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全煤冶煉工業(yè)硅的操作工藝及礦熱爐各參數(shù)的計算

更新時間:2022-03-08 關(guān)注:1508


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結(jié)合全煤生產(chǎn)工業(yè)硅的工藝要求,選擇合理的幾何參數(shù)和電氣參數(shù),以便設(shè)計或改造工業(yè)硅電爐,為適應(yīng)全煤冶煉要求創(chuàng)造條件,以保證正常生產(chǎn)。

電爐的幾何參數(shù)包括電極直徑、極心圓直徑、爐膛直徑和爐膛深度等,電氣參數(shù)有熔池電阻、電極電流和工作電壓等多個變量。需要根據(jù)煙煤的性質(zhì),選擇合理的操作電阻,以便控制適當(dāng)?shù)亩坞妷簷n位下的電流電壓比。

礦熱爐的極心圓直徑“d”、爐膛直徑“D”、爐膛深度“H”等幾何參數(shù)通常是用相似計算得出的:

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式中,下角標(biāo)1和2分別表示品種相同而容量不同的電爐。

礦熱爐的極心圓直徑、爐膛直徑和爐膛深度等幾何參數(shù)通常按照電極直徑的倍數(shù)來設(shè)計。下表列出了這些經(jīng)驗系數(shù)。

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 電爐幾何參數(shù)與電極直徑的倍數(shù)關(guān)系

1、電極直徑(d電極)

石墨電極有**標(biāo)準(zhǔn),而炭素電極目前尚無國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),生產(chǎn)廠家仍按用戶需求作為“非標(biāo)生產(chǎn)”,所以理化指標(biāo)差異較大。推薦使用電流密度為5~10A/cm2炭素電極,但從各企業(yè)的實際使用情況來看,以6~7A/cm2炭素電極的居多,可以說是經(jīng)濟電流密度口。

工業(yè)硅電爐的電極直徑也可用下式計算:

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上式中,d電極一電極直徑,a一有功功率,kW;K?-系數(shù),取1.4。

2、極心圓

電極極心圓的概念與反應(yīng)區(qū)功率密度有關(guān),對電爐的工作電壓也有一定影響。

極心圓直徑()是一個對冶煉過程有很大影響的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù),電極極心圓直徑選得適當(dāng)(圖1-1),三根電極電弧作用區(qū)域相交于爐心(電極反應(yīng)區(qū)的直徑與電爐的極心圓直徑相等),各電極反應(yīng)區(qū)既相連且重疊部分最小,在這種情況下,爐內(nèi)熱量分配合理,坩堝熔池最大,吃料均勻,爐況穩(wěn)定,爐況也易于調(diào)節(jié)。極心圓過小(圖1?2),則電極間距離過小,爐料電阻減小,爐料電流增大,電極不易深插;極心圓過大(圖1?3),三根電極下坩堝不易連通,形成了3個分離的小熔池。爐心熱量不夠,不利于SiO?的充分還原,爐心化料慢或爐心硅石還原不充分沉入爐底,增加爐內(nèi)積渣,同樣會使電極上抬,影響爐況。

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圖1  極心圓直徑

確定電極直徑多用幾何比的辦法,即電極直徑乘以電極同心圓系數(shù)。由于計算電極直徑時的電流密度范圍很大,容量相同的爐子電極直徑差別也很大,所以確定極心圓直徑主要從電氣和能量角度來考慮:①極心圓的最佳功率密度,功率密度大,則熔池溫度就高,熔池就大,最佳功率密度應(yīng)該是三相熔池相交合適,即三個熔池的圓周交于爐膛中心,既無死角,又不過分集中;②電極之間的電位梯度,即電極之間的電壓與電極之間的距離的比值,反映了電極之間爐料電阻及電流的情況。

全煤冶煉工業(yè)硅電極間電位梯度選定為0.145V/mm左右,極心圓平均功率密度為2250-3000kW/m2。

用極心圓的單位面積功率密度關(guān)系核算極心圓直徑皿。如下式:

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公式(6)中Φw—極心圓功率密度,kW/m2;Pa —有功功率,kW;Dw一極心圓直徑,m。

3、爐膛直徑

按照反應(yīng)區(qū)的理論,電爐極心圓直徑與每支電極反應(yīng)區(qū)直徑相同;電爐反應(yīng)區(qū)為電極直徑的2倍。由于出爐口是爐襯最薄弱的部位,最容易燒穿,爐膛直徑通常比所需要的要稍大一些。經(jīng)驗表明,爐膛直徑應(yīng)該大于2倍的極心圓直徑Dw,使熔煉區(qū)不與爐襯相接觸。筆者建議,D爐膛=2.3d電極

常用的計算公式是:D爐膛=2Dw+電極

4、爐膛深度

爐膛深度的計算一般采用經(jīng)驗式方法,即按照電極直徑的倍數(shù)計算爐膛深度。

爐膛深度要合適,爐膛深些,有利于平頂型料面操作,降低爐口溫度,改進生產(chǎn)現(xiàn)場的勞動環(huán)境,有利于減少SiO2的揮發(fā)損失,有利于熱量集中爐內(nèi),減少熱損失。爐膛過深,操作稍有不慎,即造成料層過厚,料面上升,使?fàn)t內(nèi)高溫區(qū)上移,最終導(dǎo)致電極上抬,爐底溫度降低,使?fàn)t況惡化。爐膛過淺,則使料層變薄,Si()2的揮發(fā)損失增大,影響Si的還原,產(chǎn)量降低,能耗增加,特別使?fàn)t口熱損失增大,爐口溫度過高,生產(chǎn)勞動環(huán)境明顯變差,易產(chǎn)生塌料、刺火,使冶煉過程不能順利進行。

爐膛工作深度按下式計算:

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式中,大電爐取大值,小電爐取小值。

全煤冶煉工業(yè)硅爐膛平均功率密度為200kW/m2左右,與電爐容量的大小沒有對應(yīng)關(guān)系。

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(1)全煤冶煉工業(yè)硅,爐料的比電阻增大,爐況運行平穩(wěn),具體表現(xiàn)為:

①配料比中作為可調(diào)部分的木炭取消,爐前操作人員應(yīng)掌握準(zhǔn)確的配料比。同時,由于爐料配料比穩(wěn)定,避免了爐料出現(xiàn)“料重”、“料輕”等現(xiàn)象。

②電極埋入深,料面“刺火”、“塌料”現(xiàn)象少,爐內(nèi)熱量集中,料面只有少量小黏結(jié)塊。爐前操作容易進行,勞動強度減輕,搗爐周期延長了15min左右。

③全煤冶煉工業(yè)硅,出爐時有大流,伴有少量黏渣排出,這是爐溫提高、坩堝擴大所致。此時,出爐燒爐眼時間稍有延長,但精煉時間延長2倍左右不影響產(chǎn)品質(zhì)量。

④由于使用大電壓,在出爐前,爐內(nèi)硅液區(qū)聚集了大量的硅液,使電極上抬,電流波動較大,因此要適當(dāng)降低電流,保持爐況平穩(wěn)。

(2)加強料面操作,減少SiO的揮發(fā)損失。

SiO的揮發(fā)損失將造成:①C與SiO?反應(yīng)平衡受到破壞,還原比例失調(diào);②隨著時間的變化,SiO的損失量將導(dǎo)致爐況波動,需要頻繁調(diào)節(jié)爐況;③爐內(nèi)產(chǎn)生富集難熔的以Sic為主的聚集體,引起電極上抬,爐底上漲。

(3)使用煙煤時爐料沉料緩慢,有利于爐口處還原劑中水分和揮發(fā)分的充分排出,處理爐口的勞動量也可減少20%~30%,提高了爐料的透氣性。硅液溫度上升,爐況較穩(wěn)定。但是,由于煙煤揮發(fā)分較高,料面溫度較高,還原劑燒損也較多,因此,爐門不可完全關(guān)閉,底部預(yù)留200mm左右間隙,以控制料面溫度,提高硅的回收率。

(4)爐料表面燒結(jié)是工業(yè)硅冶煉中特有的爐況特征。爐料燒結(jié)主要是由SiO氣體的歧化反應(yīng)引起的。一方面SiO的凝聚反應(yīng)生成SiO?和Si,封閉了爐氣外逸通路;另一方面,SiO凝聚反應(yīng)和硅的氧化放出大量熱能使硅石發(fā)生軟熔。

爐料表面一旦發(fā)生燒結(jié),坩堝內(nèi)部的高壓氣體只能沿著電極表面或從少量空隙噴出,形成刺火。電爐刺火造成大量熱能被逸出的SiO氣體帶到煙氣中去。頻繁刺火將導(dǎo)致硅的回收率降低,電耗增加。

改進原料條件和爐口操作是改善爐料透氣性的必要措施。

由于還原劑全部使用煙煤進行冶煉,其透氣性不如木炭,因此必須合理地選擇爐料疏松劑一木塊。疏松劑用多了,爐料體積增大,易塌料、刺火,且較浪費;用量少了,爐料透氣性差,造成熔煉困難。同時,由于煙煤灰分中含雜質(zhì)較多,爐渣也較多,因此必須隨時注意排渣,否則造成爐底積渣過多上漲,爐溫降低,出爐困難。

(5)通過搗爐松動燒結(jié)的爐料結(jié)構(gòu)是工業(yè)硅冶煉的重要操作。搗爐操作應(yīng)以松動爐料改善透氣性為主要目的。不適當(dāng)?shù)膿v爐操作會破壞坩堝反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)或增大爐口熱損失。


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陜西誠達工業(yè)爐制造有限公司