[ 來源：　|　作者：本站　|　發(fā)布時間：2018-03-12 |　瀏覽：570次 ]

1．鈦渣冶煉的原理及工藝流程

電爐熔煉鈦渣的實質是鈦鐵礦與固體還原劑無煙煤(或石油焦或叫焦炭)等混合加入電爐中進行還原熔煉，礦中鐵的氧化物被選擇性地還原為金屬鐵，鈦的氧化物被富集在爐渣中，經(jīng)渣鐵分離后，獲得鈦渣和副產(chǎn)品金屬鐵。鈦精礦的主要組成是TiO₂和FeO，其余為SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃和V₂O₅ 等，鈦渣冶煉就是在高溫強還原性條件下，使鐵氧化物與碳組分反應，在熔融狀態(tài)下形成鈦渣和金屬鐵，由于比重和熔點差異實現(xiàn)鈦渣與金屬鐵的有效分離。期間可能發(fā)生的化學反應如下：

Fe₂O₃+C=2FeO+CO （1）

FeO+C=Fe+CO （2）

以鈦精礦為原料，敞口電爐冶煉鈦渣的工藝流程如圖1所示。

2. 電爐冶煉的主要特征

鈦渣是一種高熔點的爐渣，鈦渣熔體具有強的腐蝕性、高導電性和其粘度在接近熔點溫度時而劇增的特性，而且這些性能在熔煉過程中隨其組成的變化而發(fā)生劇烈的變化。

2.1鈦渣的高電導率和熔煉鈦渣的開弧熔煉特征

2.1.1鈦渣的高電導率

鈦鐵礦在熔化狀態(tài)具有較大的電導率，在1500℃時為2.0～2.5ks/m,在1800℃為5.5～6.0ks/m，隨著還原熔煉鈦鐵礦過程的進行，熔體組成發(fā)生變化，FeO含量減少，而TiO2和低價鈦氧化物的含量增加，因此其電導率迅速上升，如加拿大索雷爾鈦渣在1750℃電導率為15～20ks/m，而一般的爐渣在1750℃電導率為100s/m，可見鈦渣的電導率比普通冶金爐渣的電導率高數(shù)十倍甚至幾百倍，比普通離子型電解質（如Nacl液體在900℃時的電導率約為400s/m）的電導率都高很多，且溫度變化對鈦渣電導率影響不大,這些都說明鈦渣具有電子型導電體的特征。

2.1.2熔煉鈦渣電爐的開弧熔煉特征

　　鈦渣的高電導率決定了熔煉鈦渣電爐的開弧熔煉特征，即熔煉鈦渣的熱量來源主要依靠電極末端至熔池表面間的電弧熱，這就是所謂的“開弧冶煉”,而在高電阻爐渣的情況下，電極埋入爐渣,熔煉過程的熱量來源主要是渣阻熱，即所謂的“埋弧熔煉”。在敞口電爐熔煉鈦渣的初期具有短期的礦熱爐埋弧冶煉的特征，隨著熔煉過程的深入進行，開弧冶煉的電弧特征越來越明顯。熔煉過程超過1小時后，電弧熱所占比例可達90%，熔煉過程的后期電弧熱所占比例可達97%。

2.2.鈦渣熔點和粘度特性對熔煉過程的影響

2.2.1鈦渣熔點對熔煉過程的影響

鈦氧化物中的鈦－氧鍵很牢固，它們的熔點很高。鈦渣主要是由鈦的氧化物組成，因此它的熔點很高，按其組成其熔點在1580～1700℃之間，鈦渣的熔點隨其中TiO2含量的增加而升高，熔煉鈦渣要在高溫下進行，這就要求熱量必須高度集中在還原熔煉區(qū)。

