Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энерготехнологические параметры выплавки ферросплавов в электропечах. Монография
.pdf
коэффициентамощностииэлектрическогоКПД),которыепропорциональныквадратусилытокаэлектрода.
Врядеработсчитается,чтоувеличениедиаметраэлектродовтребуетсядляпропусканиябольшейсилы токачерез самообжигающиесяэлектроды.Темнеменее, какбылоотмечено,при большихтоках
электроданаблюдаетсяповерхностный эффект, когдаэлектрический
токтечётнеповсёмусечениюэлектрода,авытесняетсяближекповерхности. Так, при диаметре электрода1100мм и толщине стальногокожуха3мм,токпроходитпочтиповсемусечениюэлектрода–
100%;придиаметре1500ммитолщинекожуха3,5ммвпрохождении
тока участвует 90 % сечения электрода, а при диаметре электрода
2000мм–неболее75%сечения[105].
Пропорционально диаметру электродов увеличиваются размеры
ванныпечи, а такжеплощадь проводящейподины,котораянабрана
изуглеродистыхблоков.Такжевсоответствиисдиаметромэлектродовувеличиваются реакционные плавильные зоныпод электродами
исоответственносечениетокопровода вваннеферросплавнойпечи,
чтоснижаетактивноесопротивлениеучасткаэлектрод–подинаиобщеесопротивлениеванны.
Для подтверждения такого положения были проведены исследования на традиционной электролитической модели ферросплавной
печи,котораяпредставлена в работе[110].При этом измерение сопротивления ванны (участка электрод – подина) было при разных
диаметрах графитированных электродов и проведено сравнение с
параметрамипромышленныхферросплавных печейпри увеличении
диаметраэлектродов.
ВкачестверабочеготеламоделибылвыбранрастворNaClcконцентрацией 2 г/л. Исследования проводились аналогично методике
моделированиявработе[106].Диаметрграфитированныхэлектродов
изменялсяот30до150мм.Диаметрпроводящейподинымоделидля
всехвариантовэлектродовопределялсяпоследующемувыражению:
D
где:d
–диаметрэлектрода,мм;
э
=dэ+2а, (2.4)
под
а–расстояниеотэлектродадостенкиванны,мм.
Обычнорасстояниеотэлектродадостенкиванныферросплавной
печиподанным работы[111]составляет0,8– 1,0d
ние–0,9d
).Поэтомудлявсехопытовбылопринято,чтоD
э
(среднеезначе-
э
=2,8dэ.
под
61
Величина подэлектродного промежутка (электрод – подина) для
углеродотермических процессов выплавки ферросплавов,в соответствиис теориейподобия, вотносительных величинахсоответствует
диапазону0,6 – 0,8 d
[112]или 0,7 – 0,9 dэ [58]. Для электролити-
э
ческой модели печи относительный подэлектродный промежуток
(h/d
)был принятравным0,8 (вдиаметрахэлектрода).Заглубление
э
электрода в электролит (Δ h) соответствовало величине диаметра
электрода.
Переменныйтоксчастотой50Гцчерезавтотрансформаториразделительный трансформаторподводили к вертикально расположенномуэлектродуи подине моделипечи. Наоснованиизамеровсилы
токаинапряженияопределялисопротивлениеванныдлякаждогодиаметраэлектрода.Условиямоделированияэлектрическихпараметров
работыферросплавнойпечибылиследующие:
ρ=const; h/d
Δh/d
=const; t,ºC=const;
э
ℓ′/ℓ′′=const; d
=const;
э
=var,
э
где:ρ–удельноеэлектросопротивлениеваннымоделипечи,Ом·см;
h/d
–подэлектродныйпромежуток,вдиаметрахэлектрода;
э
Δh/d
–заглублениеэлектрода,вдиаметрахэлектрода;
э
t,ºC–температураэлектролитаприпроведенииопытов,23ºC;
ℓ′/ℓ′′–отношениедлиныпутейтокаксечениютокопровода.
