一種交流電弧爐冶煉電熔鎂的功率密度控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電熔鎂冶煉技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種利用交流電弧爐冶煉電熔鎂的功率 密度控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電熔鎂是重要的用于冶金工業(yè)的耐火材料，通常采用天然優(yōu)質(zhì)菱鎂礦石（MgC03)、 水鎂礦石（Mg(0H)2)、輕燒氧化鎂和死燒氧化鎂等作原料在三相電弧爐中熔融制得。我國(guó)菱 鎂礦資源豐富、質(zhì)地優(yōu)良，是優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)之一，在世界上占有重要的地位。其中菱鎂礦在電弧 爐中受熱分解生成電熔鎂的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是碳酸鎂受熱分解成氧化鎂和二
[0003] 氧化碳?xì)怏w的過(guò)程，其具體的反應(yīng)式如下
[0005] 該反應(yīng)生成的MgO就是電熔鎂的主要成分，其含量的高低是衡量電熔鎂產(chǎn)品質(zhì)量 的重要指標(biāo)，MgO的熔點(diǎn)是2852°C。菱鎂礦石經(jīng)過(guò)電弧的加熱在電弧爐中融化形成熔池， 熔池的溫度在2800°C至3200°C，再次投入到熔池中的礦石融化后擴(kuò)大熔池的體積，實(shí)踐證 明，投入熔池礦石的尺寸、數(shù)量以及冶煉電壓電流的大小都會(huì)影響電熔鎂的產(chǎn)率。
[0006] 目前各種控制策略控制的是電極的升降來(lái)控制電流的恒定，屬于恒功率控制，其 缺點(diǎn)是：注入熔池的功率密度是變化的，隨著熔池的不斷擴(kuò)大，注入熔池的功率密度不斷 減小，導(dǎo)致熔池接受的熱量不均勻，形成的融坨內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、密度小，含雜質(zhì)多，單噸能耗 高。而且，從冶煉反應(yīng)上講，注入熔池單位體積功率密度能真實(shí)體現(xiàn)冶煉情況。為了克服恒 功率控制的上述缺點(diǎn)，將恒功率控制優(yōu)化成恒功率密度控制則是現(xiàn)有技術(shù)中有待解決的問(wèn) 題。
[0007] 注入熔池單位體積功率密度
式子中，4表示 反應(yīng)區(qū)功率密度；PB代表注入熔池的有效功率，可以用三相不平恒交流電的功率求法求解； η代表電極數(shù)目；VT代表反應(yīng)區(qū)體積，在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著冶煉狀態(tài)的變化而變化，而且形狀 不規(guī)則，沒(méi)有精確的公式可以套用，反應(yīng)區(qū)域體積的計(jì)算成為了計(jì)算以及控制注入熔池單 位體積功率密度的難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種交流電弧爐冶煉電熔鎂的功率密度控 制方法。
[0010] 本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種交流電弧爐冶煉電熔鎂的功率密 度控制方法，其特征在于，步驟如下：
[0011] (1)通過(guò)熱成像儀采集2路爐體表面的溫度分布圖像；
[0012] (2)通過(guò)圖像合成器采集到的2路圖像合成完整的爐體表面的溫度分布圖；
[0013] ⑶采用有限元計(jì)算爐體內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布；
[0014] ⑷計(jì)算熔池的體積VT :
[0016] 其中，VT1為熔池和插入熔池中的石墨電極的總體積，即，通過(guò)將電弧爐內(nèi)部大于等 于溫度2800°C至2852°C的部分的體積元累計(jì)求和得出VT1 ;
[0017] hT為熔池的上表面距離爐底高度；
[0018] ha、hb、h。分別代表三根電極距離爐底的高度；
[0019] (5)根據(jù)功率和熔池體積計(jì)算功率密度；
[0021] 其中，PB為三相有功功率；
[0022] (6)計(jì)算投入礦石的重量；
