CN114703381A

CN114703381A - 钛渣烧结碳化装置及方法

Info

Publication number: CN114703381A
Application number: CN202210632250.1A
Authority: CN
Inventors: 王云; 郭亚光; 李东波; 陈学刚; 徐月和; 杜国山; 裴忠冶
Original assignee: China ENFI Engineering Corp
Current assignee: China ENFI Engineering Corp
Priority date: 2022-06-07
Filing date: 2022-06-07
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2042-06-07
Also published as: CN114703381B

Abstract

本发明提供了一种钛渣烧结碳化装置及方法，该钛渣电热烧结装置为一体炉，一体炉自上至下分为相连通的烧结部和碳化部，其中，烧结部设置有第一加料口，用于加入钛渣及含碳物料进行烧结，形成发热体。碳化部的第二腔体内设置有导电夹持单元，用于夹持发热体并在外部电源作用下使发热体通电发热，以进行碳化反应。基于上述装置，一方面，本发明物料在碳化反应阶段中始终处于固态，碳化过程中物料特性基本不发生显著变化，不会受到钛渣品位和终态碳化率的限制，因此可以处理更高钛含量的炉渣。另一方面，处理过程温度可稳定控制，不会出现液态渣喷溅等影响生产安全的现象，操作简单安全，成本更低。

Description

钛渣烧结碳化装置及方法

技术领域

本发明涉及钛冶炼领域，具体而言，涉及一种钛渣烧结碳化装置及方法。

背景技术

钛资源目前主要被用于生产钛白粉、海绵钛及钛材，其中90%的钛资源被用于生产钛白粉，仅有少量用于生产海绵钛、钛材和其他钛酸盐产品。现行生产钛白粉的主要方法为硫酸法和氯化法，世界60%的钛白粉为氯化法产出，而我国则以硫酸法为主导。硫酸法技术难度小，对原料杂质要求低，但产出的钛白粉品质较差，且会产出大量废物，环境污染严重，工艺流程长，工艺复杂；氯化法对原料中钛品位要求较高，相应技术要求也较高，但具有生产效率高、环境污染小、自动化程度高等优点。

现有工业化应用的钛渣利用方法是以硫酸法制钛白粉、氯化法制钛白粉、氯化+镁还原法制海绵钛（克劳尔法）等三种方式为主。而其他钛渣利用的方法，如氧化钛还原法、卤化钛还原法、电解还原法、碘化法、高温碳化-低温氯化法等，均处于理论研究及试验验证阶段，且各种工艺处理的含钛原料差异较大，故而均未形成大规模稳定可行的工艺路线。其中，高温碳化-低温氯化法可处理TiO₂品位较低的含钛高炉渣，对于现存大量低品位钛渣的利用具有重要意义。

但是，高温碳化-低温氯化仅可处理TiO₂含量较低的炉渣，该方法主要针对攀枝花熔融含钛高炉渣（TiO₂=20~25%），在碳化炉内使炉渣中TiO₂碳化形成TiC，利用TiC在低温（500~600℃）条件下易被氯化的特点，选择性实现钛的氯化，而减少其他炉渣组分的氯化。尤其是，该高温碳化过程主要存在以下问题：（1）碳化过程需在高温熔融态下进行，所处理原料仅限于含TiO₂为20~25%熔融态高炉渣，无法处理大量堆存含钛高炉渣及其他工艺产出的含TiO₂更高的钛渣；（2）碳化冶炼过程要维持炉渣良好的流动性，炉渣初始TiO₂和终态碳化率不宜过高，该工艺钛的回收率不高；（3）熔融态熔池产生大量泡沫渣，冶炼操作难度较大；（4）碳化过程产生大量含CO的高温烟气，其中蕴含较多化学能和热能，工艺电耗较高；（5）熔融态炉渣对炉衬侵蚀较为严重，炉体寿命较短，运行成本较高。故而，有必要提供一种新的钛渣处理方法，使其可以改善上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种钛渣烧结碳化装置及方法，以解决现有技术中高温碳化过程主要存在以下问题：（1）碳化过程需在高温熔融态下进行，所处理原料仅限于含TiO₂为20~25%熔融态高炉渣，无法处理大量堆存含钛高炉渣及其他工艺产出的含TiO₂更高的钛渣；（2）碳化冶炼过程要维持炉渣良好的流动性，炉渣初始TiO₂和终态碳化率不宜过高，该工艺钛的回收率不高；（3）熔融态熔池产生大量泡沫渣，冶炼操作难度较大；（4）碳化过程产生大量含CO的高温烟气，其中蕴含较多化学能和热能，工艺电耗较高；（5）熔融态炉渣对炉衬侵蚀较为严重，炉体寿命较短，运行成本较高。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钛渣烧结碳化装置，该钛渣电热烧结装置为一体炉，一体炉具有炉壳及由炉壳围绕形成的炉腔，一体炉自上至下分为相连通的烧结部和碳化部，炉壳分为对应于烧结部的第一部分炉壳和对应于碳化部的第二部分炉壳，炉腔分为对应于第一部分炉壳的第一腔体和对应于第二部分炉壳的第二腔体，其中，烧结部设置有第一加料口，用于加入钛渣及含碳物料；至少部分第一部分炉壳的内壁设置有电极壳体，其用于向第一腔体内提供热能，以使钛渣及含碳物料进行烧结，形成发热体；碳化部的第二腔体内设置有导电夹持单元，导电夹持单元用于夹持发热体并在外部电源作用下使发热体通电发热，以进行碳化反应，生成碳化钛。

