降低石墨電極消耗的工藝研究

李凱茂， 繆輝俊， 韓可喜， 肖 軍， 劉 娟， 宋 兵

(攀鋼集團研究院有限公司，釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室， 四川 攀枝花 617000)

降低石墨電極消耗的工藝研究

李凱茂， 繆輝俊， 韓可喜， 肖 軍， 劉 娟， 宋 兵

(攀鋼集團研究院有限公司，釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室， 四川 攀枝花 617000)

國內某企業鈦渣電爐石墨電極消耗主要表現為電極側面氧化和電極端部消耗。借鑒電弧爐煉鋼石墨電極消耗機理，結合試驗分析得知，電極側面氧化主要與爐內氧化氣氛和冶煉時間有關，電極端部消耗主要與工作電流和配碳制度有關。對現有供電、負壓、配碳和取樣等工藝制度進行優化改進，單爐冶煉時間縮短了13%，噸渣石墨電極消耗降幅達20%，效果顯著。

鈦渣冶煉； 石墨電極； 電極消耗； 工藝制度

電爐冶煉鈦渣生產成本主要包括原料消耗、石墨電極消耗、電耗、設備折舊等，其中石墨電極消耗、電耗屬變動成本，且石墨電極費用約占變動成本的20%左右。因此，降低電極消耗對降低鈦渣冶煉成本尤為重要。本文對國內外鈦渣電爐石墨電極消耗情況進行對比，借鑒電弧爐煉鋼石墨電極消耗機理，根據某鈦渣電爐實際情況，分析石墨電極消耗的主要原因，提出降低電極消耗的有效措施。

1 國內外鈦渣電爐石墨電極消耗概況

國際上石墨電極冶煉鈦渣技術大致分為三種：一是以力拓公司為代表的實心電極技術，采用矩形密閉式交流電爐，連續加料的冶煉方式；二是以NSL公司為代表的中空電極技術，采用圓形密閉式直流電爐，連續加料的冶煉方式，三是烏克蘭為代表的實心電極技術，采用圓形半密閉式電爐，一次性加料的冶煉方式。國內外大型電爐冶煉鈦渣項目石墨電極消耗見表1。

由表1可知，云南新立公司的冶煉技術與南非NSL相近，金江鈦業公司的主體裝備與加拿大力拓、南非RBM相近，但其噸渣石墨電極消耗高。某企業一直采用較低品位鈦渣和還原度控制冶煉，但相對于冶煉高品位、高還原度鈦渣的加拿大力拓、南非RBM和烏克蘭等廠家，噸渣電極消耗并沒有較大優勢。因此，該企業在降低噸渣石墨電極消耗方面仍有較大空間。

表1 國內外大型電爐鈦渣項目石墨電極消耗概況[1]

2 石墨電極消耗原因分析

2.1 實際消耗情況

某鈦渣電爐運行初期石墨電極消耗情況如圖1所示。電極c端消耗最嚴重，電極b端次之，電極a段最輕。采用Photoshop軟件計算選區面積的方法，理論推算電極b端消耗較電極a端增加17.36%，電極c端消耗較a端增加66.7%。電極b端消耗為電極側面氧化，c端消耗為電極端部消耗。從冶煉工藝上講，熔煉中電極總消耗一般可分為側面氧化、端部消耗[2-4]。因此需要找出造成鈦渣電爐石墨電極側面氧化和端部消耗的主要原因。

圖1 石墨電極氧化情況

2.2 原因分析

2.2.1 側面氧化

電極側面氧化是爐內氣氛中的氧與石墨作用生成CO或CO2引起的。電極側面氧化消耗量，主要取決于電極表面積、冶煉時間、出渣量和氧化速率等參數，可由下式計算[5]：

(1)

式中：Cs——側面氧化消耗量， kg/t；

T——電爐冶煉時間，h；

W——電爐出渣量，t；

Ks——氧化消耗速率， kg/(m2·h)；

S——電極爐內氧化表面面積， m2。

當所使用的電極一定時，即電極表面積不變，冶煉時間越長，出渣量越少，氧化消耗速率越快，電極消耗量越大。

2.2.1.1 氧化速率對電極側面氧化的影響

當單位時間內出渣量一定時，電極氧化消耗量取決于氧化速率，而電極氧化速率與爐內氣氛密切相關。目前鈦渣冶煉裝備為半密閉式電爐，加料方式為間斷加料，整個冶煉過程為負壓操作，尤其在爐次間隙和加料時為保證電爐安全操作，采用較大負壓控制，負壓操作在給定負壓值后由風機頻率自動調節，而操作人員通常在加料、取樣時將風機頻率調節到最高值(50 Hz)。風機頻率與負壓呈正比，風機頻率越大，其負壓越大，進入爐內氣體量越多。鈦渣電爐為半密閉式電爐，爐門口、爐蓋等處不能有效密閉，加料時采用較大負壓，進入爐內的空氣量增大，這是造成電極側面氧化的主要原因。

