兰炭搭配冶炼钛渣的研究

Research on the Blending of Lignite Charcoal in the Smelting of Titanium Slag

摘要: 兰炭作为一种新型的燃料，相较于焦丁而言，价格便宜，固定碳含量高，比电阻高、化学活性强、含灰分、硫磷低的特性，能够用于钛渣冶炼，实现降本增效。本文通过对熔炼过程中兰炭和焦丁的比例及熔炼过程控制的研究，实现稳定生产钛渣的同时，降低其生产成本，做到节能降耗。

Abstract: As a new type of fuel, compared with coke, Lancharcoal has the advantages of low price, high fixed carbon content, high specific resistance, strong chemical activity, and low ash, sulfur and phosphorus content. It can be used in the smelting of titanium slag to achieve cost reduction and efficiency improvement. Through the research on the proportion of Lancharcoal and coke in the smelting process and the control of the smelting process, this paper aims to stabilize the production of titanium slag and reduce its production cost, achieving energy conservation and consumption reduction.

1. 前言

新疆地区具有较丰富的钒钛磁铁矿资源及兰炭资源，已成为我国主要的钛渣加工所需原料产地之一，在国内占有十分重要的地位。目前新疆地区已探明的钒钛磁铁矿资源总量已超过20亿吨，主要分布在哈密市、克孜勒苏自治州等地区。钛矿虽可直接用于生产钛白粉，但其生产成本高，产生副产物，影响环保；因此需要将钛精矿熔炼富集成一种TiO₂的含量在74%以上的钛渣后进行下一步处理。钛渣根据TiO₂品位不同分为普通钛渣和高钛渣，高钛渣的TiO₂含量在85%以上，普通钛渣的TiO₂含量在74%以上，普通钛渣又分为酸溶性钛渣及氯化渣。该文章中所提到的钛渣均为酸溶性钛渣。

钛渣熔炼主要用到的原料有钛精矿和还原剂，还原剂质量会直接影响钛精矿的还原速率、钛渣冶炼时间、钛渣及铁水的质量，还原剂作为钛渣冶炼主要原料具有重要作用。钛渣冶炼用还原剂有焦丁、兰炭、无烟煤、石油焦等[1]。由于无烟煤、石油焦固定碳含量、热量高，多用于冶炼高钛渣，同行业大多数采用焦炭。国内酸溶性钛渣冶炼用的还原剂多为焦炭，但其质量参差不齐，对钛渣冶炼的影响特征各有区别[2]。新疆地区无烟煤资源短缺，且质量不稳定，对稳定生产具有一定的影响；因此在钛渣熔炼过程中常用到的还原剂为焦丁和兰炭。

兰炭作为一种新型的燃料，相较于焦丁而言，价格便宜，固定碳含量高，比电阻高、化学活性强、含灰分、硫磷低的特性，因此在钛渣熔炼过程中兰炭用于和焦丁按照一定比例生产，来降低其生产成本，实现节能降耗。

2. 钛渣冶炼反应原理及工艺流程

电炉熔炼法是钛精矿富集常用的方法之一，其实质是将钛精矿与还原剂焦丁、无烟煤或者兰炭混合搭配，在电炉内电的作用下使其发生氧化还原反应，使矿中铁的氧化物被选择性还原为金属铁，钛的氧化物被富集，然后经过渣铁分离形成钛渣及副产品金属铁[3]。

3. 兰炭对冶炼过程热力学及动力学的影响

3.1. 热力学方面的影响

由于兰炭具有高的固定碳，其表面丰富的活性位点和官能团，能够降低反应的活化能，可以降低钛精矿还原反应的起始温度。在钛渣冶炼过程中，TiO₂被还原成一系列钛的低价氧化物，其还原路径通常为：TiO₂→Ti₃O₅→Ti₂O₃→TiCxOy→TiC。兰炭的高反应活性可以促进这一还原过程的进行，尤其是在低温阶段，可以加速TiO₂向低价钛氧化物的转化。兰炭的加入可以优化钛渣冶炼的温度区间，有利于提高能源利用效率和降低能耗。

3.2. 动力学产生重要影响

兰炭的高比表面积和发达的孔隙结构可以显著增加与钛精矿颗粒的接触面积，从而提高界面反应速率。高活性兰炭的比表面积通常>300 m²/g，与钛精矿颗粒的接触面积显著增加，可提升还原反应速率。在相同冶炼条件下，高活性兰炭可使钛精矿还原率达到90%的时间缩短10%~20%，直接提升钛渣生产的周转率。兰炭的高反应活性可以提高钛精矿还原的反应速率。

