（机械工程专业论文）25mva钛渣电炉的开发研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本文根据钛渣生产的特点，对2 5 m v a 钛渣电炉进行了开发研究。 金属钛作为新兴的工业材料，随着国民经济的增长，需求量不断扩大。钛在自然界 中以氧化物的形态存在，与铁共生，通常含量较低，难以直接提取。金属钛生产的首要 环节是生产出二氧化钛含量超过8 0 的高品位的钛渣。生产高品位钛渣的工艺过程是将 钛精矿原料与还原剂混合，在钛渣电炉中熔炼，将所含氧化铁还原，而将二氧化钛富集 的过程。 以前大型钛渣电炉技术只有少数几个发达国家掌握，但由于其与军事领域密切相 关，其冶炼技术一直不向国外转让。同时，国外使用的电极均为石墨电极，生产成本很 高，低成本的自焙电极技术在钛渣生产未被应用。 以前国内钛渣生产主要采用3 2 0 0 k v a 及以下容量的小型电炉，6 3 0 0 k v a 钛渣电炉还 处于试验阶段，钛渣生产采用开放式生产，能耗较高，污染严重，工人操作环境恶劣， 原料成品率低。 此次2 5 m v a 钛渣电炉的开发研究，结合四川省攀钢建设项目，成功的开发了亚洲最 大的2 5 m v a 钛渣电炉，并且在大型钛渣电炉中首次成功应用了自焙电极技术，此项目开 发，带来了良好的经济效益与社会效益。 在此课题中，开发了2 5 m v a 钛渣电炉结构紧凑的总体布置方案：结合自焙电极与钛 渣电炉的特点，制定了自培电极初始焙烧方案；开发了大型钛渣电炉密闭炉盖技术：定 量连续给料技术的开发，使电炉整体结构紧凑；设计了新的铁包配置方案，降低了吊车 负荷及厂房负荷，同时降低工厂投资； 关键词：钛渣；电炉；自焙电极 2 5 m v a 钛渣电炉的开发研究 t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho f2 5 m v at i t a n i u m s l a ge l e c t r i cf u r n a c e a b s t t a c t t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho f2 5 m v at i t a n i u ms l a ge l e c t r i cf u r n a c ei sa c c o r d i n ga s t h ec h a r a c t e r i s t i co f t i t a n i cs l a gp r o d u c t i o n a san e wr a wm a t e r i a lf o ri n d u s t r yu s e ，t h ed e m a n dq u a n t i t yo ft h em e t a lt i t a n i u mh a s b e e ni n c r e a s i n ga l o n gw i t ht h eg r o w t ho ft h ed o m e s t i ce c o n o m y t h et i t a n i u me x i s t si nt h e n a t u r ei nt h ef o r mo fo x i d e ，i ta c c r e t e sw i t hi r o n n o r m a l l yt h ec o n t e n ti sv e r yl o wa n di ti s d i f f i c u l tt oe x t r a c tt i t a n i u md i r e c t l y t h em o s ti m p o r t a n ts e c t i o no f t h ep r o d u c t i o no f t i t a n i u m i st op r o d u c et h et i t a n i u ms l a g 讯t hh i 曲g r a d e ，i nw h i c ht h ec o n t e n to ft i t a n i u md i o x i d ei s o v e r8 0 ，t h ep r o c e d u r eo fp r o d u c i n gt h et i t a n i u ms l a gw i t hh i 曲g r a d ei st h ep r o c e d u r eo f i n i ) 【i n gt h er a wm a t e r i a lo ft i t a n i u mc o n c e n t r a t ea n dt h er e d u c e r ，m e l t i n gt h e mi nt h et i t a n i u m s l u ge l e c t r i c i t yf i n n a c e ，r e d u c i n gt h ef e r r i co x i d ei ni ta n de n r i c h i n gt h et i t a n i u md i o x i d e i nt h