矿热炉

2024-04-12

矿热炉（通用6篇）

篇1：矿热炉

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应区和炉料区之间存在着一个最佳的配热关系，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）的半球形反应区和长为电极间距、炉料有效截面积为S′的炉料区构成的。文章简要地论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验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，即可比较具体、准确地反应出工艺相似法中相似数的物理意义。文中还介绍了该熔炼模型在实际生产中的指导作用。

关键词反应模型矿热炉参数

中图分类号 TF611 文献标识码A

DISCUSSION ON IDEAL SMELTING MODEL

OF SUBMERGED?ARC FURNACE

Li Jingchun

(Jilin Ferroalloy group Co.Ltd.,Jilin,China 13)

Absrtact Starting from the equivalent circuit and heat distribution in submerged?arc furnace,it is put forward that an optimum heat distribution relationship exists

between the reaction area and furnace charge area,in view of this,a simple smelting

model of submerged?arc furnace is set up.The model is constituted by the hemisphere reaction area whose

bottom is molten metal surface(or conductive furnace bottom)and furnace charge area whose length is electrode spacing and effective charge sectional

area is S′.The model′s rationality is briefly discussed,from this the mathematical formula for model ′s parameters are derived such as pitch circle diameter,secondary current,effective depth

of hearth,electrode diameter and operation tesistance etc.The relationship formula of

parameter coefficient in Westly experimental calculation and charge physical?chemical properties from simplifying model′s parameter formula are also derived;by further deiving parameter formala,physical

significance of analogue number in analogue method can be reflected more specifically

and exactly.The directive function of the smelting model in the production is also

introduced.

Keywods reaction moldel,ore smelting electric arc furnace,parameter

1 前言

随着铁合金冶炼技术的不断提高，铁合金电炉向着大型化、封闭化和计算机控制的方向发展。如何更准确地计算出适合生产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泛，计算结果比较接近实际。然而在计算过程中如何确定参数系数，则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）相同时反应区及

炉料区的功率密度存在一个最佳值，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。为今后在生产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依据。

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。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”Rc。这两个回路是相互并联的，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Rc的炉料区和电阻为Rr的反应区。这里炉料电阻产生热量使原料熔化，熔滴落入反应区，完成还原反应。

既然电炉熔炼电路由两个相互并联的电阻组成，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=C1×Q总（或P料=C1×PR）（1）

式中，

C1――炉料配热系数，与入炉原料的物化性能及还原剂的反应活性有关；

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――未熔化炉料区所消耗功率；

PR――进入电炉的总有效功率。

由电工原理可推导出：

R=C1R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，都存在一个最佳的炉料配热系数，此时炉料的熔化速度与其还原反应速度相匹配。如果输入的电能过多地消耗在熔化炉料上，熔料速度过快，反应区温度低，渣多而产品少，炉内结瘤，电极上抬，料面堆高，还原反应不彻底，渣中主元素含量高。如果炉料熔化过慢，则产品过热，有用元素挥发损失增大，单位电耗升高，产量少，反应区过小，炉底过热，侵蚀快。

文献〔3〕介绍，热分布原理的前提是假定反应区和炉料区相分离。

硅铁电炉中反应区和炉料区的分离，是由于电极尖端形成的坩埚而造成的。如果炉料频繁堆入坩埚，则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。用合适粒度的焦炭调整焦炭层的厚度是十分重要的。焦炭粒度过小，焦炭层簿，反应区和炉料区不好分离，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。

篇2：矿热炉

一、电烘炉前准备工作

1）检查和试车

烘炉前必须对变压器、短网进行性能及安全测试，冷却系统、电极把持系统、升降系统、配料投料系统必须运行正常。

2）清扫炉膛：将筑炉后的炉内剩余材料清理干净。

3）检查除尘系统，保证除尘开启后能够正常运行。

4）垫焦层：为防止烘炉时电极与炉底相粘结应在三相电极底部垫一层厚度为200MM左右的焦炭（10-30MM）后，并用六根32MM圆钢埋在三根电极头下连接成三角形，将三相电极平稳的座放在焦炭上。

5)调小冷却水量。烘炉初期，电极和其他设备受热较少，因此在焦烘炉阶段需要将冷却水调至畅通但水量较小为宜。

6）堵出铁眼：为使炉眼易于打开，封堵出铁口时两头用泥球封堵，中间用焦粉填实。

7）倒抱三相电极至下限。

二、电烘炉

1）试送电（电极离开焦炭层）：电烘前需对变压器进行三次分合闸试验，第一次分合闸（1秒左右），主要观察设备是否有异常，如没有，将进行第二次分合闸（10秒左右），检查变压器本体及短网有无异常现象，如没有，进行第三次合闸送电，如无异常，进行空载运行，空载运行根据实际情况定时。

2）电烘炉前需将变压器调至8档电压级。

3）电烘炉电流提什幅值表：

1-8小时10A（2424kwh）8-16小时10-20A（4849kwh）16-24小时 20-30A（9700 kwh）24-32小时30-40A（16973 kwh）32-40小时 40-50A（21823 kwh）

