優(yōu)化高鈦渣項目設(shè)計為氯化鈦白粉生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)鈦原料

陳曉風(fēng)

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

鈦白粉是一種重要的化工原料，氯化鈦白粉是國家重點鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品。氯化鈦白粉生產(chǎn)工藝對鈦原料的要求非常高，因此，如何選擇氯化鈦白粉原料、完善原料生產(chǎn)工藝，滿足氯化鈦白粉對鈦原料的要求，對氯化鈦白粉項目的成敗至關(guān)重要。

1 氯化鈦白粉原料路線的選擇

鈦白粉是一種白色無機(jī)顏料，具有無毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，被認(rèn)為是目前世界上迄今無可替代、性能最優(yōu)異、最重要的白色顏料，主要起裝飾和防護(hù)等功能性作用，廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、造紙、印刷、油墨和橡膠等工業(yè)。鈦白粉的生產(chǎn)和消費水平已經(jīng)成為衡量一個國家化工發(fā)展水平和國民消費水平的重要標(biāo)志。

鈦白粉生產(chǎn)工藝分為硫酸法和氯化法2種，氯化法生產(chǎn)工藝與硫酸法相比，具有流程短、自動化程度高、產(chǎn)品質(zhì)量好、三廢排放少等優(yōu)點，氯化法工藝替代硫酸法工藝已成為鈦白粉發(fā)展的必然趨勢。

優(yōu)質(zhì)富鈦料是生產(chǎn)氯化法鈦白粉的重要原料，包括天然金紅石、人造金紅石和高鈦渣。

天然金紅石是氯化法鈦白粉的理想原料，二氧化鈦含量高，雜質(zhì)元素少，氯化反應(yīng)氯氣消耗低，廢渣量少。我國雖有多處天然金紅石礦床被發(fā)現(xiàn)，但至今未大規(guī)模開采，少量的天然金紅石產(chǎn)量，基本上為航天和航空等工業(yè)部門生產(chǎn)金屬鈦服務(wù)。國外天然金紅石大部分已被國際大公司長期預(yù)訂，采購困難。

人造金紅石是利用鈦礦通過化學(xué)方法加工的富鈦料，其品位接近天然金紅石。人造金紅石因為在制造過程可以去除鈦礦原料中的鈣、鎂等雜質(zhì)，在國外廣泛用作氯化法鈦白粉的鈦原料；中國合成金紅石的產(chǎn)量很小，要建設(shè)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)裝置仍有大量工作要做。

高鈦渣是通過電爐熔煉法將鈦鐵礦中的鐵還原，使二氧化鈦富集、經(jīng)渣鐵分離而得到的富鈦料。具有冶煉生產(chǎn)工藝順暢、設(shè)備大型化、煙氣回收綜合利用，產(chǎn)品生鐵可直接用于煉鋼等優(yōu)點。電爐冶煉高鈦渣占富鈦料生產(chǎn)的70 %以上，在整個鈦產(chǎn)業(yè)鏈中占有十分重要的地位。

我國傳統(tǒng)的高鈦渣生產(chǎn)存在生產(chǎn)廠家多、電爐容量小、裝備水平低，勞動強(qiáng)度大、環(huán)境污染嚴(yán)重、無煙氣處理及余熱利用設(shè)備，能秏高等特點，難以滿足氯化法鈦白粉生產(chǎn)工藝的需要。國外加拿大、南非、挪威等國是高鈦渣的主要生產(chǎn)國，掌握并壟斷掌握具有世界先進(jìn)水平的大型密閉電爐冶煉鈦渣的技術(shù)，具有設(shè)備大型化、煙氣回收利用、鈦渣質(zhì)量好等優(yōu)點。

