1、電爐熔煉的基本原理作者：管理員 發(fā)表時間：2011-10-28 10:45:57 閱讀：次電爐熔煉實質(zhì)上可分為兩個過程，即熱工過程(如電能轉換、熱能分布等)與冶 煉過程(如爐料熔化、化學反應、銃渣分離等)。為了敘述方便，對電爐熔煉基 本原理，下面按電能的轉換、物料的熔化、熔煉反應及產(chǎn)物三個方面加以討論。1)電能的轉換如果向固體或液體通以電流，由于電阻的作用，電能轉變?yōu)闊崮埽捎媒苟愦?公式來確定：Q=|2Rt式中Q一熱量，J;I 一通過電阻的電流，A;R電阻，Q ;t 一時間，ho因為1J=0.239ca1或者0.239/1000kca1 ,并按歐姆定律IR=U,則上式可寫成：Q=0.239

2、/1000IUt (kcal)如果電能以千瓦計，在t小時內(nèi)將消耗：Q=IUt/1000(kWh)因為 1kW=0.239kcal.s -1,故 1kWh=0.239X 3600=860kcal,則 t 小時產(chǎn)生的熱量 為：Q=0.86IUt(kcal) x 4.184=3.6IU(kJ)電加熱廣泛應用在各種技術領域中對冶金工業(yè)尤為重要。在冶金工業(yè)中，電爐是 冶金爐的一個重要類型。配有一臺額定容量為PkVA的三相變壓器的電爐，當電爐負荷過到P額定時，其溶 池中產(chǎn)生的熱量按下式計算：。二版%汽啾|啦二剃& I.網(wǎng)川外4修中頡配有3臺額定容量為PkVA的單相變壓器的電爐，當電爐負荷過到 P額定時，其

3、 池的熱量按下式計算：Q=3X 860P額定 cos?t/1000=2.58I 相 U 相cos?t(kcal)=10.79I相 U相 cos?t(kJ)式中 Q熱量，kcal 或用 1kcal=4.184kJ ；P額定一變壓器的額定容量，kVA或kVVU線一線電壓，V;I線一線電流，A;U相一相電壓，V;I相一相電流，A;cos?功率因數(shù)；t 一時間,h 。圖1電爐陸域承圖I妒氣的說動工家中蛇生； 爐銀的愛誣蟆人J*配旭/史： 爐漫 UJitWASTUP SMt 傅一2）物料的熔化熔煉硫化礦石和精礦的電爐可以看作是高溫熔池，里面有兩層熔體（見圖1）,上面的爐渣層厚17001900mm下層厚6

4、00800mm裝到溶池中固體物料以料 堆的形式沉入渣層，形成料坡。物料靠以電能為主要來源的熱量進行熔化，電能通過 3根或6根電極送入爐內(nèi)。 電極插入渣層的深度為300500mm電能轉變?yōu)闊崮芫褪窃谠鼘又邪l(fā)生的。有 40% 80%勺熱量產(chǎn)生于電極一爐渣的接觸面上，其余部分的熱量則產(chǎn)生于處在電 回路中的渣層里。大部分熱量之所以產(chǎn)生于電極一爐渣的接觸面上， 是由于在電極工作端的周圍存 在著一個氣體層，這就是所謂的氣袋，電流以大量的質(zhì)點放電形式，即以微形式， 即以微弧的形式通過這個氣袋。氣袋是這樣形成的 ：由于電子流的機械壓力，熔 渣脫離電極，所形成的空隙便被由于電極燃燒所產(chǎn)生的氣體和由爐渣中逸出的氣

5、 體所充滿，這個氣體層具有很高的電阻。因此電流通過氣體層時產(chǎn)生很大的電壓 降，放出相應的熱量。在電爐電場中，從電極中心線起在靠近電極兩個電極直徑范圍內(nèi)，是熔池的導電部分（估而電流的90溢從電極中心線起一個電極直徑范圍內(nèi)通過的）。正是在 這個區(qū)域內(nèi)，電能轉變?yōu)闊崮埽h離電極中心線超過電極直徑的熔池部分，不在電的回路中，也不會產(chǎn)生熱量。電流通過電爐的線路有兩種：（1）由電極通過爐渣一鍥銃一爐渣一電極，即星形負荷。（2）由一根電極通過爐渣流向另一根電極，即三角形負荷。當電極之間的距離不變時，星形負荷和三角形的大小取決于電極插入渣層的深度、 渣層的厚度和爐內(nèi)料坡的大小。當電極插入深度不大時，三角形負荷

