CN103964437B - 一种控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，当炉底上涨未超过反应炉的出渣口上限位置时，在熔化升温阶段，采用第一输入功率进行送电，第一输入功率为反应炉的额定功率的50～90％；在碳化还原阶段，降低输入功率至第二输入功率进行送电，第二输入功率为反应炉的额定功率的45～65％；在出炉排渣阶段，提高输入功率至第三输入功率进行送电，第三输入功率为反应炉的额定功率的75～95％，并控制出炉排渣后的炉底残渣量不超过反应炉的出渣口上限位置。当炉底上涨超过反应炉的出渣口上限位置时，进行化渣操作使炉底残渣量不超过反应炉的出渣口上限位置后进行生产。本发明有效地解决了还原过程中因碳化钛的沉积造成的炉底上涨问题。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及采用碳热还原法制备含碳化钛物料的工艺，更具体地讲，涉及一种控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法。
背景技术
碳化钛由于具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、高强度、高硬度、导热导电等优异性能，被用于制作金属陶瓷、切削刀具材料、耐磨耐火材料、耐热合金、硬质合金等，在冶金矿厂、机械、化工、微电子、航天航空和国防等高新技术行业有着广泛的应用。
采用含钛氧化物的原料在电炉或矿热炉中通过高温碳热还原反应即可制备碳化钛，但所制的碳化钛通常纯度不够。若原料中含有过多的杂质，则碳热还原后的产品碳化钛浓度低、含量少，如单独提纯，不但工艺复杂而且成本较高。这样生产出来的含碳化钛的炉渣通常用作炼钢工业中的脱氧剂、耐火补炉料或者用作制备四氯化钛、氮化钛的原料。若采用的含钛氧化物原料是钛冶金生产过程中的一些低品位含钛废料，则不仅可提高钛利用率，还可大大提高企业竞争力。
在采用高温碳热还原反应制备含碳化钛的炉渣及一些其他含碳化钛物料时，由于碳化钛是一种高熔点化合物(3160℃)，在碳热还原过程中，其呈固体颗粒存在于高温熔体中，再加上比重大，会向炉底沉降、富集，增加炉渣黏度。碳化钛的大量富集，使得炉底熔渣丧失流动性，当碳化过程结束后，堆积在底部的熔渣无法随上部炉渣熔体从炉内流出，残存在炉底，造成出炉不畅和出炉不尽的现象，导致炉底逐渐上涨。
炉底上涨不但会降低炉容利用率，还容易给出渣过程带来不利影响。炉底残存的碳化钛炉渣冷凝固结在底部，像石头般坚硬且堵住出渣口，阻碍炉渣顺利流出，必须通过吹氧等措施使渣口附近的凝固体氧化熔融，打通细小出口后才能勉强排渣。并且，炉底上涨时的吹氧过程不但耗时耗气(通常长达半至一个小时)，最主要是这个漫长的过程会加剧碳化钛的沉降，造成恶性循环，以致死炉停产。例如，某试验厂在采用含钛废料碳热还原制备碳化钛的过程中，最高时炉底残留渣量达10余吨多，大大抑制了每一炉的加料量，炉底残渣还容易损耗电极，在耗氧量及耗电量严重增加的同时由于实在无法吹开出渣通道而最终被迫停止生产。冷却后的碳化渣硬度相当大，人工清炉工作强度高，劳动时间长，清炉过程中还会破坏炉体、炉口耐火材料，减少炉体使用寿命，只能重新修砌以开始新的生产。
在生产过程中，严重的炉底上涨导致整个生产线不能连续正常运行，既降低了设备作业率，又影响了产量，大大降低了企业技术经济指标。因此，寻求一种因碳化钛或类似于碳化钛性质的物料造成的炉底上涨的控制技术，对生产这一类物料或熔渣的企业具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的在于解决上述技术问题中的一个或多个。
本发明的目的在于提供一种适用于解决含钛原料在电炉或矿热炉中通过高温碳热还原反应制备含碳化钛物料时炉底上涨问题的控制方法。
为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，所述碳化钛渣生产过程包括在反应炉内依次进行的熔化升温阶段、碳化还原阶段、出炉排渣阶段，当炉底上涨未超过反应炉的出渣口上限位置时，所述方法包括以下步骤：在熔化升温阶段，采用第一输入功率进行送电，所述第一输入功率为所述反应炉的额定功率的50～90％；在碳化还原阶段，降低输入功率至第二输入功率进行送电，所述第二输入功率为所述反应炉的额定功率的45～65％；在出炉排渣阶段，提高输入功率至第三输入功率进行送电，所述第三输入功率为所述反应炉的额定功率的75～95％，并控制出炉排渣后的炉底残渣量不超过反应炉的出渣口上限位置。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，所述反应炉的炉底为斜坡式炉底，所述斜坡式炉底的坡脚正对所述反应炉的出渣口。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，所述斜坡式炉底的坡面高50～200mm。