Способ управления процессом получения фосфора в электротермической печи

 

Использование: область электротермии. Сущность изобретения: поддерживают электротехнологический режим работы печи корректировкой дозирования восстановителя с учетом связи содержания P₂O₅ в шлаке с электрическими параметрами, анализом ошибок дозирования других компонентов - фосфорита и кварцита, устранением влияния переходного процесса по каналу шихта - шлак. 1 табл., 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротермии, в частности к способам управления процессом получения фосфора в электропечи.

Известны способы управления режимом работы фосфорной электропечи, в основе которых лежат различные способы регулирования электрического режима.

Основными факторам, возмущающими электрический режим, являются непостоянство сопротивления подэлектродного пространства, определяемое различными условиями схода шихты и ее составом, а также колебания питающего напряжения.

Компенсация этих возмущений осуществляется путем перемещения электродов или переключения ступеней напряжения печного трансформатора (Система автоматического управления электрическим режимом рудно-термических электропечей. М. НИИТЭХИМ, 1978).

Общим недостатком известных способов управления электрическим режимом является невысокая точность управления из-за наличия статизма, так как одному и тому же значению регулируемого параметра может соответствовать различное положение управляющего элемента электрода. Это приводит к отклонению технологического режима от оптимального.

Кроме того, при таком управлении не учитывается влияние технологических факторов (состав шихты, гранулометрия восстановителя, положения электрода, углеродистый режим ванны и т.д.) на процесс получения фосфора.

В электротермических процессах обычно используют многокомпонентные шихты, содержащие различные примеси. Поэтому помимо целевой реакции неизбежны побочные, соответствующие целевому процессу.

Так, при производстве фосфора целевая реакция Ca₃P₂O₈+5C+nSiO₂ _→ 3CoO+nSiO₂+P₂+500 (1) неизбежно сопровождается восстановлением O₂. В итоге получается побочный продукт электровозгонки фосфора феррофосфор, обогащенный кремнием, который находит применение в черной металлургии в качестве компонента при получении различных сплавов.

Известен способ получения желтого фосфора, включающий дозировку компонентов исходной шихты (фосфорита, кварцита, кокса), загружаемой в печь, и контроль за содержанием P₂O₅ в шлаке. При этом выбор соотношения фосфато-кремнистого сырья и углеродистого материала (восстановителя) производится только по таким восстанавливаемым окислам, как P₂O₅, Fe₂O₅, N₂O, CO₂, а на остальные неучтенные реакции берется добавка, составляющая от 1 до 5 от расчетного стехиометрического количества углеродистого материала. Корректировка шихты осуществляется с учетом содержания P₂O₅ в шлаке ("Технология фосфора", под ред. Ершова В.А. и Белова В.Н. Л. Химия, 1979, с. 144-146).

Точность дозировки и корректировки шихты по этому способу низкая, поэтому содержание P₂O₅ в шлаке колеблется в пределах от 0,4 до 5% Вследствие этого в ванне печи либо не хватает восстановителя, либо накапливается избыточный углерод, который затрудняет выпуск шлака, замедляет сход шихты, усложняет эксплуатацию печи, т.к. требуется дополнительная промывка ванны из-за ее переуглероживания, в результате чего значительны потери фосфора со шлаком, и, как следствие, снижается выпуск фосфора. Кроме того, отсутствует учет взаимосвязи между мощностью печи и содержанием P₂O₅ в шлаке, что не позволяет поддерживать содержание P₂O₅ в шлаке в зависимости от рабочей мощности печи.

Отсутствие взаимосвязи между остаточным содержанием P₂O₅ в шлаке и электрическими параметрами процесса плавки снижает качество регулирования и снижает технико-экономические показатели печи из-за повышенного расхода электроэнергии.

Известен способ управления процессом получения фосфора (авт. свид. N 922066, БИ N 15, 1982), включающий контроль дозировки и загрузки исходной шихты, регулирование электрического режима работы электропечи путем перемещения электродов и/или переключения ступеней напряжения, измерение расхода электроэнергии и температуры под крышкой печи, контроль содержания P₂O₅ в шлаке и уровня фосфора-сырца в ваннах конденсации, определение фактически выработанного фосфора за определенный промежуток времени, сравнение полученных фактических параметров с заданными, и в случае отклонения изменяют электрический режим и корректируют состав исходной шихты до восстановления оптимальных параметров.

