钛渣冶炼炉新工艺介绍

关于钛渣冶炼炉的新工艺介绍前言本方案瞄准国际先进技术，借鉴国内引进的成败实例，结合我团队自主研发并已成熟应 用的成果而制定。本方案所采用的各种“非常规”措施，最终将体现为：1节能，比常规交流电炉耗电低25%35%，真正实现低成本运行；2生产环境优良，低噪音、全密闭，突显“人性化”，尾气排放可满足新国标；由于工 艺上的改革，使除尘器过滤面积、烟管面积、风机及功率，与传统工艺的除尘器相比泾1/8, 并且通过新工艺，使被过滤的烟气温度有效、可靠地控制在200工以下，促使滤袋寿命成倍 地延长。3生产过程简化，实行计算机控制，在原编制上可大幅削减冶炼工人；4电炉设计上，倾向于多功能一一满足冶炼多种产品（随意可调的宽幅电压）；5产品生产的质量特别稳定、易控。6电炉本体故障率特低，平时只需巡视和加注润滑等基本保养。本方案其它特点：1独创的底电极结构，从根本上杜绝了铜质针刺因高温频繁烧蚀的断电事故，彻底保障 了导电可靠性。2电炉功率因数高（只考虑动力补偿）；同时，在电气设计上已消除了谐波危害。3采用可控硅整流方式，能很方便地化解凝炉（非正常停电）、因SiC沉积造成的炉底 上涨现象。4原料连续入炉、大容量电炉可实现产品连续出炉。5利用电炉产生的高温烟气烘干原料及煤气回收发电技术。烟气进入原料干燥装置降温 后，再进除尘器除尘，由煤气风机送至煤气发电车间，全程安全可控。根据国家对铁合金、电石等冶炼行业的准入限制，为适应国家可能出台的新政策，综合 考虑钛渣炉性价比，建议钛渣炉的单台容量N 2万kVA。工信部规定，容量在6300KVA以下的交流矿热炉逐步淘汰，新上的交流矿热炉容量必 须25000KVA,直流炉容量A12500KVA。内蒙、贵州及四川攀枝花等地已经在落实。台2万KVA空心电极直流密闭炉可年产主产品钛渣67000吨左右副产品半钢5000 吨左右。与传统冶炼方式相比，生产一吨主产品可节省电能1200 1800度。建造一台生产钛渣的2万KVA空心电极直流密闭炉，约需人民币6000 -7000万元。 投产后1 2年即可收回投资。直流密闭炉节能效果显着，为国内首创。建设单位可以向国家工信部申报节能减排项目， 寻求国家奖励或资助。贵州兴义某企业计划新建4台30000万KVA半密闭直流铁合金炉， 已获得当地政府3亿元的贴息贷款扶植。内蒙古卓资县一铁合金企业新建一台16500KVA全密闭直流铁合金炉，已获得当地政府4百万元资助，正在向工信部申请立项。目前，发达国家中的钛渣炉，容量都比较大，多采用全封闭，湿法除尘和回收煤气，并 向干法除尘转变。这些大型电炉采用计算机进行控制，从原料准备到产品出炉全过程自动化， 生产效率高，产品质量稳定，环保设施完善，有利于资源的综合利用，也是中国钛渣生产发 展的方向。国内某企业从南非引进的3万kVA全密闭直流高钛渣炉，已经将高钛渣的吨产电 耗从国内普遍的3500kwh/14500 kwh/t降至2600kwh/12800kwh/1,大大降低了生产成 本（注：由于该企业对引进技术吸收消化严重不足，加之过份神秘化的保密隔绝，导致试生 产周期特长，生产时断时续。不久前，此高钛渣炉炉底熔穿目前正停产维修。该企业的负责 人在接待国家工信部考察人员时介绍说：技术指标是非常先进的，政治上丰收，经济效益趋 于零）。国内钛渣冶炼通常采用三相交流敞口电炉或半密闭电炉，一次性加料生产工艺，污染严 重、热辐射高、操作环境恶劣。炉膛热量直接从炉口或烟道散出，电炉热损失大，容易造成 除尘器布袋的烧蚀。三相交流电炉的三根电极之间的电流为平面流动形式，由于炉料的导电性，而不能选用 较高的二次电压，否则会出现电极不能深插，炉底温度低的现象，使得SiC沉积造成炉底上 涨。