不同還原劑對攀枝花鈦精礦冶煉鈦渣影響研究

肖 軍

(攀鋼集團研究院有限公司，釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室，四川 攀枝花 617000)

還原劑和鈦精礦是鈦渣冶煉的兩種主要原料。其中還原劑的主要作用是與鈦精礦中鐵氧化物等發(fā)生還原反應(yīng)，促使鈦氧化物在渣中富集，達到提高爐渣TiO2含量的目的。還原劑的選擇應(yīng)從工藝和經(jīng)濟的合理性考慮，要求活性高，高的反應(yīng)性和電阻率，含硫、磷低，低的灰分和揮發(fā)分，價格低廉儲量大，獲取方便[1]。

還原劑的主要類型有：煤氣、木炭、無煙煤、焦炭等。木炭有很好的反應(yīng)性和電阻率，但由于價格高、資源短缺，沒有被廣泛使用；煤氣和無煙煤在還原能力和電阻率方面比木炭稍微低一點，但儲量大，可用于大規(guī)模的鈦渣生產(chǎn)，然而煤氣全部為氣體，造成電爐冶煉過程爐況控制困難[2]，同時需要大型的氣體處理裝置，所以煤氣沒有被廣泛使用；焦炭的還原能力較低，碳含量高而灰分低，且焦碳的電導(dǎo)率較高[3]，產(chǎn)量大，可用于大規(guī)模的鈦渣生產(chǎn)。

本次試驗主要選取了無煙煤和焦炭作為還原劑，通過大型鈦渣冶煉電爐進行冶煉對比試驗，系統(tǒng)分析了其冶煉時間、冶煉電耗、煙氣狀況、冶煉爐況等方面存在的區(qū)別及原因，對鈦渣冶煉還原劑的選擇具有良好的借鑒意義。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

本次試驗所用主要還原劑與原料成分分別如表1、表 2所示。鈦精礦采用了攀鋼PTK10鈦精礦，其質(zhì)量穩(wěn)定，排除了鈦精礦對試驗結(jié)果的干擾。還原劑采用寧夏某企業(yè)提供的無煙煤和攀鋼煤化工廠提供的焦炭，其主要區(qū)別在于：

(1)無煙煤粒度均勻，有利于爐況的穩(wěn)定同時降低煙塵率和燒損；焦炭粒徑分布范圍廣，且+8 mm以上顆粒較多，粒徑分布波動較大。

(2)無煙煤水分含量很低，一般小于1%，有利于爐況的穩(wěn)定控制，焦炭水分波動大(3%～17%，季節(jié)性變化)。

(3)無煙煤S含量較低，一般0.3%以內(nèi)，有利于鐵水指標(biāo)的進一步提升。

(4)無煙煤固定碳較焦炭高約6個百分點，鈦渣冶煉還原劑單耗可能降低。

(5)無煙煤灰分含量≤10%，可用于高品質(zhì)鈦渣冶煉。

表1 還原劑指標(biāo) %

表2 鈦精礦成分 %

(6)“無煙煤1”、“無煙煤2”為同一種無煙煤，主要區(qū)別在于水分差異，用于研究水分對冶煉指標(biāo)的影響。

1.2 設(shè)備條件

主要設(shè)備為鈦渣冶煉電爐系統(tǒng)：原料儲存?zhèn)}、配料和上料系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、電爐系統(tǒng)、粉塵回收及煙氣處理系統(tǒng)。

1.3 試驗方法

在同一電爐進行冶煉對比試驗，不同還原劑試驗開始前確保除塵系統(tǒng)、爐襯、電極等關(guān)鍵部位的條件基本一致。

鈦精礦和還原劑通過預(yù)先混料同時入爐的模式連續(xù)加入爐內(nèi)。在加料的同時匹配相應(yīng)的送電負荷，保證加入物料能及時熔化并反應(yīng)。通過除塵系統(tǒng)抽風(fēng)，控制電爐內(nèi)始終處于微負壓狀態(tài)，避免爐蓋躥火。冶煉終點根據(jù)爐內(nèi)鈦渣品位、煙氣溫度變化情況、送電量等綜合判斷?；静僮鲄?shù)見表3。

表3 基本控制參數(shù)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 主要冶煉指標(biāo)

主要爐前指標(biāo)對比見表4。

對比三種還原劑的主要冶煉指標(biāo)，初步可以得到如下結(jié)論：

(1)送電時間差異。以百噸料耗時指標(biāo)來看，使用“無煙煤1”每100 t料耗時較焦炭少1.05 h(14.77%)，縮短冶煉時間效果比較明顯。使用無煙煤可以縮短冶煉時間主要是由于：無煙煤粒度均勻，冶煉過程穩(wěn)定，功率輸入穩(wěn)定；無煙煤反應(yīng)活性好，具備提高功率加快冶煉速度的條件。

