新疆地区钛渣冶炼先进技术的研究与开发

新疆地区钛渣冶炼先进技术的研究与开发

严宗亮

新疆湘和新材料科技有限公司

摘要:本文主要聚焦于提出钛渣冶炼新技术来提高钛渣熔炼的效率。钛渣作为海绵钛或钛白粉生产的中间产品，生产方法有高温熔炼法、还原锈蚀法、还原盐酸浸出法、还原硫酸浸出法和选择性氯化法等多种方法。其中，高温熔炼法在工艺流程简短、不产生固体废物等方面具有显著优势，通过采用先进的生产工艺降低工人劳动强度，改善企业生产环境，从而使铁渣熔炼生产连续化、自动化、大型化、清洁化成为可能。同时也将会对我国新疆地区钒钛磁铁矿的开发利用产生更加积极的影响。此外，本文还讨论了高温熔炼法在环境保护和资源再利用方面的潜力，指出了它在现代工业生产中的重要性。

关键词：钛渣冶炼、高温熔炼、资源再利用、环境保护、先进工艺

引言：随着工业化进程的加速，对高效且环保的生产方法的需求日益增长，特别是在钛材料的生产中。钛是国家重要的战略储备资源，无论是钛白粉及钛的化工原料、金属钛以及钛材等都具有的各项非常优异的物理化学性能，在国防、军工、医学以及民用航空等方面都具有十分广泛的应用，因而各国政府都十分重视钛资源综合开发利用的力度。在钒钛资源开发利用过程中，首要的内容是高钛渣的熔炼，然后是硫酸法钛白、四氯化钛、氯化法钛白、海绵钛、钛材的加工生产及开发利用等。上游生产工序钛渣生产，其冶炼技术的革新对提升整个钛产业链的可持续发展具有重要意义。本文着重探讨了高温熔炼法较为先进的生产工艺，旨在揭示其在提高生产效率和环境友好性方面的潜力。这一研究不仅对钛材料生产领域具有重要价值，也对其他工业领域的生产技术改进提供了启示。

一、新疆地区钛矿资源

我国新疆地区蕴藏着十分丰富的钒钛磁铁矿资源，新疆钒钛磁铁矿主要分布于东天山和西南天山一带。东天山哈密地区尾亚、鱼峰山、红柳河等地有多处矿床和矿点，是新疆钒钛磁铁矿分布最为密集的地带，也是资源潜力大的地带；西南天山的阿图什的普昌、巴楚县瓦吉尔塔格也是重要的分布地带。此外，在巴里坤县锅底山、若羌县塔特拉克和和布克赛尔蒙古自治县喀勒勒河也有分布。新疆钛矿资源与攀枝花矿区的表外矿性质类似，根据原矿性质可初步判定新疆矿床的可选性略优于攀枝花矿区的表外矿。主要有用矿物为钛磁铁矿和钛铁矿，并伴生有其它有价元素。攀枝花矿区表外矿的主要有价元素指标为: TFe品位 16. 50%、TiO2品位7. 80%。攀枝花地区对表外矿的回收工艺非常成熟，主要产品为铁精矿和钛精矿，铁精矿TFe品位为54. 00%，钛精矿TiO2品位 47. 00%。因此，可以借鉴攀枝花矿区的表外矿生产经验，对矿区的钛矿资源进行综合利用开发，利用钛渣熔炼新工艺、新技术，积极开发适合新疆地区钛矿生产的设备、工艺，对于提升新疆地区矿产资源价值、加快新疆地区经济发展具有十分重要的意义。

二、高温熔炼法的发展趋势

国外钛渣生产行业技术水平高，关键生产装备钛渣冶炼电炉设备装备水平高且处于垄断地位，实现了大型化、全密闭、余热利用、副产煤气回收等，且产线机械化、自动化、远程可视化程度高，技术经济指标好，生产条件优良。尤其是采用了较为先进的环保除尘技术，避免了给钛渣生产企业周围环境带来的烟尘、SO2等污染。目前，全球仅有少数几家公司掌握大型密闭电炉冶炼钛渣的技术，主要有加拿大的QIT公司，南非的RBM公司，Namakawa公司，Ticor公司及TTI公司；钛渣冶炼技术被上述少数几个公司垄断。

