Способ определения параметров разогрева руднотермической печи после простоя

 

Изобретение относится к автоматизации электротермических производств, в частности к определению электрических параметров разогрева печи после простоев. Сущность изобретения: основной электрический параметр для разогрева печи определяется по эмпирическому математическому выражению в зависимости от теплового состояния ванны и самоспекающегося электрода перед включением печи, ее типоразмера и вида получаемого продукта. Тепловое состояние ванны печи определяют по изменению напряжения постоянного тока в цепи электрод-земля, измеряемого в момент отключения печи и во время простоя до включения ее. Для поддержания теплового состояния печи на определенном уровне при достижении указанного напряжения минимально-допустимого значения печь периодически включают для подогрева. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротермии, в частности к эксплуатации фосфорных, карбидных и других рудовосстановительных печей, и предназначено для повышения надежности работы самообжигающегося электрода при длительных простоях и дальнейшего пуска печи.

Практика работы рудовосстановительных электропечей большой единичной мощности свидетельствует о том, что надежная, безаварийная работа самообжигающихся электродов определяет электрический и тепловой режимы печи, ее производительность, удельный расход электроэнергии и другие технико-экономические показатели электропечи.

Большая часть (до 80% ) обрывов электродов происходит после простоев печей и вызваны они термическими напряжениями, возникающими в теле электрода при длительной остановке печи.

После простоев печи, вызванных, например, планово-предупредительным ремонтом, отсутствием шихты или электроэнергии и т. д. , электропечь некоторое время работает в режиме разогрева, когда ее постепенно выводят на номинальную мощность. Если печь сразу включить на номинальную мощность, то в результате возникновения термических напряжений из-за быстрого разогрева появляются трещины в теле электродов, которые в конечном итоге и приводят к их облому или обрыву.

С другой стороны, при заниженной оценке теплового состояния ванны, время выхода печи на рабочий режим будет больше необходимого, что ухудшает технико-экономические показатели работы печей.

На практике на всех производствах - фосфора, карбида, ферросплавов и т. д. , работающих с применением руднотермических печей, существуют графики постепенного набора мощности после простоя, причем время разогрева и вывода на рабочую мощность зависит от длительности простоя. Так, в книге В. В. Кашкуль, А. Г. Гриншпунт и И. И. Люборец "Передовой опыт эксплуатаци рудовосстановительных электропечей", М. Металлургия, 1988 с. 42-43 в табличной форме приведена зависимость продолжительности разогрева, причем после длительного простоя печь включается на нижней ступени напряжения трансформатора с целью получения минимально возможного тока.

Недостаток известного способа - отсутствие критерия определения начального тока разогрева печи, поэтому возникает опасность обрыва электрода из-за неоптимального выбора режима разогрева. Кроме того, при кратковременных простоях печи необходимо учитывать то, что температурное поле внутри самоспекающегося электрода неравномерное.

Так, разница температур в центре электрода и на периферии - холодной и горячей сторонами составляет соответственно ±100-200^оС.

При интенсивном режиме разогрева за счет этой разницы в электроде появляются трещины, которые в дальнейшем приводят к обломам электродов и развитию дугового режима и, как следствие, к ухудшению технико-экономических показателей работы печи.

Известен способ эксплуатации электродов, заключающийся в том, что перед остановкой печи на ППР (планово-предупредительный ремонт), в соответствии с которым снижают рабочую мощность за 6-12 ч до остановки печи, чтобы уменьшить температуру электрода и перепад между центром и поверхностями электрода, причем соотношения скорости изменения температуры поверхности электрода и его центра в пределах 1-1,5.

Это достигается плавным изменением плотности тока в электродах со скоростью 0,3-0,7 а/м³ в 1 ч, т. е. при отключении печи токи электрода составляют всего 35-40% I_н (номинального тока).

Кроме того, в течение двух суток до остановки печи укорачивают электроды на 600-800 мм с последующим перепуском их на ту же величину перед ее отключением.

Одновременно уменьшают количество воздуха, подаваемого на обдувку и расход воды на охлаждение контактных щек.

