CN102943142B

CN102943142B - 生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102943142B
Application number: CN201210461706.9A
Authority: CN
Inventors: 赵齐; 司纪东
Original assignee: SHANDONG YONGXIN ENERGY GROUP CO Ltd
Current assignee: SHANDONG YONGXIN ENERGY GROUP CO Ltd
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: CN102943142A

Abstract

一种生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块及其制备方法和应用，所述生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块主要由以下原料按重量百分比组成：钛铁矿粉78.5%～82.5%，煤粉10%～14%，硼砂3%～4%，NaCl0.5%～1.5%，铁红粉1.0%～1.5%，铁粉0.5%；上述重量百分比中，钛铁矿粉的重量百分比+煤粉的重量百分比还需保证在92.5%～95%之间，硼砂的重量百分比+NaCl的重量百分比+铁红粉的重量百分比+铁粉的重量百分比还需保证在5.0%～7.5%之间。所述钛铁矿压块是一种混合物，它专门用于生产富钛料用，使用这种钛铁矿压块可以制备出高品位的富钛料，同时制备过程污染小、能耗低。

Description

生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种钛铁矿压块，以及应用这种钛铁矿压块制备富钛料的方法。

背景技术

随着钛工业的发展，钛品位较高的天然金红石资源日趋枯竭，这就迫使人们开发利用储量丰富的钛铁矿资源。由于钛铁矿钛品位低，直接用于钛工业生产会出现效率低、流程长、“三废”量大、成本高等问题，所以一般都需要预先富集成高品位的富钛料—钛渣或人造金红石，然后再用于钛工业生产。因此，研究高效节能环保的钛铁矿制取富钛料方法对于钛工业的发展具有极为重要的意义。

生产富钛料的传统方法大都是属于碳热还原反应，即先使用传统的微波窑或大功率矿热炉将钛铁矿与各种碳质及粘结剂混合物冶炼成液态，使得钛铁矿中的氧化铁还原成为铁水，实现钛和铁的分离，从而得到富钛料。此方法因为是高温作业，而且需要添加大量诸如沥青焦炭等添加剂，所以容易造成空气污染，同时因为能耗太高已经没有足够的市场竞争力，目前受到环保的压力以及国家节能减排政策的紧迫而面临淘汰。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块及其制备方法和应用，要解决传统的富钛料制备方法污染严重、能耗高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块，其特征在于，主要由以下原料按重量百分比组成：

钛铁矿粉 78.5%～82.5%；

煤粉 10%～14%；

硼砂 3%～4%；

NaCl 0.5%～1.5%；

铁红粉 1.0%～1.5%；

铁粉 0.5%；

上述重量百分比中，钛铁矿粉的重量百分比+煤粉的重量百分比还需保证在92.5%～95%之间，硼砂的重量百分比+NaCl的重量百分比+铁红粉的重量百分比+铁粉的重量百分比还需保证在5.0%～7.5%之间。

所述钛铁矿的粒度为70目～200目，水分含量≤0.5%。

所述铁红粉中的Fe₂O₃的含量≥97%，水分含量＜1%。

所述铁粉中的铁的含量＞98%，无锈蚀结块，粒度为100目～200目。

一种上述生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的制备方法，其特征在于制作步骤如下：

a、将钛铁矿粉与煤粉、硼砂、NaCl、铁红粉、铁粉混合成混合物，再加入混合物总量5%的水，在搅拌机内搅拌5～15分钟；b、将拌好的物料在压力机下压制成压块；c、在压块表面喷涂水基石墨涂料，然后在80℃～120℃的条件下烘干10～20分钟。