进一步地，电极壳体的一部分设置在第一部分炉壳的上部内壁，一部分延伸至第一部分炉壳的顶端外部；优选地，将电极壳体到第一腔体底部的高度记为H₁，H₁为0.5~5m；优选地，第一部分炉壳的下部设置有至少一个第一喷孔。

进一步地，炉壳为等径柱形炉壳，且将第一腔体的高度记为H₂、第二腔体的高度记为H₃，H₂ /H₃为：（1~5）：（2~3）。

进一步地，导电夹持单元包括：第一导电夹持器，设置在第二腔体的上部，且第一导电夹持器的夹持尺寸可调节；第二导电夹持器，设置在第二腔体的下部，且第二导电夹持器的夹持尺寸可调节；其中，第一导电夹持器和第二导电夹持器分别连接外部电源的两极。

进一步地，将第一导电夹持器和第二导电夹持器之间的高度记为H₄，H₄为2~3m。

进一步地，第二部分炉壳的位于第一导电夹持器和第二导电夹持器之间的位置处设置有至少一个第二喷孔。

进一步地，导电夹持单元的通电电压为50~120V。

进一步地，炉腔内还设置有升降设备，升降设备用于支撑炉腔内的物料并进行上下移动。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了钛渣烧结碳化方法，采用前述的钛渣烧结碳化装置进行钛渣的烧结碳化，方法包括以下步骤：烧结步骤：将钛渣及含碳物料通过第一加料口加入至烧结部中进行烧结，以形成发热体；碳化步骤：使发热体进入至碳化部进行碳化反应。

进一步地，钛渣中TiO₂的质量含量为10~95%。

进一步地，含碳物料选自无烟煤、焦炭、沥青或石墨中的一种或多种；优选钛渣中TiO₂和含碳物料中C的质量比为（0.5~2）：1。

进一步地，通过第一喷孔向第一腔体内鼓入空气，空气的鼓入量为1~350Nm³；优选地，通过第二喷孔向第二腔体内鼓入冷却气体；优选冷却气体选自N₂、CO₂或水蒸气中的一种或多种；更优选冷却气体选自N₂；冷却气体的鼓入量为1~100 Nm³。

进一步地，发热体的电导率为1~100S·cm^-1。

进一步地，碳化反应的反应温度控制在1400~1700℃。

进一步地，烧结的烧结温度控制在500~1200℃。

基于上述装置，一方面，本发明物料在碳化反应阶段中始终处于固态，因此可适用于处理各类型堆存的冷态钛渣物料。尤其是，碳化过程中物料特性基本不发生显著变化，不会受到钛渣品位和终态碳化率的限制，因此可以处理更高钛含量的炉渣，且产品炉渣碳化率可进一步提高。另一方面，处理过程温度可稳定控制，不会出现液态渣喷溅等影响生产安全的现象，操作简单安全，成本更低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明一种钛渣烧结碳化装置示意图；以及

