電熔氧化鋯及鋯復合材料具有十分優(yōu)異的物理和化學性能，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)和各技術領域中被廣泛應用。
       電熔氧化鋯是繼化學法生產氧化鋯之后的又一新興工藝。我國自1991年開始生產、填補國內空白以來，發(fā)展至今已有32家企業(yè)近60條生產線生產，產能達70000噸。與化學法相比，電熔法生產氧化鋯的優(yōu)點是生產流程簡易、污染小、成本低，但缺點是高耗能。因此，如何廣泛應用節(jié)能的先進技術、做好節(jié)能降耗工作?如何把科學用能和節(jié)約用能放在工作首位?如何加快產業(yè)的科技創(chuàng)新和技術進步?這些問題必將是各生產企業(yè)認真考慮的工作重點。

       電弧爐的節(jié)能分析

       電熔法生產氧化鋯的核心設備是電弧爐，目前，國內均采用交流三相電弧爐生產。由于各企業(yè)裝備及工藝技術差別，其能耗差異很大，正常熔化原料階段電流不小于5000安，精煉階段爐內溫度控制在2500℃~3000℃，噸產品單耗用電4000千瓦時~5500千瓦時。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節(jié)能的關鍵。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、熔化功率設定、加料方式及工藝要求、熔化時間的控制、收塵系統(tǒng)方式的確定和風量大小的調控以及工藝操作水平差異等。而且在電熔氧化鋯生產過程中，電弧爐所用電能產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。

