CN110951973A - 一种基于氢等离子法从含钛高炉渣中提钛的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于氢等离子法从含钛高炉渣中提钛的方法，属于等离子冶炼领域。该方法包括：一定配比的含钛高炉渣、熔剂进行烘干，去除原料中的水分，对原料进行初步的预热处理；将混合料运输至炉体料仓；通过控制炉体料仓出料速度将含钛高炉渣加入到反应炉内；通入一定时间的氩气，打开电弧；一定比例的氢气和惰性气体混合通入等离子枪内，并进入炉体进行还原反应；在炉体内进行还原反应，形成的炉渣通过渣口排除，高温液态金属钛通过单独的出口排除进入后续工序冶炼钛合金。该方法充分利用等离子体氢会轰击、碰撞试样氧化物表面，产生更多的活性点，从而强化含钛氧化物还原过程，并且可以实现渣中钛的还原分离。

Description

一种基于氢等离子法从含钛高炉渣中提钛的方法
技术领域
本发明涉及等离子冶炼领域，特别是一种基于等离子法从含钛高炉渣中提钛的方法。
背景技术
攀西地区钛储量占全国已探明储量的90％以上，占世界已探明储量的40％。钒钛磁铁矿不仅是铁的重要来源，其还伴生有大量的钛元素，钛具有比重小、比强度高、抗疲劳韧性好、耐腐蚀、高低温度耐受性能好、等特点，不仅用于化工、石油、电力、海水淡化、建筑、日常生活用品等行业，而且是航空、航天等高科技领域重要原料之一，被誉为“现代金属”和“战略金属”，是提高国防装备水平不可或缺的重要战略物资。因此，在钒钛磁铁矿中铁、钛等金属元素的综合开发冶炼对我国战略金属资源的利用有着举足轻重的意义。
含钛高炉渣是以钒钛磁铁矿为原料经淬冷或自然冷却得到的一种粒状或块状废渣，与普通高炉渣不同，含钛高炉渣中TiO2含量较高，根据TiO2的百分含量可将含钛高炉渣划分为三个等级，低于10％的低钛渣，10％～15％的中钛渣，25％左右的高钛渣。由于TiO2的特殊作用使其在成核时速率快，晶核结构致密，玻璃态成分显著减少，使得其活性低，很难与其他物质发生反应，致使这种工业废渣未能得到大规模的开发利用，由于含钛高炉渣难以大量高效回收利用的特点使致大量的炉渣堆积如山，据文献报道仅攀钢含钛高炉渣排放量达200万吨，积存量高达7000万吨，耗费了大量的人力和资金，既浪费了资源，又污染了环境，与此同时由于高品位钛矿资源日益短缺和环保力度的不断加大，使得对含钛高炉渣的资源化再利用越来越受到重视。因此，含钛高炉渣的综合利用一直以来是冶金行业研究的难点与重点。目前，对于低钛渣利用较为成熟，主要通过碱性激发解离含钛高炉渣中的复杂矿物，提高高炉渣活性，然后全部或部分用于生产水泥、混凝土等建筑材料，但该种方法造成了钛资源的浪费。为了实现含钛高炉渣的高附加值利用，避免有益元素浪费，学者开发了一系列工艺提取钛渣中的钛元素，目前提钛工艺主要有火法和湿法浸出两种。火法提钛工艺主要有高温碳化-低温选择性氯化，选择性析出分离技术，合金化提取工艺等；湿法浸出提钛工艺主要有硫酸法和盐酸法。对于中钛、高钛渣的提钛工艺主要存在如下问题，(1)火法提炼过程存在碳化能耗高、选矿难度高、生产成本高等缺点。(2)湿法浸出工艺过程用到大量的硫酸、盐酸等物质，存在生产成本高、存在处理能力低、二次污染高等弊端。纵观这几年的研究成果可以发现，尽管针对高炉渣的综合利用做了大量的研究，但是由于工艺自身的弊端，并未有一种工艺真正实现含钛高炉渣的资源化利用。
发明内容
针对目前含钛高炉渣提钛工艺的弊端，本发明专利提供一种基于氢等离子法从含钛高炉渣中提钛的工艺，该方法利用脉冲放电产生的离子体强化氢还原，实现对含钛高炉渣中的有价元素的还原，进而进行有价元素分离，实现含钛高炉渣中有价元素，特别是钛元素的回收。相比于传统火法工艺及湿法工艺，该工艺能够实现对于中钛、高钛渣的资源化利用，能够同时兼顾高附加值利用与规模化生产，工艺过程反应迅速，更为重要的，该工艺思路以“氢”代“碳”，生产过程无二次污染，工业应用前景广阔，对于最终解决攀钢含钛高炉渣的综合利用难题具有重要的社会效益及现实意义。
本发明专利的发明内容在于提供一种基于氢等离子法从含钛高炉渣中提钛金属的工艺，该方法充分利用等离子体氢会轰击、碰撞试样氧化物表面，产生更多的活性点，从而强化含钛氧化物还原过程，并且可以实现渣中钛的还原分离。
根据本发明的技术方案，提供一种基于氢等离子法从含钛高炉渣中提钛金属的方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：一定配比的含钛高炉渣和熔剂进行烘干以及预热焙烧处理；
步骤2：经过预热焙烧处理后，将混合料运输至炉体料仓；
步骤3：通过控制炉体料仓出料速度将含钛高炉渣加入到反应炉内；
步骤4：在通入氢气和惰性气体混合前，首先通入一定时间的氩气1～10min，然后立刻打开电弧。