图2示出了本发明一种钛渣烧结碳化方法流程示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、炉壳；2、升降设备；10、烧结部；20、碳化部；11、第一腔体；12、电极壳体；21、第二腔体；22、导电夹持单元；221、第一导电夹持器；222、第二导电夹持器；111、第一喷孔；211、第二喷孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术部分所描述的，现有技术中高温碳化过程主要存在以下问题：（1）碳化过程需在高温熔融态下进行，所处理原料仅限于含TiO₂为20~25%熔融态高炉渣，无法处理大量堆存含钛高炉渣及其他工艺产出的含TiO₂更高的钛渣；（2）碳化冶炼过程要维持炉渣良好的流动性，炉渣初始TiO₂和终态碳化率不宜过高，该工艺钛的回收率不高；（3）熔融态熔池产生大量泡沫渣，冶炼操作难度较大；（4）碳化过程产生大量含CO的高温烟气，其中蕴含较多化学能和热能，工艺电耗较高；（5）熔融态炉渣对炉衬侵蚀较为严重，炉体寿命较短，运行成本较高。

为了解决上述问题，本发明提供了一种钛渣烧结碳化装置，如图1所示，钛渣电热烧结装置为一体炉，一体炉具有炉壳1及由炉壳1围绕形成的炉腔，一体炉自上至下分为相连通的烧结部10和碳化部20，炉壳1分为对应于烧结部10的第一部分炉壳和对应于碳化部20的第二部分炉壳，炉腔分为对应于第一部分炉壳的第一腔体11和对应于第二部分炉壳的第二腔体21，其中，烧结部10设置有第一加料口，用于加入钛渣及含碳物料；至少部分第一部分炉壳的内壁设置有电极壳体12，其用于向第一腔体11内提供热能，以使钛渣及含碳物料进行烧结，形成发热体；碳化部20的第二腔体21内设置有导电夹持单元22，导电夹持单元22用于夹持发热体并在外部电源作用下使发热体通电发热，以进行碳化反应，生成碳化钛（TiC）。

首先，在烧结部，本发明通过向电极壳体通电，电流从电极壳经过并传递部分电流至钛渣和含碳物料的混合物料，使物料内产生电阻热，物料利用本身通过电流产生的电阻热和电极壳通过电流发热以及炉腔内的热能进行烧结，以形成导电性能良好的发热体。然后，使该发热体进入至碳化部，并通过夹持单元向发热体通电，以使钛渣中的TiO₂和含碳物料中的C进行碳化反应TiO₂+3C=TiC+2CO，生成大量TiC。此时，发热体内部的TiO₂大部分转化为TiC，也会有少量钛渣中的TiO₂和含碳物料中的C进行还原反应TiO₂+C=TiO+CO，生成少量TiO。上述碳化反应及还原反应均需大量吸热才可发生，其热量由发热体产生的电阻热供给。在上述碳化部中，导电夹持单元22具有打开和收紧两种状态，打开时发热体降下，收紧时发热体通电发热。基于上述装置，一方面，本发明物料在碳化反应阶段中始终处于固态，因此可适用于处理各类型堆存的冷态钛渣物料。尤其是，碳化过程中物料特性基本不发生显著变化，不会受到钛渣品位和终态碳化率的限制，因此可以处理更高钛含量的炉渣，且产品炉渣碳化率也较高。另一方面，处理过程温度可稳定控制，不会出现液态渣喷溅等影响生产安全的现象，操作简单安全，成本更低。经过上述装置处理后，本发明得到的碳化物料中包括TiC及部分钛氧化物（例如TiO₂、Ti₂O₃或TiO），钛的碳化率（碳化率是指碳化物料中的Ti占钛渣中的Ti的重量）可达到80%以上，且本发明上述装置处理钛渣能力窗口较宽，可为0.2~20t/h。

具体地，其一，本发明采用固态条件下的电热烧结碳化方式，无需使用熔融态碳化工艺，显著降低了操作难度，安全且操作难度小，设备寿命长，装置散热小，能量利用率高。其二，本发明可处理的钛渣TiO₂品位基本不受限制，含TiO₂较低的含钛高炉渣、预还原电炉工艺产出钛渣、矿热炉冶炼产出的高钛渣等均可以入炉处理。其三，本发明上述装置对钛渣的流动性，钛渣初始TiO₂和终态碳化率无特殊要求，且钛的回收率较高。其四，本发明避免了熔融态熔池产生大量泡沫渣，冶炼操作难度较大，对炉衬侵蚀较为严重的问题。其五，碳化过程所需热量由内部电阻热提供，物料本身发热，热量利用效率更高。

