CN101307386B - 矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热效率更高的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法及其装置。该冶炼方法增设了布料点和相应下料装置；用三维传热数学模型对各布料点进行温度模拟，据此调整其下料量。适用于上述方法的冶炼装置中，矿热炉本体内设置有测温装置，测温装置发出的信号输入到计算机，计算机输出相应的指令控制各下料装置，炉盖上增设了均布的布料孔及相应下料装置。本发明实现了根据熔池表面不同功率区域的化料速度调整下料量，保持了炉料层的固定厚度以连续进行薄料层钛渣冶炼，克服了厚料层周期冶炼的缺点，可显著提高大型矿热炉冶炼钛渣的热效率，同时缩短单位产量的冶炼时间；可预估铁水量和熔渣量，对后续工序操作给出指示，特别适用于大型矿热炉钛渣冶炼。

Description

矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法及其装置 

技术领域

本发明涉及一种电炉冶炼工艺及装置，尤其是一种特别适合于大型矿热炉采用的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法及其装置。 

背景技术

钛渣冶炼装置通常采用大型矿热炉。由钛精矿与焦炭混合而成的炉料存放在料仓中，料仓经由螺旋输送机和下料管与矿热炉炉体连接，矿热炉炉盖上设置的布料孔与下料管相适配，在炉盖上还均布有三根用于对矿热炉进行加热的电极，电极的电压和电流信号以及由此计算得到的功率信号显示在功率显示装置上，功率信号提示操作人员对电极升降装置进行控制，即当电极功率突然减小时判定为电极与铁水层接触并提高电极端面的高度。通常，将布料孔竖向对应的炉料料堆表面位置称为布料点，将一台给料器和连接该给料器和对应的布料孔的下料管统称为一组下料装置。 

矿热炉冶炼钛渣炉内热量传递与火焰炉不同，在火焰炉内炉料受热是通过料堆表面开始逐渐向内传递，而矿热炉冶炼钛渣的热量则是在炉料内部发生，炉料受热熔化与熔池热分布和热交换密切相关，所以钛渣冶炼过程的下料、布料工艺制度及控制方式直接影响着矿热炉的技术经济指标。在现有技术中，大型矿热炉钛渣冶炼所采用的冶炼方法是“四点布料、厚料层周期冶炼”的方法：所谓四点布料，是指设置在炉盖上的布料孔有四个，其中一个布料孔位于炉盖的几何中心点，另三个布料孔呈中心对称分布并位于三个电极之间；所谓厚料层周期冶炼，又称三步下料，是指冶炼过程中炉料的堆积厚度较厚，一个冶炼周期内通常下料3次，开始冶炼时，首先下料约50％，然后加热5h左右，其次再下料30％，加热约3h，最后加剩余的20％，加热约2～3h，其间根据电极功率的变化由操作人员操纵电极升降装置并逐渐提升电极，使被加热的炉料温度达1700～1750℃后出炉，完成一个冶炼周期，在一个冶炼周期内加入的炉料总重量为140～150t，持续时间为10～11h，电极也从炉内的最低点提升到炉内的最高点。 

综上，现有的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法包括下料控制步骤、功率反馈和电极升降步骤；下料控制步骤为固定的三步下料；功率反馈和电极升降步骤为冶炼开始时，操作电极升降装置，使电极处于炉内最低位置，冶炼开始后实时测量到的电极的电压和电流信号以及由此计算得到的功率信号显示在显示装置上，提示操作人员对电极升降装置进行控制，即当电极 功率突然减小时判定为电极与铁水层接触，此时缓慢提升电极，以提高电极端面的高度，增大电极的端面电阻使电极保持最大功率，直至电极从矿热炉最低位提升到最高位。 

应用上述冶炼方法冶炼时，炉料由料仓经过螺旋给料器和下料管并通过炉盖的布料孔向炉内下料，炉体内的炉料在电极电弧加热下，迅速熔化并流向位置较低的炉体内周边区域，对钛精矿进行还原，冶炼产生的铁水聚集到炉体的底层，中层为熔渣，上层为加入的炉料。加入炉内的炉料因钛渣炉料导热系数很低，料层具有良好的保温作用，试验表明炉料堆的浅层温度不超过100℃，仅在炉料堆与熔渣的界面以上200～300mm处炉料的温度可达1000～1200℃。生产过程中提高电极加热功率，当料面温度升高到一定值后，强烈对流运动渣流上的料团会打转翻滚，导致熔渣喷溅形成泡沫渣、电极周边电阻减小、电极断面功率密度下降、炉料温度降低而影响正常冶炼，造成冶炼时间延长，产量下降，能源消耗迅速上升。某公司用25MVA矿热炉并采用前述的冶炼方法，进行能量平衡实际测量，矿热炉的热效率仅为41％。 

