矿热炉炉料导电行为的冷态实验研究

资源类型:pdf 资源大小:620.00KB 文档分类:工业技术 上传者:陈小梅

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【作者】 储少军  翟丹  张辉  王玉刚 

【关键词】矿热炉 炉料电阻 逾渗结构 

【出版日期】2005-04-30

【摘要】采用"电导池"法测量了模拟矿热炉混合炉料的电阻。根据逾渗结构理论,混合炉料的导电行为可近似用σ/σ0=a(Φ0-Φ)b经验式表示。在本实验条件范围内,逾渗临界值φ0(矿石占混合炉料总体积的体积分数)约为0.68-0.70,非导电相(矿石)超过此值,混合炉料不导通。矿石与焦炭的粒径变化引起的置换原理和填充原理是混合炉料的导电行为发生不同变化规律的主要原因。

【刊名】铁合金

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埋弧电炉内电流回路分析结果表明川,电炉的 操作电阻R。可简单视为电炉内电弧电阻R。和炉料 电阻R。的并联电阻,其大小直接影响炉内的配热系 数和电极在炉料层中的埋入深度。生产实践证明,对 于冶炼不同的铁合金产品,必须根据不同的冶炼设 备参数,通过调整炉料比电阻,才能获得合理的电炉 操作电阻,使电炉处于正常的冶炼状态。炉料一般由 常温下导电的碳质还原剂和非导电的矿石组成,笔 者依据逾渗结构理论和冷态模拟实验,提供矿热炉 炉料导电性质与矿石、焦炭粒度大小、几何形状以及 矿焦体积比例之间关系的初步研究结果。 1“物理配碳”与逾渗结构的概念 采用无渣法冶炼硅系铁合金,参与还原反应所 需用的碳质还原剂用量,一般可依据合金产品的成 分要求,人炉矿石的品位和还原剂的固定碳含量,通 过化学计算得到,称之为“化学配碳”。由于炉料中包 含导电成分的碳质还原剂,炉料电阻的改变必然会 造成矿热炉炉内的电流分布状况发生变化,这种变 化对炉内的热量分布,熔池结构和炉内各部位进行 的化学反应均造成影响。因而,通过选择矿石粒度大 小,碳质还原剂品种和粒度配比,来调整混合炉料的 比电阻,称之为“物理配碳”。 目前,有关混合炉料导电行为的研究工作未取 得满意结果。前苏联racHK M.H曾提出混合炉料中 的比电阻p服从加和定律[3]: 19户=艺w、户;(l) 式中,wi,pi分别表示炉料各组分的质量分率和 铁合金 2005年 达到一定值时,炉料的导电性才能体现。由于实际炉 料中,矿石和焦炭的粒度大小、分布状态,几何形态等 参数均较理论模型复杂得多,因而炉料的导电行为与 上述参数间的相互关系只能通过实验加以确定。 o汤 比电阻。这种方法至今未见实际应用的文献报导。实 际上,当炉料中作为导电介质的碳质还原剂所占比 例小到一定值时,炉料的表观电阻会突然增至无限 大(即不导电)。因此,用式(l)描述矿热炉炉料层的 导电性是错误的。在生产实际中,为了调整炉料电 阻,一般只凭操作经验逐步调整碳质还原剂的种类 和粒度。不同企业,相同容量的电炉,对还原剂配人 量、种类和粒度搭配要求会出现不一致的情况。为了 解决矿热炉冶炼工艺中“物理配碳”技术问题,笔者 曾提出采用非线性科学中的逾渗结构理论描述混合 炉料的导电性质,仅对炉料组成与结构设计可能有 指导作用。 逾渗结构(percolation strueture)是无序结构研究 中的一个重要理论模型。假设如图1所示的物理实 验,在一只玻璃容器中无规则地放人大小相同的白 色玻璃球和黑色金属球,容器上、下各置一电极,并 与电源的电流表相串联。设金属球所占的比例为尸, 则玻璃球所占的比例为1一尸。当P值较小时,金属 球只形成一些小的孤立集团,不能使电流导通整个 容器。只有当金属球的比例达到某个临界值p。时 (理论值尸c=0 .27),回路突然导通,容器内有电流 通过。随尸C进一步增大,即容器内金属球数量增加, 容器内混合物料的比电阻减小,直至容器内全部都 是金属球时的比电阻。Seher和Zallen于1970年提 出,将逾渗结构的导电相分数体积作为混合物导电 相的成分参数,则混合物与导电相的相对比电导可 用式(2)表示〔4,: ,/山二A(巾一必e)’(2) 上述研究无序密堆结构的物理模型与矿热炉未 熔化层的炉料结构状态有相似之处,炉料中配碳量 2实验装置与实验方案 混合炉料的电阻率测量采用如图2所示实验装 置“电导池”进行。