一种以钛精矿为原料制取高品位金属铁和富钛渣的方法

摘要

一种以钛精矿为原料还原分离制取高品位金属铁和富钛渣的方法，此种方法以钛精矿为主要原料，以隧道窑、转底炉、BLT-还原窑等为生产设备，其特征是将TFe＝30-35％，TiO2＝45-50的钛精矿原矿同TFe≥71.5％的铁鳞混合使之品位达到TFe＝40-45％，然后按比例添加煤粉、水、粘结剂和由芒硝、纯碱和工业盐构成的助剂，经混合造粒、高温还原，制得金属铁和富钛渣。所得的金属铁中TFe≥88％，TiO2≤6％；所生成的富钛渣中TiO2≥72％，TFe≤6％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以钛精矿粉或钒钛磁铁矿粉为原料还原分离制取高品位 金属铁和富钛渣的方法。

背景技术

包括钒钛磁铁矿或钛精矿在内的铁钛共生矿储量比较丰富，但其开采利 用一直是冶金界的一大难题，经过科研人员的不懈努力，上世纪70年代以来， 高炉冶炼钒钛磁铁矿技术有了明显的突破，使得此类矿藏得到了一定程度的 利用，但是就资源节约而言，仍存在着一定的不足。这就是矿物中的TiO₂并 未得到充分提取，特别提出的是在钒钛磁铁矿浮选后得到的含钛量较高的钛 精矿，其TiO₂含量大约45％以上，TiO₂含量如此高的矿物未能得到很好利用， 这是因为：

高炉利用钒钛磁铁矿或钛精矿进行冶炼过程中，由于TiO₂的存在，高炉 软熔滴落带的性能与炉料结构和炉料的冶金性能发生了很大变化，给高炉冶 炼带来的很大难度，这是因为炉渣中的TiO₂在软熔滴落带产生过还原，生成 高熔点的TiC、TiN、Ti(C，N)固溶体溶解于炉渣中，使炉渣变粘并产生泡沫渣， 恶化了炉缸工作条件，软熔带呈饼状结构，滴落性极差，渣铁分离不好。高 炉各项经济指标均不理想。为了减少炉内的高熔点TiC、TiN、Ti(C，N)固溶体 的生成量，抑制钛的过还原，防止泡沫渣的生成，在高炉炉料中不得不加入 一定数量的白云石、氟石，它们都进入到炉渣之中，致使炉渣中的TiO₂含有 量最高只能达到26％，而且多以玻璃相形态结晶，缺乏足够的活性，因此几 乎无法作为含钛矿物加以利用，资源浪费比较严重。

另一方面，TiO₂又是非常重要的战略性资源，这是因为TiO₂不仅是非常 好的白色颜料，而且是钛合金的基本原料。纯钛抗拉强度最高可达 180kg/mm²。虽然有些钢的强度高于钛合金，但钛合金的比强度(抗拉强度和 密度之比)却超过优质钢。钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性，故 多用作飞机发动机零件和火箭、导弹结构件。钛合金还可作燃料和氧化剂的 储箱以及高压容器。现在已有用钛合金制造的自动步枪，迫击炮座板及无后 座力炮的发射管等。在石油工业上主要作各种容器、反应器、热交换器、蒸 馏塔、管道、泵和阀等。钛可用作电极和发电站的冷凝器以及环境污染控制 装置。钛镍形状记忆合金在仪器仪表上已广泛应用。在医疗中，钛可作人造 骨头和各种器具。钛还是炼钢的脱氧剂和不锈钢以及合金钢的组元。钛白粉 是颜料和油漆的良好原料。碳化钛，碳(氢)化钛是新型硬质合金材料。氮化钛 颜色近于黄金，在装饰方面应用广泛。因此，有效利用钒钛磁铁矿或钛精矿， 不仅是要将Fe元素提取出来，同时也应该将矿石中的含Ti元素矿物TiO₂得 到充分提取。依靠高炉工艺已经无法完成上述设想，只能另避蹊径，采用新 的设备与工艺，进行新探索。

