（钢铁冶金专业论文）高钛铁生产工艺研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 本文回顾了国内外钛铁生产，尤其是高钛铁生产技术的发展及现状。并分析了现在市 场对高钛铁的需求，通过对铝热还原法特点的研究，提出在实验室的条件下，利用金红石 铝热还原法来制备高钛铁。此方法流程简单，成本低廉，操作简单，在较短的时间内就可 以完成，并且可以将合金中的钛提高到6 5 以上，同时降低铝含量。 在实验室的条件下，运用铝热还原法( 炉外法) 去制备高钛铁，并要求在制得高钛铁 的同时，应尽可能降低合金中的铝含量，硅含量不能超过0 5 。实验室将铝粉，金红石， 氯酸钾和石灰等原材料逐一烘烤以后，混匀后入炉，点火，几分钟就可以完成反应；冷却， 然后取样，分析。得到满足要求的钛铁合金。 通过理论计算，并且根据每次实验分析后对配比做出相应调整，通过改变铝粉，石灰 等原料的加入量来控制合金中的钛含量和铝含量。发现当用部分镁铝合金粉来代替部分铝 粉后，在可以保证钛铁钛含量的同时，尽可能的降低合金中的铝含量，从而使合金达到要 求。 研究表明：1 ) 在实验室的条件下，以金红石等为原料，利用铝热还原法来冶炼高钛铁 是可行的；2 ) 当用铝镁合金来代替部分的铝粉后，可以降低合金中的含铝量，并同时保 证合金中的钛含量在6 5 以上；3 ) 合金中的硅含量的多少与冶炼过程没有关系，主要由原 材料中的含量决定；4 ) 用提高环境的物理热来代替反应化学热的方法，可以提高冶炼高 钛铁的效率，降低钛铁铝含量；5 ) 渣的流动性对钛收得率有很大影响。所以，可以适当 加入莹石，控制石灰( 有效) 的加入量来保证渣良好的流动性。 关键词：高钛铁；铝镁合金；物理热；铝热法 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i s a r t i c l e , t h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo ff e r r o t i t a n i u m , e s p e c i a l l yh i g hg r a d e f e r r o t i t a n i u m p r o c e s sa r er e s e a r c h e d ，a n dt h en o w a d a y sm a r k e td e m a n do fh i g hg r a d e f e r r o t i t a n i u ma r ed i s c u s s e d t h e 玑r e d u c i n gf u t i l ew i t ht h ea l u m i n o t h e r m yr e d u c t i o nm e t h o dt o p r e p a r eh i g hg r a d ef e r r o t i t a n i u ma l ea d v a n c e di nl a b o r a t o r yc o n d i t i o n , t h r o u g ht h es t u d yo ft h e a l u m i n o t h e r m yr e d u c t i o nm e c h a n i s m t h i sp r o c e s si ss i m p l e ，t h ec o s ti sl o wa n ds i m p l i f i e d o p e r a t i o nw i l lb ei m p l e m e n t e di nl i t t l et i m e s o ，t h et i t a n i u mp e r c e n ti na l l o yc a nb ei n c r e a s e dt o m o r et h a n6 5 ，a n dr e d u c e da l u m i n u mc o n t e n ts i m u l t a n e o u s l y t i l i ss t u d yw a si nl a b o r a t o r yc o n d i t i o nt op r e p a r eh i g hg r a d ef e r r o t i t a n i u mw i t ht h e a l u m i n o t h e r m yr e d u c t i o nm e t h o d ( o u t s i d ef u m a c ：ep r o c e s s ) rw a sr e q u i r e dt h a tt h ea l u m i n u m c o n t e n ti na l l o ys h o u l db ed e c r e a s e da sm u c ha sp o s s i b l e ，a n dt h es i l i c o nc o n t e n ts h o