Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энерготехнологические параметры выплавки ферросплавов в электропечах. Монография
.pdf
Следовательно,независимо отмощностипечи,размеровэлектрода и технологии выплавки ферросплавов и кремния, относительная
величина подэлектродного промежутка углеродотермического процесса, выраженная в диаметрах электрода, в основном соответствуетдиапазону0,60–0,85d
.Поэтомуданнуюотносительнуювеличину
э
расстоянияэлектрод–подина длясуществующихконструкцийферросплавныхпечей,притрадиционномраспадеэлектродовисоответствующейтехнологии выплавки,можносчитатьклассическойвеличиной.Подэлектродныйпромежутокв ферросплавной печипо сути
являетсярезультирующейэлектрического,технологическогоитепловогорежимавыплавкикрупнотоннажныхферросплавов.
Какбыло отмечено в п. 2.3(глава 2), согласновыражению(2.3),
основной причиной ухудшения энерготехнологических параметров
работы ферросплавных печей является снижение активного сопротивления ванны при укрупнении печей и увеличении мощности
трансформаторов.
Рассматривая составляющие энерготехнологического критерия
ферросплавнойпечи,всоответствиисвыражением(3.5),следуетотметить,чтоснижениеактивногосопротивленияванныухудшаетследующие величины печного агрегата: коэффициент мощности; электрический КПД и коэффициент загрузки трансформатора. Поэтому,
дляулучшенияэнерготехнологическихпараметроввыплавки ферросплавовнеобходимоувеличитьсопротивлениеванныпечи.
Всоответствиисданнымип.1.2, глава 1,применениетехнологических способов увеличенияактивногосопротивления ванны,в том
числеприиспользованииуглеродистыхвосстановителейсповышенным удельным электросопротивлением, можно получить эффект в
пределах5–17%.
Анализ различных технических решений по совершенствованию
конструкцииферросплавныхпечейпеременноготока,согласноп.1.3
(глава1),показал,чторезультатотповышенияактивногосопротивленияваннывосновномдо25%.
Для более значительного повышения активного сопротивления
ванны, в соответствии с данными ряда работ автора [108, 195–198]
был проведён анализ критерия электрического подобия ЭП печей,
выражение(3.1),глава3,котороепредставленовследующейформе:
·dэ=ЭП·ρ.Из-затрудностиразграничениявеличинЭПиρ,обыч-
R
в
ноиспользовалидлярасчётовкомплексныйпараметр(ЭП·ρ).Однако
141
улучшениепараметровпечей(приусловииdэ=const),можетпроисходить собственно засчетповышениякритерия ЭПили увеличения
удельногосопротивленияванны[196].
Повышениеудельногосопротивленияваннывозможноследующи-
митехнологическимиспособами:
–применениенаиболееэффективныхвидовуглеродистыхвосстановителейидобавоксповышеннымудельнымэлектросопротивлением(полукоксы,термообработанныйуголь,коксыизсмесиантрацита
игазовыхуглей,каменныйуголь,шунгит,отходыдеревопереработки,
углекварцитовыйкокс,карбидкремниевыематериалы,лигнин идругие)соптимальнымфракционнымсоставом;
–работаснезначительнымнедостаткомвосстановителя,допустимымдляконкретногоферросплавногопроцесса;
–получениеоптимальногохимическогосоставашлака,обеспечивающегоповышенноеудельноеэлектросопротивление;
–установлениеблагоприятногосоотношениятокаэлектродаирабочегонапряжения;
–работазакрытойпечисразряжениемподсводомидругие.
Какбыло отмечено(п. 1.2, глава1), наибольшийэффектот увеличениия активного сопротивления ванны от технологических способов, таких как применение углеродистых восстановителей с повышенным удельным электросопротивлением, не более 5–17%.
Поэтому, в качестве основного фактора увеличения сопротивления
ванны,следуетрассматриватьповышениекритерияЭП.
Учитывая,чтосопротивлениеванныпечи(врасчетенаодинэлектрод) характеризуется не только удельным электросопротивлением,
но длиной (h) и сечением токопровода (S) по следующему выражению:R
=(ρ·h)/S,томожновсоответствиистеориейподобия,вы-
в
разитьданныепараметрывотносительныхвеличинах,черездиаметр
электрода:
h=ℓ′·d
S=ℓ″·d
; (6.1)
э
·dэ, (6.2)
э
где:ℓ′–коэффициентподобиядлиныпутейтока;
ℓ″–коэффициентподобиясечениятокопровода.
