技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及礦熱爐應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種礦熱爐調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

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礦熱爐是一種利用電極端部的電弧熱和爐料的電阻熱將電能轉(zhuǎn)換成熱能，使金屬等有用元素從礦石或氧化物中被還原出來的電冶金設(shè)備，由于它主要用于金屬氧化礦石的還原冶煉，所以稱為礦熱爐或礦熱還原礦熱爐。礦熱爐用于生產(chǎn)鐵合金時稱為鐵合金爐；用于生產(chǎn)電石時稱為電石爐；用于生產(chǎn)黃磷時稱為黃磷爐；用于生產(chǎn)冰銅時稱為冰銅爐，用于生產(chǎn)鈦渣時稱為鈦渣爐。

礦熱爐生產(chǎn)鐵合金時，大多數(shù)以焦炭作還原劑，根據(jù)生產(chǎn)品種的不同采用不同的原料，如以硅石、氧化錳礦、氧化鉻礦、鈦鐵礦做原料，則分別得到硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鈦渣等系列的鐵合金產(chǎn)品。因此礦熱爐是涵蓋鐵合金、化工、黑色金屬、有色金屬等多個行業(yè)的冶煉設(shè)備。

礦熱爐應(yīng)用如此廣泛，但在生產(chǎn)實踐中，至今沒有一個行之有效的方法作指導(dǎo)，完全憑借操作工人的經(jīng)驗進行調(diào)控，沒有明確的調(diào)控方向，耗時長，礦熱爐生產(chǎn)很不穩(wěn)定，產(chǎn)量低、電耗高，重大人身事故、設(shè)備事故時有發(fā)生。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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本發(fā)明的目的在于提供一種快速準確，保證礦熱爐穩(wěn)定生產(chǎn)的礦熱爐調(diào)控方法。

本發(fā)明的目的由如下技術(shù)方案實施：礦熱爐調(diào)控方法，熱分配系數(shù)c與爐料比電阻r料比存在如下函數(shù)關(guān)系：c＝a·r料比2+b·r料比，其中a＜0，且當(dāng)c＝0.5時，



利用該函數(shù)關(guān)系調(diào)控礦熱爐。

具體的，利用熱分配系數(shù)c與爐料比電阻r料比的函數(shù)關(guān)系，調(diào)控礦熱爐的具體步驟為：

(1)定義



區(qū)間為不穩(wěn)定區(qū)，



為爐料熔化區(qū)，s＜r料比＜p為高溫還原區(qū)，其中，



(2)依據(jù)爐況判定爐料比電阻所處區(qū)間，進而根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)整爐料比電阻，將爐料比電阻調(diào)整至爐料熔化區(qū)或高溫還原區(qū)。

具體的，所述步驟(2)具體為：如礦熱爐在運行過程中，電極不穩(wěn)定，電極不能深插，電極上浮，三根電極高低不平，此時，爐料比電阻處于不穩(wěn)定區(qū)，應(yīng)在配料中綜合考慮幾種原料的比電阻，進而提高混合料的爐料比電阻，避開此工作區(qū)；如礦熱爐在運行過程中，化料快，三根電極平穩(wěn)，易融通，溫度低，熱反應(yīng)區(qū)上移，爐底上漲，此時，爐料比電阻處于爐料熔化區(qū)，對于粉料產(chǎn)品，易過早軟熔、塌料、翻渣，對于僅以化料為主的生產(chǎn)，選擇此范圍較為適宜；如礦熱爐在運行過程中，三根電極平穩(wěn)，爐溫高，熱反應(yīng)區(qū)下移，爐底略深，電極端部平直，燒損小，此時，爐料比電阻處于高溫還原區(qū)，對于以還原為主的生產(chǎn)，選擇此范圍較為適宜。

