技术领域：
本发明涉及矿热炉应用领域，特别是涉及一种矿热炉调控方法。
背景技术：
：
矿热炉是一种利用电极端部的电弧热和炉料的电阻热将电能转换成热能，使金属等有用元素从矿石或氧化物中被还原出来的电冶金设备，由于它主要用于金属氧化矿石的还原冶炼，所以称为矿热炉或矿热还原矿热炉。矿热炉用于生产铁合金时称为铁合金炉；用于生产电石时称为电石炉；用于生产黄磷时称为黄磷炉；用于生产冰铜时称为冰铜炉，用于生产钛渣时称为钛渣炉。
矿热炉生产铁合金时，大多数以焦炭作还原剂，根据生产品种的不同采用不同的原料，如以硅石、氧化
锰矿、氧化铬矿、钛铁矿做原料，则分别得到硅铁、锰铁、铬铁、钛渣等系列的铁合金产品。因此矿热炉是涵盖铁合金、化工、黑色金属、
有色金属等多个行业的冶炼设备。
矿热炉应用如此广泛，但在生产实践中，至今没有一个行之有效的方法作指导，完全凭借操作工人的经验进行调控，没有明确的调控方向，耗时长，矿热炉生产很不稳定，产量低、电耗高，重大人身事故、设备事故时有发生。
技术实现要素：
：
本发明的目的在于提供一种快速准确，保证矿热炉稳定生产的矿热炉调控方法。
本发明的目的由如下技术方案实施：矿热炉调控方法，热分配系数c与炉料比电阻r料比存在如下函数关系：c＝a·r料比2+b·r料比，其中a＜0，且当c＝0.5时，
利用该函数关系调控矿热炉。
具体的，利用热分配系数c与炉料比电阻r料比的函数关系，调控矿热炉的具体步骤为：
(1)定义
区间为不稳定区，
为炉料熔化区，s＜r料比＜p为高温还原区，其中，
(2)依据炉况判定炉料比电阻所处区间，进而根据生产要求调整炉料比电阻，将炉料比电阻调整至炉料熔化区或高温还原区。
具体的，所述步骤(2)具体为：如矿热炉在运行过程中，电极不稳定，电极不能深插，电极上浮，三根电极高低不平，此时，炉料比电阻处于不稳定区，应在配料中综合考虑几种原料的比电阻，进而提高混合料的炉料比电阻，避开此工作区；如矿热炉在运行过程中，化料快，三根电极平稳，易融通，温度低，热反应区上移，炉底上涨，此时，炉料比电阻处于炉料熔化区，对于粉料产品，易过早软熔、塌料、翻渣，对于仅以化料为主的生产，选择此范围较为适宜；如矿热炉在运行过程中，三根电极平稳，炉温高，热反应区下移，炉底略深，电极端部平直，烧损小，此时，炉料比电阻处于高温还原区，对于以还原为主的生产，选择此范围较为适宜。
其中，“s”点非常重要，影响“s”点的因素有两点
1、通过调整几种入炉原料的比例。
2、通过调整矿热炉变压器档位，改变
点位置，同时也就改变了“s”点。
“s”点表示某一产品在某一确定容量的炉子下，“s”点为最佳炉料比电阻值，这一点也具有最佳的热分配系数，也有最佳的炉温，同时，矿热炉变压器也处于合适的档位。本申请中“炉温高”、“炉温低”，都是相对“s”点而言的，没有具体的数值。找到“s”点，就是找到最佳炉料配比，也就是本申请的终极目的。而找到“s”点就是将炉况与二次曲线相结合，来调整炉料配比，同时，调整矿热炉变压器档位，当炉料配比和矿热炉变压器档位均达到最优时，即找到“s”点。
矿热炉的工作原理“就是将混合后的物料施以不同比例的电阻热与电弧热，使之熔化还原的过程。不同的产品采用了不同比例的电阻热和电弧热，也就是采用了不同的用电制度，也就是电阻制和电弧制。”
矿热炉应用如此广泛，怎样驾驭好自己使用的炉子？根据矿热炉原理，就是将物料施以不同比例的电阻热和电弧热。其关键是“不同比例”，掌握和控制了调整不同产品的“不同比例”的方法，使之运行于最佳用电制度下，这就是驾驭矿热炉的最根本的手段。