ep a s t ，t h e r ea r eo n l yf e wd e v e l o p e dc o u n t r i e sw h i c hc a nm a s t e rt h et e c h n o l o g yo f l a r g et i t a n i u ms l a ge l e c t r i cf l l l t l a c e ，b u tb e c a u s ei tw a sc l o s e l yr e l a t e dt ot h em i l i t a r yf i e l d ，t h e s m e l tt e c h n o l o g yw a sn o tt r a n s f e r r e dt ot h ef o r e i g nc o u n t r i e s a tt h es a m et i m e ，t h ee l e c t r o d e s u s e di nt h ef o r e i g nc o u n t r i e sw e r eg r a p h i t ee l e c t r o d e ，i t sp r o d u c t i o nc o s ti sv e r yh i 曲，t h e s e l f - r o a s t i n ge l e c t r o d et e c h n o l o g yw i t hl o wc o s th a s h tb e e nu s e di n t h e p r o d u c t i o no f t i t a n i u ms l a g t h ep r e v i o u sd o m e s t i ct i t a n i u ms l a gp r o d u c t i o nm a i n l yu s e dt h es m a l ls c a l ee l e c t r i c i t y f u r n a c ew i t ht h ec a p a c i t yn om o r et h a n3 2 0 0 k v a ，t h et i t a n i u ms l a ge l e c t r i c i t yf u n a a c ew i t h t h e c a p a c i t yo f6 3 0 0 k v ai ss t i l lu n d e re x p e r i m e n t t h et i t a n i u ms l a gi sp r o d u c e di nt h e o p e n i n ge n v i r o n m e n t ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni sv e r yh i 曲a n dt h ep o l l u t i o ni sv e r ys e v e r e t h ew o r k e r sa r eo p e r a t i n gi nt h ev e r ys o r d i de n v i r o n m e n t ，a n dt h er a t i oo ff i n i s h e dp r o d u c t s m a d eo u to f r a wm a t e r i a li sv e r yl o w t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho ft h et i t a n i u ms l a g e l e c t r i c i t yf u r a n c eo f2 5 m v a c o m b i n e sw i t ht h ec o n s t r u c t i o np r o j e c to fs i c h u a np a n z h i h u as t e e lg r o u p ，w eh a v e s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt h el a r g e s tt i t a n i u ms l a ge l e c t r i c i t yf u r n a c eo f2 5 m v a i na s i a , a n dw e h a v ea p p l i e dt h et e c h n o l o g yo fs e l f - r o a s t i n ge l e c t r o d e si nt h el a r g et i t a n i u ms l a ge l e c t r i c i t y f u r n a c ef o rt h ef i r s tt i m e t h ed e v e l o p m e n to ft h i sp r o j e c th a sb r o u g h tt h eg o o de c o n o m i c a l a n ds o c i a lb e n