6、可達總負荷 的70%隨著電極插入深度的增加，三角形負荷逐漸降低，電極插入很深是，便 會降為30%-40%當電極向和插時，星形電流和三角形負荷逐漸降低，電極插 入深度成正比地增加，但是星形電流的增長速度大于三角形電流的增長速度。爐內(nèi)那些不產(chǎn)生熱量的部位，由于熔池內(nèi)部爐渣的對流運動，將熱能從熱處帶到 冷處而進行熱交換。爐渣的對流量是由于渣池各部分的熱量不同而造成的。 已經(jīng)指出，最大的熱量產(chǎn) 生于電極一爐渣的接觸區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，靠近電極表面的渣層已大為過熱，其溫 度可過15001700c或更高，由于渣中含有大量氣泡，具膨脹的結果，使它的密度大大減小，因此，靠近電極表面的爐渣和遠離電極的爐渣密度便產(chǎn)生

7、了差別。密度小的過熱爐渣在靠近電極處不斷上升而至熔池表面，并在熔池表面向四周擴散。過熱爐渣在其動動過程中與漂浮著的爐料相遇，使沉入熔池的料坡下部表面熔化。 運動著的爐渣與溫度低的熔化爐料混合后，在渣池順流向下沉降，到過電極下端附近，一部分爐渣則繼續(xù)下降至對流動動非常薄弱的渣池下層，在這里鍥銃和爐渣進行分離。熱渣在向遠離電極方向的流動過程中， 將自已的多余熱量傳給熔池 的較冷部分，從而維持了這一部分熔池的熱平衡。而那些熱渣很少流動的部位， 或者說溫度降低的部位，則熱量不足，溫度只有12501250C。爐子的四角、爐壁附近及電極下面的區(qū)域，這些地方就易生成爐結。爐渣的對流運動乃是電爐中一個最重要的

8、工作過程，對流運動確保電爐熔池中的熱交換和物料熔化的進行，物料的大量熔化發(fā)生在電極插入的熔池區(qū)域內(nèi)，也就 是發(fā)生強烈的對流循環(huán)區(qū)域內(nèi)。從電爐的平面看，這個區(qū)域是在從電極中心線起 1.52個電極直徑范圍內(nèi)。由于在熔池內(nèi)，電能轉換成熱能是不均勻的，因而熔池每個部位的溫度也不一致。 靠近熔體上層的溫度較高，低層較低。渣層在縱向和橫向上溫度是均勻的，只 垂 直方向有變化，主要是在電極以下溫度有變化，在電極插入深度范圍內(nèi)實際上是 等溫的，這可用其中存在激烈的對流熱交換來解釋。因熔池各部分受熱情況不同，顯然，爐料的熔化速度隨著與電極的距離增大而急 劇下降。因此，大部分爐料（80%-90%在距離電極中心線1

9、.52倍電極直徑 的范圍內(nèi)加入。3）熔煉反應及產(chǎn)物（1）熔煉反應電爐熔煉的物理化學反應主要發(fā)生在熔渣與爐料的接觸面上， 爐氣幾乎不參與反 應。因此電爐熔煉發(fā)液相和固相的相反應為主， 可以一次完成造渣和造鍥銃的化 學反應。加入電爐的物料，主要是精礦和焙砂，其次是煙塵、返回爐料及液體轉爐渣、熔 劑和碳質(zhì)還原劑等。銅鍥礦物料的礦想組成為：硫化物：FeG、（FeNi） S、CuFeS、CoS氧化物：FeQ、FeQ、NiO、CuO SiO2、MgO CaO AI2Q等；硅酸鹽：mMO.nSiO物料中還可以含有少量的硫酸鹽（MSO、碳酸鹽（MCO、 氫氧化物M （OH 2和貴金屬等。過熱爐渣在對流運動中與

10、物料表面相遇時，便將自已多潛余的熱量傳給物料。當物料加熱至1000c時，物料中便有復雜硫化物、某些硫酸鹽、碳酸鹽和氫氧化 物的熱分解發(fā)生，生成比較簡單而穩(wěn)定的化合物。如果入爐物料是焙砂而不是精 礦時，上述反應已在焙燒時完成。當物料加熱到11001300c時，主要是硫化物和氧化物之間的交互反應，反應產(chǎn)生的 Ni34、C12S、FeS CoSffi互熔合的液 態(tài)產(chǎn)物便是低鍥銃，其中溶解有少量的 FeO及Cu,Ni,Fe金屬和貴金屬。堿性氧化物（FeO,CaO,MgO?）與酸性氧化物（SiO?）發(fā)生反應，生成mMO.nSiO 型的各種硅酸鹽，這些硅酸鹽在熔融狀態(tài)下互相熔合， 產(chǎn)生了電爐熔煉的另一種

