续热式电熔刚玉合成装置与生产工艺的实践与发展——兼述解析Z L 2013 1 0571224. 3张平核心提要：1、煅烧后的高温铝土矿石直接投入电熔刚玉合成装置，可获得800℃的冶炼起始温度，大幅降低产品耗电。

2、利用煅烧后的高温铝土矿石对辅料（C、Fe）进行预热，促进刚玉电热高温化合反应速度，大幅提高小时产量。

3、使用一台冶炼变压器配置六相电极和集束式新型短网结构，使电炉有关参数趋于合理，自然功率因数因此提高4-5个百分点，减少无功损耗，降低电极消耗，系统节能效果显著。

4、实现大型电炉柔性冶炼，一套刚玉合成装置可同时生产多品种产品，适应市场多种需求。

一、现存电熔刚玉合成装置与生产工艺的基本概括倾倒炉合成刚玉制造工艺自1971年国内首台装备投产至今已近半个世纪，成为目前国内刚玉制造业的主流设备，约占合成刚玉制造产能80%以上。

倾倒炉合成刚玉制造工艺取代原“固定炉”刚玉制造工艺的主要优势：同比单位产品耗电下降10%以上；同比小时产量提高15-20%；炉渣提纯为低硅铁有了商品价值；产品直接制造成本显著下降，企业效益大幅提升。

倾倒炉合成刚玉制造工艺经过多年的发展不断进步：二次短网使用“通水电缆”取代“软铜带”；倾动机构使用“液压装置”取代“齿轮传动”；电炉变压器容量由初期的2500KV A/台扩大到10000KV A/台；单台合成装置的产能规模和企业产能规模持续增大。

伴随着倾倒炉合成刚玉制造工艺不断发展和完善，相比其“硬件”的长足进步，“软件”的发展却令人遗憾：粗放的传统工艺观念制约了应有的技术进步；狭隘的行业目光妨碍了吸收现代科技理论和方法；业内大型国企的衰落与中小型民企的兴起在抢占市场中“裸战”，企业资金无暇技术研发与技术储备。

硬件与软件发展的严重不平衡导致系统“短板”缺陷：同比单位耗电指标四十余年“原地踏步”，且伴随电炉功率的增大还有升高趋势；同比单位功率小时产量指标四十余年无显著提高，且伴随电炉功率的增大还有下降趋势；同比单位产量耗电极指标四十余年无显著改善，且伴随电炉功率的增大呈上升趋势。

上述多年累积的基本缺陷问题不加以解决，对于产业的技术进步与行业的健康发展将构成严重阻碍！二、续热式电熔刚玉合成装置与生产工艺的缘起关键词：“续热”是指：为实现某种热工目的，在制造工艺流程中获得初始热后，持续保持已获得热量和温度，并以较少再加热保持或提升已获得的热工状态。

通过对刚玉制造过程续热温度值峰谷现状分析（见图一）可以观察到：三峰夹两谷状态，既煅烧后的热矿石从1250℃高温冷却至常温，再投入电炉加热到2000℃以上高温状态，出现第一个两峰夹一谷状态，间接丢失已获得温度1250℃（约折合热损3000000KJ/t熟矿）。

如若考虑高级产品的再熔工艺，则出现冶炼熔液从2000℃以上高温状态冷却至常温结晶，再拉升至1500℃以上高温状态，形成第二个两峰夹一谷状态，间接损失已获得温度1500℃（折合电损1400kwh/t刚玉）。

