富氢气基还原钛精粉过程的物相转变规律基础研究

钛精粉的现有处理工艺不能满足国家的低碳经济、节能减排的发展要求，因此必须开发全新的对钛精粉的高效利用新路径。课题以国内特色矿产资源钛精粉为研究对象，工业含能气体的综合利用为目标，探索H2-CO相互促进的耦合反应机理，寻求钛精矿相在还原过程中的质能转变规律及还原过程中的内在联系。. 课题通过研究钛精矿中铁、钛不同金属还原析出特性与还原气体浓度、压力、流量、温度以及颗粒大小、空隙度、比表面积等一系列物理量的定量关系，观察原料颗粒物性变化在不同还原气体条件下的微观结构全貌；评价富氢气体还原效率, 构建氢气和一氧化碳的耦合机理，推导不同H2/CO浓度气体强化还原反应的机理，从而建立以冶金过程含能气体重整为富氢还原气直接还原钛精粉的控制理论体系。为最终实现难处理矿产资源的短流程高效低耗利用，形成节能减排、绿色环保的工艺提供坚实的理论基础。

钛精矿的现有处理工艺已不能满足国家的低碳经济、节能减排的发展要求，“十二五”计划明确提出，力争在2015年彻底淘汰开放式电炉冶炼钛渣等落后产能，因此必须开发全新的钛精粉高效利用新路径。本课题针对国内特色矿产资源攀枝花钛精矿，以工业含能气体的综合利用为目标，提出富氢气基直接还原的新方法，探索了H2-CO相互促进的耦合反应机制。通过热力学计算，钛铁矿的还原路径符合“叉状机理”，在低于1150 oC时，钛铁矿(FeTiO3)直接还原为金属铁(Fe)和金红石(TiO2)，高于此温度，FeTiO3会首先还原为亚铁板钛矿(FeTi2O5)而后再还原为Fe和TiO2。而在实际还原过程中，由于攀枝花钛铁矿中固溶的杂质镁使得还原历程偏离这一规律。通过对富氢气体还原动力学模型的建立和求解得出，还原过程的动力学参数 (包括反应速率常数和扩散系数) 随着H2含量和CO含量的变化而变化，还原过程的活化能随着H2含量的降低而增加。当H2体积浓度为60%时，富氢气体中的主要气体组分(H2和CO)表现出了良好的协同耦合作用，其反应的动力学性质接近单一H2，同时又减弱了H2还原过程中的杂质元素的迁移和聚集。为阐述杂质元素 (主要为镁元素) 的迁移规律，建立了还原过程的物理模型并对该模型进行了探讨。此外，应用短流程固体透氧膜方法对钛铁矿及还原产物进行了非融态电脱氧实验，结果表明经过富氢气基预还原的矿物能够更加快速的制备金属钛及其合金。