電熔氧化鋯及鋯復(fù)合材料具有十分優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，可滿足陶瓷、耐火材料、核電、鋼鐵、航天等行業(yè)對氧化鋯的各種工藝要求，在工業(yè)和各技術(shù)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。
       電熔氧化鋯是繼化學(xué)法生產(chǎn)氧化鋯之后的又一新興工藝。我國自1991年開始生產(chǎn)、填補(bǔ)國內(nèi)空白以來，發(fā)展至今已有32家企業(yè)近60條生產(chǎn)線生產(chǎn)，產(chǎn)能達(dá)70000噸。與化學(xué)法相比，電熔法生產(chǎn)氧化鋯的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)流程簡易、污染小、成本低，但缺點(diǎn)是高耗能。因此，如何廣泛應(yīng)用節(jié)能的先進(jìn)技術(shù)、做好節(jié)能降耗工作?如何把科學(xué)用能和節(jié)約用能放在工作首位?如何加快產(chǎn)業(yè)的科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步?這些問題必將是各生產(chǎn)企業(yè)認(rèn)真考慮的工作重點(diǎn)。

       電弧爐的節(jié)能分析

       電熔法生產(chǎn)氧化鋯的核心設(shè)備是電弧爐，目前，國內(nèi)均采用交流三相電弧爐生產(chǎn)。由于各企業(yè)裝備及工藝技術(shù)差別，其能耗差異很大，正常熔化原料階段電流不小于5000安，精煉階段爐內(nèi)溫度控制在2500℃~3000℃，噸產(chǎn)品單耗用電4000千瓦時(shí)~5500千瓦時(shí)。電熔氧化鋯的能源消耗主要體現(xiàn)在電弧爐的用電消耗，占生產(chǎn)工藝過程總消耗能源的90%~95%，因此，電弧爐的節(jié)能是電熔氧化鋯生產(chǎn)節(jié)能的關(guān)鍵。電弧爐節(jié)能效果又涉及諸多因素，如配合料的制備及均勻性、熔化功率設(shè)定、加料方式及工藝要求、熔化時(shí)間的控制、收塵系統(tǒng)方式的確定和風(fēng)量大小的調(diào)控以及工藝操作水平差異等。而且在電熔氧化鋯生產(chǎn)過程中，電弧爐所用電能產(chǎn)生的熱量只有一部分被物料吸收，大部分熱量隨煙氣排出，或被電爐冷卻水帶走，其熱效率僅為35%~40%，這足以說明其節(jié)能潛力很大。所以，要做好電弧爐節(jié)能降耗，就要從多方面有針對性地做好工作。

       電熔氧化鋯生產(chǎn)過程的節(jié)能降耗

       電弧爐熔化過程實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工藝控制是節(jié)能降耗的基本保證。目前，國內(nèi)生產(chǎn)電熔氧化鋯企業(yè)的裝備不盡相同(如電弧爐的規(guī)格、變壓器額定容量的差別等)，但工藝流程大致類似。由于電熔鋯生產(chǎn)是還原反應(yīng)過程，還原工藝特點(diǎn)是“低壓高流”，熔化過程各個(gè)階段設(shè)置的功率制度是否合理、熔化過程加料量及方式是否得當(dāng)?shù)龋紩苯佑绊懭刍瘯r(shí)間，熔化時(shí)間長，耗能就高。筆者認(rèn)為，電熔氧化鋯生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工藝控制尤為重要。一是合理確定熔化原料過程各階段的不同功率制度及電壓與電流的最佳匹配值，使電能熱效率得以充分利用，保持爐溫穩(wěn)定;二是避免一次性加料過多。若混合料集中投入爐內(nèi)，由于透氣性不好，加之爐溫很高，以及電弧更高溫度的作用，水蒸氣和還原劑所產(chǎn)生的大量煙氣會促使?fàn)t內(nèi)局部壓力瞬間增大，極易產(chǎn)生噴爐現(xiàn)象，就必然會增大熱能損耗。所以，根據(jù)爐內(nèi)還原反應(yīng)的特點(diǎn)，應(yīng)采用少加、勤加的均衡加料方式，以有利于熔化分解穩(wěn)定。
