顧 靜 ，夏德宏 ，敖雯青 ，齊照東

(1.北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司 特種陶瓷與耐火材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引 言

以鈦精礦或釩鈦磁鐵礦為原料，在電爐內(nèi)選擇性還原其中的鐵氧化物并除去金屬鐵后，剩余的爐渣稱(chēng)為鈦渣。鈦渣中TiO2質(zhì)量一般在70%-95%之間。鈦渣是生產(chǎn)鈦白粉、金屬鈦等鈦產(chǎn)品的重要原料。傳統(tǒng)的鈦渣熔煉電爐冶煉周期較長(zhǎng)，消耗電能較高，生產(chǎn)每噸鈦渣平均耗電2800-3400 KW·h[1,2]。

鈦渣熔分電爐是一種新型電爐爐型，同時(shí)具有煉鋼電爐和礦熱電爐的爐型特點(diǎn)，它專(zhuān)門(mén)用于熔化并深度還原預(yù)還原后的釩鈦磁鐵礦金屬化球團(tuán)。采用預(yù)還原后含鈦的金屬化球團(tuán)為入爐原料，不僅能夠節(jié)約電爐熔煉階段的高級(jí)能源(電)的消耗，提高電爐生產(chǎn)效率并改善熔煉的工藝條件，而且利用固相還原的優(yōu)勢(shì)能夠?qū)崿F(xiàn)抑制或消除低價(jià)鈦和碳氮化鈦的生成[3]，提高鈦渣的品質(zhì)。目前鈦渣熔煉電爐存在的最重要的問(wèn)題之一就是爐襯耐火材料的侵蝕過(guò)快。傳統(tǒng)的爐襯設(shè)計(jì)理念一般采用較厚且保溫性好的耐火材料，但實(shí)際上由于鈦渣熔體活潑的化學(xué)性質(zhì)以致無(wú)論采用何種材質(zhì)耐火材料都無(wú)法避免爐襯的侵蝕和損毀，因此即使采用較厚的爐襯效果也不明顯。目前已經(jīng)有研究者研究采用較薄、導(dǎo)熱良好的耐火材料爐襯結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為冷凝式爐襯或?qū)崾綘t襯，冷凝爐襯技術(shù)在高爐爐襯長(zhǎng)壽領(lǐng)域中已經(jīng)得到應(yīng)用，它是通過(guò)強(qiáng)制冷卻使高爐的碳質(zhì)耐火材料的內(nèi)表面形成一層鐵水凝固層，使?fàn)t襯免受鐵水熔液的滲透、沖刷等損壞[4-7]。強(qiáng)化散熱的冷凝爐襯在國(guó)內(nèi)鈦渣熔煉電爐的發(fā)展中尚處于起步階段。為了延長(zhǎng)鈦渣熔分電爐爐襯的使用壽命，本文分析計(jì)算了爐襯耐火材料與鈦渣熔液發(fā)生化學(xué)侵蝕的起始臨界反應(yīng)溫度，設(shè)計(jì)了以鎂碳磚為工作層的冷凝式爐襯結(jié)構(gòu)，計(jì)算了爐襯溫度梯度及熱流密度，給出了確定合理的冷凝渣殼層厚度的方法，并在鈦渣熔分電爐的工業(yè)化生產(chǎn)線(xiàn)中進(jìn)行了實(shí)踐。

1 鈦渣電爐的耐火材料爐襯侵蝕

鈦渣電爐的爐體由爐殼、爐襯、出鐵口和出渣口構(gòu)成。爐殼由鋼板焊接而成，底部平放在工字鋼上。爐襯為耐火材料，爐襯結(jié)構(gòu)自爐殼外向爐膛內(nèi)一般分別為絕熱層、緩沖層、保溫層和工作層，由于工作層直接與高溫鈦渣熔池接觸，其工作條件最為惡劣。目前，鈦渣電爐工作層爐襯的材質(zhì)主要為耐火度較高的鎂質(zhì)和碳質(zhì)耐火材料。

鈦渣是一種高熔點(diǎn)的爐渣。鈦渣熔體具有強(qiáng)腐蝕性、高導(dǎo)電性和黏度變化劇烈的特點(diǎn)。鈦渣的主要成分是TiO2，此外還含有相當(dāng)數(shù)量的低價(jià)鈦氧化物(如Ti3O5、Ti2O3、TiO)和鐵氧化物(FeO和Fe2O3)，因而具有極高的化學(xué)活性。鈦渣電爐的爐內(nèi)最高溫度可達(dá)2073 K，在這樣高的溫度下，它們幾乎能與所有的金屬和非金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。事實(shí)上，工業(yè)生產(chǎn)時(shí)作為工作層的爐襯無(wú)論采用哪一種耐火材料，都會(huì)被鈦渣熔體所腐蝕，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)爐墻穿孔等生產(chǎn)事故。以常見(jiàn)的鎂質(zhì)或碳質(zhì)耐火材料為爐襯時(shí)，熔煉鈦渣時(shí)熔池內(nèi)的熔液與爐襯耐火材料發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能方程式[8]見(jiàn)表1所示。