一、矿热炉运行过程中的电热转换
1、矿热炉重要电气参数---操作电阻
矿热炉操作电阻的大小，可用有效相电压与电极电流的比值计算，即
式中.r------------操作电阻mω
u相效----有效相电压v
i极----------电极电流ka
电流在炉内有很多路径，主要分为炉料区电流(角形电流)和熔池区电流(星形电流)，也就存在角形电阻和星形电阻，因此操作电阻可认为是由此两组电阻并联而成，有：
r--操作电阻mω
rm---溶池电阻即星形电阻mω
rn---炉料电阻即角形电阻mω
如图1所示：
已有证明：
ρn---两电极间深度hn的介质电阻率ω.m
hn----电极柱体埋入深度
l-----两电极中心间距
d-----电极直径
ρm----电极下端熔体的介质电阻率ωm
hm---电极下端至炉底深度
r0-----电极端半径
2、操作电阻与炉内热能的分配关系
进入矿热炉的有效功率转化为热能，这些热能分为两个部分，一个是电阻热，另一个是电弧热。电阻热用于未熔化的炉料区，提高炉料温度，并进行熔化炉料，为溶池区的反应创造良好条件；电弧热也是其主要热能，用于溶池反应区，决定该区的温度，促进该区化学反应，这两个部分的热能的合理分配，即合理的热分配系数，是矿热炉能够运行良好的重要条件，这也是本申请主要讨论的内容。
热分配系数c
即操作电阻r＝c·rn
c---炉料热分配系数表示未熔化的炉料区所分得的热量占总热量的比例
q料----未熔化的炉料区所分得的热量
q总-----进入炉内的有效功率所转换的总热量
p料-----未熔化炉料区所消耗功率kw
p炉----进入矿热炉的总有功功率kw
rn------角形电阻mω
rm-----星形电阻mω
u相效--有效相电压v
3、操作电阻在矿热炉运行中的重要性
操作电阻是一非常重要的电气参数，控制了它就等于控制了以下四项：
①有效相电压及电极电流以及他们的比值
②电阻热与电弧热的分配
③三根电极输入的有效功率
④电极在炉料中的插入深度
4、怎样才能控制操作电阻
以上介绍过
ρnρm分别为两电极间介质电阻率和电极下端熔体电阻率，这个电阻率可以通过调整入炉混合料的比电阻r料比即炉料比电阻进行调节。r料比正比于ρnρm，r料比是常温状态下入炉混合料的比电阻，它是人工唯一能够直接干预的矿热炉参数(俗称配料)，通过调整r料比值，即可调节rmrnhnhm同时还调节了热分配系数c，在这里要提到r料比不是炉子的操作电阻，但能调节操作电阻。
二、炉料比电阻与矿热炉各参数的函数关系
1、炉料比电阻r料比与电极插入深度的函数关系
电极插入深度反映了溶池反应区在竖直方向的位置，正常熔炼时，如图2所示，随着r料比增加，插入深度加大，当r料比达到一定值时，电极端部距离底部的距离为一定值。hn不会无限制的插入炉底，否则会造成电极与炉底中性点短路，因此当r料比为合理状态下，hn为一定值。
2、炉料比电阻r料比与角形电阻、星形电阻和操作电阻的函数关系
①炉料比电阻r料比与角形电阻的函数关系
如图3所示，当炉料比电阻在“0p”范围内时，角形电阻rn的大小，主要随电极插入深度而改变，当炉料比电阻大于p点时，hn为定值，角形电阻主要随ρn而改变，ρn正比于r料比，所以在这个范围内角形电阻随ρn改变而改变。
②炉料比电阻r料比与星形电阻的函数关系
星形电阻
随着炉料比电阻r料比增加，插入较深，hm逐渐变小，hm→r0时，且hm>r0,
星形电阻不会因为r料比增加而显著增大，所以rm在合理的r料比时为一定值
③炉料比电阻r料比与操作电阻的函数关系
