劉 娟， 宋 兵， 韓可喜， 李凱茂， 肖 軍， 葉恩東

(鞍鋼集團(tuán)釩鈦(鋼鐵)研究院攀鋼釩鈦資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 攀枝花 617000)

電爐法熔煉鈦渣，是用固體還原劑碳(無(wú)煙煤、冶金焦、石油焦等)對(duì)鈦鐵礦進(jìn)行選擇性還原，鈦鐵礦中的主要氧化物還原為金屬鐵，而鈦的氧化物被富集在爐渣中，從而產(chǎn)出鈦渣和生鐵(半鋼)兩種產(chǎn)品，冶煉在溫度大于1 700 ℃下進(jìn)行。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐中熱平衡、物料平衡和元素走向測(cè)定結(jié)果可知，鈦精礦冶煉鈦渣過(guò)程礦中，SiO2、 CaO、MgO、V2O5、MnO、P2O5等參與還原反應(yīng)量極少，主要是 TiO2、FeO、Fe2O3參與還原反應(yīng)，鈦渣冶煉發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)式(1)～(3)。

FeO+C=Fe+CO

(1)

Fe2O3+3C=2Fe+3CO

(2)

3TiO2+C=Ti3O5+CO

(3)

從以上化學(xué)反應(yīng)可以看出，冶煉過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量CO氣體，CO氣體經(jīng)料層逸出時(shí)，進(jìn)入二次燃燒室進(jìn)行二次燃燒，這些高溫?zé)煔庠诙稳紵胰紵螽a(chǎn)生的化學(xué)能不僅可以利用，還可降低電爐煙氣溫度，減少有害氣體含量，增加除塵效率，有利于環(huán)境保護(hù)。

與此同時(shí)，鈦渣冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的尾氣中含有較多的粉塵顆粒(煙塵)，溫度越高，煙塵量越大。鈦渣電爐煙塵細(xì)，直徑一般在42～167 μm[1]，高溫情況下易于燒結(jié)，從而造成二次燃燒室堵塞致使生產(chǎn)中斷，需進(jìn)行停爐降溫，疏通二次燃燒室和再升溫操作，造成反應(yīng)電耗增加，生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，影響生產(chǎn)的連續(xù)性，降低設(shè)備作業(yè)率，且勞動(dòng)強(qiáng)度增大，安全隱患大。停爐疏通二次燃燒室造成爐內(nèi)熱源流失，對(duì)鈦渣質(zhì)量影響較大，制約了鈦渣電爐的穩(wěn)產(chǎn)和達(dá)產(chǎn)。分析和解決二次燃燒室堵塞問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)鈦渣電爐連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本文分析了二次燃燒室工作原理、堵塞原因和改進(jìn)措施。

1 二次燃燒室工作原理

二次燃燒是指一次燃燒的中間產(chǎn)物與外圍空氣再次反應(yīng)生成穩(wěn)定的最終產(chǎn)物[2]。二次燃燒技術(shù)最初應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煉鋼，現(xiàn)由于國(guó)內(nèi)電爐冶煉鈦渣未完全實(shí)現(xiàn)連續(xù)冶煉，出于安全和環(huán)保考慮也使用該項(xiàng)技術(shù)，攀枝花地區(qū)某廠鈦渣電爐二次燃燒示意圖如圖1所示。

圖1 電爐二次燃燒簡(jiǎn)單示意圖

二次燃燒室中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為電爐冶煉鈦渣過(guò)程中產(chǎn)生的大量高溫氣體CO與空氣中的O2發(fā)生的反應(yīng)，見(jiàn)式(4)。

2CO+O2=2CO2

(4)

鈦精礦冶煉鈦渣過(guò)程中，C的燃燒率用PC來(lái)表示，見(jiàn)式(5)。

(5)

