电炉熔炼的基本原理

    电炉熔炼实质上可分为两个过程，即热工过程（如电能转换、热能分布等）与冶炼过程（如炉料熔化、化学反应、锍渣分离等）。为了叙述方便，对电炉熔炼基本原理，下面按电能的转换、物料的熔化、熔炼反应及产物三个方面加以讨论。
    1）电能的转换
    如果向固体或液体通以电流，由于电阻的作用，电能转变为热能，可用焦耳楞次公式来确定：
                                         Q=I²Rt
    式中Q─热量，J；  
    I─通过电阻的电流，A；
    R─电阻，Ω；
    t─时间，h。
    因为1J=0.239ca1或者0.239/1000kca1，并按欧姆定律IR=U，则上式可写成：
                                         Q=0.239/1000IUt (kcal)
    如果电能以千瓦计，在t小时内将消耗：
                                         Q=IUt/1000(kWh)
    因为1kW=0.239kcal.s^-1，故1kWh=0.239×3600=860kcal，则t小时产生的热量为：
                                         Q=0.86IUt(kcal)×4.184=3.6IU(kJ)
    电加热广 泛应用在各种技术领域中对冶金工业尤为重要。在冶金工业中,电炉是冶金炉的一个重要类型。
    配有一台额定容量为PkVA的三相变压器的电炉,当电炉负荷过到P额定时，其溶池中产生的热量按下式计算:
                            

    配有3台额定容量为PkVA的单相变压器的电炉，当电炉负荷过到P额定时，其池的热量按下式计算：
            Q=3×860P_额定cosøt/1000=2.58I_相U_相cosøt(kcal)=10.79I_相U_相cosøt(kJ)
    式中Q─热量，kcal或用1kcal=4.184kJ；
            P_额定─变压器的额定容量，kVA或kW；[next]
            U_线─线电压，V；
            I_线─线电流，A；
            U_相─相电压，V；
            I_相─相电流，A；
            cosø功率因数；
            t—时间,h。
   

    2)物料的熔化
    熔炼硫化矿石和精矿的电炉可以看作是高温熔池，里面有两层熔体（见图1），上面的炉渣层厚1700～1900mm ,下层厚600～800mm。装到溶池中固体物料以料堆的形式沉入渣层，形成料坡。
    物料靠以电能为主要来源的热量进行熔化，电能通过3根或6根电极送入炉内。电极插入渣层的深度为300～500mm,电能转变为热能就是在渣层中发生的。有40%～80%的热量产生于电极—炉渣的接触面上，其余部分的热量则产生于处在电回路中的渣层里。
    大部分热量之所以产生于电极—炉渣的接触面上，是由于在电极工作端的周围存在着一个气体层，这就是所谓的气袋，电流以大量的质点放电形式,即以微形式,即以微弧的形式通过这个气袋。气袋是这样形成的:由于电子流的机械压力，熔渣脱离电极，所形成的空隙便被由于电极燃烧所产生的气体和由炉渣中逸出的气体所充满，这个气体层具有很高的电阻。因此电流通过气体层时产生很大的电压降，放出相应的热量。
    在电炉电场中，从电极中心线起在靠近电极两个电极直径范围内，是熔池的导电部分（估而电流的90%是从电极中心线起一个电极直径范围内通过的）。正是在这个区域内，电能转变为热能，远离电极中心线超过电极直径的熔池部分，不在电的回路中，也不会产生热量。
    电流通过电炉的线路有两种：[next]
   （1）由电极通过炉渣→镍锍→炉渣→电极，即星形负荷。
   （2）由一根电极通过炉渣流向另一根电极，即三角形负荷。