對加料和正常冶煉時爐內氧氣含量進行測試，結果見圖2。加料時、加料后1 h以內，爐內氧氣含量在4.2%～4.4%，此時負壓控制在-50～-30 Pa，正常冶煉時，爐內氧氣含量在0.8%，對應的負壓在-20～-15 Pa，爐內氧氣含量與負壓成正比。因此，在實際操作上，有效控制爐內氧化氣氛是減少電極側面氧化的主要途徑。

圖2 爐內O2含量與冶煉時間的關系

2.2.1.2 冶煉時間對電極側面氧化的影響

當氧化速率一定時，電極側面氧化主要由冶煉時間和出渣量決定，而渣量主要由加料量決定。正常生產過程單爐加料量誤差控制在±5t，可認為單爐出渣量是一定的，因此電極側面氧化很大程度取決于冶煉時間，冶煉時間越短，電極消耗越小。

總之，電極側面氧化主要與爐內氧化氣氛和冶煉時間有關。

2.2.2 端部消耗

電極端部消耗包括電弧高溫引起的升華(又稱弧光消耗或蒸發消耗)以及電極端部與熔渣化學反應的損失(又稱化學消耗)。

弧光消耗是由于電極與物料間產生高溫電弧(3 000 ℃)，導致電極端部出現持續的石墨消耗。電極端部高溫升華消耗主要與電極端部蒸發速率有關，而電極蒸發速率主要取決于通過電極的電流密度，其次與電極端部氧化后的直徑大小(形成錐體)有關。電極蒸發速率可用下式[6]表示：

Qt=0.027·I1.5

(2)

式中：Qt——電極端部的蒸發速度， g/s；

I——電弧電流， kA。

可見，電極端部高溫升華與所使用的電流有關，電弧電流越高，電極端部消耗越大，因此，選擇合理的工作電流是降低電極端部消耗行之有效的方法。電極端部除石墨升華消耗外，還有一部分為熔池對電極的侵蝕消耗，當部分電極與熔池接觸后，電極將參與爐內冶金反應，而該部分電極消耗主要取決于冶煉配碳量。

總之，鈦渣電爐電極端部消耗主要與冶煉工作電流、配碳有關。

3 降低石墨電極消耗的措施

通過上述分析，對現有供電制度、負壓控制、配碳制度進行優化改進，改進前后的工藝制度見表2。

表2 改進前后的工藝制度

3.1 供電制度的改進

石墨電極側面消耗與冶煉時間有關，而電極端部消耗與工作電流有關。提高電爐輸送功率可達到縮短冶煉時間的目的，而輸送功率的提高主要通過提高電壓實現。由于電流高低對電極端部消耗有影響，因此，提高電壓、適當降低操作電流是縮短冶煉時間的有效途徑之一，進而達到降低電極消耗目的。

3.2 負壓操作的改進

鈦渣冶煉為負壓操作，為防止除塵被堵塞引起爐內爆炸，每次加料采取大負壓-80～-60 Pa控制。此外，為了更方便安全操作，正常冶煉過程中采取較大負壓-20～-15 Pa操作，而且單爐加料批次為4～5次，這種負壓控制制度導致電極氧化非常嚴重。因此，合理的負壓操作制度對減少電極消耗非常重要。通過減小補加料時和正常冶煉時爐內負壓，有效提高電爐熱效率、減少抽損，降低電極消耗。

3.3 配碳制度的改進

對于碳熱還原熔煉，爐料內的化學計量碳對電極消耗影響極大。當爐料配碳不足時，電極炭會參與冶金反應，而且隨著爐料虧碳程度的加大，電極炭參與冶金反應的量增加，即電極消耗量增加。因此，優化配碳制度，降低電極高溫還原消耗非常重要。

3.4 取樣制度的改進

鈦渣冶煉是在還原性氣氛下進行的，還原過程中電極消耗較小。原單爐取樣次數為2～3次，并且每次取樣要打開爐門才能完成。取樣過程中外面空氣進入爐內，不僅破壞還原性氣氛、降低熔池溫度，對電極氧化也有一定影響。因此，將單爐取樣次數由2～3次調整為單爐取樣1次，有效地縮短了冶煉時間，降低了電極消耗。

工藝制度改進后，爐內氧化氣氛得到很好控制，爐內還原環境有效改善，單爐冶煉時間縮短了13%，噸渣石墨電極單耗由19.5 kg降低至15.6 kg，降低幅度達到20%，效果顯著。

4 結論

(1)對鈦渣電爐石墨電極實際消耗情況進行分析，電極消耗主要表現為電極側面氧化和電極端部消耗。

(2)借鑒電弧爐煉鋼石墨電極消耗機理，結合試驗分析得知，電極側面氧化主要與爐內氧化氣氛和冶煉時間有關，電極端部消耗主要與工作電流和配碳制度有關。

(3)改進工藝制度后，單爐冶煉時間縮短了13%，噸渣石墨電極單耗降幅達到20%，效果顯著。

[1] 李興華，文書明.國內外鈦白及海綿鈦主要原料產業現狀及我國發展重點[J].鈦工業進展，2011，28(3)：9-13.