步骤5：一定比例的氢气和惰性气体混合通入等离子枪内，并进入炉体进行还原反应。
步骤6：在炉体内进行还原反应，形成的炉渣通过渣口排除，高温液态金属钛通过单独的出口排出进入后续工序冶炼钛合金。
进一步的，所述步骤1中的含钛高炉渣可以是中钛渣或是高钛渣。
进一步的，所述步骤1中的含钛高炉渣可以高炉水淬或空冷高炉渣，也可以是钒钛磁铁矿冶炼直接排除的液态渣。
进一步的，所述步骤1中熔剂是指根据冶炼过程造渣需要添加的含镁、钙等熔剂以保证炉渣具有良好的流动性和热稳定性。
进一步的，所述步骤1中烘干时的温度范围时100～300℃，其加热的方式可以是通过外置加热器加热或其他工艺尾气加热。
进一步的，所述步骤2中进入炉顶料仓的方式可以是皮带机，也可以是通过提升斗车的方式。
进一步的，所述步骤3中向反应炉内加入炉渣的方式可以通过无料钟炉顶布料、料钟式布料或料管等方式加入，使布料的范围更加均匀。
进一步的，所述步骤4中首先通入氩气是将等离子反应器中的气体排出。
进一步的，所述步骤5中的等离子枪可以是1支，或者是通过多支同时通入。
进一步的，所述步骤5中的惰性气体可以是氩气或者其他保护性气体。
进一步的，所述步骤5中的氢气的比例根据含钛高炉渣的矿物组成进行确定，其比例≥10％。
进一步的，所述步骤6中的熔炼炉不受其形态的影响，立式炉或卧式炉均可。
进一步的，所述步骤6中金属钛与脉石成分有着不同的排出口，通过密度不同进行分离。
本发明的优点及效果：
本发明专利涉及一种基于氢等离子法从含钛高炉渣中提钛的工艺，该方法充分利用等离子体氢强化含钛氧化物还原过程，以电能代替所需的热能，同时使化学反应的温度大幅度降低，从而实现对含钛高炉渣中的提钛，进而进行有价元素分离，实现含钛高炉渣中有价元素，特别是钛元素的回收。该工艺能够实现对于中钛、高钛渣的资源化利用，能够同时兼顾高附加值利用与规模化生产，工艺过程反应迅速，更为重要的，该工艺思路以“氢”代“碳”，生产过程无二次污染，工业应用前景广阔，对于最终解决攀钢含钛高炉渣的综合利用难题具有重要的社会效益及现实意义。
附图说明
图1为根据本发明的基于氢等离子法从含钛高炉渣中提钛的工艺流程图；
图2为氢等离子处理水淬粒化含钛高炉渣；
图3为氢等离子处理熔融态含钛高炉渣。
具体实施方式
冶金领域，通常采用碳来实现有价金属的还原，而等离子体法由于其所带有的高温操作效果，可应用于等离子盒、托卡马克等。二者作为交叉性技术学科，等离子体法首次应用于冶金领域进行有价金属的还原。此外，由于等离子体法的高温效果，相对于传统碳还原法，其不需要额外提供热源，且反应速率相对于传统碳还原法更高。
本发明提出一种基于氢等离子法从含钛高炉渣中提钛的方法，该方法充分利用等离子场中的活性氢粒子轰击、碰撞试样表面，使试样表面产生了更多的活性点，从而强化含钛氧化物还原过程，以电能代替所需的热能，同时使化学反应的温度大幅度降低，从而实现对含钛高炉渣中的有价元素的还原，进而进行有价元素分离，实现含钛高炉渣中有价元素，特别是钛元素的回收。该工艺能够实现对于中钛、高钛渣的资源化利用，能够同时兼顾高附加值利用与规模化生产，工艺过程反应迅速，更为重要的，该工艺思路以“氢”代“碳”，生产过程无二次污染，该工艺能够实现含钛高炉渣液态化利用，工业应用前景广阔，对于最终解决攀钢含钛高炉渣的综合利用难题具有重要的社会效益及现实意义。
如图1所示，根据本发明的基于氢等离子法从含钛高炉渣中提钛的工艺包括：
步骤1：一定配比的含钛高炉渣(0％～90％)、熔剂(0％～30％)首先进行烘干，去除原料中的水分，并且对原料进行初步的预热焙烧；
步骤2：经过预热焙烧处理后，将混合料运输至炉体料仓；
步骤3：通过控制炉体料仓出料速度将含钛高炉渣加入到反应炉内；
步骤4：在通入氢气和惰性气体混合前，首先通入一定时间的氩气1～10min，然后立刻打开电弧。
步骤5：一定比例的氢气(0％～100％)和惰性气体混合通入等离子枪内，并进入炉体进行还原反应。
步骤6：在炉体内进行还原反应，形成的炉渣通过渣口排除，高温液态金属钛通过单独的出口排出进入后续工序冶炼钛合金。
实施例1：氢等离子处理水淬粒化含钛高炉渣
如图2所示，20吨水淬粒化含钛高炉渣(TO2质量分数为25％)，在300℃条件下利用尾气对原料进行初步的预热预还原。经过预热处理后，将混合料通过皮带运输机运至炉体料仓。通过布料管将含钛高炉渣加入到反应炉内。在通入氢气和惰性气体混合前，首先通入的氩气5min，然后立刻打开电弧。H2与Ar的比例为1:1混合后，通入等离子枪内，并进入炉体进行还原反应。在炉体内进行还原反应，还原90min后，形成的炉渣通过渣口排出，高温液态金属钛(Ti含量大于90％)通过单独的出口排出进入后续工序冶炼钛合金。
实施例2：氢等离子处理熔融态含钛高炉渣