一种上述生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用方法，其特征在于：步骤一、将生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块放置在可以透波并且可以保温的独立容器中，然后放入微波窑中连续加热80～120分钟，然后再被送出微波窑；步骤二、打开独立容器，将红热的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块快速推入冷却搅拌器内，使生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块变为180℃～220℃的粉状物料；步骤三、将粉状物料提升到风选器内，用风选器脱除粉状物料中200目以上的微粉；步骤四、将经过风选后的粉状物料再经过三级磁选，得到磁性物；步骤五、将磁性物加入到水解罐内，在40℃～70℃的盐水中被不停搅拌，同时鼓入空气进行氧化，使磁性物矿粒表面的单质铁颗粒被氧化为Fe₂O₃并转入水溶液中；步骤六、水解罐中放出的物料经过六级旋流分离器分离和清洗，然后干燥，最后得到富钛料。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：本发明中的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块是一种混合物，它专门用于生产富钛料用，它的配比决定了工艺的成功。使用本发明中的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块可以制备出高品位的富钛料，同时制备过程污染小、能耗低。

本发明中的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块所针对的钛铁矿的矿种不受限，可以使用所有的海沙矿。

本发明中的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块在制备富钛料时，其内部的冶金环境及气氛良好。

本发明所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用是一种二氧化钛富集工艺，也可以叫微波法固态还原生产金红石工艺，相对于传统的火法、湿法有较大的区别。本发明从还原机理上来讲，属于早期（700℃）依靠热解气体包括氢、烷类（烷类裂解产生的游离碳以及氢气）的还原，末期才会出现碳的直接还原。不以碳的直接还原为主，与传统技术中的碳热还原相比，原理上有本质区别。

本发明所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用的基本原理是，将含有钛铁矿粉的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块放置在可以透波并且可以保温的独立容器内，然后通过连续运转的微波窑，使生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块被微波赋予能量，同时充分利用钛铁矿的强吸波性和独立容器的透波保温性能，将微波能量最大化利用，并营造出最佳的冶金还原气氛，实现连续微波窑独立容器内固态还原钛铁矿压块，最后利用水解法去除（还原出）钛铁矿压块中的单质铁，实现钛铁分离得到富钛料，甚至是人造金红石（需进一步焙烧得到）。

从整体工艺上来讲，本发明所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用的工艺路线亦与传统的富钛料制备方法有本质区别。本发明所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用是一种应用了独立容器的密闭作业，其步骤是先在独立容器内（具有密闭保温环境）、依靠透进来的微波能加热生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块（整个过程是在连续的输送辊道上进行的），加热后生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块再经过磁选、以及在水解分离罐内锈蚀掉其中的单质铁，最后的剩余物即为富钛料（将富钛料进一步焙烧后，还可以得到人造金红石）。

本发明中的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块是连续生产，而且必须在微波窑内连续运转才能满足工艺要求。

本发明所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用利用了微波窑和独立容器，巧妙地回避了传统窑炉间接加热的方式，使得窑炉的耐材及保温工艺变得十分简单。

本发明所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用利用了微波窑和独立容器，同时还采用了新的还原机理，所以不但空气污染小，而且能耗低。

本发明所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用采用微波窑代替了传统的大功率矿热炉，微波窑以容器内部加热为主导，充分利用了微波能，是本发明的关键所在之一。

本发明所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用中涉及到了一种新型的微波窑，这个新型的微波窑具有维修方便、可连续运转、以及微波能量使用率高的特点，尤其是窑体两侧多点密集分布的微波源和闭合回路形式的输送辊道（可连续运送钛铁矿压块，实现了自动化生产，为本发明未来的拓展提供了空间）不仅实现了大长度窑炉腔内微波的最佳耦合，而且消除了热失控，保证了产品品质的均匀性和稳定性。本发明所述的微波窑中的变压器及附属电器元件设置在窑体两侧的窑体支架上，回避了因连续生产而产生的炉气温度给变压器及附属电器元件造成的不良影响，大大简化了微波窑庞大复杂的保温耐火系统。

上述微波窑的窑内的炉气温度大概只有100℃左右（传统的微波窑窑内的炉气温度大概有1200℃～1300℃，传统的大功率矿热炉内的冶炼温度高达1700℃），窑外靠近窑体的温度大概只有50℃左右，所以利用本发明生产富钛料时，整体的电耗仅相当于使用传统方法的40%～50%。

