CC BY
47
УДК 621.365
А.П.СУСЛОВ, проректор по эксплуатации имущественного комплекса, (812) 327-73-58 Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург
A.P.SUSLOV, prorektorof the property complex exploitation, (812) 327-73-58 National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg
НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ВАННЕ РУДНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ
Рассматриваются современные методы контроля и управления рудно-термическими печами.
Ключевые слова: рудно-термическая печь, контроль, управление.
MODERN METHODS OF MONITORING AND CONTROL BASED ON ELECTROPHYSICAL AND ELECTROCHEMICAL PHENOMENA IN ORE-SMELTING FURNACE BATH
Reviews modern methods of ore-smelting furnaces monitoring and control. Key words, ore-smelting furnace, monitoring, control.
Рудно-термические электропечи (РТП) представляют собой достаточно сложные объекты управления. Сложность создания системы управления состоит в тесной взаимосвязи технологических и электрических процессов в ванне печи. Под технологическими имеются в виду физические процессы, т.е. фазовые превращения, и химические реакции, в результате которых образуются новые вещества. Для обеспечения этих процессов требуется подвод энергии, который осуществляется посредством преобразования электрической энергии в тепловую, т.е. электрофизическим процессом. Так как в РТП имеет место контакт электродов с расплавом, то возможно и прямое превращение электрической энергии в химическую, т.е. электрохимические процессы - электролиз. Однако последние играют незначительную роль в энергетическом балансе электропечи.
Таким образом, ванну РТП можно рассматривать и как химический реактор, и как электрический теплогенератор. Характер химического реактора так называемой реакци-
онной зоны определяют технологические параметры: количественный и качественный состав материалов, образующих эту зону, гранулометрический состав твердых материалов, температура в этой зоне, количество и состав расплава. Характер зоны, как теплового генератора, определяет ее электросопротивление, зависящее от размеров зоны, температуры, количества жидких и твердых компонентов в ней и их гранулометрического состава. В свою очередь от электросопротивления реакционной зоны зависят ток, напряжение, потребляемая мощность, т.е. так называемые электрические параметры работы печи. В совокупности электрические и технологические параметры принято называть электротехнологическими, причем они теснейшим образом связаны между собой.
Так, изменение количества восстановителя в зоне тепловыделения ведет не только к изменению ее электросопротивления, распределения мощности и температуры в ней, но и соответственно к скорости химических процессов в реакционной зоне, составу по-
лучаемого расплава и отходящих газов. При этом состав образующегося расплава ведет к изменению электросопротивления реакционной зоны.
Таким образом, эффективность и стабильность работы печи зависят от условий протекания электрофизических и технологических процессов, определяемых электротехнологическими параметрами, и задача управления работой РТП сводится к стабилизации этих параметров на оптимальном уровне.
Физико-химические процессы, происходящие в ванне, не поддаются непосредственному контролю, поэтому у оператора нет полной информации о степени их развития и эффективности. Активное сопротивление шихты и расплава в ванне печи, количество углеродистого материала и расплава в ней, степень развития дугового режима, состав расплава до момента его выпуска невозможно определить из-за агрессивной среды и высокой температуры в реакционной зоне. Остается неопределенным и характер изменения этих параметров. Все это, а также недостаточная изученность рудно-термических процессов, создает определенные трудности при разработке эффективных систем управления.
Существующий в настоящее время уровень управления и автоматизации РТП не соответствует современным требованиям, реализуется в основном только централизованный сбор доступной для контроля информации и регулирование электрического режима осуществляется с учетом этой информации, в том числе и на основе опыта операторов печной установки. Отсутствие оперативности при получении информации о размере реакционной зоны, количестве восстановителя в ней и составе расплава, а также необходимость в последнем случае использования усредненного измерения (вследствие недостоверности единичного результата) и т.п. приводят к нестабильности электротехнологического режима, перерасходу электроэнергии и потерям сырья вследствие запаздывания при формировании управляющих воздействий.
Хотя прямое определение большинства технологических параметров невозможно,
однако отмеченная связь этих параметров с электрическими, а также то, что состояние реакционной зоны отражается на ее свойствах как токопроводящей среды, позволяет оценивать ход технологического процесса по изменениям электрических параметров, дополняя их данными о температуре газов на выходе из печи, в различных точках футеровки, охлаждающей воды, периодически получаемыми результатами о составе шлака и т.д. Часть этой информации либо приходит с большим опозданием, либо не имеет прямого отношения к реакционной зоне, а служит только для контроля функционирования тех или иных узлов и элементов печи.
