CN1478908A

CN1478908A - 一种分离铁和钛制备高钛渣的方法和装置

Info

Publication number: CN1478908A
Application number: CNA021295123A
Authority: CN
Inventors: 袁章福; 李文兵; 寥荣华; 胡鸿飞; 杨成砚; 王中礼; 孔令坛; 万天骥
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS; Panzhihua Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS; Panzhihua Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-03

Abstract

本发明涉及到含钛矿物(钛精矿或钛铁矿)在一种TFSF转底炉内分离铁和钛，制备高钛渣和金属铁的新工艺和新装置。其中的高钛渣可以应用于硫酸法或氯化法钛白粉生产工艺，而金属铁可以作为炼钢原料。本发明采用一种TFSF转底炉直接还原，以煤、焦炭或木炭为还原剂，以天然气、丙烷、燃油和煤粉等作供热燃料，在低于原料熔点，固相还原含碳球团中的氧化铁，分离含钛矿物中的铁和钛，同时生产高钛渣和铁，提高原料的综合利用率，降低生产成本，并可大规模生产，为钛资源综合利用提供了一个可行的途径。

Description

一种分离铁和钛制备高钛渣的方法和装置

技术领域

本发明为固态还原分离铁和钛，生产高钛渣和铁的方法。具体涉及到含钛矿物(钛精矿或钛铁矿)制备高钛渣和铁，按此工艺可以大幅度提高产能，降低高钛渣的生产成本。

背景技术

高钛渣是硫酸法和氯化法生产钛白的原料，也是生产四氯化钛和海绵钛等钛系制品的原料。虽然钛精矿可以直接用于硫酸法制取钛白，但生成硫酸亚铁尚不能利用。

采用硫酸法生产钛白，存在工艺流程冗长，为了解决我国硫酸法钛白生产过程中的“三废”等问题，首先，要加快酸溶性钛渣及高钛渣的发展进程，生产高品位的酸溶钛渣(TiO₂：75～80％)和的高钛渣(TiO₂＞85％)，实现″以渣代矿″的精料方针。目前，发达国家的硫酸法几乎多以富钛料(TiO₂＞80％)为原料生产钛白，而国内还没有一家硫酸法钛白粉厂未使用富钛料(高钛渣或人造金红石)作为原料，低品位的钛铁矿成为主要的原料，导致国内钛矿工业发展处于较低水平。随着环保压力及综合经济效益的改善，国内硫酸法采用高钛渣将会而出现较快的增长。同时，由于氯化法钛白粉工艺必须使用天然金红石、人造金红石或高品位的高钛渣(TiO₂＞90％、CaO+MgO＜1％)，而天然金红石已接近枯竭，因此，今后必须以高钛渣为原料。

