一种交流电弧炉冶炼电熔镁的功率密度控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电熔镁冶炼技术领域，具体为一种利用交流电弧炉冶炼电熔镁的功率 密度控制方法。
【背景技术】
[0002] 电熔镁是重要的用于冶金工业的耐火材料，通常采用天然优质菱镁矿石（MgC03)、 水镁矿石（Mg(0H)2)、轻烧氧化镁和死烧氧化镁等作原料在三相电弧炉中熔融制得。我国菱 镁矿资源丰富、质地优良，是优势矿产之一，在世界上占有重要的地位。其中菱镁矿在电弧 炉中受热分解生成电熔镁的过程实质上是碳酸镁受热分解成氧化镁和二
[0003] 氧化碳气体的过程，其具体的反应式如下
[0005] 该反应生成的MgO就是电熔镁的主要成分，其含量的高低是衡量电熔镁产品质量 的重要指标，MgO的熔点是2852°C。菱镁矿石经过电弧的加热在电弧炉中融化形成熔池， 熔池的温度在2800°C至3200°C，再次投入到熔池中的矿石融化后扩大熔池的体积，实践证 明，投入熔池矿石的尺寸、数量以及冶炼电压电流的大小都会影响电熔镁的产率。
[0006] 目前各种控制策略控制的是电极的升降来控制电流的恒定，属于恒功率控制，其 缺点是：注入熔池的功率密度是变化的，随着熔池的不断扩大，注入熔池的功率密度不断 减小，导致熔池接受的热量不均匀，形成的融坨内部结构疏松、密度小，含杂质多，单吨能耗 高。而且，从冶炼反应上讲，注入熔池单位体积功率密度能真实体现冶炼情况。为了克服恒 功率控制的上述缺点，将恒功率控制优化成恒功率密度控制则是现有技术中有待解决的问 题。
[0007] 注入熔池单位体积功率密度
式子中，4表示 反应区功率密度；PB代表注入熔池的有效功率，可以用三相不平恒交流电的功率求法求解； η代表电极数目；VT代表反应区体积，在实际生产中，随着冶炼状态的变化而变化，而且形状 不规则，没有精确的公式可以套用，反应区域体积的计算成为了计算以及控制注入熔池单 位体积功率密度的难点。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术存在的不足，本发明提出一种交流电弧炉冶炼电熔镁的功率密度控 制方法。
[0010] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种交流电弧炉冶炼电熔镁的功率密 度控制方法，其特征在于，步骤如下：
[0011] (1)通过热成像仪采集2路炉体表面的温度分布图像；
[0012] (2)通过图像合成器采集到的2路图像合成完整的炉体表面的温度分布图；
[0013] ⑶采用有限元计算炉体内部的温度场分布；
[0014] ⑷计算熔池的体积VT :
[0016] 其中，VT1为熔池和插入熔池中的石墨电极的总体积，即，通过将电弧炉内部大于等 于温度2800°C至2852°C的部分的体积元累计求和得出VT1 ;
[0017] hT为熔池的上表面距离炉底高度；
[0018] ha、hb、h。分别代表三根电极距离炉底的高度；
[0019] (5)根据功率和熔池体积计算功率密度；
[0021] 其中，PB为三相有功功率；
[0022] (6)计算投入矿石的重量；
[0024] 其中h为超声波探头与矿石表面的距离；Λ h为振打式料仓阀门开启时，h的变化， P为已知矿石堆放在一起的平均密度；料仓由两部分构成，上部分是圆柱，下部分是圆锥， H1是超生波探头距离料仓圆柱部分和圆锥部分分界面的距离，H2是超生波探头距离料仓 底部的距离。
[0025] (7)根据步骤（5)计算的功率密度，结合冶炼阶段状态、料仓投料重量，通过PID控 制调整电极的升降高度和阀门的开合大小，进而控制功率密度。
[0026] 所述步骤（3)采用有限元计算炉体内部的温度场分布的具体步骤如下：首先利用 有限元计算软件，在计算机中按照炉壳和电极的的尺寸建立模型，输入矿石的材料特性参 数，具体包括：磁导率、电导率、导热特性，将所建立的模型分割成若干个六面体单元，六面 体单元的个数选择8000到10000个，分割的方法是从三根电极的轴线开始向外侧辐射直至 炉壳，由于每个六面体都有8个顶点，炉壳最外侧的每个六面体靠外侧的4个顶点会根据热 成像仪采集到的数据被赋予温度值；而靠内侧4个顶点的温度则根据温度梯度计算，用外 侧4个顶点的平均值减去温度梯度与六面体内外表面的距离的乘积，得到内侧4个顶点的 温度平均值：