发明内容

利用隧道窑、BLT-I还原窑等设备，通过直接还原方式制取金属铁是近 些年来兴起的新技术，具体方法是用气体或固体还原剂在低于矿石软化温度 下，在反应装置内将铁矿石还原成金属铁的方法。利用该种方法无需考虑热 态下渣相组成，进而无需向铁钛矿原料中加入多余的非金属添加剂，只是考 虑还原剂的数量和性能，其中对于我国目前天然气并不富裕的情况下，使用 煤基还原剂，将氧化铁和煤粉及少量的添加剂混合造球或压块，经过高温还 原制取金属铁，而氧化铁被还原后，余下矿物中钛氧化物(主要成分为TiO₂) 得到了充分的富集，这是一个十分可行的技术方案。发明者经过反复试验， 形成了一种完整的以铁钛矿为原料还原分离制取高品位金属铁和富钛渣的技 术方法。具体工艺过程如下所述：

(1)原料选择

选择的钛精矿原矿中按质量百分数计TFe＝30-35％，TiO₂＝45-50％；粒度： -200目≥90％。

选择的还原剂中按质量百分数计：C＝80～85％，灰分＝3～5％，挥发份 ＝10～15％，粒度≤-160目。

选择的铁鳞品位：TFe≥71.5％，粒度：200目≥90％。

(2)配料混合

将含铁钛原矿和铁鳞混合在一起制成含铁矿物，使之品位达到 TFe＝45-50％，然后向含铁矿物中加入还原煤粉，煤粉的加入量按质量百分比 计为含铁矿物的3-8％，再向混合物中加入三种添加剂，加入的种类及数量分 别为：芒硝Na₂SO₄＝1-3％，纯碱Na₂CO₃＝0.5-2％，工业盐NaCl＝1-2％，这里 的加入数量是按含铁矿物质量百分数计，即加入的数量是含铁矿物质量的百 分之几，然后充分混合，制成含铁矿物混合料。

(3)造球压块

向含铁矿物混合料中加入粘合剂，其加入量为混合料质量的0.35-0.40％， 同时喷入含铁矿物混合料质量8％-9％水，然后混均造球或者压制成椭圆形料 块，这里使用的黏合剂为市场出售的普通腐植酸纳或腐植酸钙。造球时球团 直径φ＝8-16mm，造块时所造料块的三维尺寸为φ₁＝18，φ₂＝23，φ₃＝25。也 可以不进行造球或压块儿，直接装入料罐等容器中，进行直接还原。

(4)装料还原

将球团或者料块装入到直接还原反应器中，依据反应器的不同再向反应 器内加入其他直接还原所必须的还原剂物料，如烟煤或无烟煤等，然后按照 常规方式对球团或物料进行加热还原，其中反应器内的反应温度应该控制在 1180-1320℃，球团或料块在反应器内停留的时间因反应器种类的不同而变 化，这些直接还原反应器包括隧道窑、回转窑、竖炉、转底炉、BLT-还原窑 等，停留时间最短4小时，最长16小时。

(5)破碎磁选

将还原好的金属化球团或金属化料块自反应器中排出，经冷却、筛分、 破碎到-200至-325目，然后进行常温湿式磁选，获得高品位的金属铁粉和富 钛渣产品；也可以不必破碎，直接进行电炉熔分，得到TFe≥88％，TiO₂≤6％ 的金属铁产品；所生成的炉渣中TiO₂≥72％，TFe≤6％，即为富钛渣产品。

采用本项发明生产直接还原铁和富钛渣，具有以下优点：

(1)投资小，见效快。使用本项技术和高炉工艺相比投资规模较小，建 设周期段，通常在1年左右的时间即可建成投产，和一般以高炉为主体设备 的炼铁工艺可以明显节省投资和建设周期。

(2)可以实现资源的全面利用。高炉工艺为了顺行，必须加入一定的添 加剂，控制高炉炉渣碱度，TiO₂最高含量只能达到26％，采用此方法不仅可 以实现Fe和TiO₂的有效分离，而且实现了TiO₂的有效富集，炉渣中TiO₂≥ 72％，可以实现资源的全面利用。

