CN108398032A - 一种全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，通过基于热力学定律计算单位时间内矿热炉中炉料层吸收的热量，基于化学反应原理计算冶炼过程中单位产量吸收的总热量，根据炉料层吸收热量与总消耗热量计算热能分配系数，以及根据熔池电阻、炉料电阻、操作电阻和热能分配系数，获得控制矿热炉中电极升降的电极移动位移量，解决了现有技术仅通过电参数控制矿热炉的电极升降，导致炉矿不稳定，从而出现高能耗，低产量的技术问题。且本发明从冶炼反应的机理出发，能计算出最优的热能分配系数，并根据该热能分配系数控制电极升降。此外，本发明还可以将炉料考虑进去，从而针对不同的入炉原料都能保证炉况稳定，从而提高产量，降低能耗。

Description

一种全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法

技术领域

本发明涉及一种全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法。

背景技术

电热法是冶炼铁合金的主要方法，埋弧炉(又称矿热炉)是生产铁合金的主要设备，用它生产的铁合金产量约占铁合金总产量的五分之四。在矿热炉的自动控制中，电极升降的合理控制是冶炼反应的关键，通过对电极升降的控制来改变电极的入炉深度，从而确保炉内功率的合理分配以及三相坩埚区的平衡。

目前全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法(例如控制一次电流平衡或者是功率平衡)的最终目的是控制电极的合理的入炉深度，从而让炉况更稳定。而矿热炉炉况复杂，且目前矿热炉多为全封闭式的炉体，没有办法观察到炉子内部的反应情况，所以，只能通过检测电参数的方法去控制矿热炉的炉况，使炉况稳定，但从工业现场采集的数据来看，当一次电流或者功率较为平衡的时候，炉况并不一定稳定，而目前也由于入炉的原料的差别导致冶炼效果不好，例如，炉料好的时候很好控制而炉料不好的时候，炉子就总发生各种各样的问题，炉况很不稳定，从而出现高耗能、低产量的现象。

发明内容

本发明提供的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，解决了现有技术仅通过电参数控制矿热炉的电极升降，导致炉矿不稳定，从而出现高能耗，低产量的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，该方法包括：

基于热力学定律计算单位时间内矿热炉中炉料层吸收的热量，获得炉料层吸收热量；

基于化学反应原理计算冶炼过程中单位产量吸收的总热量，获得总消耗热量；

根据炉料层吸收热量与总消耗热量计算热能分配系数；

根据矿热炉内部电路分别计算出矿热炉内熔池电阻、炉料电阻与操作电阻；

根据熔池电阻、炉料电阻、操作电阻和热能分配系数，获得控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量。

进一步地，基于热力学定律计算单位时间内炉料层吸收的热量，获得炉料层吸收热量的计算公式为：

Q_料＝cmΔT

其中Q_料为单位时间内炉料层吸收的热量，c为炉料的比热容，m为炉料的质量，ΔT为单位时间内温度变化量。

进一步地，基于化学反应原理计算冶炼过程中单位产量吸收的总热量，获得总消耗热量包括：

根据化学反应原理计算冶炼过程的热效应；

根据热效应计算矿热炉中消耗单位质量的矿热炉炉料需要的热量，获得炉料反应吸收热量；

根据炉料层吸收热量和炉料反应吸收热量获得总消耗热量，总消耗热量为炉料层吸收热量和炉料反应吸收热量之和。

进一步地，计算热效应的计算公式为：

其中，ΔH_T为热效应，ΔH₂₉₈为在温度为298K时反应的热效应；Δc_p为生成物和反应物相变前的比定压热容之差；表示反应过程中的相变热；Δc‘_p为生成物和反应物相变后的比定压热容之差；T为反应温度，T_相为相变温度。

进一步地，计算炉料反应吸收热量的计算公式为：

其中，Q_反为矿热炉中消耗单位质量的矿热炉炉料需要的热量，m_产为单位时间内的生成的产品质量，n为目标生成物的相对分子质量，ΔH_T为热效应。

进一步地，根据炉料层吸收热量与总消耗热量计算热能分配系数的计算公式为：

其中，C为热能分配系数，Q_料为炉料层吸收热量，Q_总为总消耗热量。

进一步地，根据熔池电阻、炉料电阻、操作电阻和热能分配系数，获得控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量的计算公式为：

