СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПЛАВКИ КАРБИДА КАЛЬЦИЯ Российский патент 1997 года по МПК F27B3/28 

Изобретение относится к управлению технологическими процессами в руднотермических печах, в частности процессом плавки карбида кальция.

Управление процессом плавки карбида кальция сводится к поддержанию заданного электротехнологического режима, т. е. поддержанию в определенных пределах таких параметров, как напряжение, величина тока в электродах, потребляемая мощность, дозировка шихтовых материалов, качество получаемого продукта и т.д. При этом особенно большое значение имеет определение начала и окончания выпуска расплава карбида из печи, а также необходимости перепуска электродов. Это связано с тем, что передержка расплава карбида в печи ведет к его перегреву и разложению. При преждевременном выпуске образуется продукт с низким содержанием CaC₂.

Своевременный перепуск электродов имеет также большое значение, поскольку от него зависит режим коксования и надежная работа электродов. При неправильном определении момента и величины перепуска возможен обрыв электрода или прогорание его кожуха.

Из вышеуказанного следует, что определение начала и окончания выпуска расплава карбида из печи, а также момента и величины перепуска имеет большое практическое значение.

В настоящее время известны различные решения этой проблемы, находящиеся как в стадии промышленного внедрения, так и в стадии опытно-промышленных разработок или чисто теоретических предложений. Практически в каждом из них управление процессом плавки включает измерение тока электрода, фазного напряжения, потребляемой мощности, расхода электроэнергии, количества и состава подаваемой на плавку шихты и при отклонении технологического режима отработка возмущения осуществляется за счет изменения в ту или иную сторону электрического тока путем перемещения электродов и/или переключением ступеней напряжения печного трансформатора, а также изменением подачи шихты или ее отдельных компонентов (Электротермические процессы химической технологии. Учебное пособие для вузов /Под ред. В. А. Ершова, Л. Химия, 1984, 464 с.).

Одним из недостатков этих способов является перемещение электродов, которые часто приводят к обвалам стенок и свода плавильного тигля, следствием чего является нарушение технологического режима в печи. Там же отмечается, что определение начала и окончания выпуска расплава из печи осуществляется главным образом, по количеству израсходованной электроэнергии. По такому же принципу осуществляется и определение момента перепуска электрода.

Однако расход электроэнергии зависит от многих случайных факторов: потребляемой мощности, качества шихты, литража получаемого карбида и т.д, поэтому определение начала и окончания выпуска расплава из печи в данном случае будет не совсем оптимальным.

Известен способ управления процессом плавки карбида кальция по принципу сохранения заданной проводимости (γ) подэлектродного пространства, при котором электроды не перемещаются. В этом случае поддержание γ = const осуществляется за счет корректировки состава шихты (подачи извести или кальцийсодержащего компонента шихты под электрод), а поддержание рабочей мощности осуществляется автоматически регулятором электрического режима путем переключения ступени в результате сравнения сигналов, поступающих от датчиков тока напряжения. В этом случае для поддержания оптимального расстояния торца электрода от пода печи производят перепуск электрода. Величина перепуска определялась счетно-решающим устройством, на которое поступали сигналы о расходе электроэнергии.

Основным недостатком данного способа является накопление ошибки измерения за счет отсутствия однозначной зависимости между "сгоранием" нижнего конца электрода и количеством израсходованной электроэнергии. Уже через несколько суток после настройки системы неконтролируемая ошибка измерения могла превысить допустимое значение и привести к ошибочным действиям (Обзорная информация "Автоматическое управление руднотермическими электропечами". Составители: Вапник М. А. Семенов Э. Э. М. НИИТЭХИМ, 1977, с. 12 13; Обзорная информация "Автоматизация управления электротехнологическими режимами работы печей химической электротермии". Составители: Жилов Г. М. Лифсон М. И. Савицкий С. К. М. НИИТЭХИМ, с. 20 21).

Устранение вышеуказанных недостатков в определении величины перепуска электрода, а также определение момента начала и окончания выпуска расплава представляет сложную задачу, которая до сих пор для карбидных печей не решена.

