钛精矿熔炼钛渣试验研究论文

1、摘 要该项目主要研究如何改变传统的落后的钛渣熔炼方式。本研究主要环节是要实现连续装入密闭电炉，采用自焙电极，留渣留铁操作，降低工人劳动强度，改善企业生产环境，从而使钛渣熔炼生产连续化、自动化、大型化、清洁化成为可能。同时对进一步开发利用我国北方承德钒钛磁铁矿也将产生十分积极的影响。 通过研究进一步地明确影响钛渣熔炼过程的因素，如化学成分的组成、物相结构的差异，弄清矿物的成分、性质、矿物特点，以及钛渣熔炼方式及配c量和配c方式，从而进一步优化钛渣熔炼的生产环境，降低工人的劳动环境，改善企业的生产环境，同时也将会对我国钒钛磁铁矿的开发利用产生更加积极的影响。关键词 电炉熔炼 钛渣熔炼 钒钛磁铁矿

2、连续化 留渣留铁 密闭电炉abstractthe project main studies how to change the traditional backward titanium dregs smelting way.the main aspect of this study was confined to achieve continuous electric load, the use of self-baking electrode, leaving iron and slag operations, reducing the labor intensity of workers

3、 to improve the production environment, thus enabling the production of continuous smelting slag, automated, large-scale, cleaned possible. at the same time, for further development and utilization of chengde vanadium titanomagnetite in north china also have the very positive influence.by studying,

4、further clearing the impact of slag melting process factors, such as the composition of chemical composition, phase structure, identify the mineral composition, nature, mineral characteristics, as well as the manner and smelting slag with c and with the way c, in order to further optimize the produc

5、tion environment slag melting, reduce the working environment of workers, improve the production environment,meanwhile will have a more positive impact on chinas vanadium titanium magnetite developing and utilizing .key words electric stove smelting, titanium residue-smelting, vanadium-titanium magn

6、etite, serialization, leaving iron and slag operations, closed electric目 录摘 要iabstractii1 绪 论11.1 本课题的研究背景11.1.1 钒钛磁铁矿的特性11.1.2课题研究的意义21.1.3研究内容21.2国内、外研究现状、水平和发展趋势21.2.1国外研究现状21.2.2国内研究现状31.2.3发展趋势及前景分析42 试验方法及设备52.1试验原理及实验条件52.1.1试验原理及工艺流程52.1.2试验条件72.2课题试验设计步骤82.3试验注意事项83 试验操作条件93.1密闭电炉熔炼钛渣的特点93.

7、2钛铁矿精矿的主要特性103.2.1化学成分103.2.2粒度113.2.3钛精矿的还原性123.3碳还原剂及选择123.3.1选择的原则123.3.2炉料配碳比对工艺的影响及计算144 试验现象及结果165 影响钛渣熔炼的因素分析19结论21参考文献22附录123附录225致谢261 绪 论1.1 本课题的研究背景1.1.1 钒钛磁铁矿的特性钒钛磁铁矿是一种多元素的共生矿，组成随产地不同有所差别。一般来讲，矿中铁(以铁氧化物形式存在)质量分数为30%34% ，v2o5 质量分数为0.3%1% ，tio2的质量分数为8%14%。钒钛磁铁矿主要用作提取铁、钒、钛的原料，开采出来的矿石经过破碎和选

8、矿获得铁(钒)精矿，用作冶炼钢铁的原料。在钢铁冶炼过程中，产生一种被称为“钒渣”的副产品，可用作提取钒产品的原料。选铁的尾矿用于回收钛铁矿精矿(简称为钛精矿)，作为提取钛产品的原料。钒钛磁铁矿在世界上的储量很丰富，我国的储量名列前茅，而且也是开采利用钒钛磁铁矿规模最大和冶炼钒钛磁铁矿技术最先进的国家。承德地区的钒钛磁铁矿资源储量仅次于四川攀西地区，居全国第2位，原来勘探的地质储量达数亿吨，最近又发现了质量更好的大矿源，按目前承钢的开采规模计算还可开采几百年。目前承钢每年开采原矿石140万t，收购民采矿石140万t，如果所有的选铁尾矿都用来选取钛精矿，按现有的选矿技术每年可产钛精矿(tio2)约

9、为47%)8万t。另外，从20世纪30年代开采至今，堆积在尾矿坝中未选钛的选铁尾矿约有2500万t，可供回收钛精矿100万t以上。我国是钛矿资源较丰富的国家，但钛砂矿资源较少，分布也较分散，至今没有发现大型钛砂矿床。钛精矿是制造钛白和金属钛的原料，这2种产品在国防和国民经济中有着重要的用途。所以，从攀钢和承钢开采的钒钛磁铁矿中回收钛精矿就显得十分必要。承德地区的钒钛磁铁矿与四川攀西地区钒钛磁铁矿的化学组成有所不同，因此从选铁尾矿中选出的钛精矿的组成成分也有所差别221。承德钛精矿中的非铁杂质含量比攀枝花矿低，主要是mgo 和sio2含量较低，但承德钛精矿比砂状钛精矿的质量要差些。另外，我国的钛