其中，Δh为单位时间内控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量，C为热能分配系数，k为炉料电阻率随温度变换的比例系数，ρ₁为熔池电阻率，L为电极中心间距的一半，r₀为电极的半径，T₁与T₂分别为单位时间内温度的初始值与最终值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，通过基于热力学定律计算单位时间内矿热炉中炉料层吸收的热量，获得炉料层吸收热量，基于化学反应原理计算冶炼过程中单位产量吸收的总热量，获得总消耗热量，根据炉料层吸收热量与总消耗热量计算热能分配系数，根据矿热炉内部电路分别计算出矿热炉内熔池电阻、炉料电阻与操作电阻，根据熔池电阻、炉料电阻、操作电阻和热能分配系数，获得控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量，解决了现有技术仅通过电参数控制矿热炉的电极升降，导致炉矿不稳定，从而出现高能耗，低产量的技术问题。且本发明从冶炼反应的机理出发，能计算出最优的热能分配系数，并根据该最优的热能分配系数控制电极升降，从而确保三相功率平衡以及炉矿稳定，进一步提高产量，降低能耗。此外，本发明通过从冶炼反应的机理出发析，还可以将炉料考虑进去，从而针对不同的入炉原料都能保证炉况稳定，进一步提高产量，降低能耗。

附图说明

图1是本发明实施例一的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法的流程图；

图2是本发明实施例二的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法的流程图；

图3是本发明实施例二的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法中矿热炉内部电流流经路线；

图4是本发明实施例二的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法中矿热炉内部负载电路简化模型；

图5是采用本发明实施例二的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法与采用控制一次电流方法的产量对比图；

图6是采用本发明实施例二的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法与采用控制一次电流方法的单耗对比图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一

参照图1，本发明实施例一提供的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，包括：

步骤S101，基于热力学定律计算单位时间内矿热炉中炉料层吸收的热量，获得炉料层吸收热量；

步骤S102，基于化学反应原理计算冶炼过程中单位产量吸收的总热量，获得总消耗热量；

步骤S103，根据炉料层吸收热量与总消耗热量计算热能分配系数；

步骤S104，根据矿热炉内部电路分别计算出矿热炉内熔池电阻、炉料电阻与操作电阻；

步骤S105，根据熔池电阻、炉料电阻、操作电阻和热能分配系数，获得控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量。

本发明实施例提供的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，通过基于热力学定律计算单位时间内矿热炉中炉料层吸收的热量，获得炉料层吸收热量，基于化学反应原理计算冶炼过程中单位产量吸收的总热量，获得总消耗热量，根据炉料层吸收热量与总消耗热量计算热能分配系数，根据矿热炉内部电路分别计算出矿热炉内熔池电阻、炉料电阻与操作电阻，根据熔池电阻、炉料电阻、操作电阻和热能分配系数，获得控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量，解决了现有技术仅通过电参数控制矿热炉的电极升降，导致炉矿不稳定，从而出现高能耗，低产量的技术问题。且本发明从冶炼反应的机理出发，能计算出最优的热能分配系数，并根据该最优的热能分配系数控制电极升降，从而确保三相功率平衡以及炉矿稳定，进一步提高产量，降低能耗。此外，本发明通过从冶炼反应的机理出发，还可以将炉料考虑进去，从而针对不同的入炉原料都能保证炉况稳定，进一步提高产量，降低能耗。

需要说明的是，本发明实施例从冶炼反应的机理出发，计算出的热能分配系数是最优的热能分配系数。这是由于在矿热炉冶炼过程中，矿热炉中的能量消耗主要分为两部分，一部分是炉料层的预热属于物理反应，另一部分则是加热熔池所需能量。忽略散热的损失，输入炉内的总能量等于炉料层吸收的热量与加热熔池所需能量之和。当炉料组成一定时，都应有最恰当的c值。当c值偏大时，用于加热炉料层的热量多，这会导致熔池的温度偏低，炉底死料堆积。当C值偏小时，用于加热熔池的热量偏多，这会导致炉层的温度偏低，从而导致化料慢、电耗也会随之提高。本专利从热力学定律出发，在入炉原料已知的情况下，计算出炉料加热到指定温度所需要的热能；对于加热熔池所需能量，则通过化学反应原理计算出所需热能，该过程也同样考虑到物质状态变化所需的能量。通过机理分析求得的C值可以使热能分配最优，反应最充分，从而也使炉况最稳定，进一步提高产量，降低能耗。

此外，通过采用本发明实施例的基于最优的热能分配系数控制矿热炉冶炼过程中电极升降，还能将炉料考虑进去，从而能使无论什么样的入炉原料，炉况都更稳定，从而针对不同的入炉原料都能保证炉况稳定，进一步提高产量，降低能耗。

实施例二

参照图2，图2为本发明实施例二提供的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法。该实施例涉及的计算参数，采用某厂现场采集的炉料信息以及非电量数据进行案例分析。

具体地，本发明实施例二提供的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法包括：

步骤S201，基于热力学定律计算单位时间内炉料层吸收的热量，获得炉料层吸收热量。

本实施例中，某厂炉料主要为硅石、盛港焦、分厂烧结、南非高铁、华洋半碳酸、卡瓦里奥块等。基于热力学定律计算单位时间内炉料层吸收的热量为：

Q_料＝cmΔT (1)

(1)式中Q_料为单位时间内炉料层吸收的热量，即冶炼过程中炉料预热所吸收的热能，属于物理变化，c为炉料的比热容，m为入炉炉料的质量；ΔT为单位时间内的温度的变化量。

步骤S202，根据化学反应原理计算冶炼过程的热效应。

本实施例中，反应原理的化学方程式为：

MnO.SiO₂+3C＝MnSi+3CO↑ (2)

FeO+C＝Fe+CO↑ (3)

化学反应的热效应用ΔH表示，则ΔH为：

(4)式中，ΔH_T为热效应，ΔH₂₉₈为在温度为298K时反应的热效应，Δc_p为生成物和反应物相变前的比定压热容之差；表示反应过程中的相变热；Δc‘_p为生成物和反应物相变后的比定压热容之差；T为反应温度，T_相为相变温度。各种物质的标准生成热、比定压热容和相变热均可以在相关的物理化学数据表中查得。

步骤S203，根据热效应计算矿热炉中消耗单位质量的矿热炉炉料需要的热量，获得炉料反应吸收热量。

根据(4)式分别计算(2)式与(3)式的热效应，根据产品中的硅锰和铁含量所占的百分比计算总化学反应热效应，得到消耗单位质量的矿热炉炉料需要的热量：

其中，Q_反为矿热炉中消耗单位质量的矿热炉炉料需要的热量，m_产为单位时间内的生成的产品质量，n为目标生成物的相对分子质量，ΔH_T为热效应。

步骤S204，根据炉料层吸收热量和炉料反应吸收热量获得总消耗热量，总消耗热量为炉料层吸收热量和炉料反应吸收热量之和。

由于反应过程中向空气散热损失的热能只占一小部分，则此时计算的总消耗热量为炉料层吸收热量和炉料反应吸收热量之和，即Q_总＝Q_料+Q_反。

步骤S205，根据炉料层吸收热量与总消耗热量计算热能分配系数。

根据所述炉料层吸收热量与所述总消耗热量计算热能分配系数的计算公式为：

其中，C为热能分配系数，Q_料为所述炉料层吸收热量，Q_总为所述总消耗热量。

步骤S206，根据矿热炉内部电路分别计算出矿热炉内熔池电阻、炉料电阻与操作电阻。

本实施例中，矿热炉简化的负载电路如图4所示，分析负载电路，可将炉内工作电阻分为两部分：一条为三角型负载电路，如图3中虚线所示：从电极出发，流经热炉料层到另一项电极；另一条为星型负载电路，如图3中实线所示：电极端部出发，经过电弧与金属液体再到另一项电极的弧光最后到另一项电极的端部。首先计算三角型负载电阻的大小，根据欧姆定律的微分形式：

其中，I为电流，S为导体的横截面积，K为导体的电导率，u为导体两端电压，1为导体的长度，其中J为电流密度；E为电厂强度，则(7)式可改写为矢量式：

J＝KE (8)

则可以得出电极尖端的半球状中心点距离到纵向距离为r₁的电场强度为：

其中ρ₁为熔池电阻率，I₁为流经该部分的电流。对(9)式进行积分，从电极尖端半球状中心距离r₁点的电位差为：

其中r₀为电极的半径。当r₁＞＞r₀时，(10)式可变为：

故电极尖端到炉底的电阻为：

设电极端部半球状尖端到炉料平面高为h，则电极横向距离为x处的电场强度为：

(13)式中ρ₂为圆柱段电极附近炉料的电阻率，I₂为流经该部分的电流。对(13)式分别进行积分，电极端头上部高h处、横向距离x处的电位差为：

(14)式中L为电极中心间距的一半。故炉料电阻可求得为：

根据Y-Δ电路变换原理，则操作电阻：

步骤S207，根据熔池电阻、炉料电阻、操作电阻和热能分配系数，获得控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量。

由于本发明实施例从冶炼反应的机理出发，计算出的热能分配系数是最优的热能分配系数，且本实施例通过基于热能分配系数平衡对电极升降进行控制，可以使功率系数平衡，炉况稳定，且炉况稳定后炉内的电参数都会平衡(包括电流和功率)。

将(15)式和(16)式代入(17)式得到：

根据(18)式可得到：

其中(19)式中ρ₁、ρ₂分别为熔池电阻率与炉料电阻率，电阻率为温度的函数，温度越高电阻率越大，而熔池温度基本保持恒定，故(19)式中ρ₁相当于常量，而ρ₂为与温度成正比的变量，令ρ₂＝kT+b则可得到(20)式的微分形式：

对(20)式进行积分得到：

其中，Δh为单位时间内控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量，C为热能分配系数，k为炉料电阻率随温度变换的比例系数，ρ₁为熔池电阻率，L为电极中心间距的一半，r₀为电极的半径，T₁与T₂分别为单位时间内温度的初始值与最终值。不难看出，根据(21)式可以获得单位时间内控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量。

在实际的控制过程中，取某厂某一时刻的数据，根据计算出的合理热能分配系数C，并查表的得到ρ₁、r₀、k、L等数据，可计算出电极在该单位时间内所需移动的位移量，某厂电极升降执行装置采用步进电机系统，将计算出的位移量传给现场控制的PLC即可进行精准控制。根据某厂实际运行记录，采用本发明实施例的方法进行电极升降控制与采用一次电流调平控制进行产量与单耗对比，如图5与图6所示，其中横坐标为炉次。从图5和图6可以看出，本发明实施例二的控制方法的产量较一次电流调平控制的产量高2％左右，单耗低0.7％左右，均优于目前一次电流调平控制方法。

由此可见，本发明实施例提供的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，解决了现有技术仅通过电参数控制矿热炉的电极升降，导致炉矿不稳定，从而出现高能耗，低产量的技术问题。且本发明从冶炼反应的机理出发，能计算出最优的热能分配系数，并根据该最优的热能分配系数控制电极升降，不仅能确保三相功率平衡以及炉矿稳定，而且能使热能分配最优，反应最充分，进一步提高产量，降低能耗。此外，本发明通过从冶炼反应的机理出发，还可以将炉料考虑进去，从而针对不同的入炉原料都能保证炉况稳定，进一步提高产量，降低能耗。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，其特征在于，所述方法包括：

基于热力学定律计算单位时间内矿热炉中炉料层吸收的热量，获得炉料层吸收热量；

基于化学反应原理计算冶炼过程中单位产量吸收的总热量，获得总消耗热量；

根据所述炉料层吸收热量与所述总消耗热量计算热能分配系数；

根据矿热炉内部电路分别计算出矿热炉内熔池电阻、炉料电阻与操作电阻；

根据所述熔池电阻、所述炉料电阻、所述操作电阻和所述热能分配系数，获得控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量。

2.根据权利要求1所述的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，其特征在于，基于热力学定律计算单位时间内炉料层吸收的热量，获得炉料层吸收热量的计算公式为：

Q_料＝cmΔT

其中Q_料为单位时间内炉料层吸收的热量，c为炉料的比热容，m为炉料的质量，ΔT为单位时间内温度变化量。

3.根据权利要求2所述的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，其特征在于，基于化学反应原理计算冶炼过程中单位产量吸收的总热量，获得总消耗热量包括：

根据化学反应原理计算冶炼过程的热效应；

根据所述热效应计算矿热炉中消耗单位质量的矿热炉炉料需要的热量，获得炉料反应吸收热量；

根据所述炉料层吸收热量和所述炉料反应吸收热量获得总消耗热量，所述总消耗热量为所述炉料层吸收热量和所述炉料反应吸收热量之和。

4.根据权利要求3所述的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，其特征在于，计算所述热效应的计算公式为：

其中，ΔH_T为热效应，ΔH₂₉₈为在温度为298K时反应的热效应；Δc_p为生成物和反应物相变前的比定压热容之差；表示反应过程中的相变热；Δc‘_p为生成物和反应物相变后的比定压热容之差；T为反应温度，T_相为相变温度。

5.根据权利要求4所述的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，其特征在于，计算所述炉料反应吸收热量的计算公式为：

其中，Q_反为矿热炉中消耗单位质量的矿热炉炉料需要的热量，m_产为单位时间内的生成的产品质量，n为目标生成物的相对分子质量，ΔH_T为热效应。

6.根据权利要求5所述的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，其特征在于，根据所述炉料层吸收热量与所述总消耗热量计算热能分配系数的计算公式为：

其中，C为热能分配系数，Q_料为所述炉料层吸收热量，Q_总为所述总消耗热量。

7.根据权利要求1-6任一所述的全封闭式矿热炉冶炼过程中电极升降控制方法，其特征在于，根据所述熔池电阻、所述炉料电阻、所述操作电阻和所述热能分配系数，获得控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量的计算公式为：

其中，Δh为单位时间内控制矿热炉冶炼过程中电极升降的电极移动位移量，C为热能分配系数，k为炉料电阻率随温度变换的比例系数，ρ₁为熔池电阻率，L为电极中心间距的一半，r₀为电极的半径，T₁与T₂分别为单位时间内温度的初始值与最终值。