Относительнаядлинапутитокаопределяласьчерездиаметрэлектродапо выражению:ℓ′ =h /d
было получено следующим образом: ℓ′′ = S
и относительное сечениепутей тока
э
/(dэ)², в соответствии
тп
сданнымиработ[109,112].
Сучетомусловиймоделирования,полученныерезультатыизменениясопротивленияванныотувеличениядиаметраэлектродовприведенынарисунке2.8.
Увеличениедиаметра электродовнамоделиферросплавнойпечи,
при одинаковых относительных величинах, таких как заглубление
электрода в электролит и подэлектродный промежуток, приводит
кснижениюсопротивленияванны.Винтервале,когдадиаметрэлектродаувеличиваетсяв2разаотисходнойвеличины,происходитрезкоеснижениесопротивленияванны.
62
y = 280,89 x
–1
R2 = 0,988
0
2,5
5
7,5
10
20 50 80 110140 170
Диаметр электрода, мм
Электросопротивление ванны, Ом
Рисунок2.8–Изменениесопротивленияванныприувеличении
диаметраэлектродовнаэлектролитическоймоделиферросплавной
печиприпостоянныхотносительныхвеличинахподэлектродного
промежуткаизаглубленияэлектрода
По существу, одноэлектродный вариант модели ферросплавной
печипредставляетсобойнелинейныйреостатнаэлектролите.Поэтому, в условиях моделирования,снижение сопротивление ванны моделипечипредставляетсобойфункциональнуюзависимость,гдевеличинасопротивленияванныобратнопропорциональнаувеличению
диаметраэлектрода.
Длясравненияполученнойзависимостипоснижениюсопротивленияванныотувеличениядиаметраэлектродов,былисобраныипроанализированыпараметры43-хпечейскруглойваннойдлявыплавки
ферросилиция, которыепредставлены вработе[14]. Мощностьпечныхтрансформаторовсоставлялаот7,5–81МВ·А.Диаметрэлектродовбылот750до1900мм.
Для каждой ферросплавной печи на основании параметров выплавкитакихкакрабочеенапряжение,сила токаэлектрода,коэффициентмощности иэлектрический КПД,были определенывеличины
активногосопротивленияванныпечи,выражение(2.5)иполезноесопротивленияванны,выражение(2.6),прирасчётенаодинэлектрод:
R
акт
=(U
·cosφ):1,73·Iэ, (2.5)
раб
63
R
где:U
–рабочеенапряжениенаступенитрансформатора,В;
раб
–силатокаэлектрода,кА;
I
э
=(U
в
·cosφ·ηэл):1,73·Iэ, (2.6)
раб
cosφ–коэффициентмощностипечи;
–электрическийКПД.
η
эл
Результаты математической обработки параметров промышленных печейдля выплавки ферросилиция, по изменению активногои
полезногосопротивленияванны,сувеличениемдиаметраэлектродов
приведенынарисунках2.9и2.10.Видзависимостиснижениясопротивленияванныотувеличениядиаметраэлектродовдляпромышленныхпечей,аналогичензависимостиполученнойврезультатеопытов
по электролитическому моделированию (рисунок 2.8). Конечно, для
работающей печи, необходимо учитывать такие факторы, как подэлектродныйпромежуток,распадэлектродов, расстояниеот образующейэлектродадостенкиванны,составшихтовыхматериаловиих
удельноеэлектросопротивление.
3
64
2,5
y = 6933,8 x
2
1,5
1
Сопротивление ванны, мОм
0,5
600900 1200 1500 1800 2100
Диаметр электрода, мм
Рисунок2.9–Снижениеактивногосопротивленияванны43-хпечей
смощностьютрансформатора7,5–81МВ·Апривыплавке45%-ного
ферросилицияиразличнымдиаметромэлектродов(коэффициент
корреляцииR=0,941)
R2 = 0,886
–1,19
2,5
2
y = 8007,6 x
R2 = 0,896
1,5
1
Cопротивление ванны, мОм
0,5
600900 1200 1500 1800 2100
Диаметр электрода, мм
Рисунок2.10–Снижениеполезногосопротивленияванны43-хпечей
смощностьютрансформатора7,5–81МВ·Апривыплавке45%-ного
ферросилицияиразличнымдиаметромэлектродов(коэффициент
корреляцииR=0,947)
–1,23
Однако,факторснижениясопротивленияванныотувеличениядиаметраэлектрода,дажедляпечейразличноймощностипривыплавке
одногоитогожесплава,имеетвесьмасущественноезначение.