Используявыражения(3.1) всистемеуравнений (6.1)и(6.2), можетбытьполученовыражение(6.3), какдругаяформа критерияЭП
142
[108,197],котораяхарактеризуетвотносительныхвеличинах:длину
(ℓ′) и сечение (ℓ″) подэлектродного пространства или реакционной
плавильнойзоныферросплавнойпечи,какпроводникастоком:
ЭП=ℓ′/ℓ″ (6.3)
ОсновноеусловиеповышениякритерияЭП,какследуетизвыражения (6.3), является увеличение относительного подэлектродного
промежутка (электрод – подина) или уменьшение сечения реакционной зоны подэлектродом. Техническиболее просто осуществить
первоеусловие–увеличениерасстоянияэлектрод–подина.
Дляподтвержденияданноготеоретическогоположениябылипроведены исследования по увеличению подэлектродного промежутка
на электролитической одноэлектродной модели ванны ферросплавной электропечи. В качестве электролита использовался раствор
хлористого натрия с концентрацией 2 г/л. При этом выполнялись
следующиеусловия:d
=1А;ρ=соnst;заглублениеэлектродавэлектролитΔh= 1dэ.
даI
э
=const;температура23ºС;силатокаэлектро-
э
Впроцессе экспериментаувеличивалиотносительный подэлектродныйпромежуток(электрод–подина)синтерваломравным0,5d
при
э,
постояннойсилетокаэлектродаинеизменнойвеличинезаглубления
электрода в электролит. Далее, при тех же условиях эксперимента,
была измерена величина удельного электросопротивления электролита,котораясоставилаρ=231Ом·см.Данное обстоятельстворешиловопросо разделениикомплекснойвеличины(ЭП·ρ)насоставляющие.ПоэтомубылиполученычисленныезначениякритерияЭП,
взависимости отвеличиныотносительногоподэлектродногопромежуткадляодноэлектроднойванны:
=ℓ′ 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,5 4,0
h/d
э
КритерийЭП 0,130 0,130 0,212 0,238 0,264 0,290 0,316
Такимобразом, практически показано,что возможноувеличение
активного сопротивления ванны, благодаря повышению критерия
ЭП,приэтомполученочисленноезначениекритерияЭПприразличнойвеличинеподэлектродногопромежутка.
Для улучшения энерготехнологических параметров выплавки и
повышениякритерияЭП,сцельюувеличениясопротивленияванны,
необходимо перейти выявленный диапазон традиционного подэлек-
143
тродногопромежутка(0,60–0,85)dэвсторонуегоувеличения.Данное положениепозволяет разработать основы технологии выплавки
вэлектропечахсновымикачественнымипризнаками,дляулучшения
энерготехнологическихпараметровуглеродотермическогопроцесса.
Обычно,привыплавкеферросплавовувеличениеподэлектродного
промежутка,свышетрадиционнойвеличины(0,60–0,85d
),припо-
э
вышениирабочегонапряжениядляпечей,собщепринятымираспадамиэлектродов,приводит:
–куменьшениюзаглубленияэлектродоввшихту;
–кповышенномуулётуведущегоэлемента;
– к снижению температуры сплава и трудности выпуска его из
печи;
–кповышениюудельногорасходаэлектроэнергии.
Такое явление происходит потому, что удаление электродов от
подины печи, сверх определённой величины, вызывает резкое возрастание ответвления токамежду электродами и приводитк неблагоприятному перераспределению электрической мощности в ванне
ферросплавнойпечи.
В связи с изложенным, была поставлена задача – на основании
опытной выплавки 45 %-ного ферросилиция, установить практическую возможность улучшения энерготехнологических параметров
печи, благодаря увеличению относительного подэлектродного промежутка,безуменьшениязаглубленияэлектродавшихту,вусловиях
ограничивающихответвлениетокамеждуэлектродами.
