專利名稱：一種分離鐵和鈦制備高鈦渣的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為固態(tài)還原分離鐵和鈦，生產(chǎn)高鈦渣和鐵的方法。具體涉及到含鈦礦物(鈦精礦或鈦鐵礦)制備高鈦渣和鐵，按此工藝可以大幅度提高產(chǎn)能，降低高鈦渣的生產(chǎn)成本。
背景技術：
高鈦渣是硫酸法和氯化法生產(chǎn)鈦白的原料，也是生產(chǎn)四氯化鈦和海綿鈦等鈦系制品的原料。雖然鈦精礦可以直接用于硫酸法制取鈦白，但生成硫酸亞鐵尚不能利用。
采用硫酸法生產(chǎn)鈦白，存在工藝流程冗長，為了解決我國硫酸法鈦白生產(chǎn)過程中的“三廢”等問題，首先，要加快酸溶性鈦渣及高鈦渣的發(fā)展進程，生產(chǎn)高品位的酸溶鈦渣(TiO275～80％)和的高鈦渣(TiO2＞85％)，實現(xiàn)″以渣代礦″的精料方針。目前，發(fā)達國家的硫酸法幾乎多以富鈦料(TiO2＞80％)為原料生產(chǎn)鈦白，而國內(nèi)還沒有一家硫酸法鈦白粉廠未使用富鈦料(高鈦渣或人造金紅石)作為原料，低品位的鈦鐵礦成為主要的原料，導致國內(nèi)鈦礦工業(yè)發(fā)展處于較低水平。隨著環(huán)保壓力及綜合經(jīng)濟效益的改善，國內(nèi)硫酸法采用高鈦渣將會而出現(xiàn)較快的增長。同時，由于氯化法鈦白粉工藝必須使用天然金紅石、人造金紅石或高品位的高鈦渣(TiO2＞90％、CaO+MgO＜1％)，而天然金紅石已接近枯竭，因此，今后必須以高鈦渣為原料。
目前，國內(nèi)外生產(chǎn)高鈦渣的主要方法是還原熔煉法。
還原熔煉法生產(chǎn)高鈦渣是在礦熱式電弧爐內(nèi)，1600～1800℃高溫下還原熔煉鈦鐵礦。它以無煙煤或石油焦為還原劑，所得凝聚態(tài)產(chǎn)物為生鐵和高鈦渣。其實質(zhì)是鈦鐵礦與固體還原劑等混合加入電弧爐中進行還原熔煉，礦中鐵的氧化物被選擇性還原為金屬鐵，而鈦的氧化物被富集在爐渣中，經(jīng)渣鐵分離獲得鈦渣和副產(chǎn)品金屬鐵。由于鈦鐵礦的熔化溫度約為1470℃，所以還原過程大部分時間是在熔融狀態(tài)下進行的，使密度小的鈦渣浮在上方，熔融鐵水位于下方。還原熔煉法是一種比較成熟的工藝，但是，不足之處是能耗高，每生產(chǎn)1噸鈦渣大約需要耗電2000～3500 kw·h。同時，在高溫熔融狀態(tài)下，會導致生成更多鈦的低價氧化物甚至生成TiC等高熔點物質(zhì)，當原料鈦鐵礦中含有較高含量的氧化鈣和氧化鎂雜質(zhì)，易和鈦的氧化物形成難溶固溶體物質(zhì)，使體系的熔化溫度、粘度、表面張力等物化性質(zhì)逐漸惡化，致使還原反應難于進行。另外，由于電爐熔分過程改變了高鈦渣的結(jié)構(gòu)和酸溶性，對硫酸法鈦白生產(chǎn)或鹽酸法取鈣、鎂帶來了不良的影響。在國內(nèi)，還采用工藝和設備落后的小功率敞口電爐法，制造高品位鈦渣(TiO292～94％)作為氯化制造TiCl4的原料。這種工藝只適合于小規(guī)模生產(chǎn)使用，很難將這種工藝放大到大型化規(guī)模。用這種方法制造含(CaO+MgO)＜1％的高品位鈦渣，只能以兩廣和海南砂狀鈦鐵礦為原料。以云南礦為原料制造的高鈦渣中的(CaO+MgO)含量在2～4％之間，可以作為熔鹽氯化爐或無篩板氯化爐的原料。