李凱茂， 繆輝俊， 韓可喜， 肖 軍， 劉 娟， 宋 兵

(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)

降低石墨電極消耗的工藝研究

李凱茂， 繆輝俊， 韓可喜， 肖 軍， 劉 娟， 宋 兵

(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)

國內(nèi)某企業(yè)鈦渣電爐石墨電極消耗主要表現(xiàn)為電極側(cè)面氧化和電極端部消耗。借鑒電弧爐煉鋼石墨電極消耗機(jī)理，結(jié)合試驗(yàn)分析得知，電極側(cè)面氧化主要與爐內(nèi)氧化氣氛和冶煉時(shí)間有關(guān)，電極端部消耗主要與工作電流和配碳制度有關(guān)。對(duì)現(xiàn)有供電、負(fù)壓、配碳和取樣等工藝制度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，單爐冶煉時(shí)間縮短了13%，噸渣石墨電極消耗降幅達(dá)20%，效果顯著。

鈦渣冶煉； 石墨電極； 電極消耗； 工藝制度

電爐冶煉鈦渣生產(chǎn)成本主要包括原料消耗、石墨電極消耗、電耗、設(shè)備折舊等，其中石墨電極消耗、電耗屬變動(dòng)成本，且石墨電極費(fèi)用約占變動(dòng)成本的20%左右。因此，降低電極消耗對(duì)降低鈦渣冶煉成本尤為重要。本文對(duì)國內(nèi)外鈦渣電爐石墨電極消耗情況進(jìn)行對(duì)比，借鑒電弧爐煉鋼石墨電極消耗機(jī)理，根據(jù)某鈦渣電爐實(shí)際情況，分析石墨電極消耗的主要原因，提出降低電極消耗的有效措施。

1 國內(nèi)外鈦渣電爐石墨電極消耗概況

國際上石墨電極冶煉鈦渣技術(shù)大致分為三種：一是以力拓公司為代表的實(shí)心電極技術(shù)，采用矩形密閉式交流電爐，連續(xù)加料的冶煉方式；二是以NSL公司為代表的中空電極技術(shù)，采用圓形密閉式直流電爐，連續(xù)加料的冶煉方式，三是烏克蘭為代表的實(shí)心電極技術(shù)，采用圓形半密閉式電爐，一次性加料的冶煉方式。國內(nèi)外大型電爐冶煉鈦渣項(xiàng)目石墨電極消耗見表1。

由表1可知，云南新立公司的冶煉技術(shù)與南非NSL相近，金江鈦業(yè)公司的主體裝備與加拿大力拓、南非RBM相近，但其噸渣石墨電極消耗高。某企業(yè)一直采用較低品位鈦渣和還原度控制冶煉，但相對(duì)于冶煉高品位、高還原度鈦渣的加拿大力拓、南非RBM和烏克蘭等廠家，噸渣電極消耗并沒有較大優(yōu)勢(shì)。因此，該企業(yè)在降低噸渣石墨電極消耗方面仍有較大空間。

表1 國內(nèi)外大型電爐鈦渣項(xiàng)目石墨電極消耗概況[1]

2 石墨電極消耗原因分析

2.1 實(shí)際消耗情況

某鈦渣電爐運(yùn)行初期石墨電極消耗情況如圖1所示。電極c端消耗最嚴(yán)重，電極b端次之，電極a段最輕。采用Photoshop軟件計(jì)算選區(qū)面積的方法，理論推算電極b端消耗較電極a端增加17.36%，電極c端消耗較a端增加66.7%。電極b端消耗為電極側(cè)面氧化，c端消耗為電極端部消耗。從冶煉工藝上講，熔煉中電極總消耗一般可分為側(cè)面氧化、端部消耗[2-4]。因此需要找出造成鈦渣電爐石墨電極側(cè)面氧化和端部消耗的主要原因。

圖1 石墨電極氧化情況

2.2 原因分析

2.2.1 側(cè)面氧化

電極側(cè)面氧化是爐內(nèi)氣氛中的氧與石墨作用生成CO或CO2引起的。電極側(cè)面氧化消耗量，主要取決于電極表面積、冶煉時(shí)間、出渣量和氧化速率等參數(shù)，可由下式計(jì)算[5]：

(1)