[0024] 其中h為超聲波探頭與礦石表面的距離；Λ h為振打式料倉(cāng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，h的變化， P為已知礦石堆放在一起的平均密度；料倉(cāng)由兩部分構(gòu)成，上部分是圓柱，下部分是圓錐， H1是超生波探頭距離料倉(cāng)圓柱部分和圓錐部分分界面的距離，H2是超生波探頭距離料倉(cāng) 底部的距離。
[0025] (7)根據(jù)步驟（5)計(jì)算的功率密度，結(jié)合冶煉階段狀態(tài)、料倉(cāng)投料重量，通過(guò)PID控 制調(diào)整電極的升降高度和閥門(mén)的開(kāi)合大小，進(jìn)而控制功率密度。
[0026] 所述步驟（3)采用有限元計(jì)算爐體內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布的具體步驟如下：首先利用 有限元計(jì)算軟件，在計(jì)算機(jī)中按照爐殼和電極的的尺寸建立模型，輸入礦石的材料特性參 數(shù)，具體包括：磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱特性，將所建立的模型分割成若干個(gè)六面體單元，六面 體單元的個(gè)數(shù)選擇8000到10000個(gè)，分割的方法是從三根電極的軸線開(kāi)始向外側(cè)輻射直至 爐殼，由于每個(gè)六面體都有8個(gè)頂點(diǎn)，爐殼最外側(cè)的每個(gè)六面體靠外側(cè)的4個(gè)頂點(diǎn)會(huì)根據(jù)熱 成像儀采集到的數(shù)據(jù)被賦予溫度值；而靠?jī)?nèi)側(cè)4個(gè)頂點(diǎn)的溫度則根據(jù)溫度梯度計(jì)算，用外 側(cè)4個(gè)頂點(diǎn)的平均值減去溫度梯度與六面體內(nèi)外表面的距離的乘積，得到內(nèi)側(cè)4個(gè)頂點(diǎn)的 溫度平均值：
[0027] (Tol+To2+To3+T o4) ^4-dXg = (T^+T^+T^+TJ ^4,
[0028] 進(jìn)一步整理得到
[0029] T^+T^+T^+T^ = Tol+To2+To3+To4-4dXg
[0030] 其中Tu、Tl2、Tl3、Tl4表示六面體內(nèi)側(cè)4個(gè)頂點(diǎn)的溫度，L、1； 2、1；3、Ι；4表示六面體 外側(cè)4個(gè)頂點(diǎn)的溫度，d是六面體的高度，也就是Tu、Tl2、Tl3、Tl4所在平面到L、1； 2、1；3、1；4所在平面的距離；g是溫度梯度，取值為1800°C /m到2400°C /m ;
[0031] 將分割后的每個(gè)六面體都列寫(xiě)出上面的式子，聯(lián)立求解得出內(nèi)側(cè)各點(diǎn)的溫度；求 解出的各點(diǎn)的溫度也是下一層六面體的外側(cè)頂點(diǎn)的溫度，用同樣的方法求出下一層六面體 內(nèi)側(cè)頂點(diǎn)的溫度，依次類推，求出所有頂點(diǎn)的溫度；取8個(gè)頂點(diǎn)的溫度平均值作為頂點(diǎn)所在 六面體的溫度，從而得出整個(gè)爐體的溫度分布。
[0032] -種用于前述交流電弧爐冶煉電熔鎂的功率密度控制方法的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包括加載在原有電熔鎂冶煉平臺(tái)上的三相功率表、熱成像儀、圖像合成器、溫度場(chǎng)分 布有限元計(jì)算模塊、熔池體積積分計(jì)算模塊、功率密度計(jì)算模塊、冶煉階段計(jì)時(shí)器模塊、冶 煉決策處理器、電極位置控制模塊、料倉(cāng)閥門(mén)控制模塊、粗細(xì)料倉(cāng)閥門(mén)；
[0033] 其中，所述的熱成像儀設(shè)置2個(gè)，熱成像儀A和熱成像儀B沿電弧爐的一條直徑相 對(duì)布置；
[0034] 所述的超聲波料倉(cāng)投料重量計(jì)算模塊，包括超聲測(cè)距儀、進(jìn)料口、礦石料倉(cāng)、振打 式料倉(cāng)閥門(mén)；所述的礦石料倉(cāng)的主體是圓筒形，直徑為D，其底部是圓錐形。
[0035] 使用時(shí)，礦石料倉(cāng)配備2個(gè)，一個(gè)存放直徑30mm以內(nèi)的礦石細(xì)料，一個(gè)存放直徑 30mm到100mm的礦石粗料。
