淺析鈦渣品位波動的原因及對策

王麗萍

（攀鋼集團(tuán)鈦業(yè)有限責(zé)任公司，四川 攀枝花 617000）

1 引言

1.1 鈦渣冶煉工藝簡介

鈦冶煉廠現(xiàn)采用電爐法熔煉鈦渣，即用固體還原劑無煙煤（或石油焦或焦炭）對鈦鐵礦中的鐵氧化物進(jìn)行選擇性還原以除去大部分鐵，使TiO2富集，經(jīng)渣鐵分離后產(chǎn)得鈦渣和生鐵（半鋼）兩種產(chǎn)品［1］。

鈦渣的冶煉周期是從送電、投料開始的，其爐況特征是:新料的投入使?fàn)t溫由出爐時的1600℃下降到1000℃左右，故爐料的比電阻值很大，此時，爐料呈固相堆積在爐膛內(nèi)，電極與爐料直接接觸，電極輸出的電能主要借助于爐料本身的電阻轉(zhuǎn)換成爐料還原所需的熱能，此時三相電極平衡 ，輸入電流較小而穩(wěn)定，爐況正常，冶煉進(jìn)程呈典型的礦熱爐特征 。

隨著爐中溫度的遞升，特別是當(dāng)溫度超過1200℃時，由于鐵的金屬化率大增 ，爐料的比電阻迅速下降，電導(dǎo)率急劇上升，迫使電極上抬，同時離電極末端附近的爐料在高溫下軟化融熔出現(xiàn)初渣，形成以電極為中心的坩堝熔池。電極坩堝熔池中的空氣在高溫作用下有著足夠的自由電子和離子，從電極流出的電流通過氣體放電而產(chǎn)生熾熱的電弧，并以電弧熱來加速爐料的熔化和擴(kuò)大熔池的面積，此局部的冶煉進(jìn)程呈電弧爐特征。但是當(dāng)電子通過電極間尚未熔化的熟料壁時，仍然以產(chǎn)生電阻熱為主實現(xiàn)冶煉過程，此局部仍呈礦熱爐特征，故此階段可以看作是電弧爐和礦熱爐復(fù)合冶煉過程，這是一個由礦熱爐向電弧爐轉(zhuǎn)化的過渡期，也是電爐冶煉鈦渣的困難期。此階段由于三個熔池是分割的，加上熔池和料壁的比電阻差距懸殊，便造成三相電阻、電流經(jīng)常失去平衡，致使?fàn)t況變化劇烈，電極串動頻繁，跳閘次數(shù)猛增。為使一爐冶煉周期順利進(jìn)行，設(shè)法縮短過渡期的冶煉時間是至關(guān)重要的。工藝的難點是如何維持三相電阻的相對平衡。目前普遍采用沿各相電極主加料管及時適量加入生礦的辦法是十分有效的。只要加入的生礦適量，就可以迅速實現(xiàn)三相電阻的相對平衡，使?fàn)t況穩(wěn)定盡快朝下一階段的冶煉過程過渡。

當(dāng)爐溫升至1500℃以上時，原三個獨立的熔池迅速擴(kuò)大打通而形成一個大熔池。這時爐膛液面穩(wěn)定，三相電極電阻平衡，可順利實施大電流操作，并大部分轉(zhuǎn)換成電弧熱，爐況呈典型的電弧爐特征。電爐冶煉高鈦渣的爐況是不斷變化的。一爐冶煉周期是從礦熱爐開始至電弧爐結(jié)束，中間還有一個由礦熱爐冶煉轉(zhuǎn)入電弧爐冶煉的過渡階段［2］。

鈦冶煉廠的電爐熔煉工藝簡單，采用大連重工的自培電極技術(shù)和烏克蘭的鈦渣冶煉工藝。該冶煉工藝設(shè)備易于大型化，不產(chǎn)生固體和液體廢料，電爐煤氣可回收利用，“三廢”少，副產(chǎn)品生鐵回收加工容易，工廠占地面積小，是一種高效、環(huán)保的生產(chǎn)富鈦料的方法。其工藝流程如圖1所示:

圖1 半密閉爐鈦渣熔煉工藝流程

質(zhì)量是企業(yè)生存和發(fā)展的根本，在實際生產(chǎn)中鈦渣出爐品位波動大，在調(diào)整方面有較大空間，通過冶煉生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)的精心調(diào)整，可生產(chǎn)出品位穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)鈦渣。

2 鈦渣品位波動分析

2.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

電爐鈦渣冶煉是一個TiO2富集的過程，也是碳對鈦鐵礦中的鐵氧化物進(jìn)行選擇性還原的過程［3］。影響爐中還原條件的因素很多，它涉及到工藝參數(shù)是否合理，電工制度是否先進(jìn)，以及原材料質(zhì)量、爐料形式、還原劑量、升溫速率、爐前操作等因素。因此，欲獲得鈦鐵礦的良好選擇性還原條件，必須從設(shè)備、工藝及現(xiàn)場操作等多方面去努力。

