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1、当代大容量镍铁冶炼工厂的设计R. Degel, J. Kempken, J. Kunze and R. KonigSMS Demag, Eduard Schloemann 4, Dsseldorf, GermanyE-mail: rolf.degelsms-, jens.kempkensms-. juergen.kunzesms-,roland.konigsms-摘 要镍铁生产工艺中大功率埋弧电炉占据主导地位，经常将冶炼厂设计成双线流程。为了发挥出更大的效率，对于矿物、还原剂和综合规划在工厂整体设计中寻求较好的相关性是非常重要的。本文将就镍铁产品的一般性质，针对大容量镍铁冶炼厂的设计原则，通过
2、一些创新实例和关于镍铁的研究方案进行详细综述。1 历史、应用和趋势埋弧电炉（SAF）技术应用的 100 年中，值得注意的成果是西马克德马格技术有限公司（SMS DEMAG） ，而回过头看，在冶炼技术发展的过程中 SMS DEMAG 扮演了重要的角色，也足以让我们感到自豪。表 1 主要使用埋弧电炉的工业使用工业 合金/产品钢铁工业（主要应用） 镍铁、硅铁、铬铁、锰铁及硅锰合金等钢铁工业（附加应用） 钨铁、钽铁、铌铁、硅钙合金、钒铁等有色金属工业 铜、铅、锑 /铋、锌、镍/铜锍、铂等耐火材料行业 刚玉、莫来石、电熔镁、电熔氧化物、矿渣棉等化学电子工业 碳化钙、钛渣、磷、结晶硅等在上世纪，埋弧电炉产
3、生了除冶金行业之外的令人惊讶的多种熔炼单位，迄今为止在超过 20 个不同的工业领域中得到应用，其中包括了铁合金、冶铁业、结晶硅行业、铜、铅、锌、耐火材料、钛氧化物制取、碳化钙、制磷和材料回收等行业门类。SMS DEMAG 公司研制发展这项技术超过了 100 年，已经向各个应用领域设计了 700 座电炉及其电炉零部件，不断地向各方面的用户提供着服务。这样的发展历程使我们在大型电炉的研制和设计中积累了更多的经验。2 在镍铁冶炼矩形电炉中的经验 截止目前，SMS DEMAG 公司在世界各地提供的大规模镍铁冶炼电炉是最多的，这些电炉分布在委内瑞拉、新喀里多尼亚、希腊和马其顿。在之前的 40 年中，我们
4、向各地提供了 40 座电炉，参考记录证明了我们在大型矩形电炉这里领域中的出众的市场地位。图 1 大规模矩形电炉所处的位置作为最成熟技术的代表，应当提到位于新喀里多尼亚的镍铁生产用电炉，该用户已经宣布了自己的意图，就是购买第二台与 99MVA 相同功率的电炉。我们已经提供的世界最大的电炉在巴西的 Onca Puma，是 CVRD 公司的分支机构。这是两座 120MVA 的电炉，设计的年平均生产能力是60000t 镍。新建的工厂不仅仅包含了当前最有效的科学技术，也要从逻辑角度考虑，灵活运用已经被证明的设计解决方案，从而保证顺畅操作，这座工厂预计在 2008 年投入使用。3 镍铁生产的普遍趋势和工业
5、需求镍铁生产的主要方式是通过埋弧电炉进行活法冶炼，而镍的湿法生产是使用高压酸浸工艺来完成的，到目前为止还没有资料显示符合经济性和获得技术津贴的湿法项目。由于埋弧电炉的强大竞争力，使得其作为大功率冶炼单元的先进设备，赢得了在铁合金行业中的主要位置。之前的十年中，众多的进步更加证明了大规模镍铁电炉操作上的高效性和安全性。 因为新兴的需求使得侧墙冷却和交流半导体控制的概念得以发展，这些容许了更加良好的操作控制、较高的更加高效的功率输入并减少了电炉的机械应力。侧墙冷却和交流半导体控制系统在新近安装完成的新喀里多尼亚的Eramet 应用中是非常成功的，它是世界大规模镍铁冶炼厂最有效的代表。更多的细节将在
6、后文中提及。另外的趋势是在设计中完成最大限度的可能容量，造成这一趋势的原因是：更高的能源效率更加安全和清洁的工作条件更少的备件和减少关键零件的磨损减少维护以便达到更高的工厂工作效率（98%）减少人工获得更低的生产和投资消耗获得高标准的环境在较低的投资前提下提高除尘效率就高的能源效率而论，可以依赖于容量开发的基础上将炉体设计成圆形或矩形。SMS DEMAG 公司能够承接 6070MW 以上载荷的电炉，从技术、经济性和操作上看，矩形电炉是最佳的解决方案。说到矩形电炉将会提到工艺种类，例如铜冶炼中的熔渣清理，10MW这种较小的矩形埋弧电炉是最好的解决方案。SMS DEMAG 公司向市场上引进了新一代
7、三根电极的矩形电炉。4 大规模镍铁冶炼厂的设计原则镍铁冶炼厂的组成部分是：焙砂运输系统熔渣和金属放出部件尾气排放系统精炼车间金属粒化车间每一个装置的能力都是经过计算后，按照工艺系统煅烧矿年平均用量这一原则，符合质量和能量平衡。 电炉内部容量的设计也是要与工厂的辅助系统和输送系统相适应的，一个完善的设计方案关键是能够满足工厂的整体规划，满足顺畅、平稳、灵活的操作运行，特别是物料运输系统和装料系统的合理性是非常重要的，此外还要考虑到一定的存储量。假设煅烧车间和冶炼单元以 95%的工作效率作为基础，那么整个工厂的工作效率接近于 90%，换言之就是年平均运行约 7900 个小时。对于一个大规模的镍铁生
8、产厂，以两台矩形电炉作为基础，SMS DEMAG 公司推荐推荐的双线流程见图 2。图 2 双线矩形电炉解决方案5 焙砂的运输热焙砂从回转窑向电炉料仓转移的时候是通过带耐火材料衬里的器皿运输的，这种运料包由运料车在回转窑卸料料仓下部的卸料点及电炉料仓间移动，有四台起重机轮番作业。这些起重机将盛料包提起到电炉料仓上部进行卸料，两台电炉中的每条料仓线与两台起重机相配合。两台运料车和两台起重机的能力配置与电炉进料仓主线相适应，确保了各组成部分的交替工作，这就允许如果运料车和起重机出现故障也能够确保电炉的操作运行的顺畅。该解决方案提供了最好的适应能力，这就实现了从生料进入到最终流出产品的整个路径清楚顺畅
9、。这证明了我们设计和生产的几个大规模工厂的系统效率具有最好的适应性。6 埋弧电炉6.1 埋弧电炉的原则埋弧电炉的原则是电阻加热，电能转换成热能并被负担的电阻或作用于熔化熔渣而减少，有些时候，例如镍铁生产的案例中，电极和熔渣之间的电弧为克服电阻而增强。图 3 SMS DEMAG 公司的六电极电炉图 4 镍铁冶炼电炉双线供料系统6.2 大规模镍铁冶炼矩形电炉冶炼厂的设计原则 一般来说双线矩形埋弧冶炼电炉的结构形式如图 3，有代表性的电炉在矩形壳体外部设有 46 个放渣口，2 个金属放出口。电炉壳体有耐火材料衬里，如果附加壳体冷却系统则需要添加的装置为特殊设计的水冷侧墙铜冷却系统，壳体底部的冷却是采
10、用风冷系统。电炉顶的炉砖类型全部制成密封压盖形式，方便开启和密封，主要是因为电极、下料管和尾气通道。根据不同的煅烧矿物的品质，每一座电炉有多达 40 根下料管，以确保提供最佳的冶炼条件和侧墙保护。电能的传递是通过六根处于电路中心线位置的自焙电极来完成的，电极的布置是依赖于工艺条件和安装功率。电极的消耗是因为熔渣池内的自由空间内的氧化作用造成的，自焙电极是定期向保护套管内添充物料进行延长的，电极在操作中以半自动的形式滑入熔池中，从而确保连续不断的电力负荷和高炉操作。电极本体包含的所有部件为把持器、滑落装置和自动调节装置。所有作用在电极上的操作是由液压装置来完成的。电能是从变压器经由大容量电线传递
11、的，水冷系统采用柔性管路，这些管路是通过连接在电极上的夹具固定的。今天，监控系统被 PLC 和可视化系统替代，控制室内备有手动控制系统。熔渣和金属的放出是通过钻孔机的作业来完成的，关闭放出口是用人工放置砌体或泥炮机完成的。金属流出后进入盛料罐，熔渣或锍进入渣罐、容渣坑或者是进入粒化系统。工艺过程中产生的烟气在电炉内充分地燃烧，产生的烟气配入冷却空气经由管道送入过滤系统。如果工艺过程中产生的尾气包含相当数量的 CO 气体，或者是另外一些危险物质，那么电炉设计中应考虑设计成为封闭型。6.3 工艺过程和电炉的确定成功的操作运行始终是依赖于电炉设计中正确的选择和恰当的电炉规模尺寸，SMS DEMAG
12、公司在冶金方面卓越的技术水平和工艺设计中的专门技术是得到世界同行业认可的，我们专业团队的设计步骤展示如下：与客户经常性的沟通中确定原料与每小时产品实现的比例关系冶金计算实用技术和能源输入方式的选择热量损失的设定确定机械参数核算热量损失用电损耗的计算用电平衡的确定最终确定额定负载定义保证条款当然，如果客户的提出特别的先决条件和约束，上面所描绘的步骤会进行改变，例如特殊电极直径的考虑。这些方案中的各项条件将重新进行核对、讨论，如果有必要会提出选择建议。原料的选择要符合客户提出的工艺过程中最大加入量，在电炉内部影响熔渣的组分构成和另外的冶炼模式如图 5（根据物理性质和能量输入数量） 。图 5 按照工
13、艺过程要求的能量输入类型遮弧模式 阻抗模式 供料混合阻抗模式用于镍铁生产 用于熔渣清理 用于铬铁、硅铁生产决定冶炼是否进行的物理性质：使用传统阻抗模式时熔渣的电阻采用遮弧操作时熔渣和电弧的电阻操作时混合物料的电阻电炉在处理矿石的时候所产生的熔渣熔化的范围如果低于熔化所需液相线温度，那么遮弧模式和电极穿透焙砂的方法都将无法完成操作。在熔渣组分所允许的范围内，当代大容量镍铁冶炼电炉大都采用的是遮弧方式，这种案例在后文中将会有详细的描述。下面的图片展示的就是冶炼操作过程中，内部的遮弧模式（图 6）和浸没电极模式（图 7） 。熔渣中的组分构成影响液相线温度，这些就需要操作中保证熔渣温度、冷却的构思和熔
14、渣的导电性，而最后一点也是最为重要的，是为了确定运行要点而计算电炉的阻抗与电能之间的平衡。图 8 展示的是不同特有的熔渣其尽可能的分布范围。图中标明了电炉所处的相关位置，能够确认矿物对地区的依赖性从而得出矿物的品质。图 6 遮弧模式 图 7 电阻模式图 8 部分工厂的熔渣组分 这里能够说明的是，在设计阶段需要我们精心考虑的是电炉的尺寸确定要最大程度地贴近临界点，其它附加的因素例如镍铁电炉的案例：根据焙砂性质的填装方案、装料类型、电弧和功率的比率、独特的炉床荷载、还原率、能量供应和冷却系统的类型等相关因素都要合并在电炉尺寸设计中考虑（见图 9） 。图 9 镍铁冶炼电炉外观尺寸6.4 3D 流体运
15、动模型SMS DEMAG 公司运用了模型工具，这使得对规模化的新工艺的理解变得更加透彻。一个大规模的埋弧电炉 3D 模型展示在图 10 当中，该模型第一次成功应用在智利建设的两座大规模电炉中，它为专有规格的电炉提供了重要的数据并纠正了冷却系统的配置尺寸。此外，它还给出了在操作条件确定中的现实方向。图 10 矩形电炉的温度分布模型中考虑的主要因素：产生热能的电阻成分：熔渣、金属、电弧和电极在料堆和料堆与熔渣界面因为还原及熔化吸热的热量损耗熔渣和金属之间传导和对流热耐火材料、壳体和电极之间的传导热通过壳体与冷却水、壳体与空气界面的对流作用产生的热能传递在熔渣和烟气、料堆和烟气、电极和烟气、耐火材料和烟气之间界面，因为辐射和对流的热能传递熔渣和金属因为浮力所导致的运动（自然对流）我们认为，在大型工业化冶炼工厂的模拟化上，被我们应用的模型是最为适用的。之前的应用模型的实施有助于以下几个方面：能够对新的工艺处理方式更好的理解在电炉设计中能够清楚地定向利用这个模型工具可以获得长效的经验能够提供给客户对新工艺的形象描述针对于侧墙冷却的概念有了更加清晰的理解能够大幅度地削减规模化所带来的风险6.5 控制和操作系统新一代的半导体冶炼控制系统针对电炉提供了更加完善的维护，半导体控制系统的优点如下：对于快速调节电流和电压提高了功能因为更加平稳