4）本次电烘炉时间大约为40小时左右，用电量为5万KWH左右。

5）电烘炉时为稳定电弧和保持所规定的功率，可根据具体情况给电极周围添加新焦炭，并使焦炭绕电极成馒头体状。

6）电烘炉时应尽量少活动电极，并使三根电极负荷保持均衡，不可单独升高某相电极电流，以免出现漏糊等电极事故。

7）当出现电极负荷给不起时，若需下放电极必须有车间主任指令或其他干部亲自指挥方可停电下放，再送电后，电流要慢慢逐步给起。

8）电烘炉结束前的最大烘炉电流不得超过变压器额定电流。

9)电烘炉期间如发现某相电极冒黑烟，应立即降低该相负荷或停电处理。

10）电烘炉时应经常检查电极糊注高度，并保持糊柱高度在3-4米左右。

11）电烘炉弧光强烈，对人眼刺激很大，所有操作人员必须戴深色护目镜。

12）电烘炉结束后，要尽量保证电极规则，以便于能正常冶炼。

三、投料冶炼

投料前必须保证有充足的合格原料，同时检查上料系统能否正常运行，配料要正确且准确。

1)电烘炉结束后，先把电极提起，把电极底部的部分焦炭扒向四周，根据炉内焦炭量可偏提部分原料在电极底部及炉中心区。

2）下插电极于原料上，然后用均匀料把三根电极头埋好，三根电极的堆体成馒头状，开始送电。

3）前5炉铁需压放电极时必须停电压放，以免出现电极事故。档位运行根据实际情况调整。

4）投料配比

料批为750kg（不包括辅料）

①富锰渣360kg 小澳矿 140kg 硅石47kg 焦炭（10-30mm）98kg 入炉锰28.25% 锰铁比7.98硅回收率35%预计上料20-25批注：根据炉底存焦炭情况定

②富锰渣340kg 小澳矿 130kg辽宁矿30kg硅石21kg焦炭（10-30mm）96kg

入炉锰28.00% 锰铁比7.16硅回收率40%预计上料50批

③正常料比

锰铁比在6左右，按实测回收率计算料比。

注：根据第一炉的成分调整料比。

5）加料时，不准偏加料，需要调整时，炉长或技术员可根据炉况的实际情况进行偏加料或修改料比，但必须有详细的记录。

6）在电极较稳、电极上抬不明显的情况下，尽量延长第一炉的出铁时间，用电量大约在5万KWH左右。

6）为继续提高炉温，加料时料面应慢慢提起，三相负荷逐步提高，并保持均衡。

7）逐步把外围的料面补起，基本和电极根料面相平，如果发生翻渣等现象，及时处理，扒起渣块，钩到外围，随料面上涨拉出打碎入炉。

8）外围局部发火差时，可用25MM的圆钢扎眼引火，扩大发火范围，扩大熔池。

四、出铁

随着第一炉的冶炼时间的不断延长，炉温逐渐提高，炉内铁水不断增加，电极波动大，则可考虑第一炉出铁。

1）出炉开眼时必须严格按照公司规定，出铁工穿戴好劳动防护用品。

2）各种开堵眼工具、材料必须准备齐全。

3）出铁前铁水包、出铁坑、砂模必须烘烤干燥，出铁车系统运行正常，下包眼堵实。

4）出炉前，在炉眼附近用河砂垒溢渣池，避免因出铁溢渣烧损基础及轨道。

5）若氧气吹眼达到一定深度后，出炉铁水仍然无法流出，经公司领导同意后可采取放水炮辅助出铁，出炉放水炮按《出炉放炮程序》执行。

6）放炮前应将炉眼附近的易燃易爆物品撤离，确保放炮时人身安全。

7）开眼时，炉长负责底炉出炉的指挥；副炉长负责开眼期间炉前

操作和安全（出现翻渣现象上抬电极）；安全生产质量部主任负责现场组织协调；安全专职全面负责现场安全监护。

五、浇铸

浇铸前应提前把砂模烘烤好并清理干净，铁水包内的渣扒干净，开眼人员要站在铁水包的侧面开眼，浇铸时要平稳，以免铁水飞溅伤人。

六、正常冶炼

第一炉出铁后要根据实际情况待炉温提高后，逐步缩短冶炼时间，提高电压等级，直至选择合适的电压档操作。

篇3：矿热炉烟气资源综合利用

大连重工·起重集团公司在冶金和化工行业从事矿热炉设计生产制造和总承包工程已有20多年的历史,目前年设计制造100多台(套)各类矿热炉,而且不断向上下游一体化综合利用总包方向发展。随着石油、化工资源和电力能源紧张,该领域的炉群正向大型化、规模化、效益化发展,其炉群烟气总体的排放量相当可观。目前国家节约型社会的发展,对企业和用户在矿热炉资源的综合利用上提出了更高的要求,另外环境保护和节能减排政策的要求日益严厉,以及国家对该领域节能减排政策支持力度的逐渐加大,促使该领域改造和新建项目的余热回收资源综合利用将迎来大发展的有利时机。

1 矿热炉分类及烟气参数

矿热炉主要用矿石、碳质还原剂及溶剂等原料,生产硅铁,锰铁,铬铁、钨铁、硅锰合金等铁合金和电石。

矿热炉根据其冶炼工艺和设备密封程度,分为半密闭炉和密闭炉,目前半密闭炉主要以冶炼硅铁、镍铁等为主,密闭炉主要以冶炼电石、铬铁、锰硅等为主。

(1)半密闭炉(75%硅铁)烟气特点

根据表1、表2可知,半密闭炉由于其含有的可燃气体微乎其微,温度高达400℃以上,而且从炉门处混入的空气较多,烟气量较大。适合采用余热锅炉换热发电,热效率能达到26%~28%左右,但难点在于其粉尘中含有大量的SiO2,颗粒细小吸附性强,质量较轻比表面积大,给锅炉除灰带来较大难度,传统的机械振打等除灰方式都不理想,严重影响换热效率。