Целью изобретения по авт. свид. N 922066 является повышение выхода готового продукта и экономия электроэнергии.

Поставленная цель достигается за счет того, что производительность электропечной установки по фосфору определяется не по косвенным параметрам, а прямым путем: по количеству фосфора, образовавшегося в ваннах конденсации. Это позволяет оперативно определять фактический удельный расход электроэнергии и контролировать работу электрофильтров, т.е. процесс шламообразования. Выход фосфора увеличивается за счет снижения потерь фосфора со шламом, а экономия электроэнергии за счет поддержания оптимального удельного расхода электроэнергии.

Корректировка шихты производится известным способом по отклонению величины P₂O₅ в шлаке по сравнению с регламентным значением, которое равно 1,5-2,0% Такая корректировка не точна и не исключает нарушения углеродистого режима работы электропечи.

Положение электрода, т.е. расстояние электрод под не контролируется, а изменяют его только в зависимости от отклонения удельного расхода электроэнергии от оптимального. Однако положение электрода зависит от многих факторов: от электрического и углеродистого режима ванны, состояния электродов, количества расплава в ванне и т.д.

Кроме того, к недостаткам можно отнести и то, что не учитывается зонная структура ванны печи, в соответствии с которой торец электрода должен находиться в углеродистой зоне.

Известен способ управления режимом работы электропечи для производства фосфора по авт. св. N 769268, БИ N 37,1980. В соответствии с этим способом дозировку исходной шихты осуществляют аналогично описанному, но с учетом гранулометрического состава восстановителя, причем средний размер кусков углеродистого материала определяется по эмпирической формуле: где r средний размер кусков углеродистого материала, см; C_к концентрация пятиокиси фосфора в шлаке, d диаметр электрода, см; P_a активная мощность электропечи, МВт.

Поддержание электрического режима и контроль за электрическими параметрами (ток электрода, напряжение и активное сопротивление фазы и т.д.) осуществляются посредством перемещения электродов и/или переключения ступеней напряжения печного трансформатора, причем перемещение электрода ограничено так, чтобы отношение высоты подэлектродного пространства к диаметру электрода поддерживалось в пределах 0,65-0,90. Корректировку шихты, загружаемой по величине содержания P₂O₅ в шлаке, осуществляют путем изменения удельного электрического сопротивления материала, т. е. количества и гранулометрии восстановителя.

Суть известного способа управления заключается в регулировании электрического режима в сочетании с технологическими параметрами с учетом зонной структуры ванны печи.

За счет контроля углеродистого режима потери фосфора со шламом уменьшаются, однако точность корректировки шихты недостаточна.

Общим недостатком для всех известных способов получения фосфора является то, что дозирование шихтовых материалов, в частности задание весового соотношения восстановителя и фосфорита в шихте, производится вне зависимости от мощности печей. Мощность печей довольно часто и на длительное время изменяется от максимальной до минимальной для данного агрегата, исходя из состояния всей технологической линии, количества работающих электрофильтров, состояния систем конденсации, ограничений в подаче электроэнергии, шихты и т. д. Исследования авторов, проведенные на действующих печах, позволили установить, что, если при максимальной (паспортной) мощности печи для нормального ведения технологического процесса остаточное содержание P₂O₅ (P₂O_5ост) в шлаках нужно поддержать более 1 P₂O₅ (1-2% по регламенту), то при снижении мощности печей нормальный технологический режим можно сохранить при 0,3-1,0 P₂O₅. Следовательно, если на печи снижается мощность против максимальной, то сохранение остаточных содержаний P₂O₅ в шлаке более 1% ведет к ненужным потерям фосфора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предполагаемому изобретению является способ управления процессом получения фосфора в электротермической печи по авт. св.N 1288155, опубликованному 07.02.87, БИ N 5.

Сущность способа заключается в следующем.

В процессе работы электропечи производят анализ и дозировку шихты, поддерживают заданный электрический режим изменением положения электродов и переключением ступеней напряжения печного трансформатора.

Периодически производят корректировку количества восстановителя в шихте по формуле Y=Y_o+4,22·10^-3Ш(C_ф-C₃)+(α_пр-α_ф)Q_Fe (3) где Y_o количество восстановителя, определенное в предыдущий период;
Ш количество шлака;
С_ф содержание P₂O₅ в шлаке;
С_з оптимальное содержание P₂O₅ в шлаке, определенное по формуле C₃ = к·P^п_a где P_a фактическая усредненная мощность печи; к и п коэффициенты, зависящие от типоразмера печи;
α_пр, α_ф коэффициенты, соответствующие прогнозируемому и фактическому содержанию кремния в феррофосфоре;
Q_Fe содержание железа в исходной шихте.