如图3所示，20吨熔融态含钛高炉渣(TO2质量分数为25％)，在300℃条件下利用尾气对原料进行初步的预热预还原。经过预热处理后，将混合料通过皮带运输机运至炉体料仓。通过布料管将含钛高炉渣加入到反应炉内。在通入氢气和惰性气体混合前，首先通入的氩气5min，然后立刻打开电弧。H2与Ar的比例为1:1混合后，通入等离子枪内，并进入炉体进行还原反应。在炉体内进行还原反应，还原70min后，形成的炉渣通过渣口排出，高温液态金属钛(Ti含量大于90％)通过单独的出口排出进入后续工序冶炼钛合金。
含钛高炉渣的处理一直是钢铁工业固体废弃物再资源化综合利用的研究热点和难点。一般采用强酸或强碱、高温碳化对含钛高炉渣进行提取钛元素的方法。例如，湿法提钛是使用酸液或碱液漫出含钛高炉渣，并通过后续工序制备钛白粉的方法。湿法提钛的方法有硫酸法、盐酸法、氨水沉淀法等，但是存在耗酸量、设备腐蚀、废液及废渣处理等难题。而且酸处理含钛高炉渣产生大量废水、废酸需要处理；碱处理含钛高炉渣则对时间和温度的控制较为严格。而通过氢等离子法得到高温液态金属钛(Ti含量大于90％)，后续再冶炼钛合金，提高了含钛高炉渣综合利用率，使含钛高炉渣资源化综合利用的发展与环境保护和谐发展。
综上所述，本发明技术方案充分利用等离子体氢能量较高且温度较高，强化含钛氧化物还原过程，使化学反应的温度大幅度降低，等离子状态的氢也使本来难以发生或速度极其缓慢的化学反应成为可能，从而实现对含钛高炉渣中的有价元素的还原，进而进行有价元素分离，实现含钛高炉渣中有价元素，特别是钛元素的回收。该工艺能够实现对于中钛、高钛渣的资源化利用，能够同时兼顾高附加值利用与规模化生产，工艺过程反应迅速，更为重要的，该工艺思路以“氢”代“碳”，生产过程无二次污染，工业应用前景广阔，对于最终解决攀钢含钛高炉渣的综合利用难题具有重要的社会效益及现实意义。

Claims (10)

1.一种基于氢等离子法从含钛高炉渣中提钛金属的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：一定配比的含钛高炉渣、熔剂首先进行烘干，去除原料中的水分，并且对原料进行初步的预热处理；
步骤2：经过预热处理后，将混合料运输至炉体料仓；
步骤3：通过控制炉体料仓出料速度将含钛高炉渣加入到反应炉内；
步骤4：通入一定时间的氩气，然后立刻打开电弧；
步骤5：一定比例的氢气和惰性气体混合通入等离子枪内，并进入炉体进行还原反应；
步骤6：在炉体内进行还原反应，形成的炉渣通过渣口排除，高温液态金属钛通过单独的出口排除进入后续工序冶炼钛合金。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的含钛高炉渣包括但不限于中钛渣或是高钛渣。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的含钛高炉渣包括但不限于高炉水淬、空冷高炉渣或钒钛磁铁矿冶炼直接排除的液态渣。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中熔剂是指根据冶炼过程造渣需要添加的含镁、钙熔剂以保证炉渣具有良好的流动性和热稳定性。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中烘干时的温度范围时100～300℃，其加热的方式包括但不限于通过外置加热器加热或其他工艺尾气加热。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中进入炉顶料仓的方式包括但不限于皮带机或通过提升斗车的方式。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中向反应炉内加入炉渣的方式包括但不限于通过无料钟炉顶布料、料钟式布料或料管方式加入，使布料的范围更加均匀。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中通入氩气是将等离子反应器中的气体排出。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中的惰性气体包括但不限于氩气或者其他保护性气体。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中的氢气的比例根据含钛高炉渣的矿物组成进行确定，其比例≥10％。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication
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