以我國藏量最豐富的攀枝花礦為原料制造的高鈦渣，其中的(CaO+MgO)含量在6～10％之間，目前，還沒有規(guī)模生產(chǎn)，處于工業(yè)試驗階段。由于經(jīng)過電爐熔分后，改變了高鈦渣結(jié)構(gòu)和破壞了酸溶性，給硫酸法鈦白粉生產(chǎn)工藝帶來了不良影響。國內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)高鈦渣或?qū)⒏哜佋簾扇嗽旖鸺t石的工廠十幾家，但是總計產(chǎn)能只約4萬噸/年。而且，目前我國熔煉鈦渣的電爐最大容量為6300kVA，仍是50年代水平的敞開式電爐，熱損耗大、電耗高。
轉(zhuǎn)底爐具有原料靈活、還原快速、設備簡單、性能穩(wěn)定等特點，使得轉(zhuǎn)底爐在新工藝開發(fā)上具有了可靠的保證。從理論上講，轉(zhuǎn)底爐工藝可用于處理多種鐵礦石和含鐵廢料，其生產(chǎn)、試驗設備的選擇也可根據(jù)原理和方案的不同而進行單獨的設計。利用轉(zhuǎn)底爐進行直接還原生產(chǎn)鐵是一項新工藝，它是通過在環(huán)形轉(zhuǎn)底爐中，敞焰加熱含碳球團生產(chǎn)海綿鐵的直接還原方法，近三十多年來發(fā)展很快。據(jù)報道美國Midrex公司的前身Ross公司在1950年左右就發(fā)明了含碳球團的直接還原法，在1965～1966年在明尼蘇達州的Cooley就進行了小規(guī)模試驗，稱之為FASTMET直接還原工藝，中間停頓了一段時間，進入90年代才開始工業(yè)性試驗，并在日本建成示范工程，計劃在美國興建一個大型的生產(chǎn)廠。1974年，加拿大Inmetco公司開始研究含碳球團的直接還原，并命名為Inmetco工藝，首座Inmetco工廠于1978年在美國的Ellwood市建成并投產(chǎn)，它以鐵精礦粉和工業(yè)廢料為原料，年產(chǎn)7萬噸金屬化球團，至今仍在生產(chǎn)。1983年，德國Mannensman Demag公司取得許可證，稱之為轉(zhuǎn)底爐(RHF)，并進行更大規(guī)模的工業(yè)試驗。一座年處理33萬噸工業(yè)廢料的轉(zhuǎn)底爐工廠的設計于1986年完成。1996年，德國和泰國合作用此工藝建設一座年生產(chǎn)海綿鐵50萬噸的轉(zhuǎn)底爐。國內(nèi)先后在河南舞陽、四川阿壩、遼寧鞍山和山西翼城(年產(chǎn)10萬噸級)等地建成了幾座轉(zhuǎn)底爐直接還原生產(chǎn)海綿鐵。
我國是鈦資源大國，約占世界儲量的45％，其中90.5％以上集中在攀枝花。但是，攀枝花鈦資源的缺點是鈣、鎂含量太高。如果采用本發(fā)明的方法和裝置，直接還原攀枝花鈦精礦或鈦鐵礦制備的高鈦渣，可以直接用于硫酸法生產(chǎn)鈦白粉。如果采用兩廣或海南的鈦精礦或鈦鐵礦，由于原料鈣、鎂含量低，所得的高鈦渣既可用于硫酸法生產(chǎn)鈦白粉，也可用于氯化法生產(chǎn)鈦白粉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的裝置是一種環(huán)形轉(zhuǎn)底爐的結(jié)構(gòu)，稱為鈦鐵分離轉(zhuǎn)底爐(TiO2and FeSeparation Furnace，簡稱TFSF)。本發(fā)明的特點是可以在較低的還原溫度條件下(鈦精礦或鈦鐵礦的熔點以下)，直接還原礦中的氧化鐵，而不與或僅僅與少量的鈦氧化物發(fā)生反應，并可大規(guī)模的生產(chǎn)，而且生產(chǎn)成本低。