基于直接還原-電解工藝金屬鈦制備裝備的開發(fā)

（新冶高科技集團(tuán)有限公司，北京 100081）

隨著產(chǎn)業(yè)和技術(shù)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(qiáng)、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(yīng)用的主體結(jié)構(gòu)材料。據(jù)用戶部門估計(jì)，未來5-10年鈦的價(jià)格如能進(jìn)一步降低30%，則用量可能擴(kuò)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(duì)集團(tuán)公司的優(yōu)勢研發(fā)及經(jīng)營領(lǐng)域產(chǎn)生巨大沖擊。

利用鋼鐵冶煉及制材技術(shù)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(shù)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域進(jìn)行了多年的探索，結(jié)合工程實(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究，隨后在山東、廣西等地建設(shè)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(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

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(jī)等進(jìn)行配料，混合料經(jīng)過混碾機(jī)混勻后，再通過圓盤給料機(jī)供給對(duì)輥壓球機(jī)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(jī)將球團(tuán)均勻布在轉(zhuǎn)底爐爐床上，在高溫爐膛（溫度最高可達(dá)1400℃）內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周后，金屬化球團(tuán)由出料機(jī)推出，直接進(jìn)入高溫輸送設(shè)備，約700℃金屬化球團(tuán)進(jìn)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(shè)備后進(jìn)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(xué)反應(yīng)，以制備金屬鈦的熱過程設(shè)備。

（1）原料準(zhǔn)備。試驗(yàn)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(jī)中進(jìn)行混合碾磨，混勻后進(jìn)入對(duì)輥壓球機(jī)壓球，球團(tuán)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(tuán)通過給料機(jī)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(tuán)，然后由出料機(jī)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(jī)械及傳動(dòng)系統(tǒng)、水封系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、爐外設(shè)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(gè)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(kuò)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(tuán)焙燒等預(yù)處理設(shè)備的投資，整體投資費(fèi)用大約低25%～30%。③運(yùn)行穩(wěn)定。生產(chǎn)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)都是成熟的技術(shù)及裝備，工藝流程緊湊，可靠性高，易于操作和維護(hù)。④環(huán)境友好。轉(zhuǎn)底爐是一個(gè)封閉性比較好的高溫設(shè)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(fēng)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(jìn)入原料系統(tǒng)，從而減少了有害廢料的擴(kuò)散，對(duì)環(huán)境友好。

（3）半密閉電爐金屬-渣熔融分離。金屬化球團(tuán)通過高溫輸送設(shè)備可將約700℃的球團(tuán)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(shè)計(jì)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(shè)備等組成。

（4）高溫直流電爐。直流電流是電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)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(dòng)，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(dá)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(hào)作為反饋信號(hào)引入，從而達(dá)到電解電流快速響應(yīng)的控制目的。

2 核心裝備應(yīng)注意的問題

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

①二次氧化導(dǎo)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(yīng)的同時(shí)，也會(huì)再次氧化金屬化球團(tuán)的表層，從而使產(chǎn)品的金屬化率降低，低氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用可減輕球團(tuán)的二次氧化。②熱利用不合理導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。轉(zhuǎn)底爐煙氣與爐料之間幾乎沒有對(duì)流傳熱，煙氣從高溫爐膛直接進(jìn)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(shù)很關(guān)鍵。③電爐設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致效率低，能耗高。根據(jù)鈦渣電爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作特點(diǎn)，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(gè)大電流工作的系統(tǒng)。合理的電爐參數(shù)設(shè)計(jì)及控制技術(shù)是其關(guān)鍵。④耐火材料選擇不當(dāng)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(qiáng)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(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及充足的生產(chǎn)實(shí)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(diǎn)，在生產(chǎn)鈦渣和金屬鈦等實(shí)踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)了該工藝核心裝備在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)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.