鈦渣廠煙塵及還原劑粉末的綜合利用研究

陳科彤， 李懷仁, 包崇軍， 和曉才， 張永平

(昆明冶金研究院， 云南 昆明 650031)

鈦渣廠煙塵及還原劑粉末的綜合利用研究

陳科彤， 李懷仁, 包崇軍， 和曉才， 張永平

(昆明冶金研究院， 云南 昆明 650031)

本文通過(guò)分析鈦鐵礦還原生產(chǎn)高鈦渣的還原劑、煙塵特性，研究了還原劑粉末的選礦提純以及其與煙塵制備組合式碳質(zhì)還原劑球團(tuán)的方法，驗(yàn)證了球團(tuán)的物理和化學(xué)特性，找到了一種鈦渣廠煙塵及還原劑粉末綜合利用的途徑。

鈦渣； 煙塵； 粉末； 球團(tuán)； 還原劑

隨著科技的發(fā)展，四氯化鈦、鈦白粉和海綿鈦等鈦產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大，我國(guó)的鈦資源相當(dāng)豐富，市場(chǎng)前景十分廣闊。2012年海綿鈦產(chǎn)能達(dá)到14.9萬(wàn)t，比上年增長(zhǎng)15.6%，鈦錠產(chǎn)能達(dá)到10.58萬(wàn)t，增長(zhǎng)10.0%，鈦加工材產(chǎn)量5.16萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)1.2%[1]，而高鈦渣是生產(chǎn)鈦產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料[2]，因此，高鈦渣的需求也在急劇增長(zhǎng)。

高鈦渣是在高溫下經(jīng)CO還原后的富鈦原料[3]，其生產(chǎn)消耗大量的還原劑，目前大多數(shù)企業(yè)主要以石油焦為主，渠道單一，容易受到還原劑的限制，同時(shí)也將產(chǎn)生大量的冶煉煙塵和還原劑粉末。還原劑主要以煤粉、石油焦粉末、瀝青粉末為主，它們不能夠直接加入電爐使用，否則會(huì)在爐子表面燃燒，導(dǎo)致爐子噴火、透氣性下降、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)波動(dòng)、煙氣量增大、操作環(huán)境惡劣等問(wèn)題[4]。還原劑銷售價(jià)格極低，運(yùn)輸和堆存成本較高，見風(fēng)四處飄揚(yáng)，嚴(yán)重污染環(huán)境，給企業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的問(wèn)題，給生態(tài)的保護(hù)造成了很大的影響，所以研究鈦渣廠還原劑拓展及粉狀資源的綜合利用方法勢(shì)在必行。

1 鈦鐵礦的還原

目前，國(guó)內(nèi)外普遍以鈦鐵礦為原料，石油焦和瀝青為還原劑，按一定比例直接混合入爐生產(chǎn)高鈦渣[5]。

1.1 原料

鈦在地球上儲(chǔ)量十分豐富，在地殼中含鈦礦物有140多種，但具有開采價(jià)值的僅十余種。已開采的鈦礦物礦床可分為巖礦床和砂礦床兩大類，巖礦床為火成巖礦，具有礦床集中、貯量大的特點(diǎn)，F(xiàn)eO(相對(duì)于Fe2O3)含量高，脈石含量多，結(jié)構(gòu)致密，且多是共生礦，這類礦床的主要礦物有鈦鐵礦、鈦磁鐵礦等，礦石選礦分離較為困難，產(chǎn)出的鈦精礦TiO2含量一般不超過(guò)50%。砂鈦礦床是次生礦床，由巖礦床經(jīng)風(fēng)化剝離再經(jīng)水流沖刷富集而成，主要集中在海岸、河灘、稻田等地，礦物有金紅石、砂狀鈦鐵礦、板鈦礦、白鈦礦等，該礦物的特點(diǎn)是：Fe2O3(相對(duì)于FeO)含量較高、結(jié)構(gòu)疏松、雜質(zhì)易分離，選出的大部分鈦精礦含TiO2達(dá)50%以上[6-7]。

高鈦渣是由鈦精礦冶煉而成，鈦精礦呈黑色粉狀，我國(guó)鈦精礦主要分布在云南武定縣、四川攀枝花、海南等地，其中云南武定的鈦精礦，含鐵量高，雜質(zhì)少，是優(yōu)質(zhì)的鈦材加工原料[7-8]，化學(xué)成份如表1所示。