10、矿资源绝大部分分布在广东、广西、海南、云南和四川等南方地区，承德是目前我国北方地区唯一较大规模生产钛精矿的地方。目前，北方地区的钛白厂和海绵钛厂所需的钛矿原料大多都是从几千里外的南方地区运来的，可见，在承德生产钛精矿具有明显的地理位置优势。但该地区不像攀西地区那样有丰富的水电资源，与攀西地区相比电价较高，因而承德钛精矿的利用途径，应根据矿的质量和地区条件来选择15。我国钛资源十分丰富，据地质部门的储量统计，总储量（以tio2计）为9.65亿t，居世界首位。有砂矿也有岩矿，遍布于全国20多个省、市、自治区。各省市区的分布储量（万t tio2）：四川87371（占全国总储量的90.5%）、海南26

11、06（2.7%）、河北2406（2.7%）、云南1148（1.19%）、广东1098（1.76%）、湖北569(0.59%)、广西357（0.37%）、其它145（0.15%）14。钛是国家重要的战略储备资源，无论是钛白及钛的化工原料、金属钛以及钛材等具有的各项非常优异的物理化学性能，在国防、军工、医学以及民用航空等方面都具有十分广泛的应用，因而各国政府都十分重视钛资源综合开发利用的力度。在钒钛资源开发利用过程中，首要的内容是高钛渣的熔炼，然后是硫酸法钛白、四氯化钛、氯化法钛白、海绵钛的开发利用等1。1.1.2课题研究的意义我国承德地区蕴藏着十分丰富的钒钛磁铁矿资源，除铁、钒外，钛的利用也是极

12、其重要的方面，并业已进行到工业生产建设中国北方钛工业基地的阶段。但是无论是承德还是我国其它地区，对钒钛磁铁矿的开发利用的广度和深度还非常不足。承德地区与四川攀枝花地区钒钛资源比较有比较明显的特点，有其潜在的经济开发优势，况且承德地区是我国钒钛资源开发比较早的地区之一，无论是技术还是理论上都占有十分明显的优势。因而，积极开发北方重工业老基地，对于提升我国工业竞争力也具有十分重要的意义。1.1.3研究内容本次课题在先前的研究成果基础上，通过研究进一步地明确影响钛渣熔炼过程的因素，如化学成分的组成、物相结构的差异，弄清矿物的成分、性质、矿物特点，以及钛渣熔炼方式及配c量和配c方式，从而进一步优化钛渣

13、熔炼的生产环境，降低工人的劳动环境，改善企业的生产环境，同时也将会对我国钒钛磁铁矿的开发利用产生更加积极的影响。1.2国内、外研究现状、水平和发展趋势1.2.1国外研究现状国外钛渣生产技术水平较高，生产条件好18-19。电炉设备实现了大型化和全密闭，自动化程度较高。全球钛渣冶炼技术水平高的国家主要是加拿大、南非、挪威和乌克兰等。目前，国外钛渣熔炼工艺比较成熟的主要包括：加拿大魁北克铁钛公司qit生产工艺、 南非里查兹湾铁钛公司( rbm) 和挪威tti钛铁工艺等。以挪威tti钛铁工艺为例，其主要是采用预还原（球团金属化）球团大型密闭电炉冶炼钛渣，熔炼电炉为33mva三相圆形密闭式，采用自焙电极

14、，能够实现连续加料冶炼，污染小、自动化程度高。公司目前年生产能力为20万t/a酸溶性钛渣（品位75%tio2）和10.8万t/a生铁，其所生产的钛铁水经过钢包精炼处理，获得的精制铁销售给铸造行业，可作为可锻铸铁和球磨铸铁的优质原料。但是挪威产的钛铁矿属于岩矿，质量较差，用它生产的钛渣只能供应硫酸法使用，这主要是因为岩矿中钛含量较低（75%tio2），cao、mgo(7.9%)含量偏高，所产钛渣主要供应欧洲地区，少量出口到北美和日本。而加拿大qit采用钛铁矿预还原工艺，利用密闭式矩形电炉，电炉容量已达到6万kva。南非采用qit技术，电炉容量已达到105000kva。1.2.2国内研究现状国内钛

15、渣主要生产厂家是遵义钛厂、阜新冶炼厂、厦门冶炼厂以及宣化冶炼厂等。近年来云南武定、禄丰、富民、楚雄以及攀枝花地区陆续建设了许多中小型钛渣冶炼厂，其中多数钛渣厂的电炉由铁合金炉和电石炉改建而成，目前已建的大型厂家主要是攀钢钛渣厂。目前全国有钛渣冶炼厂20多家，生产能力约 15104t (不包括攀钢在建生产能力) ，产量约15104t，约占世界生产能力的5%。生产的钛渣主要用于海绵钛、钛白和电焊条生产16。我国钛渣整体生产技术水平落后，基本上都是采用传统的钛渣冶炼方式，冶炼设备的特点是小型炉子多，大型炉子少，没有特大型炉子，且以敞口式圆形电弧炉为主，渣和铁从同一出口排出，因而国内钛渣冶炼工艺水平决

16、定了我国钛渣生产规模小、效率低、能耗高、环境差、冶炼操作不稳定等。现在虽然建有几台6300kva的电炉，但是在目前条件下却难以顺利运行，造成资源成本的巨大浪费3。国内钛渣生产以遵义钛厂为代表，它也是我国最大的海绵钛生产厂家，海绵钛生产能力104t/a ，2005年产量为7396.7t 。该厂原有一台功率为6300kva的敞口电炉,年产氯化钛渣约5103t,是当时国内较为成熟的敞口圆形电炉，代表了国内钛渣的生产水平。目前大多数钛渣生产厂仍然采用这种敞口式一次加料冶炼工艺。这种工艺存在着炉况不稳、翻渣结壳、经常塌料、电流波动大、劳动环境条件差、飞尘损失严重、回收率低等缺点，与国外钛渣生产工艺相比，