e f i t s i nt h i st o p i cw eh a v ed e v e l o p e dt h ed e n s eg e n e r a ll a y o u tp l a nf o rt h es t r u c t u r eo f 2 5 m ：v at i t a n i u ms l a ge l e c t r i c i t yf u r n a c e w eh a v em a d et h ep l a no fi n i t i a lr o a s t i n gw i t h 大连理工大学专业学位硕士学位论文 s e l f - r o a s t i n ge l e c t r o d e sc o m b i n i n gt h e f e a t u r e so ft h e s e l f - r o a s t i n ge l e c t r o d e s ，w eh a v e d e v e l o p e dt h et e c h n o l o g yo fs e a i i n gc o v e ro fl a r g et i t a n i u ms l a ge l e c t r i c i t yf u r n a c e ；t h e d e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo f c o n t i n u o u sa n dq u a n t i t a t i v ef e e d i n gc a l lm a k et h ei n t e g r a l s h u c t i i r co ft h ee l e c t r i c i t yf u r n a c em o r ec o m p a c t ；w eh a v ed e s i g n e dt h en e wp l a no fi r o n p a c k a g ec o n f i g u r a t i o n ，t h ei o a di nt h ec r a n ea n di nw o r k s h o pi sr e d u c e d ，a sw e l la st h e i n v e s t m e n ti nt h ef a c t o r y k e yw o r d s ：t i t a n i u ms l a g ：e l e c t r i cf u r n a c e ；s e l f - r o a s t i n ge l e c t r o d e s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名 日期：趟! ! 挚日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签 导师签 大j 壅理工大学专业学位硕士学位论文 1 论文背景 金属钛作为新兴的工业材料，在化工、医疗、食品、染料、冶金等领域，特别是航 空、航天及军事领域有着广泛应用。随着国民经济的增长，近年来钛材的需求量也在不 断扩大。我国钛材产量较少，大部分依赖于进口。 钛在自然界中以氧化物的形态存在，与铁共生，通常含量较低，难以直接提取【1 2 】。 金属钛生产的首要环节是生产出二氧化钛含量超过8 0 的高品位的钛渣。生产高品位钛 渣的工艺过程是将钛精矿原料与还原剂混合，在钛渣电炉中熔炼，将所含氧化铁还原， 而将二氧化钛富集的过程。 由于钛渣所具有的特殊活性，及钛渣生产中经常伴随着翻渣现象，同时钛渣熔化前 后物料电阻相差很大，所以生产钛渣的电炉即不同于生产铁合金的埋弧电炉，也不同于 炼钢的明弧电炉，生产初期为埋弧操作，中后期为明弧操作；为了保证钛渣生产时有很 好的还原气氛，对电炉的密封性要求也很高。故钛渣电炉的设计难度较大，以前大型钛 渣电炉技术只有少数几个发达国家掌握，但由于其与军事领域密切相关，其冶炼技术一 直不向国外转让。 以前国内钛渣生产主要采用3 2 0 0 k v a 及以下容量的小型电炉，6 3 0 0 k v a 钛渣电炉还 处于试验阶段【3 】钛渣生产采用开放式生产，能耗较高，污染严重，工人操作环境恶劣， 原料成品率低，此类电炉已受到国家政策严格限制。以前国内的钛渣生产技术处于不成 熟阶段。 国外目前掌握钛渣生产先进技术的公司主要有：加拿大q i t 公司、南非海菲尔德钛 渣厂及乌克兰国家钛研究院，均采用大容量钛渣电炉，但由于其使用的电极均为石墨电 极，生产成本很高，低成本的自焙电极技术在钛渣生产中还未掌握【4 】。 中国近年来一直致力于此项技术的研究。从“九五”期间开始，大型钛渣电炉的开 发就已被列为国家重点攻关项目，但一直进展不大。四川攀枝花地区钛资源储量丰富， 占全国钛资源总储量的9 0 5 【1 一，攀钢集团把开发钛资源作为其产业的主要发展方向 之一，近十年来相继投入上千万元进行钛渣电炉的试验研究，但都没有能够实现大规模 工业化生产。“十五”期间钛渣电炉建设又被列为国家重点项目，同时也被列为四川省 重点科技发展项目。国家为攀钢集团提供6 5 0 0 万元资本金，用于大型钛渣炉的开发建 设。