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，所述反应炉中的电极处于低位以保证炉底熔渣的流动性。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，在控制堵口强度的情况下将反应炉的出渣口直径在正常设计值的基础上增大50～100mm，并控制出炉排渣阶段中的出渣口开口时间为5～20min。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，采用第一输入功率送电时控制电流为额定电流的70～90％，采用第二输入功率送电时控制电流为额定电流的55～75％，采用第三输入功率送电时控制电流为额定电流的75～90％且所述第三输入功率的送电持续时间控制为15～30min。
本发明的另一方面提供了一种控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，所述碳化钛渣生产过程包括在反应炉内依次进行的熔化升温阶段、碳化还原阶段、出炉排渣阶段，当炉底上涨超过反应炉的出渣口上限位置时，所述方法包括以下步骤：进行化渣操作使炉底残渣量不超过反应炉的出渣口上限位置后进行碳化钛渣生产；在熔化升温阶段，采用第一输入功率进行送电，所述第一输入功率为所述反应炉的额定功率的50～90％；在碳化还原阶段，降低输入功率至第二输入功率进行送电，所述第二输入功率为所述反应炉的额定功率的45～65％；在出炉排渣阶段，提高输入功率至第三输入功率进行送电，所述第三输入功率为所述反应炉的额定功率的75～95％，并控制出炉排渣后的炉底残渣量不超过反应炉的出渣口上限位置。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，所述化渣操作包括在反应炉内依次进行的熔化升温阶段、碳化还原阶段、出炉排渣阶段，并且具体包括以下步骤：控制每炉的加料量大于或等于正常加料量的1/3并小于最大加料量与炉底残渣量的差值；在化渣操作的熔化升温阶段，采用第四输入功率进行送电，所述第四输入功率为额定功率的70～90％，并延长熔化升温的时间以使炉底凝固的残渣成为流动的热态熔渣，在物料熔化后，加入碳质还原剂并控制碳质还原剂的加入量小于或等于正常加入量的2/3。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，所述化渣操作包括一炉或多炉。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，所述反应炉的炉底为斜坡式炉底，所述斜坡式炉底的坡脚正对所述反应炉的出渣口。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，所述斜坡式炉底的坡面高50～200mm。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，所述反应炉中的电极处于低位以保证炉底熔渣的流动性。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，在控制堵口强度的情况下将反应炉的出渣口直径在正常设计值的基础上增大50～100mm，并控制出炉排渣阶段中的出渣口开口时间为5～20min。
根据本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法的一个实施例，采用第一输入功率送电时控制电流为额定电流的75～90％，采用第二输入功率送电时控制电流为额定电流的55～75％，采用第三输入功率送电时控制电流为额定电流的75～90％且所述第三输入功率的送电持续时间控制为15～30min，采用第四输入功率送电时控制电流为额定电流的70～95％。
本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法现比于现有技术具有如下有益效果：(1)有效地解决了还原过程中因碳化钛的沉积造成的炉底上涨问题；(2)每炉的开炉口时间也得到大大的缩减，还原电耗、氧耗、电极消耗等都得到了降低；(3)设备作业率提高了，产量和生产效率都得到了大幅提升；(4)在炉底上涨后，采用本发明的方法进行化渣操作，能遏制炉底的持续上涨，避免了恶性循环，再也没有出现死炉、停炉现象，实现连续生产。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法。
本发明的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法适用于采取火法冶金碳热还原制备含碳化钛物料的工艺，尤其适用于采用热态低品位含钛原料在电炉或矿热炉中通过高温碳热还原反应制备含碳化钛物料的工艺，但本发明不限于此，本发明还适用于除碳化钛以外的具备类似碳化钛性质的物料所造成的炉底上涨的工况。
