密闭直流电弧炉冶炼钛渣热量平衡研究

密闭直流电弧炉冶炼钛渣热量平衡研究 密 闭 直 流 电 弧 炉 冶 炼 钛 渣 热 量 平 衡 研 究 1 2 3 1 1,,,,韩丰霞雷 霆周 林黄世弘吕改改 ( 1, ,650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院云南 昆明 2, ,650033; 昆明冶金高等专科学校云南 昆明 3, ,650031) 云南冶金集团股份有限公司技术中心云南 昆明 FeO : ,,TiO2 摘 要密闭直流电弧炉冶炼生产钛渣利用输入 电 能 进 行 加 热在 高 温 情 况 下钛 精 矿 中 的 和 发 生 还 原 反 。,,应反应进行程度影响熔池内渣的粘度进而影响炉壁挂渣层的厚度和排渣排铁的难易程度故还原反应过程必须控 DC ; ,,; 制输入能量使 炉系统达到热量平衡输入能量过高会使熔池内的渣过热挂渣层变薄造成炉壁腐蚀输入能量过 ,,,。,1t 低会导 致 渣 的 粘 度 明 显 增 大造 成 排 渣 困 难并 产 生 泡 沫 渣根 据 理 论 计 算每 冶 炼 钛 精 矿 需 要 消 耗 约 911, 55kWh ,5t / h,,4557, 734kWh 。 的能量云南某公司加料速率为 钛精矿碳热还原理论上需要消耗约 的电耗钛精矿 能量 、、、, 支出方面有物料带走的物理热炉壁和炉顶冷却水热损失炉底风冷热损失电力设备热损失以及少量未预见热损失 ,,。 钛精矿冶炼过程中能量的输出和输入是基本相等的热量处于平衡状态 : ; ; ; ; 关键词直流电弧炉钛精矿钛渣碳热还原热量平衡 : TF823,TF801, 2,TF803, 3 : A : 1002-1752( 2011) 12-47-中图分类号文献标识码文章编号 5 Energy balance of titanium slag smelting in closed direct current arc furnace1 2 3 1 1 HAN Feng) x ia,LEI Ting,ZHOU Lin,HUANG Shi )hon gand LV Gai )g ai ( 1, Faculty of Metallurgical and Energy Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China; 2, Kunming Metallurgy College,Kunming 650033, China; 3, Technology Center of Yunnan Met allurgical GroupC O,,LTD,,Kunming 650031,China)Abstract: Ferrouso xide and titanium dioxide were reducedby carbon under thehi gh temperature iwthin the closed direct current arcu frnace,which sup- plied heat to ther eaction by electric energy, The degrees of ther eaction affect viscosity of the lsag in the pool,the thickness of slag bonding lining and the difficulty of discharging slag and iron, The energyin put must bec ontrolled to balance during carbonthermic reduction, If input energy was too omre,the slag bonding lining would becometh inner,and result of corrosion of the furnace awll, Contrarily,if input energy was noetn ough,it would be responsible for the difficulty of slagging and foams lag, Based on there sults of the theor,yDC furnaces melting proces sneeds for91 1, 55kWh energy cost petro n, And a Yunnan Companys meting proces sneeds for455 7, 734kWh energy cost whietsn feed rate was5 ton imenite per hour, Energy outputsin cude physicallll therma of materia,therma osse sof cooing water,eectrica equipment and unexpecte,dthe energy oinputf and output must keepa abnce during the llllllll smelting proces,s ,熔池内的渣过热导致挂渣层的熔化进而腐蚀破坏 引 言 Key words: DC arc furnace; ilmenite; titanium slag; carbonthermic reduction; energy balance。