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电石是在电石炉内利用电能转变成的热能(包括电弧热和电阻热)将炉料加热到反应温度，从而使碳素原料的碳和生石灰中的钙化合而成。电石生产的关键设备是电石炉，准确选定电石炉的几何参数对保证电石案例生产和优质高产具有重要意义。 电石炉的几何参数包括电极直径、电极极心圆直径、炉膛内径和炉膛深度等。电极直径选择合理，可使电极得到合理焙烧，电极维持适宜的工作位置，使三相熔池互相流通，适当抑制支路电流，使电极处在合适位置，使三相熔池互相流通，适当抑制支路电流，使电极处在合适位置，并确保电石反应区的电能高度集中而达到高温，实现优质高产。炉膛内径选择合理，可保护炉底电能强度和炉内熔池电能密度，保证电石炉的安全可靠性。合理选择炉膛深度，可保证较高的热效率和合理的熔池尺寸，从而确保电石炉安全生产。 电极是将电炉冶炼所需的大电流传入炉内，并将电极糊焙烧成石墨电极的设备。电石炉设计中，电极系统最为关键，因此正确确定电极直径至关重要。 电极直径取决于电极电流密度、电极截面上最大电能强度和电极运动电阻的大小，但首先取决于电极电流密度，而允许的电流密度与所使用的电极糊质量相关。 电极电流密度和变压器最大视在功率之间的关系为： 密闭电石炉因炉面温度较低，且无燃烧的火焰，要焙烧好电极，需适当加大电流密度，同容量电石炉的电极电流密度，密闭炉比开放炉高出0.5A/cm2。 根据变压器最大额定视在功率计算电极直径： 式中： De—电极直径，cm； Smax—变压器最大额定视在功率，kVA. 若根据电极电流密度和二次电流计算： 式中： De—电极直径，cm； δ—电极电流密度，A/cm2; I—变压器最大二次额定电流，A 根据以上两公式可计算出各种容量电石炉的电极直径，其与电极电流密度和变压器最大额定视在功率的关系值见表1。 表1 电炉变压器容量与电极直径的关系 电极的电流密度过大，则电极直径过小，会增加电极的电阻电耗，电极容易因过焙烧而硬断，同时缩小电石炉熔池;电极电流密度过小，则电极直径过大 ，虽然能扩大熔池，并减少电极电阻电耗，但电极不易深入炉料，且会增加热损耗而降低热效率，电极焙烧不足易软断，电弧温度也会降低，对生产不利。因此，确定电极直径必须视具体情况，参考有关数据，综合分析计算确定。如40.5MVA密闭电石炉取电流密度为7.0A/cm2,由式(2)计算出电极直径为136.9cm，根据经验取140cm，实际应用效果很好。 电极极心圆直径也是电炉中十分重要的几何参数。合理的极心圆直径是闭弧生产、优质高产低耗的条件。 电极极心圆直径是由电极直径，电流电压比、电极间距、电位梯度和电石反应区电能密度等因素所决定，首先取决于电极直径。计算公式如下： 式中： Dc-电极极心圆直径，cm； Kc-电极极心圆系数。 国内外有关资料推荐Kc值取2.7~3.0.实践证明，取Kc值2.7为宜。如不能对电石炉几何参数进行较大幅度变动且已采用了较大的电流电压比时，可取Kc值2.55~2.65。如40.5MVA密闭电石炉采用自动烧结电极，取极心圆系数为2.78，由式(3)可求得极心圆直径为390cm。 实践证明，理想的电极极心圆直径应与熔池直径相等。因此，设计密闭炉时，通常将投料管布置在电极周围相当于电极极心圆的圆周上。 电石炉熔池半径计算公式如下： 式中：Rm—熔池半径; Pr—电炉最佳运行有效功率，kW; Pu—熔池单位面积功率强度，kW/cm2。 熔池内面积上的功率强度随电炉变压器容量的大小而变化，同时也与功率的因数有关。电炉变压器的容量、功率因数与熔池直径的关系见表2。 表2 变压器容量、功率因数与熔池直径关系 炉膛是电石炉的电热反应场所，内部可存储一定的炉料及电石。其电热反应温度高达2000℃以上，需在反应区间与炉墙之间留存一层炉衬以保护以保护炉墙。 炉膛的容积必须大于电石反应的空间。炉膛内径太小，炉墙易损;反之则会增加 电炉工段的建筑面积，且使短网长度增加，增大电耗，降低电效率。实际生产中，为减小炉壁的腐蚀，通常取值比理想炉膛稍大。炉膛内径计算如下： 式中: Di-炉膛内径，cm； Kic-炉膛内径系数，Kic=2.25； Dc-电极极心圆直径，cm。 式中： Kic-炉膛内径系数，Kic=5.5~6.5； De-电极直径，cm。 除通过以上两式计算，还需通过炉底电能强度进行最终校验。 炉底平均 电能强度 (单位 kW/m2) 为电石炉底单位面积的电功率，合理的炉底 电能强度可充分发挥 电石炉炉底的作用， 确保电石生产的产量并使炉底面积较为紧凑，从而减少电石炉的建筑面积， 缩短短网长度 ，达到节电、节能、减少损失的效果 。 炉底电能强度过大 ，会缩短电石炉运行期限 ，增加大修次数和费用 ; 电能强度过小，则电石炉炉底面积过大，利用率不高， 建筑面积要大，短网要长。 电石炉的容量越大，电能强度也越大。 通常 电石炉炉底电能强度控制在450-600kW /m 2为宜。 以 40.5MVA 密闭电石炉为例，炉体为圆形，三根电极呈正三角形布置 ，由式 (5) 得炉膛内径为 878cm ，取经验值 900cm 。 电石炉正常运行时，如果炉膛太浅，炉料层太薄，会造成蓄热困难，表面散热损失大，从而降低电石产量，且电极离炉底过近，电弧燃烧过于集中，易损坏炉底，迫使电极上升，较难闭弧生产。如果炉膛太深，则电石反应区的电能密度减少，会降低电石质量，出炉困难。 电石炉炉膛深度计算如下式： 式中： H-炉膛深度，cm； Kh-炉堂深度系数，Kh=2.3 炉膛深度按上述公式计算后，需通过炉膛电能密度来进行最后校验。 炉膛的平均电能密度(单位kW/m3)即炉膛内单位体积的平均电功率。合理的炉膛电能密度与电石炉变压器的有功功率及炉膛体积大小相匹配，使两者充分发挥作用，达到优质高产节能。如果炉膛电能密度太小，很难生产出优质的电石;炉膛电能密度太大，虽然能生产出优质电石，但产量不高且浪费部分电能，并易烧坏炉底和炉墙。炉膛电能密度取150～220kW/m。效果较好。 由式(7)可得40.5MVA密闭电石炉的炉膛深度为320cm。 综上所述，电石炉几何参数的科学计算与确定，对于电石炉安全可靠优质高效地运行具有重要意义。 以大连重工公司为某电石厂设计制造的12x40.5MVA密闭电石炉为例，主要几何参数为： 电极直径 1400mm 电极行程 1700mm 炉膛内径 9000mm 炉膛深度 3200mm 电极极心圆直径 3900mm 电石炉设计中几何参数的合理计算与确定 ，是电石炉设备高效率生产的基本前提。 实践表明，电石炉能否达到优质高产节能的目的，不仅要严把电石原料质量关， 关键在于电石炉设计时要准确选定电极直径 ，电极极心圆直径、炉膛 内径和炉膛深度等几个重要几何参数 ，从而达到优质、高产和低耗 目的，产品更具市场竞争力。 |
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