表4 主要爐前指標(biāo)對比

(2)冶煉電耗差異。從理論上講，使用同樣的鈦精礦生產(chǎn)相同品位的鈦渣產(chǎn)品，其還原反應(yīng)所需電耗應(yīng)基本一致。因此，促進冶煉電耗降低的主要原因是冶煉熱利用率的提高和出爐溫度的降低。

使用紅外測溫槍對出渣出鐵溫度進行檢測發(fā)現(xiàn)，無煙煤出渣溫度在1 620～1 640 ℃，出鐵溫度在1 420～1 450 ℃。與焦炭冶煉出爐溫度相比，渣鐵溫度均降低了約30 ℃。根據(jù)理論計算，不考慮熱效率的條件下，出渣溫度每降低10 ℃可降低冶煉電耗約3.16 kWh/t，出鐵溫度每降低10 ℃可降低冶煉電耗約0.92 kWh/t。則其余的電耗降低因素均來自于電爐熱效率提高。

由表5可以看出熱效率提升是促進冶煉電耗降低的主要原因。而使用無煙煤熱效率提升的主要原因是：送電時間短，熱損失降低；反應(yīng)速度快，吸熱快，熱利用效率高。

(3)噸渣物料單耗差異。由于鈦精礦及出爐渣品位基本相當(dāng)，因此綜合核算其噸渣礦耗亦基本相等?！盁o煙煤1”噸渣還原劑消耗較焦炭低20 kg，這主要是由于其固定碳含量較焦炭高7.9%，此外由于粒度均勻，無煙煤燒損及煙塵率降低。

表5 噸渣電耗影響理論測算

注：“差值”為焦炭指標(biāo)減去無煙煤指標(biāo)之差。

“無煙煤1”冶煉期間噸渣電極糊消耗較焦炭低6.49%，這主要是由于短期內(nèi)冶煉連續(xù)性較好，電極氧化損失降低。

(4)水分對冶煉指標(biāo)產(chǎn)生不利影響?！盁o煙煤2”相比“無煙煤1”在送電時間、冶煉電耗、物料單耗等方面均有增加。這主要是由于“無煙煤2”水分偏高導(dǎo)致物料偏析加重，配比調(diào)整困難，單爐品位波動較大，電極位置不穩(wěn)定，進而出現(xiàn)冶煉電耗及冶煉時間增加。水分偏高導(dǎo)致電爐穩(wěn)定性降低，品位調(diào)整困難，因此單爐電耗增加。

2.2 冶煉特征曲線分析

2.2.1 電極位置變化特征分析

電極位置反應(yīng)了冶煉過程中電極端部上下運動的趨勢。一定電壓下，電極端部與熔池液面距離越近電流越大。鈦渣冶煉過程中由于爐膛大小一定、冶煉電流恒定，電極端部與熔池液面的距離相對穩(wěn)定，電極端部會隨著爐內(nèi)熔池液面高度的變化而變化，并呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。液面高度主要由加料量及熔渣內(nèi)氣體排出速度決定，因此電極位置變化趨勢可直接反應(yīng)熔池液面波動情況、體現(xiàn)爐況的穩(wěn)定性。典型電極位置變化趨勢截圖見圖1。

所有截圖橫坐標(biāo)為時間、縱坐標(biāo)為電極位置高度圖1 典型電極位置變化趨勢截圖

由三種還原劑典型電極位置截圖可以看出：

“無煙煤1”電極位置變化最穩(wěn)定，隨著加料量增加和冶煉進度的推進，電極位置均勻上升，反映出其爐內(nèi)液面無劇烈波動、爐況平穩(wěn)?！盁o煙煤2”電極位置呈現(xiàn)一定波動，但整體趨勢與冶煉進度一致。

焦炭作為還原劑冶煉鈦渣時電極位置波動范圍較大，表明其液面位置反復(fù)升降情況較多，爐況不穩(wěn)定，反應(yīng)過程平穩(wěn)性不足。

無煙煤和焦炭作為還原劑時，電極位置變化趨勢反映出明顯的差別，無煙煤冶煉時爐況更加穩(wěn)定。這主要是由于無煙煤粒度、成分均勻且穩(wěn)定，其配料偏析現(xiàn)象減輕，入爐冶煉后其反應(yīng)速度可以與化料速度良好匹配，反應(yīng)平穩(wěn)、氣體排出速度穩(wěn)定、液面高度與加料量同步增長。由于“無煙煤2”水分含量增加，導(dǎo)致了爐內(nèi)品位波動，氣體產(chǎn)生量不穩(wěn)定，進而出現(xiàn)電極位置波動。

