張永武,童斌斌 ,劉東利,寇 君

(1.西安電爐研究所有限公司,陜西 西安 710061;2.陜西省四主體一聯(lián)合電爐工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710061)

隨著“雙碳”目標(biāo)在我國(guó)工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域的全面落實(shí),電爐作為清潔能源裝備,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)固廢復(fù)雜物料的冶煉處理,如高爐渣、鋼渣、鈦渣、赤泥等工業(yè)固廢,通過電爐冶煉處理,實(shí)現(xiàn)高附加值利用,均已取得成功案例。高爐渣目前是冶金行業(yè)排放最多的廢棄物「1」,每年產(chǎn)量約2.5～3億t[2],可通過電爐調(diào)溫調(diào)質(zhì)生產(chǎn)巖棉[3];鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的廢棄物,資源化利用率低于30%[4],可通過電爐重熔還原鋼渣用于生產(chǎn)水泥混合原材料[5];鈦渣是制造各種鈦系產(chǎn)品的原材料[6],可通過電爐冶煉提純生產(chǎn)高含量二氧化鈦富集物[7];赤泥是鋁土礦冶煉氧化鋁產(chǎn)生的廢棄物[8],可通過電爐還原熔煉實(shí)現(xiàn)渣鐵有效分離[9]。這些工業(yè)固廢物料成分較為復(fù)雜,物料在高溫冶煉過程中涉及化學(xué)反應(yīng)、溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等相互耦合作用[10],電阻等基本物理參數(shù)極其復(fù)雜、不穩(wěn)定,導(dǎo)致電爐電氣參數(shù)設(shè)計(jì)缺乏基本理論支撐依據(jù)。如何測(cè)量復(fù)雜物料高溫電阻,反饋電爐電氣參數(shù)設(shè)計(jì),已成為電爐行業(yè)產(chǎn)品優(yōu)化升級(jí)、特別是大型電爐產(chǎn)品設(shè)計(jì)亟需解決的問題。

本文以四川某公司30 MVA大型鈦渣電爐為研究對(duì)象,該電爐設(shè)備由傾動(dòng)平臺(tái)、電爐爐體、水冷爐蓋、電極升降裝置、導(dǎo)電橫臂、大電流線路、爐蓋頂升及旋轉(zhuǎn)裝置、冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、吊架、變壓器、出渣車等部分組成,如圖1所示。該電爐設(shè)備以鈦渣和無煙煤為原料,采用連續(xù)加料、連續(xù)送電密閉熔煉、定時(shí)出渣出鐵、留渣留鐵、渣鐵分出、煤氣回收利用的冶煉操作工藝,生產(chǎn)高鈦渣。

圖1 四川某公司大型鈦渣電爐示意圖

本文通過搭建電爐冶煉鈦渣高溫電阻測(cè)試平臺(tái),研究電爐冶煉復(fù)雜物料高溫電阻測(cè)量方法,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電爐實(shí)際冶煉過程中高溫爐渣在不同冶煉階段、不同工況情況下的電流、電壓,通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和理論計(jì)算,分析計(jì)算出高溫鈦渣在不同冶煉階段、不同工況下的熱態(tài)阻值,從而歸納總結(jié)出電爐冶煉反應(yīng)合理用電參數(shù),為該廠優(yōu)化當(dāng)前電爐電氣供電制度與熱場(chǎng)布置提供理論支撐,為后續(xù)擴(kuò)建更大規(guī)模鈦渣電爐積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 測(cè)量模型

該鈦渣電爐用于高爐渣鈦資源的提取和利用,自投產(chǎn)以來已運(yùn)行超過500爐次,輸入端高壓側(cè)功率因數(shù)長(zhǎng)期維持在0.96～0.99,輸出端短網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)長(zhǎng)期維持在0.72～0.78,因此可以判斷該鈦渣電爐加熱機(jī)理以電阻加熱為主,鈦渣高溫電阻可以通過測(cè)量電極之間電流、電壓,根據(jù)歐姆定律計(jì)算分析得出,電爐鈦渣高溫電阻R計(jì)算公式為

(1)

式中:R為鈦渣高溫電阻,mΩ;RA、RB、Rc分別為A、B、C電極相電壓計(jì)算電阻,mΩ;RAB、RBC、RAC分別為A、B、C電極之間理論電阻,mΩ。

2 測(cè)量方案

2.1 電極電流測(cè)量

電極之間電流的測(cè)量采用空心柔性羅氏線圈,型號(hào)為NZ-3200-30m,線圈的靈敏度為22.5 mV/kA。由于電極處的溫度較高,需要對(duì)羅氏線圈進(jìn)行隔熱防護(hù)。在安裝過程中,用硅酸鋁纖維包覆在柔性羅氏線圈上,厚度在100 mm左右。由于硅酸鋁纖維易吸附灰塵且容易脫落,最后用硅酸鋁纖維布在外圍進(jìn)行纏繞,以達(dá)到隔熱、防火的目的。羅氏線圈采用屏蔽線纜信號(hào)線,靠近電極的裸露部分進(jìn)行隔熱處理,輸出信號(hào)通過積分器接入在線電能記錄儀。