我国钛渣冶炼生产的特点是规模小且分散，冶炼电炉的容量长期维持在1800~6300kVA的敞口电炉，装备水平低，技术经济指标落后，产品质量不稳定，综合利用差，环境污染严重，是典型的高能耗、高污染的行业，同国际先进水平相比，有较大的差距，难以满足我国钛白粉及海绵钛发展的需要。直至2005年，攀枝花某企业从乌克兰引进1台25.5MVA大型钛渣电炉并在此基础上再创新自主开发了2台25.5MVA钛渣炉才有力的促进了国内钛渣冶炼装备的大型化、国产化。

国内钛渣生产行业目前的发展趋势是大型化、国产化、环保高效，以提高钛渣炉热效率，降低治炼成本为目标。国内主要钛渣生产企业有攀钢钛业、龙蟒佰利联、云南新立、新疆湘和等，攀枝花某企业率先从乌克兰引进了1台25.5MVA大型钛渣炉，先后总计建成了3台25.5MVA交流圆形半密闭钛渣炉，后经过不断的技术改进实现了全密闭及煤气回收利用；河南某企业拥有国内目前最大的稳定运行的33MVA交流圆形密闭钛渣炉，为2014年建设投产，装备水平较高，实现了连续加料、连续冶炼、煤气回收等；云南某企业是国内唯一稳定运行的采用30MVA直流密闭大电炉并实现连续加料连续冶炼；其余国内钛渣厂的电炉功率基本都是6300kVA、12500kVA等功率较小的小电炉（已属于产业发展指导目录中的淘汰类或限制类），而且大多为敞口间断加料冶炼为主，其中12500kVA电炉部分厂家声称实现了半密闭，其余基本都是敞口式。工艺技术上总体采用中低功率的、非密闭式的、人工作业量较大的方式，自动化程度低，粉尘飞扬较严重，钛渣单位电耗较高。

三、高温熔炼法先进的生产工艺

在装备方面，宜采用国内先进的大型交流圆形密闭钛渣炉，确定合理的钛渣电炉极心圆直径，保证炉内加料、送电能够匹配，使整个化料过程更加均匀，进而提高热效率，降低生产电耗；同时铁水温度可控，能够降低生产过程中发生穿炉的风险。

1、选择合理的炉膛直径；合理的炉膛直径可降低生产过程中弧光对炉墙的辐射，使炉墙挂渣层维护良好，在生产过程中，较好的维持炉墙温度稳定，确保整个生产冶炼工艺稳定。

2、电炉变压器采用多档有载调压，尽可能降低电压层级，提升送电稳定性，使送电功率呈线性；可根据不同冶炼时间调整电流、电压，使送电过程稳定，提高热效率；同时送电和加料匹配，生产更加稳定。

3、炉衬设计合理；钛渣炉炉衬采用保温炉墙的设计理念，通过炉衬内侧形成的挂渣保护层最大限度地减轻钛渣及冶炼弧光对炉壁耐材的侵蚀和冲刷，从而实现炉壁耐材长寿命的生产工艺要求，降低生产成本和劳动强度。在炉盖上设置挂渣层厚度检测孔，可及时了解炉壁挂渣厚度实际情况，有效保护炉壁，提高耐材使用寿命。

4、炉底设计风冷通道；在炉底设计风冷通道，选择强制风冷对炉底进行冷却降温。在炉底耐材中间采用砌筑风冷通道，利用风机鼓入空气进行通风强制冷却，采用高品质镁砖作为工作层，在镁砖和冷却风道之间采用高导热高铝砖作为传热层，以增加热通量，炉底布置大量通风风道，结合炉底留铁和匹配的供电操作制度，确保炉底形成“死铁层”保障炉底耐材的使用寿命。

5、炉体温度监控；在钛渣电炉炉壁及炉底耐材根据需要设置关键温度点的检测，在控制系统实时显示温度，当某个点出现温度超出设定值时自动弹出报警画面，可及时了解不同部位耐材实时侵蚀情况，避免炉壁烧穿等极端事故发生。

6、优化渣铁口结构；在渣铁口选材方面，通过优化渣铁口结构及材料，渣铁口选用组合式套砖镁砖（MZ-97）+SiC浇注料，减少渣铁通道缝隙，减少高温熔体的侵蚀，很好的保护渣铁口。在渣铁口砌筑施工方面，采用错缝湿法砌筑，尽可能减少缝隙，有效避免铁水渗漏，延长渣铁口使用寿命。

7、采用石墨电极导电；生产过程中不需要进行加电极糊、电极糊烧结等操作，简化了操作方式，避免了传统的自焙电极烧结不完全使电极发生硬断、软断等事故，大大降低现场劳动强度；

