9 000 kVA钒钛磁铁矿熔分电炉筑炉实践

郑步东

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)



设备及自动化

9 000 kVA钒钛磁铁矿熔分电炉筑炉实践

郑步东

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

阐述了新型钒钛磁铁矿熔分电炉的结构特点、耐火材料的应用及筑炉技术，介绍了9 000 kVA钒钛磁铁矿熔分电炉的运行情况。

钒钛磁铁矿； 熔分电炉； 镁砖； 筑炉实践

我国四川攀枝花、西昌地区钒钛磁铁矿储量丰富，钒钛磁铁矿经选矿得到的铁钒精矿TiO2含量一般小于13%，若采用传统的高炉冶炼，通常只提炼出铁、钒，TiO2则进入高炉渣中，由于渣量大，TiO2没有较好地富集，以现有技术进一步提炼不经济，通常做法是运到渣场堆存。而钒钛磁铁矿采用转底炉预还原-电炉深还原熔分工艺处理，不需在原料中加入较多石灰等熔剂造渣，不会使渣量增加，既能冶炼出铁、钒，进入电炉渣中的TiO2也得到富集，使后续进一步提炼钛白粉经济上合理变得可能。为此，中国恩菲工程技术有限公司研发了与转底炉配套的9 000 kVA熔分电炉半工业试验装置，用来研究适合钒钛磁铁矿资源综合利用的冶炼新工艺。本文主要介绍该9 000 kVA钒钛磁铁矿熔分电炉筑炉实践。

1 工艺流程

钒钛磁铁矿转底炉预还原-电炉深还原熔分处理的工艺流程为：铁钒精矿经配料、压球、晾干后加入转底炉还原焙烧，得到金属化率60%～70%(Fe)的高温直接还原钒铁球团，其由热料输送系统加入电炉进行还原熔分，产出含钒铁水和钛渣。含钒铁水经过搅拌脱硫后，用铸铁机铸成钒铁锭，钛渣冷却后破碎用作生产钛白粉的原料。

2 熔分电炉的结构及特点

2.1 结构

此次试验装置中的钒钛磁铁矿熔分电炉为固定式圆形炉，主要由炉体及电极系统组成。

2.1.1 炉体

炉体包括炉墙壳体、水冷元件、耐火内衬，其外形与传统铁合金电炉相似。

炉墙壳体为有底圆筒，布置在耐火混凝土墩基础上。在耐火混凝土墩上架设网格底梁，底梁上平铺厚钢板作为底板；钢板焊成的圆柱筒状炉墙壳体安装于底板上，并通过拉杆与炉底板下的底梁联成一体。炉墙壳体、炉底板具有足够的强度，能够承受炉内耐火材料和熔体的重量以及炉衬的巨大膨胀力。

熔分电炉炉膛温度高达1 400～1 500 ℃，熔渣温度1 550～1 600 ℃，熔池内熔体搅动，因此炉衬的设计必须耐高温、抗冲刷、抗侵蚀，仅靠耐火砖不能保障炉衬的寿命，需要合理使用水套冷却砖体，在砖体内表面形成挂渣，以保护耐火砖不被进一步侵蚀。所以熔分电炉的炉衬是由多种耐火砖加特殊设计的异形铜水套构成的复杂结合体。

电炉炉底由下而上分为保温层、永久层、工作层及保护层。保温层为平砌高铝砖；永久层、工作层为球缺形，用优质镁砖砌成；保护层为镁钙捣打料。炉墙为圆环形，用镁砖砌筑，炉墙下部厚，上部薄，墙砖与炉壳之间安装有齿形水套和平水套，炉墙上分布有多个防爆孔、多个观察加料孔及放钒铁口、放渣口，并预留有事故放空口。采用箱型水冷钢梁支撑的耐火浇注料整体浇注炉顶。

2.1.2 电极系统

电极系统是电炉构件中一个相对独立的部分，9 000 kVA钒钛磁铁矿熔分电炉采用三相变压器，三根自焙电极“Δ”形布置。每根电极包括：电极本体、电极导电系统、电极抱闸、电极升降装置、电极压放装置、电极护筒、电极孔密封装置等。

