（新冶高科技集團有限公司，北京 100081）

隨著產(chǎn)業(yè)和技術的迅速發(fā)展以及成本的大幅下降，鈦及鈦合金材料因其高比強、高耐蝕等優(yōu)越性能，正在成為繼銅、鐵、鋁之后第四代大規(guī)模應用的主體結(jié)構(gòu)材料。據(jù)用戶部門估計，未來5-10年鈦的價格如能進一步降低30%，則用量可能擴大10倍以上，在軍工和民用重大裝備上大規(guī)模取代高端低合金鋼、不銹鋼、耐蝕合金，對集團公司的優(yōu)勢研發(fā)及經(jīng)營領域產(chǎn)生巨大沖擊。

利用鋼鐵冶煉及制材技術制備鈦材是近年金屬鈦行業(yè)的發(fā)展方向，鋼鐵研究總院在金屬鈦技術基礎研究領域進行了多年的探索，結(jié)合工程實踐提出了直接還原生產(chǎn)鈦渣短流程工藝[1]和直流電解法制備金屬鈦工藝，并對鈦鐵礦、釩鈦磁鐵礦等開展了轉(zhuǎn)底爐直接還原生產(chǎn)鈦渣、電解法生產(chǎn)金屬鈦的實驗室試驗研究，隨后在山東、廣西等地建設了多條鈦渣及金屬鈦工業(yè)化生產(chǎn)示范線，在轉(zhuǎn)底爐直接還原法生產(chǎn)鈦渣、直流電解裝備方面擁有多項自主知識產(chǎn)權。

1 工藝流程

轉(zhuǎn)底爐直接還原法生產(chǎn)鈦渣工藝流程如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)底爐直接還原制鈦渣生產(chǎn)線

原料(含鐵原礦、無煙煤、粘結(jié)劑等)通過電子秤、螺旋稱量機等進行配料，混合料經(jīng)過混碾機混勻后，再通過圓盤給料機供給對輥壓球機壓球成型。生球經(jīng)過干燥，篩出粉末返回重新壓球，然后用給料機將球團均勻布在轉(zhuǎn)底爐爐床上，在高溫爐膛（溫度最高可達1400℃）內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周后，金屬化球團由出料機推出，直接進入高溫輸送設備，約700℃金屬化球團進入半密閉電爐熔融，目的是將鈦渣從渣-鐵熔液中分離出來。

直流電解法生產(chǎn)金屬鈦工藝流程如圖2所示：

圖2 直流電解法制備金屬鈦生產(chǎn)線

鈦渣經(jīng)過處理后制成人造金紅石，人造金紅石則通過原料處理設備后進入高溫直流電解爐，高溫直流電解爐是最高1800℃下采用直流電通過電極和熔融液，在兩者接觸的界面上發(fā)生電化學反應，以制備金屬鈦的熱過程設備。

（1）原料準備。試驗原料為釩鈦磁鐵礦原礦、無煙煤、粘結(jié)劑，可配入冶金塵泥、氟化鈣、石灰等。將原礦、煤粉和粘結(jié)劑按比例配好，加入適量水分、在混輾機中進行混合碾磨，混勻后進入對輥壓球機壓球，球團外觀形狀為橢球型。

（2）轉(zhuǎn)底爐直接還原。干燥后的冷壓球團通過給料機均勻地布在轉(zhuǎn)底爐爐床上，在1150℃～1350℃的爐膛內(nèi)直接還原為金屬化球團，然后由出料機推出。轉(zhuǎn)底爐的結(jié)構(gòu)組成如下圖所示，包含：爐襯本體[2,3]、鋼結(jié)構(gòu)、機械及傳動系統(tǒng)、水封系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、爐外設備及控制系統(tǒng)等。

轉(zhuǎn)底爐煉鐵工藝的優(yōu)越性表現(xiàn)在以下幾個方面：①原料和能源的靈活性大。由于轉(zhuǎn)底爐工藝可用于處理含有鉛、鋅粉塵的含鐵廢料，使之原料的適用范圍擴大。②占地小、生產(chǎn)成本較低。轉(zhuǎn)底爐工藝占地小、產(chǎn)能大，使得能源成本降低；無需球團焙燒等預處理設備的投資，整體投資費用大約低25%～30%。③運行穩(wěn)定。生產(chǎn)過程的每一個環(huán)節(jié)都是成熟的技術及裝備，工藝流程緊湊，可靠性高，易于操作和維護。④環(huán)境友好。轉(zhuǎn)底爐是一個封閉性比較好的高溫設備，還原性氣體大部分在爐內(nèi)燃燒，剩余部分可在煙氣管道內(nèi)吹風燃燒并回收熱量，保證了CO氣體在爐內(nèi)自行消除而不逸散。而且內(nèi)部粉塵能夠吸收再次進入原料系統(tǒng)，從而減少了有害廢料的擴散，對環(huán)境友好。