Для этого были проведены по три серии кампаний по выплавке 45%-ного ферросилиция с традиционным и с увеличенным подэлектроднымпромежутком.Выплавкупроводиливодноэлектродной
варианте печи с подводом тока к подине и электроду. Особенности
технологиивыплавки приведенывработах[108,197].Используемая
мощностьпечисоставляла130–290кВ·А.Диаметрграфитированных
электродов–150мм.Силатокаэлектродаоколо4,7кА.Подинаванныпечибылавыложенаизуглеродистыхблоков.Теплоизолирующая
частьфутеровкисостояла из шамотногокирпича и шамотнойкрупки,атакжерабочегослояизхромомагнезитовогокирпича.Приэтом
выплавка ферросилиция проводилась без уменьшения заглубления
электродоввшихту,таккакувеличиваласьглубинаванны.Внутренниеразмерыванныпофутеровкебылиследующие:длина иширина
–500мм; глубинаванны в первой кампании– 700 мм, а вовторой
144
кампаниивыплавки–1200мм.Фактическиваннапечиизнизкошахтнойпереходилавразрядваннысреднешахтныхпечей.
Первую кампанию выплавки ферросилиция проводили с традиционной величиной подэлектродного промежутка. Расстояние от
рабочего конца электрода до подины составляло около 90–120 мм
(0,6–0,8d
).Сходшихтыигазовыделениепоколошникубылоравно-
э
мернымврайоне электрода.Заглублениев шихтусоставлялоне менее 220–260 мм (1,5 – 1,7 d
). Сплав хорошовыходилиз печи и по
э
составусоответствовалстандартудляФС45.
Вторая кампания выплавки 45 %-ного ферросилиция была проведенасувеличеннымподэлектроднымпромежутком,прианалогичнойвеличинезаглубленияэлектродав шихту, какивпервойкампании.Выплавкупроводилиприразличной величинеподэлектродного
промежутка,начиная от традиционной величины и до наибольшего
значения– 6,0d
.Всегобыло проведенотрианалогичных кампании
э
выплавкииполученыодинаковыерезультаты.Процессвыплавкиначиналисмалогоподэлектродногопромежуткаидоводилиегодотрадиционнойвеличины.Затемвтечениепроцессавыплавки,пригорячемходепечи,постепенноповышалирабочеенапряжение.Приэтом
силутокаэлектродаподдерживалинауровне4,7кА,медленноподнимаяэлектродотподины.Мощность,вводимаявванну,возрасталаза
счетповышениярабочегонапряжения.Улучшалсякоэффициентмощностис0,905до0,975.Значительновозросласкоростьсходашихтыи
площадьгазовыделениянаколошнике.Печьработалаустойчивопри
наибольшейвеличинеподэлектродногопромежутка–900мм(6,0d
э
встационарномрежиме.Содержаниеведущегоэлементавсплавенаходилось в пределах42,3–45,6% Si, что удовлетворялотребованиям
стандарта.
Дляоценкиэффективностивыплавкиферросилиция,сразличной
величинойподэлектродногопромежутка,использоваликомплексную
величину–энерготехнологическийкритерийработыферросплавной
печи,выражение(3.5).Результатыисследованияопубликованывработе[198].Энерготехнологическиепараметры,выплавкиферросилициясразличнойвеличинойподэлектродногопромежуткаприведены
втаблице6.3.
Потехнологиивыплавкиферросилиция,с увеличеннымподэлектродным промежутком, следует отметить, что расплав, по мере его
накопленияв нижней части плавильного тигля, в меньшей степени
145
)
влияет на колебания электрических параметров, а положение электродапочтинеизменяетсяотвыпускаквыпуску.
Таблица 6.3.
П/п Энерготехнологическиепараметры
1. Подэлектродныйпромежуток,h/d
2. Используемаямощность,кВ∙А 129,8 288,3
3. Активнаямощностьпечи,кВт 117,5 281,4
4. Полезнаямощность,кВт 106,2 265,1
5. Сопротивлениеванны,мОм 4,8 12,0
6. Увеличениесопротивленияванны,% – 150
7. Удельнаямощностьнаподине,кВт/м
8. Расходшихтына1баз.т.сплава,кг:
–кварцит 1062 1065
–коксик 564 561
–железнаястружка 568 572
9. ИзвлечениеSiвсплав 0,921 0,919
10. ТепловойКПД 0,309 0,374
11. Коэффициентмощности 0,905 0,976
12. ЭлектрическийКПД 0,904 0,942
13. Удельныйрасходэлектроэнергии,кВт·ч/т 9020
14.