Однако указанный способ можно применять только перед остановками на ППР, т. е. плановыми, но во время эксплуатации печей очень много внеплановых простоев. Уменьшение нагрузки позволяет уменьшить перепад температур в электроде, но не способствует коксованию его при увеличенном перепуске перед остановкой печи и снижает выпуск целевого продукта.

На практике проблема пуска печи после длительного простоя ее усугубляется тем, что при длительном простое печи возможно такое переохлаждение ванны печи, что при включении ее фазы не "схватываются", так как образовываются "козлы".

В этом случае приходится прибегать к специальным мерам, например, загрузке кокса, в случае же перемещения электрода, т. е. разрушения слоя застывшего расплава, может привести к его облому.

Для поддержания расплава в жидком состоянии, т. е. обеспечения соответствующего уровня проводимости расплава, на практике прибегают к периодическому включению печи на минимальной мощности или вообще не отключают печь и она продолжает работать на минимальной мощности 5-10 МВт (в зависимости от номинальной мощности печи).

В первом случае такое включение носит субъективный характер, так как отсутствуют критерии момента включения и отключения печи, гарантирующие нормальный пуск печи, а во втором случае непроизводительная трата электроэнергии ухудшает технико-экономические показатели работы печи.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ, изложенный в книге Гасик М. И. "Самообжигающиеся электроды рудовосстановительных электропечей". М. : Металлургия, 1976, с. 304-305.

Сущность способа заключается в том, что для успешной работы печей во время разогрева печей после длительного простоя необходимо придерживаться следующего графика набора токовой нагрузки. Для первых пяти часов разогрева печи токовая нагрузка (I_p, А) в момент времени после включения выражается формулой I_p = 0,15 I_н ˙τ (1) в последующее время I_р = (0,6 - 0,8) I_н + 0,05 I_н ( τ - 5), (2) где Iн - номинальная сила тока.

Недостатком прототипа является то, что в данном способе не находят отражение мощность, с которой работала печь перед остановом, а также количество потребленной электроэнергии между простоями. В то же время это имеет существенное значение, поскольку от них зависит тепловое состояние ванны, т. е. температура реакционной зоны и электродов.

При большой потребляемой мощности средняя температура электрода в момент остановки печи будет выше, чем при работе печи на пониженной мощности. Естественно, что в первом случае при одинаковой продолжительности простоя пусковой ток может быть выше, чем во втором. Однако это не отражено в формуле и в обоих случаях пусковой ток одинаков. Тем самым на печи с более высокой температурой ванны и электрода затягивается период разогрева, что сопровождается снижением производительности печи.

Кроме того, в прототипе действие формул ограничено диаметром электродов 1100-1200 мм, в то время как размеры электродов в настоящее время колеблятся в широких пределах (900 - 1700 мм). Это не позволяет применять предложенные формулы для печей с другими, кроме названных диаметрами, т. е. при других типоразмерах печей.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что в настоящее время в области электротермии отсутствуют надежные методы оценки теплового состояния самообжигающихся электродов и ванны руднотермических печей после их простоя, что усложняет выбор оптимального режима разогрева печи и вывода ее на рабочую мощность.

Целью изобретения является улучшение технико-экономических показателей работы руднотермической печи путем повышения надежности эксплуатации электродов и сокращения времени разогрева печи после простоев.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способ определения режима разогрева печи после простоя, включающий контроль теплового состояния ванны печей и определение тока разогрева в зависимости от длительности простоя внесены некоторые изменения и дополнения, а именно: о тепловом состояни и самообжигающегося электрода и ванны печи судят по величине ЭДС в цепи "электрод-земля", возникающую при отключении печи; контролируют тепловое состояние печи путем измерения величины ЭДС во время простоя печи; сравнивают его с линейно-допустимым значением, которое соответствует переохлаждению ванны и если оно меньше (равно) допустимого включают печь на пониженной мощности; отключают печь при достижении ЭДС среднего значения или потребления печью заданного количества электроэнергии; при пуске печи после простоя, первоначальную величину тока разогрева определяют по формуле I_р= KI (3) где I_р - ток разогрева в момент пуска печи, кА; I_н - номинальный ток печного трансформатора (электрода), кA;
U_пф, U_пmin - величина ЭДС в цепи "электрод-земля" фактическое, в момент пуска печи и минимально-допустимое соответственно, В;
K - коэффициент пропорциональности, зависящий от типоразмера печи и получаемого продукта.