其中，“s”點非常重要，影響“s”點的因素有兩點

1、通過調(diào)整幾種入爐原料的比例。

2、通過調(diào)整礦熱爐變壓器檔位，改變



點位置，同時也就改變了“s”點。

“s”點表示某一產(chǎn)品在某一確定容量的爐子下，“s”點為最佳爐料比電阻值，這一點也具有最佳的熱分配系數(shù)，也有最佳的爐溫，同時，礦熱爐變壓器也處于合適的檔位。本申請中“爐溫高”、“爐溫低”，都是相對“s”點而言的，沒有具體的數(shù)值。找到“s”點，就是找到最佳爐料配比，也就是本申請的終極目的。而找到“s”點就是將爐況與二次曲線相結(jié)合，來調(diào)整爐料配比，同時，調(diào)整礦熱爐變壓器檔位，當(dāng)爐料配比和礦熱爐變壓器檔位均達到最優(yōu)時，即找到“s”點。

礦熱爐的工作原理“就是將混合后的物料施以不同比例的電阻熱與電弧熱，使之熔化還原的過程。不同的產(chǎn)品采用了不同比例的電阻熱和電弧熱，也就是采用了不同的用電制度，也就是電阻制和電弧制?！?br />
礦熱爐應(yīng)用如此廣泛，怎樣駕馭好自己使用的爐子？根據(jù)礦熱爐原理，就是將物料施以不同比例的電阻熱和電弧熱。其關(guān)鍵是“不同比例”，掌握和控制了調(diào)整不同產(chǎn)品的“不同比例”的方法，使之運行于最佳用電制度下，這就是駕馭礦熱爐的最根本的手段。

一、礦熱爐運行過程中的電熱轉(zhuǎn)換

1、礦熱爐重要電氣參數(shù)---操作電阻

礦熱爐操作電阻的大小，可用有效相電壓與電極電流的比值計算，即



式中.r------------操作電阻mω

u相效----有效相電壓v

i極----------電極電流ka

電流在爐內(nèi)有很多路徑，主要分為爐料區(qū)電流(角形電流)和熔池區(qū)電流(星形電流)，也就存在角形電阻和星形電阻，因此操作電阻可認為是由此兩組電阻并聯(lián)而成，有：





r--操作電阻mω

rm---溶池電阻即星形電阻mω

rn---爐料電阻即角形電阻mω

如圖1所示：

已有證明：





ρn---兩電極間深度hn的介質(zhì)電阻率ω.m

hn----電極柱體埋入深度

l-----兩電極中心間距

d-----電極直徑

ρm----電極下端熔體的介質(zhì)電阻率ωm

hm---電極下端至爐底深度

r0-----電極端半徑

2、操作電阻與爐內(nèi)熱能的分配關(guān)系

進入礦熱爐的有效功率轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能分為兩個部分，一個是電阻熱，另一個是電弧熱。電阻熱用于未熔化的爐料區(qū)，提高爐料溫度，并進行熔化爐料，為溶池區(qū)的反應(yīng)創(chuàng)造良好條件；電弧熱也是其主要熱能，用于溶池反應(yīng)區(qū)，決定該區(qū)的溫度，促進該區(qū)化學(xué)反應(yīng)，這兩個部分的熱能的合理分配，即合理的熱分配系數(shù)，是礦熱爐能夠運行良好的重要條件，這也是本申請主要討論的內(nèi)容。

熱分配系數(shù)c



即操作電阻r＝c·rn

c---爐料熱分配系數(shù)表示未熔化的爐料區(qū)所分得的熱量占總熱量的比例

q料----未熔化的爐料區(qū)所分得的熱量

q總-----進入爐內(nèi)的有效功率所轉(zhuǎn)換的總熱量

p料-----未熔化爐料區(qū)所消耗功率kw

p爐----進入礦熱爐的總有功功率kw

rn------角形電阻mω

rm-----星形電阻mω

u相效--有效相電壓v

3、操作電阻在礦熱爐運行中的重要性

操作電阻是一非常重要的電氣參數(shù)，控制了它就等于控制了以下四項：

①有效相電壓及電極電流以及他們的比值

②電阻熱與電弧熱的分配

③三根電極輸入的有效功率

④電極在爐料中的插入深度

4、怎樣才能控制操作電阻

以上介紹過









ρnρm分別為兩電極間介質(zhì)電阻率和電極下端熔體電阻率，這個電阻率可以通過調(diào)整入爐混合料的比電阻r料比即爐料比電阻進行調(diào)節(jié)。r料比正比于ρnρm，r料比是常溫狀態(tài)下入爐混合料的比電阻，它是人工唯一能夠直接干預(yù)的礦熱爐參數(shù)(俗稱配料)，通過調(diào)整r料比值，即可調(diào)節(jié)rmrnhnhm同時還調(diào)節(jié)了熱分配系數(shù)c，在這里要提到r料比不是爐子的操作電阻，但能調(diào)節(jié)操作電阻。

