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低温还原钛铁矿生产高钛渣的新工艺
发布时间：2013-08-26 08:00 来源：未知
0、引言
目前世界上90%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T102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3 000 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1 000。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，富通新能源销售球磨机、雷蒙磨粉机等磨机机械设备。
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 nun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—2um，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10严m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100um，将一部分原料用高效球磨机磨细到10um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5C/min，氮气保护）。
钛精矿的主要物相为FeT103，它与碳的化学反应如(1)式所示：
在标准状态下，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1 200℃，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。
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（100um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(10um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l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T102被还原成T13 0s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10um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10um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10um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。铁矿的产量为1.2 Uh，使用功率75kW。粒度分析用GSL - 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 lum之间。此球磨机也可将粉体的平均粒度磨细到2—3um，而能耗可控制在100 kWh/t以内。高效球磨机经过扩容后，可实现5—10t/h的产量（钛铁矿），能够满足目前高钛渣的工业生产要求。
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�；乖蟮牟肪淙春竽ニ橥ü叛》绞降玫教酆透哳言�，或者通过熔余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Ti02的还原等副反应（如T102一Ti305-*T1203）难以发生，因此化学反应耗热少(500 kWh/t高钛渣)，约为电炉熔炼法的60%左右；再次，低温条件下，尾气、冷却水带走的热量也仅相当于电炉熔炼法的1/4左右。因此，低温法冶炼高钛渣的能量约为1 000kWh/t，相当于电炉熔炼法的1/3左右。
3.3冶炼方法灵活
低温还原工艺除了可以用电加热外，还可采用煤或气作为热源。如用回转窑、竖炉、隧道窑等作为加热方式，这样可进一步降低生产成本�；乖恋难≡窨筛蓊烟蟮某煞侄�，如果钛铁矿中的全Fe含量高、而脉石（Mg0、S102、Al2 03等）杂质含量低，通过还原可以得到T102含量为90%以上的高钛渣，则可选用较纯的碳质还原剂（如碳粉等）。若钛铁矿中的脉石含量高，通过还原后仅可以得到Ti02含量为80%左右的高钛渣，则可以选用低灰分的煤粉作为还原剂。
3.4利于环保
低温冶炼法可用煤作为还原剂，而不需要焦炭或石油焦作为还原剂，避免了冶炼焦炭或石油焦过程的环境污染。低温下NO,、SO，等有害气体难以形成，因此排放量远低于电炉熔炼法的排放量。低温下，冷却水的用量也要明显少于电炉熔炼法的用量。
4、结论
(1)当钛铁矿和碳质还原剂（如煤粉）粉体的粒度约为10um时，可在600℃左右实现快速还原反应，将铁还原出来。
(2)研究开发出一种高效球磨机，可将钛铁矿粉体的平均粒度磨细到2—10um，能耗低于100 kWh/t，产量有望达到5—10 t/h。
(3)开发出低温快速还原钛铁矿生产高钛渣新工艺流程，该流程具有冶炼温度低、能耗小、污染少等特点。