4. 试验方案

4.1. 试验原料分析

在生产过程中，不同矿种其成分不一样，为使其更充分、更高效反应，需选择高品质的还原剂。本次试验采用的原料为新疆地区钛精矿、焦丁和兰炭，试验用钛精矿质量稳定，其成分如下表1~3所示。

Table 1. Of main components of coke diced %

表1. 焦丁主要成分%

原料	干燥基固定碳	空气干燥基水分	干燥基灰分	干燥基挥发分	干燥基全硫	全水
	Fcd	Mad	Ad	Vdaf	St.d	Mt
焦丁	84.37	0.35	14.32	1.31	0.49	0.80

Table 2. Of main components of charcoal %

表2. 兰炭主要成分%

原料	干燥基固定碳	干燥基灰分	干燥基挥发分	干燥基全硫	空气干燥基水分	全水
	Fcd	Ad	Vdaf	St.d	Mad	Mt
兰炭	82.58	9.96	8.25	0.24	1.45	1.86

Table 3. Main components of titanium concentrate %

表3. 钛精矿主要成分%

名称	TiO2	水分	FeO	Fe2O3	SO3	CaO	MgO	SiO2	V2O5	AI2O3	MnO	全铁
钛精矿	46.69	0.12	38.62	7.62	0.046	0.58	0.38	1.14	0.12	0.38	0.86	35.35

由上表可以看出，在钛渣冶炼过程中，为保证钛渣电炉稳定、高效运行，选择还原剂固定碳≥80%。

4.2. 试验方法

因兰炭的反应速度快，易产生泡沫渣，在试验过程中需要密切观察炉况，对炉况及时做出调整。本次试验钛精矿全部采用瑞泰矿和富宏矿搭配，还原剂采用焦丁搭配兰炭，逐步增加兰炭用量比例，与还原剂全部使用焦丁进行对比(正常生产还原剂全部采用焦丁)，研究其经济技术指标。第一阶段：兰炭用量占比增加至20%，第二阶段：兰炭用量占比增加至25%，第三阶段：兰炭用量占比增加至30%，第四阶段：兰炭用量占比增加至35%，试验过程相关指标如表4所示。

Table 4. Smelting indexes of different proportions of blue carbon with different proportions

表4. 不同配比兰炭搭配冶炼指标

兰炭占比(%)	吨渣矿耗(t)	吨渣还原剂消耗(t)	吨渣电耗(Kwh)	吨渣生产成本(元)
0	1.81	0.23	2433	3493.81
20	1.61	0.21	2285	3129.16
25	1.66	0.22	2392	3255.08
30	1.73	0.22	2522	3366.75
35	1.81	0.23	2570	3486.14

4.3. 试验过程控制

4.3.1. 电压及功率控制

电炉送电功率按16~22 MW/小时控制，电压档位≥7档，电流37 KA，试验中根据每炉的实际冶炼情况对操作参数做相应的调整，料电比稳定控制在<1.35 MW/吨。

4.3.2. 温度控制

时刻关注炉体热电偶温度变化及炉内反应温度，精确控制反应温度(在1300℃~1550℃的范围内根据不同阶段进行调整)对于实现选择性还原、避免过度还原生成难以处理的TiC、TiN以及保证良好的渣铁分离至关重要，出渣时出渣温度要求控制在1770℃~1800℃ (测温枪检测)。

4.3.3. 粒度及配比的控制

粒度作为钛渣冶炼过程中还原剂指标的重要要求，其直接影响了炉况稳定和钛渣质量。就反应动力学方面来讲，还原剂粒度越小，还原反应速度越快，但如果还原剂粒度过小，容易进入后续系统或落在炉膛上部挂渣层上，均会导致配比波动，影响钛渣质量稳定[3]。因此，在粒度控制方面，要将粒度控制在3~15 mm范围内，粒度过细，一方面在上料过程中会随着烟尘被风机抽走，降低其利用率，另一方面，入炉后物料的透气性变差，会产生泡沫渣；粒度过粗，一方面在下料时，会将物料卡入螺旋给料机等设备，另一方面，不利于物料熔化，导致物料熔化不均匀。配比控制方面，由于兰炭活性强，反应速度快，要根据冶炼情况及时调整。