（3）半密閉電爐金屬-渣熔融分離。金屬化球團通過高溫輸送設備可將約700℃的球團直接加入到半密閉電爐中?？筛鶕?jù)不同品種的產(chǎn)品生產(chǎn)路線，設計不同的后續(xù)處理工藝。半密閉電爐結(jié)構(gòu)主要由爐殼、爐蓋、爐襯[2]、短網(wǎng)、水冷系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、電極升降系統(tǒng)、上下料系統(tǒng)、把持器、液壓系統(tǒng)、變壓器及各種電器設備等組成。

（4）高溫直流電爐。直流電流是電化學反應的關鍵控制參數(shù)，通過電極升降控制，大型直流電解爐中電極的升降系統(tǒng)多采用液壓傳動，其影響因素包括電流測量儀器誤差，液壓系統(tǒng)滯后，升降系統(tǒng)慣性等，控制精度低，達不到電解工藝的控制要求。本文通過采用高精度比例閥為核心的電極升降控制系統(tǒng)，將電解電流信號作為反饋信號引入，從而達到電解電流快速響應的控制目的。

2 核心裝備應注意的問題

轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝在鈦渣生產(chǎn)中的應用中，其核心裝備的設計、制造及使用應注意如下問題：

①二次氧化導致產(chǎn)品的金屬化率下降。由于轉(zhuǎn)底爐是敞焰加熱，助燃空氣在與煤氣等供熱源燃燒反應的同時，也會再次氧化金屬化球團的表層，從而使產(chǎn)品的金屬化率降低，低氧燃燒技術的應用可減輕球團的二次氧化。②熱利用不合理導致生產(chǎn)成本增加。轉(zhuǎn)底爐煙氣與爐料之間幾乎沒有對流傳熱，煙氣從高溫爐膛直接進入煙道，致使轉(zhuǎn)底爐本身的熱效率受到影響。合理的余熱利用技術很關鍵。③電爐設計不合理會導致效率低，能耗高。根據(jù)鈦渣電爐的結(jié)構(gòu)特點以及工作特點，其系統(tǒng)電抗70%是由短網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的，而短網(wǎng)是一個大電流工作的系統(tǒng)。合理的電爐參數(shù)設計及控制技術是其關鍵。④耐火材料選擇不當影響熔分電爐的正常使用。由于直接還原得到的金屬中含碳很低，且渣中的FeO含量較高，因此，一般的含碳耐火材料以及炭磚都難以滿足熔分爐使用的要求。必須選用抗侵蝕和抗渣滲透能力強的致密耐火材料。

綜上所述，要充分發(fā)揮轉(zhuǎn)底爐直接還原-高溫直流電解生產(chǎn)裝備在鈦渣及金屬鈦生產(chǎn)中的優(yōu)勢，豐富的設備設計經(jīng)驗以及充足的生產(chǎn)實踐參數(shù)做保證。

3 結(jié)語

通過介紹轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝流程中原料處理、轉(zhuǎn)底爐直接還原、半密閉電爐熔分工序及高溫直流電解裝備的特點，在生產(chǎn)鈦渣和金屬鈦等實踐的基礎上，總結(jié)了該工藝核心裝備在生產(chǎn)實踐中應注意的一些問題，希望通過廣大科研工作者的共同努力，使得采用轉(zhuǎn)底爐直接還原、高溫直流電解裝備能夠生產(chǎn)出更多種類的金屬產(chǎn)品。

[1]劉開琪，王壽增，顧靜等.鈦鐵礦轉(zhuǎn)底爐固相直接還原工藝制備高鈦渣[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2012，（5）：42-46.

[2]王壽增，顧靜，劉開琪等.工業(yè)窯爐中幾種爐襯耐火材料結(jié)構(gòu)的傳熱分析[J].稀有金屬材料與工程，2009，38(z2)：1259-1262.