鈦渣熔煉交流電爐和直流電爐的比較分析

楊 鑫

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081)

0 引 言

自然界中的鈦鐵礦品位低，需先經(jīng)過富集處理獲得高品位的鈦渣或者人造金紅石，再進(jìn)行下一步處理。富集的方法有火法和濕法兩類?；鸱ò?電爐熔煉法、等離子熔煉法、選擇氯化法等;濕法包括:酸浸法、銹蝕法等。電爐熔煉法制取的產(chǎn)品為鈦渣，而其他方法制取的產(chǎn)品為人造金紅石。

電爐熔煉法是用碳還原劑(無煙煤、石油焦、冶金焦等)在高溫下對鈦鐵礦進(jìn)行還原，分離鈦渣和鐵水，最后獲得鈦渣和生鐵兩種產(chǎn)品。該方法工藝簡單，流程短，副產(chǎn)品金屬鐵可以直接利用，電爐煙氣可以回收利用，三廢量少，對環(huán)境污染小，工廠占地面積小。

由于電爐熔煉法屬于高溫冶金，能耗高是其固有的特點，而且不能除去大部分的 MgO、CaO、Al2O3、SiO2等雜質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)品鈦渣(TiO2)含量偏低。但是該方法的工藝技術(shù)較易掌握，在國內(nèi)外的鈦渣生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

1 電爐冶煉生產(chǎn)鈦渣機(jī)理及工藝

鈦鐵礦是一種以偏鈦酸鐵(FeTiO3)晶格為基礎(chǔ)的多組分復(fù)雜固融體，一般可表示為:m［(Fe、Mg、Mn)O·TiO2］·n［(Fe、Al、Cr)2O3］，m+n=1。它的基本成分是偏鈦酸鐵(FeTiO3)。電爐熔煉碳還原鈦鐵礦可能發(fā)生的反應(yīng)如下:

電爐還原在1 600～1 800℃間進(jìn)行，隨著溫度的升高，TiO2被還原生產(chǎn)低價鈦的量增加，即鈦的氧化物在還原冶煉過程中隨溫度的升高按下列順序逐漸發(fā)生變化:

電爐還原熔煉鈦渣的工藝流程是:鈦精礦和還原劑按一定的比例經(jīng)混合配料后加入鈦渣電爐中，在電弧高溫下進(jìn)行還原反應(yīng)，將鈦鐵礦中的氧化鐵還原成金屬鐵，同時其他部分金屬氧化物也被還原成金屬;還原熔煉結(jié)束后將鈦渣和生鐵從出爐口放出，生鐵利用余熱進(jìn)行鑄錠，鈦渣經(jīng)冷卻、破碎、磁選、磨粉后得到商品級鈦渣。磁選出的鐵中含有少量的鈦渣返回電爐中回收二氧化鈦和鐵。電爐產(chǎn)生的煙氣經(jīng)熱交換冷卻、沉降、布袋除塵器除塵后達(dá)標(biāo)排放;收塵粉主要是二氧化鈦和碳返回電爐中回收處理。工藝流程見圖1。

圖1 電爐熔煉生產(chǎn)鈦渣流程Fig.1 Flow chart of titanium slag produced by electric furnace smelting

鈦渣電爐主要分為交流(AC)電爐和直流(DC)電爐，其中敞口、半密閉交流電爐鈦渣熔煉過程是間歇操作，包括配料、加料、熔煉、出渣、出鐵等步驟。鈦渣熔煉過程采用微負(fù)壓控制，煙氣通過二次燃燒進(jìn)入除塵系統(tǒng)處理，當(dāng)冶煉過程發(fā)生大的翻渣及塌料的情況，壓力突然上升過大，將自動打開爐蓋上的防爆孔或者通往煙囪的閥門，將爐氣直接排往大氣。

密閉交流、直流電爐鈦渣熔煉，加料過程和開弧熔煉過程是連續(xù)的，產(chǎn)生的煙氣可做為能源回收利用。

2 交流電爐的形式和技術(shù)特性

經(jīng)過幾十年來鈦渣電爐冶煉技術(shù)的發(fā)展，交流電爐演變出了敞口電爐，半密閉電爐和密閉電爐3種基本爐型，下面簡要分析每種電爐的技術(shù)特點和優(yōu)缺點。

