СПОСОБ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ РАСПЛАВА В ВАННЕ РУДНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ
REGULATION METHOD OF MELT LEVEL IN BATH OF ORE-THERMAL FURNACE

Изобретение относится к области электротермии, а именно к способам контроля технологических параметров при производстве плавленых фосфатов, карбида кальция в рудно-термических печах, и может быть использовано в цветной металлургии.
При работе рудно-термических печей (далее РТП) в режиме «сопротивления», то есть когда преобразование электрической энергии в тепловую происходит, главным образом, в самом нагреваемом материале, особое значение имеет знание уровня или количества расплава в ванне и поддержание этого уровня в оптимальных для конкретного расплава пределах.
Фактически широко применяются только два метода определения уровня расплава в печи.
Первый известный метод основан на прямом зондировании ванны металлической или деревянной штангой (см. Электротермические процессы химической технологии: учебное пособие для вузов под редакцией В.А.Ершова. - Л.: Химия, 1984. - 464 с., стр.435), что весьма сложно из-за труднодоступности реакционного пространства, высоких температур и агрессивной среды в ванне печи, небезопасно и проводится периодически.
Второй известный метод - определение уровня расплава по количеству израсходованной электроэнергии (см. там же, стр.341). Главным недостатком этого метода является его невысокая точность. Об уровне расплава или его количестве в печи судят по количеству израсходованной электроэнергии и некоторому среднему значению ее удельного расхода. Последняя величина зависит от многих случайных факторов: потребляемой мощности, состава шихты, особенностей ведения процесса плавки. Именно это и не позволяет определять уровень расплава печи с достаточной точностью.
Прототипом предлагаемого изобретения может служить способ контроля уровня расплава в рудно-термической печи согласно авторскому свидетельству СССР №1211577 (опубл. 15.02.86 БИ №6, кл. F27D 21/04). В соответствии с этим способом уровень расплава в РТП определяют по уравнению
2
ф
Нр=a·b·D·U,
р
где Н - уровень расплава, мм;
2
Ф
D·U - дисперсия флуктуации напряжения между электродами РТП;
Ф
U - значение фазного напряжения, мВ;
а, b - постоянные коэффициенты, определяемые методом корреляционного анализа.
Недостатком прототипа является то, что на флуктуации напряжения между электродами РТП влияет не только глубина погружения электрода в расплав (позиция электрода), но и флуктуации питающего напряжения. Кроме того, флуктуации напряжения между электродами будут зависеть от распределения токов между «звездой» и «треугольником», что обусловлено позицией электродов.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения уровня расплава.
Технический результат достигается тем, что в способе контроля уровня расплава в ванне рудно-термической печи, включающем контроль фазного напряжения и тока электрода, согласно изобретению измеряют величину постоянной составляющей фазного напряжения, а уровень расплава при заданном значении тока определяют в соответствии с формулой
ПС
H=K·U,
где Н - глубина ванны, мм;
ПС
U - значение постоянной составляющей фазного напряжения, мВ;
K - коэффициент пропорциональности, неизменный при определенном токе электрода и фазном напряжении, который определяют с помощью заранее составленной таблицы с его значениями, определяемыми как отношение уровня расплава, измеряемого методом прямого зондирования к значению постоянной составляющей фазного напряжения при определенных значениях тока электрода и фазного напряжения, мм/мВ.
2
4
3
B1
B
2-
3-
-
Таким образом, в предлагаемом способе учитывается полупроводниковый эффект контакта электрода с расплавом. Этот эффект состоит в том, что при работе РТП на переменном токе в один полупериод углерод части электрода, находящегося в расплаве, реагирует с ионами расплава более интенсивно, чем в соседних полупериодах. Так, например, в печи для получения плавленых фосфатов (термофосфатов) в полупериод, когда на электроде «+», на его поверхности имеет место химическое взаимодействие углерода электрода с ионами (SiO), (PO), (РО) и другими. В результате в этот полупериод падение напряжения в ванне (U) будет меньше на некоторую величину Е по сравнению с падением напряжения в отсутствие этого взаимодействия (U)
R1
R
U=U-E.
И, наоборот, когда на электроде будет «-», падение напряжения будет на ту же величину больше, чем когда этого взаимодействия нет
R1
R
U=U+E.
ПС
В результате в фазном напряжении появляется постоянная составляющая (U):
ПС
R
R
U=(U+E)-(U-E)=2E
Величина Е определяется изменением изобарно-изотермического потенциала (ΔZ) той реакции, в которой участвует углерод электрода:
Е=-ΔZ/nF, где F - число Фарадея, n - заряд ионов-переносчиков тока.
В свою очередь ΔZ=R·Т·ln K,
где R - газовая постоянная;
Т - температура на поверхности электрода в районе контакта с расплавом;
K - константа равновесия.
В РТП электрический контакт электрода с материалами, заполняющими ванну, осуществляется не только прямым контактом электрода, но и через электрическую дугу. Даже в отсутствие ярко выраженного дугового режима, то есть в том случае, когда печь работает практически в режиме «сопротивления», ввиду плохой смачиваемости электрода шлаковыми расплавами всегда существуют микродуги, возникающие между электродом и расплавом. Таким образом, величина постоянной составляющей обусловлена не полным током электрода, а только той его частью, которая проходит непосредственно через контакт электрода с материалами ванны, то есть через сопротивление, шунтирующее дугу
ПС
Ш
U=ηEI/I,
Ш
где I - ток шунта;
I - ток электрода;
η - коэффициент, зависящий от величины фазного напряжения.
Ш
Отношение I/I при неизменных напряжении и токе зависит от количества расплава в ванне печи, т.е. ее глубины Н.
Ш
ПС
ПС
Ш
1
2
3
1
2
ПС
При повышении уровня расплава в печи увеличивается заглубление электрода и, как следствие, растет электросопротивление ванны при неизменном токе. В результате уменьшается плотность тока в контакте электрода с расплавом и тем самым степень развития электрической дуги. В конечном итоге, с увеличением глубины ванны при неизменном токе электрода растет отношение I/I,то есть растет и значение U. Измеряя методом прямого зондирования с помощью штанги глубину ванны и одновременно фиксируя с помощью электрофильтра и вольтметра постоянного тока величину постоянной составляющей фазного напряжения, можно построить графики, отражающие зависимость U от отношения I/I при разных значениях напряжения электродов и для разных глубин (см. чертеж, где H>Н>Н; U>U). После обработки этих же данных можно получить уравнение, отражающее функцию Н=f(U, I, U) и в последующем непрерывно контролировать количество расплава в печи по величине постоянной составляющей фазного напряжения.
ПС1
2
Ш
Уровень расплава в печи, т.е. его количество, можно контролировать и по заранее построенным графикам по типу фиг.1. При известном значении U, напряжения U и тока электрода I глубина ванны будет Н. Следует отметить, что с увеличением напряжения уменьшается значение I/I вследствие развития микродуговых и дуговых процессов.
Пример. Трехэлектродная электропечь РК3-2,5 для производства плавленых фосфатов. Печь имеет три вертикально расположенных графитированных электрода, внутренний диаметр шахты печи 1800 мм, подина печи и нижний пояс футеровки на высоту 1000 мм выполнены из углеродистых блоков, верхний пояс - из шамотного кирпича. Получение плавленых фосфатов заключается в плавке шихты, состоящей из апатитового концентрата и ряда добавок, и периодическом выпуске образующегося расплава. Электрические параметры плавки: ток электродов 0-5000А, фазное напряжение 150-200 В. Рабочие пределы колебания уровня расплава в печи 150-950 мм.
Зондирование осуществлялось следующем образом. При подъеме одного из электродов по указателю перемещения относительно неподвижных несущих стоек замеряется положение электрода в момент прекращения тока в цепи. Затем на отключенной печи электрод опускался до соприкосновения с подиной. Разница показаний указателя перемещения электрода в обоих случаях и равняется глубине ванны.
пс
В указанных пределах измерения уровня расплава при постоянном токе электрода на всех существующих на печи ступенях напряжения была отмечена практически линейная зависимость величины U от глубины ванны, что позволяет определять глубину ванны в соответствии с формулой
ПС
Н=к·U,
где Н - глубина ванны, мм;
ПС
U - значение величины постоянной составляющей фазного напряжения, мВ;
к - коэффициент пропорциональности, неизменный при определенном токе электрода и величине фазного напряжения, мм/мВ.
ПС
ПС
Измеряя при помощи метода прямого зондирования уровень расплава Н и измеряя соответствующую ей U, можно определить к=Н/U, постоянный для определенных значений тока электрода (I) и величины фазного напряжения (U), и далее при помощи составленных таблиц со значениями к для конкретных U и I определять уровень расплава.
При фазном напряжении 154.5 В и токе в электроде 4000А уровень расплава, измеренный методом зондирования, составил 180 мм, при этом величина постоянной составляющей была 60 мВ, отсюда: К=180/60=3.
Результаты аналогичных замеров, проводившихся на всем протяжении плавки, представлены в таблице.
Номер замера
Величина U<sub>ПС</sub>, мВ.
Уровень расплава, мм
Абсолютная погрешность, мм
По результатам зондирования
По предлагаемому способу
1
60
180
180
0
2
75
210
225
15
3
85
270
255
15
4
123
380
369
11
5
150
460
450
10
6
172
530
516
14
7
190
680
670
10
8
213
850
839
11
Представленные в таблице данные, показывают что максимальная абсолютная погрешность измерения уровня расплава по предлагаемому методу не превышает ±15 мм, что следует считать хорошим результатом.
ПС
2
Аналогичные замеры были проведены при том же токе, но при фазном напряжении 122.5 В. При глубине ванны 190 мм значение U=75 мВ и коэффициент K=190/75=2.5.