本发明所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用中还涉及到了一种独立容器，该独立容器为微波还原容器，它的特点是：1、采用了合理的设计，分担了传统窑炉耐材的负担，化整为零；2、维护工作仅仅涉及独立容器，所以变得十分简单；3、最重要的是，独立容器具有良好的保温性能，所以独立容器内部的能量利用率大大提高，不仅节能，同时可以实现快速升温，保证了最佳的冶金气氛，为得到理想的富钛料奠定了基础。

本发明所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用不需要庞大的球团制作系统（又叫造球烧结系统），也不需要外加碳素补充，而是采用了生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块，生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的配方以及形状和压制工艺，都与传统的球团有着本质的区别，所以本发明回避了传统工艺中为了提高冶金性能而建立的庞大的球团制作系统（又叫造球烧结系统），简化了生产过程。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是微波窑的主视结构示意图。

图2是图1的右视示意图。

图3是输送辊道与窑体配合的示意图。

图4是独立容器的主视示意图。

图5是图4的俯视示意图。

图6是图4中A-A剖面的示意图。

附图标记：1－窑体、2－磁控管、3－进料口、4－出料口、5－输送辊道、6－辊道驱动电机、7－保温防护层、8－水冷夹层、9－窑体支架、10－变压器及附属电器元件、11－排烟管道、12－独立容器、13－生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块、14－底板、15－下部保温套、16－耐高温透波涂层、17－托板、18－容器内胆、19－上部保温套、20－托架。

具体实施方式

本实施例中，生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13主要由以下原料按重量百分比组成（总量为100%）。

钛铁矿粉78.5%～82.5%（根据钛铁矿中的全铁含量而定，含量高取下限，含量低取上限）；煤粉10%～14%（根据钛铁矿中的全铁含量而定，含量高取上限，含量低取下限）；硼砂3%～4%（要求不能潮解、结块或风化）；NaCl0.5%～1.5%（要求不能潮解、结块或风化）；铁红粉1.0%～1.5%；铁粉0.5%；上述重量百分比中，钛铁矿粉的重量百分比+煤粉的重量百分比还需保证在92.5%～95%之间，硼砂的重量百分比+NaCl的重量百分比+铁红粉的重量百分比+铁粉的重量百分比还需保证在5.0%～7.5%之间。

所述煤粉为还原剂，硼砂、NaCl、铁红粉和铁粉为添加剂。

本实施例中，钛铁矿的粒度为70目～200目，水分含量≤0.5%。铁红粉中的Fe₂O₃的含量≥97%，水分含量＜1%。铁粉中的铁的含量＞98%，无锈蚀结块，粒度为100目～200目。

以上配比的产生源于生产中常见的氧气熔铜焊接，人们习惯使用硼砂与盐的混合物撒在高温的熔融金属表面，使得高温熔融的金属表面始终保持清洁而不被氧化，这对于本发明中的固态还原过程中还原出的单质铁作用十分重大，能保持其表面活性，为尽快出现铁连晶以及矿粒内部的完全扩散反应提供了保证，避免了因为局部氧化以及杂质的覆盖而导致冶金气氛变差。

上述生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的制备方法，即生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13的制作步骤如下。

a、将钛铁矿粉与还原剂（煤粉）、添加剂（硼砂、NaCl、铁红粉和铁粉）按比例混合成混合物，再加入混合物总量5%（重量百分比）的水，再在搅拌机内搅拌5～15分钟。

b、将拌好的物料在压力机（比如30Mpa的压力机）下压制成具有一定厚度的砖形的压块（压块的厚度与微波的穿透能力相匹配，以可以保证压块内部的反应充分完全为准）。

c、在压块表面喷涂水基石墨涂料，然后在80℃～120℃的条件下烘干10～20分钟。为了使压制压块的过程变得更容易更好，使钛铁矿压块的成形效果更好，还可以在按比例混合好的混合物中再加入微量的粘结剂，比如膨润土，但含量应控制到最低，保证压块的干强度即可。