2.1 交流敞口電爐的特點及分析

交流敞口電爐基本為間斷法熔煉鈦渣，采用石墨電極或自焙電極，由呈三角形排列的三根電極組成，見圖2，從而形成三相交流電弧。爐料集中加料至三根電極周圍，依靠爐料電阻熱加熱爐料。隨著電極周圍的爐料熔化，形成3個坩堝熔池，電極與坩堝熔池間又產(chǎn)生電弧熱加熱爐料，并使熔池逐漸擴(kuò)大，直至融匯形成1個大的熔池。

圖2 三相電極布置方式Fig.2 Arrangement mode of three phase electrode

交流敞口電爐的優(yōu)點是可獲得高還原度渣，生產(chǎn)技術(shù)容易掌握，國內(nèi)自50年代以來基本采用這種方法來生產(chǎn)高品位鈦渣。但是其爐況不穩(wěn)定，粉塵多，熱損失大，危險性高，爐子周邊環(huán)境惡劣，常用于小規(guī)模生產(chǎn)，不便實現(xiàn)大型化。

2.2 交流半密閉電爐的特點及分析

半密閉電爐見圖3，其熔煉方法和敞口電爐不同，它一次性加入粉料，并在爐上設(shè)煙罩將煙氣集中收集處理，鈦鐵礦與一部分碳還原劑先混合加入爐中熔煉，因爐料中配碳量較少而迅速熔化，爐料熔化后加入其余碳還原劑進(jìn)行液相還原造渣。加料后采用手動方式調(diào)節(jié)三相功率進(jìn)行還原熔煉，待三相功率基本穩(wěn)定后轉(zhuǎn)為自動調(diào)節(jié)。

圖3 半密閉鈦渣熔煉交流電爐Fig.3 Semi-closed AC electric furnacefor titanium slag smelting

半密閉電爐可使用無粘結(jié)劑爐料，從而消除了敞口爐以瀝青為粘結(jié)劑常發(fā)生的塌料翻渣現(xiàn)象。

2.3 交流密閉電爐的特點及分析

交流密閉電爐熔煉鈦渣克服了敞口電爐熔煉的很多缺點。由于爐蓋具有封塵、保溫的作用，可大幅減少熱損失，可采用連續(xù)加料的開弧熔煉方式。因此與敞口和半密閉爐不同的是，電弧熱是主要熱源，爐渣的電阻熱是次要的，大部分爐料需直接加到電極附近的電弧區(qū)。爐料進(jìn)入高溫區(qū)后立即反應(yīng)熔化，放出氣體使?fàn)t渣呈泡沫狀態(tài)。泡沫爐渣與連續(xù)加入爐體的物料形成具有導(dǎo)電、傳熱和降溫作用的混合物，同時還能遮擋電弧光和熱輻射。

交流密閉電爐按形狀劃分有圓形電爐和矩形電爐。圓形電爐采用三根電極呈三角形排列，電弧區(qū)較為集中，爐中心容易過熱，對爐壁和爐蓋會產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射，導(dǎo)致爐子壽命降低，大型化受到限制。

矩形電爐主要用在加拿大和南非等地，它是六根電極呈一字形排列，每兩根電極構(gòu)成一相，由3個單相變壓器供電。操作方式較為靈活，可在只有一相停電的情況下排料，排料過程不會對爐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，保證了熔煉過程的連續(xù)進(jìn)行。此外，由于矩形爐有6根電極，在大型化方面有較大優(yōu)勢。

交流密閉爐相對敞口爐和半密閉爐熱損失少，電極和還原劑消耗小，煙塵污染小，爐子周邊環(huán)境較好。但是其產(chǎn)品鈦渣品位較低(＜88%)，生產(chǎn)時爐內(nèi)溫度較高，導(dǎo)致爐子壽命不高，不易觀察爐內(nèi)部物料情況。

幾種交流電爐的比較見表1。

表1 幾種交流電爐的比較Tab.1 Comparison of several AC electric furnaces

續(xù)表1

3 鈦渣熔煉全密閉直流電爐的形式和技術(shù)特性

在鈦渣電爐發(fā)展的早期，受到大容量變流設(shè)備的制約，容量很小的直流電爐無法適應(yīng)形勢的需要，形成了一直由三相交流電爐占據(jù)指導(dǎo)地位的局面。隨著時代的發(fā)展，鈦渣冶煉全密閉直流電弧爐的研究取得了巨大突破，雖然鈦渣冶煉直流電弧爐的發(fā)展歷史不長，但采用直流電弧爐冶煉鈦渣，克服了大功率交流電弧穩(wěn)定性差，對前級電網(wǎng)沖擊大等缺點，成為了新世紀(jì)鈦渣冶煉電爐研究和發(fā)展的趨勢。

