国外矿热炉技术发展现状浅析

国外矿热炉技术发展现状浅析李静隋欣杨宝玉闫志新中钢集团吉林电器设备有限责任公司吉林中国摘要通过对德国西马克公司矿热炉技术开发应用情况、芬兰欧托昆普及GLPS公司技术在南非应用情况的简单介绍，了解国外矿热炉技术发展动态，为我国矿热炉技术研发提供一点参考。

关键词矿热炉埋弧炉直流等离子炉概述在世界铁合金生产过程中，原料供应和生产成本始终处于最重要的地位。

南非因为拥有丰富的矿产资源，长期以来铁合金生产一直处于领先地位。

随着时间的推移，优质矿产资源日益减少，加上环境保护意识的增强，有效利用劣质矿产资源，降低生产成本成为铁合金生产商不断追求的目标，矿热炉生产技术的发展主要就是围绕这条主线展开的。

一、原料美国政府地质局最新调查表明[1]：世界铬铁矿资源总量超过120亿吨。

世界上铬铁矿资源丰富的国家主要有南非、哈萨克斯坦、印度、巴西等国。

南非和哈萨克斯坦是世界上两个铬铁矿资源最丰富的国家，其铬铁矿资源量约占世界铬铁矿资源量的95％。

全世界商品级铬资源（Cr2O3 45%）大约在4.74亿吨。

南非占全世界经济储量的75%，全部储存在布什维尔德杂岩体[1]。

最大矿山体是LG3和LG4铬铁矿层，在布什维尔德杂岩体西部，Cr2O3 50%、Cr/Fe=2.0。

经济分组是LG6、Cr/Fe=1.5-2.0，MG1/2、Cr/Fe=1.5-1.8和UG2（见表1）[2]。

UG2、Cr/Fe =1.3-1.4是铂族金属的主要来源。

表1 UG2、MG2和LG6铬矿组分、尺寸分布和平均颗粒尺寸象铬矿一样，南非大量的锰矿集中在西北地区卡拉哈尔锰矿。

据美国地质局最新调查表明南非占全球已探明锰矿储量的80%。

南非锰矿有两种类型：一种是碳酸盐型，品位低（含锰38%）、Mn/Fe比高（含铁4%），另一种是硅酸盐型，品位高（含锰40%-48%）、Mn/Fe比低（含铁18%-12%）。

与铬矿和锰矿相比，矿石中钒含量很低，通常在2%左右。

据美国地质局估计全世界钒矿储量为6300万吨。

因为钒通常以副产品或联合生产方式回收，实际供应量还要低。

二、铁合金矿热炉现状德国西马克公司1906年提供全世界第一台埋弧炉，从此，埋弧炉被广泛应用在铁合金、有色金属或其他专业工业领域[5]。

在这项技术发展过程中，该公司不断研发出效率更高、使用寿命更长的设备来。

例如：1906年的第一台直流单电极还原炉(1.5MVA)。

1911年的第一台3电极还原炉。

1913年的第一台6电极还原炉。

1935年的15MVA 圆型矿热炉。

1953年的40MVA 大容量矿热炉。

1956年，低感应高电流补偿电路。

1958年，液压控制电极柱。

1959年，60MVA大容量矿热炉。

1966年的密封电极柱。

1969年的大容量硅铬合金矿热炉。

1971年的大容量硅矿热炉。

1975年的第一台大规模炼钢直流矿热炉。

1980年的84 MVA 矩形矿热炉。

1982年的108 MVA 圆形密闭矿热炉。

1992年的第一台钛熔炼导电炉底。

1992年的最大102 MVA 硅锰/锰铁矿热炉。

2001年的直流钛熔炼矿热炉。

2002年的连续运行圆形洁净铜炉渣矿热炉。

2003年的大容量矩形矿热炉侧壁铜冷却系统。

2004年的连续运行矩形洁净铜炉渣矿热炉。

2004年的120 MVA带可控硅整流器和铜冷却系统的高容量矩形矿热炉。

2006年，试验场用直流电处理贵金属（PGM,Cu,Co,etc.)炉渣装置。

2009年的开发70MVA大型直流铬铁矿热炉。

在矿热炉技术发展过程中，芬兰欧托昆普公司技术也具有一定的代表性，在南非的大型矿热炉主要由该公司提供，其产量占南非铬铁产量的近一半[4]。

下面主要从传统交流埋弧炉和直流等离子炉两方面进行浅述。

(一)、传统交流埋弧炉目前铁合金生产使用最流行的矿热炉是3电极和3台变压器单独供电的封闭型交流圆形埋弧炉，富含一氧化碳的烟气通过发电、生产蒸汽或用于加热等进行二次利用。

传统埋弧炉的原理主要是把电能利用负载或熔化炉渣的电阻转化为热量。

热量由碳素电极传导到炉底。

矿热炉的功率等于电阻和电极电流平方的乘积。

典型的矿热炉采用有渣操作，炉体主要为圆形，炉壁分别带有出渣口和出铁口。

分别通过排出口出渣和出铁。

炉壁砌有耐火材料炉衬，侧壁冷却系统进行水冷却，炉底通常采用强风冷却。

电极系统由自焙电极、电极把持器、电极升降装置和电极压放装置组成，电极系统的操作主要采用液压系统完成。

自焙电极由电极壳和在壳内充填的电极糊组成，随着电极的不断消耗，电极壳定时一节一节地焊接起来，电极糊要定期地填充。

供电系统通常由变压器、短网和高低压控制设备组成。

电炉变压器二次侧电压低、电流大，电压调节范围宽，大都采用有载调压。

短网为变压器二次侧到电极的一端大电流导体，又称二次母线，由硬母线和软母线两部分组成。

硬母线大多采用铜管制作，内部通水冷却，可提高载流能力。

软母线使用裸铜复绞线、薄铜带或水冷电缆，为最大限度降低阻抗，在布置上从变压器到电极之间距离尽可能短，且正负极交错排列，相互靠近；三相短网大都采用角接方式，亦即在电极上完成三角形连接方式。

大型电炉使用三台单相变压器供电，各变压器互成120度角，呈三角形布置，可使短网最短且三相阻抗均衡，降低短网损失，提高电炉的热效率和功率因数。

1、铬铁现在，绝大多数铬铁在传统的交流矿热炉中采用炉料生产。

为了降低生产成本，常常在回转窑、环形加热炉（RHF）或预加热立炉中对矿石进行预加热，预加热（特别是立炉）的使用，使交流埋弧炉电能消耗降低。

这种应用主要在南非，因为南非铬矿容易碎，在进入大型封闭矿热炉前需要进行结块处理。

拥有造球、烧结和预加热专利的欧托昆普工艺在南非得到广泛应用。

该工艺包括磨矿、混合、造球、烧结、预加热，预加热后的炉料依靠自身重力向埋弧炉给料。

封闭式矿热炉有效地收集富含CO的烟气，用作矿热炉和烧结炉燃料使用[7]。

该生产工艺中造球/烧结占生产成本的10%，预加热占1%，熔炼占89%，比采用块矿和粉矿敞开炉或半封闭炉总生产成本低[8]。

存在的主要问题是设备利用率低，投资成本高[6]。

2、锰铁和硅锰合金：目前高碳锰铁和硅锰合金用烧结矿石冷料、块矿、熔剂和焦炭/煤还原剂加入埋弧炉生产。

使用密封炉的厂家还在厂内建发电机利用富含CO的矿热炉烟气发电，降低了每吨铁合金产生CO2数量，提高整体效率。

在法国，由西马克公司设计供应的世界上最大的锰铁-硅锰矿热炉运行很成功，该矿热炉加工从巴西进口的高含铝Carajas矿石。

该矿石主要作为烧结矿装入矿热炉，矿热炉直径近20米，变压器容量为102MVA[5]。

3、金属硅和硅铁大多数的硅铁和金属硅生产大型埋弧炉由西马克公司提供，这些矿热炉通常在12~22MVA容量下运行。

由于铝、硅和其他工业需求量的增加，导致高级硅需求量不断增加。

目前西马克正在供应两台矿热炉生产金属硅，每台矿热炉配备变压器总容量达30MVA （每台单相变压器容量为10MVA）。

金属硅年生产能力为2.4万吨。

第一台矿热炉已经于2010年第四季度投产运行。

4、镍铁当前，绝大多数镍铁在传统的交流电弧炉中生产。

通过技术改进保证了大型镍铁矿热炉运行的安全性和效率。

今天，现代化的镍铁埋弧炉以高效著称。

从技术、经济和操作立场看，60~70MW负载的标准矿热炉，最好选择矩形矿热炉，低于这个容量可首选圆形矿热炉。

最近，西马克公司开发了一种操作控制更好，功率输入更高、更有效，综合维修成本更低的侧壁冷却和整流控制系统新技术，该技术已成功应用在新加多利亚埃拉梅公司（Eramet in New Caledonia）新安装的熔炼炉上，以及即将在英美资源集团和巴西淡水河谷公司在建项目中[5]应用该新技术。

5、二氧化钛在钛铁矿熔炼过程中，预处理过的钛铁矿被熔炼成富含二氧化钛的炉渣和液体金属（生铁），绝大多数二氧化钛炉渣在交流矿热炉中生产。

6、目前存在的主要问题是[3]：（1）、与高炉相比，目前交流矿热炉生产能力偏低，规模效益没有有效的发挥出来。

为增加生产规模，按照比例放大后，电阻降低感抗增加，当感抗与电阻相等或大于电阻时，电极控制困难，并对基础电路造成污染。

（2）、三个电极都是相同电路的一部分，一个电极出现问题，电极之间的交叉影响会导致功率因数降低，制约矿热炉按比例放大。

（3）、自焙电极中存在与交流电有关的集肤效应问题，在自焙电极的碳质部分集肤深度大约在0.3mm~0.4mm。

当电极直径大于大约1.2m~1.5m时，出现电极重复破裂包括电极端部表面破损、电极不平衡、功率因数低、炉盖热、产品不合格、单位电耗高等问题。

（4）、随着全球资源环境压力的增大，含碳燃料燃烧发电变得不受人们喜欢，广泛使用核能会出现核废料处理问题，未来的电力生产趋向再生能源，太阳能和风能将成为典型的再生能源，这种可再生能源分布式发电单元数量的增加，需要配合智能电网调控，把铁合金矿热炉等用电大户纳入需求侧管理，其负载必须具有可调整性，而交流矿热炉不具有这种能力。

（5）、粉矿的大量使用，需要昂贵的造球工艺来满足不同炉料铬生产工艺要求，增加设备投资费用，而且设备利用率低[5]。

（二）、直流等离子炉（也称为直流电弧炉）[5] 现状1、西马克直流炉该种直流等离子炉的机械功能和电功率传递原理与传统交流电极柱相似，炉型通常为圆形，在主要生产过程中，电能依靠电极端部和炉渣熔池之间的电弧转化为热能，电极的上端部与阴极链接，导电的底部系统与阳极链接。

西马克公司拥有直流底部阳极如导电炉底（Concast）,触针式（DEMAG）,棒式（GHH）等专利最多[5]。

典型直流等离子炉拥有带有1~3个出渣口和1~2个（低位）出铁口的敞开式熔池。

在炉盖和侧壁有高级冷却系统布置。

直流等离子炉通常利用开弧操作，在熔池中喷射效应把单一电弧周围变为集中加热区，炉料熔炼速度快，炉料还可以通过空心电极系统（HES）直接进入到电弧中。

直流电弧输入功率与炉料组分无关由电弧长度确定。

电极消耗取决于矿热炉生产工艺。

电极被周期性地用一段新电极壳接长，电极由电极把持器控制。

西马克公司还为直流等离子炉专门设计了E-电极柱。

为了利用一氧化碳气体、降低空气污染，直流电炉通常被设计成封闭式。

直流等离子炉允许使用粉矿（<6mm，90%<1mm）和铂族金属熔炼(UG2)尾渣, 不需要昂贵的结块设备（造球），用煤和无烟煤替代焦炭作为还原剂。

廉价的粉矿降低了总生产成本，因此这种矿热炉技术被认为是铬铁合金生产成本最低的一种技术。

西马克公司最近在哈萨克斯坦的Kazchrome安装了4 X 72 MW世界上最大的、最现代化的、直流熔炼技术的直流矿热炉。

这套装置年产大约44万吨。

该厂每年还生产中碳铬铁5万吨[5]。

2、GLPS直流电弧炉GLPS公司直流电弧炉技术也具有一定竞争力。

如，2009年5月，萨曼科铬业公司米德尔堡铬铁合金厂新建了一台由GLPS公司设计的、带有直流供电系统的6万KW直流电弧炉，它熔炼德兰士瓦铬铁粉矿，铬回收率高，不产生6价铬污染。