本發(fā)明涉及冶金化工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法。

背景技術(shù)：

鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。過去的幾十年，世界各國致力于開發(fā)新的低成本鈦冶煉工藝。儲量豐富的鈦鐵礦是金屬鈦或鈦白粉生產(chǎn)的主要原料，但其品位低，必須先經(jīng)過富集處理為品位較高的富鈦料?？梢姡烩伭系闹苽湟殉蔀殁伖I(yè)生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)。

目前在工業(yè)生產(chǎn)中，對鈦鐵礦的利用主要是采用電爐熔煉法，該方法首先將鈦鐵礦與煤或焦炭在電爐中熔煉，電爐加熱至1700℃以上，冶煉8個小時左右使鈦鐵礦中的鐵氧化物還原為金屬鐵，在爐中實現(xiàn)渣鐵分離，從而獲得生鐵和高鈦渣，由于還原溫度高、時間長，因此綜合能耗較高。并且，由于在爐中實現(xiàn)渣鐵分離，為了保證所得渣料的流動性，必須保持渣中含有持8~12%的FeO，一方面使得所得高爐渣的品位偏低，另一方面也導(dǎo)致了鐵元素的金屬化率不足，影響了對鐵元素的回收率。可見，傳統(tǒng)的電爐冶煉工藝制備高鈦渣的方法存在著工藝復(fù)雜、成本高、能耗大等諸多問題，因此亟需一種新的低成本、低能耗、高效率的高鈦渣制備工藝。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種低能耗、高效率的低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法，以解決現(xiàn)有電爐冶煉工藝制備高鈦渣存在的工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、成本高昂、能耗大等問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法，包括如下步驟：

1）將含鈦鐵礦物原料進行破碎處理，得到含鈦鐵礦物粉末備用；

2）對含鈦鐵礦物粉末進行氧化處理，得到含鈦鐵礦物粉末氧化物；

3）在含鈦鐵礦物粉末氧化物中添加碳質(zhì)還原劑和熔融還原催化劑，并混合均勻后造球，得到混合料球團；

4）將混合料球團放入還原爐中，并向還原爐內(nèi)持續(xù)通入防氧化保護氣體，在1200~1500℃的溫度下進行還原，還原時間為20~40分鐘，并在還原處理過程中回收尾氣；

5）還原完成后，對還原后所得的高鈦渣粗品進行冷卻處理，使得高鈦渣粗品冷卻至室溫；

6）將冷卻后的高鈦渣粗品經(jīng)破碎后進行磁選分離，去除其中的金屬鐵，得到高鈦渣產(chǎn)品。

上述低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法中，作為優(yōu)選方案，所述含鈦鐵礦物原料為鈦精礦、鈦鐵礦、鈦鐵精礦或釩鈦磁鐵礦，且其中TiO₂的質(zhì)量百分含量大于30%。

上述低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法中，作為優(yōu)選方案，所述步驟1）中，要求破碎所得鈦鐵礦物粉末中粒度在小于100目的顆粒占總重量的80%以上。

上述低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法中，作為優(yōu)選方案，所述步驟2）中，對含鈦鐵礦物粉末在溫度為600~1100℃的氧化氣氛環(huán)境中進行氧化處理，氧化時間為20~80分鐘，且氧化氣氛環(huán)境中氧氣的體積百分含量占20%以上。

上述低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法中，作為優(yōu)選方案，所述步驟3）中所采用的碳質(zhì)還原劑為煤粉或者石墨，且所加入的碳質(zhì)還原劑中的碳的摩爾含量加與含鈦鐵礦物粉末中所含鐵氧化物中的氧的摩爾含量之比為1.1~1.3：1。

上述低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法中，作為優(yōu)選方案，所述步驟3）中所采用的熔融還原催化劑為Na₂SO₄或FeS，且熔融還原催化劑的添加量為含鈦鐵礦物粉末氧化物總質(zhì)量的2%~12%。

上述低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法中，作為優(yōu)選方案，所述步驟3）中，混合料球團的造球粒度為10~20mm。

上述低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法中，作為優(yōu)選方案，所述步驟4）中，在還原處理的過程中回收的尾氣用以進行分離處理得到一氧化碳?xì)怏w，用以作為加熱還原爐進行混合料球團還原的燃料。