本发明可处理的钛渣TiO₂品位基本不受限制，在一种优选的实施方式中，钛渣中TiO₂的质量含量为10~95%，更优选为20~95%。含碳物料可选自无烟煤、焦炭、沥青或石墨中的一种或多种。在一种优选的实施方式中，本发明在将钛渣和含碳物料加入至炉内烧结前，可先将物料混合进行预成型处理，例如通过捣制成型，以形成预成型物料。

在一种优选的实施方式中，电极壳体12的一部分设置在第一部分炉壳的上部内壁，一部分延伸至第一部分炉壳的顶端外部。在上述装置第一次运行时，通过电极带来的内阻热进行物料烧结。当系统后续运行起来后，碳化部会生成大量的高温烟气，该高温烟气以CO为主。此时，高温烟气自下向上进入至第一腔体中，该高温烟气的温度（900~1200℃）即可进一步协同将物料加热并使之发生烧结，形成具有导电能力的发热体。基于此，本发明上述装置可充分利用高温碳化阶段产出的高温烟气，实现能量的梯级利用，可以更有效地减少烧结阶段过程电耗。优选地，第一部分炉壳的下部设置有至少一个第一喷孔111，通过第一喷孔111可向腔体内鼓入空气，协同上述高温烟气可进一步提高发热体的烧结效率及烧结效果，进一步降低能耗。为了进一步平衡能耗及钛的碳化率，将电极壳体12到第一腔体11底部的高度记为H₁，H₁为0.5~5m。

优选地，第二部分炉壳的位于第一导电夹持器221和第二导电夹持器222之间的位置处设置有至少一个第二喷孔211。通过第二喷孔211向第二腔体21内鼓入N₂、CO₂或水蒸气等冷却气体。这样可以加快下部热量向上运动，对碳化产物的降温和上部物料的预热烧结均有利，有助于进一步降低电耗。另一方面，优选通入N₂，当通入N₂时，还可发生如下反应：2TiO₂+N₂+4C=2TiN+4CO，基于此，可将一部分TiO₂转化为TiN，故而可降低含碳物料的用量，钛的碳化率可达到80%以上。

为了进一步提高钛的碳化率，在一种优选的实施方式中，炉壳1为等径柱形炉壳1，且将第一腔体11的高度记为H₂，第二腔体21的高度记为H₃，H₂/H₃为（1~5）：（2~3）。基于此，烧结部和碳化部的功能平衡性更佳，原料可以充分地分别进行烧结及碳化，从而可以在能耗更低的基础上进一步提高钛的碳化率。

在一种优选的实施方式中，导电夹持单元22包括：第一导电夹持器221，设置在第二腔体21的上部，且第一导电夹持器221的夹持尺寸可调节；第二导电夹持器222，设置在第二腔体21的下部，且第二导电夹持器222的夹持尺寸可调节；其中，第一导电夹持器221和第二导电夹持器222分别连接外部电源的两极；优选地，将第一导电夹持器221和第二导电夹持器222之间的高度记为H₄，H₄为2~3m。基于此，夹持单元可将发热体固定的更为稳固，同时，可以更稳定向发热体通电，以使发热体的电阻热控制在更适宜其发生碳化反应的温度，从而进一步提高钛的碳化率。

在一种优选的实施方式中，炉腔内还设置有升降设备2，升降设备2用于支撑炉腔内的物料并进行上下移动。更优选地，炉腔内炉衬的材料为耐火材料，其主要为含碳材质耐火材料，例如可由镁碳砖、碳化硅石墨或黏土石墨等材料中的一种或多种构成。上述材料的选取可以耐受更高温度。炉壳则选择常规耐火材料即可，如氧化铝纤维板、耐火棉等。上述一体炉的变压器容量为200KVA~10MVA。

在一种优选的实施方式中，导电夹持单元22的通电电压为50~120V。基于此，本发明处理窗口较宽，且可以进一步更高效地使发热体发热以进行碳化反应TiO₂+3C=TiC+2CO。从而促使发热体内部的TiO₂大部分转化为碳化钛，碳化效率更高。

本发明还提供了一种钛渣烧结碳化方法，采用上述的钛渣烧结碳化装置进行钛渣的烧结碳化，方法包括以下步骤：烧结步骤：将钛渣及含碳物料通过第一加料口加入至烧结部10中进行烧结，以形成发热体；碳化步骤：使发热体进入至碳化部20进行碳化反应。

