国内电石炉主要有开放式、半密闭式和全密闭式三种炉型，随着经济的发展，节能减排的需要，国内开放式电石炉己全部关闭，半密闭式电石炉也正在逐步淘汰，而大型密闭式电石炉是目前国家主要推广的环保型电石炉。
炉盖是密闭电石炉的核心设备，随着工艺技术的进步，炉型越来越大，对炉盖的工作性能和可靠性提出了更高的要求，其结构形式、料嘴在炉内布置方式、节能等设计直接影响到电石炉生产的各项生产指标。如何提高炉盖的使用寿命、减少热停炉时间、提高设备作业率，是设计者进行炉盖设计时必须考虑的一个重要问题，也是电石炉生产管理者最关注的问题。文章就炉盖在大型密闭电石炉中的结构形式、节能、新技术应用等设计方面与进行探讨。
炉盖组成
目前国内大型密闭电石炉炉盖主要由边缘炉盖、中心炉盖、电极密封导向装置、吊挂装置、中心炉盖热保护等组成。炉盖上设有料管孔、电极孔、防爆孔、检修孔、观察孔、探测门、炉气抽出孔等。为了减少电磁感应引起的电能损耗，凡是靠近炉盖上三个电极孔附件的部分构件均应选用隔磁不锈钢材料。
炉盖结构形式
随着国内电石炉发展，混凝土结构形式炉盖已基本被淘汰，目前密闭电石炉炉盖几乎全部采用水冷结构炉盖。水冷结构炉盖根据炉内布料方式不同，结构也有所不同，以40.5MVA密闭电石炉为例，目前国内炉盖有以下三种结构形式：
2.1 圆型直料嘴炉盖
圆型直料嘴炉盖主要由六段边缘炉盖、一段中心炉盖、三个电极密封导向装置、十二个防爆装置、十三个料嘴、三个吊挂装置、两个检修盖、六个观察门、三个探测门等组成(见图1)。电极密封导向装置底座直接焊在分段炉盖上，电极密封导向装置与底座之间夹绝缘板通过螺栓连接绝缘。料嘴悬挂在深入炉内深度。料管上，通过料管上的调节装置可调节料嘴.
图1 圆型直料嘴炉盖结构形式
该炉盖因结构形式的限制，料嘴一般离电极较远，为了使炉料充分埋住电极，料嘴需离料面较高，炉盖净空高度也高，导致电极工作端长，裸露电极多，在冶炼过程中增加了炉内电阻热损及电耗。与猪腰型料嘴相比，除裸露电极多外，直料嘴由于下料尺寸偏小，覆盖在电极周围的炉料髙差较大，在冶炼过程中，易在电极周围料面最薄弱处(即料面最底处)喷火，料面温度升高，使设备处于恶劣的冶炼环境中，增加设备检修频率，降低设备的使用寿命。
国内某电石企业新建大型密闭电石炉时采用此结构形式炉盖，因采用该圆型直料嘴炉盖，电极周围的布料方式不合理，炉内在冶炼过程中经常出现喷火现象，现正在改造。经大量生产实践证明，与石灰相比，铁矿石堆比重大，安息角小，物料在炉内容易埋住电极，因此圆型直料嘴结构形式炉盖可大量应用于铁合金炉，但不太适合于电石炉生产。
2.2 猪腰型直料嘴炉盖
猪腰型直料嘴炉盖与圆型直料嘴炉盖结构形式类似(见图2),它增加了两个料嘴，同时把圆型料嘴改为猪腰型料嘴，料嘴也不再悬挂在料管上，而是直接安装在炉盖上往炉内加料。
图2 猪腰型直料嘴炉盖结构形式
料嘴改为猪腰型后下料面积加大，且料嘴更靠近电极，炉内还多出两个下料点，因此猪腰型直料嘴炉盖电极周围料面覆盖较均匀，大大减少了电极周围薄弱料面喷火现象发生。同时由于该炉盖结构形式使电极周围料面覆盖较均匀，下料点离电极近，炉盖净空高度降低，减少了电极工作端和裸露长度，可降低电耗，因此它比圆型直料嘴炉盖结构形式设计合理。