17、无论在规模、产量和质量方面都存在着很大差距。目前我国绝大多数企业并没有综合利用半钢，原因是企业生产规模较小，无法经济合理利用。从2002年起，国内主要钛渣厂进行了大规模的技术改造 ，遵义钛厂5103t海绵钛扩建工程恢复了钛渣生产工序，新建一台 6300kva自焙电极半密闭式电炉，电极装置采用较为先进的液压制动系统，烟气通过脉冲式布袋除尘处理，原料制备采用先进的自动配料控制系统，钛渣破碎采用先进的破碎生产工艺，于2004年5月建成投产，各项生产技术经济指标均达到国内领先水平。2005年，攀钢集团开始建设6104t/a钛渣生产厂 (18104t/a钛渣项目一期工程)，该厂引进乌克兰钛渣生产工艺技术

18、，是我国第一家设备大型化、冶炼技术先进的钛渣生产厂。该厂的建成使我国钛渣生产水平迈上了一个新的台阶。但是其实际采用的生产技术仍然是不够先进的，也不能够解决实际生产中所遇到的翻渣等问题。1.2.3发展趋势及前景分析通过以上的论述我们可以看出，通过对钛渣生产技术工艺进行有效创新，采用连续加料，密闭装入电炉进行熔炼，留渣留铁操作，从根本上解决环保和炉况顺行等问题，将是未来我国乃至全球钛工业主要研发方向。谁掌握先机，谁就会在未来钛工业领域独占鳌头。2 试验方法及设备2.1试验原理及实验条件2.1.1试验原理及工艺流程钛精矿的主要组成是tio2和铁的氧化物，其余多是cao、mgo、sio2、al2o3、

19、mno、v2o5等。电炉法熔炼钛渣，一般是采用碳（无烟煤、石油焦、冶金焦等）在高温条件下，并且有足够还原剂存在，使钛精矿中铁的氧化物与碳组分反应，在熔融状态下生成金属铁，根据其比重的差异沉降于炉底，而tio2等则富集形成高钛渣，从而实现钛渣和金属铁的有效分离。该法的生产工艺技术相对简单、成熟、流程短、效率高，同时钛渣产品又具有特殊的工艺性能而为其它的富态料所不及。但是该法不能有效除去大部分的cao、mgo、sio2、al2o3等杂质，特别是cao、mgo含量高，会在一定程度上增大电耗，对设备的正常运行也将产生十分不利的影响，可当其作为高温熔炼时的溶剂，对于钛渣熔炼则是有利的。因此只有通过不断研

20、究新工艺、新技术，才能使钛渣熔炼自动化、大型化、清洁化、低耗能等成为现实。在攀枝花5资源综合利用的试验研究中，提出了与试验相关的多种方案，其中有直接还原熔化分离制取钛渣的流程已经完成了中间工业试验，该法的工艺流程如图2-1所示。中试的钒钛磁铁矿精矿金属化球团及熔分钛渣和深还原钛渣的成分，列于表2-1。图2-1 攀枝花钒钛磁铁矿综合利用新流程（直接还原-熔分-提钛）表2-1 图2-1所示流程回收钛的中试结果成分%品名tfemfefeofe2o3mgocaosio2al2o3精矿55.8232.9643.062.940.842.403.47金属化球团67.7848.3122.412.911.970

21、.672.833.08熔分钛渣11.090.2714.007.582.9113.1012.26渣深度还原钛渣0.9550.2950.85110.0264.15310.613 成分%品名mnov2o5pstio2ti2o3tic精矿0.3470.590.00240.48912.75金属化球团0.520.720.0330.03116.88熔分钛渣1.442.000.0030.02445.320.1670.30渣深度还原钛渣0.9180.4940.0020.07257.9412.544而在本次试验研究中，发生的典型的化学反应式如下：fe2o3+c=2feo+cofeo+c=fe+co3tio2+c=

22、ti3o5+co其主要的生产试验工艺流程，如图2-2：钛精矿煤（焦）（密闭）电炉熔炼渣铁图 2-2 密闭电炉熔炼钛渣新流程在实际生产中，所生产的钛渣可作为其它钛相关产业的优质原料，如提取冶炼金属铁、生产钛白以及制钛盐等，而钛渣熔炼的副产品-半钢，则有着较高的工业利用价值，由于半钢中含钒量不高，不足以提钒，但它是含钒铁，如铸成铁球、钢球等，就比普通的铁球和钢球的耐磨性能好。但是为了更好的利用半钢，首先要降低半钢中的s、p的含量，特别是脱s，要将s降至0.1%以下。脱s的渠道，一是从选矿过程中降低s含量；二是钛矿经氧化焙烧后脱s；三是半钢脱s。而铁水则可以制成铸铁、铸钢、铁粉、钢粉、炼钢等。总之，

23、通过对副产品-半钢的综合回收利用，不但有利于提高企业的经济效益，同时也将大大降低生产成本，改善企业生产环境条件。2.1.2试验条件1）试验设备50kva单相电阻炉、75mm石墨电极、二次电压55v、65v、75v、85v、95v、碳质炉衬。2）试验原料承德钛精矿、攀枝花市铁精矿、无烟煤粉1mm、铁精矿金属化球团、无烟煤块（520mm）、焦丁（520mm）3）辅助设施及用具铁铲、钢锨、台秤、磅秤、取样碗、渣盘、铁锤、各种劳保用品等。2.2课题试验设计步骤1)首先检查电弧炉设备情况及通风设施，铁渣将炉内碳质衬底及耐火砖的侵蚀情况，如果被侵蚀应及时进行修补。2)检查循环水系统是否运行良好。3)在试验