表1 鈦精礦化學(xué)成分 %

1.2 還原劑

冶煉高鈦渣的還原劑目前主要有煤、石油焦、瀝青，常見煤和石油焦的化學(xué)成份見表2所示，生產(chǎn)中將其組合使用，由于還原劑的組分對(duì)生產(chǎn)以及高鈦渣的品位影響很大，通常鈦渣廠生產(chǎn)中入爐還原劑的總體要求如表3所示。

表2 常見煤、石油焦的化學(xué)成分 %

表3 鈦渣廠入爐還原劑總體要求 %

1.3 生產(chǎn)工藝

我國(guó)高鈦渣的生產(chǎn)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的歷程，至今已發(fā)展到一定規(guī)模。早期使用小型敞口礦熱爐還原法，大多采用自焙電極，一次加料，但電流不穩(wěn)定，煤氣和半鋼得不到很好的利用，操作中存在翻渣結(jié)殼現(xiàn)象，所以逐漸淘汰。目前主要以密閉電爐在高溫條件下加碳還原為主，并且能連續(xù)加料，也有人研究出了低溫還原鈦鐵礦生產(chǎn)高鈦渣的方法，但還處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段[7-8]。

鈦精礦的氧化- 還原過(guò)程是十分復(fù)雜的多相反應(yīng)，流程主要有搗爐—加料—電極下放—通電熔煉—出爐，結(jié)合原料和高鈦渣的成份要求，通常主要考慮Fe-Ti-O-C這四種元素構(gòu)成的體系，反應(yīng)通常開始于～850 ℃，隨著反應(yīng)溫度的增加，產(chǎn)物聚積，CO濃度增加，使固相反應(yīng)物接觸面積降低，反應(yīng)速率下降，同時(shí)氣- 固反應(yīng)速率增加。由于氣- 固反應(yīng)速率大于固- 固反應(yīng)速率，因而體系的總速率表現(xiàn)為緩慢增加，最終在～1 400 ℃停止，所以高鈦渣的生產(chǎn)溫度為800 ℃到1 400 ℃為宜，太高并不會(huì)提高生產(chǎn)效率，反而增加生產(chǎn)成本[5，9-10]。

2 煙塵分析

2.1 物理化學(xué)性質(zhì)

冶煉高鈦渣時(shí)產(chǎn)生大量煙氣，溫度300～400 ℃，煙氣中煙塵濃度為800～1 500 mg/m3，高鈦渣冶煉煙塵就是煙氣通過(guò)煙道排出氧化冷卻后，經(jīng)特別設(shè)計(jì)的收塵器收集得到的無(wú)定形、粉末狀物質(zhì)，以TiO2為主要成分，通常占34%～40%[11]。高鈦渣冶煉煙塵平均粒徑為0.15～0.20 μm，比表面積為15 000～20 000 m2/kg，堆積比為200 g/m3，比電阻為3.3×1012～5.5×1014，具有極強(qiáng)的表面活性。

2.2 國(guó)內(nèi)外利用現(xiàn)狀

近20年來(lái)，高鈦渣冶煉煙塵在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用雖然得到了一定程度的發(fā)展，但還是只能少量用于水泥或混凝土摻合料，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產(chǎn)，提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和耐久性。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，目前不僅應(yīng)用于建筑和耐火材料行業(yè)上，而且應(yīng)用到化工、航天、農(nóng)業(yè)、化妝品等方面。也有文獻(xiàn)報(bào)道能用于油漆、涂料、樹脂、橡膠其它高分子材料填充物，起到改善材料綜合性能的目的，但很少將其作為原料，返回電爐進(jìn)行二次資源化利用[12]。

3 還原劑粉末的脫灰除雜

3.1 粉末特性

鈦渣廠冶煉高鈦渣所用的還原劑粒度有嚴(yán)格要求，每天篩選出大量的不合格粉末，同時(shí)大多數(shù)鈦渣廠冶煉流程長(zhǎng)，還原劑入爐前要經(jīng)過(guò)一段距離的皮帶輸送，也會(huì)產(chǎn)生大量的粉末，其主要含有煤炭、石油焦和其他雜亂的粉塵，具體特性如表4所示。

表4 還原劑粉末特性 %

3.2 脫灰除雜

這些粉料粒度大多在5 mm以下，雜質(zhì)含量高，灰分和揮發(fā)分太高，無(wú)法直接利用，通過(guò)浮選提純處理后可用于制備還原劑球團(tuán)，浮選是基于煤基碳和礦物雜質(zhì)的表面物理化學(xué)性質(zhì)的差異而進(jìn)行的分選過(guò)程[13]。浮選藥劑能提高煤基碳表面疏水性和在氣泡上粘著的牢固度, 在礦漿中促使形成大量氣泡, 防止氣泡兼并和改善泡沫的穩(wěn)定性, 使煤基碳有選擇性地粘著氣泡而上浮。