TFSF法的原料為含碳球團，燃料為天然氣、煤或燃油，其設備為環(huán)形結(jié)構(gòu)，環(huán)形爐壁包括內(nèi)墻和外墻，環(huán)形爐蓋，TFSF環(huán)形爐底以一定速度轉(zhuǎn)動，并且附設燃料裝置。轉(zhuǎn)底爐采用直接連續(xù)加料和連續(xù)放出直接還原的鐵和高鈦渣。含碳球團從TFSF轉(zhuǎn)底爐入料口裝入爐內(nèi)的環(huán)形空間的底部，利用燃燒裝置燃燒燃料，加熱TFSF轉(zhuǎn)底爐的環(huán)形空間，入爐的含碳球團經(jīng)過TFSF轉(zhuǎn)底爐回轉(zhuǎn)，被預熱，加熱和還原，回轉(zhuǎn)一周逐漸完成還原過程。
首先是原料的準備，即將鈦精礦或鈦鐵礦(含鈦礦物)粉碎成粉末，再將礦粉、還原劑和粘結(jié)劑按一定比例混勻，通過園盤造球機制備成10～25mm的生球。生球所需強度僅為滿足儲存和輸送到TFSF轉(zhuǎn)底爐所需的強度。生球經(jīng)100～200℃干燥后送至TFSF轉(zhuǎn)底爐。然后在爐內(nèi)還原，即生球通過爐頂?shù)慕o料槽送到TFSF爐床底上，球團均勻分布在一個旋轉(zhuǎn)的爐床上，布料厚度為20～50mm，即兩至三個球團。球團在爐內(nèi)回轉(zhuǎn)一圈后，成為還原后的成品，從爐中送出。爐子的裝料段和卸料段是通過兩塊徑向擋板與反應段隔開。爐底和球團旋轉(zhuǎn)方向與燃燒和反應生成的氣流相反，爐子溫度是借助內(nèi)外墻的燃料燒嘴來進行控制的。隨著TFSF爐床的轉(zhuǎn)動，爐床上部的燒嘴把球團加熱到1523～1573K，并將氧化鐵還原成金屬鐵。因為在含碳球團中，金屬氧化物和固體碳處于密切接觸，在一定的溫度條件下，還原反應進行的很快。因此，重要的是含碳球團的球團層溫度應盡可能地提高到反應所需的水平。含碳球團在爐床上的停留時間一般為20min左右。爐料的停留時間取決于鐵氧化物和還原劑達到反應溫度和預定達到的金屬化率所需時間。其它的直接還原工藝一般要求物料在爐內(nèi)停留4～8h。直接還原產(chǎn)品中碳的含量可以控制在0.5～5％的水平，通過氣氛調(diào)節(jié)和配碳量使二次氧化降到最低水平。接著是冶煉/熔化，還原后成品球團的溫度約為900～1000℃，可以直接卸入儲料罐中，另外也可用熱壓機壓成塊鐵。經(jīng)過TFSF轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)一圈還原后的含碳球團，鐵的金屬化率在75～95％。
本發(fā)明的生產(chǎn)工藝流程圖見

圖1。主要包括轉(zhuǎn)底爐的料倉(1)，粉碎機(2)，然后經(jīng)造球機(3)造球；含碳球團經(jīng)干燥器和預熱器(4)干燥和預熱；轉(zhuǎn)底爐(7)包括爐膛，加料口(5)，出料口(6)，逆向換熱器(8)，空氣換熱器(9)，除塵器(10)，粉碎機(11)以及磁選分離機(12)，最后分離進入鐵的倉庫(13)和高鈦渣倉庫(14)。
本發(fā)明的TFSF轉(zhuǎn)底爐俯視圖見圖2，TFSF轉(zhuǎn)底爐爐型為環(huán)形，包括環(huán)形爐的環(huán)形內(nèi)爐墻(30)和外爐墻(31)，加熱段空氣噴咀或噴口(32)，還原段空氣噴咀或噴口(33)，控制還原段噴咀或噴口(36)，出料口和卸料螺旋機(11)，刮料板(38)以及TFSF轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)品冷卻器即逆流換熱器(12)。