u l dn o tb e e x c e e d i n g0 5 ，w h i l eh i g hg r a d ef e r r o t i t a n i u mw e r ep r e p a r e ds i m u l t a n e o u s l y t h el a wm a t e r i a l o fa l u m i n u mp o w d e r , r u f f l e ，p o t a s s i u mc h l o r a t ea n dc a l c a r e o u s n e s s e t c ，w e r er o a s t i n go n e b y o n e ，t h e nm i x e d ，c l o s e di nf u r n a c e ，i g n i t e d a f t e rs e v e r a lm i n u t e , r e a c t i o nw a sc o m p l e t e d ，a n d t h es a m p l e sw e r ec o o l i n gd o w n ，t a k e no u t ，a n a l y z e d a tl a s t ，t h es a t i s f i e df e r r o t i t a n i u ma l l o y w a so b t a i n e d 1 1 1 ec o r r e s p o n d i n ga d j u s t m e n to fp r o p o r t i o nb a s e do ne v e r ye x p e r i m e n ta n a l y s i s ，t h r o u g h e x a c tc o m p u t a t i o ni nt h e o r y t h et i t a n i u ma n da l u m i n u mc o n t e n tw e r ec o n t r o l l e dw i t l la d d i t i o n a m o u n tc h a n g e so fa l u m i n u mp o w d e ra n dc a l c a r e o u s n e s s a f t e rp a r to fa l u m i n u mp o w d e rw a s i n s t e a do fa l u m i n i u mm a g n e s i u ma l l o yp o w d e rw i t hc h e m i c a lh e a tr e p l a c e db yp h y s i c a lh e a t , i t w a sf o u n dt h a ta l u m i n u mc o n t e n to fa l l o yw e r ed e c r e a s e da sm u c ha sp o s s i b l e ，b u tt i t a n i u m c o n t e n to ff e r r o t i t a n i u mc o u l db es t i l lk e p t ，t h e r e f o r es a t i s f i e da l l o yw a so b t a i n e d t h er e s e a r c hs h o w st h a t ：1 ) i ti s p o s s i b l et op r e p a r eh i g hg r a d ef e r r o t i t a n i u mw i mt h e a l u m i n o t h e n n yr e d u c t i o nm e t h o di nl a b o r a t o r yc o n d i t i o na sr u f f l ew a sr a wm a t e r i a l ；2 ) a l u m i n u mc o n t e n ti na l l o yc a nb ed e c r e a s e da f t e ra l u m i n i u mm a g n e s i u ma l l o yp o w d e ri n s t e a d o fa l u m i n u mp o w d e r , w h i l et i t a n i u mc o n t e n ti na l l o yk e p ta b o v e6 5 i se n s u r e d ；3 ) t h es i l i c o n c o n t e n ti na l l o yi sm a i n l yd e c i d e db yt h es i l i c o nc o n t e n ti nr a wm a t e r i a lw i t h o u tr e l a t i o no f s