发明内容

为了克服现有大型矿热炉钛渣的冶炼方法热效率低的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种热效率更高的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法及其装置。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法，包括下料控制步骤、功率反馈和电极升降步骤，并设置炉内温度测量步骤，由测温装置对炉内料面温度和烟气温度进行实时测量；在下料控制步骤中，根据由炉内温度测量步骤中测量的各布料点的料面温度发出指令控制该布料点的布料装置，实时调整下料量，即：用三维传热数学模型对炉内温度分布进行计算机模拟；将计算周期参数引入下料控制步骤，在每一计算周期结束时，执行炉内温度测量步骤，并将该步骤中测得的料面温度引入三维传热数学模型，对三维传热数学模型进行修正，得出各布料点的测算温度，根据测算温度得出相应的指令来控制相应的下料装置在下一计算周期的下料量。 

本发明的有益效果是：设置炉内温度测量步骤，由测温装置实时测量炉内的料面温度和烟气温度，并进而利用三维传热数学模型对炉内温度分布进行模拟，根据测量点的料面温度对三维传热数学模型进行修正，得到各布料点的测算温度，根据测算温度实时调整各布料点的下料量，从而实现了根据熔池表面不同功率区域的化料速度调整下料量，保持了炉料层的固定厚度以连续进行薄料层钛渣冶炼，克服了厚料层周期冶炼的缺点，可显著提高大型矿热炉冶炼钛渣的热效率，同时缩短单位产量的冶炼时间；同时，可以根据液面测量步骤中测得 的铁水层液面高度和电极高度，计算电极距铁水层液面的相对高度，预先估算出铁水量和熔渣量，对后续工序操作给出指示。 

附图说明

图1是本发明的料仓、加料装置及矿热炉的结构示意图。 

图2是本发明的矿热炉冶炼钛渣的冶炼装置的电极、布料孔和测温装置、液面测量装置分布的示意图。 

图3是本发明的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法的信号传递和装置的连接示意图。 

图中标记为，1-炉盖，2-布料孔，3-电极，4-测温装置，6-液位测量装置，7-料仓，8-给料器，9-下料管，10-矿热炉本体。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

如图1、图2和图3所示，本发明的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法，包括下料控制步骤、功率反馈和电极升降步骤，并设置炉内温度测量步骤，由测温装置对炉内料面温度和烟气温度进行实时测量；在下料控制步骤中，根据由炉内温度测量步骤中测量的各布料点的料面温度发出指令控制该布料点的下料装置，实时调整下料量。 

通过设置炉内温度测量步骤，例如在每个布料点均设置测温装置，由测温装置实时测量炉内的料面温度和烟气温度，根据由炉内温度测量步骤中测量的各布料点的料面温度实时调整该布料点的布料装置的下料量，即根据熔池表面不同功率区域的化料速度调整下料量，以保持炉料层的固定厚度，连续进行薄料层钛渣冶炼，克服了厚料层周期冶炼的缺点，从而可显著提高大型矿热炉冶炼钛渣的热效率，同时缩短单位产量的冶炼时间。 

为了使炉内温度测量步骤得到简化，减少测温装置的设置个数，可用三维传热数学模型对炉内温度分布进行计算机模拟；将计算周期参数引入下料控制步骤，在每一计算周期结束时，执行炉内温度测量步骤，并将该步骤中测得的料面温度引入三维传热数学模型，对三维传热数学模型进行修正，得出各布料点的测算温度，根据测算温度得出相应的指令来控制相应的下料装置在下一计算周期的下料量。 

所述三维传热数学模型可以为下述的模型：即由烟气温度根据下述公式推算理论料面温度，q＝f(T^4-T_f ⁴)，其中：q为热流；f为料面换热系数；T为理论料面温度；T_f为测温装置实测到的烟气温度；将实测料面温度与理论料面温度相比较，若两者之差的绝对值＞允许值，计算机自动调整料面换热系数，重新计算，直到实测料面温度与理论料面温度之差的绝对值≤允许值，然后根据此时的料面换热系数f计算炉内各点的测算温度。该允许值的取值以及 料面换热系数f的调整范围依各矿热炉冶炼钛渣的冶炼装置的工艺要求和冶炼试验的数据比对来确定。 

根据模拟方法和各个矿热炉本身结构、电极功率等的不同，也可以得出其它类似的甚至是更为精确的三维传热数学模型。对于同一矿热炉来说，如果经不断修正能得到一个足够精确的三维传热数学模型，冶炼进程中各阶段的理论料面温度能够被视为实际料面温度时，由实测料面温度验算理论料面温度的步骤还可以省略。 