二、爐料比電阻與礦熱爐各參數(shù)的函數(shù)關(guān)系

1、爐料比電阻r料比與電極插入深度的函數(shù)關(guān)系

電極插入深度反映了溶池反應(yīng)區(qū)在豎直方向的位置，正常熔煉時，如圖2所示，隨著r料比增加，插入深度加大，當(dāng)r料比達到一定值時，電極端部距離底部的距離為一定值。hn不會無限制的插入爐底，否則會造成電極與爐底中性點短路，因此當(dāng)r料比為合理狀態(tài)下，hn為一定值。

2、爐料比電阻r料比與角形電阻、星形電阻和操作電阻的函數(shù)關(guān)系

①爐料比電阻r料比與角形電阻的函數(shù)關(guān)系



如圖3所示，當(dāng)爐料比電阻在“0p”范圍內(nèi)時，角形電阻rn的大小，主要隨電極插入深度而改變，當(dāng)爐料比電阻大于p點時，hn為定值，角形電阻主要隨ρn而改變，ρn正比于r料比，所以在這個范圍內(nèi)角形電阻隨ρn改變而改變。

②爐料比電阻r料比與星形電阻的函數(shù)關(guān)系

星形電阻



隨著爐料比電阻r料比增加，插入較深，hm逐漸變小，hm→r0時，且hm>r0,



星形電阻不會因為r料比增加而顯著增大，所以rm在合理的r料比時為一定值

③爐料比電阻r料比與操作電阻的函數(shù)關(guān)系





因為rn≥rmr≤rm

在穩(wěn)定狀態(tài)下rm為一定值，故操作電阻在礦熱爐穩(wěn)定狀態(tài)下也為一定值。





k為安德烈公式中的周邊電阻

∴



為一定值

此式在此驗證了安德烈公式的周邊電阻的實際意義

3、爐料比電阻與礦熱爐熱分配系數(shù)的函數(shù)關(guān)系

前已敘述，熱分配系數(shù)



rn≥rm當(dāng)rn＝rm時，c為最大值

即



此時電弧功率等于電阻功率。

怎樣能夠找到爐料比電阻與熱分配系數(shù)的關(guān)系呢？通過前敘，爐料比電阻與星形電阻和角形電阻的函數(shù)關(guān)系，推導(dǎo)出爐料比電阻與熱分配系數(shù)存在二次函數(shù)關(guān)系即c＝a·r料比2+b·r料這是一個拋物線方程，此方程開口向下a<0；圖4中，坐標點



大小取決于變壓器容量及二次電壓，這一坐標點相當(dāng)于熱分配系數(shù)r/rn趨于零，rn為∞，相當(dāng)于電極有效相電壓為開路電壓，因此，這一坐標值是由礦熱爐變壓器二次電壓決定的。因為礦熱爐變壓器二次電壓有多個擋位，調(diào)整電壓擋位的電壓值，坐標點



隨之改變。理解這一概念對調(diào)整爐況非常重要，這一坐標點在礦熱爐理論上也將產(chǎn)生重要影響。

當(dāng)c＝0.5時，



下面對此二次曲線圖進行分析，爐料比電阻r料比在礦熱爐正常運行時，為滿足電弧燃燒條件m≤r料比≤p。知道爐料比電阻與熱分配系數(shù)的函數(shù)關(guān)系后，我們在指導(dǎo)生產(chǎn)時，根據(jù)不同的產(chǎn)品來選擇r料比的值，盡可能避開不穩(wěn)定區(qū)，對以熔化為主的生產(chǎn)，確定r料比使之選擇爐料熔化區(qū)，對于需要高溫還原為主的產(chǎn)品，確定r料比時，選擇高溫還原區(qū)。

