钛铁原料选择性还原与冶金新流程探索

2010年4月第2期 朱鸿民等：钛铁原料选择性还原与冶金新流程探索 77 钛铁原料选择性还原与冶金新流程探索 朱鸿民，高承君，黄 凯，曹战民 (北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083) 【摘要】 以钒钛磁铁精矿、钛精矿和高钛渣为原料，通过碳热还原分别将铁和钛还原至金属铁和碳氧 化钛，得到过湿法分离提纯得到了高纯碳氧化钛。这一选择性碳热还原和湿 法分离的方法为高效率利用钒钛磁铁矿等钛、铁资源冶金新流程奠定了基础。 关键词 钒钛磁铁矿；碳热还原；湿法分离；综合利用 中图分类号】文献标识码】 文章编号 1672010)024 国具有丰富的钛矿资源。仅四川攀枝花一西 昌地区探明储量的钒钛磁铁矿就达100亿吨以上， 占世界钛矿资源的35，占全国钛资源的91。自 1970年攀钢集团1号高炉投产将钒钛磁铁矿成功 炼铁，至今已有近40年，主要成份中的铁和钒得到 了较好的利用，但是钛资源却未能得到有效利用。 图1为现行钒钛磁铁矿冶金过程的主要流程 以及钛、铁、钒的利用率。可以明显的看到，按现行 的钛铁矿以及钒钛磁铁矿的冶金流程钛资源的利 用率极其低下，而且在高炉炼铁时其中的钛成分因 在还原过程中形成的低价钛氧化物以及碳化物和 氮化物的混合体以固体的形式析出，从而造成炉渣 的粘度高、流动性差而阻碍高炉炼铁的正常运行。 可见从钛资源的利用角度来看，现行的钛铁矿冶金 流程是极其不合理的。 就钒钛磁铁矿中主成分的高效利用而言。比较 合理的冶金流程应该是非高炉还原、液态分离的方 式。2005年朱鸿民等提出了一种通过碳热还原和熔 盐电解提取金属钛的流程，即方法首 先用碳热还原将氧化钛还原为低价碳氧化物进而 以此类碳氧化物为阳极在熔融盐体系中电解溶出， 与此同时在阴极获得金属钛。氧化钛原料出发碳热还原至一氧化钛与碳化钛 的固溶体即并对其成分作了明确的规定，实 作者简介朱鸿民(1962一)，男，教授，博士生导师。 收稿日期20090127 丛 丛堕 1000000V 钢坯 6O9V 图1钒钛磁铁矿现有流程 现了高品质金属钛的提取。此工艺具有流程短，中 间产物少等特点有望成为低成本、低污染生产金 属钛的新流程。 由于 )，其原料并不一定需要纯的二氧化钛，考虑 到钛铁矿中除了钛以外其他氧化物中只有铁可能 在此类钛碳氧化合物 产生之前被还原，因此 可以设想从钛的低品位原料，即从钒钛磁铁矿的各 78 中固有色冶4卷研究开发篇试验研究 种初级产品出发选择性的还原铁和钛至金属铁和 钛碳氧化物进而分离金属铁、未还 原的其他氧化物。分离后获得可以用于 可以用于钛白粉原料。 这一流程的示意图如图2所示。本文从钒钛磁铁矿 不同阶段的原料出发，按照这一设想，验证选择性 还原以及后续分离的可能性。 尾矿 壁 厦 10000Ti， 8505V 选择性还原冶炼 I 钛渣复合物 含钒铁水 中 l =一塑 ，一 7 F。49 图2钒钛磁铁矿综合利用新流程 1 实验 本研究对不同成分钛铁原料通过碳热还原将 氧化铁指原至金属铁， 将二氧化钛原至碳氧化物在此x，Y 都控制在05，也就是按照以下反应式的 化学计量比配制原料和还原剂碳粉。 e+1) C=0552) 钛铁原料分别采用攀枝花钢铁集团的钒钛铁 精矿、钛精矿或高钛渣作为钛、铁原料，其化学成分 如表1所示。还原剂碳则采用高纯石墨粉。 按上述反应配比称取原料和石墨后，混合并用 球磨机球磨混合1后将试样装入内衬钼 片的石墨坩埚。并装入到硅钼棒高温炉中。还原反 应在氩气气氛中进行炉温升至1600 1钛铁原料的化学成分 时。然后冷却降至室温。测定反应前后的重量变化 从而评价反应的反应率。 还原产物破碎后分离出可采集的铁珠，其余部 分用盐酸进行酸洗以除去混和的铁粉以及未反应 的氧化物。酸洗在80下进行。采用浓度为15 的盐酸、液固比固定在10 mLg，浸出时间为30分 钟。 本文的物相分析采用析原料 以及产物的物相结构。化学成份采用滴定法分析。 2实验结果和讨论 钒钛铁精矿、钛精矿和高钛渣经过碳热还原 后，其中的氧化铁和氧化钛分别还原为金属铁和碳 氧化钛。还原过程中由于一氧化碳气体的产生会发 生失重。