(2)密闭炉(电石炉)烟气特点

密闭炉中可燃气体含量较高达到80%左右,而且温度较高达到700℃左右,气量相对于半密闭炉则较少,但潜热量大,适合采用燃气锅炉发电。另外也可以经过净化压缩处理后用于燃气轮机发电或者生产化工产品[1,2]。

矿热炉烟气利用的主要工艺流程如图1所示。

2 半密闭矿热炉烟气利用方案

2.1 工业生活利用

利用其显热进行取暖、烧水、蒸饭和洗澡等工业生活配套。其利用受限,北方供暖大约有4~5个月,烧水等生活用量也少而且不规则,只能间歇式利用,利用效率低,浪费严重。热效率只能利用10%～15%左右。

2.2 余热发电利用

利用半密闭炉500℃左右的高品质热源进行余热锅炉换热提供饱和蒸汽进行蒸汽轮机发电。主要设备包括余热锅炉、蒸汽轮发电机组、循环水冷却设备、发配电控制设备等,流程示意图如图2所示。通常装机容量在10 000 KVA的矿热炉其发电机配置在800 kW左右,其烟气热转换效率在25%～30%左右,单位发电成本在0.1元左右,在电价比较高的沿海和南方市场更有发展潜力。该系统的难点在锅炉的除灰系统设计,要根据灰尘的特点进行针对性的除灰方式设计,否则严重影响锅炉的换热效率和发电效益,甚者无法连续生产,影响冶炼工序。

3 密闭矿热炉烟气利用方案

3.1 烧石灰

该方案主要适用于生产电石的密闭炉。烟气中含60%～80%左右的CO气体,特别是对于生产电石的矿热炉,其反应式为CaO+3C=CaC2+CO,需要原料CaO,从工艺配套的角度,煤气用来烧石灰更为直接经济,CaCO3=CaO+CO2,其煅烧过程中产生的大量CO2经过处理可以用来做食品级原料生产碳酸饮料或者用作石油开采地下油层的填料。该流程受目前除尘工艺设备限制需要将烟气降温冷却再除尘,因此该过程烟气的显热被白白空冷掉,没有被合理利用,其利用的仅为烟气的CO和少量氢气的潜热。

该方案的主体设备为烟气除尘设备、石灰窑、CO2膜分离变压吸附设备、监控设备等。其工艺方案流程图如图3所示。

3.2 烟气燃烧发电

3.2.1 燃气锅炉发电[3]

该方案流程为矿热炉烟气经过除尘净化后,送入煤气柜作缓冲,煤气柜提供相对稳定的气源和压力,然后送入燃气锅炉燃烧产生蒸汽再送入蒸汽轮机进行发电并网,其工艺流程示意图如图4所示。主要设备包括:煤气柜、燃气锅炉、蒸汽轮发电机组、发配电控制设备等。方案特点在于可以广泛借鉴火力发电的经验,技术配套相对比较成熟,投资和运行费用较低、短期效益明显,但要损失掉矿热炉烟气的显热,热利用效率在30%左右。

3.2.2 直燃锅炉发电

对于石灰用量不大的锰硅、铬铁、镍铁等铁合金矿热炉,适合采用烟气不经过除尘直接到直燃锅炉中燃烧,其工艺流程为:每台矿热炉配一台直燃锅炉,烟气在炉内直接燃烧并除尘,产生的蒸汽通过母管联接在一起推动蒸汽轮机发电。该系统主设备包括:直燃锅炉、蒸汽轮发电机组、发配电控制设备等。系统流程示意图如图5所示,其热量回收率在30%~35%左右。该方案的难点(1)锅炉除灰;(2)实现烟气波动条件下电石炉正常冶炼与发电系统平稳运行二者之间的协调控制。

3.2.3 燃气轮机循环发电[4]

该方案烟气的热利用效率较高能达到40%~50%左右。其原理在于首先将烟气净化处理,含尘量控制在10 mg/Nm3以下,送入煤气柜进行稳压和稳流,再进行精除尘过滤,然后根据可燃气体的含量,通过压气机进行压缩到25~36 MPa,进入燃气轮机燃烧发电,燃烧后的尾气温度在500℃左右,将其送到余热锅炉换热,产生蒸汽推动蒸汽轮机进行发电,其工艺流程示意图如图6所示。

其主要设备包括:煤气净化除尘设备、气体压缩机、燃气轮机发电机组、余热锅炉、蒸汽轮发电机组、发配电控制装置等。该方案一次性投资较大,燃气轮机设备备件和维护相对较高,但长期效益明显。

3.3 烟气生产化工产品[5]

3.3.1 生产甲酸钠方案

甲酸钠是重要的化工原料,主要用于生产甲酸、草酸和保险粉,还可用于制备还原剂和消毒剂等。甲酸钠可以采用烧碱和一氧化碳作原料,通过加温加压进行反应制得,反应不需催化剂的参与。对于电石生产工艺中富于的烟气,以及下游氯碱化工生产富于的烧碱溶液,用来生产甲酸钠,特别有优势。