同时攀钢集团自筹资金约两亿元，总投资合计2 6 亿元，开始开发建设一台2 5 m v a 大型钛渣电炉及配套设施。 2 5 m v a 钛渣电炉的开发研究 此工程攀钢集团从乌克兰国家钛研究院引进了部分生产工艺技术，将电炉设备的开 发设计及设备制造等成套工程项目委托给了大连重工起重集团公司，本人作为该项目 的技术总负责，承担该项目的开发设计任务。 本人在工程硕士在读期间，承揽了此项任务，结合生产实践，以大型钛渣电炉的开 发为硕士研究课题，进行了大量深入细致的工作，终于完成了此项课题的研究开发任务。 此次开发设计的2 5 0 0 0 k v a 大型钛渣电炉技术填补了国内在此领域的空白，为亚洲 最大的钛渣电炉，技术上已达到世界领先水平，并于2 0 0 6 年9 月胜利投产运行，同时 由于自焙电极的成功应用，大大降低了生产成本，产生了很好的社会效益与经济效益。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 问题提出 2 1 自焙电极在2 5 m v a 钛渣电炉中的应用研究 在2 5 m v a 钛渣电炉中，如何能采用自焙电极降低电极消耗成本。 国外大型钛渣电炉生产主要采用石墨电极，由于石墨电极生产成本很高，每吨石墨 电极价格2 5 0 0 0 元左右，生产一吨钛渣消耗石墨电极0 0 2 6 3 t ，生产一吨钛渣所消耗电 极成本为：0 0 2 6 3 x 2 5 0 0 0 = - 6 5 7 5 元；如果钛渣生产采用自焙电极，经计算，生产一吨 钛渣消耗电极糊0 0 4 t ，消耗电极壳0 0 0 5 3 t ，每吨电极糊价格2 4 5 0 元，每吨电极壳价 格6 0 0 0 元，则生产一吨钛渣消耗自焙电极成本合计：0 。0 4x2 4 5 0 + 0 0 0 5 3x6 0 0 0 = 1 2 9 8 元。 一台2 5 m v a 钛渣电炉年产钛渣6 0 0 0 0t ，如采用自焙电极，则每年每台2 5 m v a 钛渣 可降低电极消耗成本：( 6 5 7 5 - 1 2 9 8 ) 6 = 3 1 6 6 2 万元【5 】。 但据国外资料报道，在国外，大型钛渣电炉也曾试用过自焙电极，但因为钛渣电炉 电极消耗速度快，老式的自焙电极焙烧速度难以保证，电极经常发生软断及硬断现象； 同时，由于老式的自焙电极在压放时，电炉要进行减负荷，甚至停负荷，大大影响了电 炉的效率。特别是，由于大型钛渣电炉炉膛很深，需要焙烧好的电极工作端很长，在正 常生产中要求工作端长度在2 m 以上，老式的电极系统无法解决【刀。所以，国内只在6 3 m v a 以下的小型钛渣电炉中使用自焙电极( 小型钛渣电炉自焙电极工作端长度只需要1 m 左 右。由于以上技术难题，国外至今也没有解决自焙电极在大型钛渣电炉中的应用，只得 采用高成本的石墨电极。要想解决以上问题，使自焙电极技术在大型钛渣电炉中得以应 用，就要从电极的参数及电极的结构入手，并且调整电极糊的配方，在降低钛渣电炉生 产成本的同时，使电炉可靠、稳定的运行。 2 2 大型钛渣电炉自焙电极焙烧方案的确定 国内外在大型钛渣电炉中，至今没有采用自焙电极的另一个主要原因，是大型钛渣 电炉电极初始焙烧问题。大型钛渣电炉初始运行时，电极的工作端长度要在3 m 以上。 这就要求，在大型钛渣的设计中，需结合自焙电极与钛渣电炉的特点，制定出适合钛渣 生产的自培电极初始焙烧方案，解决以前国内外大型钛渣电炉难以采用自培电极生产的 又一关键问题； 2 5 1 v i v a 钛渣电炉的开发研究 2 3 大型钛渣电炉密闭炉盖技术的开发研究 由于钛渣电炉生产中，绝大部分时间为明弧操作，炉内原料表面为熔融状的钛渣液 体，极易被二次氧化，同时反应区域温度很高，正常情况下在1 7 0 0 c 左右，且烟气量很 大，开发大型钛渣电炉密闭炉盖技术，可增加电炉炉膛内的还原气氛，提高了产品的质 量，减少热能损失，便于收集烟气，保护环境，同时减少安全隐患； 2 4 连续可靠定量加料系统的开发研究 钛渣生产初期，混合原料分批次直接加入炉内，在钛渣熔炼后期，需要定量加入钛 精矿或焦炭进行炉内原料成分调整，所以，须开发出连续可靠的定量给料设备，并且在 使电炉整体结构紧凑的情况下，合理的布置设计加料系统； 2 5 新式出铁工艺的开发研究 设计新的铁包配置方案，以降低吊车负荷及厂房负荷，从而降低工厂投资； 2 62 5 m v a 钛渣电炉总体方案的合理化布置研究 由于2 5 m v a 钛渣电炉结构庞大，系统涉及的技术专业繁多，它包括电炉本体、配料 系统、上料系统、加料系统、二次燃烧室系统、炉底风冷、排烟系统、除尘系统、水冷 却循环系统、自动控制系统及高、低压配送电系统等，所以对此大型钛渣电炉整体布置 十分关键，要想使钛渣电炉连续可靠的运行，须设计出工艺合理、结构紧凑的总体设备 布局。 2 7 短网的合理布置研究 短网为电炉的导电部分，其布置的好坏直接影响着电炉的用电消耗，合理的短网布 置对电炉来说非常关键。