虽然猪腰型直料嘴炉盖设计比圆型直料嘴炉盖结构形式合理，但也存在一些问题。一是此炉盖在高负荷运行时，中心炉盖连接法兰受到极心圆内强磁场作用会出现发红现象，增加了电耗;二是此炉盖的电极密封装置底座焊接在分段炉盖上，当电极周围的水腔出现漏水时，补焊非常不方便。所以除非受到技术参数(极心圆直径、电极孔径等)影响，炉盖无法按下面猪腰型斜料嘴炉盖进行设计外，尽量不要采用直料嘴炉盖结构形式。若确实需要采用此炉盖结构形式时，要注意每根电极料嘴外圈圆及极心圆内所有设备材质需采用隔磁不锈钢材料，同时在进行电极周围水腔焊缝的设计时要方便检修。
图3 猪腰型斜料嘴炉盖结构形式
2.3 猪腰型斜料嘴炉盖
猪腰型斜料嘴炉盖与猪腰型直料嘴炉盖结构形式类似(见图3)，它只是把密封导向装置的底座焊接在炉盖上改为一个独立的水冷套。该水冷套安装在炉盖砖环上，料嘴、防爆装置又安装在水冷套上。
相比较其它结构形式炉盖，其主要优点有：
(1)与电极密封装置连接的水冷套安装在分段炉盖砖环上，因此该水冷套可以局部拆卸，方便设备安装及检修维护。
(2)由于电极周围温度高且存在电极在冶炼过程中出现打弧现象，电极周围的设备最容易损坏，当需要检修更换炉盖设备时，由于边缘炉盖和中心炉盖离电极较远，一般不需更换，只需直接更换局部水冷套就能满足再生产要求，可大大降低炉盖设备运行成本，同时减小检修及停炉时间，提高产量。
(3)由于料嘴具有一定的角度，炉内的物料更易向电极靠近，可以使物料更好的埋住电极，减少电极的裸露长度，降低电耗。
综合以上结构形式炉盖特点及实际使用情况来看，猪腰型斜料嘴炉盖是目前国内使用情况最好的一种炉盖，现广泛应用于25.5〜63MWA密闭电石炉中。
炉盖节能设计
炉盖节能设计主要是根据炉盖上方的下料点及料嘴的设计来合理布置炉料在炉内分布情况，其中衡量炉内物料合理分布的关键指标之一就是减少电极裸露长度。
图4 猪腰型斜料嘴炉盖三维模型
根据经验公式可推出裸露电极可产生的电阻热为：
以40.5MVA密闭电石炉中炉盖上方的下料点位置及数量相同、料嘴深入炉内深度相同来比较猪腰型直料嘴炉盖和斜料嘴炉盖(料嘴倾斜角10°)的每根裸露电极消耗的电阻热。
根据炉料在炉内分布的三维模型(图5、图6)可知，斜料嘴炉盖比直料嘴炉盖可减少裸露电极389-204=185mm,即以L=185代入上公式数值，得出Q=64.9kW.h/h,即在同容量40.5MVA密闭电石炉中斜料嘴炉盖比直料嘴炉盖每根电极因减少裸露电极185mm而少产生64.9kW.h/h电阻热。
图5 直料嘴炉盖炉内物料分布情况
图6 斜料嘴炉盖炉内物料分布情况
裸露电极产生的电阻热通过周围介质散失，其中一部分以辐射方式返回炉料，对返回炉内的热量会提髙炉面温度，使支路电流增加，电极上抬，裸露电极又增加，引起更多的料面辐射热损失。所以可以优化炉盖的下料点及料嘴的设计，合理布置炉料在炉内分布情况，以减少电极裸露长度及电极周围料面髙低差，达到节能效果。