我國鈦資源十分豐富，鈦鐵礦中TiO2保有量為3.57億t，已探明儲量占世界總儲量的49 %，居世界首位。云南省鈦資源十分豐富，鈦鐵礦中TiO2保有量為3 000萬t，鈦砂礦保有量居全國第4位。云南鈦鐵礦品位高、鈦精礦含有害雜質(zhì)少、品質(zhì)好。為云南利用本地資源優(yōu)勢，發(fā)展氯化法鈦白項目提供了可靠的原料基礎(chǔ)和地域優(yōu)勢。

為了充分利用云南省豐富的鈦鐵礦資源，發(fā)揮云南鈦精礦品位高、鈣鎂含量低的資源特點，云南某鈦業(yè)公司引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和部分關(guān)鍵設(shè)備，建設(shè)氯化鈦白粉項目，配套建設(shè)高鈦渣項目，為氯化鈦白粉項目提供優(yōu)質(zhì)鈦原料是非常必要的，也是可行的。

2 云南某鈦業(yè)公司氯化鈦白粉項目概況

氯化法鈦白粉項目包括高鈦渣和鈦白粉2個項目。高鈦渣項目是為鈦白粉項目提供鈦原料的配套項目。

高鈦渣項目引進(jìn)具有當(dāng)今世界先進(jìn)水平的BATEMAN公司密閉式大型直流電爐熔煉高鈦渣技術(shù)，建設(shè)規(guī)模為8萬t/年高鈦渣。2009年10月投產(chǎn)以來，具有工藝技術(shù)先進(jìn)、工藝流程順暢、設(shè)備運行可靠、生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良、資源綜合利用率高、能源利用合理、環(huán)保技術(shù)優(yōu)良、生產(chǎn)效率高、安全性能強(qiáng)、自動化控制水平高等特點，是名列世界第三、亞洲第一的大型密閉式直流電爐熔煉高鈦渣項目。

鈦白粉項目引進(jìn)德國氯化法鈦白粉工藝技術(shù)，以高鈦渣為原料，通過沸騰氯化、返漿噴淋、礦物油精制除釩、高溫快速氣相氧化及表面包覆處理等工藝生產(chǎn)高品質(zhì)的氯化鈦白粉。建設(shè)規(guī)模為6萬t/年氯化法金紅石型鈦白粉。2012年建成投產(chǎn)以來，具有工藝技術(shù)先進(jìn)，設(shè)備成熟可靠，自動化控制水平高、環(huán)境優(yōu)良、產(chǎn)品質(zhì)量好等特點，達(dá)到國際先進(jìn)、國內(nèi)一流水平先進(jìn)。

3 密閉式直流電爐熔煉高鈦渣技術(shù)的特點

3.1 工藝技術(shù)特點

1)電爐電極采用單根中空石墨電極，中心下料，爐內(nèi)加熱集中，熔池攪拌功能優(yōu)異，物理熔化快、熱效率可提高8 %～10 %；

2)電弧穩(wěn)定，容易控制電弧長度、偏弧。對爐壁的燒損一致，減少了耐火材料的消耗，爐壁耐火材料使用壽命長；

3)電極消耗低，石墨電極消耗減少約50 %；

4)電爐容量大，電爐產(chǎn)能高，熔煉單位電耗低，鈦渣冶煉電耗為2 580 kWh/t鈦渣，大大低于國內(nèi)鈦渣冶煉的3 500 kWh/t鈦渣；

5)加料熔煉在密閉的條件下進(jìn)行，極大地減少了原料損失，資源利用率高，冶煉回收率高，TiO2回收率達(dá)96 %；可以處理粒度較細(xì)的粉料，而交流電弧爐則需要制粒；

6)電爐煤氣經(jīng)過煤氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行處理，凈化后的煤氣進(jìn)入煤氣輸配系統(tǒng)，用于鈦精礦、無煙煤、鈦渣的干燥及渣包烘烤；收下的煙塵返回原料儲配系統(tǒng)生產(chǎn)的鈦鐵礦粉，再進(jìn)入電爐熔煉；