采用高压压制以及表面喷涂水基石墨涂料的步骤，可以使钛铁矿压块的内部具有良好的冶金环境及气氛，回避了传统工艺中为了提高冶金性能而建立的庞大的造球烧结系统，简化了生产过程。此外，标准几何形状的钛铁矿压块还为实现机械化连续生产以及物料的储运提供了便利。

这种生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用（即利用微波窑、独立容器和生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块来生产富钛料的方法），其步骤如下。

步骤一、将生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13放置在可以透波并且可以保温的独立容器中，然后放入微波窑中连续加热80～120分钟，然后再被送出微波窑；具体来说，就是先将已经制备好的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13使用机械手码放在独立容器的托盘上，然后独立容器的上盖扣下，然后将这一套装满生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13的独立容器随输送辊道被连续匀速送入微波窑加热（经过微波窑内80～120分钟左右的连续加热过程，独立容器内部的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13基本完成了固态还原的过程），然后再随输送辊道连续匀速送出微波窑。所述钛铁矿压块是含有钛铁矿粉、煤粉、硼砂、NaCl、铁红粉和铁粉的混合物压块。

步骤一中，在加热的前期，生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13中会发生以下主要反应：C₂H₆→C₂H₄+H₂，C₂H₄→CH₄+C，CH₄→C+2H₂，FeO+n₂H₂→Fe+H₂O+(n_2-1)H₂；在加热的后期，生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13中会发生Fe_xO_y+C(裂解碳)→Fe+CO的反应。

步骤二、打开独立容器12，将红热的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13快速推入冷却搅拌器内，使生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13变为180℃～220℃的粉状物料；具体来说，就是先用机械手打开独立容器的上盖，然后将红热的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13快速推入冷却搅拌器内，大约10秒左右的时间，压块就会变为180℃～220℃左右的粉状物料。

步骤三、将粉状物料提升到风选器内，用风选器脱除粉状物料中200目以上的微粉（200目以上的微粉的主要成分为还原剂及钛铁矿压块燃烧后的剩余物）。

步骤四、将经过风选后的粉状物料再经过三级磁选，得到磁性物。

步骤五、将磁性物加入到水解罐内，在40℃～70℃的盐水中被不停搅拌，同时鼓入空气进行氧化，使磁性物矿粒表面的单质铁颗粒被氧化为Fe₂O₃并转入水溶液中，整个过程大约8小时左右，可完成全部的单质铁氧化过程。所述盐水中含有1%（重量百分比）的盐。

步骤六、水解罐中放出的物料经过六级旋流分离器分离和清洗，然后干燥，最后得到含铁量≤1%（重量百分比）的富钛料。

下表是不同实施例的配比在实验室中测得的结果。表中数据为重量百分比。表中所述的结果是生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块13经过上述步骤一至四后，使用10%盐酸浸泡10分钟，然后烘干化验得到的TiO₂的含量（因为上述步骤五和步骤六是大规模工业化生产的步骤，所以为了在实验室中可以测得TiO₂的含量，需要采用10%盐酸浸泡10分钟，然后烘干化验的方法来测TiO₂的含量，该实验方法与上述步骤五和步骤六的效果基本一样）。

参见图1-3，在生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用中提到的微波窑包括有窑体1、磁控管2、输送辊道5、辊道驱动电机6和变压器及附属电器元件10，所述窑体1横向设置并安放在窑体支架9上，窑体1的两端一端设有进料口3、另一端设有出料口4，窑体1的顶部与排烟管道11连通，窑体1的内壁设有保温防护层7，窑体1的外壁设有水冷夹层8。

所述窑体1的构造是通过大量的实验和生产验证的：窑体内壁涂刷防护材料（即保温防护层7），窑体外壁增设循环水冷套（即水冷夹层8）。所述变压器及附属电器元件10（包括高压变压器、电容、二极管等元件等）安放在窑体外、窑体左右两侧的窑体支架9上，也就是被设计到与窑体1分离的位置，可避免窑体温度的干扰。所述磁控管2设置在窑体外、窑体的左右两侧，并且磁控管2由进料口至出料口方向多点密集分布，即磁控管2采用的是小功率多点密集分布的形式，对整体还原反应比较理想。