    当电极之间的距离不变时，星形负荷和三角形的大小取决于电极插入渣层的深度、渣层的厚度和炉内料坡的大小。当电极插入深度不大时，三角形负荷可达总负荷的70%；随着电极插入深度的增加，三角形负荷逐渐降低，电极插入很深是，便会降为30%～40%。当电极向和插时，星形电流和三角形负荷逐渐降低，电极插入深度成正比地增加，但是星形电流的增长速度大于三角形电流的增长速度。
    炉内那些不产生热量的部位，由于熔池内部炉渣的对流运动，将热能从热处带到冷处而进行热交换。
    炉渣的对流量是由于渣池各部分的热量不同而造成的。已经指出，最大的热量产生于电极—炉渣的接触区。在此区域内，靠近电极表面的渣层已大为过热，其温度可过1500～1700℃或更高，由于渣中含有大量气泡，其膨胀的结果，使它的密度大大减小，因此，靠近电极表面的炉渣和远离电极的炉渣密度便产生了差别。密度小的过热炉渣在靠近电极处不断上升而至熔池表面，并在熔池表面向四周扩散。
    过热炉渣在其动动过程中与漂浮着的炉料相遇，使沉入熔池的料坡下部表面熔化。运动着的炉渣与温度低的熔化炉料混合后，在渣池顺流向下沉降，到过电极下端附近，一部分炉渣则继续下降至对流动动非常薄弱的渣池下层，在这里镍锍和炉渣进行分离。热渣在向远离电极方向的流动过程中，将自已的多余热量传给熔池的较冷部分，从而维持了这一部分熔池的热平衡。而那些热渣很少流动的部位，或者说温度降低的部位，则热量不足，温度只有1250～1250℃。炉子的四角、炉壁附近及电极下面的区域，这些地方就易生成炉结。
    炉渣的对流运动乃是电炉中一个最重要的工作过程，对流运动确保电炉熔池中的热交换和物料熔化的进行，物料的大量熔化发生在电极插入的熔池区域内，也就是发生强烈的对流循环区域内。从电炉的平面看，这个区域是在从电极中心线起1.5～2个电极直径范围内。
    由于在熔池内，电能转换成热能是不均匀的，因而熔池每个部位的温度也不一致。靠近熔体上层的温度较高，低层较低。渣层在纵向和横向上温度是均匀的，只 垂直方向有变化，主要是在电极以下温度有变化,在电极插入深度范围内实际上是等温的，这可用其中存在激烈的对流热交换来解释。
    因熔池各部分受热情况不同，显然，炉料的熔化速度随着与电极的距离增大而急剧下降。因此，大部分炉料（80%～90%）在距离电极中心线1.5～2倍电极直径的范围内加入。
    3）熔炼反应及产物[next]
   （1）熔炼反应
    电炉熔炼的物理化学反应主要发生在熔渣与炉料的接触面上，炉气几乎不参与反应。因此电炉熔炼发液相和固相的相反应为主，可以一次完成造渣和造镍锍的化学反应。
    加入电炉的物料，主要是精矿和焙砂，其次是烟尘、返回炉料及液体转炉渣、熔剂和碳质还原剂等。铜镍矿物料的矿想组成为：
    硫化物：Fe₇S₈、（FeNi）S₂、CuFeS₂、CoS；
    氧化物：Fe₂O₃、Fe₃O₄、NiO、CuO、SiO₂、MgO、CaO、Al₂O₃等；
    硅酸盐：mMO.nSiO₂,物料中还可以含有少量的硫酸盐（MSO₄）、碳酸盐（MCO₃）、氢氧化物[M（OH）₂]和贵金属等。
    过热炉渣在对流运动中与物料表面相遇时，便将自已多潜余的热量传给物料。当物料加热至1000℃时，物料中便有复杂硫化物、某些硫酸盐、碳酸盐和氢氧化物的热分解发生，生成比较简单而稳定的化合物。如果入炉物料是焙砂而不是精矿时，上述反应已在焙烧时完成。当物料加热到1100～1300℃时，主要是硫化物和氧化物之间的交互反应，反应产生的Ni₃S₂、Cu₂S、FeS、CoS相互熔合的液态产物便是低镍锍，其中溶解有少量的Fe₃O₄及Cu,Ni,Fe金属和贵金属。
    碱性氧化物（FeO,CaO,MgO等）与酸性氧化物（SiO₂）发生反应，生成mMO.nSiO₂型的各种硅酸盐，这些硅酸盐在熔融状态下互相熔合，产生了电炉熔炼的另一种产物—炉渣。熔融状态的镍锍 和炉渣在熔池中因密度不同而分开。
    在物料受热熔化时，除液态产物外，洞天福地产生气体，如S₂被氧化为SO₂。碳还原MO产生的CO₂等，大部分气体上升至熔池表面并进入炉空间随烟气排走，少部分气体则包裹在炉渣中，这就是炉渣含有大量气体的原因。
