微波直接還原技術(shù)在鈦鐵礦制備高鈦渣工藝上的應(yīng)用

2019-02-11 作者：佚名網(wǎng)友評(píng)論 0 條

提出微波造渣富集工藝是基于低溫還原理論和晶粒長(zhǎng)大理論，當(dāng)鈦鐵礦和還原碳粉的粒度達(dá)到10μm級(jí)別時(shí)，在低于傳統(tǒng)冶煉溫度200℃~400℃的條件下實(shí)現(xiàn)鈦鐵礦中鐵還原。

潘聰超,龐建明,邸久海,劉云龍,李石穩(wěn)
中國鋼研科技集團(tuán)有限公司

　　1 前言

　　鈦是非常重要的戰(zhàn)略資源，主要來自金紅石礦。目前制取鈦白和金屬鈦的主要工藝均是氯化法，都需要以氯氣氯化富鈦料制得四氯化鈦，因而制取富鈦料成為了鈦工業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵步驟。隨著國內(nèi)外天然金紅石儲(chǔ)量的減少，各種含鈦產(chǎn)品需求量的不斷增長(zhǎng)，低品位的鈦鐵礦越來越受到重視。目前冶煉鈦鐵礦的方法主要有酸浸法、還原銹蝕法、電爐熔煉法等[1]，其中電爐熔煉法是初步處理鈦鐵礦生產(chǎn)高鈦渣的主要方法[1-2]，工藝比較簡(jiǎn)單，副產(chǎn)品金屬鐵可以直接利用，但是電爐法采用熔分的原理進(jìn)行渣鐵分離，具有高能耗、高污染等工藝缺陷。趙沛等人提出了煤基低溫冶金學(xué)和冶金流程[3-5]，可將鐵礦石的冶煉溫度降低到700℃以下，甚至更低的溫度。在此基礎(chǔ)上，筆者團(tuán)隊(duì)經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)鈦鐵礦粉體的平均粒度在10μm左右時(shí)也能將它的還原溫度降低到600℃左右，并基于此提出了應(yīng)用微波直接還原技術(shù)的造渣富集工藝實(shí)現(xiàn)了鈦鐵礦低溫、低耗、低排的制備高鈦渣。

　　2 鈦鐵礦直接還原試驗(yàn)

　　2.1 鈦鐵礦還原理論

　　試驗(yàn)采用的鈦精礦來自某鈦業(yè)公司細(xì)粒浮選鈦鐵礦精礦，該鈦鐵礦成分較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)致密，顆粒表面相對(duì)光滑，風(fēng)化程度低，鈦、鐵品位都較低，全鐵含量31.25%，二氧化鈦含量48.20%，同時(shí)含有較多的雜質(zhì)。其化學(xué)成分如表1所示。通過對(duì)其進(jìn)行XRD衍射分析，其重要物相為FeTiO3?！　?/p>

　　表1 鈦精礦的化學(xué)成分分析(%)

成分	TFe	MFe	TiO₂	FeO	Fe₂O₃	MgO	SiO₂	Al₂O₃	CaO	總計(jì)
含量	31.25	<0.05	48.20	33.65	6.77	6.01	2.24	1.40	0.78	99.05

　　圖1 鈦鐵礦XRD分析

　　圖2 FeTiO3直接還原分解圖3 鈦鐵礦間接還原平衡曲線圖

　　將FeTiO3與氧化鐵的碳熱還原反應(yīng)對(duì)比，形成如圖3所示平衡曲線圖。碳?xì)饣磻?yīng)與FeO還原的曲線交點(diǎn)溫度約960K，表明在熱力學(xué)上，此時(shí)碳能夠還原FeO的。碳?xì)饣磻?yīng)與FeTiO3還原的曲線交點(diǎn)溫度約1070K，表明在1070K以上，碳能夠還原FeTiO3的。FeTiO3的還原需要更高的溫度和更高的CO濃度。

　　2.2 鈦鐵礦低溫還原特性

　　實(shí)驗(yàn)中，碳的純度為分析純，物料平均粒度約為100μm，將一部分原料磨細(xì)到10μm左右。然后將原料按一定比例混勻，進(jìn)行熱重試驗(yàn)（升溫速度5℃/min，氮?dú)獗Ｗo(hù)），結(jié)果見圖4。

　圖4 鈦鐵礦粉被碳粉還原的熱重分析試驗(yàn)

　　試驗(yàn)對(duì)比了普通粉體和超細(xì)粉體的還原特性，從圖4可見，當(dāng)使用普通粉體（100μm左右）還原時(shí)，起始反應(yīng)溫度約為800℃，當(dāng)溫度升至980℃時(shí)，還原率不足20%，難以實(shí)現(xiàn)低溫快速還原反應(yīng)。將粉體變成超細(xì)粉后（10μm），反應(yīng)起始溫度降低到200℃左右。從圖3可見，當(dāng)反應(yīng)溫度升到700℃左右時(shí)，鐵的還原基本結(jié)束，而當(dāng)升溫至900℃以上時(shí)，TiO2?開始被還原成Ti3O5。實(shí)驗(yàn)表明，在600℃恒溫1小時(shí)，還原率可以達(dá)到95%以上，實(shí)現(xiàn)了低溫還原反應(yīng)。

　　由于鈦精礦粉的粒度降低到10μm左右或更細(xì)時(shí)，粉體的表面能和晶格能增加，這樣可以降低了吸熱反應(yīng)的自由焓，因此理論起始反應(yīng)溫度下降。同時(shí)粉體表面出現(xiàn)許多活化中心，降低了反應(yīng)的活化能；反應(yīng)表面積增加了數(shù)十倍，也加快了反應(yīng)速度。總之，粉體變成超細(xì)粉體后，在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上均有利于低溫還原反應(yīng)的發(fā)生[4]。

　　3 微波干預(yù)下的直接還原鈦鐵礦試驗(yàn)

　　鈦鐵礦經(jīng)過還原得到金屬鐵和鈣鈦渣，需要進(jìn)一步分離才能實(shí)現(xiàn)鈦在渣中的富集。在傳統(tǒng)的固態(tài)直接還原工藝中，氧化鐵雖然被還原為金屬鐵，但是仍然會(huì)以彌散狀態(tài)分布在渣相中，很難從渣中完全分離。傳統(tǒng)的工藝就是進(jìn)行高溫熔分，將還原后的產(chǎn)品進(jìn)入高溫電爐，利用高溫將爐渣及鐵熔化來實(shí)現(xiàn)渣鐵分離。諸多研究表明，通過預(yù)還原＋電爐熔分的效果較差，一是使工藝復(fù)雜化，順序困難；二是能耗并不節(jié)省。

　　為了提高金屬鐵和鈣鈦渣的分離效率，筆者團(tuán)隊(duì)經(jīng)研究提出了在微波干預(yù)下的晶粒長(zhǎng)大分離技術(shù)[5-6]。在微波場(chǎng)中，使鈦鐵礦發(fā)生低溫固態(tài)還原，隨后將還原物料持續(xù)在微波干預(yù)下保溫，促使鐵晶粒長(zhǎng)大，達(dá)到可分離條件。通過適當(dāng)?shù)奶砑觿┮约肮に囍贫?，完全可是鐵晶粒的粒度長(zhǎng)大到100微米，在某些條件下還可形成厘米級(jí)的鐵粒（見圖5）。然后通過簡(jiǎn)單的磁選即可得到純凈的鐵產(chǎn)品以及高鈦渣。