После установки пускового тока дальнейшй разогрев печи осуществляют в соответствии с разработанными графиками или таблицами.

Наиболее достоверным методом оценки теплового состояния электрода, т. е. определения температурных полей в теле электрода является его зондирование с помощью термопар.

Недостатком этого метода помимо сложности его реализации является то, что контроль температуры возможен только на стартовых электродах, т. к. на печах, находящихся в эксплуатации, термопары обычно сгорают либо закорачиваются при расплавлении металлических труб, в которые их помещают для исключения наводок, в районе 1,0-1,5 м до торца электрода, т. е. выше реакционной зоны.

На практике о температуре рабочего конца электрода обычно судят по косвенным показателям (температуре под сводом печи или продолжительности простоя, т. е. очень приблизительно).

В процессе изучения характера изменения постоянной составляющей фазного напряжения на фосфорной печи замечено, что после отключения печи на регистрирующем приборе фиксируется некоторая ЭДС в пределах 100-250 мВ, постепенно убывающая по мере остывания печи, при этом "+" находится на электроде.

Таким образом было установлено, что после остановки печи продолжается химическое взаимодействие углерода электрода с фосфатно-кремнистым расплавом, в результате чего в цепи "электрод-земля" возникает ЭДС, имеющая направление от электрода к земле.

Известно (Карапетьянц М. Х. "Введение в теорию химических процессов", "Высшая школа, М. , 1975, с. 320), что ЭДС (Е), возникающая при протекании химических реакций определяется уравнением
E = - (4), где Δ Z - изменение свободной энергии (энергии Гиббса) реагирующей системы, кал. ;
n - заряд переносчиков тока иона;
F - число Фарадея.

В этом уравнении величина Δ Z зависит от температуры и концентрации реагирующих веществ
ΔZ = - R˙T˙lnK, (5) где T - температура, К;
K - константа равновесия;
R - постоянная Больцмана.

Таким образом, величина ЭДС, возникающей в процессе взаимодействия электрода с компонентами реакционной зоны, определяется уравнением Нернста.

E = · lnK (6)
Однако наличие ЭДС нельзя объяснить Нернстоновским потенциалом, т. к. существование ЭДС в цепи "электрод-земля" зарегистрировано при отключениях печи на стартовых электродах, когда практически отсутствует химическое взаимодействие: электрода и подины с компонентом ванны - коксом.

Наиболее вероятной причиной существования на отключенной печи в цепи "электрод-земля" ЭДС постоянного тока может быть эффект Зеебека, который говорит о том, что в замкнутой цепи разнородных проводников градиент температуры индуцирует термоЭДС (Кузякин Е. Б. "Термогальванические элементы с расплавленными или твердыми электролитами" в сб. АН СССР "Ионные расплавы" вып. 3 "Наукова думка" Киев, 1975 г. с. 90-96).

Стремление к выравниванию температуры между различно нагретыми однородными контактами электрод-электролит (углеродистый электрод - материал, заполняющий ванну, и углеродистая футеровка - тот же материал) делает возможным протекание процессов, которые способствуют этому выравниванию.

Вследствие этих процессов и является появление ЭДС, вызванное тепловыми эффектами из-за различия градиента температуры.

В то же время гораздо большие значения ЭДС, полученные на рабочих электродах по сравнению со стартовыми, не исключают наложение на термо-ЭДС и нернстоновского потенциала, возникновение которого может быть вызвано различной скоростью протекания химических реакций у подины и поверхности электрода вследствие различной температуры на них. Этими реакциями скорее всего могут быть реакции восстановления кремнезема углеродом электрода и подины.