m e l t i n gp r o c e s s ；4 ) i tc a r le r l h a n c ee f f i c i e n c yo fs m e l t i n gh i g hg r a d ef e r r o t i t a n i u ma n dq u a l i t yo f a l l o yb yt h ew a y o fp h y s i c a lh e a th e i g h t e n i n ge n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ei n s t e a do fc h e m i c a lh e a t i n c r e a s i n gr e a c t i o n ss p e e d ；5 ) s l a gf l u i d i t ya f f e c tr e a c t i o na w f u l l y , t h e r e f o r e ，f l u o r i t ei sa d d e d p r o p e r l ya n dc a l c a r e o u s n e s sa d d i t i o na m o u n ti sc o n t r o l l e de f f e c t i v e l y , a l lt h a ta r et oe n s u r ea l l f i g h ts l a gf l u i d i t y k e yw o r d s ：h i g ht i t a n i u mf e r r o a l l y , a l u m i n i u m - m a g n e s i u ma l l o y ；p h y s i c a lh e a t ； t h ea l u m i n o t h e r m yr e d u c t i o nm e t h o d 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：幽日期： 研究生学位论文版权使用授权书 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 论文作者签名： 指导教师签名： 日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章文献综述 1 1 概述 钛是难熔金属中的轻金属，钛合金的强度可以与高强度钢相媲美，同时具有很好的耐 热和耐低温性能以及很好的耐腐蚀能力。钛在自然界中分布极广，其蕴藏量仅次于铝、镁 和铁。在钢中加入一定量的钛，可以细化晶粒，显著提高钢的强度和其他特性【l 】。钛及其 化合物因具有优异的性能，在人类现代化进程中正发挥越来越重要的作用，广泛应用于航 天、石油、能源、交通、化工、生物和医学等领域，并且其应用领域正在不断扩展。随着 冶金工业的高速发展，高品位钛铁合金的需求量将越来越大。有些专家甚至预测，钛将成 为继铁、铝之后的“第三金属”，2 l 世纪将是“钛的世纪【2 】。就铁合金而言，目前我国主要 生产中、低品位的钛铁，而高钛铁的报道以实验居多。国外则大多以废钛屑为原料，采用 重熔法生产高钛铁【引。 钛铁是一种用途较为广泛的特种合金，在炼钢过程中作为合金元素加入钢中，起到细 化组织晶粒、固定间隙元素( c 、n ) 、提高钢材强度等作用【4 】。在冶炼不锈钢和耐热钢时， 钛与碳结合成稳定的化合物，能防止碳化铬生成，从而减少晶间腐蚀，提高铬镍不锈钢的 焊接性能。用钛脱氧的产物易于上浮，镇静钢用钛脱氧可以减少钢锭上部的偏析，从而改 善钢锭质量，提高钢锭的收得率。钛与溶解在钢水中的氮结合生成一种稳定的不溶于钢水 的氮化钛。高钛铁又是冶炼铁基高温合金和优质不锈钢等不可缺少的合金材料。随着钢质 量的提高，品种的增加，对钛铁质量及品种的要求越来越高。国际市场对含钛高的高钛铁 的需求量较大，但我国目前的铁合金厂一般只生产普通中、低钛铁。对于w ( t i ) = 6 5 7 5 、 w ( a 1 ) g 的高钛铁，很少有厂家正式生产【4 0 】。 随着不锈钢产量的不断增加以及不锈钢产品、汽车用钢等对钛铁质量越来越高的要 求，高品位钛铁合金的市场需求越来越大，开发高钛铁生产工艺显得越来越重要。目前我 国以采用钛铁矿和金红石为原料，应用金属热还原法生产低品位及中品位钛铁为主，仅有 很少部分以金属热还原法及重熔废钛工艺生产高品位钛铁【6 l 。而国外则大多以废钛为原料， 采用重熔法生产高钛铁合金【4 6 】。一般情况下，国内利用废钛生产高钛铁，所采用的方法 主要有中频炉重熔，真空炉冶炼等，而其他方法非常少见。而国外采用有衬电渣炉冶炼回 收各种合金废钛削均有报道【7 】。 由于含钛7 0 的高钛铁的熔点最低( 1 0 7 0 1 1 3 0 ( 3 ) ，是冶炼特种钢优良的合金添加剂【引。 钢铁产品的高档化需要大量的高钛铁。近年来高钛铁需求量迅速增长，市场货源紧缺，价 格猛涨。