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微波还原越南钛精矿制备初级富钛料新工艺研究
作者:发布时间:2013-12-26 16:57:16点击率:2254

作者:张世敏,黄孟阳,彭金辉,黄铭,雷鹰,李雨,范兴祥
摘要:采用微波谐振腔法测定了焦炭和越南钛精矿混合物料的吸波特性,并研究了焦炭配入钛精矿不同比例时与微波场内热源强度P的关系,测试结果为:焦炭和钛精矿最佳配比为10%。同时还进行了微波加热还原钛精矿制备富钛料的试验研究,结果表明:在碳质还原剂采用焦炭,含量为10%;以硅酸钠为粘结剂,用量为4%;添加剂为A,用量为5%;还原温度为1150℃;还原时间为1.5h的条件下,金属化球团还原产品的Ti02品位为48. 85%,初级富钛料品位达70.57%。
关键词:越南钛精矿;微波加热还原;吸波特性;新工艺

 


  世纪之交,有关常规加热钛精矿还原试验研究的报道较多,但较为成熟的电炉熔炼法生产钛渣的工艺流程仅适合水煤丰富的地区。微波是一种快速、清洁的加热方式,在冶金中的应用逐渐得到重视。有研究者对金属氧化物的微波加热碳热还原工业应用的经济价值进行了分析,认为微波加热法可比传统加热法的成本降低15%一50%。但为了开发微波冶金加热技术,还应该加强对微波场内材料介电性能的基础研究。因此,本文结合微波加热还原铁精矿制备富钛料新工艺试验,采用微波谐振腔法测定了焦炭和越南钛精矿混合物料的吸波特性,并研究了焦炭配人钛精矿不同比例时与微波场内热源强度P的关系。

1实验及测试原理
1.1实验原料
  实验采用的原料钛精矿来自越南某地区,其主要化学成分界。含量为31. 28%,TiO2含量为44.85%。
1 .2吸波特性测试原理
  测试材料对微波的吸波性能的原理是依据微波理论,将一定频率范围内的微波,馈人微波谐振型传感器,从传感器内得到微波与物质相互作用的相关参数。若引人谐振腔的样品很小,微扰理论成立,则


  上式中△ω为角频率偏移;ωo为未加样品时谐振传感器的谐振角频率;εr'为样品相对复介电常数的实部;εr"为样品相对复介电常数的虚部;εo为真空中的复介电常数;Eo*和Ho*分别为微扰前谐振传感器内电场强度和磁场强度的复共轭;E为谐振传感器内样品的场强;Do和Bo分别为微扰前电位移和磁感应强度的复共轭;Qo和Q分别为谐振传感器的无载和有载Q值;W为谐振传感器存储的能量;D1和B1分别为微扰后样品中电位移和磁感应强度的增加值;Ve为谐振传感器内样品的体积;V为谐振传感器的体积。
  由此可见,仅需研究测量出传感器放人样品前后的微波输出幅度和谐振频率的变化,即可反演出被测物质的吸波特性。
1.3测试样品准备
  原料钛精矿经筛分后,取粒度为175一147um的5g钛精矿作为测试样品;将焦炭磨碎筛分后,也取175一147um的原料作为测试样品,并按比例配人钛精矿中,然后用研钵初步混匀,再经干式磨样机混匀2min,混合后样品于烘箱150℃干燥2h,取2g的样品进入微波传感器腔体进行吸波特性的测试。

 

2试验结果与讨论
2.1钛精矿与焦炭的升温曲线
  钛精矿与焦炭的升温曲线见图1,其测定条件为物料总重100g,微波功率800W。


  由图1可以看到:越南钛精矿在30min升温到1165℃;焦炭在30min温度达到1151℃,表明越南钛精矿和焦炭都具有良好的吸波特性与升温速率,为微波加碳还原越南钛精矿新工艺奠定了理论基础。
2. 2焦炭和越南钛精矿配碳量的确定
  试验测得不同焦炭含量钛精矿的微波波谱图,通过分析波谱变化趋势,并由程序计算出波谱线第一高峰处频率和衰减值,然后由相对频移和衰减值可以比较出钛精矿和焦炭的最佳配比,其分析结果见图2。


