新建或者大修的矿热炉开炉过程中新电极焙烧的方法及步骤

新建的和经过大修的矿热炉新电极焙烧,采用强化烧结办法。如果烧结温度上升缓慢、烧结时间过长,加热的液态电极糊会发生离析。这时,烧成电极达不到要求的强度,在提高负荷时会断裂。焙烧速度过快会造成电极疏松、强度低,在升负荷时也会发生电极断裂。通常的开炉过程电极烧结方法有三种,即焦炭焙烧电极、天然气焙烧电极和电焙烧电极。

焦炭焙烧电极

我国电极直径在1.3m以内的矿热炉,电极焙烧常采用此方法。采用此方法的优点是简单易行,开炉工序短,一般3~4天可以出铁。

开炉前将电极末端的电极壳制作成带底的下小上大的圆台,尽量放长电极壳直至圆台坐在炉底平砌的黏土砖上,分期分批向电极壳内加入电极糊,加至铜瓦以上1~2m处。为便于使电极糊的挥发分逸出,必须在电极壳上均匀扎一些小孔。3个电极周围用黏土砖砌成花墙或用圆钢焊成铁栏,在花墙或铁栏内加入焦炭,点火燃烧。火焰要自下而上、由小到大均匀燃烧,完成电极焙烧后将花墙拆除,将铜瓦抱在焙烧好的电极上,抬电极送电。

图1所示为12.5MV·A矿热炉焦炭焙烧电极的开炉过程送电制度示意图。送电初期,负荷不宜过大,适当延长达到50%额定电流的持续时间。在烘炉送电和投料的初期,焦炭和料层厚度较薄,电极的消耗速度较快。由于焦炭焙烧的电极长度有限,升负荷时间过长会造成电极工作端长度不足。因此,应尽量缩短达到满负荷的时间,使电极消耗速度与负荷增长速度相匹配。

图1  12.5MVA矿热炉焦炭焙烧电极的开炉过程送电制度示意图

通常可根据焦炭焙烧的电极长度计算达到满负荷的时间t1。

天然气焙烧电极

天然气焙烧电极的特点是开炉周期短、负荷上升快。电极直径为1.5m的矿热炉开炉过程如下:炉底铺约500mm厚的大块焦,电极下端焦炭厚约800mm,焙烧电极长度约2000mm,利用天然气焙烧电极3天。焙烧至第2天开始压放电极。至第3天焙烧结束时,电极工作端可达5.4m。在焙烧电极期间,每班必须添加一次电极糊,糊柱高度应控制在铜瓦上沿lm处。焙烧结束时糊柱高度为2m。焙烧电极结束以后必须送电烘炉。通常采用低电压、小电流(不大于30%的额定电流)电烘3天,然后逐渐提高电压、增加负荷。在适当时机开始加料,至送电后的第5天达满负荷。

电焙烧电极

一些厂家对大直径电极采用电焙烧电极和电烘炉。这种方法升负荷缓慢、开炉时间较长,但工人劳动强度低。

表1所示是一些生产用矿热炉电焙烧电极的情况。

表1  一些生产用矿热炉电焙烧电极情况

电焙烧电极时,将电极坐于炉底上,电极周围用焦炭等导电性物料围起来,高度以电极直径的0.5~1倍为宜,电极之间略高些。送电后,电极间形成回路(主要是三角形回路),焦炭起到“导流”作用。在实践中,有如下几种情况:

(1)先用焦炭焙烧电极。焦焙电极长度约占焙烧总长度的1/3,再送电继续培烧电极。

(2)矿热炉大修时,三根电极端头留有0.5m左右长度的硬头。

(3)三相电极都无硬头,端头用铁皮焊死,密闭电极壳后,重新加入电极糊,直接送电培烧。

开炉送电后,根据实际情况,以适宜的供电制度,在焙烧电极的同时达到逐渐烘烤炉衬的目的。

保留旧电极硬头直接电烘炉时,首先要解决的问题是保证送电后电极不发生硬断,即实现电极从室温状态到高温状态(冶炼反应所需的温度条件)的顺利过渡。自焙电极内部的应力因温度分布差异、受力状况及微观结构差异而呈现分布不均和变化状态。当电极内部应力超过极限强度,电极就会发生裂纹,而频繁或急剧的温度变化会使这些裂纹合并、长大,导致电极硬断。

电极电流变化对电极热应力的影响如图2所示。电极热应力随电流周期波动次数的增加而递增,表面应力是中心应力的1.6倍。根据电极热应力的产生和分布规律,只要减小电极电流的变化率,就可以防止电极内部产生裂纹和防止裂纹扩大。可以采取的措施是:停电或送电均采取较小的电流变化率。停电前,尽可能在一段时期内逐步降低电流值,不能从满负荷分闸停炉。送电时,缓慢提高负荷,在变压器调压许可的范围内,尽可能使负荷递增并呈连续状态,以降低运行电流的变化率、防止电极硬断。

图2 电极电流对电极热应力的影响

直接送电焙烧电极,其能量来源图2电极电流对电极热应力的影响主要是电阻热。刚送电时,电极糊呈块状,电阻很大,电流几乎全部经电极壳通过,需要研究的是此时电极壳能否承受变压器输出的电流,电极壳是否会被击穿或熔穿。在某实验中,用厚度为1.5mm的钢板制成直径为900mm的电极外壳和炭质极芯,在不同温度下作出1cm长度内的电阻值列于表2。

表2  电极壳和炭质极芯在不同温度下的电阻实验数据

在该实验中,电极壳所承受的平均电流密度为6.1A/mm²。在低温时,电极壳电阻率比较低,它更能承受较大电流。电极壳冷却条件好的部位(如铜瓦夹紧位置)更不会被击穿。