目前，国内外生产高钛渣的主要方法是还原熔炼法。

还原熔炼法生产高钛渣是在矿热式电弧炉内，1600～1800℃高温下还原熔炼钛铁矿。它以无烟煤或石油焦为还原剂，所得凝聚态产物为生铁和高钛渣。其实质是钛铁矿与固体还原剂等混合加入电弧炉中进行还原熔炼，矿中铁的氧化物被选择性还原为金属铁，而钛的氧化物被富集在炉渣中，经渣铁分离获得钛渣和副产品金属铁。由于钛铁矿的熔化温度约为1470℃，所以还原过程大部分时间是在熔融状态下进行的，使密度小的钛渣浮在上方，熔融铁水位于下方。还原熔炼法是一种比较成熟的工艺，但是，不足之处是能耗高，每生产1吨钛渣大约需要耗电2000～3500 kw·h。同时，在高温熔融状态下，会导致生成更多钛的低价氧化物甚至生成TiC等高熔点物质，当原料钛铁矿中含有较高含量的氧化钙和氧化镁杂质，易和钛的氧化物形成难溶固溶体物质，使体系的熔化温度、粘度、表面张力等物化性质逐渐恶化，致使还原反应难于进行。另外，由于电炉熔分过程改变了高钛渣的结构和酸溶性，对硫酸法钛白生产或盐酸法取钙、镁带来了不良的影响。在国内，还采用工艺和设备落后的小功率敞口电炉法，制造高品位钛渣(TiO₂：92～94％)作为氯化制造TiCl₄的原料。这种工艺只适合于小规模生产使用，很难将这种工艺放大到大型化规模。用这种方法制造含(CaO+MgO)＜1％的高品位钛渣，只能以两广和海南砂状钛铁矿为原料。以云南矿为原料制造的高钛渣中的(CaO+MgO)含量在2～4％之间，可以作为熔盐氯化炉或无筛板氯化炉的原料。以我国藏量最丰富的攀枝花矿为原料制造的高钛渣，其中的(CaO+MgO)含量在6～10％之间，目前，还没有规模生产，处于工业试验阶段。由于经过电炉熔分后，改变了高钛渣结构和破坏了酸溶性，给硫酸法钛白粉生产工艺带来了不良影响。国内现有生产高钛渣或将高钛渣焙烧成人造金红石的工厂十几家，但是总计产能只约4万吨/年。而且，目前我国熔炼钛渣的电炉最大容量为6300kVA，仍是50年代水平的敞开式电炉，热损耗大、电耗高。

转底炉具有原料灵活、还原快速、设备简单、性能稳定等特点，使得转底炉在新工艺开发上具有了可靠的保证。从理论上讲，转底炉工艺可用于处理多种铁矿石

和含铁废料，其生产、试验设备的选择也可根据原理和方案的不同而进行单独的设计。利用转底炉进行直接还原生产铁是一项新工艺，它是通过在环形转底炉中，敞焰加热含碳球团生产海绵铁的直接还原方法，近三十多年来发展很快。据报道美国Midrex公司的前身Ross公司在1950年左右就发明了含碳球团的直接还原法，在1965～1966年在明尼苏达州的Cooley就进行了小规模试验，称之为FASTMET直接还原工艺，中间停顿了一段时间，进入90年代才开始工业性试验，并在日本建成示范工程，计划在美国兴建一个大型的生产厂。1974年，加拿大Inmetco公司开始研究含碳球团的直接还原，并命名为Inmetco工艺，首座Inmetco工厂于1978年在美国的Ellwood市建成并投产，它以铁精矿粉和工业废料为原料，年产7万吨金属化球团，至今仍在生产。1983年，德国Mannensman Demag公司取得许可证，称之为转底炉(RHF)，并进行更大规模的工业试验。一座年处理33万吨工业废料的转底炉工厂的设计于1986年完成。1996年，德国和泰国合作用此工艺建设一座年生产海绵铁50万吨的转底炉。国内先后在河南舞阳、四川阿坝、辽宁鞍山和山西翼城(年产10万吨级)等地建成了几座转底炉直接还原生产海绵铁。

我国是钛资源大国，约占世界储量的45％，其中90.5％以上集中在攀枝花。但是，攀枝花钛资源的缺点是钙、镁含量太高。如果采用本发明的方法和装置，直接还原攀枝花钛精矿或钛铁矿制备的高钛渣，可以直接用于硫酸法生产钛白粉。如果采用两广或海南的钛精矿或钛铁矿，由于原料钙、镁含量低，所得的高钛渣既可用于硫酸法生产钛白粉，也可用于氯化法生产钛白粉。

发明内容

本发明的装置是一种环形转底炉的结构，称为钛铁分离转底炉(TiO₂ and FeSeparation Furnace，简称TFSF)。本发明的特点是可以在较低的还原温度条件下(钛精矿或钛铁矿的熔点以下)，直接还原矿中的氧化铁，而不与或仅仅与少量的钛氧化物发生反应，并可大规模的生产，而且生产成本低。TFSF法的原料为含碳球团，燃料为天然气、煤或燃油，其设备为环形结构，环形炉壁包括内墙和外墙，环形炉盖，TFSF环形炉底以一定速度转动，并且附设燃料装置。转底炉采用直接连续加料和连续放出直接还原的铁和高钛渣。含碳球团从TFSF转底炉入料口装入炉内的环形空间的底部，利用燃烧装置燃烧燃料，加热TFSF转底炉的环形空间，入炉的含碳球团经过TFSF转底炉回转，被预热，加热和还原，回转一周逐渐完成还原过程。

