攀枝花學(xué)院 釩鈦學(xué)院
近年來，我國鈦工業(yè)發(fā)展迅速[1-4]，鈦鐵礦巖礦將在未來成為鈦工業(yè)生產(chǎn)的主要原料[5-7]。我國90%鈦資源主要集中在攀西地區(qū)。在選礦的過程中，更多采用多段細(xì)磨，造成攀西地區(qū)80%為微細(xì)粒級浮選鈦鐵礦[8-9]（粒度<0.074 mm占80%以上），對于鈦鐵礦的運輸、冶煉都帶來了難題，不能直接制備高鈦渣，需對鈦鐵礦粉礦進(jìn)行造球處理。通過國內(nèi)外大量學(xué)者研究和實踐表明[10-12]，對鈦鐵礦進(jìn)行氧化焙燒，可以破壞鈦鐵礦致密結(jié)構(gòu),使鈦鐵礦顆粒的結(jié)晶狀態(tài)發(fā)生改變，形成較多孔隙，這種改變有利于鈦鐵礦的還原。
1 試驗研究
1.1 試驗原料
(1)鈦鐵礦
鈦鐵礦主要化學(xué)成分見表1所示, 原料的粒度組成按>150 um、109 ~150 um、75~109 um、45~75 um、<45 um等5級篩分，然后逐漸稱重，稱量結(jié)果見表2所示, 試驗所用粘結(jié)劑選擇高溫易揮發(fā)的有機(jī)粘結(jié)劑PVA(聚乙烯醇)，氧化焙燒后不會對鈦渣中TiO2品位造成影響。
表1 鈦鐵礦化學(xué)成分分析 (wt%)
|
∑Fe |
TiO2 |
FeO |
Fe2O3 |
SiO2 |
S |
MgO |
Al2O3 |
MnO |
V2O5 |
CaO |
|
32.17 |
46.2 |
34. 56 |
6.55 |
3.17 |
0.19 |
5.52 |
1.24 |
0.65 |
0.095 |
0.75 |
|
粒度分布/（um） |
<45 |
45～75 |
75～109 |
109～150 |
>150 |
|
占比（%） |
35.24 |
51.11 |
10.68 |
1.91 |
1.06 |
鈦鐵礦中Ti元素含量高，TiO2品位達(dá)到46.2%，F(xiàn)e元素的價態(tài)主要有Fe3+、Fe2+形式存在，其中FeO含量高達(dá)34.56%，非鐵雜質(zhì)含量為12.88%，其中SiO2和MgO含量高，且該礦粉粒度較細(xì)，粒度在 <75 um（-200目以下）占比為86.35%，屬于微細(xì)粒級鈦鐵礦。
1.2 試驗方法
1）設(shè)定圓盤轉(zhuǎn)速為18 r/min，傾斜角度為48°，圓盤造球中不斷加入適宜粘結(jié)劑PVA，粘結(jié)劑用量為1%，水分用量為8%，造球時間30 min，經(jīng)篩分處理后，得到適宜的球團(tuán)尺寸為10~12 mm。
2)生球干燥：把生球團(tuán)平鋪在大瓷盤上，放入120 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干，干燥時間為4 h。
3) 球團(tuán)焙燒：試驗采取非等溫焙燒方式，整個焙燒過程在氣氛升降爐中進(jìn)行；在剛玉坩堝中放入15個鈦鐵礦干球團(tuán)（約12 mm）；待爐子升溫至400 ℃時，開始記時，把坩堝放入氣氛升降爐中；設(shè)定所需升溫速率并通入一定的空氣流量，待升溫至所需焙燒溫度時，保溫一定時間進(jìn)行焙燒，焙燒時間結(jié)束后，取出坩堝直接空氣冷卻。
1.3 表征方法
抗壓強(qiáng)度：選取10個直徑為12 mm左右的球團(tuán)，采用ZQJ-Ⅱ智能顆粒強(qiáng)度實驗機(jī)逐個測量10個球的抗壓強(qiáng)度，算出10個值的平均值作為抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度單位為N/球。
2 試驗結(jié)果及分析
2.1 單因素試驗
本試驗采取非等溫氧化焙燒鈦鐵礦球團(tuán)，選擇粘結(jié)劑為1%、水分用量為8%所制備的鈦鐵礦干球團(tuán)為原料，主要研究焙燒溫度、焙燒時間、升溫速率、空氣流量等因素對球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響。
2.1.1 焙燒溫度的影響