国际市场，高钛铁合金每公斤价格：2 0 0 3 年以前为4 5 美元，2 0 0 4 年初涨至7 8 美元，2 0 0 5 年涨至1 0 美元以上，甚至出现了2 5 3 3 5 美元的高价【9 1 。 1 2国内外对高钛铁生产工艺的研究 高钛铁通常采用重熔法生产，是以金属钛【包括海绵钛和钛屑等) 为原料，在重熔时 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 加入适量金属铁。据报道【引，国际钛铁的贸易量为5 万t a , 主要由英国、俄罗斯、日本和美 国生产，其中英国1 5 2 0 万池。国外优质高钛铁的质量要求如下( 质量) ：w ( t i ) 6 8 7 2 、 w ( a 1 ) 4 0 、 w ( v ) 3 o 、w ( m n ) 1 o 、 w ( s i ) o 5 、w ( n ) 0 4 、w ( c ) o 1 、w ( s ) o 0 1 5 、w ( p ) 0 0 2 、w ( 1 o ) 1 0 。 在自然界中，钛通常是与铁共生，钛矿都含有铁。在生产金属钛的过程中经过多道除 铁工序，在重熔法生产高钛铁时又在钛中加入铁。这就使人们自然想到直接用含铁的钛矿 生产，于是出现了铝热还原法生产高钛铁的工艺，国内外都对该工艺进行了研究。 四川峨嵋铁合金厂以含t i 0 29 0 左右的天然金红石为原料，采用炉外铝热还原法制造 高钛铁进行了半工业性试验，取得了较大的进展，但产品中，s 、p 、c 、a l 、s i 含量不稳 定【l o l 。 南非m i n t e r 公司采用直流转移弧等离子加热铝热还原法制造高钛铁试验，在隔热空气 下进行反应，可降低产品的含氮量，但不能有效降低产品的氧含量，因此认为一次性还原 不可能制取低氧含量的高钛铁。新西兰也进行了铝热还原法制造高钛铁的研究，是以从冶 炼钒钛磁铁矿获得的人造钛铁矿和钛屑为原料。 辽宁、山东和广西等省已建立了一些铝热法( 炉外法) 生产线。铝热法制造的高钛铁 产品，其中铝含量高达8 1 2 、氧含量在5 8 只能用于对氧含量无要求的场合，不符 合出口产品的要求。 t i 0 2 还原不完全，是造成铝热法产品中氧含量高的原因，产品中存在钛的氧化物形成 了钛氧固溶体，要将其中的氧除去是非常困难的。这种含氧高的产品，用其它金属还原剂 进行再还原，其脱氧效果也不好。由此可见，要获得低氧含量的高钛铁，目前还必须以金 属钛为原料采用重熔法生产，这就极大地限制了高钛铁产量的增加【9 1 0 】。 如果以金红石为原料的新方法能够生产出低氧含量的产品，将会极大推动高钛铁产品 的发展。 1 3 高钛铁工艺流程 1 3 1 铝热法生产高钛铁工艺流程 该工艺概括起来可分为三部分：原料准备，配料冶炼，精整包装。工艺流程图见图l 【l 。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 青键铁戚量 田1辐络珐熊产誓饿缺约工芑漉疆 炉料中铝粒的配入量是高钛铁合金生产过程中重要的影响因素。铝粒直径的大小，配 入量变化都直接影响着产品质量。随着铝粒配入量的增加，合金的含钛量和合金量都增加， 即钛回收率提高。但加入过多的铝会造成炉料单位热效应降低，渣子变稠，钛回收反而降 低。铝热法冶炼钛铁所用铝粒粒度最好为o 每1 5 m m 。用0 1m m 以下的铝粒时，过细的铝 粒在冶炼过程中容易燃烧和飞扬，从而使炉料中配铝量不足，被还原的钛减少，影响钛的 回收率；并且过细的铝粒中所含的朋2 0 3 也相对较多，这样就阻碍了反应的顺利进行，使 炉渣粘度增加，流动变差。铝粒太粗会减小反应物之间的有效接触面积，也就使反应不能 顺利进行，使得没有来得及反应的铝熔化进入合金中，使得合金中的铝含量增加。最后生 成的a 1 2 0 3 部分也进入合金中，也就造成合金中铝含量不断变化的原因之一【1 2 】。 1 3 2 有衬电渣炉重熔生产高钛铁的工艺流程 高钛铁冶炼试验是在单相有衬电渣炉内进行的，整个工艺主要包括造渣期，冶金操作 过程，合金液温度的控制几个过程【1 3 】。 试验工艺路线见图2 ： 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 试验工艺路线示意图 1 3 3电铝热法生产钛铁 在电炉里用铝作还原剂生产钛铁，即用电铝热法代替炉外铝热法生产钛铁( 也包括别 的合金) ，是铝热法的发展方向。苏联到7 0 年代末用铝作还原剂生产的铁合金有7 0 是在 电炉里进行的，而炉外法生产的只有1 0 ，与铝热法相比，电铝热法具有以下优点【1 4 】： ( 1 ) 用电产生的热比金属氧化产生的热便宜很多； ( 2 ) 金属氧化放热后，产生大量的a 1 2 0 3 ，结果使渣量增加，金属回收率下降； ( 3 ) 在电炉冶炼时，可用碳做还原剂，可还原部分易还原的氧化物，从而可以节约 大量的铝； ( 4 ) 在电炉里冶炼钛铁，可用廉价的铝屑代替铝粒，并且可以增加含钛废料的重熔 量。 