根据本发明，所述的碳化钛渣生产是指将含钛原料(如含钛高炉渣等)在电炉或矿热炉等反应炉中与碳质还原剂通过高温碳热还原反应最终生成碳化钛的过程。并且，本发明将上述碳化钛渣生产过程划分为在反应炉内依次进行的熔化升温阶段、碳化还原阶段、出炉排渣阶段，通过采取合理的供电制度来控制含钛氧化物原料的碳热还原反应过程，即在不同阶段采用不同的输入功率来控制炉况及反应进程，从而实现控制炉底上涨的目的。
并且，本发明的控制方法包括两种工况下的不同处理步骤，第一种工况是炉底上涨未超过反应炉的出渣口上限位置，则此时可以直接进行正常生产，通过生产过程中的控制实现炉底上涨的控制；第二种工况是炉底上涨超过反应炉的出渣口上限位置，则此时必须进行化渣操作使炉底基本恢复至原始状态，即炉底上涨未超过反应炉的出渣口上限位置时再进行正常生产。
下面将分别对上述两种工况下的控制方法进行具体描述。
当炉底上涨未超过反应炉的出渣口上限位置时，先在熔化升温阶段，采用第一输入功率进行送电，第一输入功率为所述反应炉的额定功率的50～90％。该步骤中采用较大功率送电的目的是尽快熔化物料形成大熔池，并保证该熔池具有均一的温度，避免出现炉体上部温度过高，而炉底及炉墙四周温度过低的情况。若炉底及炉墙四周温度过低，则这些区域的熔渣流动性较差，反应生成的碳化钛易沉积造成炉底上涨。优选地，采用所述第一输入功率送电时控制电流由最小电流稳步提升至额定电流的70～90％。
然后在碳化还原阶段，降低输入功率至第二输入功率进行送电，第二输入功率为所述反应炉的额定功率的45～65％。该步骤中控制的较低输入功率可以尽量使熔池处以一种流动起伏、微弱沸腾的状态，但是第二输入功率不可控制太低，否则还原反应不能进行或进行太慢。优选地，采用所述第二输入功率送电时控可适当降低电流为额定电流的55～75％，此时适当减少电流是因为该阶段送电只需维持还原反应所需的温度即可，且可避免出现大量的泡沫渣造成溢渣。
之后在出炉排渣阶段，提高输入功率至第三输入功率进行送电，第三输入功率为所述反应炉的额定功率的75～95％，并控制出炉排渣后的炉底残渣量不超过反应炉的出渣口上限位置。在该步骤中，再次提高输入功率以保证熔池的过热度并降低熔渣的粘度，从而增加碳化渣的流动性，延缓碳化钛的沉积，避免造成炉底上涨。优选地，采用所述第三输入功率时控制电流为额定电流的75～90％并且将第三输入功率的送电持续时间控制为15～30min以保证碳化渣的流动性和顺利排渣。
采用上述送电制度，可控制冶炼电耗最低，同时炉况最好，既可以保证产品质量，又能控制炉底上涨。
除了上述生产过程中的控制之外，本发明还对反应炉的结构进行了简单的改进以提高反应炉的排渣能力，进一步控制炉底的上涨。
一方面，将反应炉的炉底砌筑为斜坡式炉底，并且使斜坡式炉底的坡脚正对反应炉的出渣口，则有助于使沉积于炉底的残渣向着反应炉的出渣口方向流动，有利于排渣。根据本发明的一个实施例，上述斜坡式炉底的坡面高50～200mm。其中，本发明的坡面高度是指坡面最高点与水平炉底之间的高度差。
另一方面，无论在生产过程中的哪个阶段，在整个碳热还原反应的过程中，应使反应炉中的电极处于低位以保证炉底熔渣的流动性。其中，本发明的低位是指尽量靠近熔池的底部位置，因为熔池深度不同，无法准确限定其高度位置，本领域技术人员可以根据经验设置。
再一方面，在保证堵口强度的情况下，使反应炉的出渣口直径尽量大一些，例如将反应炉的出渣口直径在正常设计值的基础上增大50～100mm。并且在反应排渣阶段，需保证快速开炉，例如控制出炉排渣阶段中的出渣口开口时间为5～20min，优选为5～10min。
当炉底上涨超过反应炉的出渣口上限位置时，先进行化渣操作使炉底残渣量不超过反应炉的出渣口上限位置后再进行碳化钛渣的正常生产，并在生产过程中进行与炉底上涨未超过反应炉的出渣口上限位置时的操作相类似的控制步骤。
根据本发明的一个实施例，上述化渣操作也包括在反应炉内依次进行的熔化升温阶段、碳化还原阶段、出炉排渣阶段，并且具体包括以下步骤：控制每炉的加料量大于或等于正常加料量的1/3并小于最大加料量与炉底残渣量的差值，若此时加料量太少则不易起弧，若加料量太多则后期炉底冷渣熔化后液面会上升容易溢渣；在化渣操作的熔化升温阶段，采用第四输入功率进行送电，所述第四输入功率为额定功率的70～90％，同时适当地延长熔化升温的时间以使炉底凝固的残渣成为流动的热态熔渣并使整个熔池上部和下部的温度趋于均匀。优选地，采用第四输入功率送电时控制电流为额定电流的70～95％。
在物料熔化后，加入碳质还原剂使熔池具备一定的活跃度，并控制碳质还原剂的加入量小于或等于正常加入量的2/3。减小碳质还原剂的加入量是为了避免反应生成更多的碳化钛，由于炉底冷渣里的碳化钛含量非常高且残碳量也非常高，当炉底冷渣熔化后，这些碳还能参与炉内的还原反应，若再加入正常量的还原剂则会造成碳过量，碳化钛会大量产生并积聚炉底而造成炉底上涨，就达不到化渣的效果。其中，化渣操作的碳化还原阶段、出炉排渣阶段可以正常进行操作，本发明并不对其进行具体限制。