工艺流程为:电石炉尾气(粉尘含量100 g/Nm3)由引风机引出,经换热器降温,再进入干法脱尘旋风分离器,为了使尾气粉尘含量小于10 mg/Nm,需要将电炉尾气送入二级带有填料的水洗塔,再经过湍流塔水洗,净化后的尾气进入压缩机或煤气柜。由净化或气柜送来的气体经压缩机压缩至一定的压力之后,送入变压吸附装置脱除二氧化碳,再回到压缩机压缩至2.3 MPa即可进入合成工序。烧碱经配制、加压、预热与煤气混合在预热器达到一定工艺要求之后,进入合成反应器合成甲酸钠水溶液。甲酸钠水溶液由泵从储罐打入蒸发器蒸发,蒸发后的甲酸钠悬浮物料进入甩干机固液分离,母液循环蒸发;固体甲酸钠结晶物料进入气流烘干塔干燥,随后包装作为产品销售。工艺流程如图7所示。

该方案优势是利用矿热炉烟气副产品和氯碱生产的烧碱溶液,每吨甲酸钠的生产成本为1 500元左右,比传统工艺降低单位成本500元左右。难点是炉气中的煤焦油与少量残存粉尘易堵塞管道,需要定期清理,给长期稳定操作带来一定困难。

3.3.2 生产甲醇方案

甲醇是一种应用广泛的基础化工原料和优良的清洁燃料,在世界基础有机化工原料中,甲醇消费仅次于乙烯、丙烯和苯,是一种大宗有机化学品,由它可以加工成的有机化学品有100余种。

其主体工艺流程如图8所示,包括:气体的净化、变换、脱硫脱碳及甲醇合成与精制。粗原料气组分中氢碳比太低,故气体首先要经过变换工序,使过量的一氧化碳变换为氢气和二氧化碳,再经脱硫脱碳工序将硫和过量的二氧化碳除去,最后原料气经过压缩、甲醇合成与精馏精制后制得甲醇。

矿热炉烟气甲醇的合成采用中压和低压比较适合。中低压法的合成压力分别为10 MPa和5MPa左右,操作温度为200~300℃,使用Cu-Zn-Al系作催化剂,能耗低,与高压比投资相对较低。

该方案的优势在于与传统的煤气化、天然气、重油等生产工艺相比,原料成本低,矿热炉煤气作为冶炼附产品除增加净化等投入外,几乎可以免费利用,而且煤气浓度较高,成本优势明显,经济效益显著,但总体投资成本较高。

4 结论

半密闭炉余热发电已经成为该炉型烟气利用的主流工艺,但余热锅炉除灰需要根据灰尘的特点有针对性的设计,另外半密闭炉其环境污染、能源利用和碳排放较高,已经逐渐淡出市场。

今后发展的主流是密闭炉,其利用两大分支是发电和化工产品,发电比较成熟且可借鉴的是燃气锅炉蒸汽轮机发电工艺,而且短期投资小和技术成熟较高,电能可以直接回馈到工厂电网利用,对南方和沿海电能短缺比较适合,另外在资金相对宽裕的情况下,从长远发展和更高的能源转换效率考虑,采用燃气轮机循环发电也是比较好的选择和较好的发展方向。化工产品在不计烟气成本的情况下,利润虽然相对传统生产方式较高但投资成本较大,而且涉及化工生产对环境二次污染的问题,同时生产产品需要投入市场销售,生产受市场的影响较大,对于电价较低地区而且有成熟销售市场的冶炼及煤化工综合企业可以考虑该方案。

随着国家经济的高速发展,对能源和化工产品的需求量增加,世界能源全球化竞争加剧、能源趋紧、能源需求量和进口难度逐步加大,费用提高以及用电成本的增加,已被国内外广为关注,再加上国际间环保发展、节能减排、循环经济发展的需要,如何高效经济地利用密闭矿热炉高品质烟气已经成为今后研究和发展的方向和焦点。

参考文献

[1]马晓茜,黄文迪.低热值煤气燃烧技术的应用与分析[J].冶金能源,1994,13,34-35.

[2]GB50028-1993,城镇燃气设计规范[S].

[3]钦新,惠世恩.燃油燃气锅炉[M].西安:西安交通大学出版社,2000.

[4]焦树建.燃气一蒸汽联合循环[M].北京:机械工业出版社,2000.

篇4：加热炉的控制

【关键词】加热炉热工设备单回路控制串级控制

加热炉的生产任务是按照轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和加热质量,并且在优质高产的前提下,尽可能地降低燃料的消耗,减少氧化烧损。本文拟从加热炉的单回路控制和串级控制两方面进行探讨。

一、加热炉的单回路控制

1.扰动分析

加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温度,此温度为控制系统的被控变量,而操纵变量为燃料油或燃料气的流量。对于不少加热炉来说,温度控制指标要求相当严格,例如,允许波动范围±(1～2)℃。影响炉出口温度的扰动因素有:工艺介质进料的流量、温度、组分,燃料方面有燃料油(或气)的压力、成分(或热值)、燃料油的雾化情况、空气过量情况、喷嘴的阻力、烟囱抽力等。在这些扰动中有的是可控的,有的是不可控的,为了保证加热炉出口稳定,对扰动应采取必要的措施。

2.单回路控制系统的分析

图1为某一燃油加热炉控制系统示意图,其主要控制系统是以炉出口温度为被控变量、燃料油流量为操纵变量组成的单回路控制系统。

其他辅助控制系统有:

(1)进入加热炉工艺介质的流量控制系统,如图1中FC控制系统;

