钛渣的冶炼原理
1．钛渣冶炼的原理及工艺流程
电炉熔炼钛渣的实质是钛铁矿与固体还原剂无烟煤(或石油焦或叫焦炭)等混合加入电炉中进行还原熔炼，矿中铁的氧化物被选择性地还原为金属铁，钛的氧化物被富集在炉渣中，经渣铁分离后，获得钛渣和副产品金属铁。钛精矿的主要组成是TiO2和FeO，其余为SiO2、CaO、MgO、Al2O3和V2O5 等，钛渣冶炼就是在高温强还原性条件下，使铁氧化物与碳组分反应，在熔融状态下形成钛渣和金属铁，由于比重和熔点差异实现钛渣与金属铁的有效分离。期间可能发生的化学反应如下：
Fe2O3+C=2FeO+CO （1）
FeO+C=Fe+CO （2）
以钛精矿为原料，敞口电炉冶炼钛渣的工艺流程如图1所示。
钛渣
图1、工艺流程图
2. 电炉冶炼的主要特征
钛渣是一种高熔点的炉渣，钛渣熔体具有强的腐蚀性、高导电性和其粘度在接近熔点温度时而剧增的特性，而且这些性能在熔炼过程中随其组成的变化而发生剧烈的变化。
2.1钛渣的高电导率和熔炼钛渣的开弧熔炼特征
2.1.1钛渣的高电导率
钛铁矿在熔化状态具有较大的电导率，在1500℃时为2.0～2.5ks/m,在1800℃为5.5～6.0ks/m，随着还原熔炼钛铁矿过程的进行，熔体组成发生变化，FeO含量减少，而TiO2和低价钛氧化物的含量增加，因此其电导率迅速上升，如加拿大索雷尔钛渣在1750℃电导率为15～20ks/m，而一般的炉渣在1750℃电导率为100s/m，可见钛渣的电导率比普通冶金炉渣的电导率高数十倍甚至几百倍，比普通离子型电解质（如Nacl液体在900℃时的电导率约为400s/m）的电导率都高很多，且温度变化对钛渣电导率影响不大,这些都说明钛渣具有电子型导电体的特征。
2.1.2熔炼钛渣电炉的开弧熔炼特征
钛渣的高电导率决定了熔炼钛渣电炉的开弧熔炼特征，即熔炼钛渣的热量来源主要依靠电极末端至熔池表面间的电弧热，这就是所谓的“开弧冶炼”,而在高电阻炉渣的情况下，电极埋入炉渣,熔炼过程的热量来源主要是渣阻热，即所谓的“埋弧熔炼”。在敞口电炉熔炼钛渣的初期具有短期的矿热炉埋弧冶炼的特征，随着熔炼过程的深入进行，开弧冶炼的电弧特征越来越明显。熔炼过程超过1小时后，电弧热所占比例可达90%，熔炼过程的后期电弧热所占比例可达97%。
2.2.钛渣熔点和粘度特性对熔炼过程的影响
2.2.1钛渣熔点对熔炼过程的影响
钛氧化物中的钛－氧键很牢固，它们的熔点很高。钛渣主要是由钛的氧化物组成，因此它的熔点很高，按其组成其熔点在1580～1700℃之间，钛渣的熔点随其中TiO2含量的增加而升高，熔炼钛渣要在高温下进行，这就要求热量必须高度集中在还原熔炼区。
2.2.2钛渣粘度对熔炼过程的影响
钛渣具有短渣的特性，在温度高于熔点处于完全熔化的钛渣熔体具有很低的粘度，但当渣温接近其熔点时，其粘点急剧增加。这是因为钛渣的结晶温度范围很窄，温度接近熔点时少量结晶固体析出悬浮在熔体中，使熔体变得十分粘稠，造成渣流动性变坏，出炉时困难。
2.3钛渣熔体的高化学活性对电炉的影响
钛渣的主要成分是TiO2 ，但还含相当数量的低价钛氧化物，因而具有极高的化学活性，几乎能与所有的金属和非金属材料发生作用。事实上钛渣熔体能很快的腐蚀普通的耐火材料，所以钛渣的还原熔炼是在炉衬上
挂上一层钛渣用于保护炉体。
2.4钛渣熔体的沸腾对熔炼过程的影响
