научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧЕГО КОНЦА ЭЛЕКТРОДА И ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ВАННЫ РУДНОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ ВО ВРЕМЯ ПРОСТОЯ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧЕГО КОНЦА ЭЛЕКТРОДА И ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ВАННЫ РУДНОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ ВО ВРЕМЯ ПРОСТОЯ»

ЦВЕТНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

УДК 621.36/2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧЕГО КОНЦА ЭЛЕКТРОДА И ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ВАННЫ РУДНОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ ВО ВРЕМЯ ПРОСТОЯ

© Белоглазов Илья Ильич, канд. техн. наук, e-mail: filosofem@mail.ru Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Россия, Санкт-Петербург

Педро Анатолий Александрович, e-mail: pedro1938@mail.ru ООО «ЛЕННИИГИПРОХИМ». Россия, Санкт-Петербург Статья поступила 06.09.2013 г.

Рассмотрена природа и характер существования ЭДС в цепи «электрод-земля» на отключенной руднотермической печи во время простоя. Показано, что наличие ЭДС связано с процессами, сопровождающими выравнивание температуры между однородными контактами электрода и угольной футеровки с материалами, заполняющими ванну (эффект Пельтье), а также градиентами температуры в материалах (эффект Томсона). Наличие ЭДС можно использовать для создания принципиально нового метода оценки температуры рабочей поверхности электрода и теплового состояния ванны во время простоя.

Ключевые слова: руднотермическая печь; электрод; термоэлектродвижущая сила; режим разогрева.

Один из важнейших факторов повышения надежности работы электродов рудно-термических печей - правильный выбор режима коксования стартовых электродов и разогрева печи после простоя. При повышенной скорости коксования стартовых электродов возможен прогар металлического кожуха с вытеканием электродной массы, при пониженной - формируемый электрод недостаточно прочен, что может привести к его обрыву. Повышение скорости разогрева сверх необходимой сопровождается образованием трещин в электроде, что может привести к сколам и облому. Но при замедленном разогреве время выхода печи на рабочий режим превышает необходимое, в результате чего печь недодаст продукцию.

Кроме того, при длительных простоях возможно так называемое переохлаждение ванны, сопровождающееся увеличением ее электрического сопротивления. В этом случае пуск печи затруднен, перемещением электродов пытаются добиться появления в них тока при включении печи. Это нередко приводит к обломам электродов. Для предупреждения переохлаждения ванны периодическими включениями печи на минимальной мощности стараются поддерживать такой уровень проводимости ванны, который позволил бы в дальнейшем вывести печь на рабочий режим без каких-либо осложнений.

Эти включения носят субъективный, далеко необоснованный и неоптимальный характер, нередко печь вообще не отключают,

и она работает с некоторой минимальной мощностью, т.е. практически с непроизводительной тратой электроэнергии. В связи с этим обоснование кратковременных включений печи для поддержания проводимости ванны, необходимой для успешного ввода печи в рабочий режим после простоя, имеет большое практическое значение.

Предложено много способов определения режима разогрева печи после простоя [1-3], однако они носят эмпирический характер и недостаточно обоснованы. Основной их недостаток - отсутствие надежного критерия определения начального (пускового) тока и режима разогрева. Безусловно, наиболее надежным критерием может быть только знание теплового состояния электрода, т.е. характера температурных полей в его теле при отключении и их изменение в процессе остывания и разогрева.

Наиболее достоверный метод оценки теплового состояния электрода - его зондирование [3]. Недостаток этого метода помимо его сложности - возможность контроля температуры только на стартовых электродах. На печах, находящихся в эксплуатации, термопары обычно сгорают или закорачиваются металлом плавящегося кожуха (трубы), в котором они находятся, не достигая 1,0-1,5 м до торца электрода. О температуре рабочего конца электрода обычно судят по косвенным показателям - температуре кожуха печи и футеровки или продолжительности простоя. Однако такая оценка весьма приблизительна.

200 п

150

100 -

50

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Ъ, ч

Углерод (футеровка) Г+ЛГ

ФГ

Шихта

к-н

Углерод (футеровка)

т

фго

фобщ = (фГ+ТЛГ - фГт) + лфгГ = лфгет + лфго

Рис. 2. Схема термогальванического элемента в руднотермической печи после прекращения подачи энергии

ф

Рис. 1. Изменение ЭДС в цепи «электрод-земля» на печи РКЗ-80Ф во время простоя (два разных случая)

На ряде руднотермических печей для производства фосфора, карбида кальция, плавленых фосфатов было отмечено, что сразу после отключения печи, т.е. снятия рабочего напряжения, на регистрирующем приборе (милливольтметре постоянного тока), включенном параллельно фазному вольтметру, фиксируется значение 150200 мВ, постепенно убывающее по мере остывания печи (рис. 1). В измерительной цепи эта ЭДС направлена от электрода к земле, т.е. на электроде положительный потенциал.