2.2 電極電壓測(cè)量

通過高溫電纜連接電極夾持器與在線電能記錄儀,每個(gè)短網(wǎng)二次端的電壓直接接入在線電能記錄儀對(duì)應(yīng)的通道。

2.3 物料溫度測(cè)量

利用熱電偶測(cè)量系統(tǒng)對(duì)高溫渣的溫度進(jìn)行測(cè)量,如圖2所示,該系統(tǒng)由高溫?zé)犭娕?、熱電偶特制工裝夾具(測(cè)溫槍)及升降裝置組成。升降裝置設(shè)置在爐蓋的防爆蓋板上方,安裝在平臺(tái)下方原預(yù)埋基礎(chǔ)上,經(jīng)爐蓋測(cè)溫孔下降插入液態(tài)渣中500 mm進(jìn)行溫度測(cè)量。

圖2 物料溫度熱電偶測(cè)量系統(tǒng)示意圖

3 測(cè)量過程

該鈦渣電爐正常冶煉鈦渣生產(chǎn)工藝過程時(shí)長(zhǎng)約2 h,整個(gè)冶煉過程按照通電時(shí)間分為加料期、加熱期和精煉期。其中,加料期約45 min,從爐內(nèi)預(yù)先加入部分還原碳粉,傾倒高爐渣,至插入電極送電升溫;加熱期約50 min,從爐頂部料倉(cāng)逐步添加碳粉,至放料完成;精煉期約25 min,持續(xù)送電冶煉,至精煉完成。

為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,試驗(yàn)過程要求提前劃好電極加持定位線,確保三根電極夾持器以下的石墨電極插入熔融液面深度保持一致;冶煉過程中,溫度是影響爐料阻值的重要因素之一,因此,測(cè)量爐料溫度時(shí),要求在向爐內(nèi)倒入高爐渣,在添加碳粉之前插入熱電偶測(cè)溫裝置,同時(shí)測(cè)量高溫電阻,并記錄。

4 結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

本次測(cè)量試驗(yàn)連續(xù)測(cè)量了整個(gè)冶煉周期鈦渣高溫電阻,電極之間電流與短網(wǎng)電壓測(cè)量數(shù)據(jù),以及高溫電阻計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 高溫電阻測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由以上測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出,鈦渣高溫電阻在8.57～23.83 mΩ,在加料期、加熱期和精煉期三個(gè)不同冶煉階段變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 不同冶煉階段高溫電阻變化趨勢(shì)

在加料期,物料混合得不均勻,高溫電阻測(cè)量結(jié)果變化幅度較大;在加熱期,高溫電阻測(cè)量結(jié)果相對(duì)比較穩(wěn)定;在精煉期,由于物料成分的變化,高溫電阻測(cè)量結(jié)果明顯降低。由正態(tài)分布統(tǒng)計(jì),在冶煉期間,95%的高溫電阻分布在11～18 mΩ。

5 測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證

5.1 電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果

在冶煉過程中鈦渣溫度在1 360 ℃～1 620 ℃變化,根據(jù)表1高溫電阻R,通過已知電極間距、電極截面積,計(jì)算物料電導(dǎo)率ρ結(jié)果如表2所示,物料電阻率隨溫度變化趨勢(shì),如圖4所示。

表2 物料電導(dǎo)率ρ計(jì)算結(jié)果

圖4 物料電導(dǎo)率隨溫度變化趨勢(shì)

5.2 其他機(jī)構(gòu)測(cè)量結(jié)果

重慶大學(xué)李生平等[11]采用交流阻抗法,利用物相檢測(cè)分析和計(jì)算,測(cè)量高鈦渣電導(dǎo)率,其研究表明,含鈦高爐渣在1 600 ℃高溫下電導(dǎo)率在0.4 S/cm左右。攀枝花鋼鐵研究院石玉洪等[12]采用交流惠斯頓電橋法,利用實(shí)驗(yàn)室交流電阻箱和標(biāo)準(zhǔn)電阻組成交流電橋,測(cè)量高鈦渣電導(dǎo)率,其研究表明,含鈦高爐渣在1 550 ℃高溫下電導(dǎo)率在0.92 S/cm左右。

5.3 對(duì)比驗(yàn)證

通過爐渣電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果對(duì)比顯示,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況在電爐冶煉處于加料期時(shí),本文提出的電爐冶煉復(fù)雜物料高溫電阻測(cè)量方法與重慶大學(xué)利用物相檢測(cè)分析結(jié)果接近;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況在電爐冶煉處于加熱期時(shí),本文提出的電爐冶煉復(fù)雜物料高溫電阻測(cè)量方法與攀枝花鋼鐵研究院采用交流惠斯頓電橋法檢測(cè)分析結(jié)果接近。通過對(duì)比驗(yàn)證了本文提出的電爐冶煉復(fù)雜物料高溫電阻測(cè)量方法的準(zhǔn)確性。

6 結(jié) 論

(1)鈦渣高溫電阻在8.57～23.83 mΩ,在整個(gè)鈦渣冶煉期間95%高溫電阻分布在11～18 mΩ。

(2)復(fù)雜物料高溫電阻與電爐冶煉過程中供電制度有較大影響,在電爐冶煉加料期,高溫電阻測(cè)量結(jié)果變化幅度較大;在電爐冶煉加熱期,高溫電阻測(cè)量結(jié)果相對(duì)比較穩(wěn)定;在電爐冶煉精煉期,高溫電阻測(cè)量結(jié)果明顯降低。

(3)對(duì)于冶煉復(fù)雜物料的電爐設(shè)計(jì),應(yīng)重視物料高溫電阻的測(cè)量,選擇正確的電氣參數(shù)與供電制度。