2.2 特点

与通常的铁合金电炉相比，该新型钒钛磁铁矿熔分电炉结构上有以下特点。

(1)熔池深。由于熔渣相对较多，钒钛磁铁矿熔分电炉需要较深熔池。 本试验电炉熔池深度在2 m以上，比一般铁合金电炉深。

(2)气流区炉膛空间大。经金属化直接还原的钒铁球团在电炉内熔化后形成渣和钒铁。还原熔炼过程产生大量CO，含CO的电炉烟气在气流区炉膛空间剧烈燃烧，所以，电炉气流区炉膛空间要求大，炉膛高度在3 m以上，比一般电炉高。

(3)炉顶开孔多。铁钒精矿冶炼要求电炉加料均匀，加料量与功率相匹配，对应功率的一定料量需分多次加入炉内，每次少加但要勤加，因而炉顶除常规的电极孔、测温测压孔、探料孔及烟道口外，还需要布置较多加料孔。

(4)炉体强化冷却形式多样。钒钛磁铁矿冶炼具有钛渣熔点高、电极插入浅、冶炼中伴随CO在炉膛剧烈燃烧的特点，其决定了钒钛磁铁矿熔分电炉作业温度高，故针对性地多形式强化炉体冷却十分必要。本电炉炉底采用架空结构，设置风道对炉底进行强制通风冷却；炉墙设置多种强制循环铜水套，炉墙耐火砖得到立体冷却；炉顶设置多根直形水冷梁和环形水冷梁相互交联，炉顶耐火材料得到冷却。

3 熔分电炉的砌筑

9 000 kVA钒钛磁铁矿熔分电炉炉体结构见图1。

图1 9 000 kVA钒钛磁铁矿熔分电炉炉体结构

3.1 炉底

3.1.1 找平层及保温层

炉底板为平面，永久层、工作层为球面。炉底第一层是炉壳底板上的高铝质浇注料找平层，浇注时要小心谨慎，控制好厚度，宁低勿高，并确保浇注后上表面平整，以便更好地砌筑上层高铝砖。

找平层完成后，开始砌筑炉底高铝砖保温层。采用“十”字法平砌6层，第7层高铝砖开始退台砌筑，仍然“十”字法平砌，直至第13层高铝砖层，每层退台多少根据永久层球形底需要的弧度确定。炉底保温层为干砌，错缝砌筑。砌筑时用耐火泥干粉对高铝砖之间的不平整以及砖缝进行找平填塞，确保砌筑面平整，同时将砖缝控制在1.5 mm以内，膨胀缝按6 mm/m留设。

3.1.2 捣打球面

高铝砖保温层砌筑完成后，将镁质捣打料捣打到炉底高铝砖上，形成可供炉底永久层和工作层砌筑的凹球面，捣打时使用木制或钢制样板获得较精确的反拱球面的曲率半径，确保捣打层的尺寸精确。

3.1.3 永久层

永久层位于镁质捣打料凹球面上，采用四棱台形砖砌筑，配合宽砖错缝，材质为MZ-95。砖缝1 mm，干灰调整，采用“十”字法从炉底中心开始向四周砌筑，为保证砌筑的球面弧度准确，用样板随时检查。砌筑前炉底中心及标高找准是关键，砌到最外层砖之前，需先将其外侧的永久层拱脚砖砌好，永久层锁口通过加工最外侧砖完成，锁口砖采用湿砌。根据膨胀量计算合理留设膨胀缝，砖缝插入膨胀板后用胶带密封。

3.1.4 工作层

在炉底工作层砌筑前，先在永久层上捣打一层镁质捣打料，上面覆盖一层薄钢板。炉底工作层砖体开始砌筑时，工作层拱脚砖的砌筑也同时进行。并且拱脚砖的上表面必须形成一个平面，以利于其上炉墙砖的砌筑。

工作层砖材质为MZ-97，采用四棱台形砖砌筑，配合宽砖错缝，砖缝1 mm，干灰调整，“十”字法从炉底中心开始向四周砌筑，起点是炉体的中心，注意砌前找准标高，工作层最后砌筑的是位于炉底工作层砖和工作层拱脚砖之间的四棱台形砖，需要根据实际情况进行现场切割、打磨。根据膨胀量计算合理留设膨胀缝，砖缝插入膨胀板后必须用胶带密封。炉底工作层的周围是工作层拱脚砖，为保证炉底稳定和砌筑精度，拱脚砖贴紧炉壳体。