Решение этой проблемы позволило бы улучшить технико-экономические показатели работы печи и стабилизировать положение торца электрода в ванне печи.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что в известный способ управления плавкой карбида кальция, включающий дозировку и загрузку шихты в печь, измерение и контроль электрических параметров плавки каждой фазы (тока, напряжения, мощности и проводимости), поддержание рабочей мощности печи осуществляют путем переключения ступеней напряжения печного трансформатора и/или корректировки состава шихты, периодически выпускают расплав из шихты печи, а после окончания выпуска перепускают электрод, введены дополнительные операции, а именно измерение постоянной составляющей напряжения в процессе плавки и определение моментов начала и окончания выпуска расплава по формулам

а перепуск электрода производят при достижении постоянной составляющей фазного напряжения значения, определяемого по формуле:
U_пнi = U_пк+i•ΔU₂ (3)
где U_bi, U_ki величина постоянной составляющей фазного напряжения в начале и конце выпуска расплава соответственно, В;
U_пк величина постоянной составляющей фазного напряжения в момент окончания перепуска электрода, от которого идет фиксация изменения постоянной составляющей, В;
ΔU₁ градиент постоянной составляющей фазного напряжения от начала или окончания i-того выпуска расплава CaC₂ до начала или окончания следующего (i + 1), В;
A постоянная величина, зависящая от количества выпускаемого единовременного расплава CaC₂, В;
i порядковый номер выпуска расплава в период между двумя соседними перепусками электродов;
U_пн величина постоянной составляющей фазного напряжения, при котором начинают очередной перепуск электроды, В;
ΔU₂ градиент постоянной составляющей фазного напряжения между двумя соседними перепусками, В.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что момент начала и окончания выпуска расплава карбида кальция из печи определяют по степени развития электрической дуги, о чем в свою очередь, судят по величине постоянной составляющей фазного напряжения.

Наличие постоянной составляющей в фазном напряжении карбидной печи вызвано вентильным эффектом электрической дуги, которая горит между электродом и пропитанным расплавом карбида, коксом, а также химическим взаимодействием электрода с расплавом.

В первом случае постоянная составляющая имеет направление от электрода к расплаву ("+" на электроде), во втором от расплава к электроду (на электроде "-"). От соотношения этих двух процессов и зависит величина и направление суммарной постоянной составляющего фазного напряжения.

При управлении работой печи перемещение электродов, т.е. когда ток в электроде поддерживается постоянным, остается практически постоянным и положение электрода относительно уровня расплава карбида кальция. В результате и величина постоянной составляющей остается неизменной, так как при этом не меняется степень развития электрической дуги.

При неподвижных относительно ванны печи электродах накапливающийся в печи расплав будет увеличивать поверхность контакта электрода с ним, тем самым уменьшая степень развития дуги и увеличивая в суммарной постоянной долю, вызванную химическим взаимодействием электрода с расплавом. Поскольку обе составляющие направлены противоположно и к моменту закрытия летки, величина постоянной составляющей, вызванной вентильным эффектом горения дуги, превышает величину постоянной составляющей, обусловленной химическим взаимодействием электрода с расплавом, то по мере накопления расплава величина суммарной постоянной составляющей будет уменьшаться и может даже изменить знак на противоположный.

При выпуске расплава карбида наблюдается обратная картина. В результате уменьшения площади контакта электрода с расплавом растет доля постоянной составляющей, вызванная горением дуги, и уменьшается доля постоянной составляющей, обусловленной химическим взаимодействием электрода с расплавом, суммарная постоянная составляющая будет увеличиваться.

Если бы не было "угара" электродов, то наблюдались бы периодические колебания постоянной составляющей в некоторых пределах, зависящих от количества выпускаемого единовременно расплава карбида. Однако при работе печи электроды расходуются, поэтому при неподвижных относительно ванны печи электродах площадь контакта их с расплавом будет постепенно уменьшаться. Это вызовет развитие дугового режима и увеличение значения постоянной составляющей, которое после каждого выпуска будет больше чем после предыдущего.

Таким образом, зная изменение значения постоянной составляющей при оптимальном перепуске электрода, можно по достижении этих значений давать команду на перепуск электродов и его окончание.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего способ управления для одной фазы печи, а для других она аналогична; на фиг. 2 зависимость изменения постоянной составляющей фазного напряжения от времени плавки, причем сплошной линией реальная, а пунктиром теоретическая (при отсутствии расхода электрода).

