文建华;马文会;刘建良
【摘 要】对全密闭直流电炉连续熔炼钛渣过程中铁水热量的来源进行了分析,对影响铁水温度的三个主要因素熔渣温度、熔渣化学成分、渣层厚度进行了初步探讨,指出在实际生产过程中控制或调整铁水温度需具体情况具体分析,采取适宜的措施或多种办法同时使用.%In the continuous titanium slag smelting process in all closed DC furnace, the heat source of the molten iron is analyzed, and three main influence factors (the temperature of molten slag, the chemical component of molten slag, the thickness of slag layer) of molten iron temperature are discussed preliminary, it point out that in the actual production process, controlling or adjustment of the molten iron temperature shall be analysis according to the specific situations, the suitable measurements or various methods shall be adopted together.
【期刊名称】《云南冶金》
【年(卷),期】2016(045)005
【总页数】4页(P71-74)
【关键词】直流电炉;熔渣温度;熔渣化学成分;渣层厚度
【作 者】文建华;马文会;刘建良
【作者单位】铁水温度云南冶金新立钛业有限公司,云南 昆明 650091;昆明理工大学冶金与能源工程学院,云南 昆明 650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,云南 昆明 650093;云南冶金新立钛业有限公司,云南 昆明 650091
【正文语种】中 文
【中图分类】TF803.3
高功率全密闭直流电炉(DC炉)具有单位能耗低、环境友好、冶炼效率高、能实现连续熔炼等特点，已成为当今钛渣冶炼最先进的技术[1-2]。然而，该技术难度大，仅被南非为数不多的几家企业所掌握，且高度保密[3,4]。2009年10月，云南冶金新立钛业有限公司在国内率先建成了亚洲第一条全密闭直流电炉钛渣连续熔炼生产线。
对于使用DC炉连续熔炼钛渣，适宜的铁水温度控制极为重要。一般而言，铁水温度大致在1 450～1 550℃。铁水温度过高，会造成铁水层炉墙、排放口耐火材料损伤形成较大安全隐患，同时造成不必要的能源浪费；铁水温度过低，会造成铁水排放困难，严重时甚至“死炉”，影响生产的正常进行。本文以云南冶金新立钛业有限公司30 MW全密闭直流电炉为模型，对连续熔炼过程中的铁水温度控制进行探讨。
DC炉熔炼钛渣的冶金原理与交流炉相同，但由于电流制度差异加热模式有所不同[5]。在DC炉运行过程中，阳极电流通过炉底导电层经炉内高温熔铁、熔渣、电弧柱、电极回到整流器阴极，其电子流向如图1所示。
这样电流在流经电极弧柱及熔池时将产生电弧热和电阻热，其中电弧热占绝大部分。同时炉料、熔渣在反应时还有化学反应热和相变热等，这些热量通过对流、传导及辐射等作用在熔池内形成一定的温度分布。实践表明，电极下端的等离子弧区温度极高(中心区域可达8 000℃以上)[5]，从而电极下方熔体的温度也极高，距高温等离子弧柱较远的地方温度则较低。一般地，熔池温度中心高于外围，上层高于下层，渣层高于铁层。
分析得出，下层铁水热量主要来源于渣层热量传输和电阻热，其中由于铁熔池的电阻较小，
产生的电阻热与传输的热量相比相差甚远，在分析时不予考虑。在热量传输中，主要以对流和传导为主，辐射影响较弱，在分析时亦不作考虑。
(1)对流。熔池内熔体的流动较为复杂，其运动方式受多种力的相互影响。直流电炉熔池的熔体流动主要受等离子体射流或气-粉射流、温度场不均匀引起的强制对流和自然对流、电磁力等共同影响。根据水模型模拟并经工厂实践证实，得到了直流电炉炉内气体及熔体流动的运动轨迹[6]，如图2所示。
在熔池中心区，温度最高，熔渣处于强烈的过热状态，化学反应产生大量气体，弥散于熔渣中的气泡使其体积胀大、密度减小，从而在中心处的熔渣不断上浮至敞开熔池表面并在等离子体射流或气-粉射流的作用下向四周运动，高温熔渣将热量带至周边，熔渣温度相应降低，熔渣内部气泡大为减少，密度增大而下沉。当下沉至铁渣界面时，由于铁水密度大无法继续向下运动，在后续熔体推动力作用下开始沿铁渣界面向中心水平运动，运动至中心区域时温度升高，密度减小，又开始转向上运动，如此循环。
对铁液而言，其运动主要受电磁力的影响。当电流通过铁液时，根据左手定则，在电流线上的所有铁液单元都会产生指向电炉中心方向的电磁力。从电流密度考虑，由于铁液上部的电