从续热概念推荐的理念分析，“温度峰值”是产品合成需要的热工状态。

“温度谷值”由于人为构造的工艺流程出现间断点而导致的热损状态。

消除人为构造的热损状态首先要消除工艺流程间断点，为实现续热工况创造条件。

图一刚玉制造过程续热温度值峰谷现状分析关键词：“短流程”是指：为实现高效率目的，对制造工艺流程中不连续的时、空间断点进行有机的压缩重组而采取的一种集成方法。

➢针对“人为构造”出现的工艺流程间断点我们构造了连续式阶梯型短流程制造工艺（见图二）。

其主要特征：图二连续式阶梯型短流程制造工艺构造1、“续热”特征；从原矿煅烧升温起至熔液调质结束，期间产品制造需要的工作温度持续保持。

2、“短程”特征；压缩重组了工序衔接方式，其时、空间断式衔接转换为连续式衔接方式，为“续热”提供平台。

3、“阶梯”特征；产品制程温度始终在800℃—2000℃之间，产品制程形态变化呈固态—液态—固态，高温物料移动宜由高至低阶梯式下移，反之实现难度极大。

续热式电熔刚玉合成装置以连续式阶梯型短流程制造工艺构造得以实现：实践中利用高温旋窑将煅烧后的高温铝土矿石直接投入电熔刚玉合成装置，可获得800℃以上的冶炼起始温度，大幅降低产品耗电；同时利用煅烧后的高温铝土矿石向电炉方向阶梯下行高温输送流动中，对配入的常温辅料（C质材料、Fe质材料）进行预热，去除常温辅料自然携带的吸附水、结晶水及挥发物，有利于炉况平稳控制，促进刚玉电热高温化合反应速度，大幅提高小时产量（见图三）。

图三连续式阶梯型短流程工艺机械化示意三、电熔刚玉合成装置大型化面临的困境关键词：“大型化”是指：在现有工业技术基础条件下可以实现的经济规模。

伴随我国工业技术基础水平的不断提高，“经济规模”提供的良好效益推动企业规模不断扩大，同时推动电熔刚玉合成装置大型化持续发展。

经历大约25年时间，电炉容量很快由2500KV A，5000KV A, 7500 KV A, 10000KV A四个阶段迅速站上了万级千伏安容量的大功率合成刚玉平台，进入刚玉制造全球领先梯队。

刚玉大功率合成装置在快速提高单台设备产能的同时也面临许多新的待解决问题，并成为制约合成装置大型化发展的瓶颈。

世界上诸发达国家大型刚玉合成装置的衰退也在一定程度上表明遇到“尚未解决”的问题。

1、电极截面积与高功率大电流的矛盾在技术层面制约电炉大型化。

国内某企业刚玉合成装置容量有3000KV A、5000KV A、7500KV A三种炉型，历史上曾经历过全部使用直径500mm电极冶炼，电极电流密度由8A/cm2攀升至10A/cm2、12A/cm2，单位产品耗电由2300kvh/t攀升至2350kvh/t 、2400 kvh/t以上; 单位产品电极消耗由13kg/t攀升至14kg/t、15kg/t 甚至更高；炉缸中的熔液温度亦提高100℃有余。