2.2.2鈦渣粘度對熔煉過程的影響

鈦渣具有短渣的特性，在溫度高于熔點處于完全熔化的鈦渣熔體具有很低的粘度，但當渣溫接近其熔點時，其粘點急劇增加。這是因為鈦渣的結晶溫度范圍很窄，溫度接近熔點時少量結晶固體析出懸浮在熔體中，使熔體變得十分粘稠，造成渣流動性變壞，出爐時困難。

2.3鈦渣熔體的高化學活性對電爐的影響

鈦渣的主要成分是TiO₂ ，但還含相當數(shù)量的低價鈦氧化物，因而具有極高的化學活性，幾乎能與所有的金屬和非金屬材料發(fā)生作用。事實上鈦渣熔體能很快的腐蝕普通的耐火材料，所以鈦渣的還原熔煉是在爐襯上掛上一層鈦渣用于保護爐體。

2.4鈦渣熔體的沸騰對熔煉過程的影響

鈦鐵礦的還原反應主要在熔體的表面，但當固體爐料突然陷落到熔體中，或者由于表面還原反應生成的高碳鐵經(jīng)熔體下降，都可能在熔體中或金屬鐵與熔渣介面上發(fā)生瞬間激烈反應，生成的大量的CO氣體經(jīng)熔渣逸出，使熔渣沸騰和噴濺，熔渣的沸騰會把電極淹沒，使電爐的瞬間電流增大，造成短路，引起鈦渣熔煉不穩(wěn)定。在一次加料的間歇式熔煉工藝中，鈦渣會經(jīng)常發(fā)生沸騰，造成爐況不穩(wěn)定，只有通過連續(xù)加料和密閉冶煉方式可以避免和減少鈦渣的沸騰，使熔煉過程爐況穩(wěn)定。

2.5雜質元素對鈦渣熔體的影響

鈦渣的熔點隨其中TiO₂含量的增加而升高，而影響鈦渣熔點的另一個因素是它的還原度，即渣中鈦渣含有的Ti₂O₃與TiO₂的比值。當O/Ti＝1.76時系統(tǒng)具有最低共熔點，隨著O/Ti比值的降低（還原度的增大），系統(tǒng)熔點升高，當O/Ti比值＝1.67時達到一個較高的熔點，可見熔煉鈦渣的終點最好在O/Ti＝1.76左右。鈦原料中的雜質元素如FeO、MgO、CaO、MnO和Al₂O₃都分別可與TiO₂形成二元化合物和低共熔點，在它們一定含量范圍內，都起降低鈦渣熔點的作用，可見這些雜質元素是一種很好的造渣劑，但雜質元素過高會降低鈦渣的品位。

3.鈦渣的試驗情況

集團公司和鈦業(yè)公司先后在武定和陸良開展了大規(guī)模的冶煉鈦渣試驗，其試驗情況如下：

3.1武定鈦渣試驗

試驗是以云南武定鈦渣冶煉廠現(xiàn)有條件，不作任何改變的情況下進行，即敞口電爐，自焙電極，電爐爐底用400×400的碳磚砌筑，爐壁用一般的耐火磚砌筑，出爐口正對1#電極。

表1 電爐主要技術性能

3.1.1主要工藝條件及操作

配碳量：以礦中全部Fe₂O₃轉化為FeO，96%FeO還原成金屬鐵，30%TiO₂還原成Ti₃O₅，熔池中鐵的滲碳按2%計算理論配碳量為加礦量的7.98%，折合成焦粉為加礦量的9.85%，而實際配碳約12%。