3.2 炉墙

3.2.1 熔池区

炉墙砌筑的基准是工作层拱脚砖上表面，砌筑用砖材质MZ-97，下部炉墙厚度约800 mm，逐步往上退台到600 mm左右。熔池区设计有齿形水套，砌筑时需注意砖体与水冷元件紧密接触，错缝干砌。合理留设膨胀缝，放渣口、放钒铁口、事故口随熔池区炉墙一同砌筑，采用湿砌，不留膨胀缝。

3.2.2 气流区

气流区是指渣线以上的部分，分布有多层水平水套，炉墙砖体和炉壳之间有一层陶瓷纤维板。此处用砖为斧头砖，材质为MZ-97，错缝干砌，合理留设膨胀缝。上部炉墙的最上层炉墙砖和炉顶之间留有一定的空隙，用陶瓷纤维毯填塞。炉墙上的防爆孔需要在炉墙砌筑时同步浇注，浇注前要事先制作好适合的钢制或木制浇注模具。注意对浇注区域附近耐火砖进行防水保护，在周边增加一层防水塑料膜。

3.3 炉顶

炉顶为整体浇注炉顶。炉顶分布的孔洞较多，浇注前需安装好全部模具，确认各尺寸无误，一次浇注完成。

3.4 炉底保护层

钒钛磁铁矿熔分电炉冶炼，预还原钒铁球团在电炉内高温的作用下熔炼分离，沉降在熔池下部的钒铁过热度大、渗透性强，因此，需要有针对性地在炉底工作层上敷设一层特殊捣打料保护层。该保护层施工时不加卤水或水，只通过捣打、夯实，干燥铺于工作层耐火砖上，夯实后保护层密度需达2.85 g/cm3。为防止该保护层捣打施工时镁砂进到工作层预留膨胀缝中，在工作层表面铺一层薄钢板。国产与进口典型炉底保护层捣打料理化指标对比见表1。

表1 国产与进口典型炉底保护层捣打料理化指标对比

4 熔分电炉的运行

该熔分电炉2013年1月31日点火烘炉，3月24日投料运行，5月27日停炉，投料运行共65 d，投料负荷达60%～80%，出铁80次、出渣110次，产出钒铁约2 500 t、高钛渣约1 200 t。由于是利用原有的9 000 kVA变压器，而转底炉还原焙烧环节能力偏小，整套装置按7 500 kVA设计，熔分电炉设计则兼顾了后续的扩产和充分利用9 000 kVA变压器的可能性，结构尺寸按稍大考虑。实际运行中电炉功率3 000～6 000 kW，操作电压160～300 V，炉膛温度1 500 ℃，渣温1 580 ℃，铁温1 460 ℃。熔渣TiO2含量约50%。

开炉试运行初期，由于温度波动频繁，炉膛耐火砖部分区域砖体断裂，断砖长约100 mm；熔池区由于合理布置了铜水套，侵蚀不明显；炉顶箱型水冷梁冷却效果相对偏弱，炉顶温度偏高，炉顶平台上温度达到300 ℃左右，说明炉顶需要加大冷却、通风。整个炉体膨胀平稳，炉墙径向未发现“鼓肚”等异常膨胀，炉体竖向膨胀基本正常，仅铁口处上升了25 mm，渣口处上升了20 mm。整个试验达到了预期效果，熔分电炉成功满足了钒钛磁铁矿冶炼所需要的抗高温、抗渣侵蚀、抗高过热度铁水渗透等要求。鉴于铁价、高钛渣价格偏低，试验装置暂处于停产状态，但65 d的试运行探索取得的成果，为进一步开发更大型钒钛磁铁矿熔分电炉提供了宝贵的实践经验。

5 结语

9 000 kVA钒钛磁铁矿熔分电炉是钒钛磁铁矿冶炼新工艺的核心设备，由中国恩菲工程技术有限公司专门针对冶炼钒钛磁铁矿而开发。电炉在筑炉施工中做到了设计与施工完美结合，设计理念很好地落实到筑炉工程中，应用好的筑炉方法，精心组织、精心施工，确保了电炉一次投产成功。此次筑炉技术应用的成功经验，将对钒钛磁铁矿冶炼大型电炉筑炉技术的发展提供借鉴。

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

郑步东(1969—)，男，江西省樟树市人，硕士，高工，从事工业炉设计、筑炉工作。

2014-07-11

TF806； TF823

B

1672-6103(2015)01-0032-04