因为rn≥rmr≤rm
在稳定状态下rm为一定值，故操作电阻在矿热炉稳定状态下也为一定值。
k为安德烈公式中的周边电阻
∴
为一定值
此式在此验证了安德烈公式的周边电阻的实际意义
3、炉料比电阻与矿热炉热分配系数的函数关系
前已叙述，热分配系数
rn≥rm当rn＝rm时，c为最大值
即
此时电弧功率等于电阻功率。
怎样能够找到炉料比电阻与热分配系数的关系呢？通过前叙，炉料比电阻与星形电阻和角形电阻的函数关系，推导出炉料比电阻与热分配系数存在二次函数关系即c＝a·r料比2+b·r料这是一个抛物线方程，此方程开口向下a<0；图4中，坐标点
大小取决于变压器容量及二次电压，这一坐标点相当于热分配系数r/rn趋于零，rn为∞，相当于电极有效相电压为开路电压，因此，这一坐标值是由矿热炉变压器二次电压决定的。因为矿热炉变压器二次电压有多个挡位，调整电压挡位的电压值，坐标点
随之改变。理解这一概念对调整炉况非常重要，这一坐标点在矿热炉理论上也将产生重要影响。
当c＝0.5时，
下面对此二次曲线图进行分析，炉料比电阻r料比在矿热炉正常运行时，为满足电弧燃烧条件m≤r料比≤p。知道炉料比电阻与热分配系数的函数关系后，我们在指导生产时，根据不同的产品来选择r料比的值，尽可能避开不稳定区，对以熔化为主的生产，确定r料比使之选择炉料熔化区，对于需要高温还原为主的产品，确定r料比时，选择高温还原区。
三、矿热炉运行的热分配调控
通过上述的函数关系的掌握，根据不同的产品调整常温下的炉料比电阻的值(配方)使之配料恰当，达到该产品的合理的热分配系数，使矿热炉达到高产、优质、低消耗的工作状态。
本发明的优点：利用本发明方法调控矿热炉，通过矿热炉炉况判断炉料比电阻所处区间，然后指导操作工人根据生产要求调整炉料比电阻，实现快速准确的将炉料比电阻调至炉料熔化区或高温还原区，实现稳定生产。通过本发明方法调控的矿热炉，产量大大提高、电耗明显降低，避免了人身事故、设备事故的发生。
附图说明：
图1为矿热炉工作状态示意图。
图2为炉料比电阻随电极插入深度的变化曲线图。
图3为炉料比电阻与角形电阻、星形电阻和电极插入深度的变化曲线图。
图4为炉料比电阻与热分配系数的函数关系图。
具体实施方式：
矿热炉溶池内有并联的两条电路即电阻热和电弧热，马克西门柯就是按照它们所占的不同比例划分矿热炉熔炼中的电阻制度和电弧制度，不同的冶炼品种有其各自适宜的比例。怎样使矿热炉调控，实现这一适宜的比例？
一、炉料比电阻r料比与热分配系数的函数关系
热分配系数
rn≥rm当rn＝rm时，c为最大值，即
此时，电弧功率等于电阻功率。根据炉料比电阻r料比与星形电阻和角形电阻的函数关系，推导出炉料比电阻与热分配系数的函数关系，
即：c＝a·r料比2+b·r料比，这是一个抛物线方程，此方程开口向下，a<0；当c＝0.5时，
图中坐标点
大小取决于变压器容量及二次电压。下面对此二次曲线图-图4进行分析。
炉料比电阻r料比在矿热炉正常运行时，为满足电弧燃烧条件m≤r料比≤p，知道炉料比电阻与热分配系数的函数关系后，即可根据此图来指导生产，使矿热炉达到适宜生产状况。
我们把函数图中m≤r料比≤p范围分成三个区，不稳定区，炉料熔化区，高温还原区，下面对三个区分别进行分析：
①不稳定区
此区，炉料比电阻较小，此时操作电阻r，星形电阻rm都较小未达到其设定值，电极不稳定，造成熔炼过程失常，电极不能深插，电极上浮，三根电极高低不平，三相功率不平衡，也可以说成是三相热分配系数不平衡，致使三根电极工作有不同的热分配系数。三根电极下，温度不一样，化料速度不一样，造成某一根电极与其他两根电极不易融通。易造成塌料、翻渣、喷炉等安全隐患，因此冶炼操作者应能够及时判断出此时状态是炉料比电阻选择过小，应在配料中综合考虑几种原料的比电阻，进而提高混合料的比电阻，避开此工作区。