э
2
Кампания
I II
0,6–0,8 6,0
425 1060
0,2328
Заглублениеэлектродавшихту,впервойивовторойкампаниивыплавки, позволяет иметь над реакционным тиглемодинаковую или
большую толщину фильтрационного слоя. Поэтому улёт ведущего
элементавгазовуюфазуневозрастает,астепеньизвлечениякремния
всплавимеетблизкиезначения0,921и0,919дляпервойивторойвыплавкисоответственно.
Рост величины удельной мощности на площадь подины сильно
увеличиваетскоростьсходашихтынаколошнике.Повышениевводимойвванну мощности происходит благодаряувеличению напряжения,из-заростакритерияЭПисопротивленияванны.
Показана принципиальная возможность увеличения сопротивления
ванны,напряженияи мощностивваннепечив2,5раза(каждыйпока-
146
затель),безувеличения силытокаи диаметраэлектрода.При этомкачественно меняется картинавводадополнительной мощности в ванну
ферросплавнойпечи:незасчётувеличениясилытока,аблагодаряповышениюнапряжения,чтоэнергетическивыгодноиболееэффективно.
Следовательно, варианты выплавки 45 %-ного ферросилиция с
различнойвеличинойподэлектродногопромежутка,вопытнойкрупномасштабнойпечишахтноготипамощностью130–290кВ·А,сподводомтокакпроводящейподинеикэлектроду,показалиследующее.
Увеличение относительного подэлектродногопромежутка ферросплавной печи свыше традиционной величины (0,6–0,8 диаметров
электрода)до 6,0 диаметров электрода, приводитк качественно новому направлению в улучшении комплекса энерготехнологических
параметров, благодаряповышению в 2,5 раза сопротивленияванны
электропечи.
Соответственно улучшаются параметры выплавки: коэффициент
мощности(+ 7,9%);электрический КПД(+4,2%)итепловойКПД
печи (+ 21,0 %), при близкойстепени извлечения кремния в сплав
(0,921–0,919). При этом значительно возрастает энерготехнологический критерий работы ферросплавной печи от величины 0,2328
дозначений0,3160(+35,7%).
Увеличениезначенийподэлектродногопромежуткавферросплавнойпечисверхтрадиционнойвеличины(0,60–0,85)d
,приусловии
э
исключениявлияниясоседнихэлектродов,позволяетзначительноповыситьсопротивлениеванны,напряжениеимощностьвпечнойванне.Приэтомувеличиваетсякоэффициентмощности,электрический,
тепловой КПД и энерготехнологического критерия работы ферросплавнойпечи(п.6.1,глава6).
На основании результатов электролитического моделирования и
расчётов на основании выражения (6.3), опубликованных в работе
[203], было показано, что при увеличении подэлектродного промежутка,такжевозрастаетприведённыйдиаметртокопровода(D
т.пр./dэ
одноэлектродноймоделипечи:
147
)
ℓ′=h/d
э
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
КритерийЭП 0,130 0,169 0,212 0,138 0,264 0,290 0,316
./d
т.пр./dэ
э
2
3,85 5,92 7,08 8,40 9,07 10,35 11,08
2,21 2,75 3,0 3,27 3,47 3,63 3,76
ℓ′′=S
D
т.пр
В связи с тем, что с увеличением подэлектродного промежутка
соответственнорастёт сечениетокопровода (растеканиетока),необходимо рассмотреть возможные схемы расположения реакционных
плавильныхзонвваннеферросплавнойпечи,что определяетсярасположением электродов, а именно распадом электродов. Варианты
схемы плавильных зон, в том числе с частичным использованием
данныхработы[199] –вариантыА, ВиС,атакжедополнительных
вариантовDиE,приведенывтаблице6.4.
Таблица 6.4
Коэффициент
взаимного
расположения
плавильныхзон
Вариант
Схемарасположения
реакционных
плавильныхзон
Соотношениераспада
электродовиразмеров
плавильнойзоны
Границы(проекции)
плавильныхзонодного
электродараспростра-
A
няютсядообразующей
d
=1/2(Dт+dэ) kт<0,87 1
p
соседнегоэлектрода
Границыреакционных
плавильныхзонпере-
B
секаютсявцентрепечи
d
=0,87·D
p
т
kт=0,87 1
Границыреакционных
плавильныхзонсо-
C
прикасаются
d
=D
p
т
kт=1 1–3
Границыплавильных
D
зоннесоприкасаются
d
p
>D
т
kт>1 3
Реакционныеплавильныезоныдалекидруг
E
отдругаипрактически
dp>>D
т
k>>1 3
работаютизолировано*
Прим.:*зонымалоэлектропроводнойшихты,перегородкивпечиит.д.