上述低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法中，作為優(yōu)選方案，所述步驟5）中，對高鈦渣粗品進行冷卻處理的具體方式為，向還原爐內(nèi)持續(xù)通入室溫的防氧化保護氣體，直至高鈦渣粗品冷卻至室溫。

上述低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法中，作為優(yōu)選方案，所述步驟5）中，對高鈦渣粗品進行冷卻處理的具體方式為，對還原所得的高鈦渣粗品水淬冷卻后進行干燥處理，得到冷卻至室溫的高鈦渣粗品。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法，利用預(yù)氧化含鈦鐵礦物原料并添加碳質(zhì)還原劑以及Na₂SO₄、FeS等熔融還原催化劑還原生產(chǎn)生鐵和高鈦渣產(chǎn)品，與傳統(tǒng)電爐冶煉鈦渣工藝相比，能夠在較低的1200~1500℃的溫度環(huán)境下還原20~40分鐘得到產(chǎn)物，還原速度更快，能耗更低，降低了成本，達到了高效低耗低成本分離生鐵和鈦渣的目的。

2、本發(fā)明低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法中，由于Na₂SO₄、FeS等熔融還原催化劑的作用實現(xiàn)了1200~1500℃的低溫下半熔融還原的效果，同時還避免了傳統(tǒng)電爐冶煉工藝為了保證渣的流動性而必須在渣中保持8%~12%的FeO的方式，因此對鐵元素的金屬化率更高，鐵元素回收率更高的同時也使得得到的高鈦渣的品位更高。

3、本發(fā)明低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法中，能夠?qū)€原冶煉過程中產(chǎn)生的大量CO尾氣加以回收再利用，進一步的節(jié)省還原加熱能耗。

4、本發(fā)明低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法，為生產(chǎn)高鈦渣提供了一種新工藝，解決了現(xiàn)有技術(shù)中制備高鈦渣工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、成本高昂、能耗大等問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法的流程框圖。

圖2是本發(fā)明方法還原過程中回收的尾氣成分分析圖。

圖3是本發(fā)明實施例一中制備所得高鈦渣粗品的XRD物相圖。

圖4是本發(fā)明實施例一中制備所得高鈦渣粗品的SEM掃描圖。

圖5是本發(fā)明實施例二中制備所得高鈦渣粗品的XRD物相圖。

具體實施方式

針對于現(xiàn)有工藝中采用電爐熔融冶煉制備高鈦渣，采用8~12%的FeO保持渣的流動性生產(chǎn)鈦渣效率低、能耗高、成本大、工藝復(fù)雜的問題，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)高鈦渣的新工藝，即低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法。

本發(fā)明低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法流程如圖1所示，具體包括如下步驟：

1）將含鈦鐵礦物原料進行破碎處理，得到含鈦鐵礦物粉末備用。

該步驟中采用的含鈦鐵礦物原料可以是鈦精礦、鈦鐵礦、鈦鐵精礦或釩鈦磁鐵礦，且其中TiO₂含量最好能夠大于30%，這樣更有利于使得所得高鈦渣產(chǎn)品的品位得到保證。而另一方面，通過破碎處理所得的鈦鐵礦物粉末中粒度在小于100目的顆粒最好能夠占總重量的80%以上，這樣是為了有利于后續(xù)步驟中含鈦鐵礦物原料中的TiO₂以及FeO能夠較為充分地被接觸還原。

2）對含鈦鐵礦物粉末進行氧化處理，得到含鈦鐵礦物粉末氧化物。

含鈦鐵礦物中脈石含量多，結(jié)構(gòu)致密，且多是共生礦，礦石選礦分離非常困難，造成了現(xiàn)有的含鈦鐵礦物冶煉工藝需要依靠1700℃以上的高溫在電爐中還原熔分8小時后得到高鈦渣產(chǎn)品和生鐵，造成能耗較高。針對于這一問題，本發(fā)明在進行還原前，先對含鈦鐵礦物粉末進行氧化處理，其作用是使得含鈦鐵礦物粉末中的晶體結(jié)構(gòu)和物相發(fā)生改變，致使礦物還原變得容易，使其反應(yīng)活化能降低25%以上，從而使得后期對其還原處理的溫度得到降低、時間得以縮短，提升還原反應(yīng)效率。具體操作時，作為優(yōu)選方案，最好對含鈦鐵礦物粉末在溫度為600~1100℃的氧化氣氛環(huán)境中進行氧化處理，氧化時間為20~80分鐘，且氧化氣氛環(huán)境中氧氣含量占20%以上，以確保氧化充分。

