攀西鈦鐵礦預(yù)還原電爐冶煉研究
2017-03-22 作者：佚名 網(wǎng)友評(píng)論 0 條
鄭富強(qiáng)，王帥，郭宇峰，姜濤，邱冠周
中南大學(xué)，資源加工與生物工程學(xué)院
鈦及鈦產(chǎn)品因其良好的耐高溫、耐低溫、抗強(qiáng)酸、抗強(qiáng)堿的性能等特性被廣泛應(yīng)用于化工、電力、冶金和醫(yī)藥等領(lǐng)域[1]。海綿鈦是制備高端鈦產(chǎn)品（鈦材）的基礎(chǔ)材料，制備高端鈦產(chǎn)品就需大力發(fā)展海綿鈦的生產(chǎn)。海綿鈦的生產(chǎn)工藝主要包括制備四氯化鈦的氯化工藝和鎂還原工藝（克勞爾法）[2]。其中氯化工藝主要有熔鹽氯化和沸騰氯化兩種，熔鹽氯化法的發(fā)展受其氯化效率低和廢鹽量大等缺點(diǎn)的限制，沸騰氯化法具有氯化效率高、殘?jiān)俚奶攸c(diǎn)，是目前國(guó)際上的首選氯化工藝，其原料要求為TiO2>92％，(CaO+MgO) <1.5％的高品質(zhì)富鈦料[3,4]。因此目前海綿鈦制備需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是制備適于沸騰氯化工藝的高品質(zhì)富鈦料。
根據(jù)我國(guó)公開(kāi)發(fā)表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)鈦資源儲(chǔ)量以TiO2計(jì)約9.65億噸。扣除鈦磁鐵礦資源，鈦資源儲(chǔ)量以TiO2計(jì)約4.8億噸[5]。我國(guó)鈦資源以巖礦型鈦鐵礦為主，共生于釩鈦磁鐵礦資源中，資源稟賦差，難分選，特別是儲(chǔ)量約占全國(guó)鈦資源量90%以上的四川攀西地區(qū)的鈦鐵礦資源，分選出的鈦鐵礦鈣鎂等雜質(zhì)含量高，品質(zhì)差，難以用于制備沸騰氯化法原料。目前鈦鐵礦的利用方法主要有電爐法、選擇氯化法、還原磨選法、還原銹蝕法、酸浸法和堿化浸出等方法[6-12]。這些方法中，除了酸浸法之外，其他方法均不能直接將巖礦型鈦鐵礦制備為用于海綿鈦制備的高品質(zhì)富鈦料，但酸浸法對(duì)鐵的利用不好，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重,“三廢”量大且難處理，尚未工業(yè)化。與其他方法相比，電爐法的生產(chǎn)規(guī)模大、副產(chǎn)品鐵利用好，且電爐冶煉采用預(yù)還原工序有利于電爐順行和降低電耗。因此電爐法可做為鈦鐵礦通過(guò)預(yù)富集后進(jìn)一步除雜制備用于海綿鈦制備的高品質(zhì)富鈦料的發(fā)展方向，是提高攀西鈦資源利用水平的現(xiàn)實(shí)選擇。
預(yù)還原工藝目前主要有氣基豎爐法、流化床法、回轉(zhuǎn)窯法、轉(zhuǎn)底爐法和隧道窯法[13-15]。相比其他方法，氣基豎爐法具有單臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能大、能耗低、對(duì)鈦渣品位無(wú)影響、能實(shí)現(xiàn)電爐熱裝等優(yōu)點(diǎn)，且已經(jīng)成熟地應(yīng)用于普通鐵礦領(lǐng)域。我國(guó)攀西地區(qū)不僅有極其豐富的鈦鐵礦資源，還處于川渝氣區(qū)，有豐富的天然氣資源，這為氣基豎爐預(yù)還原法提供了充足的氣體資源。所以選擇氣基豎爐法處理攀西地區(qū)鈦鐵礦具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
本文以攀西鈦鐵礦為研究對(duì)象，采用氣基預(yù)還原-電爐冶煉法進(jìn)行冶煉，獲得半鋼產(chǎn)品和電爐鈦渣。本文主要研究氫氣-一氧化碳配比、添加劑對(duì)攀西鈦鐵礦預(yù)還原過(guò)程的影響，以及冶煉溫度、冶煉時(shí)間和配碳量對(duì)鈦鐵礦金屬化球團(tuán)電爐冶煉過(guò)程的影響。為攀西鈦鐵礦的高效利用提供理論基礎(chǔ)。
1實(shí)驗(yàn)原料與研究方法
1.1實(shí)驗(yàn)原料性能
1.1.1鈦鐵礦原料
本文試驗(yàn)所用原料為攀枝花鋼鐵集團(tuán)公司提供的鈦鐵礦，鈦鐵礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，粒度分布見(jiàn)表2，XRD圖譜見(jiàn)圖1所示。
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TiO2 |
TFe |
FeO |
MgO |
CaO |
Al2O3 |
SiO2 |
MnO |
V2O5 |
S |
P |
|
47.76 |
31.60 |
28.76 |
5.60 |
0.68 |
1.33 |
1.45 |
0.63 |
0.067 |
0.22 |
0.005 |
表2 鈦鐵礦的粒度分布
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粒度/mm |
-0.045 |