本發(fā)明實施方案，采用攀枝花鈦精礦(含47％TiO2、34.64％Fe、5.89％MgO、1.57％CaO以及3.53％SiO2等)，含碳球團中固定碳含量為5％～7％，粒度為15～20mm。含碳球團的預熱溫度為400～600℃。在轉(zhuǎn)底爐爐膛三個區(qū)段設置熱風噴咀或噴口，噴入不同流量的熱風，以控制三個區(qū)段的溫度和爐氣成分，加熱段溫度為1000～1200℃，還原段溫度為1200～1350℃，控制還原段溫度為1200～1400℃。還原后的含碳球團，冷卻之后破碎，經(jīng)過磁選分離后得鐵，其成分為碳＜2.5％，硫＜0.06％，金屬化率大于85％。而分離后所得的高鈦渣，其TiO2含量大于83％。
攀枝花鈦資源的儲量占世界總量的35％以上，缺點是鈣、鎂含量太高。如圖3所示，采用本發(fā)明的方法和裝置，直接還原含鈦礦物(鈦精礦或鈦鐵礦)制備的高鈦渣，可以有下面三種工藝方法1.如果采用攀枝花鈦精礦(含47％TiO2、34.64％FeO、5.89％MgO、1.57％CaO以及3.53％SiO2等)作為原料生產(chǎn)的高鈦渣(TiO280％)，含可以直接用于硫酸法生產(chǎn)鈦白粉。
2.如果采用兩廣、海南或云南的鈦精礦或鈦鐵礦，由于原料鈣、鎂含量低，所得的高鈦渣既可用于硫酸法生產(chǎn)鈦白粉，也可用于氯化法生產(chǎn)鈦白粉。
3.如果采用攀枝花鈦精礦(含47.09％TiO2、30.86％T.Fe、34.64％FeO、5.52％Fe2O3、5.89％MgO、1.57％CaO、3.53％SiO2、1.70％Al2O3等)作為原料生產(chǎn)的高鈦渣，由于所得高鈦渣中鈣、鎂含量高(CaO1.6～3％、MgO6～9％)，必須與后續(xù)的鹽酸法結(jié)合，進行高鈦渣取鈣鎂的處理，得到的富鈦料含90％的TiO2(CaO+MgO＜1.0％)，再用于快速流化床氯化制備四氯化鈦，其是氯化法生產(chǎn)鈦白和還原制備海綿鈦的唯一原料。
在第3種工藝流程中，由于TFSF裝置在較低的還原溫度條件下(鈦精礦或鈦鐵礦的熔點以下)，直接還原礦中的氧化鐵，而不與或僅僅與少量的鈦氧化物發(fā)生反應，沒有改變高鈦渣的礦相結(jié)構(gòu)和酸溶性，可以提高鹽酸法取鈣鎂的效率，大幅度降低廢鹽酸的處理量。而電爐熔煉由于是在熔點以上進行熔化還原，改變高鈦渣的礦相結(jié)構(gòu)、并破壞其酸溶性，不利于鹽酸法的取鈣鎂。
鹽酸法可以直接用鈦精礦生產(chǎn)富鈦料(TiO280～95％)，但是，每生產(chǎn)1噸富鈦料要生成約7噸的廢鹽酸，同時加壓浸出設備投資較大，生產(chǎn)成本高。而采用TFSF轉(zhuǎn)底爐后，上述第三種工藝流程可以降低成本25～50％。
權利要求
1.一種分離鐵和鈦制備高鈦渣的方法和裝置，其特征在于包括造球、TFSF轉(zhuǎn)底爐還原、破碎、磁選分離等過程。原料中的鈦鐵礦或鈦精礦含TiO240～60％，含全鐵25～50％，含碳球團中的組成為鈦鐵礦或鈦精礦、煤粉或石油焦，TFSF轉(zhuǎn)底爐包括加熱段、還原段和控制還原段三個區(qū)域，燃料包括煤粉、煤氣或天然氣。在TFSF轉(zhuǎn)底爐爐膛三個區(qū)段設置熱風噴咀或噴口，噴入不同流量的熱風，以控制三個區(qū)段的溫度和爐氣成分，TFSF轉(zhuǎn)底爐爐膛溫度為1000～1400℃。TFSF轉(zhuǎn)底爐排出的煙氣經(jīng)過空氣換熱器預熱熱風達500～1200℃，供給含碳球團預熱；破碎裝置將還原后的球團破碎到2～5μm，磁選分離得鐵和高鈦渣。