参见图1、图3，微波窑的传输方式为输送辊道5（钢制辊道）可调速运行，输送辊道5是一个闭合的回路，输送辊道5不断运转，可实现连续还原钛铁矿的生产方式，同时，在窑体1的出料口端可设置机械手，实现装卸料自动化。

参见图4-6，在生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的应用中提到的独立容器12由托盘和上盖两部分组成，所述托盘包括放置钛铁矿压块用的底板14、包在底板14上的下部保温套15、以及连接在下部保温套底部的托板17，所述上盖包括放置在底板14上并且可以罩住钛铁矿压块13的容器内胆18、包在容器内胆18上的上部保温套19、以及由外向内穿过上部保温套19并与容器内胆18连接的托架20，所述底板14与下部保温套15之间、容器内胆18与上部保温套19之间均设有耐高温透波涂层16。本实施例中，容器内胆18的竖向截面形状为凸字形。

本实施例中，容器内胆18和底板14的水平截面形状均为方形，并且容器内胆18的水平截面的边长小于底板14的水平截面的边长。在其它实施例中，还可以是容器内胆18和底板14的水平截面形状均为圆形，并且容器内胆18的水平截面的直径小于底板14的水平截面的直径。

所述独立容器的设计至关重要，它是生产线上循环的独立单元。首先，独立容器采用耐高温并且透波能力很强的材料制作容器内胆18和底板14，容器内胆18和底板14可作为承受反应温度的保护层；其次，在容器内胆18和底板14之外涂刷了一层保护涂料，即耐高温透波涂层16，再在耐高温透波涂层16外覆盖一定厚度的上部保温套19和下部保温套15（由岩棉等保温材料制成），正是这种结构使得钛铁矿压块在充分吸收微波能量后尽可能地减少了能量的散失，大大提高了能量的利用率，所述耐高温透波涂层16可防止容器内胆18因温度太高而损坏上部保温套19、防止底板14因温度太高而损坏下部保温套15；最后，使用整体钢制的托架20（也可叫框架）将容器内胆18和上部保温套19连接成一套独立的个体，通过自行设计的机械手配合托架20拿放容器内胆18，可实现自动化装卸料，形成连续生产。

特殊设计的独立容器12透波、耐高温、保温，独立容器12内码放有钛铁矿压块13，每个独立容器12均为独立的个体，独立完成还原反应。独立容器12置于输送辊道5上，按照设计速度运行，独立容器12在输送辊道5的驱动下可保持合理间距连续运转。

Claims

1.一种生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块，其特征在于，主要由以下原料按重量百分比组成：

钛铁矿粉 78.5%～82.5%；

煤粉 10%～14%；

硼砂 3%～4%；

NaCl 0.5%～1.5%；

铁红粉 1.0%～1.5%；

铁粉 0.5%；

2.根据权利要求1所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块，其特征在于：所述钛铁矿的粒度为70目～200目，水分含量≤0.5%。

3.根据权利要求1所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块，其特征在于：所述铁红粉中的Fe₂O₃的含量≥97%，水分含量＜1%。

4.根据权利要求1所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块，其特征在于：所述铁粉中的铁的含量＞98%，无锈蚀结块，粒度为100目～200目。

5.一种上述权利要求1中所述的生产富钛料用的固态还原钛铁矿压块的制备方法，其特征在于制作步骤如下：

a、将钛铁矿粉与煤粉、硼砂、NaCl、铁红粉、铁粉混合成混合物，再加入混合物总量5%的水，在搅拌机内搅拌5～15分钟；

b、将拌好的物料在压力机下压制成压块；

c、在压块表面喷涂水基石墨涂料，然后在80℃～120℃的条件下烘干10～20分钟。