1 炉壁图 为某密闭电弧炉由于炉壁被钛渣腐蚀造 电炉熔炼钛渣是提升钛精矿品质的高温碳热还 。成的熔渣泄漏如果输入能量低于达到平衡状态所 ,、原过程其冶炼后的主要产品是钛渣生铁以及一氧 ,,需的能量则输入的能量不能使渣达到液相温度从 。化碳两种副产品冶炼过程是通过添加碳还原剂还 ,,而导致渣的粘度明显增大造成排渣困难甚至还会 ,,原钛精矿中的铁以提高二氧化钛品位反应一般在 ,1,2,。FeTiO, 产生泡沫渣钛精矿基本成分为 其固态碳1650?: 1750? 。的高温条件下 进 行在 这 一 还 3 ,( ) FeO TiO, 原熔炼过程中通过熔渣固化层即挂渣层来保护 还原可以简化为 和 的碳还原还原反应如2 ,3,4,。电炉内衬不受到熔渣的腐蚀 :下 挂渣层的厚度取决于电炉熔炼中输入输出的能 ( 1)FeO + C = Fe + CO TiO+ 0, 5C =T O+ 0, 5CO i。,量平衡还原碳量一定的情况下如果输入能量高 2 1, 5 ( 2) ,于达到平衡状态所需的能量过多的能量将使电炉 TiOTiO 部分还原成 并不能提高钛渣的最终 21, 5 : ,2007DFA71490基金项目国家科技部国际合作资助项目项目编号 作者简介: 韩丰霞( 1983 )) ,女,山东费县人,在读博士生,研究方向: 有色金属冶金。 收稿日期: 2011 ) 05 ) 09 ,,,品位但是该过程需要消耗能量和还原剂所以通 TiO, 过合理控制 的还原程度可以降低还原剂和能2 ,。 量的消耗控制生产成本 1 图 某密闭电弧炉炉壁烧穿事故现场 1钛精矿冶炼 1, 1 碳热还原热力学理论基础 ,世界上不同的生产厂家有不同生产高钛渣的 。( RBM) 熔炼方法南 非 理 查 兹 湾 矿 业 和 加 拿 大 魁 ( QIT) ,北克钛铁公 司 采 用 六 电 极 交 流 电 弧 炉南 非 。 纳马克瓦砂矿公司采用两台直流电弧炉生产钛渣 钛渣生产中热力学是判断和控制反应方向和限度的 ,,手段依据热力学理论基础来控制生产使入炉物料 ,,和输入能量达到平衡实现生产的优化状态这也是 。我们需要进行改善的 ,,钛精矿中成分较复杂为简化起见不对原料中 ,杂质氧化物在还原过程中的热力学行为讨论则碳 ,7, 3 图 云南某公司密闭直流电弧炉熔炼钛精矿工艺流程图 ( 1 ) ( 2 ) 。热还原过程可简化为反应式 和 钛 精 矿 的 ,碳热还原过程为吸热反应通过能量的输入控制反 ( 根据云南某公司生产的钛渣成分分析结果 如 ,。,RBM、QIT 应温度达 到 熔 炼 平 衡根 据 相 关 文 献2 ) ,。图 所示在 三 元 相 图 中 绘 制 钛 渣 相 点可 以 发 以及纳马克瓦砂矿公司钛精矿熔炼钛渣成分绘制的 ,现云南某公司生产的钛渣较国外几家钛渣企业生 2。液相线见图 TiO。产的钛渣成分中 的含量较低 1, 5 ,TiO在碳 热 还 原 过 程 中还 原 碳 将 还 原 成 2 TiO,,还原程度随着温度的增 高 而 增 大当 电 炉 系 1, 5 ,统有充足的输入能量时产品钛渣的品质直接取决 ,。于加料中钛精矿和碳的比例即配碳比而配碳比 FeO TiO。又控制着产品钛渣中 和 的含量如果电 1, 5 ,炉炉内温度高于钛渣的液相线温度则炉内熔渣的 ,,粘度降低渣 的 流 动 性 好泡 沫 渣 发 生 的 可 能 性 降 ,,低但是会使熔池挂渣层厚度变薄易造成炉壁或炉 。底穿孔等 事 故如 果 电 炉 炉 内 温 度 低 于 液 相 线 温 ,,,度钛精矿过度还原会使电炉内熔渣的熔点升高 ,,,炉内挂渣层变厚造成排渣困难甚至形成泡沫渣 ,6,, 对正常的安全生产造成威胁 所以依据能量平衡 ,5,2 图 钛精矿冶炼钛渣液相线图 。 控制熔炼的还原程度对安全生产至关重要 1, 2生产工艺简述 2DC 炉冶炼热平衡分析 30MVA 本文以云南某 空心石墨电极圆形密闭 云 南 某 公 司 钛 精 矿 冶 炼 钛 渣 采 用 上 述 生 产 工 ( DC ) ,直流电弧炉简称 炉冶炼试生产期间以钛精 + 0, 1mm;)0 , 33mm: , 艺钛精矿入炉物料粒度为 ,矿和无烟煤为原料生产钛渣为例进行分析研究其 : ,2 5mm 无烟煤 入 炉 物 料 粒 度 为粒 径 的 无 烟 煤 3。