24、开始前，要拟定一定量的配料比、焦炭用量及煤粉的用量，确定合理的二次电压及二次电流。4)将称量好的焦炭放入炉底，（每炉装入5kg钛精矿或铁精矿，按配料要求配入煤粉）。5)打开电源控制开关，包括排烟系统、空气锤、冷却水控制阀、石墨电极控制阀、抽气降温阀等，并准确记录下起始电表读数和加料开始时间。6)将石墨电极缓缓放入电弧炉中，然后通过控制石墨电极的升降来调节电流通入量，并使之在一定的电流大小范围内波动，将电能输入电炉，并使电能转化为热能，使熔炼正常进行。7)将炉料缓缓加入炉内，但是应在一定时间范围内将其加完，一般将加料时间控制在2025min。8)当炉料加完后，记录者应准确记录下炉料的加完时间。9

25、)在指导老师指导下，观察测定炉内渣的流动性，并准确记录下出炉时间。10)将试验产品放置在空气中静置冷却，然后用铁锤小心敲击（防止铁渣飞溅烫伤)，使渣、铁有效分离。11)用台秤分别称取所有钛渣和铁的质量，并准确记录结果。12)采集一定量试样，送交试验工厂进行样品成分的测定，用以评定样品品位。13)整理试验室清洁。2.3试验注意事项1)进入试验室前，应严格遵守试验室各项安全规程，应穿戴好劳保用品。2)设备操作人员应严格按照仪器设备操作规程，控制好试验设备。未经老师同意，不得擅自开启或关闭，以保证人身安全以及设备的正常运行。3)用渣盘接样品时，应戴好防高温手套，避免灼伤。4)在称量样品时，应等其完全

26、冷却后再称量，以防被余热烫伤。3 试验操作条件3.1密闭电炉熔炼钛渣的特点电炉冶炼钛渣，是将钛精矿中的铁的氧化物还原成金属铁，使二氧化钛在渣中得到富集，从而使得钛渣跟金属铁实现有效分离，铁跟钛渣都可以得到充分的利用。钛渣是生产海绵钛和钛白的原料，钛渣取代钛精矿作为钛白的生产原料,是目前国内外钛白生产的发展趋势。世界上生产钛渣的厂家不多，关于钛渣生产的工艺技术也不十分完善，因此，开展新理论、新技术的研究，对于提升一个国家的工业水平将会起到十分关键的作用。钛渣分酸溶性渣和氯化渣，中国目前还无酸溶性钛渣生产厂家。钛精矿经过电炉还原熔炼后，分别得到生铁（半钢）和高钛渣，高钛渣中二氧化钛的品位将得到提高

27、，一般在70%90%之间。钛渣经过氯化后成为ticl4,既可以用于制取海绵钛，又可以氧化制取高档金红石型钛白粉及其他钛的化工产品，还可以用于冶金行业等工业部门。为了提高生产力，减少环保压力，钛精矿走富集提高tio2品位之路，是目前国内外发展的必然趋势。本次试验是选择密闭电炉熔炼钛渣17，若使钛渣熔炼过程中不发生翻渣、沸腾，从水模型中冰块溶化的试验观察到，这就如同开河的流冰，冰块在水流中翻转打滚，而封冻的连续冰层就不会发生这种现象。曾在敞口炉上做连续加料熔炼钛渣的试验，即把钛精矿和还原剂炭粉的混合料连续加入电弧区，随化随加并在渣面上形成薄料层，在熔池表面不形成坚硬的烧结硬壳，从而解决了塌料、沸腾

28、、喷溅等一系列问题。然而，在敞口电炉中应用这种开弧熔炼方法，由于熔池表面温度很高，高温熔体和部分电弧直接暴露于空气中，热量损失增大，所以敞口炉不宜采用这种连续加料的开弧熔炼。但在密闭电炉中，炉盖具有保温作用，可以大大减少开弧的热损失，但是必须走连续加料之路。同时，为了解决塌料、翻渣等问题，料层不能太厚，这又决定了密闭电炉熔炼的薄料层操作特征。随着熔炼钛渣电炉的大型化，炉子的尺寸逐渐增大，料层“顶拱”长度增大，其结壳强度降低，支撑将产生困难，就更容易产生料壳断裂、塌陷，使喷溅现象更加严重。本次试验采用的主要设备如图3-1所示：图3-1 50kva单相电弧炉及附属设备3.2钛铁矿精矿的主要特性钛铁

29、矿精矿是当前生产供应钛工业（含钛白）应用的钛渣的唯一原料，它的化学、物理和冶金性能，不但影响熔炼过程和技术经济指标，也在一定程度上决定了产品（钛渣和生铁）的质量及其商品价值。3.2.1化学成分生产氯化钛渣，要求钛精矿的tio2品位高，非铁杂质低。一方面，因为这些废铁杂质在熔炼过程中大部分进入渣相，使tio2受到稀释而贫化，另一方面，像al、si、cr、mg、mn等的氧化物又是氯化的有害杂质，故应严格控制。钛精矿中钒的含量，比起其它非铁杂质低的多，而且能在还原熔炼中约有一半进入铁相，故不会影响到钛渣品位，但若氯化钛渣含钒较高，则对氯化工艺的危害并不亚于上述的有害杂质（al、si、cr、mg、mn