式中：Cs——側(cè)面氧化消耗量， kg/t；

T——電爐冶煉時(shí)間，h；

W——電爐出渣量，t；

Ks——氧化消耗速率， kg/(m2·h)；

S——電極爐內(nèi)氧化表面面積， m2。

當(dāng)所使用的電極一定時(shí)，即電極表面積不變，冶煉時(shí)間越長，出渣量越少，氧化消耗速率越快，電極消耗量越大。

2.2.1.1 氧化速率對(duì)電極側(cè)面氧化的影響

當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)出渣量一定時(shí)，電極氧化消耗量取決于氧化速率，而電極氧化速率與爐內(nèi)氣氛密切相關(guān)。目前鈦渣冶煉裝備為半密閉式電爐，加料方式為間斷加料，整個(gè)冶煉過程為負(fù)壓操作，尤其在爐次間隙和加料時(shí)為保證電爐安全操作，采用較大負(fù)壓控制，負(fù)壓操作在給定負(fù)壓值后由風(fēng)機(jī)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)，而操作人員通常在加料、取樣時(shí)將風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)到最高值(50 Hz)。風(fēng)機(jī)頻率與負(fù)壓呈正比，風(fēng)機(jī)頻率越大，其負(fù)壓越大，進(jìn)入爐內(nèi)氣體量越多。鈦渣電爐為半密閉式電爐，爐門口、爐蓋等處不能有效密閉，加料時(shí)采用較大負(fù)壓，進(jìn)入爐內(nèi)的空氣量增大，這是造成電極側(cè)面氧化的主要原因。

對(duì)加料和正常冶煉時(shí)爐內(nèi)氧氣含量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見圖2。加料時(shí)、加料后1 h以內(nèi)，爐內(nèi)氧氣含量在4.2%～4.4%，此時(shí)負(fù)壓控制在-50～-30 Pa，正常冶煉時(shí)，爐內(nèi)氧氣含量在0.8%，對(duì)應(yīng)的負(fù)壓在-20～-15 Pa，爐內(nèi)氧氣含量與負(fù)壓成正比。因此，在實(shí)際操作上，有效控制爐內(nèi)氧化氣氛是減少電極側(cè)面氧化的主要途徑。

圖2 爐內(nèi)O2含量與冶煉時(shí)間的關(guān)系

2.2.1.2 冶煉時(shí)間對(duì)電極側(cè)面氧化的影響

當(dāng)氧化速率一定時(shí)，電極側(cè)面氧化主要由冶煉時(shí)間和出渣量決定，而渣量主要由加料量決定。正常生產(chǎn)過程單爐加料量誤差控制在±5t，可認(rèn)為單爐出渣量是一定的，因此電極側(cè)面氧化很大程度取決于冶煉時(shí)間，冶煉時(shí)間越短，電極消耗越小。

總之，電極側(cè)面氧化主要與爐內(nèi)氧化氣氛和冶煉時(shí)間有關(guān)。

2.2.2 端部消耗

電極端部消耗包括電弧高溫引起的升華(又稱弧光消耗或蒸發(fā)消耗)以及電極端部與熔渣化學(xué)反應(yīng)的損失(又稱化學(xué)消耗)。

弧光消耗是由于電極與物料間產(chǎn)生高溫電弧(3 000 ℃)，導(dǎo)致電極端部出現(xiàn)持續(xù)的石墨消耗。電極端部高溫升華消耗主要與電極端部蒸發(fā)速率有關(guān)，而電極蒸發(fā)速率主要取決于通過電極的電流密度，其次與電極端部氧化后的直徑大小(形成錐體)有關(guān)。電極蒸發(fā)速率可用下式[6]表示：

Qt=0.027·I1.5

(2)

式中：Qt——電極端部的蒸發(fā)速度， g/s；

I——電弧電流， kA。

可見，電極端部高溫升華與所使用的電流有關(guān)，電弧電流越高，電極端部消耗越大，因此，選擇合理的工作電流是降低電極端部消耗行之有效的方法。電極端部除石墨升華消耗外，還有一部分為熔池對(duì)電極的侵蝕消耗，當(dāng)部分電極與熔池接觸后，電極將參與爐內(nèi)冶金反應(yīng)，而該部分電極消耗主要取決于冶煉配碳量。

總之，鈦渣電爐電極端部消耗主要與冶煉工作電流、配碳有關(guān)。

3 降低石墨電極消耗的措施

通過上述分析，對(duì)現(xiàn)有供電制度、負(fù)壓控制、配碳制度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)前后的工藝制度見表2。