如图2所示，首先，本发明通过向电极壳体通电，电流从电极壳经过并传递部分电流至钛渣及含碳物料的混合物料，使物料内产生电阻热，物料利用本身通过电流产生的电阻热和电极壳通过电流发热以及炉腔内的热能进行烧结，以形成导电性能良好的发热体。然后，该发热体进入至碳化部，通过夹持单元向发热体通电，使钛渣中TiO₂和含碳物料中C进行碳化反应TiO₂+3C=TiC+2CO，以生成TiC。上述碳化反应大量吸热，所需热量由发热体电阻热提供，可实现热平衡，继而将发热体内部的TiO₂大部分转化为碳氮化钛。基于上述方法，一方面，本发明物料反应阶段中物料始终处于固态，因此可处理各类型堆存的冷态钛渣物料。尤其是，碳化过程中物料特性基本不发生显著变化，不会受到钛渣品位和终态碳化率的限制，因此可以处理更高钛含量的炉渣，且产品炉渣碳化率可进一步提高。另一方面，冶炼过程温度可稳定控制，不会出现液态渣喷溅等影响生产安全的现象，操作简单安全，成本更低。

具体地，其一，本发明采用固态条件下的电热烧结碳化方式，无需使用熔融态碳化工艺，显著降低的操作难度，安全且操作难度小，设备寿命长，装置散热小，能量利用率高。其二，本发明可处理的钛渣TiO₂品位基本不受限制，含TiO₂较低的含钛高炉渣、预还原电炉工艺产出钛渣、矿热炉冶炼产出的高钛渣等均可以入炉处理。其三，本发明上述装置对炉渣的流动性，炉渣初始TiO₂和终态碳化率无特殊要求，且钛的回收率较高。其四，本发明避免了熔融态熔池产生大量泡沫渣，冶炼操作难度较大，对炉衬侵蚀较为严重的问题。其五，碳化过程所需热量由内部电阻热提供，物料内部发热，热量利用效率高。

本发明可处理的钛渣TiO₂品位基本不受限制，在一种优选的实施方式中，钛渣中TiO₂的质量含量为10~95%，更优选为20~95%。

在一种优选的实施方式中，含碳物料选自无烟煤、焦炭、沥青或石墨中的一种或多种。含碳物料主要作用是提供碳化反应所需的碳源。使用上述含碳物料，一方面，其来源丰富，价格低廉。另一方面，其在高温烧结碳化时还兼有还原剂和导电物质的作用，且碳烧处理后的残余碳还可返回作为含碳物料使用。优选地，本发明还可在上述含碳物料中进一步加入导电物质、粘结剂及含碳返料。导电物质包括焦炭或石墨等，其和含碳返料（其中含烧结后的石墨及碳化物）主要是进一步提高发热体的导电性能，以提供碳化过程所需热量。粘结剂包括沥青、水、膨润土等，主要是为了进一步促使物料成型的基础上提高其高温强度性能，本发明优选使用沥青，引入的杂质较少。更优选含碳物料、导电物质、粘结剂与含碳返料的重量比为1000:100-200:30-60:100-500。基于此，物料在导电性能更佳的基础上，还具有一定的强度而不易粉化和破碎，从而更利于烧结及碳化处理。

优选钛渣中TiO₂和含碳物料中C的质量比为0.5~2：1。基于此，可以进一步提高碳化效果，从而进一步提高钛的碳化率。优选地，在将原料进行烧结处理前，可先采用预配料的方式捣制成型，从而促使原料混合均匀。

在一种优选的实施方式中，通过第一喷孔111向第一腔体11内鼓入空气，空气的鼓入量为1~350Nm³。基于此，可协同高温烟气对物料进行烧结，从而进一步提高烧结效率及烧结效果，同时，还可降低能效。

在一种优选的实施方式中，通过第二喷孔211向第二腔体21内鼓入N₂、CO₂或水蒸气。冷却气体的鼓入量为1~100 Nm³。基于此，可加快烧结部的热量向上运动，这对碳化产物的降温和上部物料的烧结均有利，有助于进一步降低电耗。优选通入N₂，当通入N₂时，还可发生如下反应：2TiO₂+N₂+4C=2TiN+4CO，基于此，可将一部分TiO₂转化为TiN，故而可降低含碳物料的用量，钛的碳化率可达到80%以上。

