鄭步東

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

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設(shè)備及自動(dòng)化

9 000 kVA釩鈦磁鐵礦熔分電爐筑爐實(shí)踐

鄭步東

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

闡述了新型釩鈦磁鐵礦熔分電爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、耐火材料的應(yīng)用及筑爐技術(shù)，介紹了9 000 kVA釩鈦磁鐵礦熔分電爐的運(yùn)行情況。

釩鈦磁鐵礦； 熔分電爐； 鎂磚； 筑爐實(shí)踐

我國四川攀枝花、西昌地區(qū)釩鈦磁鐵礦儲(chǔ)量豐富，釩鈦磁鐵礦經(jīng)選礦得到的鐵釩精礦TiO2含量一般小于13%，若采用傳統(tǒng)的高爐冶煉，通常只提煉出鐵、釩，TiO2則進(jìn)入高爐渣中，由于渣量大，TiO2沒有較好地富集，以現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)一步提煉不經(jīng)濟(jì)，通常做法是運(yùn)到渣場(chǎng)堆存。而釩鈦磁鐵礦采用轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原-電爐深還原熔分工藝處理，不需在原料中加入較多石灰等熔劑造渣，不會(huì)使渣量增加，既能冶煉出鐵、釩，進(jìn)入電爐渣中的TiO2也得到富集，使后續(xù)進(jìn)一步提煉鈦白粉經(jīng)濟(jì)上合理變得可能。為此，中國恩菲工程技術(shù)有限公司研發(fā)了與轉(zhuǎn)底爐配套的9 000 kVA熔分電爐半工業(yè)試驗(yàn)裝置，用來研究適合釩鈦磁鐵礦資源綜合利用的冶煉新工藝。本文主要介紹該9 000 kVA釩鈦磁鐵礦熔分電爐筑爐實(shí)踐。

1 工藝流程

釩鈦磁鐵礦轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原-電爐深還原熔分處理的工藝流程為：鐵釩精礦經(jīng)配料、壓球、晾干后加入轉(zhuǎn)底爐還原焙燒，得到金屬化率60%～70%(Fe)的高溫直接還原釩鐵球團(tuán)，其由熱料輸送系統(tǒng)加入電爐進(jìn)行還原熔分，產(chǎn)出含釩鐵水和鈦渣。含釩鐵水經(jīng)過攪拌脫硫后，用鑄鐵機(jī)鑄成釩鐵錠，鈦渣冷卻后破碎用作生產(chǎn)鈦白粉的原料。

2 熔分電爐的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)

此次試驗(yàn)裝置中的釩鈦磁鐵礦熔分電爐為固定式圓形爐，主要由爐體及電極系統(tǒng)組成。

2.1.1 爐體

爐體包括爐墻殼體、水冷元件、耐火內(nèi)襯，其外形與傳統(tǒng)鐵合金電爐相似。

爐墻殼體為有底圓筒，布置在耐火混凝土墩基礎(chǔ)上。在耐火混凝土墩上架設(shè)網(wǎng)格底梁，底梁上平鋪厚鋼板作為底板；鋼板焊成的圓柱筒狀爐墻殼體安裝于底板上，并通過拉桿與爐底板下的底梁聯(lián)成一體。爐墻殼體、爐底板具有足夠的強(qiáng)度，能夠承受爐內(nèi)耐火材料和熔體的重量以及爐襯的巨大膨脹力。

熔分電爐爐膛溫度高達(dá)1 400～1 500 ℃，熔渣溫度1 550～1 600 ℃，熔池內(nèi)熔體攪動(dòng)，因此爐襯的設(shè)計(jì)必須耐高溫、抗沖刷、抗侵蝕，僅靠耐火磚不能保障爐襯的壽命，需要合理使用水套冷卻磚體，在磚體內(nèi)表面形成掛渣，以保護(hù)耐火磚不被進(jìn)一步侵蝕。所以熔分電爐的爐襯是由多種耐火磚加特殊設(shè)計(jì)的異形銅水套構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)合體。

