一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法

一种用炉变容量直接设计矿热炉（电炉）和炉变（矿热炉变压器简称）二次侧电压的结 构与方法，可应用于密闭、半密闭、内燃或开放式矿热炉，用于工业硅、电石，硅铁、黄磷、硅 系(硅铁、高纯硅、硅钙、硅钡、硅铝、硅铝钡等)、锰系（硅锰、锰铁等），铬系（硅铬、铬铁等）、 镍系、钼铁、钨铁、钛铁等多种矿热炉、精炼电炉或电弧炉。

传统矿热炉设计是先通过电极功率和电极载流强度与电极电压计算电极直径，然后用 通过电极直径的倍数关系计算矿热炉几何参数，这种传统矿热炉设计方法当炉变二次侧电 压设计和判断错误时、或矿热炉大型化后会导致一系列矿热炉设计错误，出现变压器档位 不够或炉变二次侧电压过低，炉变容量与矿热炉需求的功率不匹配，导致矿热炉（电炉）电 耗高，产量低，电极入炉不好，功率因数低，甚至衍生出烧变压器和其它烧毁矿热炉炉墙的 生产安全事故。

传统矿热炉（电炉）的设计一直采用熔池（坩埚）圆交叠于炉心或交叠过炉心设计， 炉膛参数也是随意设计，矿热炉设计长期缺乏一种能保持矿热炉内在冶炼自然和谐关系的 设计方法，缺乏矿热炉与变压器匹配联动的数字化设计，缺少颠覆性的矿热炉结构和方法 创新，致使多数矿热炉（电炉）违背冶炼自然规律发生设计错误，尤其是矿热炉大型化后，设 计更是千奇百怪，因不同专业履历和从业经验对矿热炉理解存在巨大差异和错误，导致在 同原料下的矿热炉运行指标差距大，多数矿热炉运行电耗高、炉龄短、污染大，难以长周期 安全稳定运行、对矿热炉原料品位要求比较苛刻，无法体现矿热炉大型化规模优势。

发明目的（解决的问题）

本发明是一种用炉变容量直接设计矿热炉（电炉）和炉变二次侧电压的结构与方法，是 通过与矿热炉配套的变压器容量直接入手设计矿热炉的结构、炉膛参数和炉变二次侧电 压，根据矿热炉熔池（坩埚）圆或炉膛参数来倒推电极直径，或用炉变容量直接计算电极直 径，或以此发明炉变二次侧工作电压推算精确的电极直径后设计矿热炉，并且提出巴氏四 环矿热炉（中心一环周边三环）设计结构和方法，及采用熔池（坩埚）圆相切不交叠于炉心的 矿热炉设计新方法，发明所述四环矿热炉结构和方法是单炉膛三电极矿热炉大型化的唯一 出路；发明引入熔池（坩埚）圆、同心圆、极心圆、炉膛、电极直径联动的矿热炉数字化设计结 构与方法，消除了传统矿热炉（电炉）设计的随意性，保持了矿热炉应有的内在冶炼自然和 谐关系，建立了矿热炉设计与炉变二次侧电压匹配的全数字化设计模式；保证了矿热炉设 计的准确性、实用性和安全性；提高矿热炉电能效率和热能利用率，并通过精确匹配矿热炉 变压器二次侧电压和电极与矿热炉结构和参数，提高矿热炉变压器自身的功率因数和电极 插深、降低短网损耗和压降，同时改善了矿热炉对低品位原料的适用性。