3）在含鈦鐵礦物粉末氧化物中添加碳質(zhì)還原劑和熔融還原催化劑，并混合均勻后造球，得到混合料球團。

該步驟中添加的碳質(zhì)還原劑可以采用煤粉或者石墨，且所加入的碳質(zhì)還原劑中的碳的摩爾含量加與含鈦鐵礦物粉末中所含鐵氧化物中的氧的摩爾含量之比最好為1.1~1.3：1，以確保能夠為含鈦鐵礦物粉末氧化物中的含鐵氧化成分提供足量的還原劑。而熔融還原催化劑可以采用Na₂SO₄或FeS，且熔融還原催化劑的添加量為含鈦鐵礦物粉末氧化物總質(zhì)量的2%~12%。熔融還原催化劑的作用是代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中的FeO，使得最終所得渣料具備較好的流動性，便于雜質(zhì)的分離；同時熔融還原催化劑還能夠在還原過程中促進金屬鐵顆粒的長大，有利于后續(xù)磁選，并且從熱力學(xué)角度來看，S元素的加入以及Na⁺離子的加入能夠降低鐵的熔點，使得渣鐵分離溫度變低，流動性變好。而對含鈦鐵礦物粉末氧化物、碳質(zhì)還原劑和熔融還原催化劑混合后造球，得到得混合球團料，目的是為了保證物料入爐還原能夠具備較好的透氣性，提升還原效率，為此，造球所得混合球團料的粒度最好控制在10~20mm。

4）將混合料球團放入還原爐中，在1200~1500℃的溫度下進行還原，還原時間為20~40分鐘，并在還原處理過程中回收尾氣。

該步驟中使用的還原爐可以采用回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐、流化床或豎爐，還原過程中向還原爐內(nèi)持續(xù)通入防氧化保護氣體，例如氬氣、氮氣等，目的是排出爐內(nèi)空氣并防止混合料球團在還原過程中被空氣氧化，控制還原爐內(nèi)溫度在1200~1500℃的溫度環(huán)境下，使得含鈦鐵礦物粉末中的TiO₂、FeO等氧化物與碳質(zhì)還原劑中的單質(zhì)碳發(fā)生還原反應(yīng)，并且由于此前的預(yù)氧化處理步驟使得含鈦鐵礦物粉末中的晶型和物相發(fā)生了改變，所得到的含鈦鐵礦物粉末氧化物的還原非常容易進行，并且在熔融還原催化劑的催化作用下，在較低的1200~1500℃溫度環(huán)境還原20~40分鐘即可，還原溫度低、時間短，相比于傳統(tǒng)的電爐冶煉含鈦鐵原料生產(chǎn)高鈦渣而言，大幅節(jié)省了能耗。不僅如此，該步驟中還原處理得到的尾氣產(chǎn)物中，除了通入的防氧化保護氣體之外，尾氣中的成分分析圖如圖2所示，其主要成分為CO，夾雜有少量的CO₂氣體，是高附加值產(chǎn)品，因此可以對尾氣加以回收利用，且作為一種優(yōu)選的回收利用方式，可以將回收的尾氣進行分離處理得到一氧化碳?xì)怏w，用以作為加熱還原爐進行混合料球團還原的燃料，進一步的幫助降低生產(chǎn)能耗和成本。

5）還原完成后，對還原后所得的高鈦渣粗品進行冷卻處理，使得高鈦渣粗品冷卻至室溫。

該步驟中，對高鈦渣粗品進行冷卻處理的方式可以為多種形式的。例如，可以對還原所得的高鈦渣粗品從爐內(nèi)取出，水淬冷卻后進行干燥處理，得到冷卻至室溫的高鈦渣粗品，這樣處理的好處是處理簡單且成本低，但高溫的高鈦渣粗品從爐內(nèi)取出時具有再度被氧化的風(fēng)險。又例如，可以向還原爐內(nèi)持續(xù)通入室溫的防氧化保護氣體，例如氬氣、氮氣等，直至高鈦渣粗品冷卻至室溫，其好處是可以使得高鈦渣粗品隨爐冷卻，高鈦渣粗品不易再度被氧化，但成本相對較高一些。