11、產(chǎn)物一爐渣。熔融狀態(tài)的鍥銃 和爐渣在熔池中因密度不同而分開。在物料受熱熔化時，除液態(tài)產(chǎn)物外，洞天福地產(chǎn)生氣體，如 &被氧化為SO。碳 還原MCT生的CO等，大部分氣體上升至熔池表面并進入爐空間隨煙氣排走， 少部分氣體則包裹在爐渣中，這就是爐渣含有大量氣體的原因。在電爐熔煉中，由于硫化物熱分解所產(chǎn)生的硫化亞鐵跟高價金屬氧化物反應，可使爐料中的硫被脫除一部分。當電爐熔煉未經(jīng)焙燒的硫化精礦時，脫硫率為 15%- 18%當熔煉焙燒后的精礦和適當加入碳質(zhì)還原劑時，則脫硫率要小得多。（2）熔煉產(chǎn)物電爐熔煉硫化物銅鍥精礦時，其產(chǎn)品有低鍥硫、爐渣、煙氣和煙塵。低鍥銃是冶 煉的中間產(chǎn)品，要送至轉爐工序進一步富集

12、。爐渣因含有價金屬低而廢棄。煙經(jīng) 收塵、制酸后排入大氣，而收得和煙塵則返回電爐熔煉。低鍥銃。主要由Ni3&,Cu2S,FeS所組成，此外低鍥銃中還有一部分硫化鉆和一 些游離金屬及合金。在低鍥銃中還溶解有少量磁性氧化。在電爐熔煉過程中，低鍥銃與爐渣分離的完全程度，主要取決于它們的密度差， 密度差越大，分離得越徹底，而低鍥銃的刻度取決于組成低鍥銃的各種硫化物的 含量。各種硫化物的密度不同，例如：FeS為4.6g/ cm 3, Ni3s2為5.3g/cm3,Cu2s 為5.7g/cm3,低鍥銃品位越低，也就是FeS含量越高，則低鍥銃密度越小。固體 低鍥銃密度一般為4.65.0g/cm3.熔融的低鍥銃

13、的密度稍小，因為在熔融狀態(tài)的 低鍥銃中熔解有一定量的二氧化硫氣體，使體積增大，密度減小。爐渣密度一般 在34g/cm3之間。金川公司冶煉廠電爐熔煉的低鍥銃中，鍥與銅的比例約為2:1 ,諾里爾斯克公司電爐熔煉的鍥與銅的比例約為 3:2。低鍥銃中鍥和銅含 量之和為15%-22%硫 含量在22%-27%圍內(nèi)波動。低鍥銃中的硫量不足以把其中所含的金屬全部硫 化物狀態(tài)，是由于低鍥銃中能熔解部分金屬。表1列出各廠電爐熔煉的低鍥銃成 分。表1電爐熔煉產(chǎn)出的低鍥成分（%實例企業(yè)名稱NiCuCoFeS貝辰公司7134.5 110.3 0.550542527北鍥公司7134.5 110.3 0.550532527

14、諾里爾斯克公 司12169120.4 0.5547492226湯普森公司1517248502527金川公司1218690.446502427從表1中可以 看到。銅鍥銃化礦石和精礦電爐熔煉得到的低鍥銃，其含鍥量波 動在7%- 18%E圍內(nèi)。電爐熔煉產(chǎn)出低外長銃 中各種金屬的含量，取決于它們 在入爐物料中的含 量、低鍥銃的產(chǎn)率越大，低鍥銃中有價金屬的含量（低鍥銃 品位）就越低。因此電爐熔煉的脫硫率越高，低鍥銃的產(chǎn)率越小，低鍥銃中有價 金屬的含量就越高。低鍥銃的熔點同其密度一樣，取決于組成低鍥銃的各種金屬硫化物的含量。對于 純硫化物的熔點Ni3s2為790C, C&S為1120C, FeS為1150

15、C。低鍥硫的熔點， 介于各種硫化物熔點之間。工業(yè)生產(chǎn)實際低鍥銃熔點均在10001050c之間，但礦熱電爐有過熱的特點， 從電爐中放出的低鍥銃的溫度因過熱而達到1250C,在這個溫度下，低鍥銃非常容易流動，很容易滲到電爐磚體的縫隙中和砌筑不嚴密處。因此在礦熱電爐和爐體砌筑設計中，對于低鍥銃 區(qū)采用濕砌方法，而且要求非常嚴格。止匕外，因 過熱的熔融低鍥銃頗具侵蝕性，能很好地熔解金屬鐵和鑄鐵件，因此放出低鍥銃 的溜槽均采用耐 火材料內(nèi)襯，盛放低鍥銃的包子也必須經(jīng)轉爐渣掛出保護層后 才使用。低鍥銃具有很好的導電性。在熔融的硫化物中，Ni38的電導率為最大，CiiS的電導率為最低，其變化順充為Ni3s2