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 基本原理 3 1 原料组成 生产钛渣的原料主要由钛精矿、冶金焦及电极糊组成，钛精矿化学成分组成习见表 3 - 1 ： 表3 - 1钛精矿化学成分组成 t a b l e 3 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f i l m e n i t ec o n c e n t r a t e s 成分t i 也f e 2 03f e o c a 0 m g os i 如a 1 疵m n osp 2 0 i 其他合计 a 矿4 7 1 65 7 13 4 7 21 2 95 2 62 9 61 2 1o 6 20 1 60 0 1 40 8 9 61 0 0 钛精矿的粒度组成见表3 _ 2 表3 - 2 钛精矿的粒度组成 t a b l e 3 - 2p a r t i c l es i z e so f c o n c e n t r a t e s - 0 4 5- 0 2 8_ o 1 8- 0 1 5 4 - 0 0 9 80 0 7 4 衄+ o 4 5 - 0 0 4 3 + 0 2 8+ 0 1 8+ o 1 5 4+ 0 0 9 8 。+ 0 0 7 4 + o 0 4 3 0 2 54 3 77 5 2 0 0 53 5 2 62 5 2 26 80 5 1 水份：钛矿中水份含量1 钛精矿的堆比重为2 3 8 7g c m 3 生产钛渣的冶金焦的化学成分见表3 - 3 表3 - 3 生产钛渣的冶金焦的化学成分( ) t a b l e 3 3c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t h ec o k ea s h 组成 固定碳灰份挥发份硫 冶金焦 8 0 0 0 ( 水冷炉盖漏水的信号) 时，将发出 电炉紧急停车信号。 系统将检测炉底温度和炉衬温度，为达到这个目的，7 个熟电偶放在炉底炉村，插 入炉壁的1 2 个热电偶按分别安置在炉底和炉壁结合处、在铁水和出铁口之间、在液体 渣面、在炉墙上部。依靠炉底风机鼓风，保持炉底温度在8 0 0 0 c 以下。当炉衬温度升高 9 0 0 。c ( 炉衬烧穿的信号) ，将发出信号给操作人员，操作人员采取方法修补炉树。 在熔炼过程中，渣可能发生沸腾，主要是由于在补加炉料、炉料从炉墙和电极间形成的 “跨”下落时产生大量气体造成的。在炉内负压的环境下，产生的大量气体使渣沸腾， 并很快升高，有时到炉嘴。为了阻止渣沸腾引起停炉，必须进行快速提升电极的操作。 在钛渣急剧沸腾、炉内压力超过0 o p a 时，在气体净化装置管道内的压力传感器会 作出响应、发出0 o p a 的信号，切断阀自动关闭，而安全放散阀都将打开并卸压，多余 气体放入大气中。操作人员手工从炉顶碎渣包铲入碎渣，通过炉盖上的观察口加入炉内， 以抑制沸腾。 3 7 2 钛渣生产的过热还原阶段 这个过程是炼成达到f e o 要求含量的钛渣。此阶段也为钛渣生产的关键阶段。 过热还原是在估计能量消耗达到6 0 时开始的。当到达预先设定的能量消耗时，发 出取样信号，操作人员手动通过炉盖观察口取样，并送到化检室检测f e o 含量，检测结 2 5 m v a 钛渣电炉的开发研究 果输入熔炼控制程序。按照分析数据，程序自动计算出额外加入的焦碳并选择加入条件。 操作人员遥控打开下料阀门，焦碳每次3 0 5 0 k g ( 3 5 批) ，按预设的时间表从炉顶料 仓由中心加料管加入炉内。待渣的沸腾基本平息后，再加入下一批焦碳，从而来自动控 制渣沸腾。 当渣中f e 0 含量达到预设值时，过热还原及样品采集结束。 3 7 3 渣铁分层 在完成过热还原、获得符合要求的f e 0 的钛渣后，再冶炼2 0 - 3 0 分钟，以使渣铁分 层，操作人员将分析结果输入熔炼控制程序。控制程序自动比较输入数据及设定数据， 如果与设定数据相符，程序将自动打开调整期计时器。根据钛矿的成份及要求的f e 0 及 t i 0 2 的含量，确定冶炼周期在8 1 0 小时之间。 3 7 4 出渣 根据已经完成的时间信号，钛渣准备出渣。 渣模放在渣车上，渣车放在出渣口相对的位置接渣。渣模连接渣车平滑移动，由控 制平台操作的速度是1 5 - 4 5m m i n 。在出渣口上有气体收集装置，出渣口打开后，钛 渣通过一个槽进入渣模。出渣口由氧气吹开。 熔炼工可根据渣模中渣的装满情况，从控制台上调整渣车速度。 当渣面高度不足渣口1 0 时，认为渣已出完，( 即准备堵渣口) 。采用气动的工具 来堵塞出渣口。在开始出渣时，进入渣模温度为( 1 6 8 0 - 1 7 4 0 0 c ) 1 1 1 。出渣时间约为2 0 4 0 分钟。 渣车和渣模( 加入钛渣1 0 0 t ) 通过卷扬机运到渣锭冷却区。 3 7 5 出铁 当控制室的计算接收到铁水已达到预设值的信号，开始出铁。 出铁通过一个水冷出铁口，铁水( 3 5 4 0 t ) 按专门的流程收集到铁水包中，铁水包 接铁之前先通过加热装置预热到8 0 0 0c 。 氧气吹开出铁口，通过测量装置检测铁水温度，约为1 4 7 0 - 1 5 3 0 0 c 操作工观察出 铁并装满铁水包。采用气动装置堵铁水口。 3 8 钛渣生产各过程料面及炉气温度情况 根据有关资料，查出了钛渣生产各过程料面及炉气温度情况。