На фиг. 1 изображена ванна 1 печи, имеющая прямоугольную форму, в которой расположены в ряд прямоугольные или круглые электроды 2, трансформатор тока 3, являющийся датчиком тока электрода, переключатель ступеней напряжения (ПСН) и печной трансформатор 5. Регулятор электрического режима 6, входы которого соединены с датчиком тока и напряжения (J_э, U_п), и задатчиками контролируемых величин (γ₃, P_аз), а выходы с переключателем ступеней напряжения (F₁) и дозаторы шихты 7 (F₂).

Шихта поступает в печь из бункеров 8, закачивающихся точками. Постоянная составляющая фазного напряжения выделяется фильтром 9, выход которого соединен с входом измерителя 10, соединенного с входом счетнорешающего устройства с дисплеем 11.

Выходы этого блока соединены с регулятором 6 и системой перепуска электрода 12, один из выходов системы 12 соединен с соответствующим входом блока 11, а второй с электродом, точнее с исполнительным механизмом перепуска электрода.

Дополнительный вход блока 12 соединен также с соответствующим выходом узла закрытия леток (не показано).

Электропечь для получения карбида кальция с установленной мощностью печного трансформатора 60 МВА Карагандинского завода синтетического каучука. Ванна печи прямоугольная с тремя самообжигающимися электродами. Пределы вторичного напряжения 75 290 В, номинальный ток с низкой стороны 110000 А. Электроды неподвижны, осуществляется только их периодический перепуск.

Загрузка шихты, состоящей из углеродсодержащего компонента и извести, приготовленную дозатором 7 в соотношении 40:60 мас. через бункер 8 с точкой поступает в ванну печи.

В период работы между двумя перепусками электродов регулятор 6 электрического режима поддерживает заданную активную мощность на электродах путем контроля тока и напряжения. Сигналы от соответствующих датчиков тока 3 и напряжения 5 поступает на вход регулятора 6 на другие входы которого поступают сигналы, пропорциональные заданным значениям регулируемых параметров (P_a3, γ₃).

В регуляторе 6 реализуется уравнение для определения регулирующего воздействия, а именно:
P n • 1/v 0 (γ = const), где p и n коэффициенты пропорциональности.

В регуляторе происходит сравнение заданных и фактических параметров и если имеется сигнал рассогласования, то он срабатывается за счет переключения ступеней (F₁), поступающий в блок (ПСН) 4 и на дозатор 7 (сигнал F₂) на изменение количества извести. Через некоторой время, в зависимости от времени или от количества потребленной электроэнергии регулятор выдает команду на слив расплава.

Как правило, сливается определенное количество расплава, которое зависит от типоразмера печи.

По окончании слива для восстановления положения торца электродвигателя таким образом, чтобы проводимость была близко к заданной, осуществляют перепуск электрода. Одновременно фиксируются значение постоянной составляющей фазного напряжения в момент начала и окончания перепуска.

На фиг. 2 этот момент времени обозначен как начальный момент отсчета начала следующей плавки τ_o (точка A₁a), а U_пн 0,55 B.

Пусть в момент окончания перепуска (τ_o) величина постоянной составляющей фазного напряжения была равна U_пк 0,25 B, тогда управление процессом плавки осуществляется аналогично вышеописанному, а в момент выпуска расплава CaC₂ (открытие летки) τ₁ и момент окончания выпуска (закрытие летки) τ₂ фиксирует значение постоянной составляющей фазного напряжения, которые были соответственно равны:
U_B1 0,1 B, а U_K1 0,35 B.

По полученным значениям определяем величину A и ΔU₁, которые соответственно равны A U_пк U_B1 0,25 0,1 0,15 B ΔU₁= U_к1-ΔU_пк= 0,35-0,25=0,1B Величина A __→ const и характеризует количество образовавшегося карбида за одну плавку.

Величина ΔU₁ зависит от расхода электрода, т.е. если допустить, что электрод не расходуется, то выпуск и окончание выпуска расплава независимо от номера плавки были бы для каждой плавки одинаковы (кривая 1 на рис. 2), а т. к. на практике это не так, то надо вводить поправку, которая за цикл (от перепуска до перепуска постоянно накапливается). Момент выпуска (τ₂) для следующей плавки определяют по достижении значения постоянной составляющей фазного напряжения, определяемого по формуле (1), т. е.