技术方案

1. 一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法，其特征是：单炉 膛三电极非直线排列矿热炉（或电炉），以三个单相变压器之单相变压器容量P（单位kVA，视 在功率，下同）或三相变压器容量3P（kVA）的三分之一之容量P（kVA）的幂及其系数设计矿热 炉和炉变二次侧电压，熔池（或坩埚）圆直径、极心圆直径、同心圆直径、炉膛直径等采用公 式D=x m Py± k，（D单位为：毫米mm），炉变二次侧电压U=nNPz（单位为V伏特）直接设计矿热 炉和炉变二次侧电压的结构和方法；这种用P（或用3P）的幂及其系数（x，y，z，N，m，n为系数， k为常数）设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构和方法有多种数学公式等效，公式采用P和 3P有一个3y系数关系，本发明仅列举采用P和下述：x=249.0473，y=0.278，z=0.444，N=3，4， 5；n=0.85-2.2时发明所述矿热炉和炉变二次侧电压的结构和方法炉；炉墙厚度按冶炼种类 最薄处在400-1400（毫米mm）设计矿热炉炉壳；

a、矿热炉采用巴氏四环矿热炉设计，熔池（或坩埚）直径Drg=249.0473mrP0.278（毫米 mm），熔池（或坩埚）圆直径Dr＝Drg+kr（毫米mm）， Dr，Drg公式中系数mr=0.85~1.25，常数kr= 600~700（毫米mm），式中mr, kr按冶炼种类、炉变容量和矿热炉原料选择；以Dr为直径做三个 熔池（坩埚）圆两两外切（每个熔池（坩埚）圆与其它两个外切），以三个熔池（或坩埚）的圆心 之外接圆心为炉心；

b、以上述炉心为圆心，以Dt＝1.1547mtDr+kt（毫米mm）（式中系数mt =0.85~1.0，常数kt ＝-0.111Dr~+0.999Dr）为直径做同心圆，同心圆之在三个熔池（或坩埚）圆外部分的三段弧 与在同心圆外之三个熔池（或坩埚）圆的三段弧围成封闭曲线为矿热炉炉膛水平截面；

c、Dj= 1.1547 mj Dr -kj（毫米mm），mj =0.87~1.0常数kj= +0.222Dr ~-100（毫米mm）， 以Dj为直径过炉心做矿热炉的极心圆，三个熔池（或坩埚）圆心与炉心的连线（或其延长线） 与极心圆之交点为电极几何中心；这种熔池（坩埚）圆相切和电极向炉心内外移动的设计方 式，提高了所述矿热炉炉膛极心圆调整范围和功率分布方式，增加了炉墙保护距离，保证了 炉膛和炉墙安全和电极插深。

d、电极直径dd＝md(249.0473mrP0.278+kr)/3或dd＝mdDr/3（毫米mm）（系数md =0.90~ 1.30），石墨或碳素电极md取小值，自焙烧电极md取大值，有渣冶炼md取大值，无渣冶炼md取 小值；

e、炉膛深度Hh=mh(249.0473mr P0.278+ kr )或Hh=mh Dr（毫米mm）（系数mh=0.72~0.95），mh 根据原料品位和粒度及给料方式选择；

f、矿热炉炉膛水平截面同心圆之炉膛部分的弧AB，CD，EF可用分别过弧AB，CD，EF端点 的直线段替代，或分别过AB，CD，EF端点与两熔池（或坩埚）圆同时外切之圆弧在同心圆内之 部分弧替代；

g、上述a~e可先通过dd＝md83.01577mr P0.278+ kr /3（式中系数和常数同上述a~e）计算 dd后按a~e中公式推算出Dr、Dj、Hh后设计所述矿热炉；

h、上述巴氏四环矿热炉炉壳采用圆形也可采用四环形，炉墙最薄处厚度400-1400（mm） 根据矿热炉需要设计，烟罩（炉盖）高度按矿热炉需要与传统相同或略矮，炉壳高度按炉底 厚度加炉膛深度计算；

i、上述a~e中公式内的系数mr，mt，mj，mh，md，常数kr，kt，kj根据冶炼电极类型和冶炼种 类、原料与变压器容量选择，并具有联动关系，这些系数、常数取值还有放宽的空间，考虑矿 热炉运行安全建议不宜超出此范围，矿热炉参数的计算结果可以适度取整。