3.1 直流電爐的結(jié)構(gòu)形式

直流電爐的生產(chǎn)操作和結(jié)構(gòu)跟交流爐比較類似，按電極數(shù)量分為單電極、雙電極和三電極。主要機(jī)械設(shè)備包括頂電極、電極把持器、電極升降機(jī)構(gòu)、爐體、液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、加料系統(tǒng)等。電氣設(shè)備主要是整流變壓器、整流器、電抗器及濾波器等。直流電爐短網(wǎng)分為兩部分，陰極短網(wǎng)接到電極，陽極短網(wǎng)連接爐底陽極。

直流電爐的底電極(多為陽極)既與熔體接觸又作為電路，比其他耐火材料爐床承受更大的熱負(fù)荷，不可避免縮短底陽極壽命，因此底陽極是直流電爐的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2 鈦渣全密閉直流電爐的優(yōu)缺點

直流電爐與傳統(tǒng)的三相交流電爐相比，有比較明顯的優(yōu)點:

(1)直流電弧沒有周期性的點弧和熄弧現(xiàn)象，可以較容易的獲得穩(wěn)定電弧，效率更高;

(2)對前級電網(wǎng)的沖擊較小。一般情況下直流電爐對前級電網(wǎng)造成的電壓波動不到交流電爐的30%。

(3)直流電弧能產(chǎn)生陽極效應(yīng)，有利于提高爐底溫度和輸入功率;

(4)電極消耗和單位電耗更低，產(chǎn)品鈦渣品位較高;

(5)直流電爐的偏弧問題可通過一定的導(dǎo)線布置方式和控制電流的輸出裝置來抑制。

然而，直流電爐投資較大，對原料的成分、粒度、含水量等要求較高。由于爐底導(dǎo)電陽極的侵蝕導(dǎo)致直流爐使用壽命縮短，單電極產(chǎn)生的偏弧導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定也是一直困擾直流爐發(fā)展的問題。

4 幾種鈦渣電爐的選擇

交流敞口電爐由于污染大能耗高，不易實現(xiàn)大型化等缺點，在國家“十二·五”規(guī)劃中屬于淘汰類設(shè)備，不利于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，只能原有爐子改造，而不能新建。

交流半密閉電爐工藝成熟，電爐容量適中，污染和能耗可控制在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，適合規(guī)模較小，技術(shù)要求不高的工廠選擇。

密閉交流電爐在污染和能耗控制方面較敞口和半密閉爐更為領(lǐng)先，但是產(chǎn)品鈦渣的品位不高(TiO2＜88%)。在中小型爐方面不如半密閉爐效益高，大型爐方面更基本全方位落后于直流爐。

全密閉直流電爐擁有電弧穩(wěn)定，效率高，能耗低污染低，產(chǎn)品品位較高，適合大型化等優(yōu)點，全面領(lǐng)先于同等條件下的交流爐。但是目前國內(nèi)擁有直流爐技術(shù)的單位相對較少，大多引進(jìn)國外技術(shù)，適合資金充裕，規(guī)模大，技術(shù)要求高的工廠選擇。

5 結(jié) 語

目前鈦渣熔煉直流電爐的研究和應(yīng)用取得了巨大的進(jìn)展，但是在國內(nèi)，鈦渣熔煉主要還是采用交流爐，直流爐的普及尚需時間。對于不同企業(yè)，合理選擇適宜的工藝和設(shè)備是至關(guān)重要的。

全密閉直流電爐是未來鈦渣電爐大型化的發(fā)展趨勢，要加強(qiáng)對直流電爐的技術(shù)研究開放，同時積極引進(jìn)和消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)。做好配套的電爐煙氣的回收綜合利用，副產(chǎn)品生鐵的升級、產(chǎn)品延伸、降低能耗、降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益等工作。

由于全密閉直流電爐熔煉對入爐原料的成分、粒度和含水量有較高要求，一般入爐前需對還原劑和鈦精礦進(jìn)行干燥，在此基礎(chǔ)上，可對爐前物料做進(jìn)一步處理，主要除去其中的MgO、CaO，從而提高產(chǎn)品鈦渣含量。還可借鑒加拿大QIT公司對鈦渣的升級工作:他們采用化學(xué)工藝，將電爐熔煉后的鈦渣除去 MgO、CaO、Fe雜質(zhì)，將鈦渣中的TiO2含量提高到了95%。這種生產(chǎn)工藝將是我國未來鈦渣升級的關(guān)鍵技術(shù)和攻關(guān)方向。

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