       電熔氧化鋯生產過程的節(jié)能降耗

       電弧爐熔化過程實現(xiàn)穩(wěn)定工藝控制是節(jié)能降耗的基本保證。目前，國內生產電熔氧化鋯企業(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。由于電熔鋯生產是還原反應過程，還原工藝特點是“低壓高流”，熔化過程各個階段設置的功率制度是否合理、熔化過程加料量及方式是否得當?shù)龋紩苯佑绊懭刍瘯r間，熔化時間長，耗能就高。筆者認為，電熔氧化鋯生產過程，實現(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，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生的大量煙氣會促使爐內局部壓力瞬間增大，極易產生噴爐現(xiàn)象，就必然會增大熱能損耗。所以，根據(jù)爐內還原反應的特點，應采用少加、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，各生產電熔鋯企業(yè)積極落實，目前，電弧爐的敞口生產方式已有明顯改觀，加之除塵器的作用，節(jié)能減排均收到可喜效果。應該說封閉爐蓋的應用是節(jié)能減排的必備條件，一方面可以使爐內熔化還原分解過程基本處于正壓;另一方面可以使高溫煙氣和氣態(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。另外也應注意，不能忽略爐嘴的密封。電弧爐熔化過程中，爐嘴處漏風也必然要增加熱損。總之，電弧爐的密封程度決定爐溫是否穩(wěn)定，與節(jié)能效果有直接關系。
       選用復合還原劑更宜于脫硅，對節(jié)能降耗有促進作用。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首先應將ZrO2和SiO2分離，鋯英砂的分解溫度為1540°C~2000°C，熔點為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，電熔法生產電熔氧化鋯，還應注重還原劑的使用。應根據(jù)實際工藝過程中功率設置，爐溫高低，兼顧各方面因素，摸索總結一套科學合理的復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，而且能縮短熔化時間，對節(jié)能降耗有明顯促進作用。
       改進電弧爐爐體結構，對降低能耗會有明顯作用。國內生產電熔氧化鋯企業(yè)，其電弧爐殼內基本是兩種結構方式：一種是自料爐襯，外設水冷噴淋方式;一種是爐內砌筑石墨塊，作為電弧爐內襯的方式。這兩種方式各有利弊。自料爐襯維護簡單且費用低，不用定期修爐，可保持連續(xù)運行。而以石墨塊砌筑內襯的方式需定期檢修，若絕緣不好，更需頻繁維護。但就節(jié)能降耗而言，以石墨砌塊做為爐的內襯優(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品回收利用，既能降低成本，增加企業(yè)效益，又能實現(xiàn)鋯英砂資源的綜合利用，同時又能減少排放。生產過程中，每噸電熔氧化鋯產品會產生450千克~500千克的硅微粉，平均粒徑為0.15微米~0.85微米，礦物結構為非晶體形狀顆粒。電熔氧化鋯生產企業(yè)均設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系呢?實際情況是：當鋯英砂與適量還原劑經(jīng)混合后投入電弧爐內，首先分解成ZrO2和SiO2，SiO2與碳反應生成氣態(tài)SiO，并隨高溫煙氣不斷急劇上浮，在進入收塵系統(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)定運行的有效性，調控收塵系統(tǒng)風壓和風量與電弧爐內溫度穩(wěn)定控制相對應，才能達到有效節(jié)能和有效除塵的雙重目的;二是收塵效果與吸風口的位置關系，即吸風口的設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。避免在爐蓋側面設置風口，因為在側面設置吸風口，勢必要相對增大抽力，甚至引起冷風進入爐內，加劇對流，降低爐內溫度。當爐內最佳反應溫度和最佳還原劑碳比確定后，如何使ZrSiO4的分解轉化完全，獲得高的ZrSiO4分解率，取決于最佳分解反應溫度的恒溫時間長短，時間長則有利。所以，電弧爐能耗與煙氣收塵系統(tǒng)的有效控制的平衡關系是密切相關的;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粉，減小單位面積的阻力。在布袋的選擇上，應具備耐高溫性能，從而不但可延長布袋使用壽命，提高收塵效果，也對實現(xiàn)有效控制，避免爐溫大的波動。
       “一步法”生產對節(jié)能降耗有著重要意義。電熔氧化鋯產品主要包括電熔脫硅單斜氧化鋯和穩(wěn)定氧化鋯兩大類。目前國內已形成品位達99.8%的高純級系列電熔氧化鋯、鋯復合產品及高端氧化鋯產品的綜合生產能力。
       保溫爐蓋應用是節(jié)能降耗的必然趨勢。電熔氧化鋯生產采用封閉爐蓋可有效減少熱損，這已是事實，若實現(xiàn)保溫爐蓋應用，無疑節(jié)能意義會更大，其熱效率可以提高20%甚至更高。但要實現(xiàn)保溫爐蓋應用，的確是一大課題：一是生產電熔氧化鋯的電弧爐爐溫高達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，其價格也會很昂貴;二是爐內熔化狀態(tài)多變，保溫結構設計難度大，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、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。不論怎樣，保溫爐蓋的應用是節(jié)能降耗的必然趨勢，只要面對實際問題不回避，大膽設想創(chuàng)新，發(fā)揮聰明才智，電熔氧化鋯生產應用保溫爐蓋一定能實現(xiàn)。
       從節(jié)能角度選用大功率電弧爐是發(fā)展方向。電熔氧化鋯生產在國內僅有20多年發(fā)展過程，與國外相比，無論技術水平、工藝裝備水平還是產品水平仍有較大差距。所以，隨著企業(yè)對電熔氧化鋯生產技術認識的深化和樹立趕超世界先進水平的雄心，我們一定會逐步縮小與世界先進水平的差距，而選用大功率電弧爐用于電熔氧化鋯的生產，就是實現(xiàn)這一目標的重要舉措之一。大功率電弧爐的應用不僅會直接提高生產效率，有利于產品質量的穩(wěn)定與提高，還會對于降低產品能耗和生產成本發(fā)揮積極作用。過去國內電熔氧化鋯生產用電弧爐額定容量為650千伏安~1200千伏安，目前，主要生產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4000千伏安甚至達到4500千伏安的電弧爐將投入運行，這對于電熔氧化鋯產業(yè)的發(fā)展將起到引領作用，更能體現(xiàn)節(jié)能降耗效果。
       電熔氧化鋯生產的余熱利用。生產電熔氧化鋯，其電弧爐熱量損失主要集中在兩個方面，一方面是噴淋水帶走的熱量(水溫可達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的加熱，這都是可行的余熱利用方式。
       另外，高溫設備包括電弧爐應用電能的同時，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，國內已有企業(yè)在嘗試。