148
Количество
лётокдля
выпуска
Какследуетизтаблицы6.4,ВариантАсхемырасположенияплавильныхзон, малоперспективендля повышениясопротивления ванныферросплавнойпечиибольшеподходитдляплавки,малоэлектропроводныхматериалов,напримерогнеупоров.
Вариант В считается наиболее оптимальным для выплавки ферросплавовуглеродотермическимпроцессомвпечахстрадиционным
распадомэлектродовивыпускомсплавачерезоднулётку.Притакой
схемерасположениеплавильныхзон,укрупнениепечейиувеличение
мощноститрансформаторовприводиткснижению активногосопротивления ванны и ухудшению энерготехнологических параметров
выплавки.
Сувеличением относительных значенийподэлектродногопромежутка растет приведенный диаметр токопровода(реакционной плавильнойзоны).Поэтому,дляповышениясопротивленияванныпечи
идругих энерготехнологическихпараметров печи, благодаря увеличениюподэлектродногопромежутка,наиболееперспективнымиявляютсясхемырасположенияпоВариантамC,D,Е.Втакихвариантах
расположенияплавильных зон в печи, относительный распад электродовдолженбытьувеличен.
Следуетотметить, что фактические значенияраспада электродов
для ферросплавных печей мощностью 7,5–81 МВ·А, которыевыраженывдиаметрахэлектродов(таблица6.5),наиболеесоответствуют
схемеВарианта В. Распад электродов(расстояниемежду центрами)
изменяетсянетакзначительновдиапазонеd
=2,10–2,47 (сред-
p/dэ
нее–2,23).Диаметрыэлектродовпечейвабсолютныхвеличинахвозрастаютвесьмазначительно.
При этом распад электродов и диаметр распада электродов связаны следующим соотношением: d
новному диапазону распада электродов d
ствует традиционная величина подэлектродного промежутка h/d
= 0,87 Dр. Следовательно, ос-
p
= 2,10 – 2,47 соответ-
p/dэ
э
=
=0,60–0,85.
Выявленныйдиапазон соотношенияотносительныхвеличин распада электродов и подэлектродного промежутка подтверждается
практикой, а именно оптимальным соответствием электротехнических и технологических параметров процесса выплавки ферросплавов.Вбольшейстепениимеетсяввидуминимальныйудельныйрасход электроэнергии и максимальная производительность печного
агрегата.
149
Таблица 6.5
П/п
1. 7,5 900 2,56 2,23
2. 10,5 1000 2,50 2,18
3. 13,5 1100 2,46 2,14
4. 16,5 1200 2,42 2,10
5. 24,0 1400 2,71 2,36
6. 40,0 1500 2,60 2,26
7. 75,0 1800 2,48 2,16
8. 81,0 1900 2,84 2,47
9. 81,0* 1900 2,74 2,38
10. 81,0* 1900 2,97 2,58
12. 81,0* 1900 3,00 2,61
распадаэлектродов:5200мм;5400мм;5700ммсоответственно.
Мощность
трансформатора
печи,МВ·А
Прим: * варианты последующей реконструкциипечи при изменении диаметра
Диаметр
электродов,
мм
Диаметрраспада
(вдиаметрах
электрода)
Распадэлектродов
(вдиаметрах
электрода)
Поэтому, практическую значимость представляет взаимосвязь
распада электродов и подэлектродного промежутка в ферросплавнойпечи.На основании опыта эксплуатации отечественныхи зарубежныхпечей,привыплавкеферросилиция,данныепараметрыбыли
обобщеныи систематизированывработе [201].При статистической
обработке выявлено, что большему подэлектродному промежутку
соответствуетиувеличенный распад электродов.Соотношение подэлектродногопромежуткаираспадаэлектродовприведенонарисунке6.1.
Конкретныхспособов определениявеличины распадаэлектродов
дляферросплавных печейпрактически не выработано. Например, в
работе[202]указывается,чтоотношение диаметрараспада электродовкдиаметруэлектродаD
колеблетсявпределах2–3,икаксред-
p/dэ
няявеличинапринимаетсяравной2,5.Такойвеличинедиаметрарас-
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]