图3 - 2 显示出铁水层 和渣层、电极位置、在完成熔化加入电炉内的炉料后炉盖下面的温度，从图3 - 2 可以明 显的看到，由于通过炉底通道的强制风冷，形成固体壳的金属铁保护炉底不受破坏。在 大连理工大学专业学位硕士学位论文 工作条件下固体铁层的厚度是5 8 0 咖。在固体铁层上出铁1 ：3 下的中间区域， 的熔化铁层( 一个熔池) ，它在炉底的金属壳上，厚度大约是1 1 7 0 m 。 在出铁口的中心线上有一层不断更新的铁水层，高度是1 4 0 皿n - 2 4 0 m m ， 为了阻止渣渗入出铁口。 有一层永久 这层铁水是 图3 - 2 也显示了金属铁、渣、开始装料过程和在电炉启动时冷料层的分布情况。在 电炉启动前，电极放在渣层上2 0 0 m 。在先装入2 5 吨炉料时电炉是不工作的。装料时间 是1 0 - 1 5 分钟，装料是分批次进行的，每次6 8 批每批3 4 吨。 在这个过程中电极插入冷料中，在装料过程中，炉盖下的压力自动维持在负2 p a ， 炉盖下的气体温度不超过6 0 0 0 c ，当温度升高到6 0 0 0 c 以上时炉盖下的负压力自动升高 到8 - l o p a 。 在图3 - 3 中将铁水，渣和冷料层完全显示出来。从图中很明显的看到在装入物料后， 在电极下面的周围有部分还原的钛矿和钛渣共同形成熔池。根据渣壳的厚度，固体物料 层的高度会达到1 5 0 0 m m - 1 8 0 0 m m ( 平均高度1 6 5 0 聊n ) 。电极在出渣口上6 0 0 m 的物料中。 在生产过程中上升气体的温度会达到1 2 0 0 。c ，炉盖下的的负压力自动维持在8 - 1 0 p a 的 范围内。 当大部分的原料熔化后，电炉由埋弧转为明弧操作，在这个过程中，钛铁矿还原形 成铁相和渣相，在出铁口上方的铁水层增加达到1 0 0 衄，在出渣口下方的渣层降到了 8 5 m m ，在出渣口上方的渣层增加达到5 0 0 l m 。 当加热时达到设计输入功率的6 0 ，取出样品渣检测f e o ，根据f e o 的含量可计算 出目前加热产生的铁水量，同时决定生产达到预设f e o 的钛渣加入还原剂的数量。 在加热过程中钛渣层的高度4 0 0 m m ，由于开弧冶炼，气体温度会上升到1 3 9 0 0c 。 图3 - 5 显示钛渣电炉在冶炼过程中形成渣和铁的示意图。 钛渣出渣前经过冶炼和分层，按照预先设定的铁水量的信号，通过出铁口放出铁水， 使出铁口上的铁水层的高度降低l o o m m ，回到原来的高度( 1 4 0 m m ) 。 在出铁后，相应的渣层从出渣口降低1 8 5n l l b ，渣层的高度在出渣口上方4 0 0 n 硼，溢 出气体的温度降低到1 2 5 0 0c ，负压力在出渣前降低到2 p a 。 当获得达到预设f e o 含量的钛渣后，钛渣出到渣包中，渣层的高度降低到出渣口的 底部，回到原来的1 8 5 m m 高度 1 2 - 1 5 3i_曹q。jo p0蛋a-扫善肩鲁口ou曩皇暑一譬is-o n - 匝帕惜g茁龚浆嘏散惴器粤期撂n_匦 妖器越敬g鞍口蜘撂)苫旨 粤h嚣皿q3-o目。口卫dlilou尝口o o譬暑昌咖暑=墨磊20 c - 暑菡 匝糖惜蛊嶂霉磐镬根始蠡脚觏撂甲匝 议帮晕扑_千隧掣爿妒舯kh剐娥k 葛笤口量毫蓍勺舞寄岛嚣兰og鲁善。窖口皇暑u誊2曩p6寸c宕 函糖惜g举忌艇餐酸哥踺捌蜷延罐曼哥期蟮丫n匝 妖富熟散窨器锄期撂萎捣 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 9 钛渣电炉电极系统要求 根据反复研究，参照埋弧电炉与明弧电炉的生产特点，考虑钛渣生产由于易产生泡 沫渣而须迅速提电极的要求，根据钛渣生产的工艺特点，初步确定了2 5 m v a 钛渣电炉电 极及其电极压放装置应符合以下参数： 电极标准直径 极心圆直径 电极提升速度 电极下降速度 电极行程 正常操作下的电极行程 1 0 0 0 越 3 1 0 0 啪 2 5m r a i n 0 5m m i n 1 8 0 0 m m 2 5 0 0 唧 3 1 0 钛渣生产的特点 总结了国内夕 关于钛渣生产的相关资料，钛渣生产的工艺关键点f 1 o 】是冶炼钛渣的 温度比冶炼物料的温度高( 2 0 0 2 5 0 。c ) ，这也是冶炼过程面临的主要问题。在冶炼初期 形成的钛渣的品位和晶形，只能在很窄的温度范围内稳定存在，电炉内的温度有轻微的 变化，就会导致形成固溶体和挂渣。这样，控制冶炼条件和加入均衡的物料量的要求也 会降低。在冶炼钛渣过程中，还原反应是熔融的氧化物和漂浮在熔体表面或进入熔体内 部的固体还原剂之间的相互反应。在这种情况下，反应发生时是欠还原的( 由于接触面 积小) 。这就是说，如果批量加入的铁氧化物能在物料熔化时能全部提前进行反应为好， 如还原反应在物料熔化前提前迸行。 还原冶炼钛铁矿的工艺是由以下的一些工艺特点决定的。 钛的氧化物由很强有力的化学键联接，必须有很强的能量才能破坏它。在冶炼过程 中形成低价钛氧化物，会使还原铁氧化物变困难，而这一过程是非常复杂的。 在还原熔炼钛铁矿的过程中，所需能量要求有较大的密度，这不仅是为了增加还原 温度，而且是为了在液态中保持高温熔融的温度，这是由于钛渣的熔融温度比钛铁矿高。 