Все параметры, входящие в формулу, являются усредненными за заданный промежуток времени.

Одним из ограничивающих факторов при реализации способа является предельно допустимое значение тока электрода, которое определяется по формуле

где п₁ коэффициент, зависящий от номинальной мощности печи МВа;
I_эр- рабочий ток электрода, КА.

Это изобретение учитывает взаимосвязь электрических (тока, мощности) с технологическими параметрами (содержанием P₂O₅ в шлаке и P₄ в феррофосфоре), что позволяет повысить извлечение фосфора, но не учитывает всей сложности объекта, каким является руднотермическая печь, поэтому не обеспечивает оптимального качества регулирования.

Кроме того, графические зависимости содержания фосфора в феррофосфоре от содержания в нем кремния не обладают достаточной достоверностью, т.к. точно определить количество железа в исходной шихте невозможно, т.к. оно содержится в каждом компоненте.

В развитом подходе к синтезу алгоритма управления должны учитываться следующие особенности печи как управляемого объекта по технологическим параметрам: нестабильность химического состава шихты и неточность хим. анализов; транспортное запаздывание печи как емкостного звена.

С учетом перечисленных выше особенностей печи как управляемого объекта по технологическим параметрам ее модель может быть представлена в виде

где Т постоянная времени, характеризующая экспоненциальное запаздывание процесса возгонки;
A₀, A₁, B постоянные коэффициенты, принятые по данным материального баланса и отражающие влияние параметров X, Y, u на переходный процесс;
τ постоянная времени, характеризующая транспортное запаздывание по каналу шихта шлак;
x(t) P₂O₅ шл (t) содержание P₂O₅ в шлаке регулируемый параметр;
u Q_c/Q_ф управляющее воздействие;
y(t-t) содержание P₂O₅ в шихте возмущение.

Необходимость учета в алгоритме управления данных по составу шихты определяется следующими соображениями.

Экспериментально установлено, что в ванне фосфорной печи образуется нерасходуемый коксовый слой, находящийся в непосредственном контакте с жидкой фазой. От его высоты зависит полнота восстановления фосфора. При прочих равных условиях каждому значению высоты слоя соответствует определенное содержание P₂O₅ в шлаке. Высота слоя остается постоянной до тех пор, пока в подэлектродном пространстве существует баланс между приходом кокса из шихты и его расходом на основные и побочные процессы.

Нарушение баланса приводит к переходному режиму, в котором происходит саморегулирование высоты коксового слоя.

Изменение содержания P₂O₅ в фосфорите на 1 либо изменение расхода фосфорита или кокса на 4,5% приводит к изменению высоты коксового слоя примерно на 0,3 м в сутки, что соизмеримо с допустимой зоной перемещения электрододержателя (0,6 0,8 м).

Ошибки в составлении шихты могут вывести печь из режима в течение одних-двух суток.

Технической задачей предполагаемого изобретения является более качественное управление процессом возгонки фосфора за счет более точного ведения углеродистого режима, учитывающего взаимосвязь регулируемого параметра содержания P₂O₅ в шлаке с электрическими параметрами и особенностями фосфорной печи как ярко выраженного емкостно-инерционного объекта регулирования.

Технический результат достигается за счет того, что по способу управления получением фосфора в электротермической печи, включающему анализ и дозировку компонентов шихты, регулирование электрического режима путем поддержания заданных значений тока электрода и рабочей мощности печи, перемещением электрода и переключением ступеней напряжения печного трансформатора, определение P₂O₅ в шлаке, усреднение указанных параметров за заданный промежуток времени, сравнение полученных величин с заданными и корректировку количества восстановителя в шихте, заданное количество значения тока электрода определяют с учетом рабочей мощности печи и содержания P₂O₅ в шлаке, усреднение P₂O₅ в шлаке осуществляют с учетом времени запаздывания по каналу шихта шлак, контролируют положение электрода в углеродистой зоне, а количество восстановителя в шихте корректируют по формуле
v_к=ϕ_кз+Δϕ_к+Δϕ_сут (6)
где ϕ_кз первоначально заданное количество кокса в шихте;
Δϕ_к корректировочное значение кокса по отклонению P₂O₅ в шлаке;
Δϕ_сут. суточная величина изменения дозировки кокса по результатам анализа сырья.