電參數(shù)：在該電爐及變壓器不配套的情況下，幾乎沒有調節(jié)的余地，加之試驗爐次較少，就以現(xiàn)行操作的100V，作為二次電壓進行冶煉。

冶煉操作：每爐投入鈦精礦1.49噸，其中0.78噸作為配瀝青、焦粉的混合料一次性加入爐內并搗實，0.71噸的鈦精礦是作為附加礦，在冶煉過程中間斷式地從電極孔逐漸加入爐內，作為調節(jié)品位，避免翻渣、結殼、噴濺的一種手段。每出爐一次算一個爐號，每爐冶煉180分鐘，波動在150～240分鐘，出爐時不斷電，用氧氣燒穿爐口，渣、鐵混出，排入渣盤內，渣盤的側面沿底部設有φ100mm的孔，出爐5～8分鐘，待鈦渣凝結后，抽開渣盤側面小孔，鐵水注入沙盤成80～90kg的鐵錠。出爐完畢堵上出爐口，沿三個電極孔分別加入約60kg礦，7kg焦粉后，搗爐，加料，并用鐵錘夯實，放電極，合閘送電，冶煉下一爐，從出爐到第二爐送電時間約10～20分鐘。

3.1.2試驗概況及結果

試驗于7月26日19:40時開始，至7月29日24:00時結束，冶煉時間為76小時20分，共冶煉23爐，平均每爐間隔時間20分鐘，投入攀枝花鈦精礦30噸，冶金焦粉2.98噸，瀝青1.296噸（7.2%），產(chǎn)鈦渣18.425噸，半鋼7.8噸。其中過渡鈦渣3.375噸，成品渣15.05噸，洗爐渣及鈦渣（TiO₂）品位分別為79.52%、76.65%。4～20爐的17爐連續(xù)穩(wěn)定試驗，鈦渣平均電耗2201KWh/t渣，TiO₂收率92.88%。電極消耗55kg/t渣。

整個冶煉期間冶煉平穩(wěn)、爐況順行，沒有因翻渣噴濺而被迫停電或跳閘現(xiàn)象，達到了預期效果。

表2 17爐連續(xù)冶煉結果

表3 成品鈦渣化學成分%

3.1.3結論

1.經(jīng)過這次工業(yè)試驗,再一次證明了敞口電爐用攀枝花鈦礦(TiO₂在47%以上)冶煉76%左右的酸溶性鈦渣的可行性。根據(jù)出爐渣的粉化情況看，鈦渣品位超過78%以上，粉化現(xiàn)象嚴重，而品位低于74%的鈦渣，冶煉爐溫低、產(chǎn)量低。因此，我們認為用攀枝花鈦礦冶煉酸溶性鈦渣的適宜品位在74%～77%之間。

2.敞口電爐、自焙電極冶煉鈦渣，用約50%的礦拌焦、瀝青，一次加入爐內搗實，50%的粉礦逐漸從電極孔加入，即類似密閉電爐連續(xù)加料的工藝，可以解決我國傳統(tǒng)冶煉的翻渣、結殼、噴濺、電極串動跳閘、變壓器功率不能充分發(fā)揮的問題。

3.該冶煉方法使用自焙電極，鈦渣電耗達2200KWh/t渣，TiO₂品位76.65%，鈦渣含硫0.091%，半鋼含硫0.171%，可使鈦渣成本較大幅度降低，產(chǎn)品鈦渣、半鋼質量得到提高，有利于半鋼處理利用。

4.該冶煉方法不能解決鈦渣冶煉環(huán)境惡劣，工人勞動強度大，煤氣不能利用的問題，有待進一步研究解決。

3.2陸良鈦渣試驗

3.2.1主要操作制度

3.2.1.1配碳量

以礦中Fe₂O₃全部轉化為FeO，90%～96%FeO還原成金屬鐵，30%TiO₂還原成Ti₃O₅，熔池中鐵的滲碳按2%計算理論配碳量，折合成還原劑的加入量。

3.2.1.2電參數(shù)