工艺流程见图 不 ( 干燥好的无烟煤与钛精矿按一定配比 无烟煤 10% ,, 5mm 5% 。超过 粒径 的无烟煤不超过 生产 : 12, 23% ) ,与钛精矿质量 比平 均 均 匀 地 加 入 电 炉 4 : 、、过程中入炉物料来自 个部分钛精矿无烟煤石 ,1973K : 2023K , 中在 的高温条件下进行还原熔炼N2。,墨电极以及送料鼓入的 生产过程中随机对一 ,钛精矿中的铁氧化物被优先还原为金属铁而钛的 ( ) ,定熔炼周期内炉次的物料进行计算和分析物料 ,氧化物被富集在渣中经渣铁分离获得钛渣和副产 :入炉情况如下 ,8,9,,品金属铁由 出 铁 口 及 出 渣 口 定 期 排 出 至 铁 水 : 10000kVA; 试生产输入功率试生。,包和渣包内铁水排放后堵住铁水排放口将铁水 : 5t / h; 产平均加料速率钛精矿 入。包用卡车运到生铁处理车间浇铸成锭将渣包运到 : 298K;炉温度 ,冷却区最后用前端装载机把钛渣运送到中间库存 : 1atm; 大气压。。地渣和铁的排放口均用泥炮机用粘土堵塞 : 12, 23% ; 无烟煤与钛精矿质量比平均 “”炉子产生的 烟 气 经 电 炉人 字 型烟 管 进 : 6kg / t , 石墨电 极 消 耗 量钛 精 矿按 照 含 碳 量,入 烟 气净化系统冷却净化处理处理后的洁净烟气100% 。 计算1t,122, 3kg ,按照入炉钛精矿 无烟煤 进行计算 、、可用 于原料干燥铁水包干燥预热渣包干燥预热以 1。其入炉物料热量计算见 。及产 品钛渣的干燥等 1 表 入炉物料成分及能量 项 目 入炉物料成分 ,10,* gg / kmolmolh,%,k,k,k,kWH( T) ,kJ / mol 质量分数 质量 摩尔质量 摩尔数 能量 钛精矿 FeTiO 72, 88728, 75151, 754, 80) 1235, 46) 1648, 12314, 43 144, 28 159, 69 0, 90 ) 825, 50 ) 207, 17 FeO 238, 72 87, 21 79, 90 1, 09 ) 933, 03 ) 282, 89 TiO 20, 57 5, 69 101, 96 0, 06 ) 1675, 27 ) 25, 97 AlO 230, 58 5, 82 56, 08 0, 10 ) 634, 26 ) 18, 28 CaO 0, 89 8, 85 40, 30 0, 22 ) 601, 24 ) 36, 67 MgO 1, 33 13, 29 60, 08 0, 22 ) 910, 86 ) 55, 96 SiO 270, 94 0, 09 ) 9, 21 0, 61 6, 11 ) 384, 93 MnO100, 00 1000, 00 ) 2284, 29 小计 无烟煤 AlO 1, 251, 53101, 960, 02) 1675, 27) 7, 0023CaO 0, 11 0, 13 56, 08 0, 00 ) 634, 26 ) 0, 40 MgO 0, 05 0, 06 40, 30 0, 00 ) 601, 24 ) 0, 27 SiO 1, 86 2, 27 60, 08 0, 04 ) 910, 86 ) 9, 58 21, 64 2, 01 159, 69 0, 01 ) 825, 50 ) 2, 88 FeO 236, 49 7, 93 16, 04 0, 49 ) 20, 47 ) 2, 81 CH 412, 01 9, 02 0, 00 88, 60 108, 36 0, 00 C 100, 00 122, 30 ) 22, 94 小计 石墨电极 C100, 006, 0012, 010, 500, 000, 00100, 00 6, 00 12, 01 0, 50 0, 00 小计 0, 00 鼓入氮气 N 100, 008, 8028, 010, 310, 000, 002100, 00 8, 80 28, 01 0, 31 0, 00 0, 00 计 ) 2307, 23 总计 * : 、、= 298K。T 注入炉物料中钛精矿无烟煤石墨电极及鼓入氮气温度 DC 1973K : 2023K,?10 0Pa。4 : 生产中 炉熔炼温度控制为 炉压控制为 出 炉 物 料 分 为 个 部 分钛 、、,、: 1973K;渣生铁烟尘以及烟气出炉物料成分及能量见表 烟气烟尘出炉温度 : 1973K; 2。钛渣出炉温度 : 1673K。 :生铁出炉温度出炉条件如右 2 表 出炉物料成分及能量 项 目 出炉物料成分 ,10,* kgkg / kmolkmolkWh,%,,,,H( T) ,kJ / mol 质量分数 质量 摩尔质量 摩尔数 能量 钛渣 TiO 2 50, 89276, 8479, 903, 46) 810, 36) 779, 95TiO 2325, 51 138, 77 143, 80 0, 97 ) 1274, 54 ) 341, 67 AlO 231, 12 6, 09 101, 96 0, 06 ) 1465, 60 ) 24, 33 0, 06 0, 33 56, 08 0, 01 ) 542, 99 ) 0, 88 CaO 17, 62 95, 85 71, 85 1, 33 ) 145, 04 ) 53, 75 FeO 1, 49 8, 11 40, 30 0, 20 ) 515, 00 ) 28, 77 MgO 0, 955, 1770, 940, 07) 291, 00) 5, 89MnO SiO 2 2, 3612, 8460, 080, 21) 781, 55) 46, 39小计 100, 00544, 00) 1281, 62 生铁 Fe 96, 68299, 7155, 855, 3758, 7387, 55 Al0, 100, 3126, 980, 0156, 360, 18 Mn0, 110, 3454, 940, 0165, 710, 11 0, 10 0, 31 47, 90 0, 01 49, 87 0, 09 Ti 0, 21 0, 65 28, 09 0, 02 35, 98 0, 23 Si 2, 80 8, 68 12, 01 0, 72 30, 42 6, 11 C 100, 00 319, 00 94, 27 小计 烟气 CO 92, 41210, 1628, 017, 50) 54, 31) 104, 93CO,g 23, 72 8, 47 44, 01 0, 19 ) 303, 15 ) 2, 91 N,g 3, 87 8, 80 28, 01 0, 31 55, 77 4, 73 2 100, 000 227, 42 ) 124, 53 小计 烟尘 TiO 2 47, 4022, 1379, 900, 28) 810, 36) 62, 34FeO 2314, 42 6, 73 159, 69 0, 04 ) 619, 47 ) 7, 25 FeO 34, 76 16, 23 71, 85 0, 23 ) 145, 00 ) 9, 10 AlO 230, 58 0, 27 101, 96 0, 00 ) 1465, 60 ) 1, 08 CaO 0, 02 0, 01 56, 08 0, 00 ) 542, 99 ) 0, 03 MgO 0, 88 0, 41 40, 30 0, 01 ) 515, 00 ) 1, 46 MnO 0, 62 0, 29 70, 94 0, 00 ) 291, 00 ) 0, 33 SiO 260, 08 0, 01 ) 781, 55 1, 32 0, 62 ) 2, 23 小计 100, 00 46, 68 ) 83, 81 ) 1395, 69共计 * : 、、T = 2000K,T = 1600K。注出炉物料中钛渣烟气烟尘温度 出炉生铁温度 1t 4557, 734kWh 1、2 ,。通过表 表 可以算出每冶炼 钛精矿理论 的 电 耗热 量 支 出 方 面 除 了 出 炉 物 911, 55kWh 。,4 : 上需要消耗 约 的 能 量根 据 云 南 某 公 料带走的物理热还有以下 个部分炉壁和炉顶冷 ,5t 、、司试生产 期 间 的 生 产 记 录在 加 料 速 率 为 钛 精 却水热损失炉底风冷热损失电力设备热损失以及 / h ,。,4 矿 的情况下钛精矿碳热还原理论上需要消耗约 少量未预见热损失钛精矿冶炼过程中这 个部 108680MJ / h ,3, 708t / h,分的热损失和出炉物料带走的物理热与输入的能量的 热 量折 合 标 准 煤 约 这 部 , 、,是基本相等的即冶炼过程中整个系统的能量输入分燃烧热可用于预热入炉物料渣包和铁水包降低 ,。。 系统的能耗提高热利用效率 输出是平衡的 3 760m/ h,炉壁和炉顶 冷 却 水 用 量 为 冷 却 水 经 4结 语 3? ,,热交换后温度上升约 根据计算冷却水造成的 ,随着钛工业的发展钛品位比较高的天然金红 26500kWh。热损失量大约为 根据实际生产相关数 ,50000kWh,据生产系统热损失总计大约为 由此可 ,石资源日趋枯竭必须通过火法或湿法冶金等手段 ,、知炉底采用鼓风机强制空气对流冷却电力设备以 ,。对钛精矿的品位进行提升以满足后续工序的要求 23500kWh。、及未预见热损失大约为 密闭直流电弧炉冶炼钛渣以其生产规模大环境效 。