Исследования динамической характеристики фосфорной печи, в частности переходного режима в углеродистой зоне при ступенчатом изменении дозировки восстановителя и постоянства весового состава остальных компонентов шихты, показали, что содержание P₂O₅ в шлаке изменяется по экспоненциальному закону.

Был определен коэффициент усиления (К_у) воздействия входного параметра на выходной параметр методами математической статистики и К_у=18,7, и получены динамические характеристики процесса исходя из регламентного содержания P₂O₅=1,5-1,7%
Для управления процессом с обратной связью, где в качестве параметра обратной связи используется содержание P₂O₅ в шлаке, необходимо знать инерционность печного агрегата, т.е. время прохождения шихты от весовых дозаторов до углеродистой зоны, где идет процесс восстановления фосфора. Время транспортного запаздывания определялось по результатам активных экспериментов и сопоставлялось с математическим описанием процесса транспортного запаздывания:

где P_cτ средняя активная мощность за время транспортного запаздывания, т/м³;
q удельный расход шихты, т/т;
W_у удельный расход электроэнергии, мВтч/т;
V_б объем бункеров, м³;
V_t объем течек, м³;
a угол естественного откоса шихты;
n число труботечек;
d_к диаметр конуса шихты, м;
d_т диаметр течки, м;
H высота ванны печи, м;
H_р.з. высота углеродистой зоны, м;
H_т заглубление течки под сводом печи, м;
H_шл высота уровня шлака от пода, м;
D_в диаметр ванны печи, м;
n₁ число электродов;
d_э диаметр электродов, м.

Для каждого конкретного типоразмера печи и вида сырья (кусок, агломерат) после проведения ряда преобразований и подстановки значений геометрических размеров выражение времени транспортного запаздывания примет вид

где ΣW_п суммарное количество электроэнергии, потребленное печью за равные промежутки времени от предыдущего изменения дозировки шихты, МВтч;
ΣQ_ш суммарный расход шихты за те же промежутки времени от предыдущего изменения дозировки шихты, т;
A эмпирический коэффициент, определенный для конкретной фосфорной печи, причем для печей РКЗ-72Ф и РКЗ-80Ф A 520 70 Н_р.з., а для печей ФКЗ-48Ф A 340 50 H_р.з..

Как показали исследования замеры при остановках печей колебания высоты углеродистой зоны (H_р.з.) составляют 0,5-1,5 м (среднее 1 м), что соответствует колебанию P₂O₅ в шлаке в пределах 0,5-1,7.

Величина рассогласования P₂O₅ в шлаке соответствует диапазону значений К₁ 0,92 1,8.

Время транспортного запаздывания, как правило, выражается количеством электроэнергии, т.е. P_cττ_з
С другой стороны, требуется обеспечить достаточную точность регулирования дозировки во времени, т.е. знать момент, когда шихта от предыдущего изменения дозировки восстановителя дошла до углеродистой зоны, а изменение содержания P₂O₅ в шлаке связано именно с этим воздействием, а не является результатом изменения состояния ванны.

Расход шихты в основном зависит от количества вводимой в печь электроэнергии, что подтверждается высоким коэффициентом парной корреляции (0,89), полученным по суточным показателям и характеризующим достоверность указанных связей. Эта зависимость описывается уравнением
Q_ш 1,208 W_п 229,5, (9)
где
Q_ш расход шихты, т/ч;
W_п расход электроэнергии, кВтч.

При мощности печи типа РКЗ-80Ф, равной 72 МВт, расход шихты (при использовании агломерата) составляет 72 т/ч, линейная средняя скорость схода шихты v в ванну печи из одного бункера равна (мм):

где n число бункеров;
γ насыпная плотность шихты (1 т/м³), состоящей из агломерата, кварцита и кокса с массовым соотношением 86:6:8;
S площадь бункера (3,3 x 1,5 4,95 м²).

При такой скорости и расстоянии от верхнего до нижнего уровня H, равном 4000 мм, время схода шихты t (ч) из наиболее быстро опорожняемых бункеров при отсутствии подачи шихты определяется

где α отношение скорости схода шихты по центральной течке к линейной средней скорости равно 1,65.

Следовательно, экспоненциальное запаздывание по каналу шихта шлак составит для печи РКЗ-72Ф и РКЗ-80Ф 150 МВтч, а для печи РКЗ-48ФМ соответственно 100 МВтч.