图1 加热炉单回路控制系统

(2)燃料油总压控制,总压控制一般调回油量,如图一中P₁C控制系统;

(3)采用燃料油时,还需要加入雾化蒸汽(或空气),为此设有雾化蒸汽压力控制系统,如图1中P₁C控制系统,以保证燃料油的良好雾化。

采用雾化蒸汽压力控制系统后,在燃料压力变化不大的情况下是可以满足雾化要求的。目前,炼油厂中大多数采用这种方案。假如燃料油压力变化较大时,采用雾化蒸汽压力控制就不能保证燃料油得到良好的雾化,可以采用如下控制方案:

(1)根据燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽,即采用压差控制,如图2所示。

图2 燃料油与雾化蒸汽压差控制系统

(2)采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制,如图3所示。

图3 燃料油与雾化蒸汽压力比值控制系统

采用上述两种方案时,只能保持近似的流量比,还应注意经常保持喷嘴、管道、节流件等通道的通畅,以免喷嘴堵塞及管道局部阻力发生变化,引起控制系统的误动作。此外,也可采用二者流量的比值控制,则能克服上述缺点,但所用仪表多且重油流量测量困难。

二、加热炉的串级控制

加热炉的串级控制方案由于扰动因素以及加热炉型的不同,可以选择不

同的副变量。加热炉的串级控制方案主要有以下几种:

1.加热炉出口温度对炉膛温度的串级控制

当受到扰动因素例如燃料油(或气)的压力、热值、烟囱抽力等作用后,首先将反应炉膛温度的变化,以后再影响到出口温度,而前者滞后远较后者小。根据某厂测试,前者仅为3min,而后者长达5min。采用炉出口温度对炉膛温度串级后,就把原来的对象一分为二,副回路其超前作用能使这些扰动因素一影响到炉膛温度时,就迅速采取控制手段,这将显著改善控制质量。

这种串级控制方案对下述情况更为有效:

(1)热负荷较大,而热强度较小。即不允许炉膛温度有较大波动,以免影响设备。

(2)当主要扰动是燃料油或气的热值变化时(即组分变化)时,其他控制方案的内环无法感受。

(3)在同一个炉膛内有两组炉管,同时加热两种物料。此时虽然仅控制一组温度,但另一组亦较平稳。

由于把炉膛温度作为副变量,因此采用这种方案是还应注意以下几个方面:

(1)应选择有代表性的炉膛温度检测点,而且要反应快。但选择时较困难,特别对圆筒炉。

(2)为了保护设备,炉膛温度不应有较大的波动,所以在参数整定时,对于副控制器不应整定的过于灵敏,且不加微分作用。

(3)由于炉膛温度较高,测温元件及其保护套管材料必须耐高温。

2.炉出口温度对燃料油(或气)流量的串级控制

在某些特殊情况下,可组成炉出口温度、炉膛温度、燃料油流量的三个参数的串级控制系统,如图4所示,但该方案使用仪表多,且整定困难。

图4 炉出口温度对炉膛温度及燃料油流量的串级控制

3.出口温度对燃料油(或气)阀后压力的串级控制

4.采用压力平衡式控制阀(浮动阀)的控制

当燃料是气体时,采用压力平衡式控制阀(浮动阀)的方案颇有特色,如图

5所示。这里用浮动阀代替了一般控制阀,节省了压力变送器,且浮动阀本身兼具压力控制器功能,实现了串级控制。

图5 浮动阀的控制方案

浮动阀能起到压力控制器的作用是因为,这种阀膜片上部来自温度控制器的输出压力P,而膜片下部接入燃料气阀后压力P,只有当P= P时,阀杆才不动,处于平衡状态。当由于温度变化而使控制器输出压力改变为P时,此时P≠P则阀杆动作,改变阀门开度,最终使阀后压力P=P,重新达到平衡。若由于燃料气流量变化,使燃料气压改变,此时阀杆动作,改变阀门开度,最终使阀后压力回到平衡状态。

图6 浮动阀示意图

浮动阀结构图如图6所示。它不用弹簧、不用填料,所以没有摩擦,没有机械的间隙,因此s工作灵敏度高,反应迅速,它与精度较高的温度控制器配套组成的控制回路,实际上起串级控制作用,能获得较好的控制效果。

采用這种方案时,被调燃料气阀后压力一般应在0.04～0.08MPa之间。若被调燃料气阀后压力大于0.08MPa时,为了满足平衡的要求,则须在温度控制器的输出端串接一个倍数继动器。

这个控制方案由于以下原因受到一定限制:

(1)由于倍数继动器的限制,一般情况下适用于0.04～0.08MPa的气体燃料;

(2)一般的膜片不适用于液体燃料及温度较高的气体燃料;

(3)当膜片上下压差较大时,膜片容易损坏。

综上所述,加热炉作为传热设备的一种,同样符合传导与对流传热的基本规律,但加热炉属于火力加热设备,首先,由燃料的燃烧产生炙热的火焰和高温的气流,主要通过辐射传热将热量传给管壁;然后,再由管壁传给工艺介质,工艺介质在辐射室获得热量约占总热负荷的70%～80%,而对流段获得的热量约占热负荷的20%～30%。因此,加热炉的传热过程比较复杂,而运用单回路控制和串级控制对加热炉进行操作,使加热炉控制系统得到优化,同时也给工业生产过程带来很多方便,从而提高生产效率和产品质量。

参考文献:

[1]蔡乔方.加热炉.北京:冶金工业出版社.