При этом состояние реакционной зоны проявляется не только в характере фазовых и химических превращений, но и в характере преобразования электрической энергии в тепловую. Однако значения тока и напряжения, отражаемые контрольными щитовыми приборами, ничего не говорят о распределении мощности в печи, размерах и составе реакционной зоны, уровне и составе расплава, положении электрода относительно этого уровня.
Под распределением мощности в объеме печи подразумевается не только распределение мощности в объеме ванны печи, но и распределение мощности между электрической дугой, шунтирующим ее сопротивлением шихты и расплавом, на который горит дуга. Это распределение для каждого технологического процесса носит оптимальный характер. Так, в ряде технологических процессов (производство фосфора, карбида кальция) излишнее развитие дуги сопровождается интенсификацией нежелательных побочных процессов: разложением целевого продукта - карбида кальция, повышением пылеуноса и т.д.
Наоборот, в процессах, где требуется предварительная газификация одного из компонентов (получение кремния), слишком малая мощность, выделяемая в дуге, ведет к снижению эффективности работы печи. Тот факт, что реакционная зона одновременно является и зоной, в которой происходит преобразование и характером которой определяются электрофизические и электрохи-
мические процессы, может быть использован для контроля и управления работой печи.
Дело в том, что материалы в реакционной зоне находятся в разном агрегатном состоянии: твердом (шихта), жидком (расплав) и газообразном. Прохождение тока в каждом из этих случаев имеет свои особенности и отражается, прежде всего, на зависимости падения напряжения от тока. Если зависимость падения напряжения от тока на твердом проводнике линейна и подчиняется закону Ома, то при прохождении тока через дугу падение напряжения на ней не зависит от тока и носит нелинейный характер.
Контакт электрода с расплавом сопровождается электрохимическими процессами на поверхности этого контакта и появлением постоянной составляющей в напряжении.
Таким образом, выявление и идентификация отмеченных особенностей при прохождении тока через материалы, которые находятся в реакционной зоне и проявляются в развитии электрофизических и электрохимических процессов, определение их связи с характером этой зоны и процессами, протекающими в ней, может быть использовано для контроля параметров технологического процесса и разработки системы автоматического управления нового поколения.
Так как изменение характера преобразования электрической энергии в ванне печи находит прежде всего отражение в осциллограммах напряжения и тока электродов, т.е. в их гармоническом составе, то еще во второй половине XX в. предпринимаются попытки оценки количества углерода в реакционной зоне и ряда других параметров электродных печей на основе гармонического состава напряжения и тока электродов.
Так, В.Н.Никольским была отмечена перспективность использования электрофизических явлений, существующих в ванне РТП, для оценки хода технологического процесса [5]. В сталеплавильных электропечах преобразование электрической энергии в тепловую из-за низкого электросопротивления материалов, находящихся в ванне печи, происходит практически только в электрической дуге. Поэтому характер горения дуги и явления, сопровождающие ее горе-
Рис.1. Кривые изменения постоянной составляющей фазного напряжения; сплошная линия - основной процесс, пунктирная - кислый
ние, характеризуют весь технологический процесс, осуществляемый в печи. К таким явлениям, прежде всего, следует отнести вентильный эффект электрической дуги переменного тока.
Условия горения дуги в сталеплавильной печи зависят от полупериодов. В полупериод, когда катод находится на графитиро-ванном электроде, температура катодного пятна выше, чем в полупериод, когда это пятно находится на относительно холодном скрапе, тем более, что на плавящемся скрапе оно неустойчиво. Поэтому термоэмиссия (ток в полупериод), когда электрод служит катодом, выше, а падение напряжения меньше, чем в полупериод, когда катодом является скрап. Разница значения постоянной составляющей напряжения меняется по ходу плавки и может достигать 20 В и более. При этом эти изменения зависят от того, кислым или основным является процесс (рис.1).
Во всех случаях в начале плавки, если на металле нет кусков графита, постоянная составляющая напряжения сильно колеблется. (Для увеличения силы тока на скрап нередко укладываются куски графита, условия горения дуги в полупериоды одинаковые, и постоянная составляющая напряжения имеет наименьшее значение.) По мере проплавления колодцев и образования расплава горение дуги носит более устойчивый характер и постоянная составляющая имеет некоторое более или менее постоянное значение для кислого процесса и постоянно уменьшающееся - для основного. Это объясняется тем, что при кислом процессе дуга
горит на шлак, содержащий кремнезем, работа выхода электронов из которого, а следовательно, и падение напряжения, когда шлак является катодом, выше, чем при нахождении на электроде.
