电炉冶炼复杂物料高温电阻测量方法的研究

2024-02-20张永武童斌斌刘东利

工业加热 2024年1期

张永武,童斌斌 ,刘东利,寇君

(1.西安电炉研究所有限公司,陕西西安 710061;2.陕西省四主体一联合电炉工程技术研究中心,陕西西安 710061)

随着“双碳”目标在我国工业制造业领域的全面落实,电炉作为清洁能源装备,被广泛应用于工业固废复杂物料的冶炼处理,如高炉渣、钢渣、钛渣、赤泥等工业固废,通过电炉冶炼处理,实现高附加值利用,均已取得成功案例。高炉渣目前是冶金行业排放最多的废弃物「1」,每年产量约2.5～3亿t[2],可通过电炉调温调质生产岩棉[3];钢渣是炼钢过程中产生的废弃物,资源化利用率低于30%[4],可通过电炉重熔还原钢渣用于生产水泥混合原材料[5];钛渣是制造各种钛系产品的原材料[6],可通过电炉冶炼提纯生产高含量二氧化钛富集物[7];赤泥是铝土矿冶炼氧化铝产生的废弃物[8],可通过电炉还原熔炼实现渣铁有效分离[9]。这些工业固废物料成分较为复杂,物料在高温冶炼过程中涉及化学反应、温度场、电场、磁场等相互耦合作用[10],电阻等基本物理参数极其复杂、不稳定,导致电炉电气参数设计缺乏基本理论支撑依据。如何测量复杂物料高温电阻,反馈电炉电气参数设计,已成为电炉行业产品优化升级、特别是大型电炉产品设计亟需解决的问题。

本文以四川某公司30 MVA大型钛渣电炉为研究对象,该电炉设备由倾动平台、电炉炉体、水冷炉盖、电极升降装置、导电横臂、大电流线路、炉盖顶升及旋转装置、冷却水系统、液压系统、吊架、变压器、出渣车等部分组成,如图1所示。该电炉设备以钛渣和无烟煤为原料,采用连续加料、连续送电密闭熔炼、定时出渣出铁、留渣留铁、渣铁分出、煤气回收利用的冶炼操作工艺,生产高钛渣。

图1 四川某公司大型钛渣电炉示意图

本文通过搭建电炉冶炼钛渣高温电阻测试平台,研究电炉冶炼复杂物料高温电阻测量方法,动态监测电炉实际冶炼过程中高温炉渣在不同冶炼阶段、不同工况情况下的电流、电压,通过对测量数据进行统计分析和理论计算,分析计算出高温钛渣在不同冶炼阶段、不同工况下的热态阻值,从而归纳总结出电炉冶炼反应合理用电参数,为该厂优化当前电炉电气供电制度与热场布置提供理论支撑,为后续扩建更大规模钛渣电炉积累基础数据。

1 测量模型

该钛渣电炉用于高炉渣钛资源的提取和利用,自投产以来已运行超过500炉次,输入端高压侧功率因数长期维持在0.96～0.99,输出端短网侧功率因数长期维持在0.72～0.78,因此可以判断该钛渣电炉加热机理以电阻加热为主,钛渣高温电阻可以通过测量电极之间电流、电压,根据欧姆定律计算分析得出,电炉钛渣高温电阻R计算公式为

(1)

式中:R为钛渣高温电阻,mΩ;RA、RB、Rc分别为A、B、C电极相电压计算电阻,mΩ;RAB、RBC、RAC分别为A、B、C电极之间理论电阻,mΩ。

2 测量方案

2.1 电极电流测量

电极之间电流的测量采用空心柔性罗氏线圈,型号为NZ-3200-30m,线圈的灵敏度为22.5 mV/kA。由于电极处的温度较高,需要对罗氏线圈进行隔热防护。在安装过程中,用硅酸铝纤维包覆在柔性罗氏线圈上,厚度在100 mm左右。由于硅酸铝纤维易吸附灰尘且容易脱落,最后用硅酸铝纤维布在外围进行缠绕,以达到隔热、防火的目的。罗氏线圈采用屏蔽线缆信号线,靠近电极的裸露部分进行隔热处理,输出信号通过积分器接入在线电能记录仪。