Поскольку во время простоя активности веществ, реагирующих у поверхности электрода, можно считать постоянными, ЭДС химического взаимодействия будет определяться только температурой: E = E₁-E₂= (T₁lnK₁-2T₂lnK₂) , где символы 1 и 2 соответственно относятся к процессам у поверхности электрода и подины.

Для определения связи между величиной термогальванической ЭДС и температурного перепада между центром и поверхностью электрода в период простоя осуществлялось зондирование как стартовых, так и рабочих электродов по традиционной методике. В электрод вводили хромель-алюмелевые и вольфрам-рениевые термопары, позволяющие измерять температуру по высоте и сечению электрода при различных режимах работы печи: до ее остановки, в период простоя и разогрева печи, одновременно на регистрирующих приборах фиксировались значения термоЭДС.

Последующая математическая обработка позволяет установить возможность использования термо-ЭДС для оценки температуры на рабочей поверхности электрода и перепад температур в нем (фиг. 1), что позволяет оценить температуру в приэлектродной зоне; определить ту минимальную термо-ЭДС, ниже которой ухудшается разогрев печи из-за переохлаждения ванны; определить ту начальную плотность тока (ток разогрева), с которой можно начинать разогрев печи без опасения возникновения термических напряжений в электроде, т. е. обломов, сколов или обрывов его.

Статическая обработка данных, полученных на рабочих электродах, показала одинаковый характер зависимостей T = f ( τ ) и E = f ( τ ) (фиг. 2), которые описываются уравнением вида
T = A₁·e^-B1τ (7 ) и E = A₂·e^-B2τ (8), где τ - время от начала простоя, мин;
A₁, A₂, B₁ и B₂ - эмпирические коэффициенты, имеющие физический смысл.

Коэффициенты A₁ и A₂ по крайней мере в пределах от 5 до 65 МВт зависят от потребляемой мощности печи в момент отключения (фиг. 2).

Коэффициенты B₁ и B₂ пропорциональны количеству отданного печью (реакционной зоной) тепла за некоторый промежуток времени от τ₀ (момент отключения печи) до момента τ₁ (установившегося значения - точки перегиба), т. е. практически зависят от количества тепла, накопленного объемом реакционной зоны между отключениями (простоями) печи.

Математическая обработка результатов измерения E и T для фосфорной печи позволяет получить выражение, по которому можно определить температуру на поверхности электрода в любой момент простоя, а именно
T = (9) где a₁ и b₁ - эмпирические коэффициенты, определяемые для каждой конкретной печи посредством статической обработки замеров E и T.

Для печи РКЗ-80ФИ1 : a₁ = 0,02 b₁ = 0,00063
Достоверность этой зависимости подтверждается высоким коэффициентом корреляции, равным 0,72 при минимальной корреляции, обеспечивающей достоверность полученной взаимосвязи 0,60.

Таким образом, так как температура на поверхности электрода соответствует определенному уровню проводимости ванны, то величина термо-ЭДС, поскольку величина ее связана с количеством тепла, введенного в печь, и учитывает величину рабочей мощности, значительно точнее позволяет выбрать режим разогрева печи и контролировать процесс охлаждения ее во время простоя.

Устройство для реализации предлагаемого способа приведено на фиг. 3.

Оно состоит из подгоночного сопротивления 1, включенного параллельно фазному вольтметру 2, переключателя 3, блока 4 регистрации, порогового устройства 5 и блока 6 выдачи команд на исполнительные устройства на включение печи для ее подогрева и ее отключения. Устройство включает также арифметическое устройство 7, соединенное с блоком 6 через пороговый элемент 8. (Возможно на вход КСП включение специального фильтра, тогда регистрация ЭДС осуществляется на работающей печи).

Работает схема следующим образом.

После отключения печи с помощью переключателя 3 сопротивление 1 подключается параллельно фазному вольтметру.

