高鈦渣副產品半鋼應用研究

蔡曉東，趙 剛，王英彬，李 勝，郭顯江

（1.阜新市先進制造業(yè)發(fā)展服務中心，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000）

高鈦渣是生產四氯化鈦、鈦白粉和海綿鈦產品的優(yōu)質原料。全球鈦白粉和海綿鈦需求量不斷增長，高鈦渣的需求呈直線上升趨勢。近年來，我國鈦白粉和海綿鈦行業(yè)發(fā)展迅速，雖然國內高鈦渣的產量在不斷擴大，但仍滿足不了國內強大的需求，我國每年需要進口大量的高鈦渣。高鈦渣作為短缺的初級礦產品，市場前景廣闊。

鈦渣的生產方法主要是電爐熔煉法。這種方法是將鈦精礦與固體還原劑混合加入電爐中進行還原熔煉，鈦精礦中鐵的氧化物被選擇性地還原為金屬鐵，而鈦的氧化物被富集在爐渣中，經過渣鐵分離獲得鈦渣和副產品金屬鐵[1]。高鈦渣冶煉過程中得到的副產品生鐵因其碳含量為1.5%～2.3%，在熟鐵和生鐵之間,其次是含硅量＜1.0%，比高爐冶煉的生鐵低，通常稱為半鋼[2]。半鋼的有效利用對提高鈦渣生產的經濟性有著重要的影響，世界各大鈦渣生產廠都十分重視副產品半鋼的綜合利用。加拿大魁北克鐵鈦公司（QIT）將其用于生產優(yōu)質生鐵、鋼坯、鐵粉和鋼粉；南非里查茲灣礦物公司（RBM）經過噴吹處理后澆筑成生鐵；挪威Tinfos鈦鐵公司（TTI）在搖包內進行脫硫處理得到優(yōu)質生鐵[3]。

阜新市目前有高鈦渣生產企業(yè)9戶，每年生產半鋼2萬t。為了提高鈦渣生產企業(yè)的經濟效益，有必要對半鋼進行增值研究。本文對高鈦渣生產工藝進行改進，在渣鐵分離后，對液態(tài)半鋼進行脫硫，脫硫后的鐵液倒入中頻爐中進行增碳、增硅，經過改性處理的半鋼達到了優(yōu)質鑄鐵材料標準。

1 半鋼產出原理及工藝

鈦精礦和焦炭（或無煙煤）經破碎篩分后于礦熱爐內在1200～2000℃的高溫下發(fā)生還原反應，產物為高鈦渣和半鋼。

熔煉結束后放出鐵水，高鈦渣的比重小，浮在上面，下邊為鈦鐵水。工藝流程如圖1所示。

圖1 高鈦渣冶煉工藝流程

阜新市高鈦渣副產品半鋼的成分如表1所示。

表1 阜新高鈦渣副產品半鋼成分%

2 半鋼加工成鑄鐵的改性處理

根據GB/T718-2005《鑄造用生鐵》的規(guī)定，鑄造用生鐵的化學成分標準如表2。

表2 鑄造生鐵成分標準%

通過表1和表2的對比可知，半鋼中P含量滿足鑄鐵的三級要求；w（C）＜3.30%，低于鑄鐵要求；Mn含量符合鑄鐵2組要求；S含量遠大于鑄鐵要求；Si含量低于鑄鐵要求。對比分析后可知，半鋼需要除硫、增碳、增硅，來達到鑄鐵成分標準。

2.1 半鋼處理工藝流程

本文對傳統(tǒng)半鋼處理做了改進，在出鐵車兩端下部制作兩個鐵水出口，鐵水出口處挖地坑，放置鐵水包。裝有熔煉后的鈦和鐵水混合物的鐵水車通過兩個出鐵口，使鐵水流入鐵水包中。同時在鐵水包中放入脫硫劑，經過脫硫的半鋼直接放入中頻爐中經過增碳、增硅，成為合格的鑄鐵材料。工藝流程如圖2所示。

圖2 半鋼處理工藝流程

2.2 半鋼脫硫原理與工藝

CaO脫硫劑的特點：在高碳和一定含硅量的鐵水中，CaO具有較強的脫硫能力；扒渣方便，但用量較大，產生的渣量較多，鐵損較高，鐵水降溫較大；CaO資源多、價格低、易加工、使用安全。

文獻[4-7]對鎂的脫硫機理和產物進行了研究，得出鎂具有較強的脫硫能力。鎂粉脫硫特點：鎂粉的脫硫能力強于CaO，鎂的沸點低，在鐵水中形成氣泡，使反應區(qū)附近流動性好，增加脫硫效果；鎂在水中有一定的溶解度，鐵水經過Mg飽和后可以防止回硫，并且這部分飽和的Mg在鐵水處理后的運輸過程中仍起脫硫作用；Mg價格貴，用量少，鐵水降溫小，渣量少，鐵損少，處理周期短，有利于高節(jié)奏的轉爐，其綜合成本不一定高。

采用Mg+CaO+Al2O3作為脫硫劑，取得了很好的效果。半鋼中S的含量高達到1.2%，Mg粉做脫硫劑效果較CaO明顯。同時，加入石灰粉起到分散劑作用，可避免大量Mg瞬間氣化而造成噴濺；石灰粉還能成為大量氣泡的形成中心，從而減少Mg氣泡的直徑，降低了Mg氣泡的上浮速度，加快了Mg向鐵液中的溶解速度，提高了Mg的利用率[8，9]。由于鐵水車有兩個鐵水出口，每臺鐵水包中流入約有500 kg半鋼，量很少，鎂的沸點很低，在鐵水中形成氣泡，增加了CaO和Mg的流動性，提高了脫硫效果。Al2O3有利于加快脫硫反應速度，增加脫硫劑的脫硫量和脫硫率，提高石灰的利用率。通過多次現場試驗，在鐵水量比較少的情況下，采用Mg+CaO+Al2O3作為脫硫劑，不采用攪拌和噴吹的方法就可以達到很好的脫硫效果。

脫硫劑的用量與多種因素有關，如：鐵水的重量、鐵水含硫量、脫硫后的殘硫指標、脫硫劑的類型、脫硫前后鐵水的成分、鐵水的溫度、脫硫劑的損耗、脫硫劑在鐵水中的流動性等等。因此很難有精確的數學模型，我們是采用冶金機理來得出理論數據，并在此基礎上通過實驗確定脫硫劑的用量。通過多次實驗，每噸半鋼中采用