益好等特点越来越受到重视和青睐在密闭直流电 3DC 炉废热利用 ,DC 弧炉冶炼过程中通过控制 炉系统输入能 量 与 DC ,在 炉冶炼 钛 渣 这 一 过 程热 量 平 衡 不 仅 关 加料速率和配碳比之间的平衡关系来控制系统的热 ,,,,量平衡而这一平衡又是动态变化的需要以热力学 系到安全生产还关系到产品钛渣品质的优劣而在 ,,,生产过程中即便系统达到了热量平衡仍然有大量 理论为基础通过实际生产的不同情况进行不断的 ,。DC ,流失的热量可以被利用如最容易被利用的热量就 调试来积累 经 验提 高 炉 的 热 效 率控 制 减 少 、、。炉壁和炉顶冷却炉底风冷电力设备以及少量未预 是烟气带走的显热和燃烧热 DC , 4 ,从 电 炉 中 排 出 的 烟 气 温 度 相 当 高可 达见 个部分的热损失在避免泡沫渣及烧穿等事故 2023K,,,,具有很高的显热而由于目前技术方面的限 的前提下生产出高品质的钛渣产品同时可对产生 ,。,,DC 制这部分显热无法利用以云南某公司为例冶炼 烟气的燃烧热进行有效的利用提高 炉的 热 效 ,,,。产生的烟气进入湿法除尘系统进行净化除尘烟尘 率降低资源消耗有效节约能源 ,:经冷却水冷却沉降后进行回收在这一过程中高温 参考文献 ,烟气经过湿法除尘系统的冷却降温至室温携带的 ,1,, ,M,, : ,孙康钛提取冶金 物 理 化 学北 京冶 金 工 业 出 版 社 2001:。: 大量显热流失殆尽采用湿法除尘的原因主要有 38,50 ) 51,( 1) DC 密闭 电炉冶炼钛精矿过程采用连 续 加 ,2,, ,J,, ,2003,( 12 ) :邹建新世界钛渣生产技术现状与趋势轻金属 、,DC 料间断出料的工作炉内情况不断发生变 32 ) 34, ,、,化产生的烟尘烟气的成分也极不稳定而袋式除 ,3,,,Ted Fulton, 雷霆马翔大型直流 电 弧 炉 冶 炼 钛 渣 关 键 技 术 的 研 、尘器和静电除尘器等干法除尘对气体温度流速及 ,R,, : ,2006: 13,究昆明云南冶金集团总公司技术中心 ,、 ,4,Grau,A and Poggi,D, Physico )c hemical properties of molten titania成分均有一定的限制要求而湿法除尘对烟气温度 slags,J,, Canadian Institute of Mining and Metallurgy, 1978,17: ;流速以及烟尘成分没有限制 97 ) 102, ( 2) DC 密闭 电炉系统在冶炼过程中炉内 保 持 ,5,P, Chris Pistorius, The reationship between FeO andTi Oin imen- ll2 3 ,; 微负压的状态这一情况不利于采用干法除尘湿法 ite smelter slags,J,, Scandinavian Journal of Metallurgy 2002,31: 120 ) 125, 除尘还可通 过 冷 却 塔 等 设 备 对 系 统 的 压 力 进 行 调 ,6,Coletle Coetzee, Solidification behaviour of titania slags,D,, Pretoria: ,;节确保生产处于良好的状态 Technology University of Pretoria,2003, ( 3) CO 84% ,烟 气 中 的 含 量 非 常 高可 以 达 到 TM,7,J, Muller,J, H, Zietsman, Application of UCARCHILL KOTE 。CO ,以上是易燃易爆气体微小的火花就能引发重 lining to ilmenite smelting ) pi lot )s cale lining response estimation 。,大的安全事故采用湿法除尘系统可以利用水封 ,C,, INFACON,2007,XI: 837 ) 846, ,8,,, ,M,, : 杨绍利盛继孚钛铁矿熔炼钛渣与生铁技术北京冶金工 CO CO ,。 将 与外界隔绝将 爆炸事故风险降到最低 业出版社,2006: 12,61,399,558,,,出于以上考虑云南某公司采用湿法除尘故利 用烟 ,9,莫畏, 钛,M,, 北京: 冶金工业出版社,2008: 43,,,气显热的条件不充分但是除了烟气的显热烟 气中 ,10,梁英教,车荫昌, 无机 物 热 力 学 数 据 手 册,M,, 沈 阳: 东 北 大 学CO,。,含有大量的 是优异的燃料根据计算该 出版社,1993: 43,49,83,88,91,150,222,230,232,242,332,16, 72MJ , 公司每标方烟气燃烧可产生大约 的热量 337,372,379,3 35000m( N) / h :800 0m生产线 烟 气 产 生 量 为 ( )责任编辑 范鸿雁3 ( N) / h,6500m( N ) / h , 按 平 均 计 算相 当 于 产 生