ЭДС регистрируется самопишущим прибором 4, в качестве которого используется КСП. Самопишущий прибор 4 снабжен пороговым элементом 5, т. е. при достижении значения порога срабатывания (минимально допустимого значения) блок 5 выдает в командный блок 6 сигнал на включение печи и одновременное отключение измерительной схемы (на переключатель 3), если не спецфильтра.

С момента включения печи в блок 7 (сумматор) поступает сигнал о количестве потребленной печью электроэнергии (со счетчика активной электроэнергии - сигнал W_а), который на фиг. 3 не показан.

При достижении потребления заданного количества электроэнергии или заданного значения ЭДС блок 6 выдает команду на отключение печи через второй пороговый элемент 8, преобразующий количество электроэнергии в соответствующий сигнал.

Исходя из величины подгоночного сопротивления и шкалы регистрирующего прибора для каждой конкретной печи определяется то минимальное значение ЭДС, ниже которого включение печи затруднено и может вызвать облом электродов при выходе печи на рабочую мощность.

Обычно для известных руднотермических печей мощностью 7,5 - 80 МВт эта величина колеблется в пределах 7,5 - 15 м, но определяется, как было описано, для каждой печи. Кроме того, при полном остывании печи, т. е. величина ЭДС близка к нулю, возникает опасность, что печь вообще не включается, т. е. фазы не "схватятся", поэтому в блоке 6 происходит сравнение фактического значения термо-ЭДС с минимально-допустимым и если фактическая величина меньше, блок 6 включает печь.

Периодическое включение - отключение печи на минимальной мощности без подачи шихты позволяет поддерживать тепловое состояние ванны печи и обеспечить быстрый выход на рабочую мощность.

Величина заданного значения потребления электроэнергии печью во время периодического включения зависит от типа печи, но целесообразно выбрать такой, чтобы термо-ЭДС достигла середины допустимого диапазона. Для каждой печи его можно определить и задать (блок 7).

Максимальная величина ЭДС, т. е. температура в приэлектродной зоне зависит от мощности, с которой работала печь непосредственно перед отключением. Темп уменьшения ЭДС или скорость остывания электрода зависят от средней мощности с которой печь работала в период между двумя отключениями. На фиг. 4 показаны зависимости ЭДС от продолжительности простоя.

Рассмотрим более подробно осуществление предлагаемого способа на различных печах производства фосфора.

П р и м е р 1. Печь ОКБ-767 для получения фосфора мощностью 7,5 МВА аварийно остановлена из-за отсутствия шихты. После отключения печи постоянно в блоке 4 (КСП) регистрируется изменение ЭДС, (переключатель 3 поставлен в рабочее положение), которая в первоначальный момент составила 140 мВ. На основании статической обработки данных при остановке и разогреве печи было определено минимально допустимое значение ЭДС, которое равно 20 мВ. Через 4 ч шихта вновь стала поступать, к этому времени величина ЭДС составила 28,0 мВ (4_пф).

Печь включили на 20 ступени печного трансформатора (И_л = 160 В) при плотности тока в электроде 0,5 А/см², что соответствует току электрода - 3,2 кА (диаметр электрода 900 мм). Величина тока определялась по формуле 3:
_{= = 3,150 кA} где K - 0,1 (для печи ОКБ-767); I_н = 22,5 кА-номинальный ток трансформатора печи ОКБ-767;
U_пф - фактическое значение ЭДС в цепи "электрод-земля" перед включением печи.

Дальнейший подъем мощности производился в соответствии с существующим графиком разогрева печи ОКБ-767, начиная с плотности тока 0,5 А/см² через 1,1/3 ч путем переключения ступеней напряжения печь вошла в рабочий режим с плотностью тока 3,0 А/см². Электроды работали нормально. При разогреве печи по графику потребовалось бы 2-2,5 ч.

П р и м е р 2. Электропечь РКЗ-48ФМ2 для получения фосфора была аварийно остановлена из-за выхода из строя системы гранулирования шлака.