②炉料熔化区
炉料比电阻r料比选择在此范围，热分配系数相对较大，产量高，化料快，三根电极平稳，易融通，温度低，热反应区上移，炉底上涨，由于电极侧壁电流较大，电极端部呈尖状。对于粉料产品，易过早软熔、塌料、翻渣，对于仅以化料为主的生产，选择此范围较为适宜。
③高温还原区
炉料比电阻r料比选择在此范围，热分配系数相对较小，三根电极平稳，炉温高，反应区下移，炉底略深，电极端部平直，烧损小，对于以还原为主的生产，选择此范围较为适宜。
二、热分配系数的调控方法
掌握了炉料电阻与热分配系数关系后，就需要冶炼管理者对炉况工作在什么状态有所了解，准确掌握矿热炉工作在什么区间范围，以便及时调整炉料的比电阻，使之达到最佳冶炼效果。
冶炼工作管理者要对自己所生产的产品所需要的各种原料的比电阻充分了解，可选用2500兆欧表或者5000兆欧表对所用的各种原料进行比电阻值排序，在生产过程中判断矿热炉工作在何种状态适时的进行调整。
三、坐标点
对矿热炉的影响
通过以上的所有描述，就是为了得到炉料比电阻r料比与热分配系数的函数关系及函数图。充分理解这张图，就能理解矿热炉的工作原理和调整矿热炉炉况的方法与规则。
图4中，坐标点
前已叙述，它随变压器二次电压改变而改变。假设矿热炉工作在高温还原区，此时改变二次电压挡位提高电压值，相当于坐标点
增大向右移。注意此时的矿热炉热分配系数升高，炉况向“炉料熔化区”移动，“炉温降低”。因此，得出结论“变压器二次电压升高，炉温降低；二次电压降低，炉温升高。”这一结论与传统的认知，完全相反。因此，这一函数关系既有新的理论产生，又有对传统认知的否定，这也是这张坐标图的重要意义所在。
假设矿热炉工作在不稳定区，提高二次电压炉况向更加不稳定区移动，使炉况更加不稳定。
以上的论述在内蒙古苏尼特右旗宏宇钛业已经过了实践的验证，此企业有6台1800kva矿热炉，生产产品高钛渣。按本申请方法调控矿热炉，炉况稳定易操作，单炉日产量提高了20％，炉前电耗由原来的2900度/吨渣，降低到2550度/吨渣。吨渣电耗降低350度电，总成本更有明显的降低。
通过以上叙述，关键在于准确判断矿热炉工作运行在哪个区域，根据实际情况，增减混合原料的比电阻及调整二次电压挡位，而使矿热炉运行于最佳状态。
技术特征：
技术总结
本发明公开了矿热炉调控方法，热分配系数C与炉料比电阻R料比存在如下函数关系：C＝a·R料比2+b·R料比，其中a＜0，且当C＝0.5时，利用该函数关系调控矿热炉。利用本发明方法调控矿热炉，通过矿热炉炉况判断炉料比电阻所处区间，然后指导操作工人根据生产要求调整炉料比电阻，实现快速准确的将炉料比电阻调至炉料熔化区或高温还原区，实现稳定生产。通过本发明方法调控的矿热炉，产量大大提高、电耗明显降低，避免了人身事故、设备事故的发生。
技术研发人员：陈良;陈慈媛;赵龙
受保护的技术使用者：陈良
技术研发日：2017.07.27
技术公布日：2018.01.16
声明：
“矿热炉调控方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：陈良
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2024年11月29日 ~ 12月01日 
