肖 軍

(攀鋼集團(tuán)研究院有限公司，釩鈦資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 攀枝花 617000)

還原劑和鈦精礦是鈦渣冶煉的兩種主要原料。其中還原劑的主要作用是與鈦精礦中鐵氧化物等發(fā)生還原反應(yīng)，促使鈦氧化物在渣中富集，達(dá)到提高爐渣TiO2含量的目的。還原劑的選擇應(yīng)從工藝和經(jīng)濟(jì)的合理性考慮，要求活性高，高的反應(yīng)性和電阻率，含硫、磷低，低的灰分和揮發(fā)分，價(jià)格低廉儲(chǔ)量大，獲取方便[1]。

還原劑的主要類型有：煤氣、木炭、無煙煤、焦炭等。木炭有很好的反應(yīng)性和電阻率，但由于價(jià)格高、資源短缺，沒有被廣泛使用；煤氣和無煙煤在還原能力和電阻率方面比木炭稍微低一點(diǎn)，但儲(chǔ)量大，可用于大規(guī)模的鈦渣生產(chǎn)，然而煤氣全部為氣體，造成電爐冶煉過程爐況控制困難[2]，同時(shí)需要大型的氣體處理裝置，所以煤氣沒有被廣泛使用；焦炭的還原能力較低，碳含量高而灰分低，且焦碳的電導(dǎo)率較高[3]，產(chǎn)量大，可用于大規(guī)模的鈦渣生產(chǎn)。

本次試驗(yàn)主要選取了無煙煤和焦炭作為還原劑，通過大型鈦渣冶煉電爐進(jìn)行冶煉對比試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了其冶煉時(shí)間、冶煉電耗、煙氣狀況、冶煉爐況等方面存在的區(qū)別及原因，對鈦渣冶煉還原劑的選擇具有良好的借鑒意義。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

本次試驗(yàn)所用主要還原劑與原料成分分別如表1、表 2所示。鈦精礦采用了攀鋼P(yáng)TK10鈦精礦，其質(zhì)量穩(wěn)定，排除了鈦精礦對試驗(yàn)結(jié)果的干擾。還原劑采用寧夏某企業(yè)提供的無煙煤和攀鋼煤化工廠提供的焦炭，其主要區(qū)別在于：

(1)無煙煤粒度均勻，有利于爐況的穩(wěn)定同時(shí)降低煙塵率和燒損；焦炭粒徑分布范圍廣，且+8 mm以上顆粒較多，粒徑分布波動(dòng)較大。

(2)無煙煤水分含量很低，一般小于1%，有利于爐況的穩(wěn)定控制，焦炭水分波動(dòng)大(3%～17%，季節(jié)性變化)。

(3)無煙煤S含量較低，一般0.3%以內(nèi)，有利于鐵水指標(biāo)的進(jìn)一步提升。

(4)無煙煤固定碳較焦炭高約6個(gè)百分點(diǎn)，鈦渣冶煉還原劑單耗可能降低。

(5)無煙煤灰分含量≤10%，可用于高品質(zhì)鈦渣冶煉。

表1 還原劑指標(biāo) %

表2 鈦精礦成分 %

(6)“無煙煤1”、“無煙煤2”為同一種無煙煤，主要區(qū)別在于水分差異，用于研究水分對冶煉指標(biāo)的影響。

1.2 設(shè)備條件

主要設(shè)備為鈦渣冶煉電爐系統(tǒng)：原料儲(chǔ)存?zhèn)}、配料和上料系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、電爐系統(tǒng)、粉塵回收及煙氣處理系統(tǒng)。

1.3 試驗(yàn)方法

在同一電爐進(jìn)行冶煉對比試驗(yàn)，不同還原劑試驗(yàn)開始前確保除塵系統(tǒng)、爐襯、電極等關(guān)鍵部位的條件基本一致。

鈦精礦和還原劑通過預(yù)先混料同時(shí)入爐的模式連續(xù)加入爐內(nèi)。在加料的同時(shí)匹配相應(yīng)的送電負(fù)荷，保證加入物料能及時(shí)熔化并反應(yīng)。通過除塵系統(tǒng)抽風(fēng)，控制電爐內(nèi)始終處于微負(fù)壓狀態(tài)，避免爐蓋躥火。冶煉終點(diǎn)根據(jù)爐內(nèi)鈦渣品位、煙氣溫度變化情況、送電量等綜合判斷?；静僮鲄?shù)見表3。

表3 基本控制參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 主要冶煉指標(biāo)

主要爐前指標(biāo)對比見表4。

對比三種還原劑的主要冶煉指標(biāo)，初步可以得到如下結(jié)論：

(1)送電時(shí)間差異。以百噸料耗時(shí)指標(biāo)來看，使用“無煙煤1”每100 t料耗時(shí)較焦炭少1.05 h(14.77%)，縮短冶煉時(shí)間效果比較明顯。使用無煙煤可以縮短冶煉時(shí)間主要是由于：無煙煤粒度均勻，冶煉過程穩(wěn)定，功率輸入穩(wěn)定；無煙煤反應(yīng)活性好，具備提高功率加快冶煉速度的條件。