在直接电焙烧电极的工艺条件下,电阻热逐步使电极糊熔化、气体挥发吸热,电极壳实际温度不至于迅速升高而被熔穿。而且,随着电极糊熔化、烧结,温度升高,炭质极芯电阻率降低。也就是说,电极截面中炭质极芯会逐步承担分流(电流)任务,电极壳内实际承受的电流密度逐渐变小。

电焙烧电极负荷控制的要点是:可根据电极壳外面冒出火焰的情况观察、判断电极烧结状况,当冒出火焰无力、长度小于50mm,可增加负荷;当冒出火焰长于150mm、冲出速度大、烟发黑,则必须降低负荷。负荷调整方式为变更有载调压级数,也可在电极周围适当投加少量焦炭以调整电流值。

电极焙烧好的标志是:电极壳表面呈灰白色,电极外表微呈暗红,排气孔冒烟少且冒烟量不随负荷的增加而明显变化;或者用带尖的圆钢棍探刺,此时手感稍有些软,但又有一定弹性。

电烘炉、投料冶炼

电极焙烧好后,进入电烘炉阶段。为更有效地利用热能、烘烤炉底,可以投料造渣烘炉。

开炉加料前,炉底必须具有一定温度。加料过早、过急,会使炉底上涨,严重时出铁口无法打开;力U料过晚、过慢,电极振动大,炉口温度高,热损失大,极易出现电极和设备事故。由分析开炉过程的热平衡和物料平衡,可以得出如下结论:

(1)硅铁75的开炉生产过程中,合金硅的回收率远远低于正常生产。实际生产的硅回收率为90%左右,而开炉过程的硅回收率仅为45%,大量的硅元素以蒸气或SiO形式损失掉。为得到合格的产品就要考虑出炉前的配料比和加料量。

(2)开炉初期的热利用率远远低于正常生产的热利用率。硅铁75生产过程的热利用率为50%左右,开炉过程的热利用率仅为20%。送电初期,长时间的裸弧操作和炉衬的蓄热使炉温偏低。开炉初期的加料速度不宜过快,否则将造成炉底上涨甚至矿热炉冻结而不能维持生产。表3列出了烘炉过程炉衬中部实测的温度数据,表明炉衬升温和蓄热是一个缓慢的过程,需要经过一个多月的时间炉温才能达到平衡,即炉衬备部位温度分布基本维持不变。

表3  烘炉过程炉衬中部实测的温度数据

开始加料时间一般选择在电极达到满负荷电流25%~30%时,加料速度要高于正常生产,这是由于炉内除电极周围熔炼区需要添加较多的炉料外,炉内的死料区也需要在开炉过程中添足炉料。加料速度应与耗电量成正比。建议采用下式计算每单位耗电量的加料批数/V:

加料时应少加,勤加,保持料级缓慢上稓,这对无渣法冶炼工艺尤为重要。电极附近缺料时,应尽量用大铲推料。为快速形成熔池成坩埚,可在加料初期加入一些破碎好的回炉铁,其加入数量与正常一炉出铁量相当。

出铁时间的确定

新开炉的热利用率远远低于正常冶炼,热损失大。第一炉铁的耗电量远大于正常炉的耗电量。某12.5MV·A矿热炉冶炼硅铁75,从烘炉算起,耗电55000〜60000kW·h时安排出第一炉铁;以后在五个班内把料面逐步加到正常高度,即进人正常生产阶段。该炉电焙烧电极耗电约60000kW·h,时间为31h;电烘炉耗电70000kW·h,时间为13h;整个开炉过程耗电约200000kW·h,历时约50h。
不同冶炼品种的炉膛内结构差别很大,硅铁75、工业硅等产品开炉,应以形成良好结构的坩埚为主要目的,第一炉耗电高于其他品种,通常是有渣法的2~3倍。用有渣法开炉,可以充分利用炉渣和合金流动性好、导热好的特点,迅速提高炉温,创造较好的出炉条件。由于开炉初期炉温较低,炉内积存一定量炉渣和铁水有助于加热炉衬;有渣法的第二、三炉耗电应适当高于正常炉耗电,以保证炉渣和铁水足够过热。无渣法形成坩埚的过程时间较长,因此出炉时间仍需要适当延长。

合金成分的控制

在开炉初期,炉膛温度逐渐升高,而元素回收率、热利用率等与正常生产差别较大。电烘炉初期炉膛内充满过剩焦炭,若不采取相应措施适当调整配料比,则不可避免地造成开炉过程中产品成分的波动和炉况的恶化。
加料时要估算出炉内存焦量,在加料的前期按减焦20%~30%计算料批,将炉内存炭作为还原剂消化掉。由于开炉初期料层薄,#祸没有形成,有相当一段时间用明弧操作,大量硅元素气化损失,中间产物SiO得不到充分利用。在料面较低时,铁屑熔化形成的金属珠会很快落人炉底熔池,如不适当调控人炉钢屑数量,势必造成合金硅含量低。为了保证合金成分,通常在开炉初期应减少钢屑配人量。
合金中的杂质元素铝、磷、硫等的回收率也与温度有关。温度低有利于磷的还原,加上开炉初期硅利用率低的特点,前几炉产品的磷含量一般都高于正常产品。为保证合金成分,开炉初期应适当配人含磷低的原料。硫含量也与炉温有关,开炉初期合金硫含量普遍偏高。
通常铁的还原优于合金元素的还原,因此开炉初期,钙、铬、锰、硅等合金可能出现主元素偏低的情况。
事实上,合金成分变化反映了炉内温度状况。根据合金成分变化可以推测炉温的恢复状况和炉况的好坏,为处理炉况和调整炉料配比提供依据。
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