2. 技术方案1所述，一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与 方法，其特征是：当技术方案1.b、中当系数mt=1.0，常数kt的取值等于或大于Dr时，即为巴氏 四环矿热炉水平（横）截面圆形矿热炉；

a、炉膛直径DT= BSDR+kT（毫米mm），熔池（坩埚）直径DRG= xmRPy（毫米mm），熔池（坩埚）圆 直径DR=DRG+kR，DT，DRG式中x=249.0473 ，y=0.278，kR=600~700(毫米mm)，kT=0~700 (毫米 mm)，系数mR =0.85~1.25，巴氏炉膛系数BS=2.1547~2.3094；

b、极心圆直径DJ=1.1547 mJ DR-kJ（毫米mm），mJ =0.87~1.0，常数kJ= +0.222DR ~ -100 (毫米mm)；

c、dD＝mD(249.0473mRP0.278+kR)/3或dD=mDDR/3（毫米mm）（系数m D=0.85~1.25），石墨或 碳素电极m D取小值，自焙烧电极m D取大值，有渣冶炼m D取大值，无渣冶炼m D取小值；

d、炉膛深度HH=mH(249.0473mRP0.278+ kR)或HH＝mHDR（毫米mm）（系数mH =0.70~0.90）；

e、上述巴氏四环矿热炉圆形炉膛的炉壳采用圆形，炉墙厚度400-1400（mm）根据需要设 计，炉盖高度根据冶炼需要与传统相同或略低，烟罩（炉盖）高度按炉底厚度需要加炉膛深 度计算；

f、上述公式中系数mR，mJ，mD，mH，BS，常数kR，kT，kJ，根据矿热炉电极类型和冶炼种类和 原料取值，并有联动关系，这些系数、常数取值还有放宽的空间，考虑矿热炉运行安全建议 不宜超出此范围，矿热炉参数的计算结果可以适度取整。

3. 一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法，其特征是： 矿热炉所配套变压器（简称炉变）二次侧最低电压U=3nPz（V伏特）（式中z=0.444，系数n= 0.85~2.2，下同），二次侧最高电压设计U=5nPz（V伏特），矿热炉二次侧的工作电压U=4nPz（V 伏特），矿热炉炉变（变压器）一次进线采用星角转换设计，方便开炉和电极焙烧；变压器尽 量采用有载调压设计，变压器极差电压按2~15（V）等压差或不等压差设计所述矿热炉炉变 的二次侧电压和档位个数；系数n根据冶炼种类取值不同，电石、硅铁n=0.9~1.15，锰系（硅 锰、锰铁等）n=0.85~1.1，铬系（铬铁、硅铬等）n=0.95~1.25；工业硅或硅钙n=1.0-1.4镍铁n= 1.5~2.2，其它冶炼种类根据与上述冶炼二次侧电压在同容量变压器二次侧工作电压比例 和实际冶炼电压的相对关系选择。

4. 一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法，其特征是： 通过技术方案3所述炉变二次侧电压公式计算出矿热炉冶炼二次侧工作电压U=4nPz（V伏 特）后，通过炉变容量P（kVA）或3P（kVA），按矿热炉设计容量和不同材质电极的载流密度计 算出矿热炉电极直径dd或dD后，按照技术方案1和技术方案2所述公式计算出Dr、Dt、Dj、dd、Hh 或DT、DJ、dD、HH，或通过dD按传统矿热炉几何参数计算出DT、DJ、dD、HH设计所述矿热炉和炉变 的结构和方法；发明所述矿热炉变压器的二次侧工作电压，最高和最低电压比传统矿热炉 高25-100（V），采用发明所述炉变二次侧电压计算公式，通过炉变容量3P（kVA）或P（kVA）和 不同类型电极载流强度(电流强度)得到电极直径后设计矿热炉结构，因电极直径差异，熔 池（坩埚）圆相切关系，mj（或mJ）系数以及巴氏系数BS系数引入，发明所述矿热炉的参数比例 关系不同于传统矿热炉在同容量变压器参数比例，采用技术方案4设计矿热炉（电炉）要通 过技术方案2校验，出现较大设计差异时，建议采纳技术方案2设计或取技术方案2与技术方 案4二者折中方案，以减少矿热炉结构和炉变设计匹配偏差和设计错误，这是因为电极载流 能力与电极做功的自然功率因数和工作深度和料面温度有关联，传统矿热炉设计忽略了这 种关联关系，所述用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法吻合了这个 自然关系。

5．一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法，其特征是： 这种设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构和方法可以用于精炼炉和电弧炉等其它电炉。

6．一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法和巴氏四环 矿热炉设计方式，保证极心圆、电极与熔池和炉膛和谐的比例关系，功率分配关系，确保了 炉墙和炉墙的安全运行和矿热炉与炉变二次侧电压精确工作范围与矿热炉变压器有功的 输入能力。

7．所述的一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法和巴 氏四环矿热炉是一种颠覆性矿热炉结构与方法，克服和解决了矿热炉传统设计中长期存在 的几个核心错误，一个是传统矿热炉设计误认为熔池（或坩埚）圆交叠于炉心或交叠过炉心 是理想的矿热炉设计，实际上熔池（坩埚）圆交叠使矿热炉操作电阻小，功率因数降低，很难 实现良好的电极下插和低电耗、低矿耗冶炼，而熔池（坩埚）圆相切才是矿热炉科学的设计 模式；第二个改变是传统矿热炉设计误认为熔池与电极直径有增量关系，实际矿热炉（电 炉）熔池（或坩埚）只和矿热炉功率与炉变二次侧电压有关系，与电极直径关联很小，因电极 直径增加后，操作电阻减小，电极弧光和熔池直径减小，整个矿热炉熔池（坩埚）直径并未增 加，只是矿热炉阻热冶炼功率比例增加；第三个改变是矿热炉（电炉）炉膛保护距离随矿热 炉容量增加的错误，炉膛保护距离只是炉膛大于熔池（或坩埚）的预留距离，保护距离和矿 热炉容量关联度很小；第四个改变是矿热炉的非线性关系纠正，这是多数矿热炉设计失败 的根源，本发明所述的结构与方法实现了矿热炉应有的正确冶炼自然增量关系，实现矿热 炉设计与冶炼自然规律吻合和数字化关联，包括发明矿热炉的炉变二次侧电压和矿热炉的 流压比改变和炉膛功率分配关系，这种功率分配关系包括矿热炉功率的弧热与阻热分配关 系和炉膛与电极分布圆的面积和体积电能强度和电能密度关系，巴氏四环矿热炉是在大型 和超大型矿热炉上非常有发展潜力的矿热炉型。

8.矿热炉变压器容量设计通常容许长期过荷20-30%以上，矿热炉实际运行中需要 预留出变压器容量的一定过载能力，以保证矿热炉异常操作和多种产品与原料变化的需 要，因此建议炉变容量按矿热炉变压器标称视在功率取值，当变压器设计过荷不够，或大型 矿热炉无低压补偿设备变压器不能保证功率因数时，P或（3P）则按矿热炉变压器预期有功 功率（KW千瓦）设计矿热炉及炉变的二次侧电压；实际上采用巴氏四环矿热炉设计的各种型 炉，无论采用巴氏四环矿热炉设计还是巴氏四环圆形矿热炉设计，矿热炉自然功率因数 0.85-0.95以上，基本不需要低压补偿或需要的补偿量很少。

9. 一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法，其特征是： 炉膛过炉心的纵截面可以采用漏斗形纵向结构、圆台或采用柱状和双曲线结构，炉膛顶部 之炉口部分可采用圆形，下部炉膛水平（横）截面采用发明所述巴氏四环矿热炉结构，中间 平滑过渡，具体根据原料特点和矿热炉（电炉）冶炼种类、原料和炉变的容量选择。

有益效果

一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法，就同种原料和变压 器容量下，矿热炉冶炼吨产品电耗会低于传统矿热炉5-30%，大型矿热炉（电炉）周期日产量 会增产20-50%；通过变压器运行档位提高，操作电阻加大和电极深插操作，使短网损耗降 低，矿耗和电耗降低，实现矿热炉（电炉）长炉龄和低矿耗低污染生产，确保矿热炉长周期和 安全运行，减少矿热炉（电炉）矿耗耗和对冶炼环境的污染，实现矿热炉绿化冶炼工厂。

图1：一种用炉变容直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法之巴氏四环矿热 炉炉膛水平（横）截面图；

图2：一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法之巴氏四环矿 热炉圆形矿热炉炉膛水平（横）截面图；

1．一种用炉变容量直接设计矿热炉（电炉）和炉变二次侧电压的结构与方法，可以采用 圆形炉壳、烟罩（炉盖）或采用与炉膛水平截面巴氏四环矿热炉相似匹配的炉壳、烟罩（炉 盖）结构，或根据炉膛水平截面结构形状单独设计炉壳、烟罩（炉盖）和炉膛结构；

2．所述矿热炉炉膛耐火材料砌筑按不同冶炼材质需要，保持厚度最薄处在400-1500 （毫米mm），烟罩（炉盖）高度按矿热炉冶炼需要与传统相同或略矮，炉壳高度按炉底厚度加 炉膛深度计算，采用圆形炉膛砌筑巴氏四环炉膛结构时，厚炉墙部分可填充耐火材料保温 增加保温，炉膛过炉心纵向截面根据设计和冶炼需要选择；

3．炉膛砌筑可采用传统矿热炉耐火砖砌筑；或砖型结构和尺寸根据矿热炉炉膛需要定 制，然后烧制砌筑，具体耐火砖的结构分解方式和特型砖的尺寸要确保炉膛砌筑结构对称， 受热形变小和砌筑坚固耐用；

4．所述矿热炉（电炉）炉膛砌筑还可以采用预制模具砌筑，如制作混凝土部件，干燥后 拆模，整体从内部或结合外部烧制，或投料开炉运行时自动烧结成型；

5．一种用炉变容量直接设计矿热炉（电炉）和炉变二次侧电压的结构与方法的出炉口 位于电极下部的炉底位置的炉壁较薄处，每根电极下至少一个出炉口；

6．电极供电系统和升级系统，液压系统，环保除尘，上料布料系统，自动控制可采用传 统方式，烟罩引风可采用单根或两根引风管道在每根电极位置的附近烟罩（炉盖）引风；

7．一种用炉变容量直接设计矿热炉和炉变二次侧电压的结构与方法的圆形炉底砌筑 可以按传统砌筑圆形方式砌筑，巴氏四环矿热炉可以采用四环炉底砌筑也可以采用圆形炉 底方式砌筑；炉膛过炉心的纵截面可以采用漏斗形纵向结构、圆台或采用柱状和双曲线结 构，炉膛顶部之炉口部分可采用圆形，下部炉膛水平（横）截面采用发明所述巴氏四环矿热 炉结构，中间平滑过渡；因巴氏四环矿热炉的特殊结构，矿热炉炉底要水平，防止出炉不彻 底；

8．变压器和短网电气参数和短网电流取值按所述变压器二次侧电压公式推算，三相变 压器取炉变设计容量3P（kVA，视在功率）的三分之一为P（kVA）或采用三个单相变压器的矿 热炉则取其单相变压器容量为P（kVA），通过一种用炉变容量直接设计矿热炉（电炉）和炉变 二次侧电压的结构与方法计算出矿热炉的参数和变压器二次侧电压，同时要考虑原料，电 极类型和冶炼种类的参数选择的一致性与和谐性；

9．当矿热炉变压器容量设计过荷能力不够，或大型矿热炉无低压补偿设备不能保证功 率因数时，P（kVA）或3P（kVA）按矿热炉变压器预期的有功功率（KW千瓦）设计矿热炉及炉变 二次电压；

10．确保矿热炉原料品质和原料质量的稳定性，及时巡检和维护矿热炉系统设备，减少 矿热炉热停炉时间和停炉次数；

11．矿热炉控制系统可引入数字化智能连锁控制和矿热炉全电量监控系统辅助操作， 实现矿热炉数字化运行和智能控制，智能控制系统要求矿热炉的电极或电极糊质量稳定， 矿热炉各系统数据和监控数据齐全，矿热炉的给料系统采用自动化或无人干扰方式。