16、 CoS FeS CuS。工廠產(chǎn)出的低鍥銃電導率 在11001350c是二股為(3545) X 102( Q .cm)-1 ,其數(shù)值大小取決于有關硫 化物的含量和熔銃的溫度。由于熔銃的導電性能接近于金屬，故在電爐操作中發(fā) 生翻料，鍥銃上浮與電極接觸后，易使電爐電流控制不穩(wěn)，發(fā)生過流跳閘事故。(2)爐渣。電爐熔煉產(chǎn)出的爐渣主要由以下5個主要成分構成：SiO2,FeO,MgO,Al2Q和CaQ它們的總和約占總量的 97%-98% 此外還含有少量 FeQ、鐵酸鹽以及金屬的氧化物和硫化物。電爐熔煉渣成分舉例列于表2。渣含金屬量取決于渣和低鍥銃的性質(zhì)、渣溫和操作技術水平,通常渣中金屬含量 (%)為:Ni

17、0.070.25, Cu0為50.10,Co0.0250.1。爐渣成分對爐渣性質(zhì)及金 屬損失的影響很大。在相同溫度下，隨 SiO2含量增高，爐渣導電性下降，粘度 升高，同時熱容量增大，爐粒料熔化加大了機械夾雜損失。因此，在電爐熔煉中， 為降低金屬損失，爐渣中SiO2含量控制在38%-41%：匕較合適。表2電爐熔煉的爐渣成分(%實例企業(yè)名稱NiCuCoFeOSiO2MgOCaOAl 2Q北鍥公司0.07 0.090.06 0.090.02524 2643 4518222.5 457貝辰加公司0.08 0.110.05 0.100.03 0.0428 3241 4312 2535810諾里爾斯克公

18、 司0.09 0.110.05 0.100.03 0.0428 3241431224688.512湯普森公司0.170.010.06475035 46546金川公司0.14 0.180.10.06304116193FeO能大大改變爐渣性質(zhì)，尤其是導電性。隨著 FeO含量增高，爐渣的導電性升 高，熔點降低，高鐵渣流動性好，但是密度大，低鍥銃和爐渣界面上的表面張力 降低，低鍥銃與爐渣分離條件惡化，導致金屬損失增加。此外，高鐵渣能很好地溶解硫化物，同樣會增加金屬損失。在熔煉過程中，渣中氧化亞鐵的合理含量為 25%- 32%FaQ是一種穩(wěn)定的化合物，它熔點高(1597C)、密度大(5018g/cm3)

19、,因而 在熔煉過程中的行為對熔煉過程有很大影響。電爐熔煉的爐渣和低鍥銃中存在著 一定數(shù)量的F&Q,其來源主要是焙砂、轉爐渣及爐料物理化學反應的生成物。由于電爐熔煉的爐渣過熱溫度高，爐氣中氧的分壓較低，以及爐渣在熔池內(nèi)的劇 烈運動，F(xiàn)eQ分解比其他熔煉方式更容易。但是，爐渣在高溫區(qū)對 FeQ的溶解 度大，進入沉淀區(qū)后爐渣溫度下降，F(xiàn)esQ在法中溶解度減小，便從法中析出。實踐證明，在電爐熔煉時，往往在低鍥銃和爐渣之間有一層隔膜，亦稱“粘75層”， 這是一種具有較高粘度、似半熔狀態(tài)的沉積物，影響爐渣與低鍥銃的沉淀分離， 使含鍥量升高。當?shù)湾涖|溫度過低時，易從中析出形成隔層，給生產(chǎn)操作帶來許 多麻煩。

20、生產(chǎn)實踐中，消除Fe3Q粘渣層可采取以下措施：降低工作電壓，將 電極插深，發(fā)提高熔池底部溫度，增大 FaO在熔渣中和低鍥銃中的溶解度，消 除粘渣層；往爐渣中加入一定量的碎焦，使Fe。還原成FeQ并適當提高爐料 中二氧估、化硅的含量，經(jīng)破壞FeQ;配入一定量的高硫精礦，一方面增加爐 料中FeS的比例，使Fe3。易于分解，另一方面，可以降低鍥銃品位，提高低鍥 銃 對FeO的熔解能力；加入生鐵或其他含鐵物料，使 FeO被金屬鐵還原后 與SiO2造渣；提高爐內(nèi)功率，升高熔池溫度，使 FeQ溶解度增大，分解反應 易于進行。上述措施中前兩種在生產(chǎn)實踐中經(jīng)常被采用，且效果好。采用加生鐵還原磁性氧化鐵，一般只用來處理爐內(nèi)局部凍結。至于配入高硫精礦只有在低鍥銃品位較高 時才被使用。在電爐內(nèi)處理轉爐渣也是渣中 FeQ的來源之一。轉爐渣是由硅酸鐵、游離二氧 化硅、磁性氧化鐵及少量的鍥銅與鐵的硫化物、鍥與鉆的氧化物等所組成的復雜 熔體。轉爐渣返回電爐的目的是為了回收有價金屬。液體轉爐渣注入電爐后， 被過熱100200C,使其粘度降低，因此，