7)電流波動比交流爐低20 %～30 %，直流電弧爐對前級電網(wǎng)的沖擊較??；

8)直流電弧的效率高；自然功率因數(shù)較高，在不加補(bǔ)償情況下功率因數(shù)可達(dá)0.94～0.96；

9)采用DCS控制系統(tǒng)全程監(jiān)控和調(diào)節(jié)配料、加料、爐溫、爐壓、冶煉周期等冶煉工藝，實現(xiàn)了自動化控制，提高了勞動生產(chǎn)率；

3.2 設(shè)備技術(shù)特點

3.2.1 泰森洗滌機(jī)的特點

洗滌機(jī)流程將煙氣洗滌和煙氣加壓融合在一起，1臺設(shè)備完成煙氣的加壓和洗滌2個功能，技術(shù)先進(jìn)，運行穩(wěn)定可靠，維護(hù)簡單。缺點是污水處理量較大，但污水可循環(huán)使用。

3.2.2 LOESCHE磨機(jī)的特點

1)磨機(jī)進(jìn)料速度調(diào)節(jié)范圍大；

2)采用變頻控制技術(shù)調(diào)節(jié)磨機(jī)的速度，調(diào)節(jié)磨機(jī)產(chǎn)能及粒度合格率；

3)在操作時能夠大范圍調(diào)節(jié)料床上輥子的碾磨壓力以使產(chǎn)品的粒度分布達(dá)到最優(yōu)化；

4)能夠調(diào)節(jié)輥子和碾磨臺之間的最小間隙。

3.2.3 噴射式氣流篩的特點

1)可調(diào)節(jié)給料率；

2)分配噴嘴的速度可無級調(diào)整；

3)使用系統(tǒng)風(fēng)機(jī)對風(fēng)流量進(jìn)行無級調(diào)整；

4)同心溢流堰高度可變，從而可改變切割粒度。

3.2.4 大功率整流設(shè)備的特點

直流爐整流設(shè)備引進(jìn)ABB整流設(shè)備1套，電壓800 V，電流80 kA，橋式整流，等效12相。整流設(shè)備應(yīng)用水冷大功率整流器的最新技術(shù)，性能可靠、壽命周期長、維護(hù)成本低、易于維護(hù)等特點，整流設(shè)備的控制操作系統(tǒng)采用全數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，可提供全數(shù)字精確的穩(wěn)流控制、高速的動態(tài)響應(yīng)、整流器監(jiān)測、系統(tǒng)監(jiān)控，以及非常靈活可靠的操作。就地控制柜將安裝有一次保護(hù)繼電器，以確保整流器的安全可靠運行。每一整流機(jī)組的穩(wěn)流精度可達(dá)的1 %(額定直流輸出)。

3.2.5 自動化控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用DCS控制系統(tǒng)，采用電氣與儀表一體化控制?？刂葡到y(tǒng)具有生產(chǎn)設(shè)備的連鎖控制、生產(chǎn)過程控制、過程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、過程與設(shè)備狀況的監(jiān)控與報警、過程趨勢數(shù)據(jù)的采集與處理、報表打印、畫面顯示、并完成現(xiàn)場設(shè)備、計算機(jī)系統(tǒng)與中央控制室之間的數(shù)據(jù)交換、信息和指令數(shù)據(jù)的傳輸?shù)瓤刂乒δ?，自動化控制系統(tǒng)水平居國內(nèi)先進(jìn)水平。

4 創(chuàng)新設(shè)計

項目通過消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)的同時，堅持自主創(chuàng)新，不斷優(yōu)化工藝及設(shè)備方案，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專有技術(shù)。

4.1 設(shè)計了完善的電爐煤氣輸配系統(tǒng)

