在全球工業(yè)持續(xù)發(fā)展的大背景下，鈦精礦作為重要的工業(yè)原料，其高效利用愈發(fā)關(guān)鍵。攀西地區(qū)作為我國(guó)鈦資源的主要富集地，其鈦精礦成分復(fù)雜、性質(zhì)特殊，如何優(yōu)化鈦精礦配碳還原過程，提高資源利用率，成為行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)。眾多研究聚焦于該領(lǐng)域，旨在探索影響鈦精礦碳熱還原的關(guān)鍵因素，以實(shí)現(xiàn)更高效的資源轉(zhuǎn)化。
選用攀枝花某廠的鈦精礦進(jìn)行理論計(jì)算，其主要成分中，TiO2、FeO和Fe2O3含量較高，CaO、MgO、SiO2和Al2O3為主要雜質(zhì)。設(shè)定理論計(jì)算條件：鈦精礦 100kg;配碳量(質(zhì)量比)為 8%、10%、12%、14%、16%;計(jì)算溫度區(qū)間為 600 - 1600℃;堿度(二元堿度)為 0.3(自然堿度)、1.0、1.1、1.2、1.3。
采用 HSC Chemistry 6.0 軟件進(jìn)行研究，該軟件擁有龐大的無機(jī)物熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)庫。利用其中的 Reaction Equation 模塊和 Equilibrium Compositions 模塊，分別進(jìn)行反應(yīng)平衡熱力學(xué)計(jì)算和平衡組分計(jì)算。通過計(jì)算各反應(yīng)的吉布斯自由能隨溫度變化情況，分析反應(yīng)進(jìn)行的相對(duì)難易程度，并將計(jì)算結(jié)果分為鐵 - 氧 - 碳體系、鈦 - 氧 - 碳體系、釩 - 氧 - 碳體系三個(gè)體系，根據(jù)金屬、金屬氧化物和碳化物的含量計(jì)算金屬回收率。
《2025-2030年全球及中國(guó)鈦精礦行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，當(dāng)溫度在600 - 1600℃時(shí)，鐵碳氧體系中鐵氧化物進(jìn)行碳熱還原生成CO2或CO的反應(yīng)，通過 HSC Chemistry 6.0 軟件計(jì)算得出各反應(yīng)吉布斯自由能改變值與反應(yīng)溫度的關(guān)系。在有固體碳的鐵氧化物還原反應(yīng)中，隨著溫度升高，部分反應(yīng)的吉布斯自由能下降，形成還原性氣氛。當(dāng)溫度在 738℃以上時(shí)，F(xiàn)e為最終穩(wěn)定相;在 646 - 738℃之間，F(xiàn)eO穩(wěn)定存在;在 688℃以下時(shí)，F(xiàn)e3O4穩(wěn)定存在。提高溫度是保證鐵氧化物碳熱還原高金屬化率的必要條件之一，而在 1600℃以下，3Fe+C=Fe3C反應(yīng)較難發(fā)生。
在 600 - 1600℃溫度區(qū)間內(nèi)，計(jì)算得出鈦精礦粉中TiO2被C還原的吉布斯自由能改變值與反應(yīng)溫度的關(guān)系。多數(shù)TiO2的碳熱還原反應(yīng)在 1288℃以下時(shí)吉布斯自由能大于 0，需要較高反應(yīng)溫度。部分反應(yīng)在特定溫度區(qū)間有進(jìn)行的可能性，在 1109 - 1333℃時(shí)，TiO2還原為Ti3O5的可能性最大，在 1600℃以內(nèi)單質(zhì)鈦不會(huì)存在，溫度繼續(xù)升高時(shí)，Ti3O5碳熱還原成TiC最有可能發(fā)生，有利于生成鐵基復(fù)合材料中有益的TiC組分。
同樣在 600 - 1600℃溫度下，計(jì)算釩氧化物被C還原的吉布斯自由能改變值與反應(yīng)溫度的關(guān)系。V2O5的碳熱還原生成VO2的反應(yīng)吉布斯自由能最低，開始溫度也較低。在 1152℃時(shí)，體系中碳過量，相關(guān)反應(yīng)才能進(jìn)行得到鐵基復(fù)合材料中所需的VC組分，碳含量一定時(shí)則進(jìn)行其他反應(yīng)。