8、渣铁口增设泥炮开堵口机；为了快速准确开启、堵严铁口及渣口，确保操作安全，设计安装泥炮开口机及泥炮堵口机；堵口机具有推力大、堵口快速可靠、操作维修方便等特点，大大降低了炉前劳动强度，降低了安全风险。

9、增设了铁水排放事故槽；炉体周围设计环形事故沟，就近增设铁水排放事故坑，有效解决了事故状态下铁水的排放问题，增强冶炼过程的安全性。

10、主要设备国产化；主要设备及材料大部分选用国内知名品牌，并在钛渣电炉中广泛应用，可靠性、通用性强，设备寿命高；备件可就近采购，采购周期短，后期维护成本低。

在工艺方面，宜采用多点加料方式，配套开发挂渣层维护工艺和连续加料、连续治炼工艺，在冶炼过程中不产生堆料，物料具有很好的透气性，避免了不可控泡沫渣的出现，提高了送电效率。

1、加料方面主要围绕减少物料偏析和加料系统的改进进行研究，在系统分析传统设计加料系统存在的问题的基础上，实施连续加料装置的改进并形成了物料均匀混合入炉操作技术，降低物料偏析。

2、采用小料仓搭配多个称重传感器进行配料多批次精准配料，减少了散物料的浪费，提高了混合物料的一致性，解决了物料偏析问题，提高了配料精度。在生产过程中更易形成系统化、制度化的生产模式，对于生产系统稳定、提高产量、提高质量、降低成本具有极大的意义。

3、研究还原剂及钛精矿粒度控制要求，得到了满足治炼需要的还原剂粒度及钛精矿粒度指标，提高物料入炉的透气性，为进一步提高渣炉产量、优化指标提供有力保证，

4、操作过程保证炉压稳定；炉体密闭，实现炉内气氛控制及电炉车间安全清洁生产；建立在线烟气及炉压检测系统，对炉内压力、烟气成分和温度及时检测并反馈，避免事故发生；建立煤气引风机动态控制技术，及时根据炉内压力情况调整风机运行频确保炉压稳定；炉盖设立自动防爆装置，在紧急情况下避免造成人身伤害及设备损害事故。同时优化冶炼过程中负压控制指标，形成连续加料冶炼钛渣的关键技术。

5、定时对挂渣层进行维护；在炉次间隙通过炉门观察炉内熔池情况及挂渣情况，通过目视确定挂渣层的维护情况，在下一炉次及时、准确的通过边缘加料点加料至挂渣层较薄的位置，对挂渣层进行维护，保证一定厚度的挂渣层，减少高温熔体对炉衬的侵蚀，保证钛渣电炉长期稳定运行。

6、定时出渣出铁；延长冶炼时间可以提高单炉次出渣产量，但是冶炼效率会降低，电耗增加；缩短冶炼时间可以提高冶炼效率，但是单炉次出渣量会降低，炉前劳动强度大大增加，进而影响产量；通过分析钛矿的特点，结合合理的送电制度，制定合理的出渣、出铁时间，定时出渣出铁，确保单炉次出渣量及出渣效率的平衡，提高产量。

7、在炉前操作方面，渣铁分出，理论核算出渣量及出铁量，确保单炉次合理的出渣、出铁量，在堵口阶段使用高质量的无水炮泥进行堵口，堵口时保证堵口深度，尽可能在2.0米以上，开口方面坚持多钻少烧，保证钻口的准确度，可延长渣铁口使用寿命。

在设计创新方面，在基本操作技术的基础上，通过消化、吸收国外先进技术的同时，坚持自主创新，不断优化工艺及设备方案，对高温熔炼生产钛渣进行了创新优化。

1、设计合理的渣铁口中心距；合理的渣铁口中心距是保证钛渣电炉稳定出渣出铁的基础，渣铁口中心距主要影响冶炼过程中的铁水温度及冶炼容渣量。渣铁口中心距过大，容易使炉底死铁层变厚，冶炼过程中铁水温度低，容渣量过大，出铁时压力过大，铁水易喷溅，严重影响出铁人员的安全，且铁水温度低可能发生出铁困难的情况，对钛渣电炉极其不利；渣铁口中心距过小，铁水温度过高，易发生铁口跑铁、铁水穿炉等事故，且炉内容渣量变小，单炉次加料量就小，产量低，出渣频繁，炉前劳动强度极大。