对上涨后的炉底进行的化渣操作可能是一炉也可能是几炉，但必须等炉底基本回到上涨以前的水平时方能恢复正常生产。
其中，在该工况下，对反应炉结构进行的简单改进可以跟前述工况下相同。例如，将电极设置为低位，将炉底砌筑为斜坡式炉底等。
采用上述不同工况下的控制方法能够在利用碳热还原反应制备碳化钛渣的过程中有效避免因碳化钛的沉积造成的炉底持续上涨，大大提高了设备作业率，增加了产量。如果因长时间的连续生产导致炉底明显上涨，则可采用上述化渣方法使炉底基本回到初始状态，避免出现因炉底严重上涨出现的停炉情况，实现连续稳定生产。
下面结合具体示例进一步说明本发明。
示例1：
采用一种钛冶金生产过程中的收尘物料作为含钛原料，其中的TiO2含量为27.29％，其余为铁、钙、镁、硅、铝的氧化物。将含钛原料与碳质还原剂混合均匀后加入到额定功率为3200KVA的矿热炉中，该矿热炉的炉底坡面高度为75mm，额定电流为21735A。在熔化升温阶段，控制电流为16000～18000A，控制此时的输入功率为2100～2600KVA；在碳化还原阶段，控制电流为13000～16000A，控制此时的输入功率为1700～2000KVA；在出炉排渣阶段，控制电流为17000～19000A，控制此时的输入功率为2400～3000KVA并控制持续时间为20～30min。
通过上述控制方法连续冶炼33炉次，TiO2的碳化率为85.22～95.18％，炉底高度平均波动2.7mm。
示例2：
采用含钛高炉渣作为含钛原料，焦丁作为碳质还原剂，将含钛原料与碳质还原剂加入额定功率为5000kVA的电炉中，该电炉的炉底坡面高度为135mm，额定电流为12230A。在熔化升温阶段，控制电流为9000～11000A，控制此时的输入功率为2500～4000KVA；在碳化还原阶段，控制电流为7000～9000A，控制此时的输入功率为2250～3250KVA；在出炉排渣阶段，控制电流为10000～11000A对熔渣进行最后的升温反应，控制此时的输入功率为3750～4750KVA，同时快速开炉，控制出渣口的开口时间为5～12min。
通过上述控制方法连续冶炼10炉以上，TiO2的碳化率达82％以上，炉底未见明显上涨。
示例3：
采用高钛型高炉渣作为含钛原料，焦丁作为碳质还原剂，将含钛原料与碳质还原剂加入额定功率为8500KVA的电炉中，额定电流为25000A。
电炉的初始重量为130吨，在起初未掌握上述控制炉底上涨的技术之前，电炉炉底持续上涨，电炉重达142.6吨，即炉底残渣约为10余吨。
先进行化渣操作，该电炉的正常装料量为18吨，最大装料量为25吨，炉底上涨后，控制装料量为6～12吨，并且将还原剂用量降至正常加料量的1/2～2/3。在化渣操作的熔化升温阶段，控制电流为18750A～22500A，控制功率为6000～7500KVA，且控制熔化升温时间较正常生产延长30～90min，使电极尽量处于低位并使熔池底部的凝固残渣尽可能化开。
在经过连续13炉的化渣操作后，电炉重量130.8吨，炉底基本恢复至正常的高度，化渣期间TiO2的碳化率平均为82.34％。之后进行正常的生产。
综上所述，本发明有效地解决了还原过程中因碳化钛的沉积造成的炉底上涨问题，大大缩减了每炉的开炉口时间，产量和生产效率都得到了大幅提升。并且在炉底上涨后，采用本发明的方法进行化渣操作，能遏制炉底的持续上涨，避免了恶性循环，再也没有出现死炉、停炉现象，实现连续生产。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。
Claims (14)
1.一种控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，所述碳化钛渣生产过程包括在反应炉内依次进行的熔化升温阶段、碳化还原阶段、出炉排渣阶段，当炉底上涨未超过反应炉的出渣口上限位置时，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在熔化升温阶段，采用第一输入功率进行送电，所述第一输入功率为所述反应炉的额定功率的50～90％；
在碳化还原阶段，降低输入功率至第二输入功率进行送电，所述第二输入功率为所述反应炉的额定功率的45～65％；
在出炉排渣阶段，提高输入功率至第三输入功率进行送电，所述第三输入功率为所述反应炉的额定功率的75～95％，并控制出炉排渣后的炉底残渣量不超过反应炉的出渣口上限位置。
2.根据权利要求1所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，所述反应炉的炉底为斜坡式炉底，所述斜坡式炉底的坡脚正对所述反应炉的出渣口。
3.根据权利要求2所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，所述斜坡式炉底的坡面高50～200mm。