[0036] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采用上述方案，可以針對(duì)熔池體積、功率密度進(jìn)行計(jì) 算。可以控制投入礦石的時(shí)機(jī)、數(shù)量以及礦石的粒徑尺寸。通過(guò)改變電極的升降高度和閥 門(mén)的開(kāi)合大小，實(shí)現(xiàn)控制功率密度。通過(guò)該方法可以彌補(bǔ)目前交流電弧爐冶煉電熔鎂控制 方法的缺陷，有助于降低電弧爐單噸能耗，增加效益。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1是搭建在原有電熔鎂冶煉平臺(tái)上的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0038] 圖2是超聲波料倉(cāng)投料重量計(jì)算模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039] 圖3是本發(fā)明方法的流程圖。
[0040] 圖4是有限兀模型網(wǎng)格圖。
[0041 ] 圖5是爐體溫度分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 在原有的電熔鎂冶煉平臺(tái)上搭建數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，參見(jiàn)圖1，圖1中電熔鎂冶煉 平臺(tái)由熔池18、爐殼17、三個(gè)石墨電極16、導(dǎo)電橫臂15及水冷母線14構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集處 理系統(tǒng)由三相功率表1、熱成像儀2A、2B、圖像合成器3、溫度場(chǎng)分布有限元計(jì)算模塊4、熔池 體積積分計(jì)算模塊5、功率密度計(jì)算模塊6、冶煉階段計(jì)時(shí)器模塊7、冶煉決策處理器8、電極 位置控制模塊9、料倉(cāng)閥門(mén)控制模塊10、粗細(xì)料倉(cāng)閥門(mén)、超聲波料倉(cāng)投料重量計(jì)算模塊13組 成。其中，熱成像儀2A和熱成像儀2B延電弧爐的一條直徑相對(duì)布置，如圖1所示。
[0043] 其中超聲波料倉(cāng)投料重量計(jì)算模塊13的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2,主要有超聲測(cè)距儀131、進(jìn) 料口 132、礦石料倉(cāng)133、振打式料倉(cāng)閥門(mén)134組成，料倉(cāng)133的主體是圓筒形，直徑為D，料 倉(cāng)13的底部是圓錐形，由于該功率密度控制方法的要求，需要這種結(jié)構(gòu)的料倉(cāng)13為2個(gè)， 一個(gè)存放直徑30mm以內(nèi)的礦石細(xì)料，一個(gè)存放直徑30mm到100mm的礦石粗料。
[0044] 熱成像儀2A、2B的作用是采集2路爐體表面的溫度分布圖像，圖像合成器3將這 兩路圖像合成完整的爐體表面的溫度分布圖。
[0045] 溫度場(chǎng)分布有限元計(jì)算模塊4利用熱力學(xué)公式計(jì)算出爐體內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布。
[0046] 具體計(jì)算過(guò)程為：利用有限元計(jì)算軟件，在計(jì)算機(jī)中按照爐殼和電極的的尺寸建 立模型，輸入礦石的材料特性參數(shù)，具體包括：磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱特性，將所建立的模型 分割成若干個(gè)六面體單元，六面體單元的個(gè)數(shù)選擇8000到10000個(gè)，分割的方法是從三根 電極的軸線開(kāi)始向外側(cè)輻射直至爐殼，參見(jiàn)圖4。由于每個(gè)六面體都有8個(gè)頂點(diǎn)，爐殼最外 側(cè)的每個(gè)六面體靠外側(cè)的4個(gè)頂點(diǎn)會(huì)根據(jù)熱成像儀采集到的數(shù)據(jù)被賦予溫度值；而靠?jī)?nèi)側(cè) 4個(gè)頂點(diǎn)的溫度則根據(jù)溫度梯度計(jì)算，用外側(cè)4個(gè)頂點(diǎn)的平均值減去溫度梯度與