焙燒溫度的高低直接影響著球團(tuán)焙燒過程中的固結(jié)效果和氧化速率，在焙燒時間為15 min，升溫速率為6 ℃/min，空氣流量為5 L/min，研究不同溫度對鈦鐵礦氧化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度的影響，試驗結(jié)果見圖1所示。隨著焙燒溫度的不斷提高，鈦鐵礦氧化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)焙燒溫度為1175 ℃時，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度僅為230.2 N/球，這是因為顆粒之間固相連接少，F(xiàn)e2O3晶粒之間結(jié)晶較弱。當(dāng)焙燒溫度提高到1200 ℃時，球團(tuán)抗壓為356.6 N/球，增長幅度為54.6%，此時離子的擴(kuò)散能力隨溫度的升高而加強(qiáng)，有利于顆粒間固相連接。當(dāng)焙燒溫度分別為1225 ℃、1250 ℃時，抗壓強(qiáng)度分別為461 N/球、483.4 N/球，由于此時再生的Fe2O3具有比原生礦更高的活性，促進(jìn)了Fe2O3晶粒的互連和長大，有利于固體質(zhì)點擴(kuò)散，在高溫的作用下更容易發(fā)生再結(jié)晶，進(jìn)一步提高了球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度。如果溫度過高，會生成較多的液相，不僅阻礙顆粒之間的直接連接，而且會使液相滲透晶界，固結(jié)粉化已聚合的晶體。綜合來看，為降低能耗，適宜的焙燒溫度區(qū)間為1200~1250 ℃。
2.1.2 焙燒時間的影響
待溫度升到焙燒溫度后，需在此溫度下保溫一定時間，有利于球團(tuán)外部與內(nèi)部溫度均勻，促進(jìn)球團(tuán)的氧化和再結(jié)晶，提高了球團(tuán)抗壓強(qiáng)度。在焙燒溫度為1200 ℃，升溫速率為6 ℃/min，空氣流量為5 L/min，研究不同焙燒時間對氧化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度的影響，試驗結(jié)果見圖2所示。當(dāng)其它條件一定時，焙燒時間在5~25 min之間變化，隨著焙燒時間的不斷延長，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，到后期趨于平緩。焙燒時間在15 min以下，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度急劇上升，當(dāng)焙燒時間為20 min時，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度為362.6 N/球，抗壓強(qiáng)度變化較小，趨于平穩(wěn)。對于鈦鐵礦球團(tuán)，延長焙燒時間對球團(tuán)固結(jié)行為有兩方面的影響，一是時間的延長，顆粒之間的離子遷移能力增強(qiáng)，F(xiàn)e2O3活性增加，有利于晶體長大和互連；二是焙燒時間延長，球團(tuán)中液相生成量增多，不利于球團(tuán)的固相固結(jié)，過度的延長焙燒時間會惡化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度。綜合來看，適宜的焙燒時間區(qū)間為15~20 min。
2.1.3 空氣流量的影響
空氣流量是對整個焙燒氣氛的調(diào)節(jié)，如果空氣流量過低，氧化氣氛中氧濃度降低，會使球團(tuán)氧化反應(yīng)不充分，不利于球團(tuán)的固相固結(jié)。在焙燒溫度為1200 ℃，焙燒時間為15 min，升溫速率為6 ℃/min，研究不同空氣流量對氧化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度的影響，試驗結(jié)果見圖3所示。隨著空氣流量的逐漸增加，鈦鐵礦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度先是呈現(xiàn)先升高后降低的過程，當(dāng)空氣流量為0 L/min時，鈦鐵礦球團(tuán)氧化不充分，不利于晶粒Fe2O3再結(jié)晶過程，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度明顯較低，僅為321.5 N/球。繼續(xù)增加空氣流量為2.5 L/min時，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度為348.6 N/球。當(dāng)空氣流量為10 L/min時，球團(tuán)內(nèi)外部氧化充分，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值372.2 N/球。當(dāng)空氣流量繼續(xù)增加到15 L/min，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度下降，主要原因是從室外大量不斷通入空氣，對爐內(nèi)溫度有一定的影響，造成焙燒溫度不均勻。綜合各方面的因素來看，對爐內(nèi)通入適宜空氣流量區(qū)間為5~10 L/min。
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