在一种优选的实施方式中，发热体的电导率为1~100S·cm^-1。电导率可通过控制含碳物料加入的比例以及烧结过程中的温度、时间等手段调控。在此范围内均可以促使发热体在电热碳化过程中具有更佳的发热效果。其中，发热体的直径与处理能力有关，待处理量较小时直径可以为100mm，处理量较大时直径可达2m。

为了进一步平衡较低能耗及较高钛的碳化率，优选碳化反应的反应温度控制在1400~1700℃。优选烧结的烧结温度控制在500~1200℃。

在一种优选的实施方式中，在碳化步骤之后，方法还包括氯化步骤：将碳化后物料加入至低温氯化炉中进行选择性氯化，生成氯化钛；优选氯化温度为500~600℃，氯气使用量为100~600Nm³。基于此，氯气利用率85%以上，产出的粗TiCl₄中TiCl₄含量大于90%，粗TiCl₄精制净化后可作为钛白粉或海绵钛的原料。同时，还可以显著降低Ca、Mg等杂质的氯化，降低操作温度、提高产品质量等均有利。

在一种优选的实施方式中，碳化后的物料冷却后破碎，可分选出含碳物料和碳化物物料，碳化物物料送低温氯化，含碳物料返回使用。返回使用和低温氯化均以粉料，分选后物料无需处理，可直接使用。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

实施例1

采用图1所示装置，H₁为0.8~1.9m，H₂为1~2m，H₃为2~3m，H₄为2~3m。

物料混合捣制成型。将1000kg钛渣（TiO₂=42.64%）与无烟煤、焦炭、沥青、含碳返料按照1000:160:100:30:300的比例混匀，捣制成型。

烧结。从碳化部上来的1000℃左右高温烟气（220Nm³）与第一喷孔鼓入的空气（320Nm³）混合燃烧放热，可使捣制成型的物料烧结成型，形成电导率为50~60S·cm^-1的发热体。烧结后，烟气排出温度为200℃。

碳化。控制第一导电夹持器与第二导电夹持器之间的温度为1000~1450℃。

破碎分选。碳化后物料出炉降温，再进行切割，接着进行破碎分选，破碎分选后的含碳返料和碳化物料返回作为作料混入钛渣中继续使用。

碳化物料中钛的碳化率85.71%，其中TiC含量29.06%。

低温选择性氯化。将上述碳化物料送低温氯化工艺，在550℃条件下，物料中的TiC被选择性氯化，消耗氯气230Nm³，氯气利用率92.10%，产出950kg粗TiCl₄产品（TiCl₄=95.56%），粗TiCl₄精制净化后可作为钛白粉或海绵钛的原料。

处理1吨钛渣（TiO₂=42.64%），消耗无烟煤160kg，焦炭100kg，烧结段消耗空气320Nm³，碳化过程耗电量1070KWh，低温氯化消耗氯气230Nm³。烧结成型段发热体排出烟气量550Nm³，低温氯化段产出粗TiCl₄产品950kg，氯化尾渣670kg。

实施例2

与实施例1的区别仅在于，捣制成型的物料不使用高温烟气烧结，仅依靠电极电阻热的方式加热升温烧结，发热体将从常温下（25℃）升温。此时后续达到同样的碳化效果，碳化过程耗电量为1430KWh，比实施例1高360KWh。

实施例3

与实施例1的区别仅在于，捣制成型的物料仅依靠高温烟气烧结，不鼓入空气。此时后续达到同样的碳化效果，碳化过程耗电量为1330KWh，比实施例1高260KWh。

实施例4

与实施例1的区别仅在于，通过第二喷孔鼓入50Nm³氮气降温。此时，进入烧结部的高温烟气量增大至270Nm³，配比鼓入空气量降至200Nm³，提升了烧结效果，进而使得碳化过程耗电量降至720KWh，比实施例1低350KWh。

实施例5

与实施例1的区别仅在于，通过第二喷孔鼓入50Nm³二氧化碳气体降温，可加快下部碳化后物料的降温过程，且CO₂会与部分C反应生成CO增大高温烟气量，提升了烧结效果，进而使得碳化过程耗电量降至830KWh，比实施例1低240KWh。

实施例6

采用图1所示装置，H₁为0.8~1.9，H₂为1~2m，H₃为2~3m。

物料混合捣制成型。将1000kg钛渣（TiO₂=22.35%）与无烟煤、焦炭、沥青、含碳返料按照1000:100:60:50:140的比例混匀，放入电极壳内捣制成型。