三、礦熱爐運行的熱分配調(diào)控

通過上述的函數(shù)關(guān)系的掌握，根據(jù)不同的產(chǎn)品調(diào)整常溫下的爐料比電阻的值(配方)使之配料恰當(dāng)，達到該產(chǎn)品的合理的熱分配系數(shù)，使礦熱爐達到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低消耗的工作狀態(tài)。

本發(fā)明的優(yōu)點：利用本發(fā)明方法調(diào)控礦熱爐，通過礦熱爐爐況判斷爐料比電阻所處區(qū)間，然后指導(dǎo)操作工人根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)整爐料比電阻，實現(xiàn)快速準確的將爐料比電阻調(diào)至爐料熔化區(qū)或高溫還原區(qū)，實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。通過本發(fā)明方法調(diào)控的礦熱爐，產(chǎn)量大大提高、電耗明顯降低，避免了人身事故、設(shè)備事故的發(fā)生。

附圖說明：

圖1為礦熱爐工作狀態(tài)示意圖。

圖2為爐料比電阻隨電極插入深度的變化曲線圖。

圖3為爐料比電阻與角形電阻、星形電阻和電極插入深度的變化曲線圖。

圖4為爐料比電阻與熱分配系數(shù)的函數(shù)關(guān)系圖。

具體實施方式：

礦熱爐溶池內(nèi)有并聯(lián)的兩條電路即電阻熱和電弧熱，馬克西門柯就是按照它們所占的不同比例劃分礦熱爐熔煉中的電阻制度和電弧制度，不同的冶煉品種有其各自適宜的比例。怎樣使礦熱爐調(diào)控，實現(xiàn)這一適宜的比例？

一、爐料比電阻r料比與熱分配系數(shù)的函數(shù)關(guān)系

熱分配系數(shù)



rn≥rm當(dāng)rn＝rm時，c為最大值，即



此時，電弧功率等于電阻功率。根據(jù)爐料比電阻r料比與星形電阻和角形電阻的函數(shù)關(guān)系，推導(dǎo)出爐料比電阻與熱分配系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，

即：c＝a·r料比2+b·r料比，這是一個拋物線方程，此方程開口向下，a<0；當(dāng)c＝0.5時，



圖中坐標點



大小取決于變壓器容量及二次電壓。下面對此二次曲線圖-圖4進行分析。

爐料比電阻r料比在礦熱爐正常運行時，為滿足電弧燃燒條件m≤r料比≤p，知道爐料比電阻與熱分配系數(shù)的函數(shù)關(guān)系后，即可根據(jù)此圖來指導(dǎo)生產(chǎn)，使礦熱爐達到適宜生產(chǎn)狀況。

我們把函數(shù)圖中m≤r料比≤p范圍分成三個區(qū)，不穩(wěn)定區(qū)，爐料熔化區(qū)，高溫還原區(qū)，下面對三個區(qū)分別進行分析：

①不穩(wěn)定區(qū)

此區(qū)，爐料比電阻較小，此時操作電阻r，星形電阻rm都較小未達到其設(shè)定值，電極不穩(wěn)定，造成熔煉過程失常，電極不能深插，電極上浮，三根電極高低不平，三相功率不平衡，也可以說成是三相熱分配系數(shù)不平衡，致使三根電極工作有不同的熱分配系數(shù)。三根電極下，溫度不一樣，化料速度不一樣，造成某一根電極與其他兩根電極不易融通。易造成塌料、翻渣、噴爐等安全隱患，因此冶煉操作者應(yīng)能夠及時判斷出此時狀態(tài)是爐料比電阻選擇過小，應(yīng)在配料中綜合考慮幾種原料的比電阻，進而提高混合料的比電阻，避開此工作區(qū)。

②爐料熔化區(qū)

爐料比電阻r料比選擇在此范圍，熱分配系數(shù)相對較大，產(chǎn)量高，化料快，三根電極平穩(wěn)，易融通，溫度低，熱反應(yīng)區(qū)上移，爐底上漲，由于電極側(cè)壁電流較大，電極端部呈尖狀。對于粉料產(chǎn)品，易過早軟熔、塌料、翻渣，對于僅以化料為主的生產(chǎn)，選擇此范圍較為適宜。

