目前世界上90%以上的鈦礦用于生產(chǎn)鈦白，約4%～5%的鈦礦用于生產(chǎn)金屬鈦，其余鈦礦用于制造電焊條、合金、碳化物、陶瓷、玻璃和化學品等。我國的鈦資源儲量非常豐富，但主要是鈦鐵礦，金紅石礦甚少。我國鈦礦主要由廣東、廣西、海南、云南和四川攀枝花開采生產(chǎn)，主要產(chǎn)品是鈦鐵礦精礦，也有少量的金紅石精礦。由于鈦鐵礦精礦的品位較低，需經(jīng)過富集處理獲得高品位的富鈦料一高鈦渣或人造金紅石，才能進行下一步的處理。
電爐熔煉法…是一種成熟的方法，工藝比較簡單，副產(chǎn)品金屬鐵可以直接利用，不產(chǎn)生固體和液體廢料，電爐煤氣可以回收利用，三廢少，工廠占地面積小，是一種高效的冶煉方法。電爐熔煉法可得到T102含量為80%左右的高鈦渣，作為下一步處理（如酸浸法或氯化法）的原料。
由于電爐熔煉法屬于高溫冶金，能耗高是其固有的特點，生產(chǎn)1t高鈦渣，大約需要3 000 kWh的電能，而實際上將鐵從鈦鐵礦中還原出來所需的化學能量僅在500 kWh左右，即能量的有效利用率僅在17%左右，非常低；其二、電爐熔煉法使用冶金焦或石油焦作還原劑，也存在一定的環(huán)境污染。
El- Tawil等人研究了在固態(tài)下先將鐵從鈦精礦中還原出來，然后再通過磁選方式將鐵分離出來的方法生產(chǎn)高鈦渣。他們通過添加催化劑等方式，研究了鈦鐵礦在1 000。1200℃的還原性能，結果表明，在1200℃恒溫180 min，鈦鐵礦的金屬化率達到85%。因此還原效果不很理想，富通新能源銷售球磨機、雷蒙磨粉機等磨機機械設備。
Williams等人研究了通過球磨促發(fā)方式實現(xiàn)鈦精礦的低溫還原性能，發(fā)現(xiàn)了在760℃條件下恒溫30 nun基本上將鐵從鈦精礦中還原出來這一低溫反應現(xiàn)象，具有很強的理論意義。但是實驗條件很苛刻，要求鈦精礦的顆粒度在1—2um，一般球磨機難以實現(xiàn)這一目標，即使能夠達到，也將耗費大量能量。
趙沛等人提出了煤基低溫冶金學和冶金流程，可將鐵礦石的冶煉溫度降低到700℃以下，甚至更低的溫度。在此基礎上，鋼鐵研究總院低溫冶金學課題組經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)鈦精礦粉體的平均粒度在10嚴m(xù)左右時也能將它的還原溫度降低到600℃左右，并且研究出一種高效球磨機，這樣為鈦精礦的低溫還原工藝的產(chǎn)業(yè)化奠定了理論和實踐基礎。
1、鈦鐵礦生產(chǎn)高鈦渣的低溫還原特性
實驗中，鈦精礦的化學成分見表1，碳的純度為分析純，它們的平均粒度約為100um，將一部分原料用高效球磨機磨細到10um左右。然后將原料按一定比例混勻，進行熱重試驗（測量儀器為杜邦951差熱熱重掃描量熱儀，升溫速度5C/min，氮氣保護）。
鈦精礦的主要物相為FeT103，它與碳的化學反應如(1)式所示：
在標準狀態(tài)下，開始反應的溫度為811℃左右。實際上反應由于受動力學限制，即使溫度在1 200℃，反應速度也較慢。這也是使用電爐熔煉法生產(chǎn)高鈦渣的原因之一。
從圖1可見，當使用普通粉體還原時，起始反應溫度約為800℃，當溫度升至980℃時，還原率不足20%。因此普通粉體（100um左右）難以實現(xiàn)低溫快速還原反應。只有將粉體變成超細粉后(10um左右時)，才能出現(xiàn)明顯的低溫反應現(xiàn)象，反應起始溫度可以降低到200℃左右。從圖l可見，當反應溫度升到700℃左右時，鐵的還原基本結束，而當升溫至900℃以上時，出現(xiàn)T102被還原成T13 0s的還原反應。實驗表明，在600℃恒溫1 h，還原率可以達到95%以上。
為什么超細粉體會出現(xiàn)低溫還原反應現(xiàn)象呢？首先，在反應熱力學上，由于鈦精礦粉的粒度降低到10um左右或更細時，粉體的表面能和晶格能增加，這樣可以降低吸熱反應的自由焓，因此理論起始反應溫度下降。