烧结。电极壳下方至上把持器之间为烟气预热区域。从碳化部上来的900℃左右的高温烟气（130Nm³）与第一喷孔鼓入的鼓入空气（220Nm³）混合燃烧放热，可使捣制成型的物料烧结成型，形成电导率为90~100S·cm^-1的发热体。烧结后，烟气排出的温度为150℃。

碳化。控制第一导电夹持器与第二导电夹持器之间的温度为900-1550℃。

碳化物料中钛的碳氮化率83.33%，其中TiC含量13.02%。

低温选择性氯化。该碳化物料送低温氯化工艺，在550℃条件下，物料中的TiC被选择性氯化，消耗氯气120Nm³，氯气利用率88.96%，产出500kg粗TiCl₄产品（TiCl₄=92.48%），粗TiCl₄精制净化后可作为钛白粉或海绵钛的原料。

处理1吨钛渣（TiO₂=22.35%），消耗无烟煤100kg，焦炭60kg，烧结段消耗空气220Nm³，碳化过程耗电量770KWh，低温氯化消耗氯气120Nm³。烧结成型段发热体排出烟气量340Nm³，低温氯化段产出粗TiCl₄产品500kg，氯化尾渣800kg。

实施例7

采用图1所示装置，H₁为0.8~1.9，H₂为1~2m，H₃为2~3m。

物料混合捣制成型。将1000kg钛渣（TiO₂=65.33%）与无烟煤、焦炭、沥青、含碳返料按照1000:175:200:30:390的比例混匀，放入电极壳内捣制成型。

烧结。从碳化部上来的1200℃左右的高温烟气（370Nm³）与第一喷孔鼓入的空气（320Nm³）混合燃烧放热，可使捣制成型的物料烧结成型，形成电导率为50~70S·cm^-1的发热体。烧结后，烟气排出的温度为150℃。

高温电热碳化。第一导电夹持器与第二导电夹持器之间的温度为1200-1650℃。

碳化物料中钛的碳氮化率88.89%，其中TiC含量34.84%。

低温选择性氯化。该碳化物料送低温氯化工艺，在600℃条件下，物料中的TiC被选择性氯化，消耗氯气370Nm³，氯气利用率91.84%，产出1470kg粗TiCl₄产品（TiCl₄=96.87%），粗TiCl₄精制净化后可作为钛白粉或海绵钛的原料。

处理1吨钛渣（TiO₂=65.33%），消耗无烟煤175kg，焦炭200kg，烧结段消耗空气320Nm³，碳化过程耗电量1630KWh，低温氯化消耗氯气370Nm³。烧结成型段预热发热体排出烟气量640Nm³，低温氯化段产出粗TiCl₄产品1470kg，氯化尾渣420kg。

实施例8

采用图1所示装置，H₁为0.8~1.9，H₂为1~2m，H₃为2~3m。

物料混合捣制成型。将1000kg钛渣（TiO₂=92.51%）与无烟煤、焦炭、沥青、含碳返料按照1000:200:250:60:440的比例混匀，放入电极壳内捣制成型。

烧结。从碳化部上来的1200℃左右的高温烟气（500Nm³）与第一喷孔鼓入的空气（200Nm³）混合燃烧放热，可使捣制成型的物料烧结成型，形成电导率为30~50S·cm^-1的发热体。烧结后，烟气排出温度为200℃。

碳化。第一导电夹持器与第二导电夹持器之间的温度为1200-1750℃。

碳化物料中钛的碳氮化率89.47%，其中TiC含量49.74%。

低温选择性氯化。该碳化物料送低温氯化工艺，在500℃条件下，物料中的TiC被选择性氯化，消耗氯气510Nm³，氯气利用率93.00%，产出2060kg粗TiCl₄产品（TiCl₄=98.02%），粗TiCl₄精制净化后可作为钛白粉或海绵钛的原料。

处理1吨钛渣（TiO₂=92.51%），消耗无烟煤200kg，焦炭250kg，烧结段消耗空气200Nm³，电热碳化过程耗电量2240KWh，低温氯化消耗氯气510Nm³。烧结成型段发热体排出烟气量600Nm³，低温氯化段产出粗TiCl₄产品2060kg，氯化尾渣180kg。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种钛渣烧结碳化装置，其特征在于，所述钛渣电热烧结装置为一体炉，所述一体炉具有炉壳（1）及由所述炉壳（1）围绕形成的炉腔，所述一体炉自上至下分为相连通的烧结部（10）和碳化部（20），所述炉壳（1）分为对应于所述烧结部（10）的第一部分炉壳和对应于所述碳化部（20）的第二部分炉壳，所述炉腔分为对应于所述第一部分炉壳的第一腔体（11）和对应于所述第二部分炉壳的第二腔体（21），其中，