4.3.4. 配碳比的控制

配碳比是影响生产正常进行和产品质量的重要因素之一，冶炼钛渣过程中必须严格控制配碳比。在大致相同的熔炼温度下，不同的配碳比，得到的钛渣产品中TiO₂含量不同。以一定熔炼周期内物料平衡为基础，绘制配碳比和产品钛渣中TiO₂含量散点图如下图1所示，可看出：产品钛渣的TiO₂含量随着配碳比的增加而增加。在配碳量不足的情况下，钛精矿中铁的氧化物与其他易还原的杂质氧化物还原不充分，导致钛渣品位降低。

Figure 1. Relationship between carbon ratio and titanium slag grade

图1. 配碳比与钛渣品位关系图

4.4. 试验过程分析

在冶炼过程中炉内易产生泡沫渣，导致电极位置上下波动，当泡沫渣严重时需要停电消除泡沫渣。冶炼过程中存在泡沫渣、电极行程不足等问题增加了冶炼过程的操作难度。

通过对试验过程中数据及成本进行分析，使用兰炭搭配焦丁冶炼钛渣时，吨渣电耗指标如下图2所示，在相同功率冶炼下，采用焦丁兰炭搭配使用与全部采用焦丁吨渣电耗相差大，全部采用焦丁时吨渣电耗为2433 kwh，随着兰炭占比的增加，吨渣电耗增大，兰炭搭配占比20%时，其吨渣电耗最低为2285 kwh。兰炭搭配冶炼钛渣，其兰炭化学活性强，操作时电极波动频繁，有效电能输入下降，造成热效率降低，导致电耗增加。

Figure 2. Electricity consumption per ton of slag graph

图2. 吨渣电耗图

全部使用焦丁与采用焦丁和兰炭搭配冶炼其吨渣还原剂消耗一致，以月冶炼钛渣4600吨为标准，根据矿耗、电耗计算出全部采用焦丁与焦丁搭配兰炭冶炼钛渣时的生产成本，如下图3所示，生产成本会随着兰炭比例增加而增加，主要由于随着兰炭的增加，炉况会存在波动，导致钛渣产量会有所波动。

Figure 3. Cost diagram of producing titanium slag with lignite charcoal blending in smelting

图3. 兰炭搭配冶炼钛渣生产成本图

5. 产品质量

兰炭搭配试验期间钛渣质量如下表5所示，生铁质量如下表6所示。

Table 5. Statistical table of titanium slag product quality

表5. 钛渣产品质量统计表

序号	TiO2	FeO	CaO	MgO	SiO2	V2O5	AI2O3	MnO	Cr2O3	全铁	兰炭占比(%)
1	75.05	10.33	2.52	3.5	6.86	0.32	2.04	1.94	0.005	8.03	0
2	75.17	10.82	2.43	3.3	6.28	0.37	1.98	1.89	0.005	8.41	20
3	75.23	10.2	2.58	3.37	6.75	0.37	2.1	1.92	0.005	7.93	25
4	75.10	10.30	2.43	4.23	7.15	0.29	2	1.71	0.005	7.21	30
5	74.90	10.15	2.39	4.1	6.93	0.28	1.95	1.72	0.005	8.08	35

Table 6. Quality statistics of pig iron

表6. 生铁质量统计表

序号	C	S	金属铁	Si	Mn	P	Ti	V	兰炭占比(%)
1	0.90	0.6	96.54	0.74	0.022	0.11	0.024	0.022	0
3	1.40	0.47	96.96	1.26	0.144	0.014	0.005	0.022	20
4	1.54	0.45	95.53	1.82	0.15	0.27	0.005	0.034	25
6	0.92	0.13	96.12	0.043	0.028	0.086	0.001	0.012	30
7	1.22	0.65	96.86	0.51	0.14	0.23	0.042	0.030	35

通过对不同用量兰炭试验，其产品钛渣核心指标TiO₂含量在75.10%范围内波动，生铁中金属铁含量在96%左右波动，兰炭使用量的增减对产品质量的影响较小。但是可降低钛渣熔点，钛渣流动性增大。

6. 结论

通过对兰炭搭配冶炼钛渣进行试验分析可知，兰炭可以部分替代传统还原剂用于钛渣冶炼，特别是在处理低品位钛资源、含钛高炉渣的综合利用以及钒钛磁铁矿的选择性还原方面显示出了良好的技术经济性。在保证稳定生产的前提下，按照一定比例采用兰炭搭配焦炭冶炼钛渣在工艺上是可行的，可以实现降本增效。但是需要保证兰炭的质量能够满足使用要求，其固定碳≥80%，粒度控制在3~15 mm的范围，若兰炭粉末多，会使生产过程产生泡沫渣，冶炼强度增加。