交流电炉炉膛的深、径比小，每次排渣或出铁水后，炉内温度下降快，当下一炉的生料 加入后，需要焙烧一段时间以提高炉温，增大了耗电量。综合上述几个原因，使得国内钛渣、工业硅、铁合金及电石等冶炼成本居高不下，市场 竞争力低。目前世界上最为先进的冶炼方法，是密闭直流电炉空心电极连续加料冶炼方式。密闭直流电炉空心电极粉料连续入炉冶炼工艺具有如下优点： 炉膛密闭，无外部空气进入，烟气量小，除尘设备负担小。 密闭电炉无外部空气进入，冶炼操作在密闭的高还原性气氛下进行，降低了电极的 高温氧化和还原剂的氧化烧损。可以节省电极消耗达50%以上。 富含一氧化碳的高温烟气，显热直接用来干燥矿粉，降低矿粉中的水分，充分利用 烟气的热量，比半密闭/敞口炉的潮矿入炉减少了电能消耗。降温除尘后的一氧化碳气体可以 用来驱动燃气发电机发电，能源得到综合利用。 粉料连续入炉，原料和还原剂均为粉末，物料反应的表面积增大。物料直接进入熔 池，在液态下进行还原反应，还原反应充分、速度快“瞬间还原”。 粉料连续入炉，省去繁重的捣炉作业，减轻了劳动强度，改善了工作环境。 直流电炉炉膛的深/径比大于交流电炉的深/径比，即相同容量直流电炉的炉膛比交 流电炉深，直径比交流电炉小，热量集中，热损失小。 直流电炉炉膛深/径比大，炉膛表面积小，比交流电炉节省炉衬材料。 直流电炉炉底作为导电电极，使电弧引向炉底，直流电流对熔池具有上下运动的电 磁搅拌作用，使熔池上下层温度均匀，大大改善金属氧化物高温还原反应的热力学和动力学 条件，消除了炉底上涨的可能。 直流电炉的顶电极位于炉膛中心，产生的电弧对炉衬的高温辐射烧损小，故炉衬材 料的消耗降低，使用寿命延长。 直流电炉二次侧短网和熔池内无感抗影响，且无电流集肤效应和邻近效应，电网供 给的交流电通过24脉整流，电压脉动系数减少，产生的高次谐波极弱，对电网干扰小，功率 因数高。（11）直流电炉，炉盖只有一个电极孔，易于密封和除尘。（12）直流电弧无电流过零息弧，噪音小，电弧稳定。（13）直流电炉在炉膛内为垂直导电方式，不受炉料电阻率的影响，易于实现高电压长弧 冶炼操作，提高冶炼速度。仅直流供电一项即可比交流电炉节电10%以上。（停炉、修炉后起弧方便，易于操作。密闭直流电炉与半密闭交流电炉性能对比见表1 。 高钛渣冶炼过程中烟气带走的热量（包括可燃性气体的化学能）几乎相当于输入炉内的 电能转化的热量。因此，充分利用此能源是钛渣生产降耗的出路之一。利用密闭电炉的高浓度CO气体进行发电，同时，适当增加投资，亦可回收利用液态铁水 的显热等，都是二次能源利用。密闭直流电炉空心电极粉料连续入炉生产工艺能够利用密闭炉气的显热来干燥炉料，降 温、除尘、净化后的炉气，用来驱动燃气发电机产生电力，反馈为电炉电能的补充，使得电 能的消耗大大降低。仅此一项即可节能15%20%。综合起来，密闭直流电炉空心电极粉料连续入炉生产工艺综合节电效果可以达到25 % 35%。表1 直流密闭空心电极电炉与交流半密闭/敞口电炉性能对比序号项目交流敞口/半密闭电炉直流密闭空心电极电炉1电耗%100703电极消耗%100554还原剂消耗%100805功率因数（未补偿）0.55 0.850.96产能%1001051287炉料形状球团、块料粉末8加料形式间断连续9物料还原反应状态固相液相10炉膛空间气氛空气、二氧化碳一氧化碳（80%）11噪音大微12车间粉尘多很少13炉况不稳定，需要捣炉稳定，不需要捣炉14电炉煤气无法回收利用回收利用15环保除尘运行费用%1004050高钛渣冶炼工艺流程以钛精矿为主要原料、炭为还原剂，密闭直流电炉空心电极粉料连续入炉，生产工艺流 程图如图一所示。经粉碎后符合粒度要求的粉状原料经装载机分别倒运装入配料站的各储料仓。 根据冶炼制度确定炉料的组成及其配比。各种符合粒度要求的粉状原料经电子秤精确称量混 合后经矿粉预热干燥机送至炉顶料仓，再由气力给料机通过空心电极直接将混合后的粉料加 入电炉，被输入到炉内的电能冶炼，连续发生一系列物化反应后生成液态的钛渣和半钢，积 于炉底并利用其密度差异自动分离，俗称“熔分”。每隔约46小时，打开一次出渣口和出铁口，将渣和铁分别放出，熔状钛渣经水喷射后 成为水淬渣（便于破碎时的渣铁分离，提高产品质量），在鳞板输送机上利用自身余热干燥， 再破碎、除铁、筛分、均化、钛渣产品包装；铁水包运到浇铸间浇入锭模内,或由出铁咀直接流入铸铁机，凝固后脱模,经过精整运入 成品库。炉中产生的高温炉气，温度在1000C以上，CO含量高达80%。高温炉气经隔热烟道送至 余热锅炉第一次降温。余热锅炉产生的蒸汽动力，驱动汽轮发电机发电。经余热锅炉降温后 炉气，送至矿粉预热干燥机第二次降温、计算机控喷雾（确保收尘布袋不结露）炉气温度可 降至200C以下。最后经过脱硫除尘，富含CO的低温洁净炉气送至燃气发电机发电。 直流电炉车间主要设备特点直流电炉车间的电炉采用空心单电极密闭式炉型。可把生产中产生的废气（主要成分是 一氧化碳）回收利用。冶炼过程全封闭微正压操作，煤气发生过程连续稳定，煤气体积只有 敞口电炉烟气体积的 1020%。因此煤气净化设备小，组合简单，净化操作便利。密闭炉的炉盖为混合式结构，采用水冷骨架，其间打结耐火混凝土或铺以水冷盖板，在 水冷盖板内侧打结耐火混凝土。骨架使用钢管制作以减少焊缝，靠近电极处采用防磁材料制 作，以减少涡流和磁滞损失。炉盖呈锥台形，中部的水平面装有电极密封孔和料管密封孔， 侧壁装有带防爆盖的密封炉门，用以取出折断的电极头和进行炉内检修，还装设 12 个烟囱 以引导炉气排入除尘系统或大气中。为便于操作检修，并保证安全运行，封闭电炉炉盖上设 置若干个带盖的窥视、检修和防爆孔。炉内底部炉衬设置安装数只热电偶，信号进入计算机， 实时监控、报警，确保生产安全。电炉结构形式直流电炉为全封闭矿热炉的结构形式为：全封闭、空心单电极、固定式圆形炉体。电炉装 备除烟罩使用全封闭式和气封系统使用氮气外均与交流炉类似。2万KVA （单台）钛渣炉主要技术经济指标名称单位数量备注1钛精矿（原料）2.21/（t高钛渣）按46%品位计2碳粉（原料）0.26 1/ （t高钛渣）兰碳（脱硫）3氮气（原料）3000m3/天纯度：N 99.5%4氧气1ms/t高钛渣51/2寸焊管（吹氧管）2kg/t高钛渣6生产用水W 150m3/天仅考虑补充蒸发量7生产用电 （以高钛渣产品计， 综合电耗）W2800kwh/吨高钛渣未计生活、办公、照明、机修，未计回 收发电W2300kwh/吨高钛渣未计生活、办公、照明、机修，已计回 收发电8高钛渣 （主产品）64000690001/年TiO2 品位：N 90%9半钢（副产品王八铁）48000520001/天10全年生产时间330天11电炉设备连续使用率N 95%12设备建造安装费用60007000万元不含土建、厂房13投资回收期约1年编制：沈阳东大科技有限责任公司 佟玉鹏 戴小平江苏百斯特热能工程有限公司 单总工程师（重庆分公司经理） 2015-03-20附：沈阳东大科技、直流炉优势、百斯特能源回收简 介沈阳东大科技有限责任公司成立于2000年，依托东北大学在冶金领域雄厚的科研、实 验背景，成果突出。一沈阳东大科技有限责任公司总经理：佟玉鹏教授（2013年6月退休于东北大学）。将可控硅整流成功地应用于直流冶炼炉上，国内首创！实践已充分证实：给冶炼工作带 来了一系列显着的便利和益处。