2.根據(jù)權力要求1所述的一種分離鐵和鈦制備高鈦渣的方法和裝置，其特征在于含碳球團中固定碳的含量占球團總重的5～15％。
3.根據(jù)權力要求1所述的一種分離鐵和鈦制備高鈦渣的方法和裝置，其特征在于經(jīng)過TFSF轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)一圈還原后的含碳球團，其總鐵的金屬化率在75～95％。
4.根據(jù)權力要求1所述的一種分離鐵和鈦制備高鈦渣的方法和裝置，其特征在于經(jīng)過TFSF轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)一圈還原后的含碳球團，其碳與TiO2僅僅少量發(fā)生反應，生成少量低價的鈦的氧化物或不發(fā)生反應。
5.根據(jù)權力要求1所述的一種分離鐵和鈦制備高鈦渣的方法和裝置，其特征在于經(jīng)過TFSF轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)一圈還原后的含碳球團，經(jīng)過破碎、磁選分離后，所得鈦渣的TiO2含量大于83％。
6.根據(jù)權力要求1所述的一種分離鐵和鈦制備高鈦渣的方法和裝置，其特征在于經(jīng)過TFSF轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)一圈還原后的含碳球團，經(jīng)過破碎、磁選分離后，所得鈦渣可直接用于硫酸法生產(chǎn)鈦白或氯化法生產(chǎn)鈦白。
7.根據(jù)權力要求1所述的一種分離鐵和鈦制備高鈦渣的方法和裝置，其特征在于經(jīng)過TFSF轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)一圈還原后的含碳球團，經(jīng)過破碎、磁選分離后，所得鐵可直接用于煉鋼。
全文摘要
本發(fā)明涉及到含鈦礦物(鈦精礦或鈦鐵礦)在一種TFSF轉(zhuǎn)底爐內(nèi)分離鐵和鈦，制備高鈦渣和金屬鐵的新工藝和新裝置。其中的高鈦渣可以應用于硫酸法或氯化法鈦白粉生產(chǎn)工藝，而金屬鐵可以作為煉鋼原料。本發(fā)明采用一種TFSF轉(zhuǎn)底爐直接還原，以煤、焦炭或木炭為還原劑，以天然氣、丙烷、燃油和煤粉等作供熱燃料，在低于原料熔點，固相還原含碳球團中的氧化鐵，分離含鈦礦物中的鐵和鈦，同時生產(chǎn)高鈦渣和鐵，提高原料的綜合利用率，降低生產(chǎn)成本，并可大規(guī)模生產(chǎn)，為鈦資源綜合利用提供了一個可行的途徑。
文檔編號C22B34/00GK1478908SQ0212951
公開日2004年3月3日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權日2002年8月29日
發(fā)明者袁章福, 李文兵, 寥榮華, 胡鴻飛, 楊成硯, 王中禮, 孔令壇, 萬天驥 申請人:中國科學院過程工程研究所, 攀枝花鋼鐵(集團)公司