1 4 铝热还原的冶金原理 铝热法生产高钛铁的许多化学反应中，以铝还原t i 0 2 最重要，主要发生的反应方程式 有【l l 】： t i o ，+ 4 3 a l - t i + 2 3 a 1 ，o ， 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 g ；= 一1 6 7 4 7 2 + 1 2 i t ( 11 ) 从热力学观点看，在高温范围内，铝能够还原n 0 2 ，实际上部分t i 0 2 被还原成瓢o ； 2 t i 0 2 + 4 3 砧_ 2 t i o + 2 3 a 1 2 0 3 畔= 一1 0 8 1 1 5 0 + 3 4 3 t ( 12 ) 只有当铝在合金中和t i o 在炉渣中的浓度高时，才能建立平衡方程( 1 1 ) 。 t i o 是强氧化物，它和灿2 0 3 与s i 0 2 组成复合化合物，可使t i 0 2 还原向生成t i o 的方向进 行。为此，必须使用更强的碱性氧化物( c a o ) 来代替复合物中的t i o 。 在有c a o 存在时，还原过程向t i | 0 2 一面的方向进行，化学反应式为： 乃d 2 + 4 3 a 1 + 2 3 c a 0 = t i + 2 3 ( c a o a 1 2 d 3 ) 群= - 4 5 5 7 5 + 2 9 t ( 1 3 ) 根据以上方程式可以明显的看出：加入c a o 以后，反应向右进行，炉料反应的自发性 和彻底性变强【1 5 1 。 生产高钛铁所需要的热量要求是2 7 0 0 2 8 5 0 k j k g 炉料，这样才能使其炉料顺利进行。 热量太高或太低都达不到应有的效果，所以必须进行合理的配热。通常用铝热剂和复合还 原剂搭配使用，其总量为理论用铝量的1 0 2 。发热剂氯酸钾用量为铝量的2 5 - - 3 0 0 , 4 ，这 样可以使反应热量集中，温度高，使得反应可以充分进行下去，得到的合金沉降完全，渣 铁分离效果好，获得的钛的回收率也较高。 合金中的钛含量要求高达6 5 一- 7 0 ，这也就是高钛铁和普通钛铁的区别所在。根据铝 热还原法的特点和高钛铁质量的要求，只有提高原料中t i 0 2 的含量，才能使最后合金中的 t i 含量也提高，而随着t i 0 2 的提高，炉料发生反应时所需要的热量也在提高，因此导致反 应不能自发进行。因此，高钛铁生产时必须提高炉料的单位反应热，也就是要在炉料中加 入更多的发热剂氯酸钾。 表1 1 化学反应热效应 可以 t i 0 2 + 4 3 a l - 1 i 蝴a 1 2 0 3 1 7 2 0 7 k j k gt i 0 2 s i t h + 4 3 a l = s i + 2 3 a 1 2 0 3 2 5 4 5 5l l k gs i 0 2 2 f e o + 4 3 a i = 2 f e + 2 3 a 1 2 0 3 3 2 0 7k j k gf e o 2 3 f e = 2 0 3 + 4 3 a i - = 4 3 f e + 2 3 a 1 2 0 3 4 0 1 5l d k gf e 2 0 3 3 m n o + 2 a i = 3 m n + a 1 2 0 3 1 9 2 1 7 k j k gm n o 3t i 0 2 + 2 a i = 3 t i o + a 1 2 0 32 1 0 5 9k j k gt i 0 2 k c l 0 3 + 2 a i = k c i + a 1 2 0 3 1 4 0 4 0 8k j k gk c l 0 3 看出，单位 热效应是铝热还原法生产的关键，在试验和生产过程中，必须通过表1 1 中每一个化学反 应进行计算【8 1 。 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 1 5 本研究工作的目的和基本技术思想 目前国际市场上供应的高钛铁主要是w ( t i ) 6 8 7 2 、w ( a 1 ) 4 o 、w ( s i ) 0 5 、w ( n ) o 4 、w ( c ) o 1 、w ( s ) o 0 1 5 、w ( p ) 0 0 2 、w ( t o ) 6 5 、w ( a i ) 4 5 、w ( s i ) o 5 、w ( 1 o ) 6 5 、w ( a 1 ) 4 o 、w ( s i ) o 5 、w ( t o ) 5 o 。 本研究工作旨在以金红石为原材料，利用炉外法( 铝热法) 生产低铝含量的高钛铁， 使钛含量达到6 5 7 5 、铝含量小于4 5 。为实现这一目标，提出了以下技术思想： 1 ) 用高品位金红石代替钛铁矿，以提高钛铁钛含量，降低高钛铁中的硅含量； 2 ) 以物理热代替部分化学热，减少铝和发热剂加热量，以降低钛铁铝含量； 3 ) 以铝镁合金代替部分金属铝，达到降低钛铁铝含量目的。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章实验准备 2 1 原料条件 实验所用的材料为：金红石、铝粉、石灰、氯酸钾和氧化铁( 轧钢皮、试剂或铁红) 。 本实验选用的金红石是澳洲金红石和海南金红石，其化学成分和粒度组成如表2 1 和 表2 2 所示。