,
а окончание выпуска расплава по формуле (2), т.е.

U_к2 = U_пк+i•ΔU₁ = 0,25+2•0,1 = 0,45 B
Сигналы на открытие и закрытие летки выдаются блоком 11, который представляет ЭВМ на дисплее которого изображен график (фиг. 2), и при достижении значения постоянной составляющей фазного напряжения, и при достижении контрольных значений, вычисляемых по формулам (1) (3), выдаются соответствующие сигналы.

Так момент выпуска расплава следующей плавки происходит, когда U_B3 0,25 0,15 + 0,2 0,3 B, а окончание выпуска U_k3 0,25 + 3 • 0,1 0,55 B.

Этот момент соответствует моменту осуществления перепуска, т.е. начало и конец перепуска осуществляют при одних и тех же значениях постоянной составляющей, т.е.

ΔU₂ = U_пн - U_пк = 0,55-0,25 = 0,30 B
Значения A₁, ΔU₁, ΔU₂ для каждой конкретной печи устанавливаются экспериментально (в основном зависят от типоразмера печи и качества электродной массы).

Кроме того, если печь не может работать в нормальном режиме по каким-либо причинам (ограничение мощности, неисправность оборудования и т.д.), величины A1, ΔU₁, ΔU₂, должны быть скорректированы, но принцип регулирования остается постоянной составляющей неизменным.

Преимущество предлагаемого способа управления заключается в том, что есть возможность стабилизировать режим плавки за счет того, что за плавку производится одно и то же количеством CaC₂, а перепуск на одну и ту же величину.

Это достигается за счет того, что между значениями постоянной составляющей фазного напряжения и указанными параметрами установлена прямая зависимость, а по известному способу она была неоднозначной, поэтому и невозможно было получить достоверный результат.

Кроме того, возможно особенно эффективное использование предлагаемого способа на средних и малых карбидных печах.

Изобретение относится к электротермии, в частности к управлению технологическим режимом получения карбида кальция в руднотермических электропечах. С целью более точного определения момента выпуска расплава карбокальция из печи и момента перепуска электрода предлагается использовать постоянную составляющую фазного напряжения, так как между указанными параметрами установлена достоверная зависимость. Для определения моментов начала и окончания слива расплава и моментов начала и окончания перепуска электрода предлагаются эмпирические формулы, позволяющие установить заданные значения постоянной составляющей фазного напряжения для конкретной печи. Способ позволяет стабилизировать процесс плавки карбида кальция путем поддержания уровня расплава в ванне печи и более точной коррекции величины угара электрода, что снижает удельные расходы электроэнергии и сырья. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления процессом плавки карбида кальция, включающий загрузку шихты, измерение тока электрода и напряжения, активной мощности и поддержание ее путем переключения ступеней напряжения печного трансформатора, определение времени начала и окончания выпуска расплава карбида и момент перепуска электрода, отличающийся тем, что дополнительно в процессе плавки при неподвижных относительно ванны печи электродах постоянно измеряют величину постоянной составляющей фазного напряжения, а начало и окончание выпуска расплава карбида кальция из печи производят при достижении постоянной составляющей следующих значений:
U_вi = U_пк - A + (i-1) ΔU₁;
U_кi = U_пк + iΔU₁,
где U_вi, U_кi значения постоянной составляющей фазного напряжения на момент соответственно начала и окончания выпуска расплава карбида, В;
U_пк значение постоянной составляющей фазного напряжения на момент окончания последнего перепуска электрода, В;
ΔU₁ градиент постоянной составляющей фазного напряжения от начала или окончания одного выпуска карбида до начала или окончания следующего выпуска, В;
А постоянная величина, зависящая от количества выпускаемого одновременно карбида кальция, В;
i порядковый номер выпуска расплава в период между двумя соседними перепусками электрода. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перепуск электрода осуществляют при достижении постоянной составляющей фазного напряжения величины, определяемой в соответствии с математическим выражением
U_пнi = U_пк(i-1) + ΔU₂,
где U_пнi, U_пк(i-1) величина постоянной составляющей фазного напряжения соответственно перед началом перепуска и после его окончания для предыдущего перепуска, В;
ΔU₂- градиент постоянной составляющей фазного напряжения от одного перепуска электрода до следующего, В.