表4 主要爐前指標(biāo)對比

(2)冶煉電耗差異。從理論上講，使用同樣的鈦精礦生產(chǎn)相同品位的鈦渣產(chǎn)品，其還原反應(yīng)所需電耗應(yīng)基本一致。因此，促進(jìn)冶煉電耗降低的主要原因是冶煉熱利用率的提高和出爐溫度的降低。

使用紅外測溫槍對出渣出鐵溫度進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，無煙煤出渣溫度在1 620～1 640 ℃，出鐵溫度在1 420～1 450 ℃。與焦炭冶煉出爐溫度相比，渣鐵溫度均降低了約30 ℃。根據(jù)理論計(jì)算，不考慮熱效率的條件下，出渣溫度每降低10 ℃可降低冶煉電耗約3.16 kWh/t，出鐵溫度每降低10 ℃可降低冶煉電耗約0.92 kWh/t。則其余的電耗降低因素均來自于電爐熱效率提高。

由表5可以看出熱效率提升是促進(jìn)冶煉電耗降低的主要原因。而使用無煙煤熱效率提升的主要原因是：送電時(shí)間短，熱損失降低；反應(yīng)速度快，吸熱快，熱利用效率高。

(3)噸渣物料單耗差異。由于鈦精礦及出爐渣品位基本相當(dāng)，因此綜合核算其噸渣礦耗亦基本相等?！盁o煙煤1”噸渣還原劑消耗較焦炭低20 kg，這主要是由于其固定碳含量較焦炭高7.9%，此外由于粒度均勻，無煙煤燒損及煙塵率降低。

表5 噸渣電耗影響理論測算

注：“差值”為焦炭指標(biāo)減去無煙煤指標(biāo)之差。

“無煙煤1”冶煉期間噸渣電極糊消耗較焦炭低6.49%，這主要是由于短期內(nèi)冶煉連續(xù)性較好，電極氧化損失降低。

(4)水分對冶煉指標(biāo)產(chǎn)生不利影響?！盁o煙煤2”相比“無煙煤1”在送電時(shí)間、冶煉電耗、物料單耗等方面均有增加。這主要是由于“無煙煤2”水分偏高導(dǎo)致物料偏析加重，配比調(diào)整困難，單爐品位波動(dòng)較大，電極位置不穩(wěn)定，進(jìn)而出現(xiàn)冶煉電耗及冶煉時(shí)間增加。水分偏高導(dǎo)致電爐穩(wěn)定性降低，品位調(diào)整困難，因此單爐電耗增加。

2.2 冶煉特征曲線分析

2.2.1 電極位置變化特征分析

電極位置反應(yīng)了冶煉過程中電極端部上下運(yùn)動(dòng)的趨勢。一定電壓下，電極端部與熔池液面距離越近電流越大。鈦渣冶煉過程中由于爐膛大小一定、冶煉電流恒定，電極端部與熔池液面的距離相對穩(wěn)定，電極端部會(huì)隨著爐內(nèi)熔池液面高度的變化而變化，并呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。液面高度主要由加料量及熔渣內(nèi)氣體排出速度決定，因此電極位置變化趨勢可直接反應(yīng)熔池液面波動(dòng)情況、體現(xiàn)爐況的穩(wěn)定性。典型電極位置變化趨勢截圖見圖1。

所有截圖橫坐標(biāo)為時(shí)間、縱坐標(biāo)為電極位置高度圖1 典型電極位置變化趨勢截圖

由三種還原劑典型電極位置截圖可以看出：

“無煙煤1”電極位置變化最穩(wěn)定，隨著加料量增加和冶煉進(jìn)度的推進(jìn)，電極位置均勻上升，反映出其爐內(nèi)液面無劇烈波動(dòng)、爐況平穩(wěn)?！盁o煙煤2”電極位置呈現(xiàn)一定波動(dòng)，但整體趨勢與冶煉進(jìn)度一致。

焦炭作為還原劑冶煉鈦渣時(shí)電極位置波動(dòng)范圍較大，表明其液面位置反復(fù)升降情況較多，爐況不穩(wěn)定，反應(yīng)過程平穩(wěn)性不足。

無煙煤和焦炭作為還原劑時(shí)，電極位置變化趨勢反映出明顯的差別，無煙煤冶煉時(shí)爐況更加穩(wěn)定。這主要是由于無煙煤粒度、成分均勻且穩(wěn)定，其配料偏析現(xiàn)象減輕，入爐冶煉后其反應(yīng)速度可以與化料速度良好匹配，反應(yīng)平穩(wěn)、氣體排出速度穩(wěn)定、液面高度與加料量同步增長。由于“無煙煤2”水分含量增加，導(dǎo)致了爐內(nèi)品位波動(dòng)，氣體產(chǎn)生量不穩(wěn)定，進(jìn)而出現(xiàn)電極位置波動(dòng)。

