鈦渣冶煉過程二次燃燒室堵塞原因分析及改進

劉 娟， 宋 兵， 韓可喜， 李凱茂， 肖 軍， 葉恩東

(鞍鋼集團釩鈦(鋼鐵)研究院攀鋼釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室， 四川 攀枝花 617000)

電爐法熔煉鈦渣，是用固體還原劑碳(無煙煤、冶金焦、石油焦等)對鈦鐵礦進行選擇性還原，鈦鐵礦中的主要氧化物還原為金屬鐵，而鈦的氧化物被富集在爐渣中，從而產出鈦渣和生鐵(半鋼)兩種產品，冶煉在溫度大于1 700 ℃下進行。

根據生產實踐中熱平衡、物料平衡和元素走向測定結果可知，鈦精礦冶煉鈦渣過程礦中，SiO2、 CaO、MgO、V2O5、MnO、P2O5等參與還原反應量極少，主要是 TiO2、FeO、Fe2O3參與還原反應，鈦渣冶煉發(fā)生的主要化學反應見式(1)～(3)。

FeO+C=Fe+CO

(1)

Fe2O3+3C=2Fe+3CO

(2)

3TiO2+C=Ti3O5+CO

(3)

從以上化學反應可以看出，冶煉過程會產生大量CO氣體，CO氣體經料層逸出時，進入二次燃燒室進行二次燃燒，這些高溫煙氣在二次燃燒室燃燒后產生的化學能不僅可以利用，還可降低電爐煙氣溫度，減少有害氣體含量，增加除塵效率，有利于環(huán)境保護。

與此同時，鈦渣冶煉過程中產生的尾氣中含有較多的粉塵顆粒(煙塵)，溫度越高，煙塵量越大。鈦渣電爐煙塵細，直徑一般在42～167 μm[1]，高溫情況下易于燒結，從而造成二次燃燒室堵塞致使生產中斷，需進行停爐降溫，疏通二次燃燒室和再升溫操作，造成反應電耗增加，生產周期延長，影響生產的連續(xù)性，降低設備作業(yè)率，且勞動強度增大，安全隱患大。停爐疏通二次燃燒室造成爐內熱源流失，對鈦渣質量影響較大，制約了鈦渣電爐的穩(wěn)產和達產。分析和解決二次燃燒室堵塞問題，對實現鈦渣電爐連續(xù)穩(wěn)定運行具有重要意義。本文分析了二次燃燒室工作原理、堵塞原因和改進措施。

1 二次燃燒室工作原理

二次燃燒是指一次燃燒的中間產物與外圍空氣再次反應生成穩(wěn)定的最終產物[2]。二次燃燒技術最初應用于轉爐煉鋼，現由于國內電爐冶煉鈦渣未完全實現連續(xù)冶煉，出于安全和環(huán)?？紤]也使用該項技術，攀枝花地區(qū)某廠鈦渣電爐二次燃燒示意圖如圖1所示。

圖1 電爐二次燃燒簡單示意圖

二次燃燒室中發(fā)生的主要化學反應為電爐冶煉鈦渣過程中產生的大量高溫氣體CO與空氣中的O2發(fā)生的反應，見式(4)。

2CO+O2=2CO2

(4)

鈦精礦冶煉鈦渣過程中，C的燃燒率用PC來表示，見式(5)。

(5)

當PC值為0%時，碳全部燃燒為CO；PC值為100%時，碳完全燃燒為CO2。碳燃燒產生的熱量值如圖2所示，由圖2可知，當PC值分別為0%和100%時，1 kg碳與純氧燃燒反應產生的能量分別為7.49 kW·h和1.43 kW·h；而在空氣中燃燒分別產生3.48 kW·h和-0.95 kW·h(此時碳燃燒為吸熱反應)。當然，PC值越高，也會增加爐氣帶走的熱損失。由此可知，含碳化合物的燃燒值決定熱損失，采用純氧較空氣進行二次燃燒更具有潛在的優(yōu)點。若利用二次燃燒將廢氣中潛在化學能有效利用，同時生成的CO2的熱輻射傳遞也大于CO，因此二次燃燒可大幅度提高爐內傳熱效率，起到節(jié)能降耗和提高生產率的效果。

圖2 碳在空氣與氧氣中燃燒產生的熱量

2 二次燃燒室故障情況及原因分析

實際生產過程中，由于原料質量波動大、設備結構設計不合理以及工藝操作不當爐況不順行等均會造成二次燃燒室嚴重堵塞，負壓難以控制，從而影響鈦渣電爐的連續(xù)穩(wěn)定運行[2]。