2、电炉密闭；密闭电炉的关键在于电极密封，电极密封采用“一环耐高温密封座砖+一环辅助氮封+一环弹性机械密封”的3层密封结构，确保实现渣炉全密闭冶炼，热效率高，可大大降低电能消耗；煤气可进行回收利用，符合国家节能减排的政策方针；密闭炉体中的还原氛围也使得石墨电极氧化减少，石墨电极消耗降低；

3、加料密闭；在密闭的条件下进行加料，极大地减少了原料损失，资源利用率高，冶炼钛回收率高，TiO2回收率达96%；厂房环境干净整洁，减少了厂房内灰尘，优化了生产环境，利于职工身心健康；

4、自动化程度高，控制一体化；控制系统具有生产设备的连锁控制、生产过程控制、过程数据采集与监控、过程与设备状况的监控与报警、过程趋势数据的采集与处理、报表打印、画面显示、并完成现场设备、计算机系统与中央控制室之间的数据交换、信息和指令数据的传输等控制功能；

5、设计配备完善的电炉煤气输配系统；该输配系统是高钛渣项目重要的节能减排配套工程，电炉煤气输配系统配置配套的煤气柜及燃气锅炉。每年回收电炉煤气可生产6万余吨饱和蒸汽，拓展开发新产品，增加企业的经济效益。设计完善的电炉煤气氧含量和CO监控系统，一旦氧含量和CO超标，立即报警，连锁处理，确保电炉煤气输配系统的安全性。

通过关键装备研究、工艺优化及设计创新相结合，实现新疆地区钛精矿大型电炉冶炼钛渣连续治炼、连续加料运行成套工艺技术，全面提升新疆地区钛精矿冶炼钛渣的产业化水平。

四、环保与资源再利用：高温熔炼法的可持续性优势

高温熔炼生产钛渣，不仅带来了工艺上的便利，还具有显著的环保和资源再利用优势。它在可持续性方面、环境保护方面和资源管理方面，同样具有重要的贡献。

1、高温熔炼生产钛渣在环保方面的优势显而易见。相对于传统冶炼方法，高温熔炼生产钛渣的工艺流程更为简短，熔炼过程中几乎不产生固废和废水，极大减轻了废物处理和废水处理的负担。此外，高温熔炼法采用高温熔融的方式，不需要大量的化学试剂，减少了化学品消耗，降低了对环境的化学污染。因此，它是一种更环保的冶炼方法。

2、高温熔炼法的可持续性体现在资源再利用方面。传统冶炼方法往往只能部分回收，熔炼法生产钛渣能够更全面地回收和利用钛资源，回收率高，降低了资源浪费，有助于实现资源的可持续利用。这对于钛材料工业来说尤为重要，因为钛是一种稀缺的金属，有效的资源管理对于维持产业供应至关重要。

3、随着环保法规的日益严格和社会对可持续发展的要求不断增加，传统冶炼方法的局限性变得越来越明显。高温熔炼法以其环保和资源再利用的优势，成为了现代工业生产中的重要选择。它不仅在钛渣冶炼中有广泛的应用，还为其他冶炼过程的改进提供了有益的启示。因此，高温熔炼法的推广和发展将有助于工业领域向更加可持续和环保的方向迈进。

总结而言，熔炼法生产钛渣在钛渣冶炼中的应用不仅提高了生产效率和工艺流程的简便性，还在环保和资源再利用方面具有显著的可持续性优势。它减少了废物排放，降低了化学污染，有效地回收了稀缺资源，使用新工艺为现代工业生产带来了新的可能性。因此，高温熔炼法的发展和应用是当前工业领域中的一个重要趋势，将为可持续发展和环境保护作出积极贡献。

结语：

高温熔炼生产钛渣作为一种环保、高效且资源可持续利用的钛渣冶炼技术，为钛材料工业带来了积极的变革。通过采用先进的生产工艺，提高生产过程自动化程度，不断优化现场生产环境及劳动强度，从而使铁渣生产连续化、自动化、大型化、清洁化成为可能。随着工业界对可持续发展的需求不断增加，高温熔炼生产钛渣在钛产业链中将继续发挥重要作用，为现代工业迈向更加环保和可持续的未来铺平道路。高温熔炼钛渣先进生产技术的推广将有助于改善生产效率、降低环境负担，并更好地管理有限的资源，同时也将会对我国新疆地区钒钛磁铁矿的开发利用产生更加积极的影响，进一步加快新疆地区钛矿资源开发利用，为新疆经济发展贡献力量。

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计划类别：创新型产业集群培育发展--新疆钒钛磁铁矿富集及提取工艺技术开发

项目（课题）编号：2022LQ01006