焦炭粒度范圍較廣且粗顆粒較多，配料偏析更加嚴(yán)重，入爐冶煉后容易造成間斷性的焦炭過剩或者缺失，加料過程中爐內(nèi)過剩的焦炭受熱后遇到后續(xù)入爐的低配比混合料產(chǎn)生短期內(nèi)劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體無法及時(shí)排出，造成液面快速上漲，當(dāng)局部反應(yīng)完成后液面回落，因而產(chǎn)生電極位置大幅度波動(dòng)。另外，大顆粒焦炭比表面積較小，與鈦精礦接觸面積有限，還原反應(yīng)速度不能與加料速度匹配，這就造成其整體反應(yīng)速度可能出現(xiàn)滯后，進(jìn)而出現(xiàn)不確定性的集中反應(yīng)，導(dǎo)致電極位置波動(dòng)較大，爐況不穩(wěn)定。

2.2.2 煙氣溫度變化特征分析

鈦渣冶煉過程中排出煙氣的熱量主要由熔池?zé)彷椛浼盁煔庵蠧O燃燒放熱提供。由于熔池溫度基本穩(wěn)定，因此導(dǎo)致煙氣溫度變化的主要原因是CO燃燒放熱量的差異，即CO燃燒量與煙氣溫度正相關(guān)。CO主要來源于還原劑與鈦精礦的還原反應(yīng)，因此還原反應(yīng)越快單位時(shí)間產(chǎn)生的CO越多、煙氣溫度越高。典型煙氣溫度變化趨勢截圖見圖2。

所有截圖橫坐標(biāo)為時(shí)間、縱坐標(biāo)為煙氣溫度圖2 典型煙氣溫度變化趨勢截圖

由圖2可以初步得到以下結(jié)論：

(1)無煙煤冶煉時(shí)煙氣溫度整體較焦炭冶煉高約50 ℃，且無煙煤煙氣溫度更加穩(wěn)定。這主要是由于：無煙煤反應(yīng)速度更快，單位時(shí)間產(chǎn)生的CO量增加，燃燒放熱量大；無煙煤粒度均勻、冶煉負(fù)荷穩(wěn)定，因此反應(yīng)穩(wěn)定、煙氣產(chǎn)生更加平穩(wěn)。

(2)無煙煤冶煉煙氣溫度存在階段性超過850 ℃的現(xiàn)象，隨著時(shí)間累積可能導(dǎo)致部分除塵灰結(jié)塊，加速除塵系統(tǒng)堵塞，但本次試驗(yàn)未能得到數(shù)據(jù)佐證。

圖3 反應(yīng)前期煙氣溫度擬合

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對無煙煤和焦炭反應(yīng)前期煙氣溫度變化曲線進(jìn)行擬合，得到圖3。由此可以直觀的看出，使用無煙煤時(shí)煙氣溫度上升速度更快且更快的達(dá)到穩(wěn)定，說明其CO產(chǎn)生速度快，具有更快的反應(yīng)速度，還原性能更好。

3 可能存在的問題

(1)無煙煤冶煉煙氣溫度存在階段性超過850 ℃的現(xiàn)象，隨著時(shí)間累積可能導(dǎo)致部分除塵灰結(jié)塊，加速除塵系統(tǒng)堵塞，但本次試驗(yàn)未能得到數(shù)據(jù)佐證。若涉及工業(yè)應(yīng)用需注意此問題。

(2)使用無煙煤冶煉鈦渣時(shí)CO產(chǎn)生速度快且相對集中，對于沒有使用煤氣回收技術(shù)的電爐，可能

造成尾氣中CO燃燒不充分，進(jìn)而導(dǎo)致CO局部超高產(chǎn)生放炮現(xiàn)象，危及設(shè)備和人員安全。因此，使用無煙煤時(shí)需注意監(jiān)測CO變化情況并做好二次燃燒條件保障，確保尾氣中殘余CO量在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)使用無煙煤冶煉過程中煙氣溫度上升速率明顯高于焦炭冶煉，說明其反應(yīng)速度更快、CO產(chǎn)生速度更快，具有更好的還原性能。

(2)與焦炭相比，無煙煤反應(yīng)速度加快，可縮短百噸料耗時(shí)1 h左右，提高電爐熱效率2%左右。

(3)由于無煙煤具有較均勻的粒度和穩(wěn)定的化學(xué)成分指標(biāo)，其冶煉過程可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，熔池穩(wěn)定、具備提高冶煉負(fù)荷的條件，可有效促進(jìn)冶煉綜合指標(biāo)的優(yōu)化。

(4)水分含量對冶煉爐況的穩(wěn)定和指標(biāo)的優(yōu)化具有重要影響，水分含量大于1%可能導(dǎo)致爐況異常波動(dòng)，惡化冶煉指標(biāo)。

(5)在除塵系統(tǒng)安全、匹配的情況下，使用粒度、水分均勻的無煙煤冶煉鈦渣可以獲得比焦炭更好的冶煉指標(biāo)。

[參考文獻(xiàn)]

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