对大容量用电设备的危害谐波问题，在电器设计上，已从根本上给予杜绝，无需再 考虑谐波治理。独特的底电极设计，简单、实用、可靠。借鉴国内成熟的交流电炉炉底技术，简化了炉 底电极结构型式，消除了直流炉炉底熔穿的隐患，确保直流电炉安全、长期、高效使用。巧妙利用直流电炉的供电特点，简化了电炉煤气发电的技术原理，解决了电炉煤气发电 直接利用的难题，使得被电力行业称为“垃圾电”的炉气发电得到有效利用。学者理念：“务实！尽可能地把复杂的问题吃透后，简单化设计”。总经理助理：戴小平 工程师（在职）。在贵州、攀枝花、昆明、云南文山，成功对数台黄磷炉、电石炉、钛合金炉施工技术的 组织，及自主完成三个钛渣冶炼厂设计并施工；自2012 年起，配合佟玉鹏教授，完成了四川 弘源钛业4台9000KVA直流炉及系统的设计，随后进行了 3台36000KVA、2台65000KVA直流 炉初设。二 关于直流矿热炉1.噪音特别小冶炼炉噪音小，不只是“人性化”改善了操作环境，同时反应出减少了噪音的能量损失， 最直观地体现是：降噪节电。2. 全密闭、保温、能源回收（与江苏百斯特联手）减少热能流失。第 1 步：将热烟气余热发电（螺杆膨胀动力机）、烘干原料；第2步：烟气净化后（若CO含量2 55%），直接引入燃气发电机组发电（目前国产机组直 接输出电压MAX:10.5KV），很容易反馈到电炉变。此两步方案可回收的电能，不低于炉变 电耗的1520%。3. 除尘器体积小，功耗和投资低由于密闭冶炼，不让烟气中的CO遇空气燃烧，烟气体积未膨胀，造就了除尘器小型化，引风机功率也只需过去传统除尘的 1/8。虽然全过程（含密封装置、氮气保护等）有额外装 置，但环保的总投资仍降低40%以上；尤其是引风机所需的小功率，将长期受益。4. 可实现炉料连续入炉、产品连续出炉对大容量电炉来说，运用此方式特别简化。优点公产品规格化；血无需反复开堵炉眼， 延长炉龄，减轻了劳动强度；血由于连续工作制，没有出炉的冶炼间歇，效率得以提高。5. 节能、环保因为直流炉没有电流方向改变时的电弧熄灭，效率无疑！实践证实：比传统的交流炉节 电 15%以上。产品质量相对稳定、易控。但是，纵观国内外矿热炉，先进国家使用直流技术 较多，收效无疑。但国内，受技术难度、技术封锁的约束，使用直流技术虽已开始，但起步 却很艰难！如：云南某公司花高价引进南非技术，建成后反复改造、试验了一年多，总算达 到了自认为满意的技术指标，但因为对事物的理解认识不足（我们看出其技术上的明显缺陷） 还盲目封闭，致使经济效益趋于零。6. 炉底不易上涨、可在凝炉状态下启动采用可控硅整流技术，很容易将顽固的沉积物熔出；在凝炉状态下的也可启动！无需经 常清炉、甚至炸炉。7. 电炉多功能，实施转换产品 可控硅整流，二次电压的可调幅度特别宽，适应性特强。8. 炉台作业面人数少 生产流程全密闭，计算机控制，全过程自动化，炉台上的生产人员可减半！9. 设备故障率特别低 直流炉的机械部分全外露低温环境，比交流炉简单、易维护；容易出问题的是电器可控 硅整流部分，但本公司在东北，已针对多种产品的直流炉探讨，经多年的研究，已总结出一 套成熟方案。10. 对有条件实行粉末化的矿种快速冶炼 采用中空电极，利用气体（净化炉烟气）作射流载体，将配制好的粉状炉料，实行连续 喷射入炉，流经电弧时，在等离子状态下进行快速瞬间还原，大大提高冶炼速度，达到高产 高效目的！三 江苏百斯特热能公司 单总工程师（原某设计院多项专利发明人）研发创新了：对还原过程中产生的一氧化碳 气体，从冷却、除尘、充分回收的整个系列过程，科学、安全、效益显着，被中科院列 为推荐项目。简介编制： 戴小平2015-3-20