含钛炉渣碳氮化试验研究

14 2009年第 32卷第 1期 含钛炉渣碳氮化试验研究 周玉昌 （攀 钢 钢铁研究院） 摘 要： 在热力学分析基础上， 在实验室对 含钛炉渣进行 了 高温碳氮化试验研究，考察了配碳量、还原温度和保温时间对该原料中钛的碳氮化率及钛转化率的影响。结果表明：反应温度是影响碳氮化率 和钛转化率 的主要因素，其次是保温时间和配碳量 ； 碳氮化优化工艺条件为配碳量 25%，还原温度 1 350 ，保温时间 4 h；该 条件下钛的碳氮化率可达 钛的转化率可达 关键词： 碳氮化钛；含钛炉渣；碳氮化率 ；转化率 0 引言 钒钛磁铁矿资源开发利用主要存在高炉和 非高炉两大流程，铁精矿中的钛主要以氧化物形 式 进入渣相。通常高炉流程形成的含钛炉渣富含 约 24%的 高炉流程形成的含钛炉渣富含 35% 48%的 含钛炉渣中的钛分布极为分散，含钛矿物相主要有钙钛矿、黑钛石、钛辉石和氧化钛等。含钛炉渣提钛技术，国内外开展了系列研究。 陈启福 1等研究了含钛炉渣硫酸浸出法提取富钛料和钛白，但产品质量不佳，环保问题突出；东北大学 2开发了含钛炉渣选择性分离钙钛矿提取工艺，但钙钛矿富集分选效果差。含钛原料沸腾氯化生产 践表明，以 ,N)形式存在的含钛 原料，可以在400 600 条件下实现选择性氯化。因此含钛炉渣高温选择性碳氮化还原、低温选择性氯化，将赋存分散的含钛矿物转化为钛产业重要的中间原料有良好的产业化应用前景。 笔者 利用某厂的含钛炉渣 进行了 高温碳氮化试验，研究了碳氮化渣含钛物相赋存形态， 并探讨了该含钛炉渣高温碳氮化的优化工艺参数。 1 试验原理 过 函数法 3计算可得该反应体系的 表 1。从表 1可以看出，反应温度 1 350 1 650 K 范围内， 终还原产物为 在 1 350 1 650 量 2前提下，反应产物以固溶体 10 x1) 形式存在于渣相中，随氮分压和温度的不同， 4,5。该过程总反应式如下： (3 +x/2 1+ 2 (1) x=0， 3C 2 (2) 1 000 2 000 K) (J 1 557 0 x=1， 2C + 1/2 2 (3) (1 000 2 000 K) (J 1 455 K 时， 0 2反应： 1/2 C (4) 000 2000 K) (1 889 0 标准状态下，温度大于 1 455 K， 度在 1 455 1 557 应产物为 度在 1 557 1 889 先生成 后 因此 i(C， N， O)固溶体 6,7，主要以 2 试验条件及方法 验原料 试验 原料为 含钛炉渣，其 主要 化学成分见表 2，炉渣粒度均破碎至 200目以下。 试验用还原剂选 用无烟煤，其化学成分见表 3，无烟煤均破碎至 200目以下。 攀 钢 技 术 15 表 1 T 的关系 化学反应式 T 关系式 （ J 起始温度 /K 3O 382 23O 637 2O 833 O 504 1/53/5O 613 1/32/3O 610 表 2 含钛炉渣 主要 化学 成分 % 2 3 无烟煤 化学 成分 % C 固 d S 验设备 试验用主要设备见表 4。 表 4 试验用主要设备 名称 型号 生产厂家 可控硅温度控制器 国上海实验电炉厂 箱式电阻炉 国上海实验电炉厂 验方法 称取 200 配碳量加入相应的无烟煤，将二者混匀后造球，小球干燥后装入刚玉坩埚中。把刚玉坩埚置于硅钼棒的电阻炉中，送电升温 ，通入流量为 2 L/ 温至反应温度，保温适当时间，停止送电，样品随炉冷却至室温。 