此外，最好在下料控制步骤中增设布料点和相应的下料装置，从而更好地根据炉内温度分布和化料速度来控制下料量，提高热效率和缩短冶炼周期。 

为了方便操作人员直观了解冶炼情况，可以将各布料点的测算温度以三维图形方式在计算机显示屏上显示，即在计算机显示屏上显示炉体内的三维坐标，坐标分度可依显示要求确定，对各坐标点的测算温度进行显示输出。 

下料控制步骤中，“根据由炉内温度测量步骤中测量的各布料点的料面温度调整该布料点的下料装置的下料量”在有了计算机温度型模拟步骤后可采用这样的方式实现： 

在三维传热数学模型中设置标准高温值和标准低温值两个参数，下料控制步骤中，将各布料点的测算温度与标准高温值和标准低温值进行比较：当某布料点的测算温度高于标准高温值时，增加下一计算周期该布料点的下料量；当某布料点的测算温度低于标准低温值时，减少下一计算周期该布料点的下料量；当某布料点的测算温度处于以标准高温值和标准低温值为端点的闭区间内时，保持下一计算周期该布料点的下料量不变。 

根据一般矿热炉冶炼时电极周围料堆温度测算，可将上述的冶炼标准高温值确定为1350℃，标准低温值确定为1200℃，前述的计算周期可设置为3～10min，即能满足薄料层冶炼操作以提高热效率的要求，对于25MVA以上功率的矿热炉，计算周期宜控制在3～5min。 

此外，为了方便后续工序中对铁水和熔渣的处理，还可设置铁水量和熔渣量预估步骤，根据由液面测量装置测得的铁水层液面高度，以及电极高度，计算出电极距铁水层液面的相对高度，由于炉体内腔形状已知，由此可预先估算出铁水量和熔渣量，可于每一计算周期结束时更新一次预估结果，用于提示操作人员。 

如图1和图2所示，本发明的矿热炉冶炼钛渣的冶炼装置，包括料仓7、矿热炉本体10和炉盖1，下料装置与料仓7连接并对应炉盖1上的布料孔2，炉盖1上设置有均布的N个电极3，矿热炉本体10上设置有功率反馈装置和电极升降装置，各布料孔2相对于炉盖中心点对称分布，数量为“n×N+1”个，其中n为大于等于2的正整数；矿热炉本体10内设置有测温装置4，测温装置4发出的信号输入到计算机，计算机输出相应的指令控制下料装置。测温装置4一 般可采用热电偶。 

为了验证和提高温度模型的精度，所述的测温装置可安装至少两个，如将两个测温装置4分别安装于矿热炉本体10的不同位置，各测温装置发出的信号控制计算机，计算机输出的指令控制下料装置。 

为了方便后续工序中对铁水和熔渣的处理，矿热炉本体10内设置有液面测量装置6，液面测量装置6发出的信号输入到计算机，根据由液面测量装置6测得的铁水层液面高度，以及电极高度，计算出电极3距铁水层液面的相对高度，由于炉体内腔形状已知，由此可预先估算出铁水量和熔渣量。 

为了提高冶炼操作的自动化程度，还可将功率反馈装置的功率信号输入到计算机，计算机输出相应的指令控制电极升降装置。 

实施例： 

试验中采用本发明的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法及冶炼装置，实行料面温度及液位在线监控并应用炉温模型连续控制多点布料进行薄层钛渣冶炼。 

冶炼过程中，钛精矿与焦炭混合形成的混合料由料仓7，经过给料器8，由下料管9通过三根电极3周围布置的十九根下料管2向炉内连续加料，测温装置4在线连续测定矿热炉10内料面温度，液位测量装置6测定料面高度，前述的测量结果与功率反馈装置测得的电极功率作为输入参数传送到预先建立的三维传热数学模型计算理论料面温度，即理论料面温度由换热系数及测温装置实时测量的烟气温度由公式q＝f(T^4-T_f ⁴)确定，其中：q为热流；f为综合传热系数；T为理论料面温度；T_f为测温装置实测烟气温度。根据输入参数，三维传热数学模型在每一计算周期结束时在线实时计算一次被加热炉料的温度分布和炉内熔化的铁水量及熔渣量，然后将计算得到的理论料面温度与对应点实际测得的温度相比较，若两者差值的绝对值超过允许值30℃，自动调整料面换热系数，重新计算，直到理论料面温度与对应点实际测得的温度差值的绝对值小于允许值30℃，然后依据此时的料面换热系数计算出各布料点的测算温度并输出计算结果，在计算机屏幕上以三维图形方式在线显示矿热炉内不同区域的温度值，铁水量、熔渣量、料面高度及电极高度，为操作人员提供参照。同时，每个计算周期结束时，将计算得到各布料点料面温度与标准高温值1350℃和标准低温值1200℃进行比较，对超过标准高温值1350℃的布料点，控制对应的给料器8增加下料量，对不到标准低温值1200℃的布料点，控制对应的给料器8减少下料量，料面温度在1200～1350℃之间的布料点，控制对应的给料器8保持原来的下料量不变，以便保证炉内料面加热温度均匀。这种按熔池表面不同功率区域化料速度进行加料、布料，冶炼过程中连续下料，保持固定厚度连续整 体的料层进行连续薄料层钛渣冶炼，克服了厚料层周期冶炼的缺点。 