Средняя рабочая мощность перед отключением составляла 31,4 МВт, а ЭДС, измеренная путем установки переключателя 3 в рабочее положение и зафиксированная самописцем КСП-4 (блок 4), составила 165 мВ. Для этой печи ранее было определено минимально-допустимое значение ЭДС, которое позволяет нормально включать печь после простоя, равное 12-14 мВ.

Через 3 ч, когда ЭДС достигла 14 мВ, сработал первый пороговый элемент 5 и выдал команду на включение печи для подогрева (в блок 6) и на переключатель 3 на включение измерительной схемы, электрофильтр не был подключен, а роль блока сравнения выполнил задатчик КСП.

В сумматор (блок 7) после включения печи на 10 ступени трансформатора (U_ф = 337 В; I_э = 40 кА) со счетчика активной электроэнергии поступают сигналы о количестве потребленной энергии. Через 0,5 ч увеличила потребляемую мощность до 20 МВт ˙ч.

При достижении потребленной электроэнергии значения 30 МВт ˙ ч срабатывал второй пороговый элемент 8 и выдал сигнал в блок на отключение печи. Величина ЭДС после отключения составила 130 мВ.

Через 12 ч после отключения печи вновь сработал первый пороговый элемент 5, т. к. падение напряжения уменьшилось до 14 мВ.

Контроль за подогревом осуществлялся аналогично вышеописанному. Через 1 ч после выработки заданного количества электроэнергии (30 МВт) печь снова отключили. Падение напряжения на сопротивлении R составляет 125 мВ.

Через 48 ч после остановки печи на ремонт поступила команда "Включение печи на разогрев".

Значение ЭДС в цепи "электрод-земля" составило 19 мВ.

Пусковой ток электрода определяли по формуле 3:
I_р= K·I = 0,15·72,8 · = 15 кA Этот ток соответствует плотности тока на электроде 1,0 А/см² (диаметр электрода 1400 мм). Дальнейший подъем мощности производится в соответствии с существующим графиком разогрева печи РКЗ-48ФМ2 ("Технологическая инструкция по эксплуатации самообжигающихся электродов фосфорных печей" КазНИИГипрофосфор г. Чимкент, 1978 г. ) и через 10 ч была достигнута заданная плотность тока в электроде 3,6 А/см². Электроды работали нормально.

В соответствии с графиком время разогрева должно было бы составить 17-18 ч.

Преимуществом предлагаемого способа является возможность уменьшения времени разогрева печи примерно на 30-40% без снижения надежности работы самообжигающегося электрода, что позволяет увеличить выпуск фосфора.

Достижение цели изобретения возможно только за счет контроля теплового состояния ванны печи во время простоя и поддержания его путем включения печи при минимальной потребляемой мощности на уровне, обеспечивающем оптимальный режим разогрева. (56) Гасик М. И. Самообжигающиеся рудовосстановительные электропечи. М. : Металлургия, 1976.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАЗОГРЕВА РУДНОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ ПОСЛЕ ПРОСТОЯ, включающий контроль теплового состояния ванны печи, определение первоначального тока разогрева и дальнейшее изменение электрических параметров по заданной программе, отличающийся тем, что измеряют величину термоЭДС в цепи электрод - земля в момент отключения печи, контролируют изменение термоЭДС в период простоя и по характеру изменения термоЭДС определяют тепловое состояние ванны и электрода, сравнивают фактическое значение термоЭДС с минимально допустимым для конкретной печи, а ток электрода при включении печи определяют по математическому выражению
I_р= K·I_н· /
где I_р - первоначальный ток электрода (разогрева), кА;
E_ф, E_min - фактическое и минимально допустимое значение термоЭДС в цепи электрод - земля, мВ;
K - коэффициент, зависящий от типоразмера печи и получаемого продукта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по достижении фактического значения термоЭДС минимально допустимого значения для этой печи включают печь, а после потребления ею заданного количества электроэнергии выключают.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что величину минимально допустимой термоЭДС определяют предварительно для конкретной печи из экспериментальной зависимости
E= A₂˙e^B2^{tau} ,}
где τ - время простоя, мин;
A₂, B₂ - эмпирические коэффициенты, определяемые статистическим методом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4