在熔融过程中，低价钛增加，铁氧化物减少，冶炼温度、粘度和电导率增加。如果 增加熔体中的铁氧化物含量，会降低低价钛在钛渣粘度和电导率方面的活性。 钛渣在形成固体时快速结晶，被称为短渣，随着钛和低价钛的含量，结晶的能力增 加。 在冶炼过程中，电导率增加( 运行卜2 个小时) ，电炉进入开弧状态操作。 2 5 m v a 钛渣电炉的开发研究 当增加钛矿中的二氧化钛和低价钛含量时，除了可以获得较高的冶炼温度，还可以 使钛渣有较高的反应性。这就是钛渣几乎可以和所有的难熔冶炼物反应和快速破坏炉衬 的原因。由于铁氧化物的还原和铁水中增碳，高熔点的石墨砖和混凝土会被快速消耗破 坏，不能在这种环境中保持完好。 在商业生产中，钛铁矿的还原熔炼需采用镁砖作炉衬，并且在外壳挂渣的电炉中实 现冶炼。 钛渣本身可以保护炉衬，同时使整个冶炼过程在炉膛内进行。这就是选择炉膛的直 径必须考虑炉墙上挂渣层的厚度( 0 5 - 1 0m 厚) 。为了保护底部炉衬，铁水不出完。底 部铁水层形成固体铁壳( 可到5 0 0 珊n 厚) ，通过炉底强制鼓风，使铁水层冷却到8 0 0 0 c 以下。 通过钛渣沸腾实现钛渣的冶炼过程。 这种现象是由于从炉顶加入物料造成的。每批物料进入熔融的钛渣后，快速加热和 还原。大量的反应气体在熔体中膨胀逸出，钛渣开始沸腾甚至可以达到炉嘴，可能会伴 随着钛渣从炉内逸出到操作平台。钛渣沸腾后，回到原来的位置。而逸出的物料层形成 的整块固体层，需要额外的能量和时间来熔化。 考虑到这些钛渣冶炼过程的客观特性，在电炉的设计中应考虑以下方面： 炉膛高度必须保证钛渣的沸腾 当钛渣的沸腾时，电极的速度必须保证可实现电极从渣的表面迅速提升，以防止停 炉。 电极的提升速度( 2 5m m ) 比正常冶炼时大约快4 5 倍。 钛渣的粘度受氧化镁的影响较大，当t i 0 2 体系中m g o 的含量达到1 0 ，形成的 t i 0 2 + m g o 2 t i 0 2 固溶体的粘度降低。镁和钛的混合渣是典型的短渣，有很强的结晶能力， 例如，钛渣在很窄的温度范围内结晶。 用含高m 9 0 的钛矿( 超过3 ) 生产钛渣，容易在硫酸中分解。 增加钛渣中m g o ( 超过5 ) 的含量，会影响钛渣的金红石化，加速酸解，减少不溶钛 损失。 m 9 0 超过1 0 ，钛渣酸解率会降低，废物增加。因此m g o 含量限制在5 - 8 。 钛渣的基础组成：m g o nt i 0 2 m ( e t i 3 0 5 ，t i 2 0 3 ) ，在冷却时需要采取措施防止其晶型发生转化，渣浸出时，将二 次氧化和金红石化的程度降到最低。 钛渣的酸解能力取决于其化学成份和冷却方式，也就是低价钛冷却时的氧化程度， 水冷比空冷好，为了加速渣的浸出，采用喷淋冷却。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 研制过程 此次课题研究，是针对亚洲最大的钛渣电炉2 5 m v a 钛渣电炉所做的研究，它的 开发研究目标是既要设备安全可靠运行，又要降低生产成本；既不同于国内的炉型，也 不同于目前国外的炉型，开发设计出运行成本较低的炉型。 4 1 总体方案的确定 根据以前矿热电炉及电弧炉的设计经验，结合钛渣炉冶炼的工艺特点，并参考国内 外相关钛渣电炉的设计资料 2 1 - 2 2 】，制定出了图4 - l 的总体布置方案。 本次所设计的钛渣电炉的组成： 钛渣电炉下部为炉本体，它由炉壳、炉衬及水冷炉盖组成，形成一个封闭的炉膛。 炉盖用链环悬挂在固定在陆壳的支架上。炉盖上有加料管和电极插孔。炉气从炉盖下方 排出，炉盖上安装有安全阀和压力检测装置。 炉壳尺寸：外壳直径1 2 4 坞外壳高度6 。6 4 3m 在熔化区水平线的炉膛直径： 9 3 m ，在炉口线处的炉膛直径：1 0 2 2 m 。 炉壳分为三层，为圆柱形结构。炉壳的第一和第二层由缓冲板连接在一起，可以缓 冲由于炉衬的热膨胀所带来的炉壳的变形。 在炉壳最下面一层安装有风冷管道，并且植入熟电偶，用于监控炉衬温度。 在炉壳中间一层和出铁口、出渣口处插入热电偶，用于控制并提供炉衬温度。 在炉壳的上部，开有三个工作窗。在炉壳的工作窗外侧，采用循环水冷却。 炉底风冷采用两台风机供风( 其中一个备用) ，每台风机装有电动执行机构，用于 自动打开和关闭风机。在炉底风冷管入口处安装有压力传感器。出口处安装有温度传感 器，用以控制压力及温度。 炉壳内有炉衬。炉衬所形成的炉膛用于实现高温冶炼和还原所需的隔热环境。电炉 的底部砌有多层方镁石砖，炉盖的下表面打结有耐火材料，炉底砌成通道以便风冷。 热补偿层和耐火层填充在炉壳和炉衬之间，以缓冲炉衬热变形对炉壳所产生的挤 压。 炉衬开有出渣口和出铁口。出渣口和出铁口处设有水冷装置冷却炉衬，以便于堵渣 和堵铁使用。 电炉炉盖用于密封炉膛，以减少热损失，改善工作环境。炉盖由九部分组成，分别 为六瓣边缘炉盖及三瓣中间炉盖。 加料管与炉盖之问采用绝缘固定。 oo*h薹-oj荨量卫暑0工l-甍 帐攸嘲括簟嗵基脚期拶【占匾 梃苣鳃隈g器母姆蒂量nn 大连理工大学专业学位硕士学位论文 炉盖上开有烟道1 ：3 ，可将炉气从炉盖下排出。