При основном процессе работа выхода электронов из известкового шлака почти такая же, как и из графита, однако температура катодного пятна на жидкоподвижном известковом шлаке повышается постепенно и лишь к концу плавки термоэмиссия из него приближается к термоэмиссии из электрода. На постоянную составляющую влияет введение в печь шлакующих или легирующих материалов, вызывающих уменьшение или возрастание ее.
В.С.Князев на основании результатов исследования процесса плавки в дуговых сталеплавильных печах отмечал, что снижение вязкости расплава приводит к увеличению содержания 3-й гармоники в токе электродов, а увеличение в шлаке MgO ведет к снижению этого содержания, что позволяет контролировать целостность футеровки печи [3]. И.В.Лапшин также показал, что при повышении содержания окиси магния в шлаке уменьшается содержание высших гармоник [4], что связано с увеличением вязкости шлака и, следовательно, с уменьшением его электропроводности и степени развития дуги. Он же на основе анализа гармонического состава тока печей 50 и 199 т показал, что изменение 2, 3, 5 и 7-й гармоник отражает изменение многих технологических параметров: состава и массы шихты, состава и физических свойств расплава, различных аномалий технологического процесса, а также электрического режима.
По результатам многих исследований на рудно-термических печах была отмечена связь гармонического состава тока с количеством углерода в ванне печи. На основании этих исследований норвежской фирмой «Эл-кем» предложен принцип управления процессом плавки ферросилиция по положению электродов и высшим гармоникам тока, свидетельствующим о дисбалансе углерода в ванне печи. Та же связь гармонического состава тока электродов с углеродистым режимом была отмечена и на фосфорных печах [5].
a
I150/I50, % 10
5
0 40 80 I50, кА
б
Рис.2. Зависимость относительного содержания в токе электрода печи РКЗ-80Ф гармонической составляющей с частотой 150 Гц от тока (а) и сопротивления печи (б)
На рис.2 показана зависимость относительного содержания в токе электрода гармонической составляющей с частотой 150 Гц (3-й гармоники) от величины этого тока и электросопротивления печи. На этом рисунке пунктирные кривые соответствуют данным, полученным при работе печи с меньшим по сравнению с сплошными кривыми содержанием углерода в ванне печи. Это было установлено по положению электродов и содержанию пятиоксида в шлаке. Такой характер полученных зависимостей связан с тем, что с уменьшением содержания углерода в ванне растет ее электросопротивление и, как следствие, при неизменных напряжении и токе уменьшается степень развития дугового режима и характеризующее ее относительное содержание 3-й гармоники.
По величине относительного содержания в токе электродов гармонических составляющих с частотой 150 и 250 Гц была отмечена зависимость белизны получаемого материала и удельного расхода электроэнергии от степени развития электрической дуги и фазового состава проплавляемого глино-
Рис.3. Зависимость удельного расхода электроэнергии при плавке циркониевого электрокорунда от постоянной составляющей фазного напряжения
зема [2]. Это позволило предложить способ управления процессом плавки белого электрокорунда [1]. В соответствии с этим способом по величине относительного содержания в токе одного из электродов гармонической составляющей с частотой 250 Гц определяют фазовый состав проплавляемого глинозема (а-фазы) и затем выбирают оптимальные электрические параметры плавки: напряжение и ток.
На печи для плавки циркониевого электрокорунда было показано, что удельный расход электроэнергии (рис.3) а также продолжительность плавки (рис.4) связаны со средней величиной постоянной составляющей фазного напряжения за время плавки. Поскольку наличие последней в данном случае обусловлено вентильным эффектом дуги переменного тока, то по постоянной составляющей напряжения можно контролировать степень развития дугового процесса и, меняя электрические параметры и дозировку шихты, вести процесс плавки в оптимальном режиме.
На всех заводах бывшего СССР (Челябинск, Запорожье, Юрга), выплавляющих нормальный электрокорунд, был внедрен способ определения момента начала выпуска (готовности) расплава из печи по постоянной составляющей напряжения дуги [7]. Этот способ основан на использовании вентильного эффекта дуги переменного тока, которая существует на стадии доводки расплава [8]. Степень развития дуги зависит от
Рис. 4. Зависимость продолжительности плавки циркониевого электрокорунда от постоянной составляющей фазного напряжения
электросопротивления расплава, на который она горит. На этой стадии это сопротивление определяется температурой расплава, которая, в свою очередь, связана с содержанием в нем Al2O3. С увеличением содержания Al2O3 в расплаве падает его электросопротивление и растет степень развития дуги и, соответственно, постоянная составляющая напряжения дуги.
