真空碳热还原处理钛精矿制备高品位钛渣的热力学与动力学研究

There are lots of titanium resource in the Panzhihua-Xichang area, in China, but most of which has high content of calcium magnesium, were rock ore and the grade of TiO2 is low. The high calcium magnesium in high titania slag produced by traditional electric furnace smelting method hinders the later manufacture of titanium though the way of chlorination. So the key of successful titanium crafts by ilmenite chlorination is removing the high calcium magnesium in high titanium slag, lowly cost and efficiently. Based on the question, the vacuum carbothermic reduction of ilmenite for removing magnesium and calcium to prepare high titania slag was given for the first time. Firstly, the project exploits the soft of FactSage to calculate the influence of temperature, pressure, carbon content on the slag phase and gas phase composition and their contents, and then understand the process of ilmenite vacuum carbothermic reduction. Along of the database, we should do depth study on thermodynamics of the ilmenite decomposition process, phase equilibria and reaction kinetics with multiphase and the mechanism of the impurity elements separated from the slag during the new process. At last, obtain the physical chemistry properties of the process of vacuum carbothermic reduction of ilmenite, and then provide some theoretical basis and technical support for efficiency clean utilization and industrial application of ilmenite in Panzhihua, China.

我国攀西地区拥有丰富的钛资源，但基本属于高钙镁岩矿，TiO2品位相对较低。采用传统的电炉法冶炼获得的高钛渣中同样含有较高的钙镁，这对后续采用氯化法生产钛白工艺带来了很大困难。因此，低成本高效地脱除高钛渣中的钙、镁杂质是采用攀枝花钛精矿通过氯化法生产钛白工艺取得成功的关键。针对该问题，首次提出真空碳热还原钛精矿脱除钙、镁等杂质制备高品位钛渣的新工艺。本项目首先采用FactSage软件计算温度、压力和配碳量等因素对渣相和气相成分及其含量变化的影响规律，系统地了解其反应过程；在此基础上，深入研究真空碳热还原钛精矿过程的反应热力学、多元多相体系的相平衡和反应动力学，以及杂质元素与渣相分离的调控规律与机制；最终获得真空碳热还原处理钛精矿制备高品位钛渣过程的物理化学特性，以期为攀西地区钛精矿高效清洁利用及工业化应用提供若干理论基础和技术支持。

我国攀西地区拥有丰富的钛资源，但基本属于高钙镁岩矿，TiO2品位相对较低。采用传统的电炉法冶炼获得的高钛渣中同样含有较高的钙镁，这对后续采用氯化法生产钛白工艺带来了很大困难。基于此，首次提出真空碳热还原钛精矿脱除钙、镁等杂质制备高品位钛渣的新工艺。首先热力学研究表明：当压力为100 Pa，配碳量不变的条件下，温度高于1300℃时，气相中开始出现Mg、SiO、Mn 蒸气；当温度升高到1700℃时，气相和渣相中各成分的含量趋于一个定值，渣中主要氧化物为TiO2和Ti2O3，此时钛渣品位高达88%。实验研究表明：还原后试样的失重率和金属化率随着温度、配碳量和保温时间的增加而增加。在1400℃，配碳量14%，保温时间90min时失重率达到最大值31.68%；在1400℃，配碳量12%，保温60min时金属化率达到最大值97.68%。在还原温度分别为1100℃、1200℃、1300℃，还原时间分别为0min、10min、20min、30min、60min、90min时，建立了钛精矿还原的等温动力学方程：近似认为，在1100℃，0-30min时外扩散为还原限制性环节，30-90min时成核长大为还原限制性环节。1200℃和1300℃，0-30min和30-90min的限制性环节均为外扩散；建立了钛精矿还原中铁的等温动力学方程；近似认为，在1100℃，内扩散为还原限制性环节，在1200℃，0-30min时界面化学反应为还原限制性环节，30-90min时成核生长为还原限制性环节，在1300℃，0-30min时外扩散为还原限制性环节，30-90min时内扩散为还原限制性环节。建立了钛精矿还原的非等温动力学方程；1000-1150℃阶段还原主要受扩散控制，1150-1300℃阶段还原主要受相边界反应控制，1300-1400℃阶段还原主要受成核长大控制；建立了铁、硅、镁的非等温挥发动力学方程，近似认为Fe元素的挥发过程主要受三维扩散控制，Si元素的挥发主要受二维扩散的控制，Mg元素的挥发主要受三维扩散的控制。高温真空还原后的钛渣的主要物相为TiO2、Ti2O3和TiO；当还原温度1550℃，还原时间45min时，获得钛渣TiO2品位高达93%（CaO+MgO<0.5%）。升高温度和延长还原时间均能促进硅和镁的挥发。其中，镁的挥发率可以达到99%，硅的挥发率能达到86%。