СПОСОБ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ РАСПЛАВА В ВАННЕ РУДНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ Российский патент 2009 года по МПК F27B3/08 G01F23/22 

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

Нр=a·b·D²·U_ф,

где Н_р - уровень расплава, мм;

D²·U_Ф - дисперсия флуктуации напряжения между электродами РТП;

U_Ф - 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

H=K·U_ПС,

где Н - глубина ванны, мм;

U_ПС - 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.

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 (SiO₂)^2-, (PO₄)^3-, (РО₃)^- и другими. В результате в этот полупериод падение напряжения в ванне (U_B1) будет меньше на некоторую величину Е по сравнению с падением напряжения в отсутствие этого взаимодействия (U_B)

U_R1=U_R-E.

И, наоборот, когда на электроде будет «-», падение напряжения будет на ту же величину больше, чем когда этого взаимодействия нет

U_R1=U_R+E.

В результате в фазном напряжении появляется постоянная составляющая (U_ПС):

U_ПС=(U_R+E)-(U_R-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

U_ПС=ηEI_Ш/I,

где I_Ш - ток шунта;

I - ток электрода;

η - коэффициент, зависящий от величины фазного напряжения.

Отношение I_Ш/I при неизменных напряжении и токе зависит от количества расплава в ванне печи, т.е. ее глубины Н.

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_Ш/I,то есть растет и значение U_ПС. 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_ПС от отношения I_Ш/I при разных значениях напряжения электродов и для разных глубин (см. чертеж, где H₁>Н₂>Н₃; U₁>U₂). После обработки этих же данных можно получить уравнение, отражающее функцию Н=f(U, I, U_ПС) и в последующем непрерывно контролировать количество расплава в печи по величине постоянной составляющей фазного напряжения.

Уровень расплава в печи, т.е. его количество, можно контролировать и по заранее построенным графикам по типу фиг.1. При известном значении U_ПС1, напряжения U и тока электрода I глубина ванны будет Н₂. Следует отметить, что с увеличением напряжения уменьшается значение I_Ш/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.

В указанных пределах измерения уровня расплава при постоянном токе электрода на всех существующих на печи ступенях напряжения была отмечена практически линейная зависимость величины U_пс от глубины ванны, что позволяет определять глубину ванны в соответствии с формулой

Н=к·U_ПС,

где Н - глубина ванны, мм;

U_ПС - значение величины постоянной составляющей фазного напряжения, мВ;

к - коэффициент пропорциональности, неизменный при определенном токе электрода и величине фазного напряжения, мм/мВ.

Измеряя при помощи метода прямого зондирования уровень расплава Н и измеряя соответствующую ей U_ПС, можно определить к=Н/U_ПС, 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_ПС, 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.

Аналогичные замеры были проведены при том же токе, но при фазном напряжении 122.5 В. При глубине ванны 190 мм значение U_ПС=75 мВ и коэффициент K₂=190/75=2.5.

Изобретение относится к области электротермии, а именно к контролю технологических параметров при производстве плавленых фосфатов, карбида кальция в рудно-термических печах и может быть использовано в цветной металлургии. Технический результат - повышение точности измерения. Способ контроля уровня расплава в ванне рудно-термической печи включает контроль фазного напряжения и тока электрода. Дополнительно измеряют величину постоянной составляющей фазного напряжения, а уровень расплава при заданном значении тока определяют в соответствии с формулой H=K·U_ПС, где Н - уровень расплава, мм; U_ПС - значение постоянной составляющей фазного напряжения, мВ, K - коэффициент, зависящий от величины фазного напряжения, мм/мВ. 1 ил., 1 табл.

Способ контроля уровня расплава в ванне рудно-термической печи, включающий контроль фазного напряжения и тока электрода, отличающийся тем, что измеряют величину постоянной составляющей фазного напряжения, а уровень расплава при заданном значении тока определяют в соответствии с формулой
H=K*U_ПС,
где Н - уровень расплава, мм;
U_ПC - 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.