与海南金红石相比，澳洲金红石具有t i 0 2 含量高，s i 0 2 含量低的特点。 表2 1 原料成分( ) 名称 t fe e c of e 2 0 3t i o za 1 2 0 3c a om g os i o zm n ocpsi l 海南金红石 2 5 69 0 6 71 4 00 。2 40 1 52 8 2o 1 00 0 2 9o 0 0 83 0 1 2 1 1 5 澳洲金红石1 0 09 7 4 2o 3 9 o 2 0 0 0 60 3 00 0 4 0 1 0o 0 l l0 0 2 8o 2 5 轧钢皮 7 2 7 46 7 6 52 8 7 51 20 9 9 40 0 2 50 0 10 0 1 0 氧化铁试剂 6 8 40 2 79 7 4 l 铁红5 7 9 6 o 1 l 4 9 8 铝粉 t a l9 9 5 5m a l9 9 0 7s i 0 1 3 表2 2 原料颗粒分析( ) 0 0 7 4 m m0 0 7 4 - 0 1 2 5 m m0 12 5 0 2 0 m m o 2 d 5 m m卜0 5 m m 澳洲金红石 2 42 1 47 4 32 2 海南金红石 5 38 4 79 3 0 6 铝粉 3 71 4 35 3 6 2 3 8 0 5 在实验过程中，希望反应进行的彻底，要求各原料粒度要小，尤其是铝粉，尽可能增 大相互接触面积。因此，对原料的粒度大小要求十分严格，具体情况如表2 3 所示： 表2 3 原料粒度要求 金红石4 0 目 铁矿 l m m 硅铁 l m m 铝粒 - 0 1 m m 8 5 石灰( c i 8 5 ，) 氯酸钾 l m m 2 2 配料计算 2 2 1 计算条件设定 1 ) 以1 0 0 k g 金红石为单位计算，各原料的氧化物的还原率见表2 4 ： 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 表2 4 氧化物设定还原率 氧化物还原率氧化物还原率 t i 0 2 啼t i 7 7 s i 0 2 _ s i 9 0 t i 0 2 t i o 2 3 f e 2 0 3 。f e 9 9 f e o f e9 9 m n o m n 9 5 2 ) 钛铁目标成分见表2 5 ； 表2 5 目标f 订i 成分 i t is ia l l l 7 2 9 5 3 0 3 ) 铝粒配料量为理论a l 量的1 0 2 ； 4 ) 石灰配入量为实际配铝量的2 5 v 5 0 5 ) 炉料的单位热效应为2 7 0 0 2 8 5 0 k j k g 炉料 2 2 2 钛铁成分初算 在选择好所用的原材料以后，可以从理论上算出钛铁的成分，l o o k g 的澳洲金红石中 含t i 0 2 为9 7 4 2 x1 0 0 = 9 7 4 2k g ，由t i 0 2 _ t i 可计算出t i ：9 7 4 2 x 7 7 x 4 8 8 0 = 4 5k g 。 1 0 0 k g 金红石得到的钛铁质量：4 5 7 2 = 6 2 5 1k g 。 钛铁中s i 的量：6 2 5 l o 5 = 0 31 2 6k g 。 合金中的a l 量：6 2 5 l 3 = 1 8 7 5k g 。 合金中m n 及其它元素设为l ，则锰及其它元素质量为：6 2 5 1 x 1 = 0 6 2k g 。 合金中应含铁：6 2 5 1 4 5 o 3 1 3 1 8 7 5 0 6 2 = 1 4 7k g 。 由金红石进入合金中的铁：1 0 0 x 1 x 1 1 2 1 6 0 = 0 7k g 。 应加入铁矿为：( 1 4 7 o 7 ) 0 6 8 4 = 2 0 5 0 k g 表2 6 钛铁预算成分 t is ia 1f e 杂质 z 4 50 3 1 2 61 8 7 51 4 7o 6 26 2 5 7 2 0 5 3 2 3 5 2 1 1 0 0 2 2 3 铝及石灰加入量计算 在用铝热还原钛铁的实验中，作为还原剂的铝是主要反应原料，铝的加入量直接影响 着最终的钛铁质量，铝加入量少，最后得到的钛铁中的钛含量就低；铝加入量多，得到的 钛铁合金中的铝含量就会很高，所以恰当的铝对最终得到钛铁的质量有很大的影响15 1 。由 于在整个反应过程中，铝作为还原剂，会有如表2 7 的反应。 表2 7 配铝量计算 3 t i 0 2 + 4 a l = 3 t i + 2 a 1 2 0 3 4 5 ( 4 2 7 ) ( 3 4 8 ) = 3 3 7 5 k g 3 t i 0 2 + 2 a 1 = 3 t i o + a 1 2 0 3 9 7 4 2 x 2 3 x ( 2 x 2 7 ) ( 3 x 8 0 ) = 5 0 4 k g f e 2 0 3 + 2 a i = 2 f e + a 1 2 0 31 4 7 ( 2 2 7 ) ( 2 5 6 ) = 7 0 9 k g 3 s 1 0 2 + 4 a i = 3 s i + 2 a 1 2 0 3 o 31 2 6 ( 4 2 7 ) “3 2 8 ) = o 4 k g 根据表2 7 计算铝粒的加入量为：( 3 3 ，7 5 + 5 0 4 + 7 0 9 + 0 4 ) 0 9 9 x 1 0 2 = 4 7 7 k g 。 