4.根据权利要求1所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，所述反应炉中的电极处于低位以保证炉底熔渣的流动性。
5.根据权利要求1所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，在控制堵口强度的情况下将反应炉的出渣口直径在正常设计值的基础上增大50～100mm，并控制出炉排渣阶段中的出渣口开口时间为5～20min。
6.根据权利要求1所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，采用第一输入功率送电时控制电流为额定电流的70～90％，采用第二输入功率送电时控制电流为额定电流的55～75％，采用第三输入功率送电时控制电流为额定电流的75～90％且所述第三输入功率的送电持续时间控制为15～30min。
7.一种控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，所述碳化钛渣生产过程包括在反应炉内依次进行的熔化升温阶段、碳化还原阶段、出炉排渣阶段，当炉底上涨超过反应炉的出渣口上限位置时，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
进行化渣操作使炉底残渣量不超过反应炉的出渣口上限位置后进行碳化钛渣生产；
在熔化升温阶段，采用第一输入功率进行送电，所述第一输入功率为所述反应炉的额定功率的50～90％；
在碳化还原阶段，降低输入功率至第二输入功率进行送电，所述第二输入功率为所述反应炉的额定功率的45～65％；
在出炉排渣阶段，提高输入功率至第三输入功率进行送电，所述第三输入功率为所述反应炉的额定功率的75～95％，并控制出炉排渣后的炉底残渣量不超过反应炉的出渣口上限位置。
8.根据权利要求7所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，所述化渣操作包括在反应炉内依次进行的熔化升温阶段、碳化还原阶段、出炉排渣阶段，并且具体包括以下步骤：
控制每炉的加料量大于或等于正常加料量的1/3并小于最大加料量与炉底残渣量的差值；
在化渣操作的熔化升温阶段，采用第四输入功率进行送电，所述第四输入功率为额定功率的70～90％，并延长熔化升温的时间以使炉底凝固的残渣成为流动的热态熔渣，在物料熔化后，加入碳质还原剂并控制碳质还原剂的加入量小于或等于正常加入量的2/3。
9.根据权利要求8所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，所述化渣操作包括一炉或多炉。
10.根据权利要求7所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，所述反应炉的炉底为斜坡式炉底，所述斜坡式炉底的坡脚正对所述反应炉的出渣口。
11.根据权利要求10所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，所述斜坡式炉底的坡面高50～200mm。
12.根据权利要求7所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，所述反应炉中的电极处于低位以保证炉底熔渣的流动性。
13.根据权利要求7所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，在控制堵口强度的情况下将反应炉的出渣口直径在正常设计值的基础上增大50～100mm，并控制出炉排渣阶段中的出渣口开口时间为5～20min。
14.根据权利要求8所述的控制碳化钛渣生产过程炉底上涨的方法，其特征在于，采用第一输入功率送电时控制电流为额定电流的70～90％，采用第二输入功率送电时控制电流为额定电流的55～75％，采用第三输入功率送电时控制电流为额定电流的75～90％且所述第三输入功率的送电持续时间控制为15～30min，采用第四输入功率送电时控制电流为额定电流的70～95％。
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| CN101914788A (zh) * | 2010-07-26 | 2010-12-15 | 攀钢集团有限公司 | 一种制备金属钛的方法 |
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2014
- 2014-05-06 CN CN201410188332.7A patent/CN103964437B/zh active Active
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