首先是原料的准备，即将钛精矿或钛铁矿(含钛矿物)粉碎成粉末，再将矿粉、还原剂和粘结剂按一定比例混匀，通过园盘造球机制备成10～25mm的生球。生球所需强度仅为满足储存和输送到TFSF转底炉所需的强度。生球经100～200℃干燥后送至TFSF转底炉。然后在炉内还原，即生球通过炉顶的给料槽送到TFSF炉床底上，球团均匀分布在一个旋转的炉床上，布料厚度为20～50mm，即两至三个球团。球团在炉内回转一圈后，成为还原后的成品，从炉中送出。炉子的装料段和卸料段是通过两块径向挡板与反应段隔开。炉底和球团旋转方向与燃烧和反应生成的气流相反，炉子温度是借助内外墙的燃料烧嘴来进行控制的。随着TFSF炉床的转动，炉床上部的烧嘴把球团加热到1523～1573K，并将氧化铁还原成金属铁。因为在含碳球团中，金属氧化物和固体碳处于密切接触，在一定的温度条件下，还原反应进行的很快。因此，重要的是：含碳球团的球团层温度应尽可能地提高到反应所需的水平。含碳球团在炉床上的停留时间一般为20min左右。炉料的停留时间取决于铁氧化物和还原剂达到反应温度和预定达到的金属化率所需时间。其它的直接还原工艺一般要求物料在炉内停留4～8h。直接还原产品中碳的含量可以控制在0.5～5％的水平，通过气氛调节和配碳量使二次氧化降到最低水平。接着是冶炼/熔化，还原后成品球团的温度约为900～1000℃，可以直接卸入储料罐中，另外也可用热压机压成块铁。经过TFSF转底炉转一圈还原后的含碳球团，铁的金属化率在75～95％。

本发明的生产工艺流程图见图1。主要包括转底炉的料仓(1)，粉碎机(2)，然后经造球机(3)造球；含碳球团经干燥器和预热器(4)干燥和预热；转底炉(7)包括炉膛，加料口(5)，出料口(6)，逆向换热器(8)，空气换热器(9)，除尘器(10)，粉碎机(11)以及磁选分离机(12)，最后分离进入铁的仓库(13)和高钛渣仓库(14)。

本发明的TFSF转底炉俯视图见图2，TFSF转底炉炉型为环形，包括环形炉的环形内炉墙(30)和外炉墙(31)，加热段空气喷咀或喷口(32)，还原段空气喷咀或喷口(33)，控制还原段喷咀或喷口(36)，出料口和卸料螺旋机(11)，刮料板(38)以及TFSF转底炉产品冷却器即逆流换热器(12)。

本发明实施方案，采用攀枝花钛精矿(含47％TiO₂、34.64％Fe、5.89％MgO、1.57％CaO以及3.53％SiO₂等)，含碳球团中固定碳含量为5％～7％，粒度为15～20mm。含碳球团的预热温度为400～600℃。在转底炉炉膛三个区段设置热风喷咀或喷口，喷入不同流量的热风，以控制三个区段的温度和炉气成分，加热段温度为1000～1200℃，还原段温度为1200～1350℃，控制还原段温度为1200～1400℃。还原后的含碳球团，冷却之后破碎，经过磁选分离后得铁，其成分为碳＜2.5％，硫＜0.06％，金属化率大于85％。而分离后所得的高钛渣，其TiO₂含量大于83％。

攀枝花钛资源的储量占世界总量的35％以上，缺点是钙、镁含量太高。如图3所示，采用本发明的方法和装置，直接还原含钛矿物(钛精矿或钛铁矿)制备的高钛渣，可以有下面三种工艺方法：