以原料中所有的氧化铁和二氧化钛按反应 方程式(1)和(2)计，根据反应前后的反应物和产物 总重的变化可计算每一反应的反应率各自的反应 率如表2所示。由表2可见，不管是以钒钛磁铁矿、 钛精矿还是高钛渣，尽管其中含量各 不相同按照同样的目标产物均具有很高的反应 率，都在97以上。 表2原料配比以及反应率 图3是不同钛铁原料的还原产物照片。可以看 出还原产物中有大颗粒的铁珠和其他产物自然分 离。铁水呈银白色分布在黑色产物周围。而钛精矿 和高钛渣的还原产物则为细小粉末的混合体。图4 为反应前原料和反应后产物图谱可 见钒钛磁铁精矿主要物相为 和钛精 矿主要物相为少量的 。高钛渣的物 相主要由 。和成。钒钛磁铁精矿经 高温碳热还原后。铁珠以外产物的主要物相为 2010年4月第2期 朱鸿民等：钛铁原料选择性还原与冶金新流程探索 79 鼎 般 (a)钒钛磁铁矿还原产物 (b)钛精矿还原产物 (c)高钛渣还原产物 图3不同原料还原产物形貌 0。 1 一一4原料(a)与还原产物(b)i：钛精矿 和高钛渣的还原产物也同样主要是，没有发现其他晶相，由此可以推测，其他氧化物 可能是呈非晶态结构。因此，不管是钒钛磁铁精矿、 钛精矿还是高钛渣都可以通过配以适当的碳量选 择性地还原氧化铁和氧化钛获得金属铁和碳氧化 钛，而其他氧化物不被还原。 高温还原得到的O 复合物中，以 钒钛磁铁矿为原料时铁与O合物自然 分离以钛精矿和高钛渣为原料时大部分铁没有形 成大颗粒的铁珠和其他相宏观分离。由于于酸，而大多能溶于酸，所以采用湿法浸出的方法使其 中的现分离。经过2段酸浸出后产 物为较纯的碳氧化钛，其化学成分分析结果如表3 所示。由表3可知大部分的氧化物被溶出，氧化铝 的溶出效果则欠理想，有待进一步寻找优化的浸出 条件。经溶出后得到了纯度为959的O。 表3浸出后复合物化学成分 所得金属钛的原料，又可以作为目前氯化法钛白和克 劳尔法海绵钛工艺的原料。这一选择性还原与湿法 冶金分离相结合的方式为高效率的利用钛铁原料 提供了新的路线，同时也使加广阔的应用前景。 3 结论 (1)通过控制配碳量，钒钛磁铁精矿、钛精矿 和高钛渣可选择性地还原氧化铁和二氧化钛获得 金属铁和碳氧化钛，而其他氧化物不被还原。 (2)经过湿法酸浸后大部分未反应氧化物可 以被溶出，获得了纯度为959的(3)上述结果为钛铁复合原料高效利用新流程 奠定了基础。 参考文献1 1吴贤，张健中国钛资源的分布及特点【钛工业进展， 2006，23(6)：821 盛继孚攀枝花钒钛磁铁矿资源亟待开发利用【川省情， 2006，(6)：20 3杜鹤桂高炉冶炼钒钛磁铁矿原理M北京：科学出版社，1996 4王喜庆钒钛磁铁矿高炉冶炼京：冶金工业出版社，1994 80 中固有色冶金 验研究 【5】隋智通，郭振中，张力等含钛高炉渣中钛组分的绿色分离技术 料与冶金学报，2006，5(2)：9397 【6刘晓华，隋智通含钛高炉渣加压酸解中国有色金属学报， 2002，12(6)：1281【7】洪 流，丁跃华，谢洪恩钒钛磁铁矿转底炉直接还原综合利用 前景叨金属矿山，2007，371(5)：【8】邓 君，薛 逊，刘功国攀钢钒钛磁铁矿资源综合利用现状与 发展J材料与冶金学报，2007，6(2)：83 9】朱鸿民，焦树强，顾学范，一种金属钛提炼的方法，2005 【10】 Q， M006，21：21722175 【l 1，of 7225091955 of of ai of as to he eOx he he to of 迎订阅2010年中国有色冶金 中国有色冶金(原有色冶炼)系国家科委批准、国内外公开发行由中国有色工程设计研究总院主办 的国家级科技期刊，1992年人选全国中文核心期刊，2004年、2008年再次人选全国中文核心期刊。本刊设有 轻金属、重金属、贵金属、稀有及稀土金属、国外工程技术、设备及自动化、综合利用与环保、经验交流等栏 目，内容丰富，信息量大，覆盖整个有色冶金行业。 中国有色冶金是全国首届中国学术期刊(光盘版)检索与评价数据规范(国家新闻出版署)执行优 秀奖期刊，有色金属工业局表扬期刊，中华期刊网全文收入期刊，科技论文统计源期刊，中国知识资源库 科技精品期刊库收录期刊。 中国有色冶金国内外公开发行