生产时，钛精矿与焦炭混合后进入料仓7，通过受控的给料器8和下料管9入炉，炉料在矿热炉10的中间部位呈锥形分布，中间高四周低，炉料在电极产生的电弧加热下，首先把电极端面的混合料迅速熔化，然后向四周发展，使熔化的料液流向熔池液面较低的位置，即矿热炉内的周边区域，对钛精矿进行还原。在混合料的熔化过程中，测温装置4实时测量炉内料面温度和烟气温度，液位测量装置6实时测量液面高度，并将测量结果传送到三维传热数学模型，对炉膛温度分布进行计算机模拟，根据计算结果发出指令到给料器，自动对料面温度高的区域多加料，反之少加料，同时也在操作室计算机屏幕上实时显示测量结果及温度模拟计算结果，为操作人员提供工艺优化运行参数。当熔池液位基本平衡，电极端面电阻减小，送电功率开始降低时，缓慢提升电极，使电极保持较高的端面电阻和最大的送电功率，屡次重复上述操作，直到电极从矿热炉最低位提升到最高位。 

理论计算，吨渣电耗可从目前的2800kWh/t降到2300kWh/t以下，一炉原料的冶炼周期由目前的11h缩短到5～7h，炉子热效率可从41％提高到65％以上。 

Claims (8)

1.矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法，包括下料控制步骤、功率反馈和电极升降步骤，其特征是：

设置炉内温度测量步骤，由测温装置对炉内料面温度和烟气温度进行实时测量；

在下料控制步骤中，根据由炉内温度测量步骤中测量的各布料点的料面温度发出指令控制该布料点的布料装置，实时调整下料量，即：

用三维传热数学模型对炉内温度分布进行计算机模拟；

将计算周期参数引入下料控制步骤，在每一计算周期结束时，执行炉内温度测量步骤，并将该步骤中测得的料面温度引入三维传热数学模型，对三维传热数学模型进行修正，得出各布料点的测算温度，根据测算温度得出相应的指令来控制相应的下料装置在下一计算周期的下料量。

2.如权利要求1所述的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法，其特征是：所述三维传热数学模型为：

由烟气温度推算理论料面温度，其公式是，

q＝f(T⁴一T_f ⁴)，其中：q为热流；f为料面换热系数；T为理论料面温度；T_f为测温装置实测到的烟气温度；

将实测料面温度与理论料面温度相比较，若两者之差的绝对值＞允许值，计算机自动调整料面换热系数，重新计算，直到实测料面温度与理论料面温度之差的绝对值≤允许值，然后根据此时的料面换热系数计算炉内各布料点的测算温度。

3.如权利要求1或2所述的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法，其特征是：在下料控制步骤中，增设布料点和相应的下料装置。

4.如权利要求2所述的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法，其特征是：各布料点的测算温度以三维图形方式在计算机显示屏上显示。

5.如权利要求1、2或4所述的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法，其特征是：

三维传热数学模型中设置有标准高温值和标准低温值两个参数，

下料控制步骤中，将各布料点的测算温度与标准高温值和标准低温值进行比较：

当某布料点的测算温度高于标准高温值时，增加下一计算周期该布料点的下料量；

当某布料点的测算温度低于标准低温值时，减少下一计算周期该布料点的下料量；

当某布料点的测算温度处于以标准高温值和标准低温值为端点的闭区间内时，保持下一计算周期该布料点的下料量不变。

6.如权利要求5所述的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法，其特征是：标准高温值为1350℃，标准低温值为1200℃。

7.如权利要求1、2或4所述的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法，其特征是：连续下料，计算周期设置为3～10min。

8.如权利要求1、2或4所述的矿热炉冶炼钛渣的冶炼方法，其特征是：设置铁水量和熔渣量预估步骤，根据铁水层液面高度和电极高度，计算出电极距铁水层液面的相对高度，预估铁水量和熔渣量。

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