120V。

3.2.1.3送電制度。

通過控制電流大小作為敞口電爐鈦渣冶煉控制爐況的手段。

3.2.1.4冶煉操作

將瀝青、焦粉和鈦精礦按照一定比例混合均勻，加入爐內并搗實，每爐加入混合礦約3.0噸。在冶煉過程中，間斷式地從電極孔人工加入少量鈦精礦作為調節(jié)品位，避免翻渣、結殼、噴濺的一種手段。每爐冶煉時間控制在150min左右。出爐時不斷電，用氧氣燒穿爐口，渣鐵混出，渣車側面沿底部設有φ100mm的出鐵孔，待鈦渣凝結后，通開出鐵孔，鐵水澆注成80～90kg的鐵錠。鐵水放完后，立即用水管對鈦渣進行表面噴水冷卻，至鈦渣表面變暗為止。用葫蘆吊將其吊入簡易水池(長×寬×高=5000×3000×800mm，用5mm厚的鋼板制成的)中，水池中嚴禁裝水。等鈦渣冷卻后將其破碎得鈦渣成品。出爐完畢后堵上出爐口，進行搗爐作業(yè)，開始下一爐冶煉，出爐間隔20～30min。

3.2.2試驗概況及結果

3.2.2.1攀枝花鈦礦與云南鈦礦各50%的混礦試驗

（1）冶煉TiO₂79±2%的鈦渣試驗

配料比 混合鈦礦∶焦碳∶瀝青=100∶11∶7進行冶煉。

在條件試驗階段，測得出爐渣鐵溫度較高，達1800℃以上，比所冶煉鈦渣的熔點1700℃左右高很多。雖然較高的爐溫對提高碳還原鈦精礦中鐵氧化物的反應速度有利，但溫度過高，渣中低價鈦大量出現(xiàn)會影響鈦渣的質量，

既冶煉時間在90min至120min時，將電極電流穩(wěn)定控制在120A左右，而冶煉時間達到120min至150min時，逐漸降低電極電流到100A。

表4： 攀鈦礦與云南鈦礦各50%生產(chǎn)79%±2渣化學成分 %

（2） 冶煉TiO₂75±2%的鈦渣試驗

配料比調整為：混鈦礦∶還原劑∶瀝青=100∶10(20%細冶金焦粉灰+80%無煙煤) ∶8， 送電制度延用了冶煉79±2%鈦渣時的送電制度 。

試驗共產(chǎn)出品位為75±2%的成品鈦渣100.95噸，其典型化學全分析見表10。通過試驗確定用混合礦生產(chǎn)TiO₂75±2%鈦渣的合理的配料比是：混鈦礦∶無煙煤∶瀝青=100∶9∶7.5 ，或者混鈦礦∶還原劑∶瀝青=100∶10(20%細冶金焦粉灰+80%無煙煤) ∶8；合理的送電制度見圖2。

表5： 攀鈦礦與云南鈦礦各50%生產(chǎn)75±2%渣化學成分 %

3.2.2.2全云南鈦礦試驗

（1） 冶煉TiO₂82±2%的鈦渣試驗

配料比為：云南礦∶無煙煤∶瀝青=100∶9∶8。冶煉逐步轉入正常。試驗共產(chǎn)出品位82±2%的成品鈦渣61.35噸，其典型化學成份全分析見表12。通過試驗摸索出全云南鈦礦冶煉含TiO₂為82%的鈦渣合理的配料比是：云南礦∶無煙煤∶瀝青=100∶9∶8。

表5： 100%云南鈦礦生產(chǎn)82%±2%鈦渣化學成分 %

（2）冶煉TiO₂78±2%的鈦渣試驗

配料比為：云南礦∶無煙煤∶瀝青=100∶8.5∶8， 送電制度采用圖4的送電制度。

試驗共產(chǎn)出品位為78±2%的成品鈦渣 60噸，其典型化學成份全見表14。通過試驗摸索出全云南鈦礦冶煉TiO₂78±2%的鈦渣合理的配料比是：云南礦∶無煙煤∶瀝青=100∶8.5∶8

表：6 全云南鈦礦試驗生產(chǎn)78%±2渣化學成分

3.2.3.3全攀枝花鈦礦試驗

的配料比為： 攀鈦礦∶無煙煤∶瀝青=100∶8∶8，

試驗共產(chǎn)出成品鈦渣 65.275噸，其典型化學成份全分析見表16。通過試驗摸索出全攀鈦礦生產(chǎn)含TiO₂為74±2%的鈦渣合理的配料比是：云南礦∶無煙煤∶瀝青=100∶8∶8。