當(dāng)PC值為0%時(shí)，碳全部燃燒為CO；PC值為100%時(shí)，碳完全燃燒為CO2。碳燃燒產(chǎn)生的熱量值如圖2所示，由圖2可知，當(dāng)PC值分別為0%和100%時(shí)，1 kg碳與純氧燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的能量分別為7.49 kW·h和1.43 kW·h；而在空氣中燃燒分別產(chǎn)生3.48 kW·h和-0.95 kW·h(此時(shí)碳燃燒為吸熱反應(yīng))。當(dāng)然，PC值越高，也會(huì)增加爐氣帶走的熱損失。由此可知，含碳化合物的燃燒值決定熱損失，采用純氧較空氣進(jìn)行二次燃燒更具有潛在的優(yōu)點(diǎn)。若利用二次燃燒將廢氣中潛在化學(xué)能有效利用，同時(shí)生成的CO2的熱輻射傳遞也大于CO，因此二次燃燒可大幅度提高爐內(nèi)傳熱效率，起到節(jié)能降耗和提高生產(chǎn)率的效果。

圖2 碳在空氣與氧氣中燃燒產(chǎn)生的熱量

2 二次燃燒室故障情況及原因分析

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于原料質(zhì)量波動(dòng)大、設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理以及工藝操作不當(dāng)爐況不順行等均會(huì)造成二次燃燒室嚴(yán)重堵塞，負(fù)壓難以控制，從而影響鈦渣電爐的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

2.1 二次燃燒室故障情況

圖3和圖4分別為二次燃燒室堵塞情況和平穩(wěn)爐次情況的對(duì)比。通常，采用攀枝花鈦精礦間斷式加料冶煉鈦渣，二次燃燒室月清灰頻次約10次。不同冶煉情況下，二次燃燒室月清灰頻次見(jiàn)表1。

圖3 二次燃燒室堵塞情況

圖4 平穩(wěn)爐次二次燃燒室情況

項(xiàng)目月清灰頻次攀枝花鈦精礦冶煉鈦渣10攀枝花氧化鈦精礦冶煉鈦渣22雨季攀枝花鈦精礦冶煉鈦渣20國(guó)外鈦精礦冶煉鈦渣6攀枝花鈦精礦連續(xù)加料冶煉鈦渣16

2.2 二次燃燒室堵塞原因分析

2.2.1 原料對(duì)二次燃燒室堵塞影響分析

旁遮普天津技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系研究…………………… 徐超輝，趙 巍，RAMMIZ Ul-hassan，ASMA Bakht，MUHAMMAD Farhan-ejaz（71）

1)原料粒度。鈦渣冶煉原料主要是鈦精礦與還原劑，鈦精礦粒度+0.074 mm以上約占65%，且受現(xiàn)行選礦技術(shù)影響其粒度還有明顯變細(xì)的趨勢(shì)，還原劑的粒度約3～10 mm，但其密度較小。鈦渣冶煉過(guò)程應(yīng)控制鈦精礦與還原劑粒度組成，原料粒度過(guò)粗，顆粒比表面積大，鈦精礦與還原劑的接觸面小，影響鈦精礦的還原速率；原料粒度過(guò)細(xì)，雖可增加鈦精礦與還原劑接觸面，但由于其粒度細(xì)，原料抽損嚴(yán)重。二次燃燒室是原料抽損必經(jīng)通道，細(xì)顆粒大量經(jīng)過(guò)二次燃燒室，增加風(fēng)機(jī)抽損頻率，也增加二次燃燒室細(xì)顆粒積累，從而堵塞二次燃燒室。通過(guò)從二次燃燒室取樣分析發(fā)現(xiàn)，其物料化學(xué)成分與鈦精礦成分相似，詳見(jiàn)表2。從表2的化學(xué)分析結(jié)果可以看出，二次燃燒室中的燒結(jié)樣和灰樣主要是由于鈦精礦粒度過(guò)細(xì)在抽損過(guò)程中堆積于二次燃燒室中燒結(jié)形成。

