攀枝花钛精矿碳热还原

第 45 卷第 3 期中南大学学报(自然科学版) V ol.45 No.3 2014 年 3 月 Journal of Central South University (Science and Technology) Mar. 2014 攀枝花钛精矿碳热还原−真空冶炼工艺

黄润，吕学伟，张凯，宋兵，白晨光

(重庆大学 材料科学与工程学院，重庆，400044)

摘要：运用FactSage软件对攀枝花钛精矿碳热还原后在真空条件下的分离行为进行热力学计算。结果表明：在配 碳量12%(质量分数)，压力100Pa，温度高于1300℃时，气相中开始产生Mg，SiO和Mn蒸气；当温度为1750 ℃时，整个体系内各物质含量趋于稳定值，钛渣品位(折算TiO2)可达94%。在同样的配碳量下，温度为1550℃， 压力低于1000Pa时，气相中也产生Mg，SiO和Mn蒸气。在碳管炉进行了预还原后钛精矿的真空冶炼实验，结 果表明：金属铁已明显挥发出来； 渣的主要物相为Ti2O3，TiO和少量的金属铁，钛渣品位高达93.35%(质量分数)， CaO含量小于1.05%(质量分数)，MgO含量小于0.42%(质量分数)。

关键词：钛精矿；真空冶炼；高钛渣；FactSage

中图分类号：TF135 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2014)03−0684−06

Carbothermic reduction and vacuum smelting of

panzhihua ilmenite concentrate

HUANG Run, LÜXuewei, ZHANG Kai, SONG Bing, BAI Chenguang

(School of Materials Science and Engineering,Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Abstract: The phase relations with pressure and temperature were calculated by FactSage. The results show that Mg, SiO and Mn vapor are produced in the gas phase under the conditions of carbon addition 12%, temperature 1 300 ℃ and pressure 100 Pa. When temperature is higher than 1750 ℃, the content of each composition in the system keeps a stable value, and the grade of titania is about 94% (convert to TiO2). When the pressure is lower than 1 000 Pa and temperature is 1550 ℃, Mg, SiO and Mn vapor are also produced in the gas phase with the same carbon addition. On the other hand, the pre­reduced ilmenite is vacuum smelting in a carbon tube furnace. The iron vapor is volatilized. The main phases of the smelted samples are Ti2O3, TiO and little iron metal, the grade of which can reach 93.35%, CaO content is less than

1.05%and MgO content is less than0.42%.

Key words:ilmenite;vacuum smelting;titania slag;FactSage

我国攀西地区储藏着丰富的钛资源，约占全国钛 总储量的90%以上， 占世界储量35%， 但主要是含钒、 钛和铁的复合共生矿 [1] 。攀枝花钛精矿是从第一次选 矿后的尾矿中再次选矿而得，钛精矿含钙、镁杂质高， 镁以类质同象赋存于钛铁矿中 [2] 。电炉工艺富集降镁 难度大，必需经过后续处理才能满足生产氯化钛白和 海绵钛的要求 [3] 。盐酸法除钙镁杂质虽然技术可 行，但能耗高，设备腐蚀严重，产生的废酸量及副产 品量大 [4] 。到目前为止，仍未开发出一条适合该资源 特点和制备高品位氯化钛渣的有效途径。真空碳热还 原过程中可脱除还原过程中产生的高蒸气压物质，例 如MgO，SiO2 和ZnO等 [5−12] 。基于此，本文作者采用

收稿日期：2013−03−10；修回日期：2013−05−10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51374262)；中央高校基本科研业务费资助项目(CDJZR11130002)

通信作者：吕学伟(1982−)，男，山东莱芜人，博士，副教授，从事金属提取与分离过程的物理化学问题、钢铁冶金新技术及工艺优化研究；电话： 023­65112631；E­mail: lvxuewei@

第 3 期 黄润，等：攀枝花钛精矿碳热还原−真空冶炼工艺 685

FactSage 理论计算和真空实验结合的方法研究了该工 艺的可行性，以期为攀枝花钛精矿的利用提出新的工 艺路线。

1 实验

1.1 原料与设备

实验所用钛精矿和焦粉均取自攀枝花某企业，其 化学成分如表 1 所示。钛精矿的主要物相为钛铁矿、 磁铁矿和镁钛矿，如图 1所示。通过筛分的方法所得 钛精矿的粒度分布如表 2所示，其表明大部分粒度是 小于75 μm 。真空冶炼实验采用上海晨华电炉有限公 司生产的ZT−25−20真空碳管炉， 额定功率为25kW ， 最高工作温度为2000℃和极限真空为6.67mPa 。

表1 实验原料的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical analysis of raw materials

%

TiO 2

FeO Fe 2O 3 CaO 45.64 36.45

6.53 1.12 MnO MgO SiO 2 Al 2O 3 V 2O 5 钛精矿

0.86 3.22 3.65 1.02 ＜0.10 S P 固定碳 挥发分 灰分 0.65

0.12

83.66 2.22

14.12

灰分组成 Fe 2O 3 CaO Al 2O 3 MgO SiO 2 焦粉

8.91

6.01 22.26

2.16

47.79

图1 攀枝花钛精矿XRD 谱

Fig. 1 XRD pattern of Panzhihua ilmenite concentrate

表2 钛精矿粒度分布

Table 2 Particle size distribution of Panzhihua

ilmenite concentrate

粒度/μm

＞150 109~150 75~109 44~75 37~44 ＜37

质量分数/% 0.9

2.4

23.8

44.5

12.8 15.6

1.2 实验研究方法 1.

2.1 理论计算

通过 FactSage6.2 软件对钛精矿真空碳热还原进 行热力学计算，分析气相和渣相中的化学成分。开始 反应设置为：100 g 钛精矿和12g 焦粉(化学成分如表 1 所示)，体系压力 10~1 000 Pa ，计算温度区间为 1 200~1800℃。 1.2.2 实验研究

实验前， 先将钛精矿和焦粉按质量比为100:12进 行压块。单个球质量约为30g ，直径为30mm ，高为 5 mm 。然后在竖式电阻炉进行预还原，待炉温达到设 定的温度后，再将球团放入刚玉坩埚里并开始计时。 预还原温度为1 380 ℃，还原时间为20 min ，且在整 个还原过程中通氩气保护。关于预还原的更多细节请 参看文献[13−14]。将预还原后的样品放入带石墨盖的 刚玉坩埚中，在碳管炉中进行真空冶炼实验，其实验 装置如图 2所示。迅速升温到预定温度，开始计时。 真空度约20Pa ，冶炼实验的温度为1 550℃，冶炼时 间为15min ，然后停止加热，待试样冷却后取出。对 获得的样品进行XRD 物相和化学分析。

图2 真空碳管炉示意图

Fig. 2 Schematic diagram of vacuum carbon tube furnace

2 结果与分析

2.1 FactSage 理论计算

通过FactSage 模拟计算，可得到气相和渣相的成