電爐煤氣輸配系統(tǒng)是高鈦渣項目重要的節(jié)能減排配套工程，電爐煤氣輸配系統(tǒng)配置了一座10 000 m3的煤氣柜，3臺80 m3/min的煤氣加壓機(jī)和到煤氣輸配管網(wǎng)，解決了電爐煤氣產(chǎn)量與用量的不平衡，滿足了無煙煤、鈦鐵礦、鈦渣干燥和渣包烘烤等煤氣用戶的供氣要求。每年回收電爐煤氣5 770萬/m3，折合標(biāo)準(zhǔn)煤19 689 t/a，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 煤氣輸配系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)

煤氣輸配系統(tǒng)設(shè)計了完善的電爐煤氣氧含量和CO監(jiān)控系統(tǒng)，一旦氧含量和CO超標(biāo)，立即聲光報警器，連鎖處理，確保電爐煤氣輸配系統(tǒng)的安全性。

4.3 采用流化床技術(shù)干燥鈦精礦和無煙煤

鈦精礦和無煙煤采用硫化床技術(shù)干燥、冷卻，干燥后含水量<1 %，流化床干燥使用的燃料，試車時采用柴油；正常生產(chǎn)時使用回收利用的電爐煤氣。

4.4 采用失重秤技術(shù)提高配料精度

采用失重秤技術(shù)對鈦精礦和無煙煤進(jìn)行高精度連續(xù)定量給料并自動稱重，減少了散物料的浪費，提高了混合物料的一致性，配料精度高。

4.5 增設(shè)泥炮開口機(jī)

為了快速準(zhǔn)確開啟堵嚴(yán)鐵口渣口，確保操作安全，設(shè)計采用了泥炮開口機(jī)，具有推力大、開啟快速可靠、操作維修方便等特點。

4.6 增設(shè)鐵水排放事故槽

為了有效解決事故狀態(tài)下鐵水的排放問題，設(shè)計增設(shè)鐵水排放事故槽，增強(qiáng)了安全性。

4.7 優(yōu)化完善了控制程序，有效控制泡沫渣噴爐事故

密閉電爐熔煉高鈦渣會產(chǎn)生泡沫渣，造成爐壓增加，當(dāng)爐壓過高，會發(fā)生泡沫渣噴爐事故。為了避免噴爐事故的發(fā)生，優(yōu)化完善了密閉電爐的控制程序，有效控制爐內(nèi)壓力，有效解決了控制泡沫渣、減少噴爐事故的世界難題。

5 試生產(chǎn)存在的問題及解決方案

5.1 鈦鐵礦鈣鎂含量偏高，積極尋找低鈣鎂的鈦鐵礦

氯化法鈦白生產(chǎn)對高鈦渣的鈣、鎂含量有嚴(yán)格的限定要求，中國雖然是鈦資源大國，但可以用于生產(chǎn)氯化法鈦白粉的優(yōu)質(zhì)鈦礦卻很少，因此尋找低鈣鎂的鈦鐵礦，對氯化鈦白粉的質(zhì)量至關(guān)重要。云南某鈦業(yè)公司在國內(nèi)外積極尋找低鈣鎂的鈦鐵礦，在莫桑比克購買鈦資源的工作已取得實質(zhì)性進(jìn)展，莫桑比克鈦鋯礦區(qū)礦產(chǎn)資源超1億t，探明可開采的鈦鐵礦金屬量為7 200萬t、鋯石260萬t、金紅石40萬t、磁鐵礦5 000萬t。鈦精礦礦樣分析較為理想，非鐵雜質(zhì)在4 %以內(nèi)，且CaO、MgO含量較低，是較優(yōu)質(zhì)的鈦精礦。經(jīng)電爐冶煉能生產(chǎn)90 %左右品位的高鈦渣，是優(yōu)良的沸騰氯化原料。

云南某鈦業(yè)公司與大理礦業(yè)公司確定購銷協(xié)議，大理礦業(yè)公司擁有300～500萬t鈦礦資源，鈣鎂含量低?？捎门c氯化鈦白粉生產(chǎn)。

