钛渣厂烟尘及还原剂粉末的综合利用研究

陈科彤， 李怀仁, 包崇军， 和晓才， 张永平

(昆明冶金研究院， 云南 昆明 650031)

钛渣厂烟尘及还原剂粉末的综合利用研究

陈科彤， 李怀仁, 包崇军， 和晓才， 张永平

(昆明冶金研究院， 云南 昆明 650031)

本文通过分析钛铁矿还原生产高钛渣的还原剂、烟尘特性，研究了还原剂粉末的选矿提纯以及其与烟尘制备组合式碳质还原剂球团的方法，验证了球团的物理和化学特性，找到了一种钛渣厂烟尘及还原剂粉末综合利用的途径。

钛渣； 烟尘； 粉末； 球团； 还原剂

随着科技的发展，四氯化钛、钛白粉和海绵钛等钛产品的需求量越来越大，我国的钛资源相当丰富，市场前景十分广阔。2012年海绵钛产能达到14.9万t，比上年增长15.6%，钛锭产能达到10.58万t，增长10.0%，钛加工材产量5.16万t，同比增长1.2%[1]，而高钛渣是生产钛产品的优质原料[2]，因此，高钛渣的需求也在急剧增长。

高钛渣是在高温下经CO还原后的富钛原料[3]，其生产消耗大量的还原剂，目前大多数企业主要以石油焦为主，渠道单一，容易受到还原剂的限制，同时也将产生大量的冶炼烟尘和还原剂粉末。还原剂主要以煤粉、石油焦粉末、沥青粉末为主，它们不能够直接加入电炉使用，否则会在炉子表面燃烧，导致炉子喷火、透气性下降、产品质量指标波动、烟气量增大、操作环境恶劣等问题[4]。还原剂销售价格极低，运输和堆存成本较高，见风四处飘扬，严重污染环境，给企业的发展带来了严重的问题，给生态的保护造成了很大的影响，所以研究钛渣厂还原剂拓展及粉状资源的综合利用方法势在必行。

1 钛铁矿的还原

目前，国内外普遍以钛铁矿为原料，石油焦和沥青为还原剂，按一定比例直接混合入炉生产高钛渣[5]。

1.1 原料

钛在地球上储量十分丰富，在地壳中含钛矿物有140多种，但具有开采价值的仅十余种。已开采的钛矿物矿床可分为岩矿床和砂矿床两大类，岩矿床为火成岩矿，具有矿床集中、贮量大的特点，FeO(相对于Fe2O3)含量高，脉石含量多，结构致密，且多是共生矿，这类矿床的主要矿物有钛铁矿、钛磁铁矿等，矿石选矿分离较为困难，产出的钛精矿TiO2含量一般不超过50%。砂钛矿床是次生矿床，由岩矿床经风化剥离再经水流冲刷富集而成，主要集中在海岸、河滩、稻田等地，矿物有金红石、砂状钛铁矿、板钛矿、白钛矿等，该矿物的特点是：Fe2O3(相对于FeO)含量较高、结构疏松、杂质易分离，选出的大部分钛精矿含TiO2达50%以上[6-7]。

高钛渣是由钛精矿冶炼而成，钛精矿呈黑色粉状，我国钛精矿主要分布在云南武定县、四川攀枝花、海南等地，其中云南武定的钛精矿，含铁量高，杂质少，是优质的钛材加工原料[7-8]，化学成份如表1所示。

表1 钛精矿化学成分 %

1.2 还原剂

冶炼高钛渣的还原剂目前主要有煤、石油焦、沥青，常见煤和石油焦的化学成份见表2所示，生产中将其组合使用，由于还原剂的组分对生产以及高钛渣的品位影响很大，通常钛渣厂生产中入炉还原剂的总体要求如表3所示。

表2 常见煤、石油焦的化学成分 %

表3 钛渣厂入炉还原剂总体要求 %

1.3 生产工艺

我国高钛渣的生产经历了半个多世纪的历程，至今已发展到一定规模。早期使用小型敞口矿热炉还原法，大多采用自焙电极，一次加料，但电流不稳定，煤气和半钢得不到很好的利用，操作中存在翻渣结壳现象，所以逐渐淘汰。目前主要以密闭电炉在高温条件下加碳还原为主，并且能连续加料，也有人研究出了低温还原钛铁矿生产高钛渣的方法，但还处于实验室试验阶段[7-8]。

钛精矿的氧化- 还原过程是十分复杂的多相反应，流程主要有捣炉—加料—电极下放—通电熔炼—出炉，结合原料和高钛渣的成份要求，通常主要考虑Fe-Ti-O-C这四种元素构成的体系，反应通常开始于～850 ℃，随着反应温度的增加，产物聚积，CO浓度增加，使固相反应物接触面积降低，反应速率下降，同时气- 固反应速率增加。由于气- 固反应速率大于固- 固反应速率，因而体系的总速率表现为缓慢增加，最终在～1 400 ℃停止，所以高钛渣的生产温度为800 ℃到1 400 ℃为宜，太高并不会提高生产效率，反而增加生产成本[5，9-10]。

2 烟尘分析

2.1 物理化学性质

冶炼高钛渣时产生大量烟气，温度300～400 ℃，烟气中烟尘浓度为800～1 500 mg/m3，高钛渣冶炼烟尘就是烟气通过烟道排出氧化冷却后，经特别设计的收尘器收集得到的无定形、粉末状物质，以TiO2为主要成分，通常占34%～40%[11]。高钛渣冶炼烟尘平均粒径为0.15～0.20 μm，比表面积为15 000～20 000 m2/kg，堆积比为200 g/m3，比电阻为3.3×1012～5.5×1014，具有极强的表面活性。