1.如果采用攀枝花钛精矿(含47％TiO₂、34.64％FeO、5.89％MgO、1.57％CaO以及3.53％SiO₂等)作为原料生产的高钛渣(TiO₂：80％)，含可以直接用于硫酸法生产钛白粉。

2.如果采用两广、海南或云南的钛精矿或钛铁矿，由于原料钙、镁含量低，所得的高钛渣既可用于硫酸法生产钛白粉，也可用于氯化法生产钛白粉。

3.如果采用攀枝花钛精矿(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)作为原料生产的高钛渣，由于所得高钛渣中钙、镁含量高(CaO：1.6～3％、MgO：6～9％)，必须与后续的盐酸法结合，进行高钛渣取钙镁的处理，得到的富钛料含90％的TiO₂(CaO+MgO＜1.0％)，再用于快速流化床氯化制备四氯化钛，其是氯化法生产钛白和还原制备海绵钛的唯一原料。

在第3种工艺流程中，由于TFSF装置在较低的还原温度条件下(钛精矿或钛铁矿的熔点以下)，直接还原矿中的氧化铁，而不与或仅仅与少量的钛氧化物发生反应，没有改变高钛渣的矿相结构和酸溶性，可以提高盐酸法取钙镁的效率，大幅度降低废盐酸的处理量。而电炉熔炼由于是在熔点以上进行熔化还原，改变高钛渣的矿相结构、并破坏其酸溶性，不利于盐酸法的取钙镁。

盐酸法可以直接用钛精矿生产富钛料(TiO₂：80～95％)，但是，每生产1吨富钛料要生成约7吨的废盐酸，同时加压浸出设备投资较大，生产成本高。而采用TFSF转底炉后，上述第三种工艺流程可以降低成本25～50％。

Claims

1.一种分离铁和钛制备高钛渣的方法和装置，其特征在于包括造球、TFSF转底炉还原、破碎、磁选分离等过程。原料中的钛铁矿或钛精矿含TiO₂40～60％，含全铁25～50％，含碳球团中的组成为钛铁矿或钛精矿、煤粉或石油焦，TFSF转底炉包括加热段、还原段和控制还原段三个区域，燃料包括煤粉、煤气或天然气。在TFSF转底炉炉膛三个区段设置热风喷咀或喷口，喷入不同流量的热风，以控制三个区段的温度和炉气成分，TFSF转底炉炉膛温度为1000～1400℃。TFSF转底炉排出的烟气经过空气换热器预热热风达500～1200℃，供给含碳球团预热；破碎装置将还原后的球团破碎到2～5μm，磁选分离得铁和高钛渣。

2.根据权力要求1所述的一种分离铁和钛制备高钛渣的方法和装置，其特征在于含碳球团中固定碳的含量占球团总重的5～15％。

3.根据权力要求1所述的一种分离铁和钛制备高钛渣的方法和装置，其特征在于经过TFSF转底炉转一圈还原后的含碳球团，其总铁的金属化率在75～95％。

4.根据权力要求1所述的一种分离铁和钛制备高钛渣的方法和装置，其特征在于经过TFSF转底炉转一圈还原后的含碳球团，其碳与TiO₂仅仅少量发生反应，生成少量低价的钛的氧化物或不发生反应。

5.根据权力要求1所述的一种分离铁和钛制备高钛渣的方法和装置，其特征在于经过TFSF转底炉转一圈还原后的含碳球团，经过破碎、磁选分离后，所得钛渣的TiO₂含量大于83％。

6.根据权力要求1所述的一种分离铁和钛制备高钛渣的方法和装置，其特征在于经过TFSF转底炉转一圈还原后的含碳球团，经过破碎、磁选分离后，所得钛渣可直接用于硫酸法生产钛白或氯化法生产钛白。

7.根据权力要求1所述的一种分离铁和钛制备高钛渣的方法和装置，其特征在于经过TFSF转底炉转一圈还原后的含碳球团，经过破碎、磁选分离后，所得铁可直接用于炼钢。