На основании исследований, которые проводились на промышленных печах во время испытаний, и анализа данных по эксплуатации их при оптимальном диапазоне значений активного сопротивления фаз ванны печи R_аф=3,0-3,5 МОм была установлена зависимость тока электрода от рабочей мощности печи и содержания P₂O₅ в шлаке, которая имеет вид
I_э а С_к + b P_а, (11)
где P_а текущее значение активной мощности печи, МВт;
С_к текущее значение содержания P₂O₅ в шлаке,
I_э средний рабочий ток электрода, кА.

Учитывая зонную структуру ванны печи при регулировании углеродистого режима необходимо, чтобы электрод находился в ней. С этой целью рекомендуют поддерживать расстояние электрод под в диапазоне H_эп=0,65-0,90d_э (диаметр электрода), но т.к. высота рабочей (углеродистой) зоны изменяется в широких пределах (0,5-1,5м), поэтому в предлагаемом способе управления контролируют положение электрода в этой зоне путем сравнения фактического расстояния электрод под (H_эп) с заданным, которое определяется из следующих предпосылок.

На основании эксплуатации фосфорных печей известно, что высота шлаковой зоны (H_шл) находится в диапазоне 40-60 см (среднее 0,5м). Заданное значение H_эп=H_р.з. + 0,5 (м).

Существенными отличиями предлагаемого способа управления от прототипа являются
определение транспортного и экспоненциального запаздывания фосфорной печи по каналу шихта шлак;
усреднение содержания P₂O₅ в шлаке с учетом полученного результата;
определение рабочего тока электрода по эмпирической формуле, учитывающей зависимость его от рабочей мощности и содержания P₂O₅ в шлаке;
корректировка количества восстановителя в шихте по отклонению среднего содержания P₂O₅ от заданного с учетом ошибки дозировки фосфорита из-за колебания в нем содержания P₂O₅.

Из анализа известного уровня техники не установлена аналогичная совокупность признаков для управления процессом получения фосфора, в частности и для управления углеродистым режимом печи, поэтому можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям патентоспособности "новизна" и "изобретательский уровень".

О соответствии критерию "применимость" можно судить по примеру реализации предлагаемого способа управления на фосфорной печи РКЗ-48Ф или РКЗ-80Ф, т. к. они наиболее широко применяются в фосфорной промышленности и работают на куске и агломерате. Максимальная рабочая мощность их соответственно равна 45 и 65 МВт. Геометрические размеры фосфорной печи РКЗ-72Ф или РКЗ-80Ф следующие: диаметр электрода d_э 170 см; диаметр распада электродов D_р 480 см; диаметр ванны D_в 1020 см; высота ванны H_в 565 см. Конструкционный параметр Z 73 см. Геометрические параметры фосфорной печи РКЗ-48ФМ соответственно следующие: d_э 140 см, D_р 400 см, D_в 850 см, H_в 420-475 см.

На чертеже представлена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа управления.

Устройство (электрическая часть показана для одной фазы, для других двух она аналогична) содержит ванну фосфорной печи 1, течки 2 (показана одна, фактически их девять, причем в центральной течке соединены три), электрод 3, трансформаторы тока 4, являющиеся датчиками тока электрода, переключатель 5 ступеней напряжения печного трансформатора 6, регулятор 7 электрического режима, блок 8 перемещения электрода, блок 9 (счетчик активной энергии), пробоотборник 10 шлака, измеритель 11 содержания P₂O₅ в шлаке, блок 14 сравнения среднего и заданного значений P₂O₅в шлаке, блок 15 корректировки количества кокса, дозаторы 16 компонентов шихты, блок 17 определения рабочей мощности печи, вычислительное устройство 18 для определения высоты рабочей (углеродистой) зоны, блок 19 определения расстояния электрод под, блок 20 сравнения фактического и заданного расстояния электрод под, блок 21 задания расстояния электрод под. Регулятор 7 электрического режима известная система управления САУ "Фоскар", применяемая на всех фосфорных печах. В качестве измерителя 11 содержания P₂O₅ в шлаке можно применить квантометр или блоки определения этого параметра по вязкости и электропроводности, применяемые в прототипе.