2.2 国内外利用现状

近20年来，高钛渣冶炼烟尘在国内的应用虽然得到了一定程度的发展，但还是只能少量用于水泥或混凝土掺合料，以改善水泥或混凝土的性能，或者用于耐火材料和陶瓷制品的生产，提高产品的强度和耐久性。在工业发达国家，目前不仅应用于建筑和耐火材料行业上，而且应用到化工、航天、农业、化妆品等方面。也有文献报道能用于油漆、涂料、树脂、橡胶其它高分子材料填充物，起到改善材料综合性能的目的，但很少将其作为原料，返回电炉进行二次资源化利用[12]。

3 还原剂粉末的脱灰除杂

3.1 粉末特性

钛渣厂冶炼高钛渣所用的还原剂粒度有严格要求，每天筛选出大量的不合格粉末，同时大多数钛渣厂冶炼流程长，还原剂入炉前要经过一段距离的皮带输送，也会产生大量的粉末，其主要含有煤炭、石油焦和其他杂乱的粉尘，具体特性如表4所示。

表4 还原剂粉末特性 %

3.2 脱灰除杂

这些粉料粒度大多在5 mm以下，杂质含量高，灰分和挥发分太高，无法直接利用，通过浮选提纯处理后可用于制备还原剂球团，浮选是基于煤基碳和矿物杂质的表面物理化学性质的差异而进行的分选过程[13]。浮选药剂能提高煤基碳表面疏水性和在气泡上粘着的牢固度, 在矿浆中促使形成大量气泡, 防止气泡兼并和改善泡沫的稳定性, 使煤基碳有选择性地粘着气泡而上浮。

试验中将粉料磨矿至200目以下占80%，调整料浆的液固重量比至1∶(2～4)，加入捕收剂、抑制剂、起泡剂，采用闭路浮选分离技术，经过一次粗选，两次精选，即可实现粉末还原剂的脱灰除杂，流程如图1所示。

图1 粉末还原剂提纯工艺流程

4 球团制备

4.1 配料

选取提纯后的碳粉，加入烟尘、石油焦粉，加入少量NaOH作为添加剂，按百分比(70～0)∶(30～0)∶(0～20)∶(3～1)的比例混合物料，加水6%～8%，采用对辊压球机冷压成型方式，将粉料制成6.5×5.5×4.5 cm的椭圆形球团，流程见图2，在自然条件下风干，得到组合式碳质还原剂球团。

图2 组合式碳质还原剂制备流程

4.2 球团特性分析

对固定碳含量、灰分、挥发分、冷强度等特性分析，均满足高钛渣冶炼用还原剂的要求。

为防止球团在未达到高温反应区前爆破，造成还原剂在电炉表面燃烧，形成炉子堵塞、喷火等问题，试验验证了球团的热稳定性，将球团放入箱式电炉加热,从500 ℃到800 ℃每隔50 ℃取出冷却后筛分，粒度大于5 mm颗粒占球团的百分比如图3所示。通过试验可知球团没有爆裂现象，98%以上的粒度可以满足要求。

图3 粒度大于5 mm颗粒占球团的百分比

高钛渣冶炼中，1 200 ℃时还原剂基本完全燃烧，测量并比较球团和钛渣厂所用精煤还原剂在800 ℃到1 200 ℃的化学反应性(高温下干馏后的焦渣还原CO2的能力，以CO2的还原百分率表示)[14]，结果如图4所示，由图4可知球团的活性一开始较低，之后迅速上升，在1 000 ℃后与精煤十分接近。

图4 化学活性对比

5 结论

(1)高钛渣的冶炼技术覆盖了矿物学，电学、冶金学的诸多领域，理论上相对复杂，但实际生产中，矿石的处理，还原剂的选择过程又是一个粗放的工艺，所以产生了大量烟尘和还原剂粉末；

(2)将还原剂粉末磨至200目以下占80%，调整料浆的液固重量比至1∶(2～4)，加入药剂，采用闭路浮选分离技术可以达到有效脱灰除杂的目的；

(3)将经过选矿提纯后的还原剂粉末与烟尘、石油焦按一定比例混料后加入添加剂，用对辊压球机冷压成型，自然风干后成份满足高钛渣还原剂的要求；

(4)通过试验验证可知组合式碳质球团在800 ℃进入坩埚反应区时，强度适合，没有爆裂现象，化学活性与精煤十分接近，适合用于生产高钛渣，在生产中可以部分替代精煤；

(5)将高钛渣冶炼生成的还原剂粉末经选矿提纯后与烟尘压制成组合式碳质还原剂球团，作为生产高钛渣还原剂使用的方法是可行的。

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[14]GB/T220—89，煤对二氧化碳化学反应性的测定方法[S]．

Studyoncomprehensiveutilizationofsootandreducingagentpowderfromtitaniumslagfactory

CHEN Ke-tong, LI Huai-ren, BAO Chong-jun, HE Xiao-cai, ZHANG Yong-ping

Based on the analysis of properties of reducing agent and smoke used to produce high-titanium slag by ilmenite reducing, the methods to purify the reducing agent powder by beneficiation and to prepare the combined carbonaceous reducing agent pellets with soot were studied, and the physical and chemical properties of pellets were tested, and a way of comprehensive utilization of soot and reducing agent powder from titanium slag factory was founded.

titanium slag; soot; power; pellets; reducing agent

陈科彤(1987—)，男，甘肃人，助理工程师，主要研究方向：冶金工艺及节能环保。

TF823

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