目前鈦冶煉廠鈦渣品位波動大，調(diào)整品位使冶煉周期延長，電耗增加，后續(xù)加工處理困難，廢品率高，產(chǎn)品市場競爭力低。

2.2 原因分析及對策

2.2.1 還原劑固定炭含量波動

鈦渣熔煉中鈦鐵礦還原，即是用碳還原劑奪取與鐵結(jié)合的那部分氧的過程。適量的還原劑是使鈦鐵礦中鐵氧化物得到充分還原并使?fàn)t況順行的基本條件。如果還原劑偏少，不僅造成鐵氧化物還原不徹底，影響TiO2的富集度，而且還促使FeO在還原過程中嚴(yán)重侵蝕碳質(zhì)爐襯；反之，如果還原劑偏多，在一定溫度條件下為爐料的過還原提供了方便，很容易生成高熔點、高比重、高硬度的鈦與碳、氮、氧等化合物沉積于爐底，導(dǎo)致爐底猛漲，爐膛縮小。還原劑參與反應(yīng)的核心物質(zhì)是固定碳，還原劑固定碳含量制約著物料反應(yīng)速率，影響爐內(nèi)的還原和造渣等過程，也在很大程度上決定著產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)指標(biāo)，見表1:

表1 還原劑含量高低對鈦渣冶煉的影響

針對還原劑固定碳含量的波動，采購部門應(yīng)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，定期對焦炭等原料進(jìn)行取樣化驗，發(fā)現(xiàn)異常及時上報處理，以確保采購入廠的原料都是合格優(yōu)質(zhì)原料，為冶煉生產(chǎn)的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。生產(chǎn)過程中根據(jù)還原劑固定碳含量對配碳比進(jìn)行合理的調(diào)整，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的合格。

2.2.2 稱量皮帶偏差

稱量皮帶的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到配炭比的精確度，會造成實際入爐爐料配炭比偏高或偏低。工藝要求稱量皮帶的誤差必須小于1%，而鈦業(yè)公司鈦冶煉廠配料焦碳倉是振打下料，靠調(diào)整計量皮帶轉(zhuǎn)速來調(diào)整配料量，造成皮帶速度不能穩(wěn)定，從而產(chǎn)生計量誤差，比如2010年9月10日配料16t，實際進(jìn)倉17.3t，誤差高達(dá)8.1%。為此，生產(chǎn)過程中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)備巡檢和維護(hù)，特別是配料時加強(qiáng)對稱量皮帶的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)皮帶瞬時下料量偏差過大及時通知外協(xié)單位來檢查標(biāo)定，定期對稱量皮帶進(jìn)行標(biāo)定，要求稱量皮帶誤差必須小于1%。

2.2.3 每批物料取樣時機(jī)判斷

每批物料熔化完全后，用取樣棒蘸取鈦渣樣品進(jìn)行化驗，指導(dǎo)后續(xù)配料以便控制鈦渣品位。取樣時機(jī)不當(dāng)對生產(chǎn)的影響見表2:

表2 取樣時機(jī)早晚對比

現(xiàn)場工作人員在平時生產(chǎn)中應(yīng)多注意觀察，積累豐富的經(jīng)驗，定期進(jìn)行研究討論，制訂合理的取樣時機(jī)判斷方法，并在實際生產(chǎn)中不斷完善。冶煉過程中第一批物料的化料情況對取樣和后續(xù)冶煉影響較大，取樣制度改進(jìn)前所取樣對后續(xù)冶煉指導(dǎo)意義不強(qiáng)，與取樣制度改進(jìn)后的效果對比見下表:

表3 取樣制度改進(jìn)及效果

2.2.4 配料

配料是各種爐料形式的準(zhǔn)備作業(yè)，就是將鈦精礦和炭粉不加或加黏合劑按適當(dāng)比例混合均勻后入爐或制團(tuán)后入爐。配料是生產(chǎn)合格高鈦渣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，爐料配碳比基本就確定了大致的鈦渣品位。配料前必須準(zhǔn)確確定配碳比（即加炭量與鈦精礦的重量百分?jǐn)?shù)），配碳比對鈦渣熔煉過程的影響十分敏感，如配碳比低，鈦精礦中鐵氧化物的還原不足，則鈦渣的TiO2品位低，為此需要在渣精煉階段補(bǔ)加大量的碳，致使熔煉時間延長，又使電耗增加和爐襯腐蝕的加重；而這對連續(xù)加料的操作制度來說，即是生成無可補(bǔ)救的廢品。配碳比過高又會導(dǎo)致鈦的過還原，使渣中低價鈦增加，也助長TiC和TiN的生成，鈦渣的熔化性變壞，惡化熔煉操作，出爐困難，電耗升高，產(chǎn)能下降。合理的配料能杜絕大幅度調(diào)整品位操作，冶煉過程中鈦渣品位穩(wěn)定，爐況順行，加料時機(jī)不會被耽誤，在一定程度上縮短了冶煉周期，降低了成本。配料不合理，會導(dǎo)致爐內(nèi)鈦渣品位波動大，冶煉后期需要大幅度調(diào)整品位，延長冶煉周期，惡化爐況還增加電耗。

