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大型工业硅电炉的电极系统设计
李桂红
中钢集团吉林机电设备有限公司 吉林 132021
摘 要：本文通过对云南永昌铅锌股份有限公司25.5MV·A半密闭、全液压、炉体旋转式的大型工业硅电炉的电极系统的设计及对电极把持、电极升降、电极压放形式的论述，系统地计算了电极升降、压放和把持时所需的液压力、蝶形弹簧力。详细的论述了电极把持、升降、压放装置的结构形式和工作原理。重点介绍了根据冶炼工艺要求，如何把液压系统的液压力与把持电极和传输电流时分别所需的压力、电极压放所需的压放力、蝶形弹簧的弹力有机地协调起来，根据电极的重量科学地设定液压系统的压力，可在冶炼操作时实现有序的电极升降和压放。使电极的升降、压放程序与炉料的选择、电炉的操作结合起来，坚持做到精心选料、优化设备、科学操作，就可实现国家发改委提倡的环保、节能、优质、高产、低耗、高效工业硅生产，进而实现工业硅产品的深加工。 关键词：方式设计 形式设计 计算
1．前言
我国工业硅电炉生产，已有很多年的历史，经过多年来在原料上精选，设备上完善，技术上提高，工业硅生产不断发展。
大容量工业硅电炉属国家发改委提倡的环保、节能、优质、高产、低耗、高效型电炉。同时，也是各生产企业企盼已久的生产工业硅产品进而实现该产品深加工的理想炉型。大型工业硅电炉生产所需要的原料、设备、操作是三个主要环节，在电炉设计、制作、生产操作过程中，只要始终坚持并做到精心选料、优化设计、科学操作，就可实现我国工业硅生产电炉向大型化发展。
下面就云南永昌铅锌股份有限公
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司25.5MV·A半密闭、全液压、炉体旋转式的大型工业硅电炉的电极系统从设备的角度进行方案论述和计算：
2．电炉主要参数
根据冶炼工艺和年产量的要求选：
电极直径： 1272 mm
变压器二次侧常用电流：80891 A
3．电极把持器
3．1电极把持方式
图 1
图书LTU
本方案电极把持方式采用压力环
（考虑接触面积按90%计算） 按照导体常用的电流密度要求： 水冷导电铜管为3～5 A/㎜2
铜瓦与碳素电极间为＜4 A/㎜2
上述计算数据均在电流密度要求允许范围内，故导电铜管、铜瓦的规格选择是科学可行的，能够满足工艺对设备的要求。 3．3电极把持力计算
电极的把持是靠安装在压力环中的波纹管伸缩箱通过铜瓦压紧电极来实现的，因此波纹管伸缩箱的结构和强度要能传递足够、合适的压力，即能把持电极、传输电流，又不能对电极压力太大而影响电极的压放。也就是说：在不压放电极时，波纹管伸缩箱通过铜瓦压来实现电极把持，当压放电极时，波纹管伸缩箱的供油要减压，来实现电极的减压压放。
设把持电极时液压系统压为： ～ 5MPa
设波纹管伸缩箱受油腔直径：φ159 mm
则把持力为：
F=P×A=50×（π× 15.92/4）=9928kg=～10t
即每个波纹管伸缩箱对铜瓦可产生约10t的压力。取铜与碳素电极间摩擦系数为0.2，铜瓦与电极间产生的摩擦力为10t×0.2=2t，10块铜瓦共产生约2t×10=20t的摩擦力，也就是说：如果出现电极在下抱闸出口处断裂，脱离抱闸失去抱闸抱紧力下滑时，铜瓦对下滑的电极可以产生至少20t的阻力，它可起到一个安全保障作用，不至于使电极快速滑下而砸坏炉底。
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方式。此种方式为铜瓦压紧电极是通过波纹管伸缩箱充压力油来实现的。使用波纹管伸缩箱有两个优点：第一个优点是可实现波纹管伸缩箱一对一地径向顶紧铜瓦，而不受电极倾斜和表面质量的影响，使铜瓦与电极之间压力均匀，不易产生偏流，从面也可提高铜瓦的使用寿命，更能有效地维护电极和防止电极事故的发生。另一优点是：通过调节充油压力，可满足铜瓦与电极之间不同压力的要求，有利于实现电极的程序压放和倒拔。同时波纹管伸缩箱的寿命较长，往复疲劳次数可达上万次。另外锻造铜瓦的载流密度大，这样就可以减少铜瓦损耗量，减少热停炉时间，从而降低了电耗，增加了电炉产量。