石灰的加入可以改善渣的流动性，可以增加反应的碱性气氛，减少了t i 0 2 到t i o 的 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 转变，从而有利于钛氧化物的还原 当石灰配入量为铝量的2 5 时：4 7 7 x 2 5 = 1 2 0 0 k g ； 当石灰配入量为铝量的3 0 时：4 7 7 x 3 0 = 1 4 3 1 k g ； 当石灰配入量为铝量的4 0 时：4 7 7 x 4 0 = 1 9 0 8 k g ： 当石灰配入量为铝量的5 0 时：4 7 7 x 5 0 = 2 3 8 5 k g ： 根据以上所计算得出配料比见表2 8 ： 表2 8 初步配料比( k g ) 石灰比金红石铝粒氧化铁石灰 2 5 l o o4 7 72 0 51 2 0 01 8 0 2 0 3 0 1 0 04 7 72 0 51 4 3 11 8 2 5 0 4 0 l o o4 7 72 0 51 9 0 81 8 7 2 8 5 0 l o o4 7 72 0 52 3 8 51 9 2 0 5 2 2 4 炉料发热量计算 本实验所需要的热量主要来源于炉料物理热和化学反应热。用铝热还原法来生产钛 铁，热量是一个很重要的问题。各炉料的反应热见表2 9 ： 表2 9 炉料单位反应热计算 t i ( h + 4 3 a l 司i + 2 3 a h 0 31 7 2 0 7 k j 他t i 0 2 s i 0 2 + 4 3 a i = s i + 2 3 a 1 2 0 3 2 5 4 5 5k j k gs i 0 2 2 f e o + 4 3 a i = 2 f e + 2 3 a 1 2 0 3 3 2 0 7k j k gf e o 2 3 f c 2 0 3 + 4 3 a 1 = 4 3 f e + 2 3 a 1 2 0 3 4 0 1 5l l k g 0 3 3 m n o + 2 a i = 3 m n + a 1 2 0 3 1 9 2 1 7 1 d k gm n o 3t i 0 2 + 2 a l = 3 t i o + a 1 2 0 32 1 0 5 9k j k gt i 0 2 k c l 0 3 + 2 a l = k c i + a 1 2 0 ， 1 4 0 4 0 8k j k gk c l 0 3 根据表2 9 所提供的炉料单位反应热可以进行如下计算： t i 0 2 _ 啊：( 1 0 0 x 9 7 4 2 x 7 7 + 3 3 7 5 ) 1 7 2 1 = 1 2 9 0 9 8 + 5 8 0 8 4 ：1 8 7 1 8 2 k j t i 0 2 _ t i o ：( 1 0 0 x 9 7 4 2 x 2 3 + 5 0 4 ) x 2 1 0 6 = 4 7 1 8 8 + 2 1 l l = 4 9 2 9 9 l ( j f e 2 0 3 _ f e ：( 2 0 5 x 9 7 4 1 x 9 9 + 7 0 9 ) x 4 0 1 5 = 7 9 3 7 4 + 2 8 4 6 6 = 1 0 7 8 4 0 1 0 s i 0 2 _ s i ： ( 0 3 1 2 6 x 6 0 2 8 + 0 4 ) 2 5 4 6 = 1 7 0 5 + 1 0 1 8 2 7 2 3 k j m n o _ m n ：0 6 2 x 7 1 5 5 x 1 9 2 2 = 1 5 3 8 k j 化学反应热= 1 8 7 1 8 2 + 4 9 2 9 9 + 1 0 7 8 4 0 + 2 7 2 3 + 1 5 3 8 = 3 4 8 5 8 2k j 2 2 5 配加发热剂( k c | 0 3 ) 量( xk g ) 计算 炉料的单位热效应取决于炉料的化学反应热和炉料带入的物理热。反应时金红石本身 化学反应热不足，需要添加一定量的发热剂来补充热量。当添加的发热剂不足时，热量不 足，炉渣的流动性变差，不足以使渣铁充分分离，t i 回收率低。另外一方面，当发热剂添 加量过多时，热量太足，反应激烈，过程喷溅明显，影响了最后钛铁质量，并且增加了1 f i 0 2 向t i o 的转变趋势，使合金中含铝量增加，影响钛的回收率。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 反应的顺利进行仅靠炉料的发热来提供是不够的，要使反应顺利进行下去，还需要配 加发热剂来补充热量，通常情况选用的是k c l 0 3 。根据反应k c l 0 3 + 2 a l = k c i + a 1 2 0 3 可 知，还原l k gk c l 0 3 需铝：0 4 4 1 k g 。 本实验受温度的影响非常大，不同的温度环境，会得到不同的结果。 