結(jié)構(gòu)的合理簡(jiǎn)化大幅度降低了短網(wǎng)部分的有效阻抗，為節(jié)能運(yùn)行打下良好的基礎(chǔ)。5)出爐口排煙系統(tǒng)由出爐口集煙罩、煙管、風(fēng)機(jī)、電動(dòng)蝶閥等組成。三個(gè)出爐口共用一臺(tái)風(fēng)機(jī)，開爐時(shí)由風(fēng)機(jī)將煙塵抽到車間外專用除塵器除塵。6)電極把持器電極由三部分組成：帶有壓緊裝置和銅瓦供電系統(tǒng)的電極柱下部分;電極壓放系統(tǒng)部分;電極升降系統(tǒng)部分。導(dǎo)電銅瓦對(duì)電極的壓緊由4個(gè)抱緊油缸通過(guò)錐形套實(shí)現(xiàn)，調(diào)整油缸的油壓可改變導(dǎo)電銅瓦對(duì)電極的壓緊程度。壓放裝置由兩組碟形彈簧抱緊裝置和4個(gè)壓放油缸組成，裝在把持筒上法蘭的框架上。上下抱緊裝置均由4個(gè)彈簧箱和4塊摩擦片組成，摩擦片通過(guò)彈簧箱提供的壓力抱緊電極，壓放電極時(shí)，上抱閘彈簧箱在油壓作用下松開電極，壓放油缸將上抱閘升起后重新抱緊電極，下抱閘松開后壓放油缸通過(guò)上抱閘裝置將電極壓下。把持器上部由臺(tái)架與兩個(gè)升降油缸聯(lián)接，油缸的支座固定在三層平臺(tái)的鋼平臺(tái)上。7)水冷煙道荒煤氣直排水冷煙道，Ø1000mm，高42m，5.2m、24.5m以上分別安裝氣動(dòng)蝶閥，5.2m以下設(shè)置Ø1600mm積灰罐。爐氣利用水冷煙道，Ø550mm，接于直排煙道24.5m平臺(tái)以上，放空蝶閥下部，其上安裝氣動(dòng)蝶閥。8)電石爐氣間接空冷降溫裝置500-700℃的電石爐氣先將溫度降至高溫煤氣鼓風(fēng)機(jī)所能承受的溫度300℃以下再由高溫煤氣鼓風(fēng)機(jī)直接送入回轉(zhuǎn)石灰窯的燒嘴，間接空冷器由箱體和熱風(fēng)管組成，高溫爐氣走管程、冷卻空氣走殼程，換熱面積80平方米，冷卻空氣風(fēng)機(jī)55kw，風(fēng)機(jī)采用變頻控制，轉(zhuǎn)速與冷卻器出品溫度連鎖。9)下料系統(tǒng)(爐內(nèi)布料系統(tǒng))四樓平臺(tái)設(shè)置13個(gè)加料倉(cāng)，共13根下料管。分別為1根中心料管、3根相間料管和9根外圍料管，料倉(cāng)固定在四樓平臺(tái)上，每個(gè)容積8m3，所有下料管在端部裝有1Cr18Ni9Ti材質(zhì)的水冷保護(hù)套，料管在爐蓋以上1.5—2.0m部分的材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti。10)出爐系統(tǒng)出爐軌道采用單軌道系統(tǒng)，既簡(jiǎn)化了工作程序，還避免了由于道岔變換不當(dāng)而引發(fā)的安全事故。