Высота рабочей зоны (H_р.з.), длина электрода (d_э) и расстояние электрод под (H_эп) определяются в соответствии с "Методическими рекомендациями по определению электротехнологических параметров фосфорных печей". Составители: Арлиевский М. П. Валькова З.А. Жилов Г.М. и др. Л. ЛенНИИГипрохим, 1986 г. или в соответствии с описанием к патенту РФ N 2007055, зарегистрированному 30.01.94, оп. БИ N 2, 1994 г. Некоторые блоки могут быть реализованы с помощью ЭВМ. Программы для ЭВМ используются на некоторых заводах.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Шихта, состоящая из фосфорита, кварцита и кокса в указанных соотношениях, приготавливается в дозаторном отделении (для печей РКЗ-80Ф шихта состоит из агломерата, кварцита и кокса, но соотношение компонентов шихты в пересчете на фосфорит практически одинаково). При переработке кускового фосфорита соотношение компонентов: 80-85% фосфорита, 4-6% кварцита и 10-14% кокса; насыпная плотность шихты 1,4-1,5 т/м³; время транспортного запаздывания, выраженное количеством электроэнергии (P_cτ·τ_з) на основе эксперимента принято 650 МВтч, а при переработке агломерата шихта имеет насыпную плотность 0,9-1,0 т/м³, а P_cτ·τ_з=350 МВТч.
Первоначальная дозировка исходной шихты производилась по известному методу, описанному в книге "Технология фосфора" под ред. Ершова В.А. и Белова В.Н. Л. Химия, 1979 г. с.144-146.

Химический состав компонентов шихты (средняя проба) приведен в таблице.

Общий расход углерода на 100 кг фосфорита с некоторым избытком от стехиометрии составил 12,55 кг или в пересчете на кокс 12,55/0,863=14,54 кг. Содержание кремния в кварците 94% т.е. 5/0,94=5,3 кг кварцита. Таким образом, на 100 кг фосфорита приходится 14,54 кг кокса и 5,3 кг кварцита; насыпная плотность шихты 1,5 т/м³.

На весовых дозаторах 16 устанавливаются заданные соотношения, затем на сборочном конвейере компоненты смешиваются, и шихта через печные бункера загружается в ванну печи 1 через течки 2.

Первоначальный электрический режим электровозгонки задают в соответствии с "Методическими рекомендациями", упомянутыми выше.

Пусть выбраны следующие параметры: рабочая мощность P_а 47,5 МВт, потребляемая мощность (сетевая) S 51 МВА, cos ϕ 0,915, среднеквадратичный ток по трем электродам I_э 66,1 кА, тогда линейное напряжение U_л 453 В, т.е. 34-я ступень напряжения. Активное сопротивление отдельных фаз составило 3,4-3,6 мОм.

Сигналы, пропорциональные указанным параметрам, через датчики тока (4) и напряжения (5) поступают в регулятор 7, который поддерживает заданный электрический режим за счет перемещения электродов (блок 8) и/или переключения ступеней (блок 5) соответственно сигналами F₁ и F₂. После потребления определенного количества электроэнергии, которая фиксируется счетчиком энергии (блок 9), осуществляют выпуск шлака (возможен его непрерывный выпуск). Раз в сутки выпускается феррофосфор (при потреблении электроэнергии 1000-1100 МВтч). При выпуске шлака раз в час (или реже) отбирается его проба пробоотборником 10, а квантометром 11 или другим экспресс-методом в ней определяют содержание P₂O₅ в шлаке. Полученные значения содержания P₂O₅ в шлаке за смену (6 часов): 1,54; 1,9; 1,78 на интеграторе не усредняются, т.к. на втором входе блока 12 есть сигнал f₁ запрета на усреднение, поскольку потребленная печью электроэнергия меньше величины транспортного запаздывания, и печь работает в переходном режиме.

В блоке 14 происходит сравнение фактического содержания P₂O₅ в шлаке с заданным, которое определяется в блоке 13 по формуле прототипа, т.е.

C_кз=кP^п_a, (12)
где к 0,3 для печей РКЗ-72Ф и РКЗ-80Ф; к 0,07 для печей РКЗ-48Ф; соответственно п 0,69 для РКЗ-48Ф и 0,39 для РКЗ-72Ф.

В нашем примере заданные значения С_кз 0,3·4,57^0,39 1,1.

Если на выходе блока сравнения 14 имеется сигнал отклонения (ΔC_к), изменения дозировки кокса не осуществляется, т.к. на втором входе блока 15 имеется сигнал запрета f₂, аналогичный f₁ по той же причине - переходный режим не закончился.

