国外矿热炉技术发展现状浅析

国外矿热炉技术发展现状浅析 李静  隋欣  杨宝玉  闫志新 中钢集团吉林电器设备有限责任公司  吉林  中国 摘要 通过对德国西马克公司矿热炉技术开发应用情况、芬兰欧托昆普及GLPS公司技术在南非应用情况的简单介绍，了解国外矿热炉技术发展动态，为我国矿热炉技术研发提供一点参考。 关键词  矿热炉  埋弧炉  直流等离子炉 概述 在世界铁合金生产过程中，原料供应和生产成本始终处于最重要的地位。南非因为拥有丰富的矿产资源，长期以来铁合金生产一直处于领先地位。随着时间的推移，优质矿产资源日益减少，加上环境保护意识的增强，有效利用劣质矿产资源，降低生产成本成为铁合金生产商不断追求的目标，矿热炉生产技术的发展主要就是围绕这条主线展开的。 一、原料 美国政府地质局最新调查表明[1]：世界铬铁矿资源总量超过120亿吨。世界上铬铁矿资源丰富的国家主要有南非、哈萨克斯坦、印度、巴西等国。南非和哈萨克斯坦是世界上两个铬铁矿资源最丰富的国家，其铬铁矿资源量约占世界铬铁矿资源量的95％。全世界商品级铬资源（Cr2O3 45%）大约在4.74亿吨。 南非占全世界经济储量的75%，全部储存在布什维尔德杂岩体[1]。最大矿山体是LG3和LG4铬铁矿层，在布什维尔德杂岩体西部，Cr2O3 50%、Cr/Fe=2.0。经济分组是LG6、Cr/Fe=1.5-2.0，MG1/2、Cr/Fe=1.5-1.8和UG2（见表1）[2]。UG2、Cr/Fe =1.3-1.4是铂族金属的主要来源。 表1  UG2、MG2和LG6铬矿组分、尺寸分布和平均颗粒尺寸 象铬矿一样，南非大量的锰矿集中在西北地区卡拉哈尔锰矿。据美国地质局最新调查表明南非占全球已探明锰矿储量的80%。 南非锰矿有两种类型：一种是碳酸盐型，品位低（含锰38%）、Mn/Fe比高（含铁4%），另一种是硅酸盐型，品位高（含锰40%-48%）、Mn/Fe比低（含铁18%-12%）。 与铬矿和锰矿相比，矿石中钒含量很低，通常在2%左右。据美国地质局估计全世界钒矿储量为6300万吨。因为钒通常以副产品或联合生产方式回收，实际供应量还要低。 二、铁合金矿热炉现状 德国西马克公司1906年提供全世界第一台埋弧炉，从此，埋弧炉被广泛应用在铁合金、有色金属或其他专业工业领域[5]。 在这项技术发展过程中，该公司不断研发出效率更高、使用寿命更长的设备来。例如：1906年的第一台直流单电极还原炉 (1.5MVA)。1911年的第一台3电极还原炉。1913年的第一台6电极还原炉。1935年的15MVA 圆型矿热炉。1953年的40MVA 大容量矿热炉。1956年，低感应高电流补偿电路。1958年，液压控制电极柱。1959年，60MVA大容量矿热炉。1966年的密封电极柱。1969年的大容量硅铬合金矿热炉。1971年的大容量硅矿热炉。1975年的第一台大规模炼钢直流矿热炉。1980年的84 MVA 矩形矿热炉。1982年的108 MVA 圆形密闭矿热炉。1992年的第一台钛熔炼导电炉底。1992年的最大102 MVA 硅锰/锰铁矿热炉。2001年的直流钛熔炼矿热炉。2002年的连续运行圆形洁净铜炉渣矿热炉。2003年的大容量矩形矿热炉侧壁铜冷却系统。2004年的连续运行矩形洁净铜炉渣矿热炉。2004年的120 MVA带可控硅整流器和铜冷却系统的高容量矩形矿热炉。2006年，试验场用直流电处理贵金属（PGM,Cu,Co,etc.)炉渣装置。2009年的开发70MVA大型直流铬铁矿热炉。 在矿热炉技术发展过程中，芬兰欧托昆普公司技术也具有一定的代表性，在南非的大型矿热炉主要由该公司提供，其产量占南非铬铁产量的近一半[4]。 下面主要从传统交流埋弧炉和直流等离子炉两方面进行浅述。 (一)、传统交流埋弧炉 目前铁合金生产使用最流行的矿热炉是3电极和3台变压器单独供电的封闭型交流圆形埋弧炉，富含一氧化碳的烟气通过发电、生产蒸汽或用于加热等进行二次利用。 传统埋弧炉的原理主要是把电能利用负载或熔化炉渣的电阻转化为热量。热量由碳素电极传导到炉底。矿热炉的功率等于电阻和电极电流平方的乘积。 典型的矿热炉采用有渣操作，炉体主要为圆形，炉壁分别带有出渣口和出铁口。分别通过排出口出渣和出铁。炉壁砌有耐火材料炉衬，侧壁冷却系统进行水冷却，炉底通常采用强风冷却。 电极系统由自焙电极、电极把持器、电极升降装置和电极压放装置组成，电极系统的操作主要采用液压系统完成。