将已知结构电阻率p结的一定粒度 大小的焦炭,装入设置二根铜棒电极的容器内,测得 二电极间的电阻R,根据欧姆定律R=pL/S,可计 算出测量装置的电导池常数(L/S)。将容器内的纯 焦粒换成混合炉料,就可以根据炉料的实际测量电 阻和电导池常数,确定混合炉料的电阻率。每一种混 合炉料均重复测量五次,每次测量要求将被测物料 倒出测量容器,再重新装入,以减少测量误差。 襄 酬同欧姆表 图2实验装置图 Fig.2 ExPeriment deviee diagram 实验中使用的矿石和焦粒的当量直径是用阿基 米德原理,用水或200目干粉(测焦粒)进行测量,矿 石和焦粒经筛分后,测量得到平均当量直径刀,d见 表1。 电流表 表1实验所用物料的平均当量直径 Tab.1 The average equlvalent weight山ameter Of adopted matedal 大粒小粒大粒中粒小粒 物料矿石矿石焦炭焦炭焦炭 (D大)(D,J、)(d大)(d中)(d小) 当量直径/em 4.861,3月.1.48 0 66Q.39 图1逾渗结构示意图 Fig.IDiagram“percolation strUcture 本工作共进行了四组混合炉料的电阻测量,即 在D大一d大、D大一d中、D小一d中和D小一d小搭配 的炉料中,改变非导电相矿石占据测量容器总体积 的体积分数,考察其电阻率的变化规律。 第2期 储少军等矿热炉炉料导电行为的冷态实验研究 0 .6 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 O ::枯‘。 ’羚残安、、·, ‘“长:::f’..、、之一“·603(7002一w)044 “一0708(69·4一w)073卜、<’’’、、、 一““‘;‘…’’、 ‘\、 与 ︵日。\思\哥帅翻 3实验结果与讨论 3.1电导池电极间距对混合炉料导电特性的影响 为了尽可能减小“电导池”测量混合炉料电阻的 误差,需要选择合适的电极测量间距。电极间距对混 合炉料电阻测量的影响见图3。 /{/ /{/ /,夕 //夕 一,‘兰砂子 卜目巴巴华一一‘- I份.“毋. 图4 Fig.4 0 10 20 30 40 50 60 70 SU 非导电相在混合物中的百分比/% ▲d大.d中 大粒矿石(D大=4.86 em)与大焦粒(d大=1.48cm) 和中焦粒(d中二0.66 cm)的混合炉料导电特性 The mixture eha吧e eleetrieal eonduetivity of big size mineralo:。(Db=4.86 em)with big size eoke(d大二 1 .48。m)and middle。ize eoke(禹=0.66。m) 29 24 19 14 94--1 门\划留密 0 10 20 30 40 50 60 70 0 .2 0 .1 . 、、::::tt、、.‘ 、、::;::::、、.二一。·776(68.25o一俨7 一’、‘.,::::::..、.,’ a一o·7,9(68·247一,)。,,““‘·::::::?…’ .;‘乍概::,.,. ︵日。\的︶\瓣即钾 非导电相占总体积的百分比/% -令~-电极币}距为50mm一呀一电极间距为80Inm一电极间距11Omm 图3电极间距对混合炉料电阻测量的影响 Fig.3 The effeet of eleetrodes distance tothe measure of mixture eharge eleettie resistance 从图3表示的实际测量结果来看,当矿石(非导 电相)所占体积分数小于35%时,电极间距变化对 容器中混合炉料电阻值的测量值影响很小。当非导 电相所占体积比例接近临界值必。时,电极间距变 化,引起混合炉料电阻值的误差会很大。因此,在实 验中尽可能采用较大的电极测量间距,一般要求是 炉料当量直径的2倍以上。另一方面,在实验数据处 理方法上,采用电导(或比电导)代替电阻(或比电 阻)描述混合炉料的导电特性。当混合炉料在临界值 必。以上不导通时,相当于电阻无穷大,电导等于零, 从而使实际测量值尽量逼近临界值必。。测得的混合 炉料的电导数据用下式进行回归处理: 。/,0=a(必。