    在电炉熔炼中，由于硫化物热分解所产生的硫化亚铁跟高价金属氧化物反应，可使炉料中的硫被脱除一部分。当电炉熔炼未经焙烧的硫化精矿时，脱硫率为15%～18%；当熔炼焙烧后的精矿和适当加入碳质还原剂时，则脱硫率要小得多。
   （2）熔炼产物
    电炉熔炼硫化物铜镍精矿时，其产品有低镍硫、炉渣、烟气和烟尘。低镍锍是冶炼的中间产品，要送至转炉工序进一步富集。炉渣因含有价金属低而废弃。烟经收尘、制酸后排入大气，而收得和烟尘则返回电炉熔炼。[next]
    ①低镍锍。主要由Ni₃S₂,Cu₂S,FeS所组成，此外低镍锍中还有一部分硫化钴和一些游离金属及合金。在低镍锍中还溶解有少量磁性氧化。
    在电炉熔炼过程中，低镍锍与炉渣分离的完全程度，主要取决于它们的密度差，密度差越大，分离得越彻底，而低镍锍的刻度取决于组成低镍锍的各种硫化物的含量。各种硫化物的密度不同,例如：FeS为4.6g/㎝³，Ni₃S₂为5.3g/cm³,Cu₂S为5.7g/cm³,低镍锍品位越低，也就是FeS含量越高，则低镍锍密度越小。固体低镍锍密度一般为4.6～5.0g/cm³.熔融的低镍锍的密度稍小,因为在熔融状态的低镍锍中熔解有一定量的二氧化硫气体,使体积增大，密度减小。炉渣密度一般在3～4g/cm³之间。
    金川公司冶炼厂电炉熔炼的低镍锍中，镍与铜的比例约为2:1，诺里尔斯克公司电炉熔炼的镍与铜的比例约为3:2。低镍锍中镍和铜含 量之和为15%～22%，硫含量在22%～27%范围内波动。低镍锍中的硫量不足以把其中所含的金属全部硫化物状态，是由于低镍锍中能熔解部分金属。表1列出各厂电炉熔炼的低镍锍成分。

    从表1中可以 看到。铜镍锍化矿石和精矿电炉熔炼得到的低镍锍，其含镍量波动在7%～18%范围内。电炉熔炼产出低外长锍 中各种金属的含量，取决于它们在入炉物料中的含 量、低镍锍的产率越大，低镍锍中有价金属的含量（低镍锍品位）就越低。因此电炉熔炼的脱硫率越高，低镍锍的产率越小，低镍锍中有价金属的含量就越高。[next]
    低镍锍的熔点同其密度一样,取决于组成低镍锍的各种金属硫化物的含量。对于纯硫化物的熔点Ni₃S₂为790℃，Cu₂S为1120℃，FeS为1150℃。低镍硫的熔点，介于各种硫化物熔点之间。
    工业生产实际低镍锍熔点均在1000～1050℃之间，但矿热电炉有过热的特点，从电炉中放出的低镍锍的温度因过热而达到1250℃，在这个温度下，低镍锍非常容易流动，很容易渗到电炉砖体的缝隙中和砌筑不严密处。因此在矿热电炉和炉体砌筑设计中，对于低镍锍 区采用湿砌方法，而且要求非常严格。此外，因过热的熔融低镍锍颇具侵蚀性，能很好地熔解金属铁和铸铁件，因此放出低镍锍的溜槽均采用耐 火材料内衬，盛放低镍锍的包子也必须经转炉渣挂出保护层后才使用。
    低镍锍具有很好的导电性。在熔融的硫化物中，Ni₃S₂的电导率为最大，Cu₂S的电导率为最低，其变化顺充为Ni₃S₂﹥CoS﹥FeS﹥Cu₂S。工厂产出的低镍锍电导率在1100～1350℃是二般为(35～45)×102(Ω.cm)-1，其数值大小取决于有关硫化物的含量和熔锍的温度。由于熔锍的导电性能接近于金属，故在电炉操作中发生翻料，镍锍上浮与电极接触后，易使电炉电流控制不稳，发生过流跳闸事故。
   （2）炉渣。电炉熔炼产出的炉渣主要由以下5个主要成分构成：SiO₂,FeO,MgO,Al₂O₃和CaO，它们的总和约占总量的97%～98%。此外还含有少量Fe₃O₄、铁酸盐以及金属的氧化物和硫化物。电炉熔炼渣成分举例列于表2。
    渣含金属量取决于渣和低镍锍的性质、渣温和操作技术水平,通常渣中金属含量(%)为：Ni0.07～0.25, Cu0.05～0.10,Co0.025～0.1。炉渣成分对炉渣性质及金属损失的影响很大。在相同温度下，随SiO₂含量增高，炉渣导电性下降，粘度升高，同时热容量增大，炉粒料熔化加大了机械夹杂损失。因此，在电炉熔炼中，为降低金属损失，炉渣中SiO₂含量控制在38%～41%比较合适。

    FeO能大大改变炉渣性质，尤其是导电性。随着FeO含量增高，炉渣的导电性升高，熔点降低，高铁渣流动性好，但是密度大，低镍锍和炉渣界面上的表面张力降低,低镍锍与炉渣分离条件恶化,导致金属损失增加。此外,高铁渣能很好地溶解硫化物,同样会增加金属损失。在熔炼过程中,渣中氧化亚铁的合理含量为25%～32%。
    Fe₃O₄是一种稳定的化合物，它熔点高（1597℃）、密度大（5018g/cm³），因而在熔炼过程中的行为对熔炼过程有很大影响。电炉熔炼的炉渣和低镍锍中存在着一定数量的Fe₃O₄，其来源主要是焙砂、转炉渣及炉料物理化学反应 的生成物。
    由于电炉熔炼的炉渣过热温度高，炉气中氧的分压较低，以及炉渣在熔池内的剧烈运动，Fe₃O₄分解比其他熔炼方式更容易。但是，炉渣在高温区对Fe₃O₄的溶解度大，进入沉淀区后炉渣温度下降，Fe₃O₄在渣中溶解度减小，便从渣中析出。实践证明，在电炉熔炼时，往往在低镍锍和炉渣之间有一层隔膜，亦称“粘渣层”,这是一种具有较高粘度、似半熔状态的沉积物，影响炉渣与低镍锍 的沉淀分离，使含镍量升高。当低镍锍温度过低时，易从中析出形成隔层，给生产操作带来许多麻烦。生产实践中，消除Fe₃O₄粘渣层可采取以下措施：①降低工作电压，将电极插深，发提高熔池底部温度，增大Fe₃O₄在熔渣中和低镍锍中的溶解度，消除粘渣层；②往炉渣中加入一定量的碎焦,使Fe₃O₄还原成FeO。并适当提高炉料中二氧估、化硅的含量,经破坏Fe₃O₄；③配入一定量的高硫精矿，一方面增加炉料中FeS的比例，使Fe₃O₄易于分解，另一方面，可以降低镍锍品位，提高低镍锍 对Fe₃O₄的熔解能力；④加入生铁或其他含铁物料，使Fe₃O₄被金属铁还原后与SiO₂造渣；⑤提高炉内功率，升高熔池温度，使Fe₃O₄溶解度增大，分解反应易于进行。
    上述措施中前两种在生产实践中经常被采用，且效果好。采用加生铁还原磁性氧化铁，一般只用来处理炉内局部冻结。至于配入高硫精矿只有在低镍锍品位较高时才被使用。[next]
    在电炉内处理转炉渣也是渣中Fe₃O₄的来源之一。转炉渣是由硅酸铁、游离二氧化硅、磁性氧化铁及少量的镍铜与铁的硫化物、镍与钴的氧化物等所组成的复杂熔体。转炉渣返回电炉的目的是为了回收有价金属。①液体转炉渣注入电炉后，被过热100～200℃，使其粘度降低，因此，有利于机械夹杂的低镍锍 颗粒沉降分离；②由于恋内的温度很高,有二氧化硅和金属硫化物的大量存在，Fe₃O₄被还原并与二氧化硅作用造渣,Fe₃O₄还原越完全，分散的机械夹杂的低外长锍颗粒沉降、聚集就越完全；③转炉渣中所含镍有一部分呈NiO形态存在，钴大部分呈CoO形态存在，在电炉内与硫化亚铁发生硫化反应，形成Ni₃S₂、CoS后进入镍锍中。
    有的工厂为了便于从转炉渣中回收钴，转炉渣一般不直接返回电炉或仅将前期转炉渣返回电炉。
    尽管镍冶金文献中公布渣含Fe₃O₄的数据不多，但人们已经发现渣含Fe₃O₄与渣含Ni（或Cu）有一定相关，在操作中常用Fe₃O₄量作为控制参量。
    渣含MgO量高,是硫化铜镍矿电炉熔炼的一个特点。当渣含MgO低于10%时,对恋渣性加镍厂测定的渣含MgO量怀熔炼电浩然关系如下：
    渣含MgO量/%          10    11    12    13   14   15    16    17    18     19    20
    熔炼电耗/(kWh.t-1)   680   700   715   730  740  750   770   790   820   830   850
    但炉渣中含MgO量高于22%时，炉渣导电率增大。随着MgO升高和FeO下降，渣中含有价金属降低。电炉熔炼的炉渣中氧化镁的合理含量为10%～12%。
    电炉渣含氧化钙量不高，一般为3%～8%，对炉渣的发生质影响不大。随着CaO含量增高到18%，炉渣导电增大1～2倍，渣密度和粘度降低，硫化物（物加别是Co）在渣中溶解度减小。
    渣中含Al₂O₃为5%～12%。如同氧化钙一样，少量的氧化铝存在对炉渣性质影响不大随氧化铝含量增加，炉渣粘度和金属损失增大。