[2] 殷寶言.電弧爐石墨電極耗損原因及其控制措施[J].煉鋼，1989，(6)：32-35.

[3] 劉綱，朱榮，盧帝維等.電爐電極降耗機理及工藝研究[J].冶金設備，2008，(3)：56-58.

[4] 林偉.電爐電極損耗原因淺析[J].冶金叢刊，2009，(3)：13-14.

[5] 高占彪，焦明水，何錫江.對電弧爐冶煉中石墨電極消耗及使用的探討[J].2009，28(2)：34-38.

[6] 殷寶言.電弧爐石墨電極耗損原因及其控制措施[J].煉鋼，1989，(6)：32-35.

元素分離與利用技術助力鋁灰變廢成寶

鋁灰，通常是按照形態進行分類，如被稱為鋁渣或鋁灰，尤其是二次鋁灰，指從鋁渣中提取完金屬鋁后，經過球磨機磨粉并經過篩分后將其中的金屬鋁篩分出來，實現金屬鋁提取，剩余鋁灰殘留少量金屬鋁。按照提煉方法不同，可產生兩種類型的鋁灰：一是電解鋁液的鋁灰。電解鋁液鋁灰來自于純鋁液，其成分大多數是氧化鋁、氮化鋁和少量的氟化物。二是鋁合金鑄造鋁灰。由于鋁合金液中的硅、鎂、銅、鐵、鋅等元素的存在，導致合金鋁灰中含有各種金屬雜質元素和少量的氟化物。

對于鋁加工企業，一般會將鋁灰直接廢棄或以低廉價格外銷。但是，鋁灰作為危險固體廢棄物，如若隨意廢棄，會對周邊環境產生極大污染。國家近兩年對此進行了嚴格監管，因此，有效利用鋁灰、減少污染、提高利用率一直是眾多企業的重點研究方向。

鄭州中綠環保新材料有限公司利用選礦、氧化鋁冶煉、化工、環保等多學科技術，實現了鋁灰元素分離與利用。首先分離出鋁灰中氨氣、氟化物、打渣劑、氮化鋁等物質，然后處理活性程度不一樣的α-氧化鋁、β-氧化鋁、氫氧化鋁等物質，再深度分離鋁灰中硅、鎂、銅、鐵、鉻、鋅等元素等成分。其研發的鋁灰治理和綜合利用技術，取得了國家發明專利(一種鋁灰綜合利用處理方法，專利號：201510808471.X)。在此技術的基礎上，擴大試驗裝置，聯合其他企業對鋁灰治理和利用進行關鍵工藝的工業試驗生產線建設。在對200 kg/h鋁灰進行無害化和綜合利用處理，并連續穩定運轉168 h后，得到的鋁灰處理結果達到國家環境保護標準，再生的氫氧化鋁、氨水符合有色金屬行業原材料標準。項目總投資2 000萬元，鋁灰處理產能可達到1萬t/a，得到金屬鋁屑約1 000～1 500 t，氫氧化鋁8 500～10 000 t，同時也可有效回收鋁灰中的氮。此種分離方法不僅適用于電解鋁灰的處理處置，同時對于成分復雜難處理的鋁加工鋁灰、二次鋁灰也同樣適用。

Process study on reducing graphite electrode consumption

LI Kai-mao, MIU Hui-jun, HAN Ke-xi, XIAO Jun, LIU Juan, SONG Bing

In some domestic enterprise, the consumption of graphite electrode on the titanium slag electric furnace is mainly expressed in side-oxidation and end-consumption of electrode. From Mechanism of graphite electrode consumption in electric arc furnace for steelmaking, combined with the experimental date, it indicated that the side oxidation of the electrode is mainly related to the oxidation atmosphere and smelting time, end consumption of electrode is mainly related to the working current and the carbon distribution system. Based on this, optimization and improvement of the existing power supply, negative pressure control, carbon distribution and sampling process are carried out, so that the smelting time is shortened by 13% per furnace and graphite electrode consumption per ton of slag reduced by 20%.

titanium slag smelting; graphite electrode; electrode consumption; process system

李凱茂(1984—)， 男， 山西大同人， 碩士， 工程師， 從事鈦渣冶煉及鈦礦物加工研究。

2016-- 04-- 26

TF806； TF823

B

1672-- 6103(2017)02-- 0049-- 04