[2]王树青.工业过程控制工程[M].北京:化学工业出版社,2002.

[3]赵长安.控制系统设计手册[M].北京:国防工业出版社,1991.

篇5：矿热炉液压系统的优化设计

近年来,一些中、小型矿热炉液压系统存在着大量的漏、振、热、脏等问题。究其原因如下: ( 1) 对液压系统的特性认识不足或不够重视,将液压设备等同于一般的机械设备,忽略了液压系统对工作环境的要求,矿热炉操作区与液压系统隔离不够,造成污染。污染的液压油会使控制元件及液压执行机构堵塞,甚至会损伤元件,使系统发生故障。( 2) 一些矿热炉液压系统的成套厂家,常常是在低价竞标中取得优胜,若按常规设计和制造已无利可图。所以,大量的选用低端的液压元件,使液压系统内、外泻漏严重,速度响应很慢,液压元件磨损过快,系统的调速、保护系统过于简单。( 3) 施工安装对各级元件的清洁度保护不够,有时甚至省略掉施工最重要的环节—在线循环清洗。这样的系统在冶炼过程中故障频出也就不足为怪了。也就是说只要我们根据规范设计原则,合理配置、优化元件选型,定会提高整个液压系统的品质。而发展到现阶段的液压传动技术,液压系统的外泄露已经可以有效控制,如矿热炉配置的常规液压系统,长期无故障运行是可以实现的。

1 液压系统总体控制的设计

目前建造和改建的矿热炉,液压传动均可实现电极升降、电极压放和松紧导电铜瓦等远程操纵与程序控制,也可实现个执行机构的机旁手动。还可为半封闭炉提供炉门启闭、烟囱放散阀启闭及料仓插板阀启闭提供动力源。传统液压系统设计中,动力源部分选用定量泵加气囊式蓄能器系统。当系统压力上升至系统压力上限时,压力继电器发出断电信号,主油泵停止运转,仅留一台小流量的保压泵配合蓄能器保压; 当系统压力下降到系统压力下限时,压力继电器发出接通信号,油泵恢复运转。这实际上是一项节能措施。但有些液压站配套厂家为了节省造价将保压泵去掉了,是液压系统运行中潜伏着事故隐患。因系统低压状态就意味着蓄能器能量耗尽需要补充之时,若此时遭遇事故停电,蓄能器已无流量提供电极升降油缸,电极和燃烧炉面无法脱离,后果非常严重。因此建议选用恒压变量柱塞泵加蓄能器,其控制性能在于保持压力恒定,输出驱动负载所需的流量,系统发热量小,效率高,节省能源。蓄能器始终保持流量、压力储备,执行元件快速运动时补充流量,并为事故停电状态提供动力源。液压系统设有油压监视、液位监控、油温监控等。系统设置了冷却过滤回路,回路中配有一套精过滤器,使生产和储运过程中产生的杂质、液压元件磨损剥落的金属碎片和橡胶密封碎片不能进入系统。还可以以保证油箱中介质的冷却和油箱介质的加注及旧油排放。系统设置介质加热器,当系统温度过低时通电加热。有效地保证了系统的正常工作和高安全性。

2 大型矿热炉电极升降系统的液压传动原理优化设计

矿热炉电极升降装置采用座式或悬挂式液压升降油缸。生产时用来调节电极的工作位置,在事故状态时油缸快速升起,使电极脱离燃烧区。图1是常用的座式液压传动系统原理图。

工作原理为: 电极上升时,电磁换向阀( Y型) 1上的电磁铁DTa得电。此时压力油路通过电磁换向阀1、单向节流阀2、分流同步马达3、双向液压锁4与升降柱塞缸的下部有口相连,电磁阀的进油口P与出油口B接通,压力油从液压油泵( 图中未示)通过高压管道输入电磁换向阀,然后经单向节流阀2、同步分流元件3分流至第一液控单向阀4. 1和第二液控单向阀4. 2,进而通过液压油管进入第一电极升降柱塞油缸5. 1和第二电极升降柱塞油缸5. 2,以便托起柱塞缸体,带动电极把持装置上升。电极上升到预定位置后,电磁换向阀1的电磁铁DTa断电,在液控单向阀4. 1和4. 2的作用下,柱塞缸处于锁紧保压状态。电极升起时要求速度快,一般不需节流; 电极下降时要求速度较慢,故在电极升降回路上配置一个单向节流阀2,使下降运动速度可调、可控。

1 - 电液换向阀; 2 - 单向节流阀; 3 - 分流同步元件 ( 同步马达或分流阀) ; 4 - 液压锁; 5 - 电极升降油缸

然而,这种现有矿热炉电极升降液压系统,其结构比较复杂,元件配置较零散,锁紧、调速、换向均需专用元件完成,且油路节点较多,存在很大的渗漏隐患。随着矿热炉的大型化,这种配置的局限性越来越明显,大通径的换向、调速、锁紧元件产生的冲击不容忽视。比如目前某工程选取的电极升降座缸直为￠360 mm,下降速度很慢( 15 mm / s) ,上升速度则为100mm / s,这样选用常规的换向、锁紧、调速元件就会十分吃力。因此,我们采用了逻辑插装控制阀组控制回路,对该系统进行了优化设计。其原理见图2。