自焙电极由电极壳和在壳内充填的电极糊组成，随着电极的不断消耗，电极壳定时一节一节地焊接起来，电极糊要定期地填充。 供电系统通常由变压器、短网和高低压控制设备组成。电炉变压器二次侧电压低、电流大，电压调节范围宽，大都采用有载调压。 短网为变压器二次侧到电极的一端大电流导体，又称二次母线，由硬母线和软母线两部分组成。硬母线大多采用铜管制作，内部通水冷却，可提高载流能力。软母线使用裸铜复绞线、薄铜带或水冷电缆，为最大限度降低阻抗，在布置上从变压器到电极之间距离尽可能短，且正负极交错排列，相互靠近；三相短网大都采用角接方式，亦即在电极上完成三角形连接方式。大型电炉使用三台单相变压器供电，各变压器互成120度角，呈三角形布置，可使短网最短且三相阻抗均衡，降低短网损失，提高电炉的热效率和功率因数。 1、铬铁 现在，绝大多数铬铁在传统的交流矿热炉中采用炉料生产。为了降低生产成本，常常在回转窑、环形加热炉（RHF）或预加热立炉中对矿石进行预加热，预加热（特别是立炉）的使用，使交流埋弧炉电能消耗降低。这种应用主要在南非，因为南非铬矿容易碎，在进入大型封闭矿热炉前需要进行结块处理。 拥有造球、烧结和预加热专利的欧托昆普工艺在南非得到广泛应用。该工艺包括磨矿、混合、造球、烧结、预加热，预加热后的炉料依靠自身重力向埋弧炉给料。封闭式矿热炉有效地收集富含CO的烟气，用作矿热炉和烧结炉燃料使用[7]。 该生产工艺中造球/烧结占生产成本的10%，预加热占1%，熔炼占89%，比采用块矿和粉矿敞开炉或半封闭炉总生产成本低[8]。 存在的主要问题是设备利用率低，投资成本高[6]。 2、锰铁和硅锰合金： 目前高碳锰铁和硅锰合金用烧结矿石冷料、块矿、熔剂和焦炭/煤还原剂加入埋弧炉生产。使用密封炉的厂家还在厂内建发电机利用富含CO的矿热炉烟气发电，降低了每吨铁合金产生CO2数量，提高整体效率。 在法国，由西马克公司设计供应的世界上最大的锰铁-硅锰矿热炉运行很成功，该矿热炉加工从巴西进口的高含铝Carajas矿石。该矿石主要作为烧结矿装入矿热炉，矿热炉直径近20米，变压器容量为102MVA[5]。 3、金属硅和硅铁 大多数的硅铁和金属硅生产大型埋弧炉由西马克公司提供，这些矿热炉通常在12~22MVA容量下运行。由于铝、硅和其他工业需求量的增加，导致高级硅需求量不断增加。 目前西马克正在供应两台矿热炉生产金属硅，每台矿热炉配备变压器总容量达30MVA（每台单相变压器容量为10MVA）。金属硅年生产能力为2.4万吨。第一台矿热炉已经于2010年第四季度投产运行。 4、镍铁 当前，绝大多数镍铁在传统的交流电弧炉中生产。通过技术改进保证了大型镍铁矿热炉运行的安全性和效率。今天，现代化的镍铁埋弧炉以高效著称。从技术、经济和操作立场看，60~70MW负载的标准矿热炉，最好选择矩形矿热炉，低于这个容量可首选圆形矿热炉。 最近，西马克公司开发了一种操作控制更好，功率输入更高、更有效，综合维修成本更低的侧壁冷却和整流控制系统新技术，该技术已成功应用在新加多利亚埃拉梅公司（Eramet in New Caledonia）新安装的熔炼炉上，以及即将在英美资源集团和巴西淡水河谷公司在建项目中[5]应用该新技术。 5、二氧化钛 在钛铁矿熔炼过程中，预处理过的钛铁矿被熔炼成富含二氧化钛的炉渣和液体金属（生铁），绝大多数二氧化钛炉渣在交流矿热炉中生产。 6、目前存在的主要问题是[3]： （1）、与高炉相比，目前交流矿热炉生产能力偏低，规模效益没有有效的发挥出来。为增加生产规模，按照比例放大后，电阻降低感抗增加，当感抗与电阻相等或大于电阻时，电极控制困难，并对基础电路造成污染。 （2）、三个电极都是相同电路的一部分，一个电极出现问题，电极之间的交叉影响会导致功率因数降低，制约矿热炉按比例放大。 （3）、自焙电极中存在与交流电有关的集肤效应问题，在自焙电极的碳质部分集肤深度大约在0.3mm~0.4mm。 当电极直径大于大约1.2m~1.5m时，出现电极重复破裂包括电极端部表面破损、电极不平衡、功率因数低、炉盖热、产品不合格、单位电耗高等问题。 （4）、随着全球资源环境压力的增大，含碳燃料燃烧发电变得不受人们喜欢，广泛使用核能会出现核废料处理问题，未来的电力生产趋向再生能源，太阳能和风能将成为典型的再生能源，这种可再生能源分布式发电单元数量的增加，需要配合智能电网调控，把铁合金矿热炉等用电大户纳入需求侧管理，其负载必须具有可调整性，而交流矿热炉不具有这种能力。 （5）、粉矿的大量使用，需要昂贵的造球工艺来满足不同炉料铬生产工艺要求，增加设备投资费用，而且设备利用率低[5]。 （二）、直流等离子炉（也称为直流电弧炉）[5] 现状 1、西马克直流炉 该种直流等离子炉的机械功能和电功率传递原理与传统交流电极柱相似，炉型通常为圆形，在主要生产过程中，电能依靠电极端部和炉渣熔池之间的电弧转化为热能，电极的上端部与阴极链接，导电的底部系统与阳极链接。西马克公司拥有直流底部阳极如导电炉底（Concast）,触针式（DEMAG）,棒式（GHH）等专利最多[5]。 典型直流等离子炉拥有带有1~3个出渣口和1~2个（低位）出铁口的敞开式熔池。在炉盖和侧壁有高级冷却系统布置。直流等离子炉通常利用开弧操作，在熔池中喷射效应把单一电弧周围变为集中加热区，炉料熔炼速度快，炉料还可以通过空心电极系统（HES）直接进入到电弧中。直流电弧输入功率与炉料组分无关由电弧长度确定。 电极消耗取决于矿热炉生产工艺。电极被周期性地用一段新电极壳接长，电极由电极把持器控制。西马克公司还为直流等离子炉专门设计了E-电极柱。 为了利用一氧化碳气体、降低空气污染，直流电炉通常被设计成封闭式。 直流等离子炉允许使用粉矿（<6mm，90%<1mm）和铂族金属熔炼(UG2)尾渣, 不需要昂贵的结块设备（造球），用煤和无烟煤替代焦炭作为还原剂。廉价的粉矿降低了总生产成本，因此这种矿热炉技术被认为是铬铁合金生产成本最低的一种技术。 西马克公司最近在哈萨克斯坦的Kazchrome安装了4 X 72 MW世界上最大的、最现代化的、直流熔炼技术的直流矿热炉。这套装置年产大约44万吨。该厂每年还生产中碳铬铁5万吨[5]。 2、GLPS直流电弧炉 GLPS公司直流电弧炉技术也具有一定竞争力。如，2009年5月，萨曼科铬业公司米德尔堡铬铁合金厂新建了一台由GLPS公司设计的、带有直流供电系统的6万KW直流电弧炉，它熔炼德兰士瓦铬铁粉矿，铬回收率高，不产生6价铬污染。净化后的烟气，主要含有CO，及较多H2，用于蒸汽发电机组发电。 该电弧炉直径12米，矿热炉最大电流90KA，电极直径600mm，电极额定电流92KA[8]，拥有一套自动电极接长系统，石墨电极为负极，矿热炉的导电炉底系统为正极，炉底的导电金属内层砌有专用耐火砖。 电弧炉拥有1个出铁口，一个出渣口，出渣口高于出铁口，侧壁有耐火炉衬，侧壁内衬中用一套由120个铜板式冷却器组成的冷却系统，每个冷却板重量在380~600kg之间，每一个冷却板带有一个铜-钼合金管，出铁口用铜冷却块保护。 炉盖由两个独立的扇区组成，分别称为中心区和外部区。炉盖采用砂封与炉壁绝缘，并避免烟气外泄。 矿热炉炉盖中心区采用耐火混凝土或耐火砖砌筑作为保护层。同时确保石墨电极与炉盖其他部分绝缘。 炉盖外部区内侧拥有耐火炉衬。在开车时，耐腐蚀的耐火炉衬对炉盖外部区起到保护作用。外侧拥有密封水喷淋冷却系统作保护，水压稳定，可防止出现炉盖泄露事故，这种喷淋冷却技术广泛应用在钢铁工业。 原料按照每批原料配料比例送入矿热炉上部的6个给料仓，给料仓中的原料通过滑动闸阀进入重力布料器，再通过输送螺旋或振动管、矿热炉给料管送入直流电弧炉。 烟气处理系统采用了分解净化系统（维修成本和操作成本低于文丘里净化系统）。 供电系统为直流供电系统，该系统比交流供电系统更可靠，典型配置由MV级真空电流断路器、整流变压器、SCR整流器、无负载隔离（接地）开关和直流电抗器组成。利用GLPS公司专利确保电弧偏流补偿。 自动控制系统采用分布式控制方式布局，PLC连接到工厂高级自动控制系统，包括工程师站、生产执行系统(MES)和操作站，降低负载比交流操作简单。 与传统埋弧炉相比，该公司提供的直流电弧炉尽管电耗偏高，但由于采用低成本粉矿，熔池温度高，铬金属还原效率高，炉渣中铬金属含量几乎为零，总生产成本比传统埋弧炉低。 鉴于块矿匮乏，采用传统埋弧炉技术，还需要增加造球厂，投资成本比直流电炉炉高。如直流电弧炉投资为100%；埋弧炉投资成本为92%，而与之配套的造球厂投资为44%，两者相加为136%[9]，比采用直流电弧炉高36%。 3、存在的问题 目前该技术尚不成熟，需要投入更大精力进行技术研发。 从经济角度看，因为锰过度气化而导致锰回收率低，直流技术在锰铁冶炼领域不具有应用价值。该技术也不适合金属硅原料生产。 （三）、其他碳热工艺 交流矿热炉之后出现的各种碳热还原工艺都是围绕利用粉矿和降低消耗而开发的。除了上面提到的直流等离子炉技术外，还有固体还原工艺和直接还原工艺等，固体还原工艺有日本昭和电工公司的“SRC”法（铬矿固态还原法）和加拿大的“DRC”法[6]。 