表7： 全攀鈦礦試驗生產(chǎn)74%±2渣化學成分

本次工業(yè)試驗于11月1日8點整正式開始送電，至12月20日凌晨5時共冶煉270爐，平均每爐運行時間為180min。試驗共投入攀枝花鈦精礦294噸，云南鈦精礦478噸，冶金焦無煙煤 74.69 噸，瀝青58.38 噸，產(chǎn)鈦渣417.70噸，半鋼189.83 噸。其中過渡鈦渣0.35噸，成品渣417.35 噸。

3.2.3結論

⑴本次試驗證明了采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)氯化渣的敞口電爐、自焙電極，在二次電壓不調整的條件下冶煉酸溶性鈦渣是完全可行的，而且鈦渣質量和技術經(jīng)濟指標也好 。

⑵試驗期間總體來說爐況穩(wěn)定，冶煉順利。

⑶試驗采用不同的原料組成，冶煉出了5個品位檔次的鈦渣產(chǎn)品，具體為：采用50%攀枝花礦和50%云南礦為原料冶煉TiO₂ 75±2%和TiO₂ 79±2%；采用100%云南礦為原料冶煉TiO₂ 78±2%和TiO₂ 82±2%；采用100%攀枝花礦為原料冶煉TiO₂ 74±2%的鈦渣共計417.25噸。為探索全鈦渣酸解制取鈦白的成套工藝技術提供了原料條件。

⑷本次試驗的渣鐵分離方式好、效果好。

⑸采用鈦渣出爐后噴水急冷的措施，大大降低了低價鈦的金紅石化程度。根據(jù)X射線檢測結果，采取噴水急冷，鈦渣成品的金紅石量僅為二氧化鈦總量的4%～6%，即鈦渣中的金紅石含量僅為3.2%～4.8%，同QIT鈦渣中金紅石的含量相當。

4.鈦渣和鈦礦的物相結構

4.1鈦鐵礦的物相結構

鈦鐵礦的化學式為FeTiO₃,其理論組成是TiO₂52.6%，但在自物界中的鈦鐵礦一般由FeTiO₃及風化后的鈦鐵礦組成。隨著成礦時間越長，風化程度逐步加深，TiO₂含量越高，風化后的鈦鐵礦形成了以下幾種物相組成：板鈦礦（Fe_2.3Ti₃O₉），改變后的板鈦礦（Fe_1.2Ti₃O_6.6(OH)_2.4）,白鈦石（Fe_0.6Ti₃O_4.8(OH)_4.2）,金紅石（TiO₂）等。同時在風化過程中，其它氧化物雜質與FeTiO₃形成了固溶體，可用以下通式表示：m((Fe,Mg,Mn).TiO₂).n((Fe,Cr,Al)₂O₃)，其中m+n=1。

具有開采價值的鈦礦可分為巖礦和砂礦，巖礦由鈦鐵礦（FeTiO₃）組成，TiO₂含量在45-53%左右，其中的鐵由FeO形式存在，FeO/Fe₂O₃比值高，同時MgO的含量高，礦物結構致密。

砂礦是由巖礦在風化過程中，一些可溶的成分溶出，由風化后的鈦鐵礦單獨或者和鈦鐵礦混合組成。其中的的Fe₂O₃含量高，FeO/Fe₂O₃比值低，雜質含量少，礦物結構疏松，其金紅石礦TiO₂含量可達95-100%。