表2 改進(jìn)前后的工藝制度

3.1 供電制度的改進(jìn)

石墨電極側(cè)面消耗與冶煉時(shí)間有關(guān)，而電極端部消耗與工作電流有關(guān)。提高電爐輸送功率可達(dá)到縮短冶煉時(shí)間的目的，而輸送功率的提高主要通過提高電壓實(shí)現(xiàn)。由于電流高低對(duì)電極端部消耗有影響，因此，提高電壓、適當(dāng)降低操作電流是縮短冶煉時(shí)間的有效途徑之一，進(jìn)而達(dá)到降低電極消耗目的。

3.2 負(fù)壓操作的改進(jìn)

鈦渣冶煉為負(fù)壓操作，為防止除塵被堵塞引起爐內(nèi)爆炸，每次加料采取大負(fù)壓-80～-60 Pa控制。此外，為了更方便安全操作，正常冶煉過程中采取較大負(fù)壓-20～-15 Pa操作，而且單爐加料批次為4～5次，這種負(fù)壓控制制度導(dǎo)致電極氧化非常嚴(yán)重。因此，合理的負(fù)壓操作制度對(duì)減少電極消耗非常重要。通過減小補(bǔ)加料時(shí)和正常冶煉時(shí)爐內(nèi)負(fù)壓，有效提高電爐熱效率、減少抽損，降低電極消耗。

3.3 配碳制度的改進(jìn)

對(duì)于碳熱還原熔煉，爐料內(nèi)的化學(xué)計(jì)量碳對(duì)電極消耗影響極大。當(dāng)爐料配碳不足時(shí)，電極炭會(huì)參與冶金反應(yīng)，而且隨著爐料虧碳程度的加大，電極炭參與冶金反應(yīng)的量增加，即電極消耗量增加。因此，優(yōu)化配碳制度，降低電極高溫還原消耗非常重要。

3.4 取樣制度的改進(jìn)

鈦渣冶煉是在還原性氣氛下進(jìn)行的，還原過程中電極消耗較小。原單爐取樣次數(shù)為2～3次，并且每次取樣要打開爐門才能完成。取樣過程中外面空氣進(jìn)入爐內(nèi)，不僅破壞還原性氣氛、降低熔池溫度，對(duì)電極氧化也有一定影響。因此，將單爐取樣次數(shù)由2～3次調(diào)整為單爐取樣1次，有效地縮短了冶煉時(shí)間，降低了電極消耗。

工藝制度改進(jìn)后，爐內(nèi)氧化氣氛得到很好控制，爐內(nèi)還原環(huán)境有效改善，單爐冶煉時(shí)間縮短了13%，噸渣石墨電極單耗由19.5 kg降低至15.6 kg，降低幅度達(dá)到20%，效果顯著。

4 結(jié)論

(1)對(duì)鈦渣電爐石墨電極實(shí)際消耗情況進(jìn)行分析，電極消耗主要表現(xiàn)為電極側(cè)面氧化和電極端部消耗。

(2)借鑒電弧爐煉鋼石墨電極消耗機(jī)理，結(jié)合試驗(yàn)分析得知，電極側(cè)面氧化主要與爐內(nèi)氧化氣氛和冶煉時(shí)間有關(guān)，電極端部消耗主要與工作電流和配碳制度有關(guān)。

(3)改進(jìn)工藝制度后，單爐冶煉時(shí)間縮短了13%，噸渣石墨電極單耗降幅達(dá)到20%，效果顯著。

[1] 李興華，文書明.國內(nèi)外鈦白及海綿鈦主要原料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及我國發(fā)展重點(diǎn)[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，28(3)：9-13.

[2] 殷寶言.電弧爐石墨電極耗損原因及其控制措施[J].煉鋼，1989，(6)：32-35.

[3] 劉綱，朱榮，盧帝維等.電爐電極降耗機(jī)理及工藝研究[J].冶金設(shè)備，2008，(3)：56-58.

[4] 林偉.電爐電極損耗原因淺析[J].冶金叢刊，2009，(3)：13-14.

[5] 高占彪，焦明水，何錫江.對(duì)電弧爐冶煉中石墨電極消耗及使用的探討[J].2009，28(2)：34-38.