6）將冷卻后的高鈦渣粗品經(jīng)破碎后進行磁選分離，去除其中的金屬鐵，得到高鈦渣產(chǎn)品。

所得到的高鈦渣粗品中含有被還原金屬化的鐵元素，可以通過磁選分離對金屬鐵進行回收利用，磁選余料則為高鈦渣產(chǎn)品；并且，由于本發(fā)明方法避免了傳統(tǒng)電爐冶煉工藝為了保證渣的流動性而必須在渣中保持8%~12%的FeO的方式，因此對鐵元素的金屬化率更高，鐵元素回收率更高的同時也使得得到的高鈦渣的品位更高。

總體而言，本發(fā)明的低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法，通過先對含鈦鐵礦物進行氧化預(yù)處理，使得含鈦鐵礦物粉末中的晶體結(jié)構(gòu)和物相發(fā)生改變，反應(yīng)活化能降低，更容易被還原，從而采用回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐、流化床、豎爐等作為還原爐代替現(xiàn)有技術(shù)采用的電爐，并通過添加碳質(zhì)還原劑以及Na₂SO₄、FeS等熔融還原催化劑對含鈦鐵礦物原料（鈦精礦、鈦鐵礦、鈦鐵精礦或釩鈦磁鐵礦）在較低的1200~1500℃的溫度環(huán)境下還原20~40分鐘，再經(jīng)過磁選分離回收金屬鐵即可得到品位較高的高鈦渣產(chǎn)品，同時能夠?qū)€原冶煉過程中產(chǎn)生的大量CO尾氣加以回收再利用，實現(xiàn)了低能耗、高效率的高鈦渣制備工藝。

下面結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明。

實例一：

本實施例采用TiO₂質(zhì)量百分含量為35%的鈦精礦作為含鈦鐵礦物原料、石墨作為碳質(zhì)還原劑、Na₂SO₄作為熔融還原催化劑，按照本發(fā)明方法還原制備高鈦渣，具體步驟如下：

1）將鈦精礦進行破碎處理，得到含鈦鐵礦物粉末備用，所得鈦鐵礦物粉末中粒度在小于100目的顆粒占總重量的83%。

2）將含鈦鐵礦物粉末放入馬弗爐中在600℃溫度下氧化80分鐘，得到含鈦鐵礦物粉末氧化物。

3）在含鈦鐵礦物粉末氧化物中添加石墨和Na₂SO₄，其中，經(jīng)過計算，所加入的石墨中碳的摩爾含量加與含鈦鐵礦物粉末中所含鐵氧化物中的氧的摩爾含量之比為1.3：1，作為熔融還原催化劑的Na₂SO₄的添加量為含鈦鐵礦物粉末氧化物總質(zhì)量的8%，然后混合均勻后造球，得到粒度為10~20mm混合料球團。

4）將混合料球團放入還原爐中，并向還原爐內(nèi)持續(xù)通入氬氣作為防氧化保護氣體，控制還原爐內(nèi)溫度在1400℃的溫度下還原30分鐘，并在還原處理過程中回收尾氣，對回收的尾氣用以進行分離處理得到一氧化碳?xì)怏w，用以作為加熱還原爐進行混合料球團還原的燃料。

5）還原完成后，將還原后所得的高鈦渣粗品從爐內(nèi)取出迅速放入水中進行水淬冷卻，待高鈦渣粗品降至室溫后進行干燥處理。經(jīng)物相檢測，本實施例所得的高鈦渣粗品的XRD物相圖如圖3所示，其SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）掃描圖如圖4所示。

6）將冷卻后的高鈦渣粗品在40℃環(huán)境下進行破碎后進行磁選分離，去除其中的金屬鐵，得到高鈦渣產(chǎn)品。

實例二：

本實施例采用TiO₂質(zhì)量百分含量為32%的鈦鐵礦作為含鈦鐵礦物原料、煤粉作為碳質(zhì)還原劑、FeS作為熔融還原催化劑，按照本發(fā)明方法還原制備高鈦渣，具體步驟如下：