30、等的氧化物）。s和p是各种钛渣及生铁的有害杂质。在熔炼过程中，钛精矿中s约有40%以氧化物形式挥发，进入金属中约占25%,进入渣中约占15%。p在熔炼中的挥发不大（约15%），大部分进入金属，其余入渣。生产高钛渣等用的钛铁矿（砂矿）及高钛渣的有色金属行业标准（ys/t351-1994）和（ys/t298-1994）中规定的化学成分，见表3-1和表3-2。岩矿钛精矿冶金行业标准见表3-3。表3-1 钛铁矿（砂矿）精矿化学成分品 级（tio2）（不小于）/%杂质含量不大于/%（cao+mgo）p一级一类520.50.025二类500.50.025二级500.250.030三级490.60.040四

31、级490.60.050五级481.00.070注：含铁金红石的钛精矿中tio2的含量不小于57%，（cao+mgo）含量不大于0.6%，p含量不大于0.045%的产品为一级品。表3-2 高钛渣化学成分品 级化学成分/%（tio2）（tfe）（cao+mgo）（mno2）不小于不大于一级品94.03.01.04.5二级品92.04.01.54.5三级品80.05.011.04.5表3-3 岩矿钛精矿冶金行业标准牌号化学成分/%（tio2）（s）（p）组组组组tjk47470.300.300.050.05tjk46460.300.350.050.10tjk45450.300.400.050.20生

32、产酸溶性钛渣，对钛精矿品位的要求可以放宽一些，同时允许非铁杂质组分中的mgo有一定的含量，因为它有助于提高钛渣的酸溶性。岩矿钛精矿中的tio2含量较低且mgo较高，所以更适用于生产品位较低的酸溶性钛渣。3.2.2粒度熔炼钛渣一般采用的精矿粒度除了为满足造球（主要是滚动成球）的需要而再磨外，其余都是直接使用选后粒度。一般来说，砂矿钛精矿的粒度较粗，岩矿钛精矿的粒度较细，特别是攀钢的微细粒级钛精矿其粒度都小于0.04mm。精矿粒度是影响钛渣熔炼过程中传质、传热的主要因素，使用细小颗粒矿石可以有效地强化熔炼而提高炉子的生产率。但是过细粒度的使用要受到某些工艺条件的制约，例如，散料入炉会产生严重吹损，

33、在料层较厚时又会影响其透气性，加之细粒的易熔而致结壳又会加剧塌料和渣沸腾。因此，在实际生产试验中，根据不同的工艺要求必须选择合理的粒度大小。在间断法熔炼工艺中一般将精矿制备成团料（粘结料、拌合料、球团料）使用，而连续法工艺的散料入炉必须保持薄料层。挪威tti公司采用的是预还原熔炼两段法工艺，为了能够实施在回转窑还原后的磁性物与非磁性物（即还原煤和燃料煤的灰分）的有效分离，必须将钛精矿细磨后造球。3.2.3钛精矿的还原性影响钛精矿还原性的因素，主要有矿物组成、矿石本身结构的致密程度及粒度、孔隙率等。钛精矿的还原性从矿物组成来看，氧化砂矿是钛铁矿经深度自然风化的产物，原始矿物结构已受到破坏，其中所

34、含的铁大部分氧化为fe3+，成为红钛铁矿，钛氧化物成为近似于金红石的结构，且铁、钛两种氧化物间的结合力较弱，可认为是tio2和fe2o3的混合物。根据研究证明，化学式为fe2o3tio2的假金红石约在600时即被破碎为赤铁矿和金红石，因此这种钛铁矿的铁氧化物易于从中分离而被还原；而已变成近似于金红石结构的钛氧化物则稳定性增大，不易被还原成低价氧化物或被酸溶解。氧化砂矿的还原性依次优于普通砂矿和岩矿，这除因其矿物组成变成红钛铁矿外，还有长期风化过程中晶格变化留下的空隙，此外红钛铁矿又是含有化学结晶水的矿物（fe2o33tio24h2o），在熔炼过程中失水也会使矿石空隙增多，使矿石的反应动力学条件

35、得到改善。3.3碳还原剂及选择3.3.1选择的原则实际从工艺和经济的合理性考虑，应选择活性高、电导率低、灰分低、挥发成分低、含s、p量低及价廉的炭素材料。还原剂炭材的活性高，可以提高还原速度，缩短熔炼时间，降低电耗和提高产能。炭材的电导率低，可改善炉料性能，保证合理的电气制度。炭材的灰分低，可减少其对产品钛渣的污染。炭材挥发成分低，可减少熔炼过程中的排气量，有利于保持炉况的稳定。炭材含s低，则是保证钛渣和生铁两种产品的硫分不超标的重要条件。在钛渣熔炼过程中，碳还原剂的导电性虽然不像对埋弧矿热熔炼那样重要，但选择高电阻炭材则相当于既可获得较高的熔炼速度，又会改善熔池工作的电气特性。一般矿热熔炼对