電爐爐底由下而上分為保溫層、永久層、工作層及保護(hù)層。保溫層為平砌高鋁磚；永久層、工作層為球缺形，用優(yōu)質(zhì)鎂磚砌成；保護(hù)層為鎂鈣搗打料。爐墻為圓環(huán)形，用鎂磚砌筑，爐墻下部厚，上部薄，墻磚與爐殼之間安裝有齒形水套和平水套，爐墻上分布有多個(gè)防爆孔、多個(gè)觀察加料孔及放釩鐵口、放渣口，并預(yù)留有事故放空口。采用箱型水冷鋼梁支撐的耐火澆注料整體澆注爐頂。

2.1.2 電極系統(tǒng)

電極系統(tǒng)是電爐構(gòu)件中一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，9 000 kVA釩鈦磁鐵礦熔分電爐采用三相變壓器，三根自焙電極“Δ”形布置。每根電極包括：電極本體、電極導(dǎo)電系統(tǒng)、電極抱閘、電極升降裝置、電極壓放裝置、電極護(hù)筒、電極孔密封裝置等。

2.2 特點(diǎn)

與通常的鐵合金電爐相比，該新型釩鈦磁鐵礦熔分電爐結(jié)構(gòu)上有以下特點(diǎn)。

(1)熔池深。由于熔渣相對(duì)較多，釩鈦磁鐵礦熔分電爐需要較深熔池。 本試驗(yàn)電爐熔池深度在2 m以上，比一般鐵合金電爐深。

(2)氣流區(qū)爐膛空間大。經(jīng)金屬化直接還原的釩鐵球團(tuán)在電爐內(nèi)熔化后形成渣和釩鐵。還原熔煉過程產(chǎn)生大量CO，含CO的電爐煙氣在氣流區(qū)爐膛空間劇烈燃燒，所以，電爐氣流區(qū)爐膛空間要求大，爐膛高度在3 m以上，比一般電爐高。

(3)爐頂開孔多。鐵釩精礦冶煉要求電爐加料均勻，加料量與功率相匹配，對(duì)應(yīng)功率的一定料量需分多次加入爐內(nèi)，每次少加但要勤加，因而爐頂除常規(guī)的電極孔、測(cè)溫測(cè)壓孔、探料孔及煙道口外，還需要布置較多加料孔。

(4)爐體強(qiáng)化冷卻形式多樣。釩鈦磁鐵礦冶煉具有鈦渣熔點(diǎn)高、電極插入淺、冶煉中伴隨CO在爐膛劇烈燃燒的特點(diǎn)，其決定了釩鈦磁鐵礦熔分電爐作業(yè)溫度高，故針對(duì)性地多形式強(qiáng)化爐體冷卻十分必要。本電爐爐底采用架空結(jié)構(gòu)，設(shè)置風(fēng)道對(duì)爐底進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)冷卻；爐墻設(shè)置多種強(qiáng)制循環(huán)銅水套，爐墻耐火磚得到立體冷卻；爐頂設(shè)置多根直形水冷梁和環(huán)形水冷梁相互交聯(lián)，爐頂耐火材料得到冷卻。

3 熔分電爐的砌筑

9 000 kVA釩鈦磁鐵礦熔分電爐爐體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 9 000 kVA釩鈦磁鐵礦熔分電爐爐體結(jié)構(gòu)

3.1 爐底

3.1.1 找平層及保溫層

爐底板為平面，永久層、工作層為球面。爐底第一層是爐殼底板上的高鋁質(zhì)澆注料找平層，澆注時(shí)要小心謹(jǐn)慎，控制好厚度，寧低勿高，并確保澆注后上表面平整，以便更好地砌筑上層高鋁磚。

找平層完成后，開始砌筑爐底高鋁磚保溫層。采用“十”字法平砌6層，第7層高鋁磚開始退臺(tái)砌筑，仍然“十”字法平砌，直至第13層高鋁磚層，每層退臺(tái)多少根據(jù)永久層球形底需要的弧度確定。爐底保溫層為干砌，錯(cuò)縫砌筑。砌筑時(shí)用耐火泥干粉對(duì)高鋁磚之間的不平整以及磚縫進(jìn)行找平填塞，確保砌筑面平整，同時(shí)將磚縫控制在1.5 mm以內(nèi)，膨脹縫按6 mm/m留設(shè)。

