电炉法生产钛渣

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production of titaniumslag by electric furnace method

简介

钛铁矿精矿用碳质还原剂在电炉中进行高温还原熔炼，铁的氧化物被选择还原成金属铁，钛氧化物富集在炉渣中成为钛渣的过程，为富钛料制取方法之 一。所产钛渣的T_iO₂总量超过75%，并含有少量铁、钙、镁、硅、铝、锰和钒等的氧化物杂质。此法能同时回收钛铁矿中钛、铁两个主要元素，过程无废料产生，炉气可回收利用或经处理达到排放标准。

加拿大魁北克铁钛公司 (Quebec Iron and Titani-um Corporation)于1948年开始研究此法，1950年建立试验工厂，1956年用于商业性生产。50年代以后，这种方法得到广泛应用，成为世界上生产富钛料的主要方法。中国于1956年开始试验，1958年建厂投产，采用圆形敞口电炉熔炼高还原度钛渣 (TiO2总量大于92%)，作为生产TiCl₄的原料。前苏联采用半密闭式或密闭式电炉熔炼中等还原度钛渣 (TiO2总量为87%～91%)，作为熔盐氯化法生产四氯化钛的原料。加拿大、南非和挪威采用矩形密闭电炉熔炼低还原度钛渣(TiO₂总量为75%～85%)，主要用作硫酸法生产钛白的原料。

原理 在钛铁矿精矿高温还原熔炼过程中，控制还原剂碳量，使铁的氧化物被优先还原成金属铁，而TiO2也有部分还原为钛的低价氧化物。其主要反应为：

实际反应很复杂，反应生成物CO部分参与反应：精矿中非铁杂质亦有少量被还原，大部分进入渣相;不同价态的钛氧化物 (TiO2、Ti3O5、Ti2O3、TiO) 与杂质(FeO、CaO、MgO、MnO、SiO₂、Al₂O₃、V₂O₅等)相互作用生成复合化合物，它们之间又相互溶解形成复杂固溶体。随着还原过程的深入进行，钛和非铁杂质氧化物在渣相富集，渣中FeO活度逐渐降低，致使渣相中FeO不可能被完全还原而留在钛渣中。

工艺 各生产厂家根据其所用的钛铁矿种类、产品用途和选用的炉型情况不同，采用的工艺会有所差异，其原则流程如图1所示。图中用虚线表示者为可供选用部分。全过程主要由炉料准备和电炉熔炼两大环节组成。产出的炉前渣经破碎、磁选处理后便得到钛渣。

图1 电炉法生产钛渣原则流程图

炉料准备 生产中根据钛渣的用途及对杂质含量的要求，选择化学组成合适的钛铁矿作为原料。例如，生产高品位钛渣必须选用钛和铁氧化物总量高 (即非铁杂质少) 的优质钛铁矿。

还原剂一般需选用活性大、灰分低及挥发分少的低硫高碳的无烟煤或石油焦。

干燥的钛铁矿可直接用来配制敞口电炉和半密闭式电炉的炉料。但含硫高的原生钛铁矿和密闭电炉使用的矿料一般需经预氧化脱硫处理，为降低熔炼电耗也可进行预还原处理。密闭电炉和半密闭式电炉 一般使用粉状炉料，钛铁矿或预处理钛铁矿与适量还原剂混合均匀便可入炉熔炼。敞口电炉 一般采用球团料，在炉料中配入适量粘结剂(如沥青)制成球团或经混捏后入炉熔炼。

电炉熔炼 敞口电炉和半密闭式电炉熔炼钛渣属间歇作业。每炉作业包括加料、熔炼、出炉、修堵料口和捣炉等步骤。熔炼过程大致可分为还原熔化、深还原和过热出炉三个阶段。

(1)还原熔化阶段。炉料预热至1173K左右开始发生还原反应;温度升至1523～1573K时炉料开始熔化，此时熔化和还原同时进行。炉料的熔化从电极周围逐渐向外扩张，直至电极间的炉料全部熔化形成熔池，这标志着还原熔化阶段的结束。这阶段消耗的能量约占全过程总能量的2/3。敞口电炉的熔池上方经常残留 一层未熔化的烧结固体料“桥”，“桥”在高温作用下容易部分崩塌陷落到熔池内引起激烈反应，造成熔渣的沸腾，引起电极升降和炉功率波动。

(2) 深还原阶段。炉料熔化后形成的熔渣仍含有10%左右的FeO。在生产高还原度钛渣时，仍需将残留的FeO进一步深还原成铁。敞口电炉熔池上方的固体料“桥”具有遮挡电弧热辐射的作用，使深还原得以充分进行。

(3)过热出炉阶段。深还原结束后，为保证顺利出炉，有时仍需将熔体加温，使渣和铁充分分离，并使熔渣达到一定的过热度。

密闭电炉采用连续加料，定时出渣、出铁。在正常熔炼情况下，炉料入炉后立即熔化和还原，熔池表面不存在固体料层，渣的沸腾现象基本消除。若减少或停止加料进行深还原，则会使炉衬和炉盖直接受到电弧热辐射而造成侵蚀。所以，在密闭炉中不宜进行深还原，生产的钛渣还原度较低。

还原熔炼电炉 一般分敞口式和密闭式两种。敞口电炉可生产高还原度钛渣，但熔炼过程炉况不稳定，热损失大，金属回收率低，劳动条件差。密闭电炉熔炼过程炉况稳定，无噪音，热损失少，金属回收率高，电炉煤气可回收利用。图2为密闭电炉炉体的结构示意图。除电炉本身外，还有电炉变压器、矩网母线、电极把持器、电极升降机构、测控仪表和煤气净化回收系统等附件 (见彩图插页第23页)。

生产钛渣的电炉是介于电弧炉与矿热炉 (见电弧熔炼和电阻-电弧熔炼)之间的一种特殊炉型，在设计选择电炉参数时要考虑钛渣熔炼过程的三个基本特征。(1)钛渣的熔化温度一般为1873～1973K，熔炼最高温度可达2073K，熔炼的热量必须集中在中心还原熔炼区。(2)高温下熔融钛铁矿精矿的导电率较高，钛渣具有电子型导电体的特征，其导电率可高达15000～20000S/m。渣相的高导电率决定了钛渣熔炼过程具有开弧冶炼的特征，熔炼的主要热源是电极末端至熔池间的电弧热，渣阻热是次要的。(3)钛渣熔体具有很高的化学活性，在熔炼过程中必须确保炉内衬挂渣，以保护炉衬不受腐蚀。

图2 熔炼钛渣密闭电炉示意图

1—电极; 2—电极夹; 3—炉气出口; 4—炉料; 5—钛渣;6—铁水; 7—钢外壳; 8—加料管; 9—炉盖; 10—检测孔;11—筑炉材料; 12—结渣层; 13—出渣口; 14—出铁口

钛渣质量和用途 电炉排出的熔渣经冷却、破碎和磁选得到成品钛渣，其质量主要与钛铁矿类别和熔炼还原度有关，表中列出世界上一些钛铁矿于不同炉型中熔炼所得钛渣的典型化学组成及主要用途。

发展趋势 主要是发展大型密闭电炉，并实现自动控制。其次是为进一步降低钛渣电耗，发展一种两段熔炼法新工艺，即利用电炉煤气加热钛铁矿进行固相还原，再在电炉中进行深还原。此外，将更加重视对铁水的深加工处理，制取多种钢铁产品。

不同种类钛渣化学组成及其用途