3．2铜瓦、导电管结构设计及电流密度的计算
根据电极直径计算，φ1272mm的电
极周围可均布10块387mm长的铜瓦。
结构设计初定导电铜管规格为：φ60×10（mm） ；铜瓦尺寸为：780×80×387（mm）
根据变压器二次侧常用电流 80891 A，来计算铜瓦、导电管的电流密度。根据公式： i=A/n×s 式中：A为相电流;n为每相电极导电管数或铜瓦数;S为每个导电管面积或每块铜瓦面积。则:
i导电管=80891÷1.732/10×[π/4(602-402)]=2.97A/㎜2
i铜瓦=80891÷1.732/5×78×38.7×0.9=3.44A/㎜2
设压放电极时波纹管伸缩箱处供油压力调为：～3.5MPa
则此时波纹管伸缩箱通过铜瓦对电极产生的压力为：
F=P×A=35×（π× 15.92/4）=6949kg=～7t
而铜瓦能达到对电极良好的传输电流时，铜瓦和电极间的接触压力一般取20 N/cm2左右，这时每块铜瓦对电极所产生的压力为 78×38.7×20=60372 N≈约6t，也就是说波纹管伸缩箱处取油压为～3.5MPa，使铜瓦对电极产生的压力完全可以满足传输电流压力的要求。
4．2升降油缸提升力的计算
4．2．1电极重量计算
根据工艺厂房层高要求，每相电极要有9根碳素电极接成。
已知电极直径为φ1272 mm，查手册知碳素电极密度为1.59kg/cm3,选每根电极长2200mm；则一相电极自重为：
Q=127.22/4×π×1.59×9×220 ≈ 40t 4．2．2电极系统重量计算
通过电极把持器、电极升降系统、电极压放系统的结构设计，求得各部件的重量为：
电极把持器： 约11.6t 电极升降系统：约6.7t 电极压放装置：约5.3t 电极系统结构总重：约24t 整相电极系统总重：40+24=64t 4．2．3油缸的提升力计算
液压系统设计选定系统额定压力为：～10MPa
本设计采用的是液压座缸，每个电极设两个座缸来实现电极的升降。电极升起靠液压力，电极下降靠电极重量，电极升降中液压座缸杆端受压。通过结构设计，初定油缸受油直径为φ300mm。则：
F=P×A=80×（π/4×302）
=56548kg 式中：F为液压提升力
P为液压系统工作压力,取8MPa A为油缸受油面积
也就是说，在液压系统8MPa工作压力的情况下，φ300mm直径的油缸可产生约57t的提升力。
而一相电极总重为64t，则每个油缸承担32t的载荷， 此值远小于液压
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4．电极升降系统
4．1电极升降方式
图 2
电极升降方式采用液压座缸完成。电极升降装置由升降油缸、把持筒、压放平台、支承平台等组成。它的把持筒下法兰与电极把持器把持筒上法兰用螺栓联接在一起，使之成为一体。电极升降装置的作用就是在冶炼过程中提升或下降电极，以此改变电极与炉料间的电阻，来达到调节冶炼功率的目的。
提升力 57t。根据整相电极重量情况，系统压力达不到8Mp就可满足电极升降要求。因为所采用的油缸为座缸，还要考虑到缸杆的稳定性，所以升降油缸选φ300mm缸径是科学可靠的。
d、 下抱闸松开（下抱闸油
5．电极压放系统
5．1电极压放装置形式
电极压放装置必需有夹持电极的功能，在正常工作期间电极还必须能在其间滑动，并按一定的程序、一定的增量压放电极来补充电极的消耗。有时为了维修工作，也可以按照与压放相反的程序提升（倒拔）电极。但是值得注意的是：倒拔电极时一定要释放压力环中波纹管伸缩箱对铜瓦的压力，让铜瓦松开电极。