2.1 二次燃燒室故障情況

圖3和圖4分別為二次燃燒室堵塞情況和平穩(wěn)爐次情況的對比。通常，采用攀枝花鈦精礦間斷式加料冶煉鈦渣，二次燃燒室月清灰頻次約10次。不同冶煉情況下，二次燃燒室月清灰頻次見表1。

圖3 二次燃燒室堵塞情況

圖4 平穩(wěn)爐次二次燃燒室情況

項目月清灰頻次攀枝花鈦精礦冶煉鈦渣10攀枝花氧化鈦精礦冶煉鈦渣22雨季攀枝花鈦精礦冶煉鈦渣20國外鈦精礦冶煉鈦渣6攀枝花鈦精礦連續(xù)加料冶煉鈦渣16

2.2 二次燃燒室堵塞原因分析

2.2.1 原料對二次燃燒室堵塞影響分析

旁遮普天津技術大學機械工程專業(yè)應用型人才培養(yǎng)體系研究…………………… 徐超輝，趙 巍，RAMMIZ Ul-hassan，ASMA Bakht，MUHAMMAD Farhan-ejaz（71）

1)原料粒度。鈦渣冶煉原料主要是鈦精礦與還原劑，鈦精礦粒度+0.074 mm以上約占65%，且受現行選礦技術影響其粒度還有明顯變細的趨勢，還原劑的粒度約3～10 mm，但其密度較小。鈦渣冶煉過程應控制鈦精礦與還原劑粒度組成，原料粒度過粗，顆粒比表面積大，鈦精礦與還原劑的接觸面小，影響鈦精礦的還原速率；原料粒度過細，雖可增加鈦精礦與還原劑接觸面，但由于其粒度細，原料抽損嚴重。二次燃燒室是原料抽損必經通道，細顆粒大量經過二次燃燒室，增加風機抽損頻率，也增加二次燃燒室細顆粒積累，從而堵塞二次燃燒室。通過從二次燃燒室取樣分析發(fā)現，其物料化學成分與鈦精礦成分相似，詳見表2。從表2的化學分析結果可以看出，二次燃燒室中的燒結樣和灰樣主要是由于鈦精礦粒度過細在抽損過程中堆積于二次燃燒室中燒結形成。

表2 二次燃燒室物料與鈦精礦原料成分對比 %

注：此處二次燃燒室所取樣為使用氧化鈦精礦作為原料生產時產生。

2)還原劑水分。水分是還原劑質量好壞的重要評價指標，而還原劑水分含量也是影響二次燃燒室堵塞的重要因素。生產實踐中發(fā)現，七八月份雨季時期還原劑中含水量較其他月份增加10%～15%，最高達20%，期間二次燃燒室堵塞爐次明顯增加。主要是由于鈦渣冶煉過程中，二次燃燒室的溫度約1 300～1 400 ℃，還原劑進入電爐內，還原劑中水分迅速蒸發(fā)進入二次燃燒室，增大進入二次燃燒室的煙氣速度，增大細顆粒的抽損率，同時細顆粒還原劑抽損進入二次燃燒室，由于顆粒細及水分氣化，使得進入二次燃燒室的物料極易燒結成塊，在風機頻率一定的情況下，成塊的物料不能被抽走，導致物料在二次燃燒室堆積，從而堵塞二次燃燒室。通過現場清理二次燃燒室時發(fā)現物料燒結致密，強度較大，清理難度較大，清理二次燃燒室平均用時達2 h之多。

3)鈦精礦化學性質。攀枝花鈦精礦屬共生巖礦，精礦中FeO含量高，碳熱還原難度大，為提高鈦精礦碳熱還原速率，通常會考慮對鈦精礦進行預處理，如預還原或預氧化處理等。鈦精礦經氧化處理會改善鈦精礦物相組成，鈦精礦中的鐵氧化物也主要以Fe3+形式存在，而固體碳質還原三價鐵氧化物能力明顯提高，加快鈦精礦碳熱還原速率。另一方面，三價鐵氧化物較二價鐵氧化物氧含量明顯增多，碳熱還原產生的氣量明顯增加，同時增加二次燃燒室的進氣量，加重二次燃燒室堵塞。因此，二次燃燒室的堵塞情況受原料化學性質波動影響較大。