3.1.2 搗打球面

高鋁磚保溫層砌筑完成后，將鎂質(zhì)搗打料搗打到爐底高鋁磚上，形成可供爐底永久層和工作層砌筑的凹球面，搗打時(shí)使用木制或鋼制樣板獲得較精確的反拱球面的曲率半徑，確保搗打?qū)拥某叽缇_。

3.1.3 永久層

永久層位于鎂質(zhì)搗打料凹球面上，采用四棱臺(tái)形磚砌筑，配合寬磚錯(cuò)縫，材質(zhì)為MZ-95。磚縫1 mm，干灰調(diào)整，采用“十”字法從爐底中心開始向四周砌筑，為保證砌筑的球面弧度準(zhǔn)確，用樣板隨時(shí)檢查。砌筑前爐底中心及標(biāo)高找準(zhǔn)是關(guān)鍵，砌到最外層磚之前，需先將其外側(cè)的永久層拱腳磚砌好，永久層鎖口通過加工最外側(cè)磚完成，鎖口磚采用濕砌。根據(jù)膨脹量計(jì)算合理留設(shè)膨脹縫，磚縫插入膨脹板后用膠帶密封。

3.1.4 工作層

在爐底工作層砌筑前，先在永久層上搗打一層鎂質(zhì)搗打料，上面覆蓋一層薄鋼板。爐底工作層磚體開始砌筑時(shí)，工作層拱腳磚的砌筑也同時(shí)進(jìn)行。并且拱腳磚的上表面必須形成一個(gè)平面，以利于其上爐墻磚的砌筑。

工作層磚材質(zhì)為MZ-97，采用四棱臺(tái)形磚砌筑，配合寬磚錯(cuò)縫，磚縫1 mm，干灰調(diào)整，“十”字法從爐底中心開始向四周砌筑，起點(diǎn)是爐體的中心，注意砌前找準(zhǔn)標(biāo)高，工作層最后砌筑的是位于爐底工作層磚和工作層拱腳磚之間的四棱臺(tái)形磚，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)切割、打磨。根據(jù)膨脹量計(jì)算合理留設(shè)膨脹縫，磚縫插入膨脹板后必須用膠帶密封。爐底工作層的周圍是工作層拱腳磚，為保證爐底穩(wěn)定和砌筑精度，拱腳磚貼緊爐殼體。

3.2 爐墻

3.2.1 熔池區(qū)

爐墻砌筑的基準(zhǔn)是工作層拱腳磚上表面，砌筑用磚材質(zhì)MZ-97，下部爐墻厚度約800 mm，逐步往上退臺(tái)到600 mm左右。熔池區(qū)設(shè)計(jì)有齒形水套，砌筑時(shí)需注意磚體與水冷元件緊密接觸，錯(cuò)縫干砌。合理留設(shè)膨脹縫，放渣口、放釩鐵口、事故口隨熔池區(qū)爐墻一同砌筑，采用濕砌，不留膨脹縫。

3.2.2 氣流區(qū)

氣流區(qū)是指渣線以上的部分，分布有多層水平水套，爐墻磚體和爐殼之間有一層陶瓷纖維板。此處用磚為斧頭磚，材質(zhì)為MZ-97，錯(cuò)縫干砌，合理留設(shè)膨脹縫。上部爐墻的最上層爐墻磚和爐頂之間留有一定的空隙，用陶瓷纖維毯填塞。爐墻上的防爆孔需要在爐墻砌筑時(shí)同步澆注，澆注前要事先制作好適合的鋼制或木制澆注模具。注意對(duì)澆注區(qū)域附近耐火磚進(jìn)行防水保護(hù)，在周邊增加一層防水塑料膜。

3.3 爐頂

爐頂為整體澆注爐頂。爐頂分布的孔洞較多，澆注前需安裝好全部模具，確認(rèn)各尺寸無誤，一次澆注完成。

3.4 爐底保護(hù)層

釩鈦磁鐵礦熔分電爐冶煉，預(yù)還原釩鐵球團(tuán)在電爐內(nèi)高溫的作用下熔煉分離，沉降在熔池下部的釩鐵過熱度大、滲透性強(qiáng)，因此，需要有針對(duì)性地在爐底工作層上敷設(shè)一層特殊搗打料保護(hù)層。該保護(hù)層施工時(shí)不加鹵水或水，只通過搗打、夯實(shí)，干燥鋪于工作層耐火磚上，夯實(shí)后保護(hù)層密度需達(dá)2.85 g/cm3。為防止該保護(hù)層搗打施工時(shí)鎂砂進(jìn)到工作層預(yù)留膨脹縫中，在工作層表面鋪一層薄鋼板。國產(chǎn)與進(jìn)口典型爐底保護(hù)層搗打料理化指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 國產(chǎn)與進(jìn)口典型爐底保護(hù)層搗打料理化指標(biāo)對(duì)比