焦炭粒度范圍較廣且粗顆粒較多，配料偏析更加嚴重，入爐冶煉后容易造成間斷性的焦炭過?；蛘呷笔?，加料過程中爐內(nèi)過剩的焦炭受熱后遇到后續(xù)入爐的低配比混合料產(chǎn)生短期內(nèi)劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體無法及時排出，造成液面快速上漲，當(dāng)局部反應(yīng)完成后液面回落，因而產(chǎn)生電極位置大幅度波動。另外，大顆粒焦炭比表面積較小，與鈦精礦接觸面積有限，還原反應(yīng)速度不能與加料速度匹配，這就造成其整體反應(yīng)速度可能出現(xiàn)滯后，進而出現(xiàn)不確定性的集中反應(yīng)，導(dǎo)致電極位置波動較大，爐況不穩(wěn)定。

2.2.2 煙氣溫度變化特征分析

鈦渣冶煉過程中排出煙氣的熱量主要由熔池?zé)彷椛浼盁煔庵蠧O燃燒放熱提供。由于熔池溫度基本穩(wěn)定，因此導(dǎo)致煙氣溫度變化的主要原因是CO燃燒放熱量的差異，即CO燃燒量與煙氣溫度正相關(guān)。CO主要來源于還原劑與鈦精礦的還原反應(yīng)，因此還原反應(yīng)越快單位時間產(chǎn)生的CO越多、煙氣溫度越高。典型煙氣溫度變化趨勢截圖見圖2。

所有截圖橫坐標(biāo)為時間、縱坐標(biāo)為煙氣溫度圖2 典型煙氣溫度變化趨勢截圖

由圖2可以初步得到以下結(jié)論：

(1)無煙煤冶煉時煙氣溫度整體較焦炭冶煉高約50 ℃，且無煙煤煙氣溫度更加穩(wěn)定。這主要是由于：無煙煤反應(yīng)速度更快，單位時間產(chǎn)生的CO量增加，燃燒放熱量大；無煙煤粒度均勻、冶煉負荷穩(wěn)定，因此反應(yīng)穩(wěn)定、煙氣產(chǎn)生更加平穩(wěn)。

(2)無煙煤冶煉煙氣溫度存在階段性超過850 ℃的現(xiàn)象，隨著時間累積可能導(dǎo)致部分除塵灰結(jié)塊，加速除塵系統(tǒng)堵塞，但本次試驗未能得到數(shù)據(jù)佐證。

圖3 反應(yīng)前期煙氣溫度擬合

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計對無煙煤和焦炭反應(yīng)前期煙氣溫度變化曲線進行擬合，得到圖3。由此可以直觀的看出，使用無煙煤時煙氣溫度上升速度更快且更快的達到穩(wěn)定，說明其CO產(chǎn)生速度快，具有更快的反應(yīng)速度，還原性能更好。

3 可能存在的問題

(1)無煙煤冶煉煙氣溫度存在階段性超過850 ℃的現(xiàn)象，隨著時間累積可能導(dǎo)致部分除塵灰結(jié)塊，加速除塵系統(tǒng)堵塞，但本次試驗未能得到數(shù)據(jù)佐證。若涉及工業(yè)應(yīng)用需注意此問題。

(2)使用無煙煤冶煉鈦渣時CO產(chǎn)生速度快且相對集中，對于沒有使用煤氣回收技術(shù)的電爐，可能

造成尾氣中CO燃燒不充分，進而導(dǎo)致CO局部超高產(chǎn)生放炮現(xiàn)象，危及設(shè)備和人員安全。因此，使用無煙煤時需注意監(jiān)測CO變化情況并做好二次燃燒條件保障，確保尾氣中殘余CO量在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)使用無煙煤冶煉過程中煙氣溫度上升速率明顯高于焦炭冶煉，說明其反應(yīng)速度更快、CO產(chǎn)生速度更快，具有更好的還原性能。

(2)與焦炭相比，無煙煤反應(yīng)速度加快，可縮短百噸料耗時1 h左右，提高電爐熱效率2%左右。

(3)由于無煙煤具有較均勻的粒度和穩(wěn)定的化學(xué)成分指標(biāo)，其冶煉過程可以實現(xiàn)穩(wěn)定控制，熔池穩(wěn)定、具備提高冶煉負荷的條件，可有效促進冶煉綜合指標(biāo)的優(yōu)化。

(4)水分含量對冶煉爐況的穩(wěn)定和指標(biāo)的優(yōu)化具有重要影響，水分含量大于1%可能導(dǎo)致爐況異常波動，惡化冶煉指標(biāo)。

(5)在除塵系統(tǒng)安全、匹配的情況下，使用粒度、水分均勻的無煙煤冶煉鈦渣可以獲得比焦炭更好的冶煉指標(biāo)。

[參考文獻]

[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] 任玉明. 中國無煙煤資源與性質(zhì)[J]. 潔凈煤技術(shù),2004,(3):8-10.

[3] 郭艷玲.焦炭質(zhì)量對高爐煉鐵的影響[J]. 上海金屬, 2014,(3):51-55.