(3)节能环保。相对而言，直接还原耗能比较少，生产出的产品与废钢 相比成分单一，利用电炉或转炉实现快速炼钢，不仅可以生产出纯净度高的 钢材，而且缩短了冶炼时间，节约能源。

具体实施方式

本项发明针对铁钛矿综合利用制取直接还原铁和富钛渣而实现的一种行 之有效的技术方法。具体地说，该方法包括下述步骤：

(1)原料选择。按质量百分数计，钛精矿原矿中Fe品位不低于30％， 优选地，Fe品位为30％至50％，TiO₂含量不低于45％，优选地，TiO₂含量为 45％至50％，且钛精矿原矿粉中粒度-200目以下的数量不能低于90％，最好 能达到100％；选择的铁鳞品位不低于71.5％，粒度和矿粉的要求相同；所选 择的煤还原剂中含C＝80-85％，灰分＝3-5％，挥发份＝10-15％，粒度≤-160目。 这里，铁的品位用总铁(TFe)来表示，即铁元素的质量占总质量的百分比。

(2)配料混合。将原矿粉和铁鳞混合在一起制成含铁矿物，使之Fe品 位达到40％至45％，优选地，使Fe的品位达到45％以上，然后向含铁矿物 中加入还原煤粉，煤粉的加入量按质量百分比计为含铁矿物为3％至8％，优 选地，含铁矿物为6-8％，再向混合物中加入三种添加剂，加入的种类及数量 分别为Na₂SO₄＝1％-3％，(优选地，2-3％)，Na₂CO₃＝0.5％至2％，(优选地， 1-2％)，NaCl＝1-2％，然后充分混合，制成含铁矿物混合料。

(3)造球压块。向含铁矿物混合料中加入粘合剂，其加入量为混合料质 量的0.35-0.40％，同时喷入含铁矿物混合料质量的8-9％的水，然后混均造球 或者压制成椭圆形料块，这里使用的粘合剂为市场出售的普通腐植酸纳或腐 植酸钙。造出球团的直径φ＝8-16mm，造块时所造料块的三维尺寸为φ₁＝18， φ₂＝23，φ₃＝25。根据一个实施例，可以省略造球压块的步骤，而直接将含 铁矿物混合料装入反应器中进行直接还原。

(4)装料还原。将球团或者料块装入到直接还原反应器中，依据反应器 的不同再向反应器内加入其他直接还原所必须的还原剂物料，然后按照常规 方式对球团或物料进行加热还原，其中反应器内的最高反应温度应该控制在 1180-1320℃，球团或料块在反应器内停留的时间4-16小时。本发明可以使用 各种直接还原反应器，这些直接还原反应器包括隧道窑、回转窑、竖炉、转 底炉、BLT-还原窑等。

(5)破碎磁选。将还原好的金属化球团或金属化料块自反应器中排出， 经冷却、筛分、破碎到-200至-325目，然后进行常温磁选，得到直接还原铁 和富钛渣，所得的直接还原铁(金属铁粉)中的TFe≥88％，TiO₂≤6％；所 得的富钛渣中的TiO₂≥72％，TFe≤6％。