Вкачествеосновногопараметра следуетотметить величинуподэлектродного промежутка. Для большинства ферросплавных печей
даннаявеличина вотносительныхвеличинах составляет 0,6– 0,9d
[58, 112]. Величина распада электродов (расстояние между центрами), для43-хпромышленных печей изменяетсятакжев небольшом
диапазонеотносительныхвеличин.
Средняя величина относительного распада электродов (d
р/dэ
длярассматриваемыхпечейсоставляет:
–длявсегоспектрапечей–2,26;
–дляпечейсреднейивысокоймощности(22,5–81МВ·А)–2,32;
–дляпечеймалоймощности(до20МВ∙А)–2,23.
Поэтому,приведенныеданныепораспадуэлектродовможносчитатьсопоставимыми,которыевуказанномдиапазонезначенийнетак
существенновлияютна активноесопротивлениеванныферросплавнойпечи.
э
)
65
Проведённыйанализпараметровпечейпри выплавкеферросилиция фактически подтвердил выводы электролитического моделированияозначительнойролиувеличениядиаметраэлектродовпечейв
сниженииактивногосопротивленияванны.
Полученныеданные,осниженииактивногоиполезногосопротивленияванныферросплавныхпечей,сувеличениемдиаметраэлектродов, имеют вид функциональной зависимости. При экстраполяции
полученных данных, дальнейшее увеличение диаметра электрода
свыше1900мм дляаналогапечиРКЗ–63 мощностью81 МВ∙Априведёткследующемуснижениюсопротивленияванны.Например,при
увеличениидиаметраэлектродадо2000 мм – сопротивлениеванны
снизитсядоуровня0,675мОмилина9–10%.
Придальнейшемувеличении диаметра электродаферросплавной
печидо2200мм,сопротивлениеванныпечиуменьшитсядо0,60мОм
илина17%.Затемприувеличениидиаметраэлектродадо2400 мм,
активное сопротивление ванны упадет до уровня 0,505 мОм или
на 30%. Данное обстоятельство приведёт к нестабильности режима эксплуатации печи, работе на больших токовых нагрузках,
что ещё больше увеличит активные и реактивные потери электро-
печи.
Вслучаепереходаработыпечейнаболеевысокоерабочеенапряжение, возможно менее благоприятное токораспределения в ванне
печи, что вызовет захолаживание подины и увеличение удельного
расходаэлектроэнергиинавыплавкусплава.Вцеломтакоенаправление по дальнейшему увеличению диаметра электродовферросплавныхпечейнельзясчитатьрациональным.
Такимобразом, на основании аналитических исследований исопоставление результатов моделирования с параметрами промышленных ферросплавных печей показало, что увеличение диаметра
электродовснижаетактивноеиполезноесопротивлениеванныпечи.
Соответственно, при увеличении силы тока электрода, ухудшаются
электрическийКПДикоэффициентмощностипечи.
Всвязи с этим длявыявления факторовулучшенияэнерготехнологических показателейферросплавныхпечейнеобходимопровести
комплексный анализ электрических, технологических параметров
выплавки,с учётомпараметров тепловойработы ванныпечи иконструкциипечногоагрегата.
66
1.Анализ энерготехнологическихпараметров ферросплавныхпечейвыявил, что примощности трансформатора16,5–24,0 МВ∙Аотношение тока электрода к рабочему напряжению составляет около
300–350.Примощностипечей40МВ∙А,данноеотношениепревышаетвеличину400,апримощностипечей75–81МВ∙А–более550–750,
чтоявляетсяэнергетическиневыгоднымявлением,из-забольшихактивныхииндуктивныхпотерьэлектроэнергиивкороткойсети.