4.2鈦渣的物相組成

鈦渣是在電爐中熔煉鈦鐵礦后形成的一種產(chǎn)物，主要由兩種物相組成：其中90―95%由假板鈦相　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?/span>FeTi₂O₅）_a(MgTi₂O₅)_b(Al₂TiO₅)_c(MnTi₂O₅)_d(V₂TiO₅)_e(Ti₃O₅)_f組成，又稱黑鈦石固溶體相，其中a+b+c+d+e+f=1。例如：索雷爾渣的典型組成：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?/span>FeTi₂O₅）_0..31(MgTi₂O₅)_0.30(Al₂TiO₅)_0.06(MnTi₂O₅)_0.008(V₂TiO₅)_0.012(Ti₃O₅)_0.31。

另一種物相是硅酸鹽玻璃體相（Ca,Al,Mg,Fe,Ti）SiO₃，含量在5-10%左右，典型組成：SiO₂ 60%，Al₂O₃18-20%，CaO9-10%，MgO1-4%，FeO2-4%，TiO₂3-4%。

采用電爐冶煉出來的鈦渣分為酸溶性鈦渣和氯化鈦渣，攀枝花鈦精礦冶煉的鈦渣是酸溶性鈦渣，用于硫酸法鈦白生產(chǎn)，主要有以下幾個特點：

1、具有良好的酸溶性，酸解率≥94%；

2、有適量的助溶劑雜質FeO和MgO以便鈦渣有良好酸解反應性能；

3、低價鈦控制在適量范圍；

4、對生產(chǎn)鈦白有害的雜質（硫、磷、鉻、釩）含量不能超標；

氯化鈦渣用于氯化法鈦白生產(chǎn)，主要有以下幾個特點：

1、TiO₂含量高，一般要求≥92%；

2、在氯化過程中形成粘結性的CaO＋MgO含量一般要求≤1%；

3、粒度分布符合流態(tài)化的要求；

5.鈦渣的升級

由于攀枝花鈦礦的雜質含量高，TiO₂含量低，不能適應生產(chǎn)氯化鈦白的原料要求。攀枝花鈦礦生產(chǎn)的鈦渣由于含CaO+MgO>10%，在氯化過程形成MgCl₂、CaCl₂等雜質，而MgCl₂、CaCl₂易粘結，降低氯化效率，破壞流態(tài)化過程，目前以攀枝花鈦礦生產(chǎn)的鈦渣更適用于硫酸法鈦白生產(chǎn)。

以攀枝花鈦礦為原料生產(chǎn)出氯化鈦白的原料，可采用人造金紅石的生產(chǎn)流程：其工藝路線如下：

①、鈦鐵礦 熱還原 酸浸 人造金紅石

但這條工藝路線存在廢酸的綜合利用、粒度較細等問題沒有解決，目前這條工藝路線更適合高品位的砂礦生產(chǎn)人造金紅石。

攀枝花鈦礦生產(chǎn)的鈦渣要用于氯化法鈦白生產(chǎn)，目前只有前蘇聯(lián)的熔鹽氯化法，但是存在廢鹽的處理及對設備的腐蝕嚴重等問題。

進一步將鈦渣可升級成人造金紅石或UGS渣，再用于氯化法鈦白生產(chǎn)，是攀枝花鈦礦最可行的路線。升級成UGS渣是加拿大QIT公司的專利，其工藝路線：

①、鈦渣 氧化 還原 酸浸 UGS

升級成人造金紅石，可采用氯化法或硫酸浸出法，其工藝路線：

①、鈦渣 　氯化 酸浸 人造金紅石

②、鈦渣　　　煅燒　　酸浸　　人造金紅石

6.結論

1、要升級鈦渣，必須破壞鈦渣的結構，因此首先要了解鈦渣的物相組成，以及對鈦渣各種雜質的存在形式進行深入了解；

2、了解在鈦渣的冷卻過程中，各種物相是如何形成的；

3、研究最適合于酸解的鈦渣結構、粒度等。通過調整冶煉制度、加入的物料及采用的冷卻曲線，控制鈦渣中的物相組成，形成有利于酸解的物相，避免形成不利于酸解的物相；

4、研究如何更有效的破壞鈦渣的結構、最佳的酸解反應條件,最佳的工藝流程；