由逻辑插装控制阀组( 包括插装阀1、电磁换向阀2、梭阀3) 代替常规设计中的电液换向阀和单向节流阀。当电极处于停位状态时,逻辑插装控制阀组中的电磁换向阀1( P型) 处于中位,电磁换向阀1的进油口与插装阀出油口两个出油口同时连通。部分压力油会通过输入油管上连接的控制油路,从梭阀3的右侧进油口进入梭阀3,此时,梭阀3的左侧进油口会自动关闭。

然后,压力油从梭阀3的右侧出油口进入电磁换向阀的进油口,并同时进入插装阀1. 1、1. 2的控制口,此时,两个插装阀同时关闭,系统由此进入锁紧状态。当需要电极上升时,逻辑插装控制阀组中电磁换向阀2的电磁铁DTa得电,电磁换向阀2的进油口P与出油口B连通,回油口T则与出油口A连通。部分压力油会通过输入油管上连接的制油路,从梭阀3的右侧进油口进入梭阀,此时,梭阀3的左侧进油口会自动关闭。同时插装阀1. 2的控制油路与回油路接通,故插装阀1. 2处于开启状态。接着压力油会流经同步分流元件4,进入电极升降油缸,实现矿热炉电极的上升。反之,电极下降时,逻辑控制阀组中电磁换向阀2的电磁铁DTb得电,电磁换向阀2的进油口P与出油口A连通,回油口T则与出油口B连通。部分压力油会通过输入油管上连接的控制油路,从梭阀3的右侧进油口进入梭阀,此时,梭阀3的左侧进油口会自动开启。同时插装阀1. 2的控制油路与回油路接通,故插装阀1. 2处于关闭状态。升降缸靠自重自动下落,油缸中的油液会流经同步分流元件4,进入插装阀1. 1,回到油箱,实现矿热炉电极的下降。

1 - 插装阀; 2 - 电磁换向阀; 3 - 梭阀; 4 - 分流同步元件 ( 同步马达或分流阀) ; 5 - 电极升降油缸

梭阀3主要用于在电极升降过程中选择进入工作状态的油路,以便实现压力控制油的正确流动。插装阀1. 1、1. 2带有行程限制器,用于调整电极上升、下降的速度。

从上面描述可以得知,本实例中的电极升降液压系统有效减少了液压元件的使用量,简化了工作流程,同时由于连接节点的减少,也有效防止了压力油渗漏的隐患。

3 液压系统规范化工厂设计

液压系统设计师要根据液压系统功能的需要,向相关专业提出与液压系统配套的技术条件。比如向土建专业提出的条件要求包括液压压站场地( 房间) 大小,门窗、尺寸和方向,墙壁瓷砖高度,地面防油、防滑要求; 向给排水专业提出液压站冷却水的流量、压力、水质、入口温度及清扫用水池位置等; 向通风采暖专业提出冬季、夏季站内的温度范围和液压站的通风频率; 向自动化专业提出液压系统各控制参数,个执行元件的位置报警、程序控制要求、系统故障检测,液压站的动力电源和控制电源,液压站照明和分级电源插座功率和位置等。

要重视液压泵站的结构设计,为了降低电机泵组的振动,减少噪声,可采取电机和主泵之间钟罩和弹性联轴器连接,电机 - 泵组底座加装减振器; 泵吸油口安装避振喉; 泵出口安装高压胶管,泵入口安装低压胶管。

工作区域( 机旁) 液压阀站要加盖灰尘防护罩,厂房内的横、纵向管线要按规定安放管夹; 厂房顶部的液压管悬垂向下连接阀站时,要设置专用的布管立柱,用管夹紧固管线。阀站和执行油缸之间管线上要安装绝缘软管或绝缘接头。

4 结束语

篇6：解决加热炉炉门损坏问题

棒材厂水压机车间生产大型锻件产品，现有五座加热炉、一台水压机。生产时先将原料钢锭在加热炉中加热至1240℃左右，加热时炉门关闭，起到密封保温作用。当温度达到要求时由电机带动提升机构将炉门提起，取出锻件进行锻造，当温度降至终锻温度以下时，再将其放入加热炉进行加热，如此反复多次加工，使锻件最终形状和材质达到工艺要求。在炉门提升和下降过程中由炉门两侧的滚筒轴进行限位，以保证炉门垂直起降。

二、问题分析

首先对系统进行分析，绘制出系统功能图，见图1：

图1 系统功能图

技术系统达到的目标：在加热锻件时，关闭加热炉炉门，起到密封保温作用，使锻件受热均匀并节省燃料，炉门重量要轻，而且要坚固耐用。

根据系统功能图，对系统进行分析。水压机加热炉炉门采用的是四周护铁，中间浇注料结构。由于有害功能的存在，在使用过程中主要存在以下问题：

（1）由于炉门长时间处于高温烘烤状态，并且底部温度偏高，经常出现炉门底部护铁烧坏、脱落，浇注料塌陷的状况。

（2）炉门护铁为合金材料，价格昂贵（每块11700元），使用周期短，成本大。

（3）炉门升降是电机带动提升机构来完成的，由于浇注料密度很大，每个炉门重量达到4吨左右，提升机构经常出现故障，而且炉门两侧的滚筒轴磨损也比较严重，需要经常更换。

由于上述问题，一般3个月就要将浇注料全部更换一次，半年对炉门底部护铁更换一次，提升机构和滚筒轴根据使用情况不定期更换，不仅维修费用大，而且严重影响了生产的连续性。

