续热式电熔刚玉合成装置与生产工艺的实践与发展

续热式电熔刚玉合成装置与生产工艺的实践与发展

——兼述解析Z L 2013 1 0571224. 3

张平

核心提要：

1、煅烧后的高温铝土矿石直接投入电熔刚玉合成装置，可获得800℃的冶炼起始温度，大幅降低产品耗电。

2、利用煅烧后的高温铝土矿石对辅料（C、Fe）进行预热，促进刚玉电热高温化合反应速度，大幅提高小时产量。

3、使用一台冶炼变压器配置六相电极和集束式新型短网结构，使电炉有关参数趋于合理，自然功率因数因此提高4-5个百分点，减少无功损耗，降低电极消耗，系统节能效果显著。

4、实现大型电炉柔性冶炼，一套刚玉合成装置可同时生产多品种产品，适应市场多种需求。

一、现存电熔刚玉合成装置与生产工艺的基本概括

倾倒炉合成刚玉制造工艺自1971年国内首台装备投产至今已近半个世纪，成为目前国内刚玉制造业的主流设备，约占合成刚玉制造产能80%以上。

倾倒炉合成刚玉制造工艺取代原“固定炉”刚玉制造工艺的主要优势：同比单位产品耗电下降10%以上；同比小

时产量提高15-20%；炉渣提纯为低硅铁有了商品价值；产品直接制造成本显著下降，企业效益大幅提升。

倾倒炉合成刚玉制造工艺经过多年的发展不断进步：二次短网使用“通水电缆”取代“软铜带”；倾动机构使用“液压装置”取代“齿轮传动”；电炉变压器容量由初期的2500KV A/台扩大到10000KV A/台；单台合成装置的产能规模和企业产能规模持续增大。

伴随着倾倒炉合成刚玉制造工艺不断发展和完善，相比其“硬件”的长足进步，“软件”的发展却令人遗憾：粗放的传统工艺观念制约了应有的技术进步；狭隘的行业目光妨碍了吸收现代科技理论和方法；业内大型国企的衰落与中小型民企的兴起在抢占市场中“裸战”，企业资金无暇技术研发与技术储备。硬件与软件发展的严重不平衡导致系统“短板”缺陷：同比单位耗电指标四十余年“原地踏步”，且伴随电炉功率的增大还有升高趋势；同比单位功率小时产量指标四十余年无显著提高，且伴随电炉功率的增大还有下降趋势；同比单位产量耗电极指标四十余年无显著改善，且伴随电炉功率的增大呈上升趋势。上述多年累积的基本缺陷问题不加以解决，对于产业的技术进步与行业的健康发展将构成严重阻碍！

二、续热式电熔刚玉合成装置与生产工艺的缘起

关键词：“续热”是指：为实现某种热工目的，在制造

工艺流程中获得初始热后，持续保持已获得热量和温度，并以较少再加热保持或提升已获得的热工状态。

通过对刚玉制造过程续热温度值峰谷现状分析（见图一）可以观察到：三峰夹两谷状态，既煅烧后的热矿石从1250℃高温冷却至常温，再投入电炉加热到2000℃以上高温状态，出现第一个两峰夹一谷状态，间接丢失已获得温度1250℃（约折合热损3000000KJ/t熟矿）。如若考虑高级产品的再熔工艺，则出现冶炼熔液从2000℃以上高温状态冷却至常温结晶，再拉升至1500℃以上高温状态，形成第二个两峰夹一谷状态，间接损失已获得温度1500℃（折合电损1400kwh/t刚玉）。从续热概念推荐的理念分析，“温度峰值”是产品合成需要的热工状态。“温度谷值”由于人为构造的工艺流程出现间断点而导致的热损状态。消除人为构造的热损状态首先要消除工艺流程间断点，为实现续热工况创造条件。

图一刚玉制造过程续热温度值峰谷现状分析

关键词：“短流程”是指：为实现高效率目的，对制造工艺流程中不连续的时、空间断点进行有机的压缩重组而采取的一种集成方法。

➢针对“人为构造”出现的工艺流程间断点我们构造了连续式阶梯型短流程制造工艺（见图二）。其主要特征：图二连续式阶梯型短流程制造工艺构造

1、“续热”特征；从原矿煅烧升温起至熔液调质结束，期间产品制造需要的工作温度持续保持。

2、“短程”特征；压缩重组了工序衔接方式，其时、空间断式衔接转换为连续式衔接方式，为“续热”提供平台。

3、“阶梯”特征；产品制程温度始终在800℃—2000℃之间，产品制程形态变化呈固态—液态—固态，高温物料移动宜由高至低阶梯式下移，反之实现难度极大。

续热式电熔刚玉合成装置以连续式阶梯型短流程制造工艺构造得以实现：实践中利用高温旋窑将煅烧后的高温铝土矿

石直接投入电熔刚玉合成装置，可获得800℃以上的冶炼起始温度，大幅降低产品耗电；同时利用煅烧后的高温铝土矿石向电炉方向阶梯下行高温输送流动中，对配入的常温辅料（C质材料、Fe质材料）进行预热，去除常温辅料自然携带的吸附水、结晶水及挥发物，有利于炉况平稳控制，促进刚玉电热高温化合反应速度，大幅提高小时产量（见图三）。

图三连续式阶梯型短流程工艺机械化示意

三、电熔刚玉合成装置大型化面临的困境

关键词：“大型化”是指：在现有工业技术基础条件下可以实现的经济规模。

伴随我国工业技术基础水平的不断提高，“经济规模”提供的良好效益推动企业规模不断扩大，同时推动电熔刚玉合成装置大型化持续发展。经历大约25年时间，电炉容量很快由2500KV A，5000KV A, 7500 KV A, 10000KV A四个阶段迅速站

上了万级千伏安容量的大功率合成刚玉平台，进入刚玉制造全球领先梯队。

刚玉大功率合成装置在快速提高单台设备产能的同时也面临许多新的待解决问题，并成为制约合成装置大型化发展的瓶颈。世界上诸发达国家大型刚玉合成装置的衰退也在一定程度上表明遇到“尚未解决”的问题。

1、电极截面积与高功率大电流的矛盾在技术层面制约电炉大型化。国内某企业刚玉合成装置容量有3000KV A、5000KV A、7500KV A三种炉型，历史上曾经历过全部使用直径500mm电极冶炼，电极电流密度由8A/cm2攀升至10A/cm

2、12A/cm2，单位产品耗电由2300kvh/t攀升至2350kvh/t 、2400 kvh/t以上; 单位产品电极消耗由13kg/t攀升至14kg/t、15kg/t 甚至更高；炉缸中的熔液温度亦提高100℃有余。电极电流密度的提高与刚玉单位产品耗电的提高、单位产品耗电极的提高、熔液温度的提高有强相关线性关系。

2、大直径电极价格显著高于小直径电极的矛盾在经济层面制约电炉大型化。显然要解决上述制约需要选择大直径电极，以期降低电极电流密度，降低产品单耗，获得较好收益。但大直径高功率电极价格显著高于一般直径电极价格，降低电极电流密度，降低产品单耗获得的好处被购买大直径电极付出的高价格所抵消。

3、伴随电炉功率的增大，二次侧供电系统电损同比例增