下面通过具体示例来更充分地描述本发明，其中，TFe表示总铁，即全 部铁元素的质量占总质量的百分比，MFe，表示金属铁，即金属状态的铁的 质量占总质量的百分比。

实施例1

利用隧道窑为还原工艺中的主体设备进行实施，采用钛精矿粉为原料， 还原分离生产高品位金属铁粉和富钛渣：

1)还原后所获产品的拟定指标：

①金属铁粉产品：

②富钛渣产品：

2)生产过程

(1)原料选取：

被还原物料钛精矿的主要成分指标如下为TFe＝33.27％、TiO₂＝47.56％； 粒度≤-200目的达到92％。

铁鳞指标：TFe＝71.8％、粒度：-200目以下占91％。

烟煤粉：C＝84.54％，灰分＝4.77％，挥发份＝10.69％，粒度≤-160目。

助剂(工业品)：芒硝：Na₂SO₄、纯碱：Na₂CO₃、工业盐：NaCl，打磨 成-160目的粉。

(2)配料：

按照钛精矿∶铁鳞粉＝68.00∶32.00的比例进行配料，此时含铁矿物的 TFe＝45.08％，将两种物料混合在一起制成含铁矿物，然后向含铁矿物中加入 烟煤粉，烟煤粉的加入量按质量百分比计为含铁矿物的3.16％，再向混合物 中加入：芒硝Na₂SO₄＝1.27％，纯碱Na₂CO₃＝0.68％，工业盐NaCl＝1.26％， 这里的加入数量是按含铁矿物质量百分数计，即加入的数量是含铁矿物质量 的百分之几，然后充分混合，制成含铁矿物混合料。

(3)装料还原：

采用煤基隧道窑还原铁方法，将上述含铁矿物混合料装入耐火罐中，再 将装好的耐火罐装上窑车，推进还原性气氛的隧道窑内进行高温还原。还原 温度为1220℃，还原时间为16h。

(4)破碎磨粉进行湿式磁选。

出窑后，冷却窑车，倒出耐火罐中的还原铁锭，清砂和清刷后，破碎到 -325目，进行水选(例如，常温湿式磁选)，得到金属铁粉和钛渣，进行烘干 后，得到合格的高品位金属铁粉和富钛渣产品。

3)产品的实际指标

按照上述方法制得的产品，其指标为如下表所示：

实施例2

采用BLT-I还原窑炉为还原工艺中的主体设备进行实施，采用钛精矿粉 为原料，还原分离生产高品位金属铁粉和富钛渣：

1)还原后所获产品的拟定指标：

①金属铁粉产品：

②富钛渣产品：

2)生产过程

(1)原料选取

被还原物料钛精矿的主要成分指标如下为TFe＝32.17％，TiO₂＝47.46％； 粒度≤-200目的达到93％。

铁鳞指标：TFe＝71.5％、粒度：-200目以下占91％。

烟煤粉：C＝84.92％，灰分＝4.57％，挥发份＝10.51％，粒度≤-160目。

助剂(工业品)：芒硝：Na₂SO₄、纯碱：Na₂CO₃、工业盐：NaCl，打磨 成-160目的粉。

粘结剂：腐植酸钠。

(2)配料

按照钛精矿∶铁鳞粉＝65.00∶35.00的质量比例进行配料，此时含铁矿物 的TFe＝45.94％，将两种物料混合在一起制成含铁矿物，然后向含铁矿物中加 入按质量百分比计为含铁矿物3.08％的烟煤粉，再向混合物中加入：芒硝 Na₂SO₄＝1.23％，纯碱Na₂CO₃＝0.61％，工业盐NaCl＝1.23％，这里的加入数量 是按含铁矿物质量百分数计，然后充分混合，制成含铁矿物混合料。

(3)造球压块

向含铁矿物混合料中加入粘合剂，其加入量为含铁矿物混合料质量的 0.35％，同时喷入含铁矿物混合料质量8％水，然后混均造球，这里使用的黏 合剂为市场出售的普通腐植酸纳。造球时球团直径φ＝8-16mm。

(4)装料还原

采用BLT-还原窑炉工艺的还原铁方法，将球团配加15％(重量比)还原 煤，混合均匀，装入窑车料盘中，再将装好的窑车，推进BLT-还原窑进行高 温还原；还原温度为1300℃，还原时间为7.5h。

(5)破碎水选

出窑后，冷却窑车，取出被还原物料，采用干式磁选机，分离出金属球 团和煤粉，破碎到-200目占85％以上，进行湿式磨选，到金属铁粉和钛渣， 进行烘干后，得到合格的高品位金属铁粉和富钛渣产品。

3)产品的实际指标为：

虽然已经结合特定实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应当 理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种 修改和改变，本发明的范围在权利要求书及其等同物中限定。