       封閉爐蓋應(yīng)用是節(jié)能降耗的必備條件。隨著國家對節(jié)能減排的要求，各生產(chǎn)電熔鋯企業(yè)積極落實(shí)，目前，電弧爐的敞口生產(chǎn)方式已有明顯改觀，加之除塵器的作用，節(jié)能減排均收到可喜效果。應(yīng)該說封閉爐蓋的應(yīng)用是節(jié)能減排的必備條件，一方面可以使?fàn)t內(nèi)熔化還原分解過程基本處于正壓;另一方面可以使高溫?zé)煔夂蜌鈶B(tài)SiO不斷逸出，由于有封閉爐蓋，在正常除塵系統(tǒng)的作用下，使排煙有序進(jìn)行。與敞口爐相比，在很大程度上減少空氣對流，會有效減少熱損。另外也應(yīng)注意，不能忽略爐嘴的密封。電弧爐熔化過程中，爐嘴處漏風(fēng)也必然要增加熱損。總之，電弧爐的密封程度決定爐溫是否穩(wěn)定，與節(jié)能效果有直接關(guān)系。
       選用復(fù)合還原劑更宜于脫硅，對節(jié)能降耗有促進(jìn)作用。制備ZrO2 的主要原料為鋯英砂(ZrSiO4)，一般含鋯在65%~66%。由于鋯英砂是ZrO2和SiO2的化合物，制取ZrO2首先應(yīng)將ZrO2和SiO2分離，鋯英砂的分解溫度為1540°C~2000°C，熔點(diǎn)為2190°C～2420°C，所以采用電熔法利用電弧爐的高溫這一必備條件將ZrSiO4分解，分離出SiO2，制得電熔氧化鋯。此外，電熔法生產(chǎn)電熔氧化鋯，還應(yīng)注重還原劑的使用。應(yīng)根據(jù)實(shí)際工藝過程中功率設(shè)置，爐溫高低，兼顧各方面因素，摸索總結(jié)一套科學(xué)合理的復(fù)合還原劑組分及不同還原劑的顆粒級配，則有利于鋯英砂在爐內(nèi)全過程穩(wěn)定脫硅。這樣不但還原劑用量少，脫硅效果好，而且能縮短熔化時(shí)間，對節(jié)能降耗有明顯促進(jìn)作用。
       改進(jìn)電弧爐爐體結(jié)構(gòu)，對降低能耗會有明顯作用。國內(nèi)生產(chǎn)電熔氧化鋯企業(yè)，其電弧爐殼內(nèi)基本是兩種結(jié)構(gòu)方式：一種是自料爐襯，外設(shè)水冷噴淋方式;一種是爐內(nèi)砌筑石墨塊，作為電弧爐內(nèi)襯的方式。這兩種方式各有利弊。自料爐襯維護(hù)簡單且費(fèi)用低，不用定期修爐，可保持連續(xù)運(yùn)行。而以石墨塊砌筑內(nèi)襯的方式需定期檢修，若絕緣不好，更需頻繁維護(hù)。但就節(jié)能降耗而言，以石墨砌塊做為爐的內(nèi)襯優(yōu)于自料爐襯的電弧爐。其主要原因是沒有水冷噴淋直接帶走熱量的作用，相對熱損少。若從節(jié)能角度來看，這兩種方式都有節(jié)能潛力可挖。
       電弧爐能耗與收塵系統(tǒng)的有效控制。硅微粉作為電熔氧化鋯的副產(chǎn)品回收利用，既能降低成本，增加企業(yè)效益，又能實(shí)現(xiàn)鋯英砂資源的綜合利用，同時(shí)又能減少排放。生產(chǎn)過程中，每噸電熔氧化鋯產(chǎn)品會產(chǎn)生450千克~500千克的硅微粉，平均粒徑為0.15微米~0.85微米，礦物結(jié)構(gòu)為非晶體形狀顆粒。電熔氧化鋯生產(chǎn)企業(yè)均設(shè)有硅微粉和煙氣的收塵裝備系統(tǒng)。那么收塵系統(tǒng)的控制與電爐耗能有怎樣的關(guān)系呢?實(shí)際情況是：當(dāng)鋯英砂與適量還原劑經(jīng)混合后投入電弧爐內(nèi)，首先分解成ZrO2和SiO2，SiO2與碳反應(yīng)生成氣態(tài)SiO，并隨高溫?zé)煔獠粩嗉眲∩细。谶M(jìn)入收塵系統(tǒng)前，氣態(tài)SiO遇空氣氧化成SiO2，經(jīng)收塵系統(tǒng)予以回收。
       這就需要考慮：一是收塵抽力不能過大，過大會降低爐內(nèi)溫度，影響正常熔化狀態(tài)，熱損高。只有注重收塵系統(tǒng)合理穩(wěn)定運(yùn)行的有效性，調(diào)控收塵系統(tǒng)風(fēng)壓和風(fēng)量與電弧爐內(nèi)溫度穩(wěn)定控制相對應(yīng)，才能達(dá)到有效節(jié)能和有效除塵的雙重目的;二是收塵效果與吸風(fēng)口的位置關(guān)系，即吸風(fēng)口的設(shè)置在爐的上部相對合理，這樣便于將不斷急劇上浮的煙氣順暢排出。避免在爐蓋側(cè)面設(shè)置風(fēng)口，因?yàn)樵趥?cè)面設(shè)置吸風(fēng)口，勢必要相對增大抽力，甚至引起冷風(fēng)進(jìn)入爐內(nèi)，加劇對流，降低爐內(nèi)溫度。當(dāng)爐內(nèi)最佳反應(yīng)溫度和最佳還原劑碳比確定后，如何使ZrSiO4的分解轉(zhuǎn)化完全，獲得高的ZrSiO4分解率，取決于最佳分解反應(yīng)溫度的恒溫時(shí)間長短，時(shí)間長則有利。所以，電弧爐能耗與煙氣收塵系統(tǒng)的有效控制的平衡關(guān)系是密切相關(guān)的;三是收塵系統(tǒng)布袋過濾面積要符合要求，并定期清理布袋附著的細(xì)粉，減小單位面積的阻力。在布袋的選擇上，應(yīng)具備耐高溫性能，從而不但可延長布袋使用壽命，提高收塵效果，也對實(shí)現(xiàn)有效控制，避免爐溫大的波動。
