3.2　电炉冶炼过程中钛渣的主要特征

钛精矿在电弧炉中被碳还原为钛渣的过程中，莫畏、邓国珠、黄润等许多国内外学者对钛渣的特征进行了概括。钛渣是一种高熔点的炉渣，钛渣熔体具有强腐蚀性、高导电性和黏度在接近熔点温度时剧增的特性，而且这些性能在熔炼过程中随其组成的变化而发生剧烈的变化。另外，钛渣的主要成分是TiO2，其为两性氧化物，既能表现酸性氧化物的性质，又能表现碱性氧化物的性质。因此，在熔炼钛渣过程具有与铁合金和有色金属冶炼过程许多不同的特征。

（1）钛渣的高电导率和熔炼钛渣时的开弧熔炼特性

钛铁矿在熔化状态具有较大的电导率，在1500℃时为2.0～2.5kS/m，在1800℃时为5.5～6.0kS/m。在电炉冶炼钛渣过程中，熔体成分组成发生巨大变化，FeO含量减少，而TiO2和低价钛氧化物含量增加，导致其电导率急剧上升。在熔炼高品位钛渣时，熔炼末期钛渣中FeO含量小于5％，钛渣品位高达90％以上，此时高钛渣的电导率高达15～20kS/m。一般的高炉渣在1750℃时的电导率约为100S/m。可见，钛渣的电导率比普通冶金炉渣的电导率高数十倍甚至上百倍；普通离子型电解质，如NaCl液体在900℃时的电导率约为400S/m，钛渣电导率比其也要高数十倍。这些情况都说明，如此高的电导率和其随熔炼过程而变化的情况，是电炉熔炼钛渣作业的一大特点。

（2）钛渣的熔点和黏度特性对熔炼过程的影响

钛渣主要是由钛的氧化物组成，而TiO2、Ti3O5、Ti2O3和TiO的熔点分别为1870℃、1774℃、1839℃和1750℃，因此其具有很高的熔点，在1580～1700℃之间。钛渣的熔点随TiO2含量的增加而升高。影响钛渣熔点的另一个重要因素是它的还原度，即渣中Ti2O3和TiO2的比值，即Ti/O=0.57时，钛渣具有最低的熔点。另外，钛渣中杂质FeO、MgO、CaO、MnO和Al2O3均可与TiO2形成低共熔点的二元化合物，能起到降低钛渣熔点的作用，但会导致钛渣品位降低，并给后期的钛白或海绵钛生产带来困难。

钛渣黏度与温度的关系，如图3-5所示。由图可知，钛渣熔体的黏度具有短渣的特性，在温度高于熔化性温度时，钛渣熔体具有较低的黏度，在0.3～1mPa·s之间；当温度接近熔点时，黏度急剧增加。因为钛渣的结晶温度范围窄，温度接近其熔点时少量结晶固体析出悬浮在熔体中，使熔体变得十分黏稠。在熔炼高品位钛渣时，其中还有少量高熔点的TiC和TiN，在出炉时这些物质很容易析出，使钛渣熔体的流动性变坏，造成出炉困难。为了保证顺利出炉，在出炉前必须使钛渣熔体具有较大的过热度，以免出炉过程的降温而造成出炉困难。由于钛渣的熔点高，且熔炼过程还需要一定的过热度，所以要求热量必须高度集中在还原熔炼区。因此在设计电炉时，电极极心圆直径与电极直径之比要设计得较小，比值一般在2.5～3.0之间，以保证集中热量进行还原和造渣。

图3-5　钛渣黏度与温度的关系

（3）钛渣熔体的化学活性及泡沫钛渣的沸腾

钛渣的主要成分是TiO2，但还含有相当数量的低价钛氧化物，因而具有极高的化学活性，几乎能与所有的金属和非金属材料发生作用。事实上钛渣能很快地侵蚀一般的耐火材料，包括碱性或酸性耐材。因此，实际钛渣冶炼过程中，是通过在炉衬上挂渣来保护炉体。钛渣固体层的厚度是由供热量与热量经炉壁的热损失之间的复杂平衡确定的。固体层的厚度必须合适，太薄会造成炉衬的腐蚀，产品受污染；太厚会给出炉造成困难。

钛铁矿的还原反应主要在熔体表面进行，但当固体炉料突然陷落到熔体中时，或者由于反应生成的高碳铁，在其下降过程中可能在熔体中或者在金属铁与熔渣界面上发生瞬间的激烈反应，生成大量CO气体经熔渣层逸出，使熔渣沸腾和喷溅。熔渣的沸腾会淹没电极，使电炉的瞬间电流急剧增大，极端情况下造成短路跳闸。熔渣的沸腾是引起钛渣熔炼过程炉况不稳定的主要原因，这就需要相应地改变电极的位置来避免它的影响。因此在设计电炉时，要考虑炉膛有足够的高度，以便在钛渣沸腾时避免熔体逸出炉外；电极的升降速度要快，以保证钛渣沸腾时电极及时离开熔体液面，避免短路跳闸。