  由微波理论可知,混合物的ε"反比于微波传感器衰减变化,混合物的ε'-1正比于微波传感器相对频移;同时,混合物的吸波能力正比于其介电常数的虚部ε"。由图2可以看到:第一高峰值处的衰减值V10<V15<V0<V20<V18<V14<V5;相对频移△W10>△W15>△W0>△W20>△W18>△W14>△W5;因此有ε10>ε15>ε0>ε20>ε18>ε14>ε5。相对频移最大值点的配入比为焦炭含量10%;从衰减值分析其最大值点也为10%。因此,焦炭和越南钛精矿最佳配比为10%。
  同时由微波场内热源强度公式:P=εωE2Vtgδ可知,当式中的ε值成为变数,并存在ε10>ε15>ε0>ε20>ε18>ε14>ε5时,可以得出P10为所测值中的最大值,即在ω、E、V和tgδ相同时,10%配碳量的情况下,微波能量利用率是最高的。
2. 3粘结剂用量对球团强度的影响
  试验研究了粘结剂硅酸钠对还原球团强度的影响。球团在恒温干燥箱内于150℃烘干30min之后进行测定,生球强度测定方法是随机取10个球团,从0.5m高处落在钢板上,记录其破碎前最大次数,然后取10个生球落下次数的平均值。粘结剂A用量与球团强度的关系如图3所示。


  从图3可以看到,球团强度随着粘结剂硅酸钠用量增多,其强度愈来愈高。当硅酸钠用量为4%时,其强度为15次,已达到微波还原工艺对球团强度的要求,因此粘结剂硅酸钠用量取为4%。
2.4内配碳对二氧化铁品位的影响
  固定添加剂用量为5%,还原温度为1150℃,还原时间为1.5h等条件,考查内配碳对还原产品TiO2品位的影响,其结果见图4。


  从图4可以看到,当内配碳量含量为10%时,TiO2品位已达到48.85%。在含碳量为10%时,其P10值最高,表征为物料温度最高,从而还原速率为最大,因此,其还原效果比较好。
2.5温度对二氧化钛品位的影响
  固定添加剂用量为5%,还原时间1.5h,内配碳为10%等条件,考查还原温度对产品TiO2品位的影响,其结果见图5。

  从图5可知,还原温度由1100℃提高到1150℃、还原产品TiO2的品位显著提高。继续升高至1200℃ ,TiO2的品位提高不大,因此还原温度定为1150℃。分析其原因,在1150℃时己经有金属铁产生,金属铁在微波场内会引起局部放电与电弧而产生高温,四价钛会分解成低价铁,因此,二氧化钛品位提高不大。
2. 6还原时间对二氧化钛品位的影晌
  固定复合添加剂用量为5%,还原温度为1150℃,内配碳为10%,考查还原时间对产品TiO2品位的影响,其结果见图6。

  从图6可以看到:当还原时间为1.5h,TiO2品位已达到48.85% 延长还原时间,有利于促进铁晶粒长大和增强Fe/Ti分离效果;但局部高温效应就越明显,四价铁会分解成低价钛。综合考虑Fe/Ti分离效果、二氧化钛品位以及还原能耗,还原时间选择1.5h。
2. 7添加荆用量对二氧化钛品位的影响
  恒定反应温度为l150℃,反应时间1.5h,内配碳为10%,考查添加剂用量对产品TiO2品位的影响,其结果见图7。


  从图7可以看出,添加剂的加人对Ti02品位有着明显的提高。当添加剂用量从5%提高到7%时,TiO2品位提高幅度不大。考虑添加剂的成本及Ti/Fe分离效果,复合添加剂用量选择为5%。
2. 8初级富钛料制备
  还原产品经过破碎,磨矿,磁选,非磁性物和磁性物再磨,摇床重选,可制得初级富钛料和铁粉,初级富钛料品位为70.57%。

3结论
1.越南钛精矿和焦炭都具有良好吸波特性;粘结剂硅酸钠用量为4%时,球团强度能满足微波还原工艺的要求,同时粘结剂硅酸钠能促进还原反应。
2.从微波场内热源强度角度来衡量,焦炭和越南钛精矿最佳配比为10%,此时由微波场内热源强度公式P10=εωE2Vtgδ可以得出,P10为所测值中最大值,即在ω、E、V和tgδ相同时,10%配碳量的情况下,微波能量利用率是最高的。
3.微波处理越南钛精矿的优化条件为:内配碳含量10%.反应温度1150℃,反应时间1.5h,添加剂用量5%,在此条件下,还原产品TiO2品位为48.85%,初级富钛料品位为70.57%
4.当内配碳含量为10%时,还原后产品TiO2品位为最大值,该试验结果与吸波特性测试结果相吻合。