       “一步法”生產(chǎn)對節(jié)能降耗有著重要意義。電熔氧化鋯產(chǎn)品主要包括電熔脫硅單斜氧化鋯和穩(wěn)定氧化鋯兩大類。目前國內(nèi)已形成品位達(dá)99.8%的高純級系列電熔氧化鋯、鋯復(fù)合產(chǎn)品及高端氧化鋯產(chǎn)品的綜合生產(chǎn)能力。
       保溫爐蓋應(yīng)用是節(jié)能降耗的必然趨勢。電熔氧化鋯生產(chǎn)采用封閉爐蓋可有效減少熱損，這已是事實(shí)，若實(shí)現(xiàn)保溫爐蓋應(yīng)用，無疑節(jié)能意義會更大，其熱效率可以提高20%甚至更高。但要實(shí)現(xiàn)保溫爐蓋應(yīng)用，的確是一大課題：一是生產(chǎn)電熔氧化鋯的電弧爐爐溫高達(dá)2500℃以上，選用適用的保溫材料就困難，即便有適用的保溫材料，其價(jià)格也會很昂貴;二是爐內(nèi)熔化狀態(tài)多變，保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，需要考慮溫度場的波動范圍、熱荷載的變化、煙氣對流的影響、保溫層厚度及施工要點(diǎn)、熱損測定、保溫效果分析等等，更主要的是使用周期是否理想。這些方面都是客觀事實(shí)。不論怎樣，保溫爐蓋的應(yīng)用是節(jié)能降耗的必然趨勢，只要面對實(shí)際問題不回避，大膽設(shè)想創(chuàng)新，發(fā)揮聰明才智，電熔氧化鋯生產(chǎn)應(yīng)用保溫爐蓋一定能實(shí)現(xiàn)。
       從節(jié)能角度選用大功率電弧爐是發(fā)展方向。電熔氧化鋯生產(chǎn)在國內(nèi)僅有20多年發(fā)展過程，與國外相比，無論技術(shù)水平、工藝裝備水平還是產(chǎn)品水平仍有較大差距。所以，隨著企業(yè)對電熔氧化鋯生產(chǎn)技術(shù)認(rèn)識的深化和樹立趕超世界先進(jìn)水平的雄心，我們一定會逐步縮小與世界先進(jìn)水平的差距，而選用大功率電弧爐用于電熔氧化鋯的生產(chǎn)，就是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要舉措之一。大功率電弧爐的應(yīng)用不僅會直接提高生產(chǎn)效率，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定與提高，還會對于降低產(chǎn)品能耗和生產(chǎn)成本發(fā)揮積極作用。過去國內(nèi)電熔氧化鋯生產(chǎn)用電弧爐額定容量為650千伏安~1200千伏安，目前，主要生產(chǎn)廠家電弧爐額定容量為3200千伏安~4000千伏安，今后額定容量大于4000千伏安甚至達(dá)到4500千伏安的電弧爐將投入運(yùn)行，這對于電熔氧化鋯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將起到引領(lǐng)作用，更能體現(xiàn)節(jié)能降耗效果。
       電熔氧化鋯生產(chǎn)的余熱利用。生產(chǎn)電熔氧化鋯，其電弧爐熱量損失主要集中在兩個(gè)方面，一方面是噴淋水帶走的熱量(水溫可達(dá)40℃~60℃)，有些企業(yè)將這部分熱水用于洗浴或冬季采暖;一方面是煙氣帶走的熱量(其煙氣溫度最高可達(dá)500℃~600℃)。一些企業(yè)采用熱管換熱器或其它換熱裝置，將這部分熱量用于烘干物料及用于助燃二次風(fēng)的加熱，這都是可行的余熱利用方式。
       另外，高溫設(shè)備包括電弧爐應(yīng)用電能的同時(shí)，采用一次能源即天然氣輔助加熱方式也在探索中，若取得成功，這種方式無疑會對電弧爐節(jié)能降耗起到直接作用，國內(nèi)已有企業(yè)在嘗試。