流线较密，而铁液下部的电流线相对稀疏，因此上部所产生的磁场强度、电磁力强度均比下部大。铁液上下的电磁力不平衡必然引起铁液的运动。在铁液上部，铁液由周边向电炉中心方向后再向下运动；在铁液下部，铁液由中心向周边再向上运动，如此循环。事实上，炉内熔体由于受多种力的共同作用，形成的紊流远比上述复杂。在熔体流动过程中，由于温差自然伴随着热量的传递。高温熔渣将热量传递至铁液上部，通过铁液流动，又将热量带至铁液下部。
此外，炉料由电极中心孔加入发生还原反应时，生成的铁液温度很高，由于密度较大由渣层下沉至铁层，在此过程中也会将热量带至铁层。
(2)传导。直流电炉热量主要来源于电极下端的电弧热，由温度场分布可知，一般地熔池中心温度大于周边，上层高于下层。这样热量就会由温度较高的熔渣上层传导至下层，进而传导至铁层。
在DC炉连续熔炼钛渣过程中，由于熔渣层的熔体对流及温度传导会对铁水温度产生重大影响，因此控制铁水温度主要是控制熔渣层的状态。
影响渣层熔体对流的主要因素是熔渣的流动性，即是熔渣黏度，而影响熔渣黏度的主要因素是熔渣温度及熔渣化学成分。影响温度传导的主要因素是渣层厚度和热导率，而对于高温熔渣而言，其热导率相差不大，讨论时可忽略。
3.1 熔渣温度
钛渣具有明显的短渣特性。对于一定成分熔渣，当温度高于熔化性温度时，熔渣黏度急剧减小，流动性明显变好；反之亦然。通常可用阿伦纽斯方程式表示黏度与温度的关系[5]：
η=η0exp(Eη/RT)
式中，η0，Eη为常数；Eη为黏度活化能，其物理意义可理解为流动质点迁移时所需克服的能垒。
在熔炼过程中，不同成分钛渣所需的熔炼温度不同。对于品位(以TiO2计)90%左右的钛渣而言，所需熔炼温度一般在1 650～1 750℃。在渣层厚度适宜时，如铁水温度偏低，我们可分析相应成分的熔渣其熔炼温度是否合适，如熔炼温度偏低造成熔渣黏度较大(直观表现为泡沫渣报警频繁、排渣困难等)，就应适当减小当前功率下的给料速率使熔渣适当过热，改善熔渣
流动性，以增加渣层与铁层的热交换，提高铁水温度；反之亦然。值得注意的是，在提高熔渣温度改善流动性时应尽量缓慢，以尽量避免因熔池增大过快造成挂渣层损坏，甚至损伤炉壁耐火材料。
3.2 熔渣化学成分
对于TiO2多元熔渣体系，影响黏度的熔渣成分很多，主要有Ti(C,N)、FeO、CaO、MgO、Al2O3、低价钛氧化物等。由于CaO、MgO、Al2O3等在熔渣中的量一般较小，对熔渣黏度的影响也相对较小。 对于一般熔炼工艺，防止TiO2的过还原和控制、减少Ti(C,N) 的生成就可以改善钛渣的流动性。可以说，凡能增加气、固、液相中的氧势，都有利于抑制TiO2的过还原，同时也会使变稠渣消稠。但钛渣中的氧势是随着FeO的不断还原而降低，当渣中FeO含量降至某一程度(或称临界点)时，渣中的FeO就不能再抑制TiO2的还原，这时Ti(C,N)、低价钛氧化物就会逐步生成[5]。因此，熔渣中FeO含量越高、保持时间越长，就越有利于熔渣流动性的改善。
在熔炼过程中，当渣层厚度适宜时，如铁水温度偏低，我们可分析相应温度下的熔渣成分是否合理，如熔渣过还原(FeO含量较低)造成熔渣黏度较大，就应适当减少配碳量降低还原程
度，改善熔渣流动性，以增加渣层与铁层的热交换，提高铁水温度；反之亦然。当然，以上只是从熔炼工艺层面考虑，我们也应注意实际钛渣品位与目标品位的偏差，根据实际情况采取相应办法措施。
3.3 渣层厚度
熔渣的热导率较低，仅为2.3～3.5 W/(m·K)，与金属铁液相比要低一个数量级(铁液约为30.5 W/(m·K))，厚度为0.1 m的熔渣层的热阻大约等于厚度为1 m的金属铁液层的热阻[5,6]。因此，渣层厚度对铁水温度具有较大影响。
对于直流电炉熔炼钛渣，熔渣与铁水在炉内分离并分别排放，排渣口与排铁口间存在一定高差。在正常生产过程中，铁水层上都有一定厚度的熔渣层，以保障铁水具有适宜的温度(铁水排放温度一般较熔渣排放温度低约200℃)。在熔炼过程中，当熔渣流动性适宜，而铁水温度偏低，我们可分析渣层厚度是否合理，如渣层较厚造成热阻较大，影响热量从高温熔渣区域传导至铁水层，就应适当增加钛渣排放量以减薄渣层，增加传导至铁水层的热量，提高铁水温度；反之亦然。需要提醒的是，减薄渣层应适度，要尽量避免因渣层减得过薄造成铁水温度过高，带来新的安全隐患。
在现实生产实践中，往往影响因素较多，情况也要比上述分析复杂得多。在对铁水温度进行控制或调整时，需要根据不同情况灵活采取不同的措施，有时还需几种方法同时使用以加快调整速度，将因铁水温度过高或过低带来的影响或损失降到最低。
直流电炉连续熔炼钛渣过程中，铁水热量主要来源于渣层热量传输，而热量传输又主要以对流和传导为主。进一步分析，影响铁水温度的主要因素是熔渣温度、熔渣化学成分、渣层厚度等，因此调整铁水温度也要重点从这几个方面考虑。在实际生产过程中，情况较为复杂，需要具体情况具体分析，采取适宜的措施，有时还需多种办法同时使用。
全密闭直流电炉熔炼钛渣技术是近些年才发展起来的新技术，且技术保密度高，对具体工艺的研究报道还较少。对于铁水温度控制，还需要我们进行更加深入的研究，建立较为准确的温度场和流场模型，系统研究关键影响因素，以便更加准确高效控制，为工业生产提供指导。
【相关文献】
[1]盛继孚.直流一空心电极电炉熔炼钛渣的某些特性浅析[J].钛工业进展，2003, 20(1): 27-32.
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