36、碳还原剂的机械强度无严格要求（因为炉内料柱承受的平均压力不到1.96104pa）,如不再考虑化学组成，则电阻率特别是高温电阻率便是表征炭材质量的重要物理指标。表3-4列出了这样的分类。表3-4 碳质还原剂按电阻率的分布类 级石墨化性能常温电阻率煅烧8h、1100的高温电阻率/相应类级的碳质还原剂1非石墨化类0.30.12木块、木炭、褐煤焦2弱石墨化类0.20.30.10.12气煤焦、半焦、低温焦3石墨化类0.150.20.080.1小型焦炉冶金焦4强石墨化类0.150.08大型焦炉冶金焦、石油焦、沥青焦现代研究证明，各炭材种类电阻率和反应之所以存在差异，主要是因为他们的结晶程度不同。不同炭材的

37、结晶转化过程也存在着差异，容易石墨化的无烟煤、石油焦和冶金焦在2000变能完成结晶转化过程而成石墨，木炭则即使到2500尚不能出现明显石墨化的迹象，如图3-2所示。图3-2 几种炭材的电阻率在高温下的变化现在，国内多数企业在敞口电炉熔炼钛渣时，一般采用石油焦或石墨粉作还原剂，而国外密闭电炉则多用无烟煤。通过一系列试验证明，熔炼还原温度越高，则各种炭材的反应性（含电阻率）都要降低且差异渐趋缩小，而钛渣熔炼中钛铁矿又基本上是在1400以上的“液相”还原，亦即主要还原反应是在不能充分发挥炭材高反应优势的温度区间内进行，所以炭材反应性就不像在低温“固相”还原无渣矿热熔炼那样重要，以致在使用不同反应性的

38、炭材熔炼时的操作特性和生产效果并不显出有多大差异，而炭材的化学组成和价格则显得更为重要。3.3.2炉料配碳比对工艺的影响及计算配料是各种炉料形式的准备作业，就是将钛精矿和炭粉不加或加粘结剂按适当比例混合均匀后入炉或制团后入炉。配料前必须准确确定配碳比（即加炭量与钛精矿的重量百分数）。配碳比对钛渣熔炼过程十分敏感，如配碳比低，钛精矿中铁氧化物还原不足，则使钛渣的tio2品位降低，为此需要在渣精炼阶段补加大量的碳，致使熔炼时间延长，又会导致电耗的增加和炉衬腐蚀的加重，而这对于连续加料的操作制度来说，则会生成无可补救的废品；配碳比过高，又会导致钛的过还原，使渣中低价钛增加，也助于tic和tin的生成

39、，钛渣的熔化性变坏，恶化熔炼操作，致使出炉困难，电耗增加，产能降低。配碳比包括理论配碳量和过量系数。理论配碳量有两种概念，分述如下：（1）按反应feotio2+c=fe+tio2+co 计算得出的理论配碳量是7.3，因此理论配碳量也就是钛铁矿中铁氧化物全部还原成铁所需要的碳量。如果考虑tio2还原成ti3o5，就要在此理论配c基础上增加1/3，还原到ti2o3需增加1/2，还原到tio需增加1倍。（2）按化学组成的计算法，例如：钛铁矿精矿成分（%）为50.80tio2、36.40feo、7.86fe2o3、1.86sio2、1.18al2o3、0.69mgo、0.68mno、0.28cao。无

40、烟煤为还原剂，其成分（%）为87.08c、7.85灰分、2.37挥发成分、1.20s、1.50h2o。以100kg精矿进行计算。假定精矿中的铁的氧化物全部还原成氧化亚铁，而氧化亚铁有95%还原成金属铁；生铁（半钢）含c量为2.0%。为了使计算简便，假定炉内料面上还原剂c的烧损由电极炭补偿。无烟煤中有效碳数量的计算。100kg无烟煤中用于自身灰分的数量：sio2+2c=si+2co 反应为：7.850.4224/60=1.32（kg）fe2o3+3c=2fe+3co 反应为：7.850.27736/160=0.49（kg）所以无烟煤的有效c为：87.08-1.32-0.49=85.28（kg）精

41、矿中主要氧化物还原c量计算：按反应fe2o3+c=2feo+co 生成feo的需c量：7.8612/160=0.59（kg）按反应feo+c=fe+co 生成fe的需c量：（36.40+7.86144/160）12/720.96=6.95 (kg)按反应3tio2+c=ti3o5+co 生成ti3o5的需c量：50.8612/239.7=2.55（kg）精矿还原需要总c量：0.59+6.95+2.55=10.09（kg）精矿还原得到金属铁量：（36.40+7.86144/160）56/720.96=32.4 (kg)铁渗碳所需碳量：32.40.02=0.65 (kg)需要的总碳量：10.09+

42、0.65=10.74（kg）换算成无烟煤量：10.74/0.8528=12.62 (kg)计算结果炉料组成如表3-5所示：表3-5 炉料组成成分kg%精矿100.088.8无烟煤12.6011.2通过在配c量及配c方式上对钛渣熔炼进行改进，能够有效改善炉渣粘稠度，提高其流动性能。在实际生产试验中应根据熔炼钛渣品位来选择过量系数及合理的配碳方式。例如，某厂采用粘粉料熔炼时所选用的过量系数与实得钛渣成分的关系如表3-6所示：表3-6 过量系数与钛渣成分关系过量系数tio2ti2o3tio90%98.6%40.7%28.4%60%93.5%28.4%4.70%这说明，在一般情况下，生产品位越高的钛渣