配料前必須準(zhǔn)確確定配碳量，配碳量的確定是采用計算和實際生產(chǎn)經(jīng)驗相結(jié)合的方法。在冶煉一個新礦種時，先按下列方法計算出配碳量，然后經(jīng)幾爐試驗驗證是否合適，最后確定正確的配碳量。配碳量計算應(yīng)包括:

（1）將鈦鐵礦中的鐵氧化物還原為金屬鐵所需碳；

（2）將鈦鐵礦中部分TiO2還原為TiO所需碳；

（3）將鈦鐵礦中部分雜質(zhì)還原所需碳；

（4）鐵水增碳所需碳；

（5）在爐內(nèi)燒損的碳

（6）機(jī)械損失碳。

以上六項的總和便是所需碳量。表4為鈦鐵礦各成分在渣、鐵、塵和爐氣中的分配系數(shù)。所需碳量應(yīng)等于加入的還原劑和黏結(jié)劑及所消耗的電極三者中的活性炭量的總和。但計算還原鈦鐵礦中雜質(zhì)所需碳比較麻煩，而爐內(nèi)碳的燒損和機(jī)械損失只能根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗加以估計。所以，在生產(chǎn)中實際應(yīng)用的方法很多，主要有兩種:

表4 分配系數(shù)

（1）計算將礦中所有鐵的氧化物還原為金屬鐵時所需碳，稱為“理論需碳量”，再加上所謂“過碳量”，便是需加入碳量。這種計算方法過于粗略，“過碳量”變化范圍太大。

（2）計算將礦中所有鐵的氧化物還原為金屬鐵和所有TiO2還原為Ti3O5所需碳量的總和，再加上鐵水增碳所需碳量便是需加入的碳量。在這里假定爐內(nèi)碳燒損由所消耗的電極碳補(bǔ)償。這種計算方法比較準(zhǔn)確，也比較簡便。

實際生產(chǎn)中，為杜絕配料失誤給生產(chǎn)帶來的惡劣影響，總結(jié)出一套可行的配料方法:第一次取樣后先進(jìn)行估樣，綜合爐況等因素在三個邊倉各配5噸料備用，待渣樣品位化驗出來后再用后續(xù)配料來調(diào)整品位。該方案實施后很大程度上提高了配料效率，縮短了配料時間10～15分鐘，減少了大幅度調(diào)整品味給爐墻帶來的危害。

2.2.5 加料

（1）加料時機(jī)對生產(chǎn)的影響

適宜的加料時機(jī)將會大幅度降低泡沫渣出現(xiàn)的幾率，爐況順行，爐渣品位才會穩(wěn)定易調(diào)整。如果加料過早，爐內(nèi)上批次的物料未完全反應(yīng)，下批次物料入爐后極易產(chǎn)生泡沫渣；若加料過晚，爐內(nèi)物料會產(chǎn)生過還原反應(yīng)生成Ti（C，N）致使?fàn)t內(nèi)鈦渣流動性降低，惡化爐況的同時影響后續(xù)冶煉

（2）改進(jìn)加料方法

加料方法的改進(jìn)主要是針對攀礦而言。每次加料前，電壓逐步提到15檔，待爐內(nèi)反應(yīng)相對平穩(wěn)后，根據(jù)電極位置變化進(jìn)行少量多批加料。特別注意加攀礦時，各邊倉3t～3t～3t逐步加料，若加料過程中電極位置短時間內(nèi)上漲了300～400mm立即停止加料，待反應(yīng)相對平穩(wěn)，電極位置下降接近加料初期位置時再繼續(xù)加料。改進(jìn)后的加料方法能夠預(yù)防持久泡沫渣，降低電耗的同時還有利于爐墻的保護(hù)。

3 結(jié)論

目前電爐冶煉鈦渣工藝技術(shù)仍需要不斷摸索改進(jìn)，技術(shù)水平得到提高后，品位穩(wěn)定的鈦渣在市場上擁有較高的產(chǎn)品競爭力；同時，可以節(jié)約大量用電成本，有效促進(jìn)降本增效，節(jié)能減排等工作的開展，工藝改進(jìn)過程中提高了廣大員工的操作水平，從而創(chuàng)造更大的社會效益。

［1］楊紹利，盛繼孚.鈦鐵礦熔煉鈦渣與生鐵技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2006.

［2］朱樹民.關(guān)于降低電爐冶煉鈦渣電耗的探索［J］.鋼鐵釩鈦，1988（3）.

［3］朱樹民，游梅蘭.關(guān)于電熱法生產(chǎn)高鈦渣提高TiO2品位的若干問題探討［J］.鋼鐵釩鈦，1984.