③高溫還原區(qū)

爐料比電阻r料比選擇在此范圍，熱分配系數(shù)相對較小，三根電極平穩(wěn)，爐溫高，反應(yīng)區(qū)下移，爐底略深，電極端部平直，燒損小，對于以還原為主的生產(chǎn)，選擇此范圍較為適宜。

二、熱分配系數(shù)的調(diào)控方法

掌握了爐料電阻與熱分配系數(shù)關(guān)系后，就需要冶煉管理者對爐況工作在什么狀態(tài)有所了解，準確掌握礦熱爐工作在什么區(qū)間范圍，以便及時調(diào)整爐料的比電阻，使之達到最佳冶煉效果。

冶煉工作管理者要對自己所生產(chǎn)的產(chǎn)品所需要的各種原料的比電阻充分了解，可選用2500兆歐表或者5000兆歐表對所用的各種原料進行比電阻值排序，在生產(chǎn)過程中判斷礦熱爐工作在何種狀態(tài)適時的進行調(diào)整。

三、坐標點



對礦熱爐的影響

通過以上的所有描述，就是為了得到爐料比電阻r料比與熱分配系數(shù)的函數(shù)關(guān)系及函數(shù)圖。充分理解這張圖，就能理解礦熱爐的工作原理和調(diào)整礦熱爐爐況的方法與規(guī)則。

圖4中，坐標點



前已敘述，它隨變壓器二次電壓改變而改變。假設(shè)礦熱爐工作在高溫還原區(qū)，此時改變二次電壓擋位提高電壓值，相當(dāng)于坐標點



增大向右移。注意此時的礦熱爐熱分配系數(shù)升高，爐況向“爐料熔化區(qū)”移動，“爐溫降低”。因此，得出結(jié)論“變壓器二次電壓升高，爐溫降低；二次電壓降低，爐溫升高。”這一結(jié)論與傳統(tǒng)的認知，完全相反。因此，這一函數(shù)關(guān)系既有新的理論產(chǎn)生，又有對傳統(tǒng)認知的否定，這也是這張坐標圖的重要意義所在。

假設(shè)礦熱爐工作在不穩(wěn)定區(qū)，提高二次電壓爐況向更加不穩(wěn)定區(qū)移動，使爐況更加不穩(wěn)定。

以上的論述在內(nèi)蒙古蘇尼特右旗宏宇鈦業(yè)已經(jīng)過了實踐的驗證，此企業(yè)有6臺1800kva礦熱爐，生產(chǎn)產(chǎn)品高鈦渣。按本申請方法調(diào)控礦熱爐，爐況穩(wěn)定易操作，單爐日產(chǎn)量提高了20％，爐前電耗由原來的2900度/噸渣，降低到2550度/噸渣。噸渣電耗降低350度電，總成本更有明顯的降低。

通過以上敘述，關(guān)鍵在于準確判斷礦熱爐工作運行在哪個區(qū)域，根據(jù)實際情況，增減混合原料的比電阻及調(diào)整二次電壓擋位，而使礦熱爐運行于最佳狀態(tài)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了礦熱爐調(diào)控方法，熱分配系數(shù)C與爐料比電阻R料比存在如下函數(shù)關(guān)系：C＝a·R料比2+b·R料比，其中a＜0，且當(dāng)C＝0.5時，利用該函數(shù)關(guān)系調(diào)控礦熱爐。利用本發(fā)明方法調(diào)控礦熱爐，通過礦熱爐爐況判斷爐料比電阻所處區(qū)間，然后指導(dǎo)操作工人根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)整爐料比電阻，實現(xiàn)快速準確的將爐料比電阻調(diào)至爐料熔化區(qū)或高溫還原區(qū)，實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。通過本發(fā)明方法調(diào)控的礦熱爐，產(chǎn)量大大提高、電耗明顯降低，避免了人身事故、設(shè)備事故的發(fā)生。

技術(shù)研發(fā)人員：陳良;陳慈媛;趙龍

受保護的技術(shù)使用者：陳良

技術(shù)研發(fā)日：2017.07.27

技術(shù)公布日：2018.01.16