1）將鈦鐵礦進行破碎處理，得到含鈦鐵礦物粉末備用，所得鈦鐵礦物粉末中粒度在小于100目的顆粒占總重量的85%。

2）將含鈦鐵礦物粉末放入馬弗爐中在1100℃溫度下氧化20分鐘，得到含鈦鐵礦物粉末氧化物。

3）在含鈦鐵礦物粉末氧化物中添加煤粉和FeS，其中，經(jīng)過計算，所加入的煤粉中碳的摩爾含量加與含鈦鐵礦物粉末中所含鐵氧化物中的氧的摩爾含量之比為1.2：1，作為熔融還原催化劑的FeS的添加量為含鈦鐵礦物粉末氧化物總質(zhì)量的4%，然后混合均勻后造球，得到粒度為10~20mm混合料球團。

4）將混合料球團放入還原爐中，并向還原爐內(nèi)持續(xù)通入氮氣作為防氧化保護氣體，控制還原爐內(nèi)溫度在1300℃的溫度下還原40分鐘，并在還原處理過程中回收尾氣，對回收的尾氣用以進行分離處理得到一氧化碳?xì)怏w，用以作為加熱還原爐進行混合料球團還原的燃料。

5）還原完成后，繼續(xù)向還原爐內(nèi)持續(xù)通入室溫的氮氣，直至高鈦渣粗品冷卻至室溫。經(jīng)物相檢測，本實施例所得的高鈦渣粗品的XRD物相圖如圖5所示。

6）將冷卻后的高鈦渣粗品在60℃環(huán)境下進行破碎后進行磁選分離，去除其中的金屬鐵，得到高鈦渣產(chǎn)品。

此外，還采用本發(fā)明方法進行了兩次實施例，分別為實施例三和實施例四。各次實施例的主要參數(shù)和所得產(chǎn)物如下表所示。

通過上述各個實施例可以看到，本發(fā)明低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法，通過先對含鈦鐵礦物進行氧化預(yù)處理，使得含鈦鐵礦物的反應(yīng)活化能降低，然后結(jié)合碳質(zhì)還原劑和熔融還原催化劑，能夠在更低的溫度條件下、通過更短的還原時間還原制備得到高鈦渣，在能耗成本上得以大幅的降低，很好的解決了現(xiàn)有電爐冶煉工藝制備高鈦渣存在的工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、成本高昂、能耗大等問題，并且該方法所得到的高鈦渣中由于不需要保持8%~12%的FeO含量，因此對鐵元素的金屬化率更高，鐵元素回收率更高的同時也使得得到的高鈦渣的品位更高。

綜上所述，本發(fā)明低溫還原分離含鈦鐵礦物制備高鈦渣的方法，利用預(yù)氧化含鈦鐵礦物原料并添加碳質(zhì)還原劑以及Na₂SO₄、FeS等熔融還原催化劑還原生產(chǎn)生鐵和高鈦渣產(chǎn)品，與傳統(tǒng)電爐冶煉鈦渣工藝相比，能夠在較低的1200~1500℃的溫度環(huán)境下還原20~40分鐘得到產(chǎn)物，還原速度更快，能耗更低，降低了成本，達到了高效低耗低成本分離生鐵和鈦渣的目的；其還原過程中，由于Na₂SO₄、FeS等熔融還原催化劑的作用實現(xiàn)了1200~1500℃的低溫下半熔融還原的效果，同時還避免了傳統(tǒng)電爐冶煉工藝為了保證渣的流動性而必須在渣中保持8%~12%的FeO的方式，因此對鐵元素的金屬化率更高，鐵元素回收率更高的同時也使得得到的高鈦渣的品位更高，且還原過程的尾氣主要成分為CO，能夠加以回收再利用，進一步的節(jié)省還原加熱能耗；由此，本發(fā)明為生產(chǎn)高鈦渣提供了一種新工藝，解決了現(xiàn)有技術(shù)中制備高鈦渣工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、成本高昂、能耗大等問題。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。