Одновременно в блоке 18 определяется высота рабочей зоны (H_рз) по одной из формул, указанных "Методических рекомендаций", например по уточненной формуле

где A_п постоянная, зависящая от отношения усредненной рабочей мощности к максимальной для каждого вида печи: для фосфорных печей для P_ср ≅ 0,67 P_max A_п 161·10⁴, для диапазона 0,475 P_max ≅ P_ср ≅ 0,67 P_max A_п 187·10⁴, для диапазона 0,41 P_max ≅ P_ср ≅ 0,475 P_max A_п 220·10⁴;
r средневзвешенный размер куска восстановителя, 1,516 см;
P_a усредненная за период рабочая мощность печи, МВт;
С_к остаточное содержание P₂O₅ в шлаке,
D_р диаметр распада электродов, см;
п, п₁ эмпирические коэффициенты, определяемые для каждого типа руднотермических печей и от вида полученного продукта (для фосфорных печей п 0,74, п₁ 0,97).

Подставляя в расчетную формулу соответствующие значения, получаем

Значения A_п находят из условия

В блоке 19 вычисляется расстояние H_эп (электрод под) по формуле патента РФ N 2007055, а именно
H_эп≠ Brⁿ³Hⁿ⁴_рзRⁿ_a⁵·dⁿ_э⁶ (14),
где R_Q- активное сопротивление ванны печи на один электрод, nОм;
B эмпирическая постоянная, зависящая от типоразмера печи и получаемого продукта;
п₃, п₄, п₅, п₆ эмпирические коэффициенты.

Для фосфорных печей B= 2,98, п₃=0,38, п₄=0,88, п₅=1,22, п₆=1,35. Остальные параметры в нашем случае равны: r=1,516 см, R_a=3,6 мОм, тогда Н_эп 2,98 · 1,516^0,38 · 137^0,88 · 3,6^1,22 · 1,70^1,35 130 см.

Полученное значение H_эп сравнивается в блоке 20 с заданным, определенным в блоке 21 и равном H_эп=137+50=187 см.

Следовательно, электрод находится в рабочей зоне и заглублен в нее: .

Проверяем условие: т. е. в пределах оптимального значения, поэтому на выходе блока 20 нет сигнала в регулятор 7 на корректировку электрического режима.

Проверяем правильность выбора тока электрода по зависимости (11), которая для печи РКЗ-72Ф и РКЗ-80Ф имеет вид
I_э 111,4-60,4 С_к + 0,99 P 111,4-60,4 ·1,58 + 0,99·47,5 63 кА;
т.е. меньше 10% поэтому ток электрода остается без изменения.

Определяем фактическое транспортное запаздывание фосфорной печи по формуле (8), получим

, т. к. расход электроэнергии шихты для печей РКЗ-72Ф и РКЗ-80Ф прямо пропорционален.

Исходя из полученного времени транспортного запаздывания запрет на усреднение P₂O₅ в шлаке будет снят лишь после того, как печь потребит 606 МВтч электроэнергии, т. е. через 12-13 часов после включения печи, а первое значение содержания P₂O₅ в шлаке, которое будет усредняться с учетом экспоненциального запаздывания, через 3 часа, т.е. окончательно переходный процесс от входа до выхода по тракту шихта шлак закончится через 16 часов.

Пусть печь продолжает работать в этом же режиме, т.к. по электрическим параметрам отклонений нет. В момент t 22 часам после пуска печи получим следующие показатели: расход электроэнергии W_hт=310 МВтч, т.е. P_аср=51,7 МВт; замеры P₂O₅ в шлаке (пять замеров): 1,3; 1,8; 1,9; 1,78; 1,8, т.е. C_кср= 1,72% C_кзад=1,2% ΔC_к=0,52%, т.е. превышает допустимое значение 0,4, поэтому на входе блока 15 корректировки количества кокса появится сигнал C_к. Сигнал запрета f₂ снят, т.к. общее потребление электроэнергии равно 1080 МВтч.

Определим высоту рабочей зоны


(в пределах заданного диапазона).

Электрод заглублен в рабочую зону:
.

Определим величину корректировки кокса по отклонению P₂O₅ в шлаке, т.к. C_к=0,52% с учетом коэффициента усиления по каналу шахта - шлак, по формуле

где ΔC^*_к приведенное отклонение P₂O₅ в шлаке, определяемое как
;
W_hi 3W_э 150·3 450 МВтч;
W_hт текущий расход электроэнергии, равный 310 МВтч.