Тенденция к выравниванию температуры между однородными контактами электрод -электролит (углеродная футеровка - материал, заполняющий ванну и углеродный электрод - тот же материал) делает возможным протекание процессов, способствующих этому выравниванию. Следствием этих процессов является появление ЭДС, вызванной тепловыми эффектами как в контактах электрод - электролит (эффект Пель-тье), так и в однородных проводниках, имеющих градиент температуры (эффект Томсона). Проще говоря, если два электрода одной природы, погруженные в один и тот же электролит, имеют разную температуру, то между этими электродами возникает ЭДС. Образуется система «термогальванический элемент», положительным полюсом в которой служит электрод с большей температурой.

Термодинамическая характеристика такого элемента - термопотенциал. Значение термопотенциала, т.е. работы термогальванического элемента, является результатом двух процессов - гетерогенного (ГЕТ) и гомогенного (ГОМ). Первый обусловлен электрохимической реакцией на границе электрод-электролит, второй связан с температурным градиентом в электролите. Общая схема термогальванического элемента и его ТЭДС, как суммы скачков потенциала, для рудно-

термической печи с угольной футеровкой показана на рис. 2. Существование ТЭДС на стартовых электродах, когда практически отсутствует химическое взаимодействие углеродных электрода и футеровки с компонентами коксовой постели, подтверждает, что в данном случае термоэлектрический эффект вызван градиентом температуры в слое кокса и разницей температуры в местах контакта кокса с электродом и угольной футеровкой или подиной.

Гораздо большие значения ТЭДС, отмеченные на рабочих электродах во время простоя, по сравнению со стартовыми, не исключают наложения и потенциала, возникающего в результате различия скоростей протекания реакций на поверхностях электрода и футеровки из-за разных температур на них. Это могут быть реакции восстановления, где в качестве восстановителя выступает углерод электрода и угольной футеровки. Возникающая в обоих случаях ЭДС определяется уравнением Нернста

Е = -[ЛТ/(пР)]1пК, (1)

где Л - газовая постоянная; Т - температура на поверхности контакта; п - заряд переносчиков тока (ионов); Р - число Фарадея; К - константа равновесия реакции, зависящая от активностей (концентраций) исходных веществ и продуктов реакции.

Поскольку для руднотермических печей во время простоя активности веществ, реагирующих у поверхностей электрода и футеровки, можно считать постоянными, то ТЭДС, измеренная в цепи «электрод-земля», возникает в результате химического взаимодействия

Е = Е - Е2 = [Я(Т2 - ^/(пЩпК. (2)

где Ег и Е2 - ЭДС на поверхностях электрода и подины соответственно.

Как и в случае гомогенной природы ТЭДС, так и в результате химического взаимодействия, на электроде будет положительный потенциал, т.е. ток будет направлен от электрода к земле.

(-ч

60 -

30

0 30 т, мин

Рис. 3. Изменение ТЭДС при отключениях печи РКЗ-80Ф во время коксования стартовых электродов

(2),

зависимость

(3)

Согласно уравнению Е = f(T2 - T1) линейна

Е = a(T2- Tj), где a = [R/(nF)]bK.

Температура футеровки T2 контролируется заложенной в нее термопарой. Тогда при известной T2 по величине E можно определить такой важный параметр, как температура рабочего конца электрода

T = T2 - E/a. (4)

Для определения связи между термогальванической ЭДС и температурой рабочего конца электрода зондировали стартовые и рабочие электроды печи РКЗ-80Ф для получения фосфора. Термозонд представлял собой металлическую трубу с помещенными в нее в алундовой соломке W/Re-термопарами. С помощью термопары, установленной в районе шлаковой летки, определяли температуру футеровки.

Кривые изменения ТЭДС во время нескольких последовательных отключений печи в период коксования стартовых электродов (рис. 3) подтверждают, что значения ТЭДС в момент отключения печи и в момент последующего включения постепенно повышаются, что свидетельствует о росте температуры электрода. На третьей кривой в момент отключения и при последующем включении величины E меньше по сравнению с предыдущим отключением, свидетельствуя, что печь была преждевременно отключена и, наоборот, с запозданием включена на разогрев, т. е. находилась в простое больше, чем следует, и включать ее для дальнейшего разогрева следовало раньше.

Математическая обработка полученных данных показала одинаковый характер зависимостей температуры электрода и футеровки и ТЭДС от времени с начала простоя:

Гэл =ГЭ° ехр(-Ат); Гф =Гф°ехр(-Я2т);

Е = Еоткл ехр(-£3т),

где Bx, B2 и B3 - коэффициенты; T^ и Еоткл -температура электрода и футеровки и ТЭДС в момент отключения печи.

150

«100 -

S

t-ч

50

10

20 30 P , МВт

40

Рис. 4. Зависимость ТЭДС от потребляемой мощности в момент отключения печи

В логарифмических координатах все зависимости носят линейный характер, а значения Тэ0л, ТО и Е , как показала дальнейшая обработка

ф откл ^ г

полученных результатов, зависят от потребляемой мощности в момент отключения печи Р

откл

(рис. 4). Коэффициенты В. определяются тепловой инерцией печи, количеством тепла, накопленного печью перед отключением, т.е. некоторой средней мощностью, с которой печь проработала некоторое время перед отключением.

В процессе исследования термогальванического эффекта на рудномермических печах для получения фосфора было отмечено, что температура на поверхности рабочего конца электрода на

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком