礦熱爐工作原理

礦熱爐是一種耗電量巨大的工業(yè)電爐，又稱電弧電爐或電阻電爐。主要由爐殼，爐蓋、爐襯、短網(wǎng)，水冷系統(tǒng)，排煙系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)，電極殼，電極壓放及升降系統(tǒng)，上下料系統(tǒng)，把持器，燒穿器，液壓系統(tǒng)，礦熱爐變壓器及各仲電氣設(shè)備等組成。它主要用于還原冶煉礦石，碳質(zhì)還原劑及溶劑等原料。主要生產(chǎn)電石、黃磷、硅、錳鐵、鉻鐵、鷗鐵合金等產(chǎn)品，是冶金業(yè)中重要工業(yè)原料。礦熱爐是一種陸續(xù)加料，間歇式出渣，連續(xù)作業(yè)的工業(yè)電爐。其工作特點(diǎn)是采用碳質(zhì)或鎂質(zhì)耐火材料做爐襯，使用自培電極，電極插入爐料進(jìn)行埋弧操作，利用電弧的能量及電流通過(guò)爐料而產(chǎn)生能量來(lái)加熱爐料，爐料在高溫作用下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)各種化合物如硅鐵、電石、單晶硅等等工業(yè)原料。

礦熱爐的工作特性

根據(jù)礦熱爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作特點(diǎn)，礦熱爐的系統(tǒng)電抗的70%是由短網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的，而短網(wǎng)是一個(gè)大電流工作的系統(tǒng)，電流可以達(dá)到上萬(wàn)安培，因此短網(wǎng)的性能決定了礦熱爐的性能，正是由于這個(gè)原因，因此礦熱爐的自然功率因數(shù)很難達(dá)到0.85以上，絕大多數(shù)的爐子的自然功率因數(shù)都在0.7～0.8之間，較低的功率因數(shù)不僅使變壓器的效率下降，消耗大量的無(wú)用功，不僅如此，某些礦熱爐（如工業(yè)硅爐）工作時(shí)，由于電弧延時(shí)發(fā)弧，電弧電阻的非線性和電弧游動(dòng)等因素，使得電弧電流變化很不規(guī)則。使得電弧爐電流不僅數(shù)值發(fā)生畸變和大幅脈動(dòng)，而且還產(chǎn)生大量諧波，尤其以3、5、7、次含量較大，如不對(duì)此加以限制和吸收，無(wú)論對(duì)冶煉設(shè)備還是補(bǔ)償裝置，都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。電力部門(mén)對(duì)功率因數(shù)低和諧波超標(biāo)都要加收額外的電力罰款。因此提高短網(wǎng)的功率因數(shù)，治理諧波污染，提高電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)損耗是企業(yè)節(jié)能降耗，提高冶煉效率的最有效手段。

礦熱爐對(duì)其他設(shè)備的影響：
由于礦熱爐工作時(shí)功率因數(shù)低并且具有較大的諧波含量，對(duì)電氣設(shè)備的影響主要有以下三點(diǎn)：

◎低功率因數(shù)運(yùn)行損耗大：

低功率因數(shù)負(fù)載從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功功率，大大增加了系統(tǒng)的線損和變壓器的損耗。由于礦熱爐長(zhǎng)期處于過(guò)負(fù)荷狀態(tài)，使電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷（輸送無(wú)功成份含量大）運(yùn)行，降低了電網(wǎng)的電壓水平，造成了系統(tǒng)電壓的不穩(wěn)定，不利于電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；由于短網(wǎng)感抗較大，使得流經(jīng)礦熱爐的電流大部分屬無(wú)功成份，大大降低了變壓器的有功出力，同時(shí)也增大了變壓器的損耗，單位耗電量加大，產(chǎn)能下降，產(chǎn)品合格率也受到很大程度上的影響；上萬(wàn)安培的大電流流經(jīng)短網(wǎng)，損耗更是高不可估，導(dǎo)體溫升有較大幅度升高，更容易使導(dǎo)體受到腐蝕，使企業(yè)成本抬高。

◎諧波對(duì)供電變壓器的影響
諧波電流不但引起變壓器繞組附加損耗，也引起外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發(fā)熱，并且有可能引起局部的嚴(yán)重過(guò)熱。諧波使變壓器噪聲增大，諧波源造成的流經(jīng)變壓器的諧波電流在諧振條件下可能損害變壓器。