по углероду или по коксу;
, т. е. отклонение P₂O₅ в шлаке фактического от заданного указывает на недостаток углерода, а увеличение высоты рабочей зоны на накопление кокса в печи.

Анализ суточного содержания P₂O₅ в фосфорите показал, что среднесуточное содержание его составило 22,5 P₂O₅ и дозировка производилась на 23,9% P₂O₅, поэтому дозировка кокса (углерода) на целевую реакцию должна быть уменьшена.

Первоначальная дозировка кокса (углерода) на восстановление P₂O₅ фосфорита составила 10,7 кг по углероду. Следовательно, суточная поправка по анализу шихты составит по углероду, а по коксу 0,73 кг.

Новая дозировка кокса на 100 кг фосфорита составит
ϕ_к=ϕ_кз+Δϕ_к+Δϕ_сут=14,54+0,36-0,73=14,11 кг.

Однако учитывая тот факт, что, несмотря на фактический избыток кокса в ванне печи, содержание P₂O₅ в шлаке превышает оптимальное значение, то это указывает на необходимость изменения электрического режима. Проверяем оптимальность заданного значения тока электрода аналогично вышеприведенному:
I_э=111,4-60,4·1,7+51,7-0,99 59 кА;
I_э=I_эзад-I_э=66,1-59=7,1 кА, т.е. Δ11
Исходя из этого в качестве заданного был принят I_э=60 кА.

Для поддержания заданной мощности 50 МВт регулятор 7 переключил трансформатор с 34 ступени на 33 ступень (сигнал F₂) и U_л=474 В. В результате корректировок электрического режима и количества восстановителя средние показатели работы печи за следующую смену были C_к=1,4% H_рз=135 см, H_эп=140 см, I_эср=62 кА, P_аср=52 МВт, R_аф=3,62 мОм, cosϕ=0,926.

Таким образом, наблюдается тенденция к улучшению электротехнологических параметров печи.

Использование предлагаемого способа управления позволяют более точно корректировать углеродистый режим процесса электровозгонки, т.к. исключают на время переходного режима корректировку компонентов шихты, а усреднение основного регулируемого технологического параметра в установившемся режиме увеличивает достоверность определения P₂O₅ в шлаке.

Качеству регулировки способствует и учет колебания содержания P₂O₅ в исходной шихте, тем более, как показывает вышеприведенный пример, отклонение по количеству кокса носит противоположный характер, поэтому если бы корректировка проводилась только по отклонению P₂O₅ в шлаке, то качество управления ухудшилось бы. Изменение электрического режима в результате более точного регулирования позволило уменьшить удельный расход электроэнергии на печной процесс на 1,5% и оптимизировать соотношение между напряжением и током электрода.

Использование изобретения предполагается на АО "Куйбышевфосфор" в 1995 г.

Формула изобретения

Способ управления процессом получения фосфора в электротермической печи, включающий анализ и дозировку компонентов шихты, регулирование электрического режима плавки путем поддержания заданного тока электрода и рабочей мощности печи перемещением электродов и/или переключением ступеней напряжения печного трансформатора, определение содержания пятиокиси фосфора в шлаке, усреднение фактической активной мощности печи и содержания пятиокиси фосфора в шлаке за заданный промежуток времени и сравнение полученных результатов с заданными, а по отклонению значения пятиокиси фосфора в шлаке от заданного значения корректируют количество восстановителя в шихте, отличающийся тем, что заданное значение тока электрода определяют с учетом оптимального содержания пятиокиси фосфора в шлаке и заданной мощности печи, усреднение значений пятиокиси фосфора в шлаке осуществляют с учетом запаздывания влияния состава шихты на состав шлака, контролируют положение электрода в углеродистой зоне, а количество восстановителя в шихте корректируют по формуле
ϕ_к= ϕ_к3+ Δϕ_к+ Δϕ_сут,
где ϕ_к количество кокса, необходимого для восстановления пятиокиси фосфора в шихте на 100 кг фосфорита, кг;
ϕ_к3 первоначальная дозировка кокса в шихте на 100 кг фосфорита, кг;
Δϕ_к изменение дозировки кокса по отклонению пятиокиси фосфора в шлаке от заданного, кг;
Δϕ_сут суточная величина изменения дозировки кокса по результатам анализа сырья, кг.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2