攀枝花含钛高炉渣资源化利用新途径

发布时间：2020-07-23 15:39

【摘要】：我国钛资源丰富,占世界第一位,但是我国钛资源的利用率却很低。自20世纪60年代开始,我国投入了大量的人力物力财力研究攀枝花含钛高炉渣的综合利用,尽管取得了一些科研成果,但是仍然难以实现攀枝花含钛高炉渣的大规模综合利用。同时,目前的大量研究主要集中于应用研究,基础理论研究缺乏。因此,本论文选择碳化还原法提取攀枝花含钛高炉渣中的TiC,设计工艺流程,完成攀枝花含钛高炉渣中有价元素的综合回收利用。同时,通过粘度测定和拉曼光谱分析法从性质和结构两方面解释了铝还原过程中渣-金分离困难的原因：通过改变碳颗粒粒度以及使用气体分析仪进行了碳化还原过程中TiC的形成过程的研究以及碳化过程中的动力学分析：通过粘度测定研究了碳化还原过程中TiC固体颗粒的形成对高炉渣粘度的影响。取得的研究成果如下：1、在原有的研究基础上,提出新的工艺流程并加以验证。主要步骤包括：预处理、配料、碳化还原、水冷、酸浸、碱浸。利用扫描电镜,X射线衍射等技术手段研究碳化还原过程,研究发现：当还原温度高于1773K后,还原产物中的MgAl2O4相消失,主相为TiC；含钛高炉渣的还原速率随着温度的升高而增大,随着碳比的增大而增大(碳比不大于1.0);TiC有可能是在Fe表面形核,与Fe紧密结合在一起。进行酸浸和碱浸实验,研究发现：在同一浓度下,酸浸失重率随着温度的增加而增大;在同一温度下,酸浸失重率随着HCI浓度的增大而增大,但是高于25%以后失重率增大幅度变小：酸浸反应的控速环节是界面化学反应,得到反应的表观活化能为23～32 kJ/mol;碱浸浓度越高,温度越高,浸出时间越短。碱浸反应的控速环节是界面化学反应,得到反应的表观活化能为40～51 kJ/mol。2、通过改变碳颗粒粒度以及使用气体分析仪进行了碳化还原过程中TiC的形成过程的研究以及碳化过程中的动力学分析,研究发现：采用两种不同粒度的碳颗粒(0.05～0.055mm和0.15～,0.166mm,在相同的条件下对含钛高炉渣进行还原,得到的TiC的粒度大致相同。也就是说,碳颗粒的形貌对TiC并没有遗传性。碳热还原反应的控速环节是界面化学反应,得到反应的表观活化能为69.16kJ/mol。3、通过粘度测定和拉曼光谱分析法从性质和结构两方面解释了铝还原过程中渣-金分离困难的原因,研究发现：在铝热还原过程中,CaO-MgO-Al2O3-SiO2-TiO2体系的粘度随着Al2O3/TiO2的增大而增大；拉曼光谱分析表明,TiO2含量在3～17 mol%范围内,TiO2主要以[TiO4]的形式存在于体系中,含有少量的[TiO6]八面体结构单元；随着Al2O3不断替代TiO2,一方面,体系中[TiO4]单体结构不断减少,另一方面,由于碱性氧化物CaO进行电荷补偿,使更多的Al2O3进入SiO2网络结构,从而导致体系聚合度的增大。因此,随着铝还原反应的进行,Al2O3/TiO2比率不断增加,体系的粘度会增加。因此,渣-金分离变得困难。4、研究非均相熔体的性质—碳化物TiC对熔渣粘度的影响规律,研究发现：对于相同体积分数的TiC添加,TiC的粒径越小,粘度越大；无论有无TiC固体颗粒的熔体,粘度与温度的关系总是遵循Arrhenius定律；熔体粘度随着TiC含量的增加而增加,随着转速的增加而减少,表现为剪切变薄熔体。同时,温度对于含TiC的非均相熔体的相对粘度几乎没有影响。通过与模型计算粘度的比较,TiC固体颗粒对粘度的影响远远大于根据描述非均相熔体粘度的Einstein-Roscoe方程计算的粘度。如果使Einstein-Roscoe方程的参数随转速和TiC的粒径变化,可以取得不错的计算结果。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X757
【图文】：

气体分析仪,碳颗粒,恒温温度,碳化反应

６N２实巧方法逡逑根据（式６－１）和（式６－２），采用两种不同粒度的碳颗粒进行碳化还原逡逑反应，碳颗粒分别为０．０５￣０．０５５ｍｍ和０．１５－０．１６６ｍｍ。逡逑将混好的渣样放于氧化错巧蜗，设定Ｈ个恒温温度，分别为化７３Ｋ，１７７３Ｋ，逡逑化７３Ｋ，待温度达到设定要求，将巧巧在商温下放入，恒温４小时后，分别逡逑取出进行水巧冷却。碳化后渣样分别进行ＸＲＤ和ＳＥＭ检测分析其物相组逡逑成和形貌特征。逡逑另外，为了研巧碳化反应的动力学，准备了不同温度下不同反应时间的逡逑渣样。由（式６－１）和（式６－２）确定碳与渣样的比例为１１．６３：１００邋（质量比），逡逑温度仍采用化７３Ｋ，邋１７７３Ｋ，化７３Ｋ。反应产生的气体由气体分析仪（型号：逡逑ＸＬＺ－１０９０）进行测定。气体分析仪采用３００ｍｌ７ｍｉｎ的氨气进行保护。逡逑６．２实验结果逡逑

能谱分析,碳颗粒,还原反应,区域

２０（ｄ巧巧ｅ）逡逑田６－２邋１８７３Ｋ还巧反应后渣样的ＸＲＤ分析逡逑图６－３（ａ）－（ｆ）为在不同温度下采用不同粒度的碳颗粒还原反应后渣的逡逑ＳＥＭ结果。图片显示有白色，灰色，黑色＝种区域。为了进一步确认物相，逡逑进行了能谱分析。１７７３Ｋ邋（Ｃ颗粒粒度为化１５￣０．１６６ｍｍ）下还原后的ＳＥＭ图逡逑片Ｗ及ＥＤＳ结果如图６－４所示。区域１包含％．７％的Ｆｅ，表明白色的区域为逡逑Ｆｅ相。区域２由７８．９６％Ｔｉ，１１．６８％Ｃ组成，表明灰色为Ｔｉｅ物相。区域３有逡逑很多元素组成，其中邋３４．１０％邋０，邋２５．２９％邋Ａ１，２０．８８％邋Ｃａ，邋８．４７％邋Ｓｉ，邋NB３０％邋Ｔｉ，逡逑１．９６％邋Ｍｇ等，表明黑色区域为还原反应后Rp余的渣相。逡逑由上结果对比可Ｗ看出虽然采用了不同粒度的碳颗粒，但是ＴｉＣ的尺逡逑寸并没有发生明显变化

曲线,百分数,生成速率,气体速率

气体速率最大时为反应开始时间。因此，本部分分析将上升过程舍去，从Ｃ０逡逑生成速率最大时为反应起始点，即为０时刻。据此作图可得到不同温度下Ｃ０逡逑的生成速率曲线，如图６－６所示？从图中可Ｗ看出温度巧巧，其生成速率越逡逑快。逡逑Ｉ逡逑

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