◎諧波對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償電容器的影響
諧波會(huì)引起電容器局部放電，加速電容器介質(zhì)老化，縮短使用壽命。茌一定條件下諧波極易與無(wú)功補(bǔ)償電容器組引起諧振或諧波放大，從而導(dǎo)致電容器因過(guò)負(fù)荷或過(guò)電壓而損壞。
針對(duì)礦熱爐而言，無(wú)功的產(chǎn)生主要是由電弧電流引起，如在爐變高壓側(cè)實(shí)施無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償對(duì)改善高壓側(cè)的供電狀況，提高運(yùn)行功率因數(shù)的效果是明顯的，但對(duì)于降低低壓側(cè)短網(wǎng)的無(wú)功損耗、提高變壓器出力、提高產(chǎn)品合格率、抑制諧波卻無(wú)能為力；如在低壓側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償，那么大量的無(wú)功電流將直接經(jīng)低壓電容器和電弧形成的回路流過(guò)，而不再經(jīng)過(guò)補(bǔ)償點(diǎn)前的短網(wǎng)、變壓器及供電網(wǎng)路，在提高功率因數(shù)的同時(shí)，可提高變壓器的有功輸出率，降低變壓器、短網(wǎng)的無(wú)功消耗，這一點(diǎn)在圖1、圖2中表現(xiàn)得很清楚。此時(shí)，就地補(bǔ)償了短網(wǎng)的無(wú)功消耗，無(wú)功電流不流經(jīng)變壓器等，在提高功率因數(shù)的同時(shí)，減少了變壓器、短網(wǎng)的損耗；另外也提高了變壓器的有功出力，變壓器向爐膛輸入的功率將會(huì)增大，從而提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量，降低單位電耗、原料消耗。

可見(jiàn)電容器組并接于短網(wǎng)終端的補(bǔ)償方式效果遠(yuǎn)勝高壓補(bǔ)償，經(jīng)濟(jì)性很明顯，在技術(shù)上也沒(méi)有多少困難。但至今卻一直沒(méi)有在礦熱爐上得到推廣。主要有下面幾個(gè)原因：
◎造價(jià)高：由于礦熱爐變二次電壓通常在100V左右，補(bǔ)償容量大，因此電容器、電抗器、投切開(kāi)關(guān)等的數(shù)量很多，加之以前的油浸式電容器體積很大，價(jià)格太高，而自愈式電容器又不太成熟，因而難以推廣。
◎控制方式落后：傳統(tǒng)的接觸器投切電容器，因合閘涌流大，操作過(guò)電壓高，接觸器、電容器極容易損壞，使用壽命短，維護(hù)工作量大，安全系數(shù)低。
◎設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)缺乏：以前由礦熱爐不相關(guān)的企業(yè)或開(kāi)關(guān)柜廠家生產(chǎn)，他們對(duì)補(bǔ)償裝置的特殊性認(rèn)識(shí)不足，設(shè)備未配置濾波電抗器，不能有效抑制諧波，且保護(hù)不完善，導(dǎo)致設(shè)備損壞率太高。
◎低壓補(bǔ)償裝置安裝后：改變了礦熱爐變實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，給用戶生產(chǎn)操作人員帶來(lái)操作不便，容易誤導(dǎo)操作人員。

礦熱爐短網(wǎng)補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)效益分析案例：
對(duì)于一臺(tái)容量為12500KVA的礦熱爐，自然功率因數(shù)約0.74，年耗電費(fèi)約3300萬(wàn)元人民幣，年產(chǎn)電石28800噸，耗電9500萬(wàn)kwh，噸耗電3300kwh電，目前每噸電石約3100-3500，成本約2000元，每噸純利潤(rùn)約1 000元左右。如果每年目標(biāo)功率因數(shù)約0.96，補(bǔ)償容量6000kvar,則年節(jié)電約6%左右，有功出力增加20%左右，約每年節(jié)電200萬(wàn)元，增加產(chǎn)量年增產(chǎn)5760噸，增加利潤(rùn)收入576萬(wàn)。每年的總收益約776萬(wàn)元。如果目標(biāo)功率因數(shù)為0.9，則補(bǔ)償容量為4000kvar，則年節(jié)電約3%左右，有功功率增加10%左右，約每年節(jié)電100萬(wàn)元，增加產(chǎn)量年增產(chǎn)2880噸，增加利潤(rùn)收入288萬(wàn)。每年的總收益約388萬(wàn)元。提高短網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)后，爐內(nèi)爐料反應(yīng)需要的溫度得到進(jìn)一步保證，產(chǎn)品合格率得到了很大程度的提高，因此從多個(gè)角度講，增加短網(wǎng)側(cè)補(bǔ)償裝置能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，約一年即可收回全部投資。