43、，要选择过高的配碳过量系数，这是因为随着feo的不断还原其活度逐渐减小，即还原愈发困难，所以只有在过量碳存在的条件下才能使feo得到更深的还原，钛渣品位才能得到进一步提高。4 试验现象及结果本次试验由于采用密闭电炉熔炼，基本上解决了炉内翻渣、喷溅等一系列弊端，取得了良好的试验效果。在试验过程中观察到的主要现象可以从以下几个方面进行考虑：炉况平稳在敞开式电炉冶炼钛渣过程中，炉料是一次性加入，炉上部的物料被烧结成一个壳体，当这些还原不够的烧结物料落人高温熔池时导致渣体膨胀，渣熔体产生沸腾，因而产生翻渣、电极快速提升等一系列问题。而本次试验采用的密闭电炉基本实现了粉矿入炉连续加料，在整个反应期间物料

44、均匀定量地加入，在炉内形成一个较衡定的扩散速度，反应量衡定，反应平稳，熔池的热分布较好，炉顶煤气不燃烧，从而改善了炉料的透气性。同时在电极弧作用区内形成深还原过程，使得熔渣和物料熔化的条件得到有效改善。本次试验获得了稳定的熔炼过程，通过在密闭电炉上实现按需加料达到物料和能量的最佳平衡，从而为实现计算机自适应控制创造必需的条件。耗能在本次试验中，从炉顶观察孔可以看到，在渣层上形成一层熔融物料层，说明密闭电炉冶炼钛渣是在开弧冶炼和埋弧冶炼之间，减少了开弧冶炼热辐射造成的热损失和辐射对炉顶和炉壁的腐蚀，同时又避免了埋弧冶炼中由于沸腾、喷溅、塌料等造成的热损失和操作不平稳造成的热量损失。另一方面，按需

45、加料，熔池内热分布较好，能量得到了充分利用，上述这些因素都会对降低钛渣能耗起到十分有利的作用。钛渣流动性影响炉渣的流动性的因素主要包括：炉渣中的固体杂质、炉渣的碱度、渣中feo、温度以及tio2含量等。熔炼时外配的焦炭未能及时完全反应掉，或熔炼中产生高熔点固体杂质（tic或tin）都将呈现新相的高弥散度分布，在渣中形成悬浮的固体质点。这些高熔点的固体质点，在液相内形成相界面，产生内摩擦力，导致熔渣的粘度增大。影响炉渣粘度的另一显著因素是炉渣的结构。炉渣中因sio2的存在，其形成的硅氧络阴离子由于在炉渣中的移动速度较慢，致使炉渣粘度增大。而氧化亚铁标志着炉渣的还原深度，其含量高则还原深度不深，钛

46、氧化物含量少，ti(c、n)未生成或生成数量少，所以炉渣的粘度较低。但是氧化亚铁在炉渣中的影响有利也有弊，其含量应控制在一定的范围内，不能一成不变。在熔炼过程中可以增加其含量，以增大炉渣的流动性，但是在出渣前应严格控制氧化亚铁的含量，使其达到要求的指标。温度是影响炉渣流动性的关键因素。熔炼过程中温度升高，有利于炉内反应充分进行，使渣中的固体杂质溶解，从而降低炉渣的粘度。但是炉渣温度也不能过高，否则，当渣温接近熔化温度时，就会有少量tic等结晶固体析出，粘度会突然增大。tio2是酸溶性氧化物19-20，在渣中既不以金属离子存在，也不构成复合阴离子，而是以tio68-八面体结构存在。tio68-对

47、熔渣有两种作用：弥散的嵌在硅氧复合阴离子网状结构中，使网状结构部分解体，破坏硅氧阴离子，使熔渣粘度降低。结合了熔渣中多于自己带入的o2-，使o/si比值降低，粘度增大。因而tio2对炉渣粘度的影响，取决于tio68-的两种不同作用。钛渣由流动性很好到完全失去流动性的温度范围只有2030，而且还原深度对其影响不大，具有明显的短渣性。本次试验其结果主要从以下几个方面进行考虑：1）渣、铁成分（见附录1、附录2）本次试验共取得铁样品及渣样品27分，其中炉号1230（附录1）为攀枝花钛精矿，z31z38（附录2）为承德钛精矿。2）承德钛精矿熔炼特性对熔炼过程的影响承德、攀钢、龙蟒集团钛矿同属钒钛磁铁矿，

48、在电炉熔炼方面有其共性。由于攀钢cao、mgo含量较高，作为高温熔炼时的溶剂，对于钛渣熔炼是有利的6-7；承德矿mgo含量低于攀钢、龙蟒钛矿（见表4-1）。表4-1 承德、攀钢、龙蟒钛精矿成分比较（%）tfetio2feofe2o3v2o5sio2al2o3caomgomnosp承德34.8741.6136.798.900.196.540.720.892.740.900.90攀钢30.5847.0034.275.550.0953.01.340.756.120.650.190.0009龙蟒31.3548.1332.900.111.451.450.975.000.0180.0203）半钢的利用钛渣

49、熔炼的副产品-半钢，有着较高的工业利用价值13，以半钢的含钒量看（见附表2），不足以提钒（平均含v量仅为0.14），但它是含钒铁，如铸成铁球、钢球其耐磨性要比普通铁球、钢球的性能好的多。但是由于副产半钢碳低、硫高、硅锰低，必须经过一系列处理才能达到铸造生铁成分要求。先将出炉1650 左右的半钢在铁液罐内混喷增碳剂和脱硫剂，实现增碳和脱硫，将铁液中的碳和硫含量处理到所需要求，此时的铁液温度降至大约1500 ，仍然具有较高的流动性，将处理后的铁液盛入混铁炉内保温。而要使半钢得到有效的处理，关键是s成分要降低，应使其低至0.1%以下，根据以往试验分析可以得知，脱s的渠道：一是从选矿中降低s含量；二是