电极电流密度的提高与刚玉单位产品耗电的提高、单位产品耗电极的提高、熔液温度的提高有强相关线性关系。

2、大直径电极价格显著高于小直径电极的矛盾在经济层面制约电炉大型化。

显然要解决上述制约需要选择大直径电极，以期降低电极电流密度，降低产品单耗，获得较好收益。

但大直径高功率电极价格显著高于一般直径电极价格，降低电极电流密度，降低产品单耗获得的好处被购买大直径电极付出的高价格所抵消。

3、伴随电炉功率的增大，二次侧供电系统电损同比例增大，涡流损耗绝对值显著增大。

经验数据显示二次短网损耗在合成装置系统热平衡中占有10.10%，简单增大电炉功率会导致二次短网损耗同比例放大。

同时由于二次短网现有结构的制约，其自然功率因数一直在COSØ0.89 - COSØ0.9间徘徊，自然功率因数偏低致炉用功率损失的绝对值趋高。

数据表明大型化合成装置供电系统的现状尚有较大改进空间。

4、伴随着合成装置的大型化，电极圆表面比功率与电炉炉缸表面比功率的矛盾渐显突出。

深层次因素是电极圆表面比功率产生的热及炉缸表面比功率所分配的热与刚玉电热化合反应速率是否相匹配。

合成装置的大型化打破了三者之间传统理论构造的平衡关系，由于电极电流密度与电极圆表面比功率增大使得电极“邻域”温度显著升高，只能采取高功率快速冶炼工艺与之配合。

而电极圆“边际”温度与电极“邻域”温度温差随之加大，带来炉缸表面比功率所分配的热不平衡，导致局部温度过高，电热化合反应激烈，炉况波动大，炉前调整复杂系数增加。

局部电热化合反应速率的供需失衡，使材料消耗与产品质量均受到影响。

国内某企业从国外引进10000KV A 刚玉合成装置投产多年一直解决不了刚玉熔块中夹嵌的“铁豆豆”及产品中的“毛毛铁”偏多问题值得业内人士深思。

四、电熔刚玉合成装置大型化解决方案针对上述电熔刚玉合成装置大型化面临的主要问题我们给出以下解决方案：1、采用一台大功率变压器同时向配置六相电极的冶炼炉供电方案，冶炼变压器二次短网系统的接线结成两个三角型，形成六相电极同时发弧冶炼系统（见图四）。

解决了一台冶炼变压器向三相电极供电方案形成的单三角运行中电极圆选择的两难境地——电极圆过小则电极圆表面比功率增大，技术经济指标恶化；电极圆过大电极圆表面比功率缩小则熔池出现三角型斜边收缩的“猴子脸”状，熔池工况恶化。

而双三角运行方式在扩大电极圆的同时实现了电磁理论运动轨迹在炉缸中心区域交叉搅拌，有利于电极圆中心区温度的均匀保持。

又因为电极三角型布置转换成六角型布置缩小了相邻两根电极间的距离，熔池更趋近于炉缸圆。

为扩大电极圆，扩大熔池，提高产量创造条件2、采用六相电极电炉供电方案后，同等功率条件下电极电流密度降低50%，六相电极10000KV A电熔刚玉合成装置电极电流密度与三相电极5000KV A合成装置相当。

电极圆表面比功率亦有较大幅度调整，为降低电极消耗创造条件。

而炉缸表面比功率无显著变化，大熔池温度趋于更均匀，提供满足刚玉合成所需炉温。

六相电极大功率合成装置供电，电极表面比功率、电极圆表面比功率、炉缸表面比功率呈传统低功率冶炼工况，熔池直径大，电热温度均匀。

六相电极电炉成熟的运行经验可以保证炉热供给与电热化合反应速率匹配，炉况稳定，产品质量稳定，产量提高，单位产品耗电，耗电极下降。

图四六电极电弧炉电极布置方案示意图图五六电极电弧炉短网布置方案示意图3、六相电极电炉二次短网采用集束式同相往复逆排列方式布置（见图五），图五中相序标识与图四中相序标识相对应构成集束式同相往复逆排列阵，有效解决大电流通过二次短网时不可避免产生的涡流损失。

功率因数可由现在的COSØ0.90左右提高到COSØ0.95左右，不需补偿即可达到电力系统功率因数要求。

有效提高变压器出力，提高单位炉产量，降低电度电价，降低制造成本。

4、实现带电更换电极作业，减少电极更换时间，提高电炉作业率。

五、续热式再熔多品种解决方案电熔刚玉合成装置大型化会带给我们很多好处，同时也必须面对大批量单一产品品种与市场多样化需求的矛盾。

采用续热式再熔多品种解决方案就是充分利用好熔液热，通过输入少量热实现再熔获得多品种产品，满足市场多品种需求。

1、利用留液冶炼工艺提高炉缸熔池续热效率。

埋弧冶炼是电熔刚玉行业通常采用的工艺方法，投料初期炉料为常温颗粒状物体。

电冶面临炉温低、炉电阻大、不得不采用高电压低电流运行，炉用功率较低，熔化常温颗粒状物料需要较长时间。

而当炉缸下部熔池有一定量高温熔液后，炉温升高炉电阻迅速下降、进入炉用功率满载大电流运行，炉料快速熔化。

由此可见，上一冶炼周期倾倒熔液后留下适量熔液，用于下一冶炼周期提高投料初期炉温，有利于快速降低炉电阻，使炉用功率得以快速满载运行，对于提高产量、提高生产效率有重要意义。

2、低硅铁熔液与刚玉熔液分别倾倒入再熔盛包实现多品种再熔。

目前，业内倾倒炉熔液倾倒大体分为两种工艺：低硅铁熔液与刚玉熔液倾倒入同一接包；低硅铁熔液与刚玉熔液分别倾倒入不同接包。