4 熔分電爐的運(yùn)行

該熔分電爐2013年1月31日點(diǎn)火烘爐，3月24日投料運(yùn)行，5月27日停爐，投料運(yùn)行共65 d，投料負(fù)荷達(dá)60%～80%，出鐵80次、出渣110次，產(chǎn)出釩鐵約2 500 t、高鈦渣約1 200 t。由于是利用原有的9 000 kVA變壓器，而轉(zhuǎn)底爐還原焙燒環(huán)節(jié)能力偏小，整套裝置按7 500 kVA設(shè)計(jì)，熔分電爐設(shè)計(jì)則兼顧了后續(xù)的擴(kuò)產(chǎn)和充分利用9 000 kVA變壓器的可能性，結(jié)構(gòu)尺寸按稍大考慮。實(shí)際運(yùn)行中電爐功率3 000～6 000 kW，操作電壓160～300 V，爐膛溫度1 500 ℃，渣溫1 580 ℃，鐵溫1 460 ℃。熔渣TiO2含量約50%。

開爐試運(yùn)行初期，由于溫度波動(dòng)頻繁，爐膛耐火磚部分區(qū)域磚體斷裂，斷磚長約100 mm；熔池區(qū)由于合理布置了銅水套，侵蝕不明顯；爐頂箱型水冷梁冷卻效果相對(duì)偏弱，爐頂溫度偏高，爐頂平臺(tái)上溫度達(dá)到300 ℃左右，說明爐頂需要加大冷卻、通風(fēng)。整個(gè)爐體膨脹平穩(wěn)，爐墻徑向未發(fā)現(xiàn)“鼓肚”等異常膨脹，爐體豎向膨脹基本正常，僅鐵口處上升了25 mm，渣口處上升了20 mm。整個(gè)試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果，熔分電爐成功滿足了釩鈦磁鐵礦冶煉所需要的抗高溫、抗渣侵蝕、抗高過熱度鐵水滲透等要求。鑒于鐵價(jià)、高鈦渣價(jià)格偏低，試驗(yàn)裝置暫處于停產(chǎn)狀態(tài)，但65 d的試運(yùn)行探索取得的成果，為進(jìn)一步開發(fā)更大型釩鈦磁鐵礦熔分電爐提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語

9 000 kVA釩鈦磁鐵礦熔分電爐是釩鈦磁鐵礦冶煉新工藝的核心設(shè)備，由中國恩菲工程技術(shù)有限公司專門針對(duì)冶煉釩鈦磁鐵礦而開發(fā)。電爐在筑爐施工中做到了設(shè)計(jì)與施工完美結(jié)合，設(shè)計(jì)理念很好地落實(shí)到筑爐工程中，應(yīng)用好的筑爐方法，精心組織、精心施工，確保了電爐一次投產(chǎn)成功。此次筑爐技術(shù)應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，將對(duì)釩鈦磁鐵礦冶煉大型電爐筑爐技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

Construction practice of smelting separation electric furnace of 9 000 kVA vanadium and titanium magnetite

ZHENG Bu-dong

The structure characteristics,application of refractory materials and construction technology of smelting separation electric furnace of new vanadium and titanium magnetite were presented,and the operation situation of smelting separation electric furnace of 9 000 kVA vanadium and titanium magnetite was introduced in this paper.

vanadium and titanium magnetite; smelting separation electric furnace; magnesia brick; construction practice

鄭步東(1969—)，男，江西省樟樹市人，碩士，高工，從事工業(yè)爐設(shè)計(jì)、筑爐工作。

2014-07-11

TF806； TF823

B

1672-6103(2015)01-0032-04