試驗(yàn)中將粉料磨礦至200目以下占80%，調(diào)整料漿的液固重量比至1∶(2～4)，加入捕收劑、抑制劑、起泡劑，采用閉路浮選分離技術(shù)，經(jīng)過(guò)一次粗選，兩次精選，即可實(shí)現(xiàn)粉末還原劑的脫灰除雜，流程如圖1所示。

圖1 粉末還原劑提純工藝流程

4 球團(tuán)制備

4.1 配料

選取提純后的碳粉，加入煙塵、石油焦粉，加入少量NaOH作為添加劑，按百分比(70～0)∶(30～0)∶(0～20)∶(3～1)的比例混合物料，加水6%～8%，采用對(duì)輥壓球機(jī)冷壓成型方式，將粉料制成6.5×5.5×4.5 cm的橢圓形球團(tuán)，流程見圖2，在自然條件下風(fēng)干，得到組合式碳質(zhì)還原劑球團(tuán)。

圖2 組合式碳質(zhì)還原劑制備流程

4.2 球團(tuán)特性分析

對(duì)固定碳含量、灰分、揮發(fā)分、冷強(qiáng)度等特性分析，均滿足高鈦渣冶煉用還原劑的要求。

為防止球團(tuán)在未達(dá)到高溫反應(yīng)區(qū)前爆破，造成還原劑在電爐表面燃燒，形成爐子堵塞、噴火等問(wèn)題，試驗(yàn)驗(yàn)證了球團(tuán)的熱穩(wěn)定性，將球團(tuán)放入箱式電爐加熱,從500 ℃到800 ℃每隔50 ℃取出冷卻后篩分，粒度大于5 mm顆粒占球團(tuán)的百分比如圖3所示。通過(guò)試驗(yàn)可知球團(tuán)沒有爆裂現(xiàn)象，98%以上的粒度可以滿足要求。

圖3 粒度大于5 mm顆粒占球團(tuán)的百分比

高鈦渣冶煉中，1 200 ℃時(shí)還原劑基本完全燃燒，測(cè)量并比較球團(tuán)和鈦渣廠所用精煤還原劑在800 ℃到1 200 ℃的化學(xué)反應(yīng)性(高溫下干餾后的焦渣還原CO2的能力，以CO2的還原百分率表示)[14]，結(jié)果如圖4所示，由圖4可知球團(tuán)的活性一開始較低，之后迅速上升，在1 000 ℃后與精煤十分接近。

圖4 化學(xué)活性對(duì)比

5 結(jié)論

(1)高鈦渣的冶煉技術(shù)覆蓋了礦物學(xué)，電學(xué)、冶金學(xué)的諸多領(lǐng)域，理論上相對(duì)復(fù)雜，但實(shí)際生產(chǎn)中，礦石的處理，還原劑的選擇過(guò)程又是一個(gè)粗放的工藝，所以產(chǎn)生了大量煙塵和還原劑粉末；

(2)將還原劑粉末磨至200目以下占80%，調(diào)整料漿的液固重量比至1∶(2～4)，加入藥劑，采用閉路浮選分離技術(shù)可以達(dá)到有效脫灰除雜的目的；

(3)將經(jīng)過(guò)選礦提純后的還原劑粉末與煙塵、石油焦按一定比例混料后加入添加劑，用對(duì)輥壓球機(jī)冷壓成型，自然風(fēng)干后成份滿足高鈦渣還原劑的要求；

(4)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可知組合式碳質(zhì)球團(tuán)在800 ℃進(jìn)入坩堝反應(yīng)區(qū)時(shí)，強(qiáng)度適合，沒有爆裂現(xiàn)象，化學(xué)活性與精煤十分接近，適合用于生產(chǎn)高鈦渣，在生產(chǎn)中可以部分替代精煤；

(5)將高鈦渣冶煉生成的還原劑粉末經(jīng)選礦提純后與煙塵壓制成組合式碳質(zhì)還原劑球團(tuán)，作為生產(chǎn)高鈦渣還原劑使用的方法是可行的。

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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

陳科彤(1987—)，男，甘肅人，助理工程師，主要研究方向：冶金工藝及節(jié)能環(huán)保。

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