矿热炉理想熔炼模型初探

1、矿热炉理想熔炼模型初探摘要从铁合金矿热炉内的等效电路及其热分布出发，提出冶炼过程中炉内反响区和炉料区之间存在着一个最正确的配热关系，由此而建立起铁合金矿热炉简单的熔炼模型。这个熔炼模型是由底面为金属液面或导电炉底的半球形反响区和长为电极间距、炉料有效截面积为S的炉料区构成的。文章简要地阐述了此熔炼模型的合理性，并由此导出了极心圆直径、二次电流、炉膛有效深度、电极直径、操作电阻等模型参数的数学表达式。通过对该模型参数表达式的简化，从而得出威斯特里经历计算法中电炉参数系数与炉料物理化学性能的关系式；通过对模型参数表达式的进一步推导，即可比拟详细、准确地反响出工艺相似法中相似数的物理意义。文中还介绍

2、了该熔炼模型在实际消费中的指导作用。关键词反响模型矿热炉参数中图分类号TF611文献标识码ADISUSSINNIDEALSELTINGDELLiJinghun(JilinFerrallygrup.Ltd.,Jilin,hina132002)Keydsreatinldel,reseltingeletriarfurnae,paraeter1前言随着铁合金冶炼技术的不断进步，铁合金电炉向着大型化、封闭化和计算机控制的方向开展。如何更准确地计算出合适消费实际的电炉参数尤为重要。以在安德烈的周边电阻K因子法、威斯特里的威氏计算法、米库林斯基和斯特隆斯基的三大计算方法为主的多种算法中，威氏计算法应用较为广

3、泛，计算结果比拟接近实际。然而在计算过程中如何确定参数系数，那么是影响计算结果准确性的关键1。本文从矿热炉内等效电路及热分布即功率分布的分析出发，提出对于同一产品的同一冶炼工艺，在原料条件即物化性能及粒度组成一样时反响区及炉料区的功率密度存在一个最正确值，从而推导出电炉主要参数的数学表达式，明确了工艺相似法中相似数及威氏计算法中操作电阻系数、电流系数等的物理意义和数学式。为今后在消费及矿热炉设计过程中研究电炉参数与炉料性质之间的关系提供根据。2矿热熔炼炉内的配热分析矿热炉内电极与炉底及电极之间的等效电路图如图1所示2。从宏观上分析，对于三相三电极的矿热炉，炉内电路可归纳为星形和三角形两个回路。

4、星形回路是每根电极下端、电极与炉墙间、炉料与炉底金属熔池间构成的“星形电阻Rr。对于三角形回路，每两电极间炉料形成一个可变电阻，称为“三角电阻R。这两个回路是互相并联的，所以操作电阻：图1矿热炉熔池等效电路图这样矿热炉内就可以简单地分为两个区，电阻为R的炉料区和电阻为Rr的反响区。这里炉料电阻产生热量使原料熔化，熔滴落入反响区，完成复原反响。既然电炉熔炼电路由两个互相并联的电阻组成，这就存在着在两者之间的能量分配问题。由此提出炉料配热系数的概念：Q料=1Q总或P料=1PR1式中，1炉料配热系数，与入炉原料的物化性能及复原剂的反响活性有关；Q料未熔化炉料区所分得的热量；Q总进入电炉的总热量；P料

5、未熔化炉料区所消耗功率；PR进入电炉的总有效功率。转贴于论文联盟.ll.由电工原理可推导出：R=1R料2式中，R操作电阻；R料未熔化炉料区域的炉料电阻。对应每一个产品的冶炼工艺的每一种炉料组成，都存在一个最正确的炉料配热系数，此时炉料的熔化速度与其复原反响速度相匹配。假如输入的电能过多地消耗在熔化炉料上，熔料速度过快，反响区温度低，渣多而产品少，炉内结瘤，电极上抬，料面堆高，复原反响不彻底，渣中主元素含量高。假如炉料熔化过慢，那么产品过热，有用元素挥发损失增大，单位电耗升高，产量少，反响区过小，炉底过热，侵蚀快。文献3介绍，热分布原理的前提是假定反响区和炉料区相别离。硅铁电炉中反响区和炉料区的

6、别离，是由于电极尖端形成的坩埚而造成的。假如炉料频繁堆入坩埚，那么只能造渣而生成不了任何金属。对于有渣法工艺，焦炭层将熔渣和未熔的炉料分开。用适宜粒度的焦炭调整焦炭层的厚度是非常重要的。焦炭粒度过小，焦炭层簿，反响区和炉料区不好别离，操作困难。焦炭粒度过大，会使操作电阻降低，炉气温度高，电耗高。3矿热熔炼炉熔炼模型反响区和炉料区几何形状确实定原那么，是以某一等温线作为划分界限。图2中等温线的形状很像电极之间电场的电力线，其分布与该电场的电路吻合。电场中央局部等温线比拟严密，说明炉料性能不一致。在对流传热极小导热性能低的无渣熔池中，熔池各层的温度，特别是接近熔池外表的温度，主要取决于该部位放出的