鈦精礦中所含的其他氧化物在 600 - 1600℃時(shí)也會(huì)發(fā)生一系列反應(yīng)。通過計(jì)算可知，CaO、MgO、SiO2、Al2O3、MnO的開始反應(yīng)溫度分別為 2395℃、2185℃、2641℃、2019℃、1400℃。在 1600℃條件下，CaO、MgO、SiO2、Al2O3不能被還原，其還原的熱力學(xué)條件比FeO、MnO等困難得多。
通過 HSC Chemistry 6.0 的 Equilibrium Compositions 模塊計(jì)算不同條件下Fe的含量，得出鐵的金屬還原率。配碳量不足時(shí)，隨著溫度上升，被還原的Fe易在高溫下再次被氧化;配碳量為 12% 時(shí)，鐵的還原率可達(dá) 90% 以上，合適的碳含量對(duì)鐵氧化物還原至關(guān)重要;配碳量有剩余時(shí)，碳會(huì)與鐵發(fā)生滲碳反應(yīng)降低金屬鐵還原率，高堿度有利于抑制FeC生成。要使金屬還原率達(dá)到 99% 以上，在溫度為 1442.5℃、配碳量為 12% 時(shí)，堿度為 0.3 。
計(jì)算不同條件下Ti的含量得出鈦的金屬還原率。配碳量不足時(shí)，金屬鈦無法被還原;同一溫度和配碳量下，堿度對(duì)金屬鈦還原有一定影響，堿度為 0.3 時(shí)效果較好;相同堿度和溫度下，隨著配碳量增加，Ti的回收率增大;堿度增加對(duì)碳化鈦的生成有抑制作用。在鈦精礦配碳還原過程中，鐵氧化物優(yōu)先被還原，金屬鈦被還原的最低配碳量為 12% 。
計(jì)算不同條件下V的含量得出釩的金屬還原率。配碳量增加能降低金屬釩還原溫度，但過高會(huì)降低金屬液中釩含量并促進(jìn)碳化釩產(chǎn)生;配碳量低于 14% 時(shí)，金屬釩的還原率隨堿度增加而降低，配碳量達(dá)到或超過 14% 時(shí)，金屬液相中會(huì)有碳化釩生成。
為驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的可靠性，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定鐵氧化物的還原效果。選取還原溫度分別為 1200℃、1600℃;原料配碳量分別為 10%、14%、16%;堿度為 1。采用 ZY - Q 真空氣氛爐加熱，對(duì)還原后產(chǎn)品進(jìn)行化學(xué)成分分析，計(jì)算鐵的金屬化率。試驗(yàn)結(jié)果顯示，試樣實(shí)際金屬化率與理論計(jì)算值基本一致，各項(xiàng)規(guī)律也與理論分析相符合，證明采用 HSC Chemistry 6.0 對(duì)鈦精礦配碳還原進(jìn)行理論計(jì)算基本可靠。
綜上所述，在鈦精礦配碳還原過程中，溫度、配碳量和堿度對(duì)金屬鐵、鈦、釩的回收效果有著顯著影響。鐵氧化物優(yōu)先被還原，配碳量為 14% 時(shí)金屬鐵還原率最大;金屬鈦被還原的最低配碳量為 12%，堿度增加抑制碳化鈦生成;金屬釩的還原率受配碳量和堿度共同作用。當(dāng)溫度為 1600℃、堿度為 1、配碳量為 14% 時(shí)，對(duì)金屬鐵、鈦、釩的回收效果最佳。這些研究成果為鈦精礦的高效利用和電爐熔煉制備富鈦料工藝提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)，有助于推動(dòng)2025年鈦精礦行業(yè)朝著更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展 。
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