0.045-0.074 |
+0.074 |
|
含量/% |
74.44 |
16.54 |
9.02 |
還原鈦鐵礦過(guò)程中，添加劑使用的是硼砂（Na2B4O7·10H2O），為分析純?cè)噭?。所用還原劑為長(zhǎng)沙氣體氣體公司提供的氣體，氫氣氣體純度≥99.5%，一氧化碳?xì)怏w純度≥99.8%。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
預(yù)還原實(shí)驗(yàn)：取一定質(zhì)量的鈦鐵精礦和添加劑加水充分混勻后，壓制成直徑為1cm的團(tuán)礦，并置于干燥箱內(nèi)在1055℃下干燥4h。取一定量的烘干鈦鐵礦團(tuán)塊置于剛玉舟（50×25×15mm）中，在爐膛直徑為Φ50mm、配有自動(dòng)控溫系統(tǒng)的小型臥式電阻爐中進(jìn)行預(yù)氧化實(shí)驗(yàn)，預(yù)氧化溫度為900℃，預(yù)氧化時(shí)間為30min。將預(yù)氧化團(tuán)塊樣稱重后置于特制的玻璃反應(yīng)器內(nèi)，待配有熱電偶的高溫爐溫度升至設(shè)定溫度時(shí)，將反應(yīng)器以25mm/min的速度放于高溫爐內(nèi)，當(dāng)爐溫升至設(shè)定溫度時(shí)，以一定流量通入氫氣，計(jì)時(shí)并保溫所定時(shí)間。待保溫時(shí)間到達(dá)，關(guān)閉H2閥門，以25mm/min的速度提出反應(yīng)器，通氮?dú)獗Ｗo(hù)冷卻至室溫。取樣分析其全鐵和金屬鐵含量，計(jì)算還原產(chǎn)品的金屬化率。
電爐熔煉實(shí)驗(yàn)：電爐熔煉實(shí)驗(yàn)在配有自動(dòng)控溫系統(tǒng)的密閉高溫電阻爐中進(jìn)行。首先，使高溫爐上升到指溫度后，將已還原好的鈦鐵礦球團(tuán)配加適量的無(wú)煙煤粉后裝于石墨坩堝內(nèi)，然后將石墨坩堝放入高溫爐內(nèi)，在設(shè)定的溫度和時(shí)間下進(jìn)行熔煉。試驗(yàn)完成后取出石墨坩堝，在保護(hù)性性氣氛下慢速冷去防止氧化。冷去后將將熔煉產(chǎn)品從石墨坩堝中取出，分離上下層，分別得到鈦渣及半鋼。
1.3 參數(shù)定義
還原試驗(yàn)金屬化率η的計(jì)算表達(dá)式為：
實(shí)驗(yàn)樣品的主要礦物物相分析采用X-ray 全自動(dòng)衍射儀 (Cu Ka radiation, λ=0.154056 nm, 40 kV, 300 mA, SCAN: 10.0/80.0/0.02/.15 sec, D/max2550PC, Rigaku Co., Ltd., Japan).
本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所有產(chǎn)物的顯微結(jié)構(gòu)觀察均使用中南大學(xué)的光學(xué)顯微鏡圖像分析儀（Leica）和長(zhǎng)沙礦冶院的Genesis 2000 X-射線能譜儀進(jìn)行分析。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
2.1 攀西鈦鐵礦的預(yù)還原
預(yù)還原實(shí)驗(yàn)樣品先經(jīng)過(guò)預(yù)氧化處理，預(yù)氧化條件為：預(yù)氧化溫度為900℃，預(yù)氧化時(shí)間為30min。
2.1.2 氫氣一氧化碳配比試驗(yàn)
在實(shí)際生產(chǎn)中，從生產(chǎn)成本，氣體來(lái)源，能源現(xiàn)狀和使用安全等角度考慮，進(jìn)行了氫氣和一氧化碳的配比還原試驗(yàn)。
氫氣一氧化碳配比試驗(yàn)固定其它還原條件：還原溫度850℃，還原時(shí)間60min，氣體總流量240L/h，分別對(duì)100%CO，0%H2；80%CO，20%H2；60%CO，40%H2；40%CO，60%H2；20%CO，80%H2； 0%CO，100%H2配比的還原產(chǎn)物分析金屬化率。圖2為氫氣一氧化碳相對(duì)配比對(duì)還原產(chǎn)物金屬化率的影響。
氫氣和一氧化碳配比最優(yōu)結(jié)果為：以900℃預(yù)氧化30min的鈦鐵礦團(tuán)塊為原料，在850℃下，氣體總流量240L/h，H2:CO=4:1還原60min，獲得的還原產(chǎn)物金屬化率可達(dá)65%。
2.1.3 添加劑強(qiáng)化預(yù)氧化鈦鐵礦氣基還原研究
選用配氣最優(yōu)結(jié)果，以900℃預(yù)氧化30min的添加了3%硼砂的鈦鐵礦團(tuán)塊為原料，在850℃下，氣體總流量240L/h，H2:CO=4:1，預(yù)還原產(chǎn)物金屬化率與還原時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3所示。
圖3產(chǎn)物金屬化率與還原時(shí)間的關(guān)系
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