2.Установлено,чтоприповышениимощностиферросплавныхпечейот7,5до105МВ∙А,диаметрсамообжигающихсяэлектродовувеличилсяс900до1800–2000мм,т.е.в2,0–2,2раза.Силатокаэлектродавозрослас32–37кАдо160кАиболее,тоестьв4,3–5,0раз.При
этом рабочее напряжение, при выплавке крупнотоннажных ферросплавов,увеличилосьнетакзначительно,со130Вдо230–300Вили
в1,8–2,3раза.
4.Увеличениедиаметровэлектродовзатрудняетихэксплуатацию,
повышаетрасходмединатокоподводкэлектродампечи,существенно увеличивает массу металлоконструкций цеха и механического
оборудованияпечи,чтоповышаеткапитальныезатратыкакнареконструкцию,такнастроительствоновыхпечей.
5.Определено, чторациональным повышениеммощностипечей,
наосновании аналитических зависимостей,является повышениеактивного сопротивления ванны печи или снижение отношения тока
электродакрабочемунапряжению.ВэтихусловияхвозможноувеличениеэлектрическогоКПДикоэффициентамощностипечи.
6.Длявыявленияфакторов,которыемоглибыдополнительноспособствовать улучшению энерготехнологических показателей ферросплавных печей, необходимо рассмотреть комплекс электрических,
технологическихпараметров выплавки,с учётомпараметровтепловойработыванныпечииконструкциипечногоагрегата.
67
Для повышения эффективности работы ферросплавных электропечей рассматривались и применялись различные технологические
параметры рудовосстановительного процесса. В связи с тем, что
процесс выплавки ферросплавов происходит с закрытой дугой,то с
использованиевисходнойшихте,малоэлектропроводныхи электропроводных материалов (углеродистых восстановителей), влияет на
стабильностьэлектрическогорежима,вводаэлектрическоймощности
вваннуинапроизводительностьпечногоагрегата.Поэтомуходпечи
итехнологиявыплавкизависитотмножествафакторов,какдляшлаковых,такидлябесшлаковыхпроцессовполученияферросплавов.
На основании обсуждения опыта работы лучших ферросплавных
печейнапрофессиональныхконференцияхисовещанияхферросплавщиковотмечалось влияние полезного фазного напряжения на удельныйрасходэлектроэнергиипривыплавкеферросилиция[113,114].
Полезное фазное напряжение Считалось, что в качестве опти-
мальной критериальной величины для эффективной работы может
служитьполезноефазноенапряжениенаваннеферросплавнойэлектропечи.Был регламентирован диапазонполезных фазныхнапряженийвзависимостиотмощности печноготрансформатора.Такиеметодикибылиразработаныдлятехнологиивыплавкиразличныхмарок
ферросилиция, ферромарганца, ферросиликомарганца, ферросиликохрома, силикокальция и других сплавов. Соответственно, наряду
с основными технологическими параметрами выплавки, следовало
выдерживать соотношение мощности трансформатора и полезного
фазногонапряжения на вторичной стороне.Так,по данным работы
[115],былирекомендованыследующиесоотношения установленной
мощности трансформатора и величны полезного фазного напряжения:7,5МВ·А –62–66В; 9МВ∙А– 65–72В;10,5 МВ∙А–68–76В;
11,5МВ∙А–70–79В;13,5МВ∙А–75–85Витакдалее.Такиеданные
68
входиливрядучебниковдлявузовпокурсуэлектрометаллургиясталииферросплавов.
Вдальнейшемприисследованииферросплавныхпечейиспользовалиметодопределенияоптимальногофазногонапряжениявовзаимосвязисминимальнымудельнымрасходомэлектроэнергиидлявыплавкикремнистых,хромистыхимарганцевыхферросплавов.