В процессе этих работ впервые выявлена возможность использования для контроля технологического процесса в РТП существования электрохимических явлений на границе электрод-расплав [6, 9]. В связи с крайне незначительной ролью в тепловом балансе печи электрохимических явлений им не придается должного внимания. Отмечается лишь, что их наличие может вести к загрязнению получаемого продукта, что в отдельных случаях недопустимо.
Однако в процессе исследований на карбидной и фосфорной печах, печах для получения медно-никелевого штейна и плавленых фосфатов было отмечено, что следствием электрохимических реакций в фазном напряжении может быть постоянная составляющая, величина и характер изменения которой зависят от количества и состава расплава в печи [8]. Это позволяет по ее значениям контролировать уровень, состав и температуру расплава, положение электрода относительно этого уровня [9].
Выявление и идентификация отмеченных особенностей при прохождении элек-
трического тока через реакционную зону, определение связи этих особенностей с характером этой зоны и процессами, протекающими в ней, может быть использовано для разработки нового поколения методов контроля и управления технологическими процессами в рудно-термических печах.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.с. 1447911 СССР. Способ контроля готовности расплава в электропечи периодического действия / А.А.Педро, А.В.Острогорский, В.А.Писаров и др. 1988. Бюл. № 48.
2. А.с. 1582365 СССР. Способ управления плавкой белого электрокорунда в электродуговой печи / А.А.Педро, Г.М.Жилов, В.В.Работнов и др. 1990. Бюл. № 28.
3. Князев В. С. Исследование и совершенствование электроплавки стали на основе анализа тока дуг: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. ЛПИ им. М.И.Калинина. Л., 1980.
4. Лапшин И.В. Автоматизация дуговых печей. М., 2004.
5. Никольский В.И. Выпрямляющее действие дуги трехфазной сталеплавильной печи // Электричество. 1951. № 3.
6. ПедроА.А. Гармонический состав тока электродов рудно-термических печей химической технологии / А.А.Педро, В.А.Ершов, М.П.Арлиевский // Электротехника. 1996. № 4.
7. Педро А.А. Вариации постоянной составляющей фазного напряжения в рудно-термических печах для получения фосфора и карбида кальция / А.А.Педро, М.П.Арлиевский // Электрометаллургия. 2009. № 4.
8. Сотников В.В. Автоматизированное управление руднотермической печью производства нормального
электрокорунда / В.В.Сотников, А.А.Педро, Л.Н.Никитина. СПб, 2003.
9. Сотников В.В. Основы автоматизированного управления руднотермической печью при производстве карбида кальция / В.В.Сотников, А.А.Педро, И.В Авдиенко. СПб, 2001.
REFERENCES
1. A.s. 1447911 USSR. Method of control of the melt in the furnace ready batch / A.A.Pedro, A.V.Ostrogorsky, V.A.Pisarev et al. 1988. Bul. N 48.
2. A.s. 1582365 USSR. Method of controlling melting white fused in an electric arc furnace / A.A.Pedro, G.M.Zhilov, V.V.Rabotnov et al. 1990. Bul N 28.
3. Knyazev V.S. Research and improvement of electro steel based on the analysis of current arcs: the author ... PhD in eng. sc. Leningrad, 1980.
4. Lapshin I.V. Automation arc furnaces. Moscow,
2004.
5. Nikolsky V.I. Rectifying action of the three-phase arc furnace // Electricity. 1951. N 3.
6. Pedro A.A. Harmonic currents electrodes in ore-smelting furnace for chemical technology / A.A.Pedro, V.A.Ershov, M.P.Arlievsky // Electrical Engineering. 1996. N 4.
7. PedroA.A. Variations DC phase voltage in ore-smelting furnaces for phosphorus and calcium carbide / A.A. Pedro, M.P. Arlievsky // Electrometallurgy. 2009. N 4.
8. Sotnikov V.V. Automated control of ore-smelting furnace production of normal corundum / V.V.Sotnikov, A.A.Pedro, L.N.Nikitina. Saint Petersburg, 2003.
9. Sotnikov V.V. Fundamentals of automatic control ore-smelting furnace in the production of carbide kaltsiya / V.V.Sotnikov, A.A.Pedro, I.V.Avdiyenko. Saint Petersburg, 2001.