表2 二次燃燒室物料與鈦精礦原料成分對(duì)比 %

注：此處二次燃燒室所取樣為使用氧化鈦精礦作為原料生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生。

2)還原劑水分。水分是還原劑質(zhì)量好壞的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，而還原劑水分含量也是影響二次燃燒室堵塞的重要因素。生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，七八月份雨季時(shí)期還原劑中含水量較其他月份增加10%～15%，最高達(dá)20%，期間二次燃燒室堵塞爐次明顯增加。主要是由于鈦渣冶煉過(guò)程中，二次燃燒室的溫度約1 300～1 400 ℃，還原劑進(jìn)入電爐內(nèi)，還原劑中水分迅速蒸發(fā)進(jìn)入二次燃燒室，增大進(jìn)入二次燃燒室的煙氣速度，增大細(xì)顆粒的抽損率，同時(shí)細(xì)顆粒還原劑抽損進(jìn)入二次燃燒室，由于顆粒細(xì)及水分氣化，使得進(jìn)入二次燃燒室的物料極易燒結(jié)成塊，在風(fēng)機(jī)頻率一定的情況下，成塊的物料不能被抽走，導(dǎo)致物料在二次燃燒室堆積，從而堵塞二次燃燒室。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)清理二次燃燒室時(shí)發(fā)現(xiàn)物料燒結(jié)致密，強(qiáng)度較大，清理難度較大，清理二次燃燒室平均用時(shí)達(dá)2 h之多。

3)鈦精礦化學(xué)性質(zhì)。攀枝花鈦精礦屬共生巖礦，精礦中FeO含量高，碳熱還原難度大，為提高鈦精礦碳熱還原速率，通常會(huì)考慮對(duì)鈦精礦進(jìn)行預(yù)處理，如預(yù)還原或預(yù)氧化處理等。鈦精礦經(jīng)氧化處理會(huì)改善鈦精礦物相組成，鈦精礦中的鐵氧化物也主要以Fe3+形式存在，而固體碳質(zhì)還原三價(jià)鐵氧化物能力明顯提高，加快鈦精礦碳熱還原速率。另一方面，三價(jià)鐵氧化物較二價(jià)鐵氧化物氧含量明顯增多，碳熱還原產(chǎn)生的氣量明顯增加，同時(shí)增加二次燃燒室的進(jìn)氣量，加重二次燃燒室堵塞。因此，二次燃燒室的堵塞情況受原料化學(xué)性質(zhì)波動(dòng)影響較大。

2.2.2 設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷對(duì)二次燃燒室堵塞影響分析

1)二次燃燒室尺寸和風(fēng)機(jī)頻率。二次燃燒室爐膛尺寸相對(duì)電爐而言偏小，風(fēng)機(jī)較小，當(dāng)二次燃燒室粉塵達(dá)到一定量時(shí)，增加風(fēng)機(jī)頻率對(duì)降低粉塵量無(wú)明顯效果，爐膛內(nèi)煙氣溫度急劇升高，易于發(fā)生燒結(jié)，爐膛負(fù)壓劇烈波動(dòng)甚至變?yōu)檎龎篬3-4]。

2)配料系統(tǒng)和加料系統(tǒng)。

配料系統(tǒng)：每個(gè)料倉(cāng)中的爐料(鈦精礦和焦炭)是通過(guò)原料處的稱量皮帶秤與混料皮帶按一定比例混合運(yùn)輸至爐頂料倉(cāng)，皮帶秤傳感器容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，稱量誤差大，導(dǎo)致配料不準(zhǔn)確。同時(shí)，由于鈦精礦與焦炭密度差異大，在皮帶下料至爐頂料倉(cāng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)鈦精礦在下，焦炭在上的現(xiàn)象，導(dǎo)致物料偏析嚴(yán)重，物料熔化速度慢，不易形成大熔池，一旦結(jié)殼突然塌陷，上部爐料跌入渣層，會(huì)驟然增大渣內(nèi)還原反應(yīng)，產(chǎn)生大量CO氣體，使渣體產(chǎn)生強(qiáng)烈沸騰乃至噴濺。導(dǎo)致電極高位運(yùn)行，電爐上部溫度增加，同時(shí)也會(huì)增加二次燃燒室溫度，導(dǎo)致二次燃燒室內(nèi)物料軟化，進(jìn)一步燒結(jié)致密。

加料系統(tǒng)：加料點(diǎn)的個(gè)數(shù)和加料點(diǎn)位置設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)冶煉過(guò)程順行產(chǎn)生重要影響，此外，爐頂料倉(cāng)距電爐垂直高度過(guò)高，下料過(guò)程中造成較大的原料飛揚(yáng)，粉末狀的鈦精礦會(huì)被高溫?zé)煔庵苯訋е炼稳紵?，?jīng)燃燒后形成的高溫顆粒直接附著在二次燃燒室腔壁。隨著冶煉的進(jìn)行, 二次燃燒室腔壁上的燒結(jié)物越積越多, 溫度越來(lái)越高，從而加劇二次燃燒室堵塞情況。

2.2.3 工藝因素對(duì)二次燃燒室堵塞影響分析

由于采用半密閉鈦渣電爐冶煉工藝，改間歇式加料方式為連續(xù)加料，但目前暫未實(shí)現(xiàn)連續(xù)冶煉，仍然采用間歇式出爐。實(shí)現(xiàn)冶煉爐連續(xù)加料后，物料抽損極其嚴(yán)重，加劇了二次燃燒室堵塞情況，導(dǎo)致頻繁停爐，使電耗成為冶煉爐各項(xiàng)指標(biāo)中最差的一項(xiàng)。

2.2.4 其他因素對(duì)二次燃燒室堵塞影響分析

除了上述影響因素外，由于冶煉人員操作經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)急處理能力參差不齊，對(duì)物料配比調(diào)整及加料送電時(shí)機(jī)的判斷存在差異，以及清灰不及時(shí)等都是造成二次燃燒室堵塞的次要原因。

3 優(yōu)化措施

3.1 原料方面

嚴(yán)格把關(guān)原料采購(gòu)程序，控制原料化學(xué)成分和粒度在合理范圍，通常要求鈦精礦的粒度-0.38 mm～+0.074 mm達(dá)80%以上。還原劑粒度范圍在3～10 mm最佳，還原劑中水分含量控制在0.4%以下(雨季可考慮增加干燥處理工序)。

3.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

1)電爐新建或改建時(shí)適當(dāng)增大二次燃燒室尺寸和風(fēng)機(jī)頻率。

2)鈦精礦和焦炭分別盛裝在不同的料倉(cāng)，各自料倉(cāng)上的下料管安裝一臺(tái)螺旋稱量皮帶機(jī), 以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦精礦和焦炭精確配料。鈦精礦料管與焦炭料管互相交匯于爐蓋上加料管, 以便兩種物料在爐頂加料管中均勻混合下至爐內(nèi)，避免物料偏析產(chǎn)生泡沫渣，減少受泡沫渣影響導(dǎo)致二次燃燒室堵塞加劇。

3.3 工藝方面

1)取消點(diǎn)火器和助燃風(fēng)機(jī)，改變進(jìn)風(fēng)方向，可降低目前使用連續(xù)加料但未實(shí)現(xiàn)連續(xù)冶煉帶來(lái)的二次燃燒室堵塞情況。

2)進(jìn)一步探索使用不同原料時(shí)加料與送電制度的匹配。

3.4 其他方面

加強(qiáng)管理水平，提高冶煉人員操作水平。

通過(guò)實(shí)施多方面優(yōu)化改進(jìn)措施可有效解決二次燃燒室堵塞問(wèn)題，減少冶煉人員對(duì)二次燃燒室的清灰頻次， 延長(zhǎng)電爐的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行周期，提高電爐生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)能，獲得良好經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1)二次燃燒室堵塞受原料性質(zhì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝操作影響較大。

2)技術(shù)人員操作是二次燃燒室堵塞的次要原因。

3)通過(guò)優(yōu)化上述影響因素可有效降低二次燃燒室堵塞率，減少清灰頻次，提高設(shè)備作業(yè)率和電爐連續(xù)生產(chǎn)能力。