1、SRC法为链篦机-回转窑预处理法，所获球团随后热装入矿热炉中产生高碳铬铁。 2、DRC法与SRC法相似，铬铁粉成球后在旋转床还原炉上还原，预还原球团在炉床上铺三层，气流和带炉料的旋转床成反向运动，铬金属化率达80%，铁金属化率达95%。 3、直接还原工艺有炉膛旋转炉（RHF）和铬铁直接还原工艺（CDR法）等。 4、从综合能耗（标准煤）对比看：铬铁矿硬块矿工艺为2160kg/t；铬铁粉矿压块工艺为2174kg/t；芬兰欧托昆普铬铁粉球团预热工艺1915kg/t；铬铁粉矿SRC法为1366kg/t；铬铁粉矿DRC法为1366kg/t[6]。 四、结束语 1、从国外矿热炉发展趋势看，提高矿热炉的生产能力和生产效率始终是设备制造商不断追求的目标，采用低成本的粉矿是降低铁合金生产成本关键。 2、随着环保意识的逐步提高，充分利用二次能源、提高能源利用率、采用封闭生产工艺和高水平自动控制将成为未来行业发展新标准。 3、对于我国来说，传统交流埋弧炉技术尚有一定的发展空间，鉴于直流电弧炉技术仍处在发展阶段，技术上积极跟踪，应用上采取慎重态度。 参考文献 1、Basson., et al., South Africa’s Ferro alloys Industry-Present Status and Future Outlook—www.outokumputechology.com 2、L. A. Cramer., et al., The impact of Platinum production from UG2 ore on ferrochrome production in South Africa, The journal of The South African institute of Mining and Metallurgy, October 2004. 3、I. J. Barker, Some considerations on future developments in ferro-alloy furnaces, Southern African Pyrometallurgy 2011, Edited by R.T. Jones & P. den Hoed, Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Johannesburg, 6-9 March 2011-7-24. 4、Jorma Daavittila , Outokumpu technology Ferrochrome projects in South Africa—www.outokumputechology.com 5、R. Degel., et al., Application potential of SMS DC Smelter technology for the pyrometallurgical industry in South Africa, Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Johannesburg, 6-9 March 2011. 6、胡亮 陈加希 彭建荣等编著，《铬资源与先进铬合金》，化学工业出版社出版。 7、The most profitable ferrochrome productiong concept, Outokumpu Ferroalloy technologies—www. Outokumpu.com 8、J. Daavittila., et al., The transformation of ferrochromium smelting technologies during the last decades, The journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, October 2004. 9、F. P. Greyling., et al., Development in the design and construction of DC smelting furnaces, The Journal of The Southem African Institute of Mining and Metallurgy, December 2010. 有色金属行业门户-www.cnmn.com.cn