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含钛高炉渣真空减压碳化还原提钛研究

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摘要：

高钛型高炉渣不仅富含大量氧化钙、氧化镁、二氧化硅、氧化铝、氧化铁、金属铁、物理显热等资源，还富含大量二氧化钛资源，是宝贵的战略资源和二次资源。攀枝花钛资源占全国钛资源的90%，而攀枝花高钛高炉渣中的钛资源又占攀枝花钛资源的50%左右。因此，必须尽可能地综合利用攀枝花高钛型高炉渣。攀枝花高钛型高炉渣主要化学成分如表1所示。

现阶段，有50%左右的高钛高炉渣用于制作建筑陶瓷、地砖、水泥掺合料、铸石、矿棉、保温材料、建筑用轻型墙板、混凝土、铺路材料等，但其基本未利用高钛高炉渣中的钛资源。另外，还用作石油压裂支撑剂，但其用量非常有限。其余部分高钛高炉渣，要么修建专业的渣场进行堆放储存，要么随意丢弃、排入金沙江中，造成土地浪费、环境污染，宝贵的战略资源钛大量流失浪费，以后无法富集再生。本研究采用真空碳化含钛高炉渣的方法提钛，以降低碳化温度和碳化能源成本，实现经济提钛。

表1 攀枝花高钛型高炉渣成分序号成分占比（%）1 TiO2 20 ～24 2 CaO 20 ～30 3 MgO 8.0 ～8.9 4 SiO2 17 ～19 5 Al2O3 14 ～16 6 TFe 3.0 ～4.2 7 MFe 1 ～3 8 V2O5 0.2 ～0.25 9 MnO2 0.3 ～0.5

1 工艺路线和试验原理

试验工艺路线为：含钛高炉渣→粉碎、磨矿→配料→造球→烘干→真空碳化→冷却→粉碎→磁选→TiC 精矿。试验反应原理如下：

从式（1）可知，反应产物有气体放出，可以降低反应压力，即可通过真空减压方法降低反应温度。由于热力学软件库没有CaTiO3的基础数据，人们可以通过TiO2计算相关数据。

通过HSC6.0 与等热力学软件数据库计算得知，在常压下，碳化温度保持在1 600 ～ 1 800 ℃。当真空度为1 ～100 Pa 时，反应温度为 1 100 ～1 400 ℃。真空碳化温度较常压碳化温度降低300 ～400 ℃。

在碳化反应的过程中，伴随的副反应有：

副反应生成的SiC、MgC、Al2C3等均无磁性，主反应生成的TiC 有弱磁性，可通过高梯度磁选或强磁选的方法分离开来。

2 试验原材料、设备和方法

试验原材料主要有含钛高炉渣、煤粉、焦粉、PVA。试验设备主要有液压粉末成型机、烘箱、真空炉、制样机、Salon 高梯度磁选机等。

试验方法、步骤如下：将含钛高炉渣、煤粉、焦粉粉碎至粒度≤0.5 mm；将粉碎后固态含钛高炉渣、焦粉和煤粉与PVA 粘结剂混合均匀，经造球、烘干，得含钛高炉渣配碳球团；将含钛高炉渣配碳球团放入真空还原反应装置中，进行真空减压碳化还原冶金反应；反应完毕，将反应产物隔绝空气冷却至室温后，经破碎、球磨、采用Salon 高梯度磁选机进行磁选，得到碳化钛精矿产物。真空碳化反应装置示意图如图1所示。

图1 真空碳化反应装置示意图1.加料管；2.加热电极；3.反应器；4.可开启密闭空间；5.底座

3 试验结果分析

当高炉渣占70%、焦粉占20%、煤粉占10%，真空度为5 Pa，还原时间为30 min，磁场强度为1 Wb/A 时，还原温度与磁选精矿TiC 的关系如图2所示。

从图2可知，当真空度在5 Pa 时，真空还原的温度在1 100 ℃就能达到真空碳化的要求。在相同真空度下，碳化温度越高，碳化效果越好。精矿中TiC含量达25%左右，这说明在磁选前的粉碎未完全实现单体分离的目标，以致精矿中杂质含量高。

原料组成对试验结果的影响如表2所示。当还原温度为1 100 ℃、真空度为5 Pa，还原时间为30 min，磁场强度为1 Wb/A 时，原料组成与磁选精矿TiC 的关系如表2所示。Ti 回收率计算公式为：

图2 还原温度与磁选精矿TiC 的关系

表2 原料组成与磁选精矿TiC 的关系Ti 回收率（%）3.0 ∶0.9 ∶0.1 31.6 17.4 23.40 76.35 3.0 ∶1.8 ∶0.2 31.4 20.2 14.46 68.91 2.0 ∶0.9 ∶0.1 30.0 18.3 18.53 75.36 1.0 ∶0.9 ∶0.1 29.8 16.9 14.89 75.06高炉渣∶焦粉∶煤粉还原前重（g）精矿重（g）精矿TiC（%）

从表2可知，当高炉渣∶焦粉∶煤粉为3.0 ∶ 0.9 ∶0.1 时，精矿中TiC 含量最高，TiC 含量达23.4%，Ti 回收率达76.35%。

当高炉渣∶焦炭∶煤粉为3.0 ∶0.9 ∶0.1，还原温度为1 100 ℃，真空度为5 Pa，还原时间为30 min时，磁场强度对试验结果的影响如表3所示。

由表3可知，当磁场强度为0.8 ～1.2 Wb/A 时，试验结果较好，磁场强度过大，磁选产率高，产品夹带杂质多，尾矿中流失的Ti 较少，钛收率高。磁场强度过低，磁选产率低，产品夹带杂质少，尾矿中流失的Ti 较多，钛收率不高。

表3 磁场强度对试验结果的影响产率（%）1.2 17.26 8.67 50.23 1.0 10.98 4.83 43.99 0.8 38.40 15.51 40.39 0.6 12.66 4.19 33.10磁场强度（Wb/A）磁选前m（g）磁选后m（g）

文章来源：《真空科学与技术学报》网址: http://www.zkkxyjsxb.cn/qikandaodu/2020/1224/425.html