解决问题的限制：

（1）不能投入太大的成本（不能使用价格更高的更耐热的材料）；

（2）技术系统结构不能有大的改变（尽量不改变原有技术系统）。

三、描述技术矛盾

1.定义问题模型

技术矛盾1：如果加热炉温度足够高，可以很好地满足锻造工艺需要，但高温对炉门破坏力很大，需要频繁更换相应部件。

技术矛盾2：如果降低加热炉温度，可以保护炉门不被烧损，但锻件温度太低无法满足工艺要求。

技术矛盾3：炉门要坚固耐用，防止受热变形或扭曲，通常情况下就要增加重量，势必会加快提升机构和滚筒轴的磨损。

技术矛盾4：如果减小炉门厚度可以降低其重量，但保温性能会降低，而且结构稳定性也会变差。

根据技术系统的主要生产过程——锻造，从技术矛盾1和技术矛盾4来入手解决问题。

2.确定理想解

定义理想解为：对炉门进行最小的改动，提高其耐热性，同时要在保证结构牢固前提下，减轻炉门重量，减少对提升机构和滚筒轴的磨损，同时还要考虑费用成本要低。

四、根据发明原理提出解决方案

将技术矛盾用通用工程参数来描述：

技术矛盾1：针对的子系统是加热炉，要改善的参数是“温度”，恶化的参数是“有害副作用”、“结构的稳定性”、“静止物体的耐久性”。

技术矛盾4：针对的子系统是炉门，要改善的参数是“静止物体的重量”，恶化的参数是“强度”、“结构的稳定性”、“静止物体的耐久性”。

对照这些参数查找矛盾矩阵表，结果见表1。

1.22“变害为益原理”

解决方案一：可以将炉门处的高温能量转移，用于加热锻件，即在炉门处加一大功率风机将火焰吹向锻件。

2.24“中介原理”

解决方案二：炉门浇注料、护铁一般都为固态，将炉门内部增加液态循环冷却系统则能起到很好的降温作用。

解决方案三：在火焰和炉门之间增加一个隔热层。

3.01“分割原理”

解决方案四：原来更换浇注料时全部更换，但上部和下部损坏程度不一样，全部更换造成资源浪费，可以将原来整体的浇注料改成小的模块，并用挡板分成上下两部分，对重量也没什么影响。

4.40“复合材料原理”

解决方案五：是否可以找一种更好的材料代替现在的护铁加浇注料呢？而且这种材料重量要轻，成本要比原来材料低。

五、方案评价

通过上述分析，共得出五种方案，下面对各方案进行评价分析。

方案一：在炉门处加一大功率风机将火焰吹向锻件，成本较低，而且可以变害为利，但由于加热炉是密封的，若开一风口，则破坏了整体密封性，所以实现难度很大。

方案二：将炉门内部改为液态循环冷却系统则能起到很好的降温作用，但需要增加一套循环冷却设备，成本巨大，而且实施起来也非常困难，没有很好的经验可以借鉴。

方案三：在火焰和炉门之间增加一个隔热层，想法很好，但炉内空间有限，隔热层必须很薄，而且耐火、耐高温性能要好，目前市场上还没有合适的产品。

方案四：将原来整体的浇注料改成小的模块，并用挡板分成上下两部分，更换时只更换下部烧损较严重的模块，成本较低，实施起来也比较容易。

方案五：用一种更好的材料代替现在的护铁加整体浇注料，而且这种材料重量要轻。研究发现，现在市场上的耐高温材料较多，耐高温程度不同，密度不同，价格差异也很大。经过综合考虑，可以选用一种高温陶瓷纤维，可以承受1500℃高温（工艺需求1240℃左右），重量较轻（每个炉门重量可降低一半以上），价钱适中。

根据上述分析，对五种方案进行综合评价，评价结果见表2。

将方案四、五综合起来考虑，结合现场实际情况，可以采用高温陶瓷纤维材料替换原有的底部护铁和浇注料，同时将这种纤维材料制成300×300×400mm的模块，在炉门底部靠下位置焊接一挡板，这样更换时可以有针对性地只更换底部烧损较严重的模块。而且使用这种模块后，整个炉门重量仅为原来的一半左右。但是材料更换以后炉门的强度有一定程度降低，需要继续研究分析。

六、问题再分析

利用前面的方案，炉门的耐高温问题和重量问题都得到解决了，但是炉门整体强度降低了，需要继续根据表1的矛盾矩阵表对强度进行分析。

原理26“复制原理”：可以将炉门加厚，增加其稳定性和强度，但是重量和材料成本增加了，此为方案六。

从原理10“预先作用原理”，预先对物体（全部或部分）施加必要的改变，可以考虑常用的“加强筋”方法，即在炉门外面加上筋板，此为方案七。

其他原理均未找到合适解决方案。

七、方案再评价

利用方案七即在炉门外面加上筋板，强度问题得到解决，而且不影响方案四、五的实施，所以决定将这三种方案结合起来一起实施（如表3）。

八、最终解决方案

最终解决方案如图2所示。在炉门底部靠下位置焊接一挡板，将原来炉门底部护铁和浇注料改为高温陶瓷纤维模块。

1.首先在A-B位置焊接一块挡板，并在下方焊5块筋板加固。挡板规格：3000×300×18mm 。

2.在挡板上下固定高温陶瓷纤维模块。高温陶瓷纤维模块规格：300×300×400mm。

3.为避免在应用时炉门因为受热发生变形或扭曲，在炉门外面加上筋板。