2.2 电极电压测量

通过高温电缆连接电极夹持器与在线电能记录仪,每个短网二次端的电压直接接入在线电能记录仪对应的通道。

2.3 物料温度测量

利用热电偶测量系统对高温渣的温度进行测量,如图2所示,该系统由高温热电偶、热电偶特制工装夹具(测温枪)及升降装置组成。升降装置设置在炉盖的防爆盖板上方,安装在平台下方原预埋基础上,经炉盖测温孔下降插入液态渣中500 mm进行温度测量。

图2 物料温度热电偶测量系统示意图

3 测量过程

该钛渣电炉正常冶炼钛渣生产工艺过程时长约2 h,整个冶炼过程按照通电时间分为加料期、加热期和精炼期。其中,加料期约45 min,从炉内预先加入部分还原碳粉,倾倒高炉渣,至插入电极送电升温;加热期约50 min,从炉顶部料仓逐步添加碳粉,至放料完成;精炼期约25 min,持续送电冶炼,至精炼完成。

为保证测试结果的准确性,试验过程要求提前划好电极加持定位线,确保三根电极夹持器以下的石墨电极插入熔融液面深度保持一致;冶炼过程中,温度是影响炉料阻值的重要因素之一,因此,测量炉料温度时,要求在向炉内倒入高炉渣,在添加碳粉之前插入热电偶测温装置,同时测量高温电阻,并记录。

4 结果与数据处理

本次测量试验连续测量了整个冶炼周期钛渣高温电阻,电极之间电流与短网电压测量数据,以及高温电阻计算结果如表1所示。

表1 高温电阻测量数据统计

由以上测量统计数据可以看出,钛渣高温电阻在8.57～23.83 mΩ,在加料期、加热期和精炼期三个不同冶炼阶段变化趋势统计如图3所示。

图3 不同冶炼阶段高温电阻变化趋势

在加料期,物料混合得不均匀,高温电阻测量结果变化幅度较大;在加热期,高温电阻测量结果相对比较稳定;在精炼期,由于物料成分的变化,高温电阻测量结果明显降低。由正态分布统计,在冶炼期间,95%的高温电阻分布在11～18 mΩ。

5 测量结果验证

5.1 电导率测量结果

在冶炼过程中钛渣温度在1 360 ℃～1 620 ℃变化,根据表1高温电阻R,通过已知电极间距、电极截面积,计算物料电导率ρ结果如表2所示,物料电阻率随温度变化趋势,如图4所示。

表2 物料电导率ρ计算结果

图4 物料电导率随温度变化趋势

5.2 其他机构测量结果

重庆大学李生平等[11]采用交流阻抗法,利用物相检测分析和计算,测量高钛渣电导率,其研究表明,含钛高炉渣在1 600 ℃高温下电导率在0.4 S/cm左右。攀枝花钢铁研究院石玉洪等[12]采用交流惠斯顿电桥法,利用实验室交流电阻箱和标准电阻组成交流电桥,测量高钛渣电导率,其研究表明,含钛高炉渣在1 550 ℃高温下电导率在0.92 S/cm左右。

5.3 对比验证

通过炉渣电导率测试结果对比显示,现场实际工况在电炉冶炼处于加料期时,本文提出的电炉冶炼复杂物料高温电阻测量方法与重庆大学利用物相检测分析结果接近;现场实际工况在电炉冶炼处于加热期时,本文提出的电炉冶炼复杂物料高温电阻测量方法与攀枝花钢铁研究院采用交流惠斯顿电桥法检测分析结果接近。通过对比验证了本文提出的电炉冶炼复杂物料高温电阻测量方法的准确性。