除了上述化學(xué)侵蝕作用，鈦渣電爐爐襯侵蝕的原因還有如下幾種：(1)爐膛內(nèi)1673-2073 K熔煉作業(yè)溫度使耐火材料爐襯表面軟化甚至發(fā)生熔融；(2)電爐加料、出渣出鐵、鈦渣熔體沸騰等原因造成的機(jī)械沖擊、熔液沖刷等作用對(duì)耐火材料爐襯造成機(jī)械損壞；(3)鈦渣電爐的電弧外吹、電磁攪拌對(duì)耐火材料的損害等等。

以上種種原因造成了鈦渣熔煉電爐耐火材料嚴(yán)重?fù)p壞，大大降低了爐襯的使用壽命，嚴(yán)重制約了鈦渣的生產(chǎn)效率。

2 冷凝爐襯的基本原理

冷凝爐襯的基本原理是無(wú)論具有多高溫度和多強(qiáng)化學(xué)侵蝕性的液態(tài)熔體，都會(huì)在一定的冷卻強(qiáng)度下凝固成侵蝕作用較小的固態(tài)，在爐殼強(qiáng)制冷卻的條件下，爐襯的熱表面能夠形成一層凝固的鈦渣渣殼，這層渣殼對(duì)爐襯耐火材料起著良好的防護(hù)作用。鈦渣固體的熱導(dǎo)率較低[3]、熔點(diǎn)較高，恰好符合高級(jí)耐火材料的性能要求。與高爐冷凝式爐襯的鐵水凝固層不同，鈦渣凝固層(即渣殼層)即使在固態(tài)下也容易與耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為了實(shí)現(xiàn)爐襯長(zhǎng)壽的目的，必須保證爐襯耐火材料與渣殼交界面溫度低于耐火材料被固態(tài)鈦渣侵蝕的臨界反應(yīng)溫度。

由表1熔池內(nèi)鈦渣熔液與耐火材料發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)可知，以鎂質(zhì)耐火材料為爐襯工作層時(shí)，與鈦酸鐵(FeTiO3)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的最低起始溫度為式(3)的949 K，也就是說(shuō)固態(tài)鈦渣侵蝕鎂質(zhì)爐襯的臨界反應(yīng)溫度為949 K。在設(shè)計(jì)鈦渣電爐冷凝爐襯時(shí)應(yīng)保證耐火材料熱面的溫度始終低于此臨界反應(yīng)溫度。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要爐殼冷卻強(qiáng)度、爐襯結(jié)構(gòu)、冷凝渣殼厚度與鈦渣熔池之間的熱流密度和溫度梯度的合理匹配。

表1 熔池內(nèi)鈦渣熔液與耐火材料發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)Tab.1 The main chemical reactions between the molten titanium oxide slag and the refractory in the molten pool

圖1 冷凝爐襯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of condensing lining

3 冷凝爐襯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

為了實(shí)現(xiàn)鈦渣電爐冷凝爐襯耐火材料熱面的溫度長(zhǎng)期低于化學(xué)侵蝕臨界反應(yīng)溫度，需要保證合理的爐殼冷卻強(qiáng)度。因此爐殼應(yīng)采用強(qiáng)制循環(huán)水冷結(jié)構(gòu)。爐襯結(jié)構(gòu)取消傳統(tǒng)的絕熱和保溫層，直接在爐殼鋼板內(nèi)側(cè)砌筑較薄導(dǎo)熱良好的耐火材料，以保證爐襯內(nèi)側(cè)表面的溫度低于鈦渣熔體的凝固溫度(約1673 K)，使得熔池內(nèi)的鈦渣凝結(jié)在爐襯內(nèi)側(cè)上，形成一層冷凝鈦渣渣殼。這層凝固的鈦渣渣殼包裹在爐襯耐火材料表面，使?fàn)t襯耐火材料與爐膛的高溫熔池隔絕，起到了隔熱作用并且有效保護(hù)爐墻耐火材料免受熔池侵蝕。

在設(shè)計(jì)冷凝爐襯整體結(jié)構(gòu)時(shí)，鈦渣渣殼層厚度的確定非常重要。渣殼層應(yīng)控制在一定的厚度范圍內(nèi)，渣殼層太薄會(huì)導(dǎo)致?tīng)t襯耐火材料熱面溫度高于臨界反應(yīng)溫度，因而容易發(fā)生化學(xué)侵蝕，降低爐襯使用壽命；而過(guò)厚的冷凝渣殼層會(huì)導(dǎo)致造成爐膛反應(yīng)空間小，鈦渣出爐困難。渣殼層的最薄厚度須保證耐火材料層與渣殼層(即固態(tài)鈦渣)交界面溫度低于耐火材料被鈦渣渣殼侵蝕的臨界反應(yīng)溫度。