钛铁矿的还原反应主要在熔体的表面，但当固体炉料突然陷落到熔体中，或者由于表面还原反应生成的高碳铁经熔体下降，都可能在熔体中或金属铁与熔渣介面上发生瞬间激烈反应，生成的大量的CO气体经熔渣逸出，使熔渣沸腾和喷溅，熔渣的沸腾会把电极淹没，使电炉的瞬间电流增大，造成短路，引起钛渣熔炼不稳定。在一次加料的间歇式熔炼工艺中，钛渣会经常发生沸腾，造成炉况不稳定，只有通过连续加料和密闭冶炼方式可以避免和减少钛渣的沸腾，使熔炼过程炉况稳定。
2.5杂质元素对钛渣熔体的影响
钛渣的熔点随其中TiO2含量的增加而升高，而影响钛渣熔点的另一个因素是它的还原度，即渣中钛渣含有的Ti2O3与TiO2的比值。当O/Ti ＝1.76时系统具有最低共熔点，随着O/Ti比值的降低（还原度的增大），系统熔点升高，当O/Ti比值＝1.67时达到一个较高的熔点，可见熔炼钛渣的终点最好在O/Ti＝1.76左右。钛原料中的杂质元素如FeO、MgO、CaO、MnO和Al2O3都分别可与TiO2形成二元化合物和低共熔点，在它们一定含量范围内，都起降低钛渣熔点的作用，可见这些杂质元素是一种很好的造渣剂，但杂质元素过高会降低钛渣的品位。
3.钛渣的试验情况
集团公司和钛业公司先后在武定和陆良开展了大规模的冶炼钛渣试验，其试验情况如下：
3.1武定钛渣试验
试验是以云南武定钛渣冶炼厂现有条件，不作任何改变的情况下进行，即敞口电炉，自焙电极，电炉炉底用400×400的碳砖砌筑，炉壁用一般的耐火砖砌筑，出炉口正对1#电极。
3.1.1主要工艺条件及操作
配碳量：以矿中全部Fe2O3转化为FeO，96%FeO还原成金属铁，30%TiO2还原成Ti3O5，熔池中铁的渗碳按2%计算理论配碳量为加矿量的7.98%，折合成焦粉为加矿量的9.85%，而实际配碳约12%。
电参数：在该电炉及变压器不配套的情况下，几乎没有调节的余地，加之试验炉次较少，就以现行操作的100V，作为二次电压进行冶炼。
冶炼操作：每炉投入钛精矿1.49吨，其中0.78吨作为配沥青、焦粉的混合料一次性加入炉内并捣实，0.71吨的钛精矿是作为附加矿，在冶炼过程中间断式地从电极孔逐渐加入炉内，作为调节品位，避免翻渣、结壳、喷溅的一种手段。每出炉一次算一个炉号，每炉冶炼180分钟，波动在150～240分钟，出炉时不断电，用氧气烧穿炉口，渣、铁混出，排入渣盘内，渣盘的侧面沿底部设有φ100mm的孔，出炉5～8分钟，待钛渣凝结后，抽开渣盘侧面小孔，铁水注入沙盘成80～90kg的铁锭。出炉完毕堵上出炉口，沿三个电极孔分别加入约60kg矿，7kg焦粉后，捣炉，加料，并用铁锤夯实，放电极，合闸送电，冶炼下一炉，从出炉到第二炉送电时间约10～20分钟。
3.1.2试验概况及结果
试验于7月26日19:40时开始，至7月29日24:00时结束，冶炼时间为76小时20分，共冶炼23炉，平均每炉间隔时间20分钟，投入攀枝花钛精矿30吨，冶金焦粉2.98吨，沥青1.296吨（7.2%），产钛渣18.425吨，半钢7.8吨。其中过渡钛渣3.375吨，成品渣15.05吨，洗炉渣及钛渣（TiO2）品位分别为79.52%、76.65%。4～20炉的17炉连续稳定试验，钛渣平均电耗2201KWh/t渣，TiO2收率92.88%。电极消耗55kg/t渣。
整个冶炼期间冶炼平稳、炉况顺行，没有因翻渣喷溅而被迫停电或跳闸现象，达到了预期效果。