[6] 殷寶言.電弧爐石墨電極耗損原因及其控制措施[J].煉鋼，1989，(6)：32-35.

元素分離與利用技術(shù)助力鋁灰變廢成寶

鋁灰，通常是按照形態(tài)進(jìn)行分類，如被稱為鋁渣或鋁灰，尤其是二次鋁灰，指從鋁渣中提取完金屬鋁后，經(jīng)過球磨機(jī)磨粉并經(jīng)過篩分后將其中的金屬鋁篩分出來，實(shí)現(xiàn)金屬鋁提取，剩余鋁灰殘留少量金屬鋁。按照提煉方法不同，可產(chǎn)生兩種類型的鋁灰：一是電解鋁液的鋁灰。電解鋁液鋁灰來自于純鋁液，其成分大多數(shù)是氧化鋁、氮化鋁和少量的氟化物。二是鋁合金鑄造鋁灰。由于鋁合金液中的硅、鎂、銅、鐵、鋅等元素的存在，導(dǎo)致合金鋁灰中含有各種金屬雜質(zhì)元素和少量的氟化物。

對(duì)于鋁加工企業(yè)，一般會(huì)將鋁灰直接廢棄或以低廉價(jià)格外銷。但是，鋁灰作為危險(xiǎn)固體廢棄物，如若隨意廢棄，會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生極大污染。國家近兩年對(duì)此進(jìn)行了嚴(yán)格監(jiān)管，因此，有效利用鋁灰、減少污染、提高利用率一直是眾多企業(yè)的重點(diǎn)研究方向。

鄭州中綠環(huán)保新材料有限公司利用選礦、氧化鋁冶煉、化工、環(huán)保等多學(xué)科技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋁灰元素分離與利用。首先分離出鋁灰中氨氣、氟化物、打渣劑、氮化鋁等物質(zhì)，然后處理活性程度不一樣的α-氧化鋁、β-氧化鋁、氫氧化鋁等物質(zhì)，再深度分離鋁灰中硅、鎂、銅、鐵、鉻、鋅等元素等成分。其研發(fā)的鋁灰治理和綜合利用技術(shù)，取得了國家發(fā)明專利(一種鋁灰綜合利用處理方法，專利號(hào)：201510808471.X)。在此技術(shù)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大試驗(yàn)裝置，聯(lián)合其他企業(yè)對(duì)鋁灰治理和利用進(jìn)行關(guān)鍵工藝的工業(yè)試驗(yàn)生產(chǎn)線建設(shè)。在對(duì)200 kg/h鋁灰進(jìn)行無害化和綜合利用處理，并連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)168 h后，得到的鋁灰處理結(jié)果達(dá)到國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，再生的氫氧化鋁、氨水符合有色金屬行業(yè)原材料標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目總投資2 000萬元，鋁灰處理產(chǎn)能可達(dá)到1萬t/a，得到金屬鋁屑約1 000～1 500 t，氫氧化鋁8 500～10 000 t，同時(shí)也可有效回收鋁灰中的氮。此種分離方法不僅適用于電解鋁灰的處理處置，同時(shí)對(duì)于成分復(fù)雜難處理的鋁加工鋁灰、二次鋁灰也同樣適用。

Process study on reducing graphite electrode consumption

LI Kai-mao, MIU Hui-jun, HAN Ke-xi, XIAO Jun, LIU Juan, SONG Bing

In some domestic enterprise, the consumption of graphite electrode on the titanium slag electric furnace is mainly expressed in side-oxidation and end-consumption of electrode. From Mechanism of graphite electrode consumption in electric arc furnace for steelmaking, combined with the experimental date, it indicated that the side oxidation of the electrode is mainly related to the oxidation atmosphere and smelting time, end consumption of electrode is mainly related to the working current and the carbon distribution system. Based on this, optimization and improvement of the existing power supply, negative pressure control, carbon distribution and sampling process are carried out, so that the smelting time is shortened by 13% per furnace and graphite electrode consumption per ton of slag reduced by 20%.

titanium slag smelting; graphite electrode; electrode consumption; process system

李凱茂(1984—)， 男， 山西大同人， 碩士， 工程師， 從事鈦渣冶煉及鈦礦物加工研究。

2016-- 04-- 26

TF806； TF823

B

1672-- 6103(2017)02-- 0049-- 04