Отношение тока электрода к рабочему напряжениюВ связис
тем,чтовферросплавнойпечисилатокаэлектродазначительна,вдесяткиисотникилоампер,присравнительноневысокомрабочемнапряжении,товкачестведругогопараметрасравненияработыпечейбыло
предложеноотношение величины тока электрода к напряжению. Например,дляэффективнойпечейдлявыплавкиферросилициярекомендованосоотношениетокаэлектродаинапряженияI/Uоколо300 [62].
В дальнейшей работе данное соотношение, как параметр сравнения,
ужерекомендуетсядляферросплавныхпечейвдиапазоне300–400[33].
Существующийуровеньмощности трехфазныхферросплавныхпечей
показал,чтоотношениетокаэлектродакнапряжениюзначительновозрослодо460–550длявыплавкиферросилиция(бесшлаковыйпроцесс)
идо величины 570–750для углеродистого ферромарганца(шлаковый
процесс),ноприэтомпоказателиработыпечейухудшились[6].
Критерий ЭП. Одним изнаиболее интересных комплексныхпа-
раметровдляоценки работыэлектропечейпри выплавкеразличных
сплавов являлся критерий электрического подобия (критерий ЭП).
Даннаякритериальнаявеличинабыла полученаизанализа электрическогополя ванныпечи,на основе теорииподобияприменительно
длярудовосстановительныхэлектропечей[109].ВобщейформекритерийЭПимеетследующийвид:
)/(I·ρ)
э
илиR
ЭП=(U·d
·dэ=ЭП·ρ≡ЭП′, (3.1)
B
где:U–полезноенапряжение,В;
dэ–диаметрэлектрода,см;
–силатокаэлектрода,А;
I
э
ρ–удельноесопротивлениеванныпечи,Ом∙см.
Критерий ЭП в представленной форме является безразмерной
величиной. Темне менее получение достоверных величин удельногоэлектросопротивленияв оченьнеоднороднойсредеванны ферро-
69
сплавной печи является сложнойзадачей.Поэтому, из-за трудности
разграничения величин ЭП и ρ, обычно использовали комплексный
параметр(ЭП·ρ), которыйнашёл применениев методикетеоретическихрасчётоврабочегонапряженияэлектропечей[116]приувеличениимощностипечейдоопределённогодиапазоназначений.
Извлечение ведущего элемента в сплавВкачествеосновнойтех-
нологическойвеличины, котораяхарактеризуетэффективностьуглеродотермическогопроцессавыплавкиферросплавов,являетсябезразмернаявеличина– извлечениеведущегоэлемента всплав(кремния,
марганца,хрома,никеля)идругихэлементов.Рассматриваемыйпараметрвобщейформеимеетследующийвид:
η
где:[Ме]
<Ме>
–количествоведущегоэлементавферросплаве;
спл
–общееколичествоведущегоэлементавшихте.
шихты
=[Ме]
изв
:<Ме>
спл
шихты,
(3.2)
Извлечение в сплав является отношением количества ведущего
элементавполученном ферросплаве, к общему количеству ведущего элемента в шихте, котораябыла загруженав печь за определённыйпериод времени. Наосновании этогопри выплавкеферросплавовопределяетсяраспределениеведущегоэлемента:всплав;вшлак
ивулётсотходящимигазами.
Энергетический КПДВрядеработ[117,118]дляоценкиэффек-
тивности электропечей рекомендуется использовать безразмерную
величину,такназываемыйобщийКПДилиэнергетическийКПДпечногоагрегата:
=η
η
где:η
–электрическийКПДпечи;
эл
–тепловойКПДпечи.
η
т
эн
·ηт, (3.3)
эл
В данном виде энергетический КПД не учитывает технологическиеособенностиработыпечи,чтосущественновлияетнаудельный
расходэлектроэнергиинавыплавкусплава,атакженепринимаетсяв
расчёткоэффициентзагрузкипечноготрансформатора.
Отношение подэлектродного промежутка к диаметру электрода. В работе [104] предложенооценивать эксплуатацию ферро-
сплавнойпечиповеличинеподэлектродногопромежуткаотносительнодиаметраэлектрода.В качествебезразмерной величиныпринято
отношение расстояние электрод-подина к диаметру электрода соот-
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]