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，需先經過富集處理獲得高品位的鈦渣或者人造金紅石，再進行下一步處理。富集的方法有火法和濕法兩類。火法包括: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品為鈦渣，而其他方法制取的產品為人造金紅石。

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行還原，分離鈦渣和鐵水，最后獲得鈦渣和生鐵兩種產品。該方法工藝簡單，流程短，副產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，導致產品鈦渣(TiO2)含量偏低。但是該方法的工藝技術較易掌握，在國內外的鈦渣生產中獲得了廣泛的應用。

1 電爐冶煉生產鈦渣機理及工藝

鈦鐵礦是一種以偏鈦酸鐵(FeTiO3)晶格為基礎的多組分復雜固融體，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生的反應如下:

電爐還原在1 600～1 800℃間進行，隨著溫度的升高，TiO2被還原生產低價鈦的量增加，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混合配料后加入鈦渣電爐中，在電弧高溫下進行還原反應，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;還原熔煉結束后將鈦渣和生鐵從出爐口放出，生鐵利用余熱進行鑄錠，鈦渣經冷卻、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。電爐產生的煙氣經熱交換冷卻、沉降、布袋除塵器除塵后達標排放;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壓控制，煙氣通過二次燃燒進入除塵系統處理，當冶煉過程發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的，產生的煙氣可做為能源回收利用。

2 交流電爐的形式和技術特性

經過幾十年來鈦渣電爐冶煉技術的發展，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特點和優缺點。

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生電弧熱加熱爐料，并使熔池逐漸擴大，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

交流敞口電爐的優點是可獲得高還原度渣，生產技術容易掌握，國內自50年代以來基本采用這種方法來生產高品位鈦渣。但是其爐況不穩定，粉塵多，熱損失大，危險性高，爐子周邊環境惡劣，常用于小規模生產，不便實現大型化。

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行液相還原造渣。加料后采用手動方式調節三相功率進行還原熔煉，待三相功率基本穩定后轉為自動調節。

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劑爐料，從而消除了敞口爐以瀝青為粘結劑常發生的塌料翻渣現象。

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。爐料進入高溫區后立即反應熔化，放出氣體使爐渣呈泡沫狀態。泡沫爐渣與連續加入爐體的物料形成具有導電、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，電弧區較為集中，爐中心容易過熱，對爐壁和爐蓋會產生強烈的熱輻射，導致爐子壽命降低，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產生負壓，保證了熔煉過程的連續進行。此外，由于矩形爐有6根電極，在大型化方面有較大優勢。

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，爐子周邊環境較好。但是其產品鈦渣品位較低(＜88%)，生產時爐內溫度較高，導致爐子壽命不高，不易觀察爐內部物料情況。

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

續表1

3 鈦渣熔煉全密閉直流電爐的形式和技術特性

在鈦渣電爐發展的早期，受到大容量變流設備的制約，容量很小的直流電爐無法適應形勢的需要，形成了一直由三相交流電爐占據指導地位的局面。隨著時代的發展，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定性差，對前級電網沖擊大等缺點，成為了新世紀鈦渣冶煉電爐研究和發展的趨勢。

3.1 直流電爐的結構形式

直流電爐的生產操作和結構跟交流爐比較類似，按電極數量分為單電極、雙電極和三電極。主要機械設備包括頂電極、電極把持器、電極升降機構、爐體、液壓系統、水冷系統、加料系統等。電氣設備主要是整流變壓器、整流器、電抗器及濾波器等。直流電爐短網分為兩部分，陰極短網接到電極，陽極短網連接爐底陽極。

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荷，不可避免縮短底陽極壽命，因此底陽極是直流電爐的關鍵技術之一。

3.2 鈦渣全密閉直流電爐的優缺點

直流電爐與傳統的三相交流電爐相比，有比較明顯的優點:

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

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

(3)直流電弧能產生陽極效應，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，產品鈦渣品位較高;

(5)直流電爐的偏弧問題可通過一定的導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。由于爐底導電陽極的侵蝕導致直流爐使用壽命縮短，單電極產生的偏弧導致產品質量不穩定也是一直困擾直流爐發展的問題。

4 幾種鈦渣電爐的選擇

交流敞口電爐由于污染大能耗高，不易實現大型化等缺點，在國家“十二·五”規劃中屬于淘汰類設備，不利于現代工業生產，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準范圍內，適合規模較小，技術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先，但是產品鈦渣的品位不高(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定，效率高，能耗低污染低，產品品位較高，適合大型化等優點，全面領先于同等條件下的交流爐。但是目前國內擁有直流爐技術的單位相對較少，大多引進國外技術，適合資金充裕，規模大，技術要求高的工廠選擇。

5 結 語

目前鈦渣熔煉直流電爐的研究和應用取得了巨大的進展，但是在國內，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，合理選擇適宜的工藝和設備是至關重要的。

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

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行干燥，在此基礎上，可對爐前物料做進一步處理，主要除去其中的MgO、CaO，從而提高產品鈦渣含量。還可借鑒加拿大QIT公司對鈦渣的升級工作:他們采用化學工藝，將電爐熔煉后的鈦渣除去 MgO、CaO、Fe雜質，將鈦渣中的TiO2含量提高到了95%。這種生產工藝將是我國未來鈦渣升級的關鍵技術和攻關方向。

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