7、能量密度。在此可以设定反响区以坩埚边缘温度1900作为界限温度。224VA炉料级铬铁封闭电炉内的温度分布5据有关文献6介绍，用碳作复原剂时，生成r32的温度为1096，生成r73的温度为1130，而生成纯铬的开场温度为1775。由图3的温度分布情况，可设定1250的等温线作为界限温度。从两台电炉内的炉料热分布可见，假如把某等温线作为区分反响区与炉料区的界限，那么反响区的形状就如同一个由曲面围成的圆台体。而炉料区的形状比拟复杂，且冶炼不同产品其形状差异也较大。理想状态下的反响区应具有较大的体积和较小的散热面积，而球体就具备此特征。因此，模型的反响区形状可设定为半球体，其底面为金属液面或导电炉底见

8、图4。图4反响区形状示意图反响区体积：3式中，D反响区底面；d电极直径；电极端头插入反响区局部的形状系数，当端头呈半球形时=1。炉料区的形状比拟复杂，但炉膛有效体积可假定为以反响区底面为底、高度为H炉膛的有效深度的正几何体。对于三电极电炉，其炉料区体积为：4忽略电极插入炉料区所占的体积为分析方便，将构成炉料电阻的炉料区设定为长度为L、有效面积为S的几何体。L为两相电极外表间距；S为垂直两相电极中心连接线的炉料截面的有效面积不包括“死料区面积。由于三根电极的外侧外表与炉墙间的炉料区的电流回路为三角形回路，故在此将其忽略。每个冶炼操作过程，都相应地存在一个适宜的反响区功率密度。这个值一方面在一定程

9、度上决定着冶炼的电气制度是以电阻方式还是以电弧方式进展工作的先决条件；另一方面决定着反响区的温度分布，三电极电炉反响区功率密度表达式为：5式中，PVT为反响区功率密度；P反为反响区所占功率，即P反=PR11。将3式代入5式，得到6式：6根据斯特隆斯基的理论，反响区底圆直径等于极心圆直径7，只有这样才能使整个料面其中包括三个电极的中间局部都成为活性区，否那么或是中心区成为死料区，或是消费才能降低。转贴于论文联盟.ll.所以，6式可以被认定是极心圆的表达式。三电极电炉炉料区功率密度表达式为：7其中，PV为炉料区功率密度；P料为炉料区所占功率，即P料=1PR8V为炉料区构成角形电阻局部的体积，即V=

10、SL9炉料区两电极之间的炉料电阻为10式中，炉料区有效比电阻。通过710式可推导出11式：11是角形回路电阻，将其换成星形电阻，那么R料=。R=1R料，,结合11式可推导得出12式：12由于D=Ld，那么上式可变为，13PR=反响区体积PVT炉料区体积PV14对于三电极电炉在忽略电极尺寸的影响时，从3、6式可得VT=将此两式及4式代入14式，可推导出表达式15：半球状装置插入的导电系数恒定，且尺寸无限大的均一介质的电阻可用公式8来表述：式中，为这一均匀介质的比电阻；d为半球装置的直径。矿热熔炼炉的反响区电阻也可以用上述公式表示。考虑到反响区尺寸有限，且并非均匀介质，只是插入反响区的电极端头近似

11、为半球体，所以可引用修正系数k9，即结合，可得：16由及12式可推导出下述操作电阻的表达式。174讨论从模型极心圆的数学式6中可见，当插入反响区的电极体积忽略不计时，极心圆的表达式可简化为：D=4(11)/PVT1/3PR1/318在忽略电极半径对电极外表间距的影响，即D=L时，二次电流的表达式可简化为：19电极直径及操作电阻的简化式分别为：2021通过19、20式可推导出22从上述简化了的表达式中可以分别得出，威斯特里经历式中各参数系数与炉料物化性能的关系。从12式及可推导出下式：23式中，与炉料中导电物的数量、粒度及温度分布有关，这与相似数和炉内固定碳量与金属之比有关是同一概念，并更为全面

12、。所以说，23式比拟详细和准确地反映了相似数的物理意义。对此可利用本文简化模型的电流计算式19得到的电流系数的表达式进展分析。24从式24可见，当操作处于最正确状态时，1是一定的，PVT与所炼合金品种有关，因此流，即流与炉料比电阻的二分之一次方成反比。而高纯度硅石的熔化温度高于含氧化铝和氧化钙高的硅石，即高纯硅石的PV大，反之那么PV校这个分析结果与埃肯公司的统计结果相符。某厂25VA电炉冶炼炭素铬铁时二次电压由225V改为210V，为获得良好的操作指标，焦炭粒度由2540调整到3050。两台电炉当某一参数变化后，共同的作法是调整炉料电阻，以保证热分配系数1的恒定，从而获得良好的操作指标。文献11也介绍了通过改变炉料电阻到达改善操作指标的作法，这与模型明确的炉料电阻的作用是一样的。5结语以及相似法中相似数的物理意义，即极11)1/3流PV1/2(11)1/3膛4PVTPV)K2j(PV3/2操作电阻PV11)2/3在原料物化性能发生变化时由上述关系式对各参数的变化趋势进展判断、调整，以到达良好的操作指标及设计参数的准确性。参考文献1李景春.矿热熔炼炉参数计算方法浅析.铁合金，1996(5):12斯特隆斯基.矿热熔炼炉：543埋弧电炉设计和运行中的主要参数.戴维译.铁合金，1978(12：414斯特隆斯基.