所述烧结部（10）设置有第一加料口，用于加入钛渣及含碳物料；至少部分所述第一部分炉壳的内壁设置有电极壳体（12），其用于向所述第一腔体（11）内提供热能，以使所述钛渣及所述含碳物料进行烧结，形成发热体；

所述碳化部（20）的所述第二腔体（21）内设置有导电夹持单元（22），所述导电夹持单元（22）用于夹持所述发热体并在外部电源作用下使所述发热体通电发热，以进行碳化反应，生成碳化钛。

2.根据权利要求1所述的钛渣烧结碳化装置，其特征在于，所述电极壳体（12）的一部分设置在所述第一部分炉壳的上部内壁，一部分延伸至所述第一部分炉壳的顶端外部；

将所述电极壳体（12）到所述第一腔体（11）底部的高度记为H₁，H₁为0.5~5m；

所述第一部分炉壳的下部设置有至少一个第一喷孔（111）。

3.根据权利要求1或2所述的钛渣烧结碳化装置，其特征在于，所述炉壳（1）为等径柱形炉壳，且将所述第一腔体（11）的高度记为H₂、所述第二腔体（21）的高度记为H₃，H₂ /H₃为（1~5）：（2~3）。

4.根据权利要求1或2所述的钛渣烧结碳化装置，其特征在于，所述导电夹持单元（22）包括：

第一导电夹持器（221），设置在所述第二腔体（21）的上部，且所述第一导电夹持器（221）的夹持尺寸可调节；

第二导电夹持器（222），设置在所述第二腔体（21）的下部，且所述第二导电夹持器（222）的夹持尺寸可调节；

其中，所述第一导电夹持器（221）和所述第二导电夹持器（222）分别连接所述外部电源的两极。

5.根据权利要求4所述的钛渣烧结碳化装置，其特征在于，将所述第一导电夹持器（221）和所述第二导电夹持器（222）之间的高度记为H₄，H₄为2~3m。

6.根据权利要求4所述的钛渣烧结碳化装置，其特征在于，所述第二部分炉壳的位于所述第一导电夹持器（221）和所述第二导电夹持器（222）之间的位置处设置有至少一个第二喷孔（211）。

7.根据权利要求1或2所述的钛渣烧结碳化装置，其特征在于，所述导电夹持单元（22）的通电电压为50~120V。

8.根据权利要求1或2所述的钛渣烧结碳化装置，其特征在于，所述炉腔内还设置有升降设备（2），所述升降设备（2）用于支撑所述炉腔内的物料并进行上下移动。

9.一种钛渣烧结碳化方法，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的钛渣烧结碳化装置进行钛渣的烧结碳化，所述方法包括以下步骤：

烧结步骤：将钛渣及含碳物料通过第一加料口加入至烧结部（10）中进行烧结，以形成发热体；

碳化步骤：使所述发热体进入至碳化部（20）进行碳化反应。

10.根据权利要求9所述的钛渣烧结碳化方法，其特征在于，所述钛渣中TiO₂的质量含量为10~95%。

11.根据权利要求9所述的钛渣烧结碳化方法，其特征在于，所述含碳物料选自无烟煤、焦炭、沥青或石墨中的一种或多种；所述钛渣中TiO₂和所述含碳物料中C的质量比为（0.5~2）：1。

12.根据权利要求9所述的钛渣烧结碳化方法，其特征在于，通过第一喷孔（111）向第一腔体（11）内鼓入空气，所述空气的鼓入量为1~350Nm³；和/或

通过第二喷孔（211）向第二腔体（21）内鼓入冷却气体；所述冷却气体选自N₂、CO₂或水蒸气中的一种或多种；所述冷却气体的鼓入量为1~100 Nm³。

13.根据权利要求9所述的钛渣烧结碳化方法，其特征在于，所述发热体的电导率为1~100S·cm^-1。

14.根据权利要求9所述的钛渣烧结碳化方法，其特征在于，所述碳化反应的反应温度控制在1400~1700℃。

15.根据权利要求9所述的钛渣烧结碳化方法，其特征在于，所述烧结的烧结温度控制在500~1200℃。