以某工廠(chǎng)的鈦渣熔分電爐為例，其冷凝式爐襯的爐殼采用水冷爐壁，工作層耐火材料選用600 mm厚鎂碳磚，冷卻水平均溫度和爐膛熔池平均溫度分別取328 K和1973 K，渣殼層的熱導(dǎo)率取2 W/m · K[3]，鎂碳磚熱導(dǎo)率為14.5 W/m·K[9]，其他熱工計(jì)算參數(shù)如表2所示。

鈦渣熔分電爐的冶煉為連續(xù)作業(yè)，工程上這種連續(xù)工作的過(guò)程，即使溫度有些波動(dòng)，仍可作為穩(wěn)定態(tài)處理[10]。在研究溫度場(chǎng)時(shí)，本文著重研究主要傳熱方向的溫度分布，即爐墻從爐膛至爐壁方向的溫度變化，忽略其他方向的溫度變化。此外，鈦渣熔分電爐的直徑長(zhǎng)達(dá)10 m，因此其爐墻可按一維平壁穩(wěn)態(tài)傳熱模型進(jìn)行熱工計(jì)算，爐膛一側(cè)的邊界條件為熔融鈦渣的對(duì)流換熱，爐壁一側(cè)的邊界條件為冷卻水強(qiáng)制對(duì)流換熱。爐墻的熱流密度方程如下所示[10]：

式中，q為熱流密度，W/m2；

tf1和tf2分別為熔融鈦渣和冷卻水的平均溫度，K；

αf1和αf2分別為熔融鈦渣側(cè)和冷卻水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

δ1、δ2、δ3分別為渣殼層、鎂磚和爐殼鋼板的厚度，mm；

λ1、λ2、λ3分別為渣殼層、鎂磚和爐殼鋼板的熱導(dǎo)率，W/(m · K)。

鎂磚與渣殼層交界面的溫度t1為：

根據(jù)前文所述固態(tài)鈦渣(渣殼層)侵蝕鎂質(zhì)爐襯的臨界反應(yīng)溫度949 K，即假設(shè)t1為949 K，計(jì)算結(jié)果如表3所示，得到的爐墻溫度梯度如圖2所示。從計(jì)算結(jié)果可知，t1=949 K時(shí)，爐墻的熱流密度為14481 W/m2，渣殼層的厚度為115 mm，因此爐殼冷卻強(qiáng)度應(yīng)大于等于14481 W/m2，此時(shí)渣殼層的厚度大于等于115 mm，鎂磚與渣殼層交界面的溫度則小于等于949 K。通過(guò)爐殼冷卻強(qiáng)度的控制，可使鎂磚與渣殼層交界面溫度小于949 K，從而保證了鎂磚爐襯不受固態(tài)鈦渣的侵蝕，達(dá)到爐襯長(zhǎng)壽的目的。

該冷凝式爐襯的鈦渣熔分電爐經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，停爐觀(guān)察發(fā)現(xiàn)爐襯耐火材料被凝固的鈦渣渣殼包裹，爐襯鎂碳磚僅有輕微侵蝕，在鈦渣渣殼層的保護(hù)下，基本完好。

表2 冷凝爐襯熱工參數(shù)表Tab.2 Thermal parameters of condensing lining structure

表3 冷凝爐襯熱工計(jì)算結(jié)果Tab.3 Thermal calculation results of condensing lining structure

圖2 冷凝爐襯溫度梯度圖Fig.2 Temperature gradient of condensing lining

4 結(jié) 論

(1)為了實(shí)現(xiàn)鈦渣電爐爐襯的長(zhǎng)壽必須采用冷凝爐襯結(jié)構(gòu)，并且保證爐襯耐火材料與鈦渣凝固渣殼層交界面溫度低于耐火材料被固態(tài)鈦渣侵蝕的臨界反應(yīng)溫度，常用的鎂質(zhì)或鎂碳質(zhì)耐火材料被鈦渣侵蝕的臨界反應(yīng)溫度為949 K。

(2)設(shè)計(jì)計(jì)算了以鎂碳磚為工作層的鈦渣熔分電爐的冷凝爐襯結(jié)構(gòu)，為保證爐襯耐火材料與鈦渣凝固渣殼層交界面溫度低于被侵蝕的臨界反應(yīng)溫度，鈦渣凝固渣殼層的厚度應(yīng)大于115 mm，爐殼水冷強(qiáng)度應(yīng)大于14481 W/m2，文中給出的冷凝爐襯設(shè)計(jì)計(jì)算方法同樣適用于其他類(lèi)型爐料的冶煉電爐。

(3)由于鈦渣熔分電爐的工業(yè)化應(yīng)用仍處于探索階段，強(qiáng)化換熱的冷凝式爐襯結(jié)構(gòu)應(yīng)用也處于起步階段，在鈦渣熔分電爐工業(yè)化試生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，將來(lái)冷凝爐襯技術(shù)的發(fā)展應(yīng)著重于研發(fā)耐火度高、熱導(dǎo)率合適的爐襯材料以及爐襯溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與爐襯壽命的在線(xiàn)預(yù)測(cè)等方面。

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