5.2 完善選礦工藝流程，降低鈣鎂含量

云南某鈦業(yè)公司加強(qiáng)選礦流程的研究，改進(jìn)選礦工藝及設(shè)備，降低鈣鎂含量，提高品位，滿足氯化鈦白粉的要求。

5.3 高鈦渣粒度不符合氯化鈦白要求，改造高鈦渣粒度分級工藝

原設(shè)計高鈦渣粒度參數(shù)：用于生產(chǎn)氯化法鈦白粉的氯化渣粒度為0.106～0.85 mm>90 %，用于生產(chǎn)硫酸法鈦白粉的酸溶性渣粒度位<0.106 mm，而氯化鈦白粉工藝對高渣鈦粒度的要求調(diào)整為0.1～0.6 mm>90 %。粒度要求相對偏細(xì)，造成原設(shè)備處理困難，氯化渣的產(chǎn)量及產(chǎn)率都較低。

為了滿足氯化鈦白粉的工藝要求，進(jìn)行了工藝研磨分級實驗，確定在不改變原主體工藝的前提下，對分級流程進(jìn)行局部改造，增加相應(yīng)設(shè)備和裝置，鈦渣研磨分級系統(tǒng)進(jìn)行工藝設(shè)備技術(shù)改造：

1)增加3臺精細(xì)篩，將精細(xì)篩的處理能力由5～6 t/h提高到10～12 t/h，把篩上物粒度<0.6 mm控制在5 %內(nèi)，篩下物粒度<0.1 mm的物料控制在25 %內(nèi)，減少細(xì)料量，減輕后續(xù)設(shè)備處理負(fù)擔(dān)，提高粗粒級鈦渣的產(chǎn)能和產(chǎn)率。

2)將精細(xì)篩原工藝的三通分料器優(yōu)化為定量給料皮帶，即通過增裝定量給料皮帶從而實現(xiàn)各臺精細(xì)篩的實際負(fù)荷一致。消除原工藝中的三通分料器分料不均勻的缺點。

3)增加1臺分級機(jī)作為備用，可作為現(xiàn)有分級機(jī)故障時進(jìn)行更換使用，改善分級質(zhì)量，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

4)技改后，在生產(chǎn)0.1～0.6 mm粒度的氯渣產(chǎn)品時，將氯化渣和酸溶渣的產(chǎn)率比由原來的60：40提升到70：30。

2014年7月24日，首次使用改造后生產(chǎn)的高鈦渣用于氯化鈦白粉生產(chǎn)，沸騰氯化爐爐況良好，運行穩(wěn)定，控制系統(tǒng)聯(lián)動正常，鈦白粉產(chǎn)品質(zhì)量良好，自主研發(fā)的“沸騰氯化專用高鈦渣”生產(chǎn)氯化鈦白粉獲得成功。

6 結(jié) 語

云南某鈦業(yè)公司利用云南省豐富的鈦鐵礦資源，選擇高鈦渣為氯化鈦白粉生產(chǎn)的鈦原料，引進(jìn)國外大功率密閉直流電爐熔煉高鈦渣技術(shù)，積極尋找低鈣鎂鈦精礦，不斷優(yōu)化高鈦渣生產(chǎn)工藝，改造鈦渣研磨分級系統(tǒng)，自主研發(fā)成功了“沸騰氯化專用高鈦渣”，榮獲云南省重點新產(chǎn)品稱號，實現(xiàn)了采用自產(chǎn)高鈦渣生產(chǎn)氯化鈦白技術(shù)的突破，榮獲“2013年云南十大科技進(jìn)展”稱號，這對于充分利用云南省豐富的鈦鐵礦資源，真正實現(xiàn)變資源優(yōu)勢為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，促進(jìn)云南地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提升中國高鈦渣工業(yè)的整體水平，加快鈦產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進(jìn)步具有重大意義。