大型密闭电石炉都是靠物料自重往炉膛内加料，根据国内炉料在炉内分布情况分析，下面(图7)这种炉盖料嘴的设计是比较成熟、合理的。
以40.5MVA密闭电石炉为例，电极直径D=1400mm,料嘴的倾斜角一般取a=10°，料嘴内下料点距理想料面L1=250〜300mm，料嘴内下料点距电极边缘L2=250〜300ram，炉盖上方的下料点距电极中心L3≈1370mm，炉盖高度L4=1080mm。L1、L2尺寸对电石炉节能措施及冶炼操作是非常重要的。L1过大，料面上升，不利于电极的下插;L1过小，即料嘴过长，随着在冶炼过程中料嘴损耗程度不同，料嘴有长有短，致使埋住电极周围的料面不平，在电极周围料面薄弱点容易产生喷火现象。L2过大，料嘴远离电极，电极裸露部分増加，电耗也增加;L2过小，料嘴离电极近，电极在冶炼过程中产生的电弧会损坏料嘴。因此，根据炉内物料合理的分布，减少电极裸露长度及电极周围料面高低差来进行料嘴深入炉膛的布置是电石炉节能措施中的一项重要设计。
炉盖新技术应用
炉盖是电石炉的重要设备，其在冶炼使用过程中状态的好坏，直接影响到电石炉能否正常生产，因此电石行业技术人员在总结电石生产经验的同时也一直在研宄炉盖一些新技术的应用。与传统的炉盖设计比，目前主要有以下两种新技术正在使用：
4.1喷涂技术
在电石炉冶炼一段时间后，中心炉盖及水冷套下方打结的热保护耐火材料会脱落，不锈钢板裸露在炉膛内与炉内冶炼过程中产生的高温CO、H2等气体产生结晶腐蚀现象，运行一段时间后就使不锈钢材质发生显著变化，焊缝及母材开裂，并且开裂后难以补焊，大大影响设备的使用寿命。目前有企业为解决此现象，研宂出一种喷涂技术，即在中心炉盖及水冷套底面不锈钢板上喷涂镀铜质合金隔离层，解决了困扰行业多年的侵蚀问题，炉盖寿命延长2〜3倍。
4.2陶瓷料嘴技术
国内刚开始使用水冷结构炉盖时，为延长使用寿命，料嘴采用水冷结构形式。当炉内冶炼情况不稳定时，电极产生的弧光偶尔会暴露在炉料上方，使最靠近电极的料嘴水腔焊缝开裂，冷却水流入炉内，给安全生产带来很大的隐患。国内发生过几起因料嘴漏水而引起电石炉爆炸的重大安全生产事故。在认识到水冷料嘴存在危险后，人们把水冷料嘴更换为耐热铸钢料嘴，但其在炉内电极弧光、高温等恶劣冶炼环境下运行，耐热铸钢料嘴使用寿命大大降低，平均使用寿命一般只有3〜6个月，增加了停炉更换料嘴时间及设备运行成本。目前有企业研发出一种耐高温绝缘陶瓷料嘴，它具有绝缘、化学稳定性好、耐酸碱腐蚀等性能，使用周期延长,避免了频繁停炉更换炉嘴，使电石炉产量显著提高并降低能耗。耐高温绝缘陶瓷料嘴技术的应用具有较好的节能、环保作用和较高的实用价值。
结 语
在大型密闭电石炉上选用猪腰型斜料嘴炉盖，并根据下料点及料嘴的设计来合理布置炉料在炉内分布情况，它不仅方便设备安装及检修维护工作，还能改善炉内冶炼情况，达到节能效果，再加上喷涂、陶瓷料嘴等新技术的应用，炉盖在节能设计、维护检修、稳定生产等方面设计己越来越完善，应用也会越来越广。
第一作者：陈伟、付晓燕、林枫
（宝钢工程技术集团有限公司）
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