一必)‘(3) 式(3)与(2)是一致的,只是将逾渗结构理论模 型中的临界值由导电相所占的临界体积的巾。变为 非导电相所占的临界体积的巾。。 3.2矿石、焦炭粒径变化对混合炉料导电行为的 影响 图4,图5分别是大粒矿石(D大二4.86 cm)与 大焦粒(d大二1.48 cm)和中焦炭(d中=0.66。m), 小粒矿石(D小=0.39 cm)与中焦粒(d中二0.“cm) 和小焦粒(d小=0.39。m)组成的混合炉料的电导测 量结果。回归分析表明,改变矿石或焦炭的粒径,并 不明显影响混合炉料的临界值少。。其变化范围为 0.68一0.70,说明实际炉料有可能用逾渗结构模型 进行描述。一般纯焦粒的结构电阻是随焦炭当量直 径的减小而增大。因此,当焦粒中加人非导电相矿石 0 10 20 30 40 50 60 70 SU 非导电相在混合物中的百分比/% 压d小.d中 图5小粒矿石(D小二0.39 en一)与中焦粒(d中二0.66cm) 和小焦粒(d小二0.3,恤)的混合炉料导电特性 Fig.5皿ie mixture ehar罗eleetrieal eonduetivity 01 sniall mineral 。re(D。=0.39 em)with middie size eoke(毓二0.66 em)a,zd small。ize eoke(d。=0.39 em) 后,虽然会降低混合炉料的导电性,但不改变焦粒粒 径对混合炉料导电行为的影响,即含当量直径大的 焦粒的混合炉料的导电性优于含当量直径小的焦粒 的混合炉料。 当矿石粒径与焦炭粒径差异大到一定程度时, 随非导电相(矿石)的比例增大,上述规律会发生改 变。图4中矿石体积百分比超过15%,采用中焦炭的 混合炉料的导电性反而好于采用大焦炭的混合炉料 的导电性。由表1的数据可以计算矿焦粒径比,四组 中有一组的D大/d中二7.36远大于其余三组实验的 D/d值(2.03~3.44)。因此,造成这一现象的原因 可归结于混合炉料中,导电相颗粒在非导电相颗粒 间空隙中的“填充”效应。 一定矿焦比的混合炉料中,矿石对焦粒的替换 和焦粒在矿石颗粒之间的“充填”是影响炉料导电行 为特性的两个主要因素。生产中,矿石粒径一般比焦 炭粒径大得多,由于“充填效应”,全部采用小粒焦并 不一定能够提高混合炉料的比电阻,从而提高矿热 炉的操作电阻,降低电耗,见表2。一些文献认为还 原剂粒度过小造成冶炼电耗升高的原因是炉料的透 气性恶化。笔者认为,混合炉料电阻的变化也是另一 个重要原因。 表2碳质还原剂粒度选择与硅铁生产电耗的关系ls] Tab.2 The relation bdween the ehoiee of earbon reduet sizes and the eleetrie日eonsumption of ferrosilieon 品种焦炭粒度和配比单位电耗/( kwh八) 45硅铁8一25mm 89%,小于smm 11%5 080 45硅铁8一25mm 100%5 054 75硅铁8一25mm88%,小于smm 12%9 130 75硅铁8一25mm 100%8 960 75硅铁0一20mm 9 120 75硅铁8一20咖8 945 3.3矿石、焦粒几何形状对混合炉料导电行为的 影响 所有四组混合炉料导电性测量数据经非线性回 归处理后,均可用式(3)表示,见图4,图5。式中指数 项的指数值均小于1.0,说明混合炉料的导电性质 随非导电相矿石加入量逐步降低的幅度是先慢后 快。这与笔者前期工作中,采用玻璃球,钢球进行的 冷态模拟实验结果不一致[6’。用直径1 .63 cm玻璃 球分别与直径为0.6。m,0.79 cm和l,23 em钢球 混合,测定混合料的相对比电导随导电相体积分数 的变化规律是: 叮/口。=2 .24(中一0.30)‘·”2 (d二0 .60。m,D二1 .63。m)(4) 『/『o二1·14(中一0 .28)’·5, (d=0 .79 cm,D=1.63 cm)(5) 『/『o=0.91(必一0.30)‘·‘o (d=1 .23om,D=1.63。m)(6) 以上三式中指数项的指数值均大于1.0。造成 上述差异的原因,笔者认为,第一是组成混合料的导 电相,非导电相颗粒的几何形态不同;第二是导

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