在碳 氮 化反应过程中，按 含钛炉 渣中 e 计算，用纯碳的理论配碳量为 18%，转化为无烟煤的理论配加量为23%；若按 含钛炉 渣中 而直接转化为 纯碳的理论配碳量为 13%，转化为无烟煤的理论配加量为 17%，考虑到反应中的各种损失，实际需要的配碳量应比理论配碳量要高， 所以本次试验无烟煤配加量考察20%、 25%、 30%三个水平 。 箱式电阻炉的上限使用温度为 1 350 ，结合工艺要求和安全使用性能， 对 反应 温度分别考察 1 250 、 1 300 、 1 350 三个水平 。 对保温时间考察 2 、 3 、 4 根据所选定的因素和水平，选用正交表 4)进行正交试验。 碳氮化率 和 钛转化率 计算式为： %10062486048 %100644862486048 i i i C 其中 3 试验结果及分析 相分析 图 1是试验所得产物的 谱，由图 1分析可看出，含钛炉渣高温碳氮化 后， 还原产物 中 钛的主要赋存物相是 要赋存物相为辉 石固溶体、 图 1 样品的 X 射线衍射谱线 交试验结果 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 /( ) 1 16 2009年第 32卷第 1期 正交试验结果见表 5。 对正交试验结果进行的极差分析见表 6。 对考察指标来说，碳氮化率越高越好，所以平均碳氮化率越高的水平越好。极差越大，说明该因素对结果影响越大。 表 5 正交试验结果 配碳 量 /% 反应温度 / 保温时间 /h /% /% 20 1 300 2 0 1 250 4 0 1 350 3 5 1 300 4 5 1 250 3 5 1 350 2 0 1 300 3 0 1 250 2 0 1 350 4 6 正交试验极差分析结果 配碳 量 /% 反应温 度 / 保温时 间 /h /3 /3 ，反应温度是影响碳氮化率和钛转化率 的主要因素，其次是保温时间和配碳量 。从极差分析可看出，配碳量为 25%时，碳氮化率最好，说明含钛炉渣在碳氮化过程中， 化为 表 5和表 6综合分析可以看出，试验用含钛炉渣高温碳氮化还原的优化工艺参数为：配碳量 25%，反应温度 1 350 ，保温时间 4 h。 定试验结果 根据正交试验所得优化工艺条件，进行了稳定试验，稳定试验样品 化学组成 见表 7。 表 7 碳氮化 样品化学组成 % 表 7可以看出，稳定试验条件下样品的碳氮化率和钛转化率分别达到 结合物相分析结果可以判断该种样品可直接作为低温氯化法生产 4 结论 (1) 含钛炉渣中的钛可通过高温碳氮化反应选择性富集于碳氮化钛 固溶物中 ，碳氮化转化的最佳工艺条件为 配碳量 25%、 反应温度 1 350 、 保温时间 4 h，该条件下 碳氮化率和钛转化率分别达到 (2) 影响含钛炉渣高温碳氮化率主要因素 为温度，次要因素为配碳量和保温时间。 致谢 试验过程中得到了项目组成员张继东和赵青娥的大力支持，在此表示谢意。参考文献 1 陈启福攀钢高炉渣提取 铁钒钛， 1995， 16（ 3） ： 642 隋智通 ， 付念新 基于 “ 选择性析出 ” 的冶金废渣增值新技术 中国稀土学报 ， 1998， 16（ S） ： 626 3 叶大伦 ， 胡建华 实用无机物热力学数据手册 北京： 冶金工业出版社 ， 2002 4 李慈颖 ， 李亚伟 ， 李远兵 ， 等 碳热还原氮化攀钢高钛高炉渣制取 ,N)的研究 耐火材料 ， 2007， 41(2) ： 113 5 李慈颖 ， 李亚伟 ， 李远兵 ， 等 高钛渣提取碳氮化钛的研究 钢铁钒