石灰中的c a o 和a 1 2 0 3 反应过程中结合生成铝酸钙，从而降低炉渣的熔点，降低炉渣 的粘度，增加炉渣的反应能力，制造一个碱性环境，此外，由于c a o 的碱性较t i o 更强， 可以阻止t i o 与a 1 2 0 3 结合，减少生成铝酸钛的可能性，减少t i 0 2 向t i o 的转变，有利于 提高钛的回收率，石灰还用作冶炼终了的“保温灰”。如果配入过多的石灰，那么在还原反 应过程中，使得相当部分的热量消耗在熔化和提高石灰的温度上，这样就使反应温度和炉 料热量降的太低，从而影响钛的回收率。如果石灰过少，炉渣的熔点和粘度高，不利于渣 铁分离，也会使钛的回收率降低【1 8 ，1 9 1 。 石灰含有效c a o 要高，如果石灰未烧透和粉化严重，则反应过程中c a c 0 3 和c a ( o h ) 2 分解吸热，放出的气体逸出时又要带走大量的热，同时气体的逸出也破坏了反应的正常进 行，影响了产量和质量【2 0 】。 ( 1 ) 石灰比为2 5 ，每k g 炉料发热量2 8 5 0 k j k g 当石灰的配比为用铝量的2 5 时，炉料的单位热效应为2 7 0 0 - - , 2 8 5 0 k j k g 炉料时： 化学反应热= 3 4 8 5 8 2 1 8 0 2 = 1 9 3 4 k j k g 炉料预热到1 0 0 时，增加单位热效应：1 2 6k j k g 炉料总单位热效应：1 9 3 4 + 1 2 6 = 2 0 6 0k j k g 可以计算出需要添加的k c l 0 3 量 1 ) k c l 0 3 量( x k g ) 3 4 8 5 8 2 + 1 4 0 4 1 x ：2 8 5 0 _ x ：1 6 6 k g 1 8 0 2 + 0 4 4 x + x 需配加k c l 0 31 6 6 k g ，另由k c l 0 3 + 2 a i = k c l + a 1 2 0 3 可计算出k c l 0 3 消耗掉的铝 为7 3 k g 表2 1 0 终配料比( 1 一1 ) ( k g ) 金红石铝粒氧化铁石灰k c l 0 3 l o o5 52 0 5 1 21 6 62 0 4 1 4 9 2 6 9 5 1 0 0 4 5 8 8 8 1 3 1 0 0 2 ) 钛铁成分校核 t i ：由前可知其含量为4 5 k g s i ：其主要来源于铝粉中，所以可计算出含量为5 5 x 0 1 3 + l o o x o 3 x 2 8 6 0 = 0 2 1 2 k g f e ：根据表1 1 可得其含量为( 2 0 5 x 6 8 4 + 1 0 0 x 1 x 1 1 2 1 6 0 ) x 0 9 9 = 1 4 5 7 k g 武汉科技大学硕士学位论文第l l 页 表2 1 l 钛铁成分核算( 1 1 ) t is ia if e 杂质 4 50 2 1 21 8 7 51 4 5 7o 6 26 2 2 8 7 2 2 5 0 3 4 3 2 3 4 l 1 0 0 3 ) 生产1 吨7 0 # 钛铁的炉料单耗 表2 1 2 炉料单耗( 1 1 ) 金红石铝粒氧化铁石灰k c l 0 3 15 9 9 7 4k g t8 7 9 8 6k g t3 2 7 9 5k g t1 9 1 9 7k g t2 6 5 5 6k g t3 2 6 5 0 8k g t 4 9 2 6 9 5 1 0 0 4 5 8 8 8 1 3 1 0 0 ( 2 5 + 2 8 5 0 k j k g ) 核算石灰配加量为铝的2 1 8 2 4 ) 炉渣成分核算 对反应过后的炉渣进行化学分析可知，剩余成分为t i o ，a 2 0 3 ，c a o ，k c i 等。其 含量分别为： t i o = 15 9 9 7 4 x 9 7 4 2 2 3 = 3 5 8 4k g a 2 0 3 = ( 8 7 9 8 6 - 3 0 ) 1 0 2 5 4 = 1 6 0 5 3k g c a o = 1 9 1 9 7 x 9 8 = 1 8 8 1k g k c l = 2 6 5 5 6 x 7 4 5 1 2 2 5 = 1 6 1 5k g， 表2 1 3 炉渣成分核算( 1 1 ) t i 0 2a 2 0 3 c a ok c l 3 5 8 4 k g 1 6 0 5 3k g1 8 8 1k g 1 6 1 5 k g 2 31 3 3 k g 1 5 4 9 6 9 3 9 8 1 3 6 9 8 1 0 0 ( 2 ) 石灰比2 5 ，每k g 炉料发热量3 0 5 0 k j k g 当石灰为铝粉的2 5 ，炉料的发热量为3 0 5 0k j k g 计算时，则有： 1 ) k c l o a 量( xk g ) 3 4 8 5 8 2 + 1 4 0 4 1 x = 3 0 5 0 + x ：2 0 8 3 k g 1 8 0 2 + 0 4 4 x + 工 需配加k c l 0 32 0 8 3 k g ，铝9 1 9 k g 由表2 8 可知此时的石灰为1 2k g ，铝为4 7 7 + 9 1 9 = - 5 6 8 9k g ，氧化铁为2 0 5 ，因此配