电极压放装置采用液压机械抱闸形式。本电极压放装置为双抱闸环夹持结构，夹紧电极时靠抱闸环径向分布的四组组合蝶簧的弹力，使电极可在液压系统出故障时不产生下滑。松开电极是利用液压力克服弹簧的弹力来实现。电极的压放和提升是由安装在两抱闸环中间的三个提升油缸来实现的。当需要提升或压放电极时，三个提升油缸相对于下抱闸按一定的程序移动上抱闸，就可实现电极的提升或压放。下面是电极压放和提升的操作步骤：
电极压放步骤：
a、 打开上抱闸(上抱闸油
缸充油）
b、 提升缸缸杆伸出上抱闸
升起（提升油缸充油）
c、 上抱闸抱紧（上抱闸油
缸泄油）
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缸充油）
e、 提升缸缸杆收回下压电
极（提升油缸泄油） f、 下抱闸抱紧（下抱闸油
缸泄油）
电极提升步骤：
g、 打开下抱闸（下抱闸油
缸充油）
h、 提升缸缸杆伸出提起电
极（提升油缸充油） i、 j、
下抱闸抱紧（下抱闸油缸泄油）
上抱抱紧打开（上抱闸
油缸充油）
k、 提升缸缸杆收回上抱闸
下降（提升油缸泄油） l、 上抱闸抱紧（上抱闸油
缸泄油）
可据此进行计算机编程对电极的提升和下降实现自动控制。
图 3 5．2电极压放装置夹紧力计算 5．2．1压放装置夹紧力计算
压放装置的抱闸环中设有四组碟形弹簧, 设计碟形弹簧压缩量为75%时所产生的压紧力为607 KN。工作中取碟形弹簧压缩量为50%左右，此时所产生的压紧力约为537 KN。
四组碟形弹簧共产生压紧力： 4×537=2148 KN=214.8 t
取碳素电极与抱闸橡胶皮层间摩擦系数为0.35:
抱闸碟形弹簧与电极间的摩擦力为：
F=214.8 ×0.35=75.18 t 也就是说四组碟形弹簧可产生约75t的防止电极下滑的阻力，而每相电极总重约为40t，所以取碟形弹簧压缩量为50%时所产生的压紧力完全可以抱紧电极。
考虑抱闸与电极表面接触的不完全性，选取碟形弹簧时，理论上要留有余量，设计碟形弹簧压缩量为75%时所产生的压紧力（最大值）为607 KN是安全可靠的。
5．2．2打开弹簧的液压力计算 松开电极是利用液压力克服弹簧的弹力来实现，故系统油压和活塞面
电极压放时在液压力的作用下迅速准确的松开电极，所以调整碟形弹簧压紧力、液压系统压力与电极重量之间协条匹配的关系是电压放装置设计和调试的关键。
6．结束语
通过对云南永昌铅锌股份有限公司25.5MV·A半密闭、全液压、炉体旋转式的大型工业硅电炉电极系统的设计计算及电极把持、升降、压放形式的论述，从理论上看：所选择的结构形式能够满足工艺性能要求，在保证精心选料、科学操作的同时，我们优化设计的先进设备可以成为大容量工业硅电炉产品质量好、产量高、电耗低的保证。
事实也是如此：云南永昌铅锌股份有限公司25.5MV·A工业硅开炉近三年来，其电炉的产量、单耗、产品质量都达到了设计要求，有的项目甚
积决定了液压力的大小，设计结构取：
至好于设计指标，是国内此种规格工活塞直径φ300mm，取系统油压为
业硅电炉中，产量、单耗、产品质量8MPa，此时产生的液压力为：
最好的电炉。 F=P×A=80×π/4×302=56548kg
≈57t
参考文献
而一组碟形弹簧所产生的压力为
537 KN≈54t，而液压油力为57t，所 [1] 《铁合金生产实用技术手册》
冶金工业出版社 采用的油缸和液压系统压力可以满足
[2] 《电炉电控设计》 打开碟形弹簧的要求。
综上所述：在电极压放装置设计 [3] 《钢铁企业电力设计手册》 时，选取碟形弹簧的结构和性能即要满足抱紧电极所需的压力，又要保证
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