攀西地区微细粒级钛铁矿氧化球团制备技术
2020-01-08
攀枝花学院 钒钛学院
近年来，我国钛工业发展迅速[1-4]，钛铁矿岩矿将在未来成为钛工业生产的主要原料[5-7]。我国90%钛资源主要集中在攀西地区。在选矿的过程中，更多采用多段细磨，造成攀西地区80%为微细粒级浮选钛铁矿[8-9]（粒度<0.074 mm占80%以上），对于钛铁矿的运输、冶炼都带来了难题，不能直接制备高钛渣，需对钛铁矿粉矿进行造球处理。通过国内外大量学者研究和实践表明[10-12]，对钛铁矿进行氧化焙烧，可以破坏钛铁矿致密结构,使钛铁矿颗粒的结晶状态发生改变，形成较多孔隙，这种改变有利于钛铁矿的还原。
1 试验研究
1.1 试验原料
(1)钛铁矿
钛铁矿主要化学成分见表1所示, 原料的粒度组成按>150 um、109 ~150 um、75~109 um、45~75 um、<45 um等5级筛分，然后逐渐称重，称量结果见表2所示, 试验所用粘结剂选择高温易挥发的有机粘结剂PVA(聚乙烯醇)，氧化焙烧后不会对钛渣中TiO2品位造成影响。
表1 钛铁矿化学成分分析 (wt%)
|
∑Fe |
TiO2 |
FeO |
Fe2O3 |
SiO2 |
S |
MgO |
Al2O3 |
MnO |
V2O5 |
CaO |
|
32.17 |
46.2 |
34. 56 |
6.55 |
3.17 |
0.19 |
5.52 |
1.24 |
0.65 |
0.095 |
0.75 |
表2 钛铁矿粒级分析 (wt%)
|
粒度分布/（um） |
<45 |
45～75 |
75～109 |
109～150 |
>150 |
|
占比（%） |
35.24 |
51.11 |
10.68 |
1.91 |
1.06 |
钛铁矿中Ti元素含量高，TiO2品位达到46.2%，Fe元素的价态主要有Fe3+、Fe2+形式存在，其中FeO含量高达34.56%，非铁杂质含量为12.88%，其中SiO2和MgO含量高，且该矿粉粒度较细，粒度在 <75 um（-200目以下）占比为86.35%，属于微细粒级钛铁矿。
1.2 试验方法
1）设定圆盘转速为18 r/min，倾斜角度为48°，圆盘造球中不断加入适宜粘结剂PVA，粘结剂用量为1%，水分用量为8%，造球时间30 min，经筛分处理后，得到适宜的球团尺寸为10~12 mm。
2)生球干燥：把生球团平铺在大瓷盘上，放入120 ℃鼓风干燥箱中烘干，干燥时间为4 h。
3) 球团焙烧：试验采取非等温焙烧方式，整个焙烧过程在气氛升降炉中进行；在刚玉坩埚中放入15个钛铁矿干球团（约12 mm）；待炉子升温至400 ℃时，开始记时，把坩埚放入气氛升降炉中；设定所需升温速率并通入一定的空气流量，待升温至所需焙烧温度时，保温一定时间进行焙烧，焙烧时间结束后，取出坩埚直接空气冷却。
1.3 表征方法
抗压强度：选取10个直径为12 mm左右的球团，采用ZQJ-Ⅱ智能颗粒强度实验机逐个测量10个球的抗压强度，算出10个值的平均值作为抗压强度，抗压强度单位为N/球。
2 试验结果及分析
2.1 单因素试验
本试验采取非等温氧化焙烧钛铁矿球团，选择粘结剂为1%、水分用量为8%所制备的钛铁矿干球团为原料，主要研究焙烧温度、焙烧时间、升温速率、空气流量等因素对球团抗压强度的影响。
2.1.1 焙烧温度的影响
焙烧温度的高低直接影响着球团焙烧过程中的固结效果和氧化速率，在焙烧时间为15 min，升温速率为6 ℃/min，空气流量为5 L/min，研究不同温度对钛铁矿氧化球团的抗压强度的影响，试验结果见图1所示。随着焙烧温度的不断提高，钛铁矿氧化球团抗压强度逐渐增大，当焙烧温度为1175 ℃时，球团抗压强度仅为230.2 N/球，这是因为颗粒之间固相连接少，Fe2O3晶粒之间结晶较弱。当焙烧温度提高到1200 ℃时，球团抗压为356.6 N/球，增长幅度为54.6%，此时离子的扩散能力随温度的升高而加强，有利于颗粒间固相连接。当焙烧温度分别为1225 ℃、1250 ℃时，抗压强度分别为461 N/球、483.4 N/球，由于此时再生的Fe2O3具有比原生矿更高的活性，促进了Fe2O3晶粒的互连和长大，有利于固体质点扩散，在高温的作用下更容易发生再结晶，进一步提高了球团的抗压强度。如果温度过高，会生成较多的液相，不仅阻碍颗粒之间的直接连接，而且会使液相渗透晶界，固结粉化已聚合的晶体。综合来看，为降低能耗，适宜的焙烧温度区间为1200~1250 ℃。
2.1.2 焙烧时间的影响
待温度升到焙烧温度后，需在此温度下保温一定时间，有利于球团外部与内部温度均匀，促进球团的氧化和再结晶，提高了球团抗压强度。在焙烧温度为1200 ℃，升温速率为6 ℃/min，空气流量为5 L/min，研究不同焙烧时间对氧化球团的抗压强度的影响，试验结果见图2所示。当其它条件一定时，焙烧时间在5~25 min之间变化，随着焙烧时间的不断延长，球团抗压强度逐渐增强，到后期趋于平缓。焙烧时间在15 min以下，球团抗压强度急剧上升，当焙烧时间为20 min时，球团抗压强度为362.6 N/球，抗压强度变化较小，趋于平稳。对于钛铁矿球团，延长焙烧时间对球团固结行为有两方面的影响，一是时间的延长，颗粒之间的离子迁移能力增强，Fe2O3活性增加，有利于晶体长大和互连；二是焙烧时间延长，球团中液相生成量增多，不利于球团的固相固结，过度的延长焙烧时间会恶化球团抗压强度。综合来看，适宜的焙烧时间区间为15~20 min。
2.1.3 空气流量的影响
空气流量是对整个焙烧气氛的调节，如果空气流量过低，氧化气氛中氧浓度降低，会使球团氧化反应不充分，不利于球团的固相固结。在焙烧温度为1200 ℃，焙烧时间为15 min，升温速率为6 ℃/min，研究不同空气流量对氧化球团的抗压强度的影响，试验结果见图3所示。随着空气流量的逐渐增加，钛铁矿球团抗压强度先是呈现先升高后降低的过程，当空气流量为0 L/min时，钛铁矿球团氧化不充分，不利于晶粒Fe2O3再结晶过程，球团抗压强度明显较低，仅为321.5 N/球。继续增加空气流量为2.5 L/min时，球团抗压强度为348.6 N/球。当空气流量为10 L/min时，球团内外部氧化充分，球团抗压强度达到最大值372.2 N/球。当空气流量继续增加到15 L/min，球团抗压强度下降，主要原因是从室外大量不断通入空气，对炉内温度有一定的影响，造成焙烧温度不均匀。综合各方面的因素来看，对炉内通入适宜空气流量区间为5~10 L/min。
……
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