2.2.2 設備設計缺陷對二次燃燒室堵塞影響分析

1)二次燃燒室尺寸和風機頻率。二次燃燒室爐膛尺寸相對電爐而言偏小，風機較小，當二次燃燒室粉塵達到一定量時，增加風機頻率對降低粉塵量無明顯效果，爐膛內煙氣溫度急劇升高，易于發(fā)生燒結，爐膛負壓劇烈波動甚至變?yōu)檎龎篬3-4]。

2)配料系統(tǒng)和加料系統(tǒng)。

配料系統(tǒng)：每個料倉中的爐料(鈦精礦和焦炭)是通過原料處的稱量皮帶秤與混料皮帶按一定比例混合運輸至爐頂料倉，皮帶秤傳感器容易產生零點漂移，稱量誤差大，導致配料不準確。同時，由于鈦精礦與焦炭密度差異大，在皮帶下料至爐頂料倉時會出現鈦精礦在下，焦炭在上的現象，導致物料偏析嚴重，物料熔化速度慢，不易形成大熔池，一旦結殼突然塌陷，上部爐料跌入渣層，會驟然增大渣內還原反應，產生大量CO氣體，使渣體產生強烈沸騰乃至噴濺。導致電極高位運行，電爐上部溫度增加，同時也會增加二次燃燒室溫度，導致二次燃燒室內物料軟化，進一步燒結致密。

加料系統(tǒng)：加料點的個數和加料點位置設計都會對冶煉過程順行產生重要影響，此外，爐頂料倉距電爐垂直高度過高，下料過程中造成較大的原料飛揚，粉末狀的鈦精礦會被高溫煙氣直接帶至二次燃燒室，經燃燒后形成的高溫顆粒直接附著在二次燃燒室腔壁。隨著冶煉的進行, 二次燃燒室腔壁上的燒結物越積越多, 溫度越來越高，從而加劇二次燃燒室堵塞情況。

2.2.3 工藝因素對二次燃燒室堵塞影響分析

由于采用半密閉鈦渣電爐冶煉工藝，改間歇式加料方式為連續(xù)加料，但目前暫未實現連續(xù)冶煉，仍然采用間歇式出爐。實現冶煉爐連續(xù)加料后，物料抽損極其嚴重，加劇了二次燃燒室堵塞情況，導致頻繁停爐，使電耗成為冶煉爐各項指標中最差的一項。

2.2.4 其他因素對二次燃燒室堵塞影響分析

除了上述影響因素外，由于冶煉人員操作經驗和應急處理能力參差不齊，對物料配比調整及加料送電時機的判斷存在差異，以及清灰不及時等都是造成二次燃燒室堵塞的次要原因。

3 優(yōu)化措施

3.1 原料方面

嚴格把關原料采購程序，控制原料化學成分和粒度在合理范圍，通常要求鈦精礦的粒度-0.38 mm～+0.074 mm達80%以上。還原劑粒度范圍在3～10 mm最佳，還原劑中水分含量控制在0.4%以下(雨季可考慮增加干燥處理工序)。

3.2 設備結構

1)電爐新建或改建時適當增大二次燃燒室尺寸和風機頻率。

2)鈦精礦和焦炭分別盛裝在不同的料倉，各自料倉上的下料管安裝一臺螺旋稱量皮帶機, 以實現對鈦精礦和焦炭精確配料。鈦精礦料管與焦炭料管互相交匯于爐蓋上加料管, 以便兩種物料在爐頂加料管中均勻混合下至爐內，避免物料偏析產生泡沫渣，減少受泡沫渣影響導致二次燃燒室堵塞加劇。

3.3 工藝方面

1)取消點火器和助燃風機，改變進風方向，可降低目前使用連續(xù)加料但未實現連續(xù)冶煉帶來的二次燃燒室堵塞情況。

2)進一步探索使用不同原料時加料與送電制度的匹配。

3.4 其他方面

加強管理水平，提高冶煉人員操作水平。

通過實施多方面優(yōu)化改進措施可有效解決二次燃燒室堵塞問題，減少冶煉人員對二次燃燒室的清灰頻次， 延長電爐的連續(xù)穩(wěn)定運行周期，提高電爐生產效率，提高產能，獲得良好經濟效益。

4 結論

1)二次燃燒室堵塞受原料性質、設備結構設計和工藝操作影響較大。

2)技術人員操作是二次燃燒室堵塞的次要原因。

3)通過優(yōu)化上述影響因素可有效降低二次燃燒室堵塞率，減少清灰頻次，提高設備作業(yè)率和電爐連續(xù)生產能力。