高钛渣生产工艺资料

低温还原钛铁矿生产高钛渣的新工艺

引言目前世界上9 0％以上的钛矿用于生产钛白，约4％~5％的钛矿用于生产金属钛，其余钛矿用于制造电焊条、合金、碳化物、陶瓷、玻璃和化学品等。我国的钛资源储量非常丰富，但主要是钛铁矿，金红石矿甚少。我国钛矿主要由广东、广西、海南、云南和四川攀枝花开采生产，主要产品是钛铁矿精矿，也有少量的金红石精矿。由于钛铁矿精矿的品位较低，需经过富集处理获得高品位的富钛料一高钛渣或人造金红石，才能进行下一步的处理。

电炉熔炼法是一种成熟的方法，工艺比较简单，副产品金属铁可以直接利用，不产生固体和液体废料，电炉煤气可以回收利用，三废少，工厂占地面积小，是一种高效的冶炼方法。电炉熔炼法可得到TiO2含量为 80％左右的高钛渣，作为下一步处理(如酸浸法或氯化法) 的原料。

由于电炉熔炼法属于高温冶金，能耗高是其固有的特点，生产1t高钛渣，大约需要3000 kWh的电能，而实际上将铁从钛铁矿中还原出来所需的化学能量仅在 500 kWh左右，即能量的有效利用率仅在17％左右，非常低；其二、电炉熔炼法使用冶金焦或石油焦作还原剂，也存在一定的环境污染。

El-Tawil等人研究了在固态下先将铁从钛精矿中还原出来，然后再通过磁选方式将铁分离出来的方法生产高钛渣。他们通过添加催化剂等方式，研究了钛铁矿在1000～1200℃的还原性能，结果表明，在1200 ℃恒温180 min，钛铁矿的金属化率达到85％。因此还原效果不很理想。

Williams等人研究了通过球磨促发方式实现钛精矿的低温还原性能，发现了在760℃条件下恒温30 min基本上将铁从钛精矿中还原出来这一低温反应现象，具有很强的理论意义。但是实验条件很苛刻，要求钛精矿的颗粒度在1～2μm，一般球磨机难以实现这一目标，即使能够达到，也将耗费大量能量。

赵沛等人提出了煤基低温冶金学和冶金流程，可将铁矿石的冶炼温度降低到700℃以下，甚至更低的温度。在此基础上，钢铁研究总院低温冶金学课题组经过研究，发现钛精矿粉体的平均粒度在10μm左右时也能将它的还原温度降低到600℃左右，并且研究出一种高效球磨机，这样为钛精矿的低温还原工艺的产业化奠定了理论和实践基础。

1钛铁矿生产高钛渣的低温还原特性

实验中，钛精矿的化学成分见表1，碳的纯度为分析纯，它们的平均粒度约为100μm，将

一部分原料用高效球磨机磨细到10 μm左右。然后将原料按一定比例混匀，进行热重试验( 测量仪器为杜邦951差热热重扫描量热仪，升温速度5℃/min，氮气保护)，结果见图1。钛精矿的主要物相为FeTiO3，它与碳的化学反应如(1)式所示：

FeTiO3 + C = Fe + TiO2 + CO

ΔG = 181454 — 167.35 T

( 1 ) 在标准状态下，

从图1可见，当使用普通粉体还原时，起始反应温度约为800℃，当温度升至980℃时，还原率不足20％。因此普通粉体( 100 μm左右) 难以实现低温快速还原反应。只有将粉体变成超细粉后( 10 μm 左右时) ，才能出现明显的低温反应现象，反应起始温度可以降低到200 ℃左右。从图1可见，当反应温度升到700℃左右时，铁的还原基本结束，而当升温至900 ℃以上时，出现TiO2被还原成Ti3O5的还原反应。实验表明，在600 ℃恒温1 h ，还原率可以达到95％以上。

为什么超细粉体会出现低温还原反应现象呢? 首先，在反应热力学上，由于钛精矿粉的粒度降低到10 μm左右或更细时，粉体的表面能和晶格能增加，这样可以降低吸热反应的自由焓，因此理论起始反应温度下降。另一方面，超细粉体的反应动力学条件非常优越。首先超细粉体在变细过程中，粉体表面出现许多活化中心，降低了反应的活化能；其次，反应表面积增加了数十倍，也加快了反应速度。总之，粉体变成超细粉体后，在热力学和动力学上均有利于低温还原反应的发生，更为系统和深刻的理论研究结果将在今后报道。

2 钛铁矿超细粉的制备工艺

传统的球磨机很难将钛铁矿粉体磨细到10 μm以下，如何得到超细钛铁矿粉?为此研究开发出一种高效连续式球磨机，可将钛铁矿粉体磨细到10 μm以下。实验用高效球磨机的内径为30 cm，高90cm，有效体积0.06 m3；电机额定功率为90 kWh，电压380V。钛铁矿的产量为1.2 t／h，使用功率75kW。粒度分析用GSL一101B型激光颗粒分布测量仪，结果见图2。颗粒主要分布在4～12 μm之间。此球磨机也可将粉体的平均粒度磨细到2~3 μm，

而能耗可控制在100 kW h／t以内。高效球磨机经过扩容后，可实现5～10 t／h的产量( 钛铁矿)，能够满目前高钛渣的工业生产要求。

开始反应的温度为811℃左右。实际上反应由于受动力学限制，即使温度在1200℃，反应速度也较慢。这也是使用电炉熔炼法生产高钛渣的原因之一。

3 钛铁矿生产高钛渣的低温还原工艺及特点

3. 1 低温工艺流程

除了粉体的制备、低温还原试验外，还进行了低温还原装置、工艺流程、物料和能量平衡方面的可行性试验、分析和计算，认为在低温下快速还原钛铁矿工艺是可行的，并形成了一项发明专利。这项专利不仅可以处理钛铁矿粉，而且还可处理铁矿粉与钒钛磁铁矿粉等多种铁矿和共生铁矿。

低温快速还原生产高钛渣的制备方法的具体流程为，将钛铁矿粉和煤粉分别在高效球磨机中磨细成超细粉，然后将它们按一定比例混匀，造球后在加热设备中还原。还原后的产品经冷却后磨碎通过磁选方式得到铁粉和高钛渣，或者通过熔分方式得到铁水和高钛渣。低温还原与电炉熔炼法的工艺比较见表2。

3.2 能耗低

低温还原工艺的最主要特点是降低冶炼能耗：由于冶炼温度低( 600℃)，物料(高钛渣)的物理热量仅为0.75 GJ／t (200 kWh／t )，仅相当于电炉熔炼法的1／4左右；其次，在600℃左右，化学反应较单一(铁的还原)，而TiO2的还原等副反应( 如TiO2 → Ti3O5 →Ti2O3 )难以发生，因此化学反应耗热少( 5 00k Wh／t高钛渣)，约为电炉熔炼法的60％左右；再