50、钛铁矿经氧化焙烧脱s；三是半钢脱s。同时从炉外脱s实践可知，欲达到良好的脱s效果，一是必须要有较高的铁水温度；二是采用小粒度脱硫剂以增大其反应界面；三是加强铁水的搅拌速度，以增大反应速度。5 影响钛渣熔炼的因素分析本次试验采用密闭电炉进行熔炼，基本解决了敞口电炉熔炼中遇到的一系列问题，但是基于我国传统的熔炼工艺，可以通过对以下影响钛渣熔炼的因素分析，进而进一步优化钛渣熔炼的条件：(1) 电炉炉型目前钛渣生产采用的炉型有矮烟罩圆型敞口电炉，国内几乎都使用这种炉型；密闭型电炉，包括圆型和矩型密闭电炉。敞口电炉容量一般都比较小，国内为4006300kva，国外前苏联有16500kva的电炉，这种炉型

51、决定了煤气不能充分回收，对环境污染较大，大型化、机械化以及自动化的实现比较困难。而密闭电炉可以实现连续加料避免翻渣，喷溅等问题，能够综合回收利用煤气，容易实现大型化、机械化和自动化生产。加拿大、南非的矩型密闭电炉，容量为24000100500kva。矩型电炉一般具有以下优点，它是由三台单相变压器，六根电极成一线排列，每相母线束相等，长度最短，短网电抗低，避免了圆型电炉短网母线长度不等，造成加强相和减弱相的缺点，因此矩型电炉功率因数、电效率高，布料点容易设置，炉盖修补制作容易。(2) 电极、电参数22的选择冶炼钛渣过程中大多使用石墨电极，尽管石墨电极的价格比较贵，但石墨电极单位面积通过的电流是自

52、焙电极的两倍以上，因此比同功率电炉石墨电极的直径小的多，在炉中覆盖的面积小，反应气体逸出的面积大，不易造成熔渣沸腾和翻渣，加拿大、南非以及前苏联等都使用石墨电极。自焙电极有自身烧结过程，操作难度较大，特别是在密闭电炉使用自焙电极时，一旦出现电极过烧或烧结不足，产生所谓硬断、软断，断在炉内的电极将难于处理，因而使用自焙电极，首先要解决电极烧结的技术问题。“七五”期间锦州铁合金厂12500kva钛渣冶炼试验没有进行到底，断电极是主要原因之一。电参数的选择是一个重要因素，特别是二次电压的选择，它对炉况的顺行，各项技术经济指标的好坏起着重要的作用，由于铁渣随温度的升高，还原度的增加，电导率也将随之增大

53、。因此变压器的电压级数有一个选择范围。一般来讲，在能够保证冶炼顺行的条件下，选择较高的二次电压是合适的，有利于提高功率因数。常用的二次电压一般要由试验确定，以往试验表明：250kva 电炉选取7080v 较好，3200kva选取127v较好。(3) 还原剂的选择应选择高反应性、低导电率、低灰分的还原剂，生产中使用的还原剂有石油焦、冶金焦、无烟煤。从价格、性能讲，选择固定碳含量高，灰分低的无烟煤较好。(4) 配碳量及配碳方式钛渣冶炼对配碳量很敏感，配碳量过高，导致钛渣的过还原，产生大量低价钛，导致渣熔点升高，粘度增大，造成炉底上涨或出不了炉。配碳量过低，会造成还原度不够，渣中的feo含量升高，造

54、成熔炉严重侵蚀，tio2的品位降低，使产品不合格。配碳方式可按理论配碳量的110120%配入，可以在前期配入6070%，后期补加、调整。配碳量和配碳方式3是冶炼过程中至关重要的环节，它关系到炉况的稳定和技术经济指标的好坏。(5)采用连续加料、合理设置布料点、加料速度与配电功率匹配的冶炼方式试验表明密闭电炉采用连续加料的方式对稳定炉况的顺行特别有利，它避免了一次加料时炉内前期反应缓慢，后期反应猛烈造成炉渣大量翻腾的弊端。连续加料时，随炉料均匀加入，反应平稳，即在一次冶炼过程中，将反应期拉长，炉气均匀地从渣中逸出，保证冶炼顺行。在250kva小型电炉上，从炉盖中心点加料，可覆盖熔体70%以上的面积

55、4。在大型电炉上必须采用多点分布料的方式，形成料坡保护炉壁，会导致炉内形成局部堆砌和温度不均。加料速度要与配入炉内的功率匹配，过快过慢都可能会造成冶炼异常。 (6) 渣、铁分离技术国内传统的冶炼方法都是渣、铁混出，高硫半钢没有得到很好的利用。为了更好地利用半钢，必须采用渣、铁分离的方法。半钢进行脱硫增碳，再铸造成铁或铁粉、钢粉等。(7) 满负荷送电提高经济指标国内钛渣冶炼电耗高，技术经济指标不好，主要原因之一是在操作过程中电流不稳，电极上下串动频繁、跳闸，使变压器能力不能得到充分发挥，甚至有的电炉能力只能发挥到3050%。而采用密闭电炉冶炼，连续加料，就比较容易实现满负荷送电，或全力熔炼，从而进一步提高产能。(8) 自动化控制国内生产最大的不足是人工操作、人工控制能力不强。建造大型密闭电炉，自动化控制是关键的一环，如冶炼