另一方面，超細粉體的反應動力學條件非常優(yōu)越。首先超細粉體在變細過程中，粉體表面出現(xiàn)許多活化中心，降低了反應的活化能；其次，反應表面積增加了數(shù)十倍，也加快了反應速度。總之，粉體變成超細粉體后，在熱力學和動力學上均有利于低溫還原反應的發(fā)生，更為系統(tǒng)和深刻的理論研究結果將在今后報道。
2、鈦鐵礦超細粉的制備工藝
傳統(tǒng)的球磨機很難將鈦鐵礦粉體磨細到10um以下，如何得到超細鈦鐵礦粉？為此研究開發(fā)出一種高效連續(xù)式球磨機，可將鈦鐵礦粉體磨細到10um以下。實驗用高效球磨機的內(nèi)徑為30 cm，高90cm，有效體積0.06 m3；電機額定功率為90 kWh，電壓380V。鐵礦的產(chǎn)量為1.2 Uh，使用功率75kW。粒度分析用GSL - 101B型激光顆粒分布測量儀，結果見圖2。顆粒主要分布在4—12 lum之間。此球磨機也可將粉體的平均粒度磨細到2—3um，而能耗可控制在100 kWh/t以內(nèi)。高效球磨機經(jīng)過擴容后，可實現(xiàn)5—10t/h的產(chǎn)量（鈦鐵礦），能夠滿足目前高鈦渣的工業(yè)生產(chǎn)要求。
3、鈦鐵礦生產(chǎn)高鈦渣的低溫還原工藝及特點
3.1低溫工藝流程
除了粉體的制備、低溫還原試驗外，還進行了低溫還原裝置、工藝流程、物料和能量平衡方面的可行性試驗、分析和計算，認為在低溫下快速還原鈦鐵礦工藝是可行的，并形成了一項發(fā)明專利。這項專利不僅可以處理鈦鐵礦粉，而且還可處理鐵礦粉與釩鈦磁鐵礦粉等多種鐵礦和共生鐵礦。
低溫快速還原生產(chǎn)高鈦渣的制備方法的具體流程為，將鈦鐵礦粉和煤粉分別在高效球磨機中磨細成超細粉，然后將它們按一定比例混勻，造球后在加熱設備中還原。還原后的產(chǎn)品經(jīng)冷卻后磨碎通過磁選方式得到鐵粉和高鈦渣，或者通過熔余方式得到鐵水和高鈦渣。低溫還原與電爐熔煉法的工藝比較見表2。
3.2能耗低
低溫還原工藝的最主要特點是降低冶煉能耗：由于冶煉溫度低(600℃)，物料（高鈦渣）的物理熱量僅為0.75 GJ/t(200 kWh/t)，僅相當于電爐熔煉法的1/4左右；其次，在600℃左右，化學反應較單一（鐵的還原），而Ti02的還原等副反應（如T102一Ti305-*T1203）難以發(fā)生，因此化學反應耗熱少(500 kWh/t高鈦渣)，約為電爐熔煉法的60%左右；再次，低溫條件下，尾氣、冷卻水帶走的熱量也僅相當于電爐熔煉法的1/4左右。因此，低溫法冶煉高鈦渣的能量約為1 000kWh/t，相當于電爐熔煉法的1/3左右。
3.3冶煉方法靈活
低溫還原工藝除了可以用電加熱外，還可采用煤或氣作為熱源。如用回轉窯、豎爐、隧道窯等作為加熱方式，這樣可進一步降低生產(chǎn)成本。還原劑的選擇可根據(jù)鈦鐵礦的成分而定，如果鈦鐵礦中的全Fe含量高、而脈石（Mg0、S102、Al2 03等）雜質(zhì)含量低，通過還原可以得到T102含量為90%以上的高鈦渣，則可選用較純的碳質(zhì)還原劑（如碳粉等）。若鈦鐵礦中的脈石含量高，通過還原后僅可以得到Ti02含量為80%左右的高鈦渣，則可以選用低灰分的煤粉作為還原劑。
3.4利于環(huán)保
低溫冶煉法可用煤作為還原劑，而不需要焦炭或石油焦作為還原劑，避免了冶煉焦炭或石油焦過程的環(huán)境污染。低溫下NO,、SO，等有害氣體難以形成，因此排放量遠低于電爐熔煉法的排放量。低溫下，冷卻水的用量也要明顯少于電爐熔煉法的用量。
4、結論
(1)當鈦鐵礦和碳質(zhì)還原劑（如煤粉）粉體的粒度約為10um時，可在600℃左右實現(xiàn)快速還原反應，將鐵還原出來。
(2)研究開發(fā)出一種高效球磨機，可將鈦鐵礦粉體的平均粒度磨細到2—10um，能耗低于100 kWh/t，產(chǎn)量有望達到5—10 t/h。
(3)開發(fā)出低溫快速還原鈦鐵礦生產(chǎn)高鈦渣新工藝流程，該流程具有冶煉溫度低、能耗小、污染少等特點。