烟道口上方设有适配器，与炉盖绝缘 连接，适配器采用钢焊接结构，用于将炉气引入二次燃烧室 二次燃烧室用于炉气的二次燃烧，其设有两个单独的燃油喷嘴，两根空气管路， 个安全阀和两个观察口二次燃烧室的上部有两个排气口，与烟道相连。 二次燃烧室通过两个独立的风机鼓入空气，一用一备。 在出铁口、出渣口上方分别设有气动堵口装置，用以进行出渣、出铁后的堵口。 溜渣槽用于将钛渣排出到渣模内，金属溜槽用于将铁水出到铁水包内。其设计成盒 形焊接结构，并衬有耐火砖层。 为了让循环冷却水能够分布到电炉水冷的各个地方，电炉安装有6 个水冷分配器。 炉体安装有三根自焙电极，成1 2 0 度对称分布，为液压升降及压放。 本电炉采用三个单项变压器供电，成1 2 0 度对称分布，变压器与电极之间采用水冷 短网联接。 电炉上设有加料系统，由料仓、料管及加料阀组成，将混合原料及调整料分别加入 电炉内。 加料系统上设有上配料系统，用以将原料按一定配比配好后加入加料系统中。 4 2 大型钛渣电炉系统中自焙电极的设计应用 自焙电极应用在大型钛渣电炉中，能够起到很好的降低成本的作用，但据国外资料 报道，国外大型钛渣电炉也曾试用过自焙电极，由于钛渣电炉电极消耗速度快，老式的 自焙电极焙烧速度难以保证，电极经常发生软断及硬断现象，难以保证生产；同时，由 于老式的自焙电极在压放时，电炉要进行减负荷，甚至停负荷，大大影响了电炉的效率。 要想解决以上问题，就要从电极的参数及电极的结构入手，并且调整电极糊的配方，在 降低钛渣电炉生产成本的同时，使电炉可靠、稳定的运行。 钛渣电炉的电极装置为电炉设备的重要组成部分，电极装置的好坏，直接影响着钛 渣炉炉是否能够顺利生产。 根据钛渣电炉生产的实际情况，参照挪威埃肯公司电石炉电极形式，在本项目中特 别设计出了适应钛渣生产的组合把持器式电极装置。 以前电炉电极装置主要采用锥形环把持器式电极装置、压力环把持器式电极装置及 波纹管把持器式电极装置，但这些电极系统均采用铜瓦导电。由于这些电极结构上的特 点铜瓦对电极的冷却加强，使得电极焙烧速度减慢，同时由于此种电极密封结构不好， 造成电极耐温性能较差，电极事故率较高，难以适应钛渣电炉高温熔炼的环境，另外， 2 5 m v a 钛渣电炉的开发研究 由于此种电极均为液压力抱紧，在电极消耗后压放时，电炉均须减负荷或停负荷，造成 电炉实际效率较低。 此次为钛渣电炉设计的组合把持器式电极装置己不同于其它电极装置的结构形式。 此种结构的电极装置其电极壳上焊接有多个筋片，电极的压放和导电就是通过夹持筋片 来完成的。电极壳的结构如下图所示： 图4 _ 2 组合电极壳剖面图 f i 9 4 - 2s e c t m no f e l e a r o d es h e l l 组合把持器式电极导电装置接触元件结构如图4 3 所示，其中1 、2 为导电体， 3 为碟簧，4 为垫圈，5 、6 、7 为接触元件连接体。 电极导电系统如图4 - 4 所示 大连理工大学专业学位硕士学位论文 _ 奇 古 古 i l 爹遵 石 霎 塞莲 莲 妻 兰三 图4 - 3 接触元件 f i 9 4 3t a n g e n te l e m e n t 电极装置分为上、下两部分 组合把持器式电极装置上部如图4 - 5 所示： 图中各部分为：卜电极导向装置；2 一电极加热元件；3 一电极升降装置；4 - 电极行程 指示仪：5 一电极压放装置。 2 5 m v a 钛渣电炉的开发研究 图4 - 4 电极导电系统 f i 9 4 - 4e l e c t r i cs y s t e mf o re l e c t r o d e 一2 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图4 - 5 组合电极柱上部 f i 9 4 - 5t o po f e l e c h o d e 组合把持器式电极装置下部如图4 - 6 所示： 图中各部分为：卜电极水冷保护屏；2 - 电极导电装置；3 一导电系统固定装置：4 电极大套。 2 5 m v a 钛渣电炉的开发研究 图4 - 6 组合电极柱下部 f i 9 4 - 6b e l o wo f e l e c t r o d e 电极装置功能描述及用途：电极装置是将电炉冶炼所需的大电流传入炉内，并将电 极糊焙烧成石墨化的电极。 本次开发的电极系统的组成：组合式电极柱由上、下两部分组成，电极柱上部主要 包括：电极升降装置、电极压放装置、加热元件、上部把持筒、压放平台及液压管路等。 电极柱下部主要包括：下部把持筒、防磁钢、水冷保护套、导电铜管、底环、接触元件、 耐高温气封垫板( 1 4 0 0 c ) 、水冷管路等部件。电极系统上带有电极检修时所需的辅 助吊挂系统。 每根电极有六组压放装置，每组压放装置均由一个压放缸和一个夹紧缸组成。六组 压放装置围绕一根电极安装在电极拄上部的压放平台上。六组压放装置的夹紧缸靠弹簧 力牢固地夹住电极壳上的六根筋片。电极每次压放量2 0 r a m 。每根电极每次压放完成时间 为3 0 s ，电极两次压放间隔时间约为1 i m i n 。 每个电极的升降系统主要由两个行程为2 5 0 0 衄吊缸组成，使电极可在行程为2 5 0 0 舳的范围内完成升降运动。 数量：3 套 大连理工大学专业学位硕士学位论文 技术参数：