[0027] (Tol+To2+To3+T o4) ^4-dXg = (T^+T^+T^+TJ ^4,
[0028] 进一步整理得到
[0029] T^+T^+T^+T^ = Tol+To2+To3+To4-4dXg
[0030] 其中Tu、Tl2、Tl3、Tl4表示六面体内侧4个顶点的温度，L、1； 2、1；3、Ι；4表示六面体 外侧4个顶点的温度，d是六面体的高度，也就是Tu、Tl2、Tl3、Tl4所在平面到L、1； 2、1；3、1；4所在平面的距离；g是温度梯度，取值为1800°C /m到2400°C /m ;
[0031] 将分割后的每个六面体都列写出上面的式子，联立求解得出内侧各点的温度；求 解出的各点的温度也是下一层六面体的外侧顶点的温度，用同样的方法求出下一层六面体 内侧顶点的温度，依次类推，求出所有顶点的温度；取8个顶点的温度平均值作为顶点所在 六面体的温度，从而得出整个炉体的温度分布。
[0032] -种用于前述交流电弧炉冶炼电熔镁的功率密度控制方法的数据采集处理系统， 该系统包括加载在原有电熔镁冶炼平台上的三相功率表、热成像仪、图像合成器、温度场分 布有限元计算模块、熔池体积积分计算模块、功率密度计算模块、冶炼阶段计时器模块、冶 炼决策处理器、电极位置控制模块、料仓阀门控制模块、粗细料仓阀门；
[0033] 其中，所述的热成像仪设置2个，热成像仪A和热成像仪B沿电弧炉的一条直径相 对布置；
[0034] 所述的超声波料仓投料重量计算模块，包括超声测距仪、进料口、矿石料仓、振打 式料仓阀门；所述的矿石料仓的主体是圆筒形，直径为D，其底部是圆锥形。
[0035] 使用时，矿石料仓配备2个，一个存放直径30mm以内的矿石细料，一个存放直径 30mm到100mm的矿石粗料。
[0036] 本发明的有益效果：本发明采用上述方案，可以针对熔池体积、功率密度进行计 算。可以控制投入矿石的时机、数量以及矿石的粒径尺寸。通过改变电极的升降高度和阀 门的开合大小，实现控制功率密度。通过该方法可以弥补目前交流电弧炉冶炼电熔镁控制 方法的缺陷，有助于降低电弧炉单吨能耗，增加效益。
【附图说明】
[0037] 图1是搭建在原有电熔镁冶炼平台上的数据采集处理系统的结构框图。
[0038] 图2是超声波料仓投料重量计算模块的结构示意图。
[0039] 图3是本发明方法的流程图。
[0040] 图4是有限兀模型网格图。
[0041 ] 图5是炉体温度分布图。
【具体实施方式】
[0042] 在原有的电熔镁冶炼平台上搭建数据采集处理系统，参见图1，图1中电熔镁冶炼 平台由熔池18、炉壳17、三个石墨电极16、导电横臂15及水冷母线14构成。数据采集处 理系统由三相功率表1、热成像仪2A、2B、图像合成器3、温度场分布有限元计算模块4、熔池 体积积分计算模块5、功率密度计算模块6、冶炼阶段计时器模块7、冶炼决策处理器8、电极 位置控制模块9、料仓阀门控制模块10、粗细料仓阀门、超声波料仓投料重量计算模块13组 成。其中，热成像仪2A和热成像仪2B延电弧炉的一条直径相对布置，如图1所示。
[0043] 其中超声波料仓投料重量计算模块13的结构参见图2,主要有超声测距仪131、进 料口 132、矿石料仓133、振打式料仓阀门134组成，料仓133的主体是圆筒形，直径为D，料 仓13的底部是圆锥形，由于该功率密度控制方法的要求，需要这种结构的料仓13为2个， 一个存放直径30mm以内的矿石细料，一个存放直径30mm到100mm的矿石粗料。
[0044] 热成像仪2A、2B的作用是采集2路炉体表面的温度分布图像，图像合成器3将这 两路图像合成完整的炉体表面的温度分布图。
[0045] 温度场分布有限元计算模块4利用热力学公式计算出炉体内部的温度场分布。
[0046] 具体计算过程为：利用有限元计算软件，在计算机中按照炉壳和电极的的尺寸建 立模型，输入矿石的材料特性参数，具体包括：磁导率、电导率、导热特性，将所建立的模型 分割成若干个六面体单元，六面体单元的个数选择8000到10000个，分割的方法是从三根 电极的轴线开始向外侧辐射直至炉壳，参见图4。由于每个六面体都有8个顶点，炉壳最外 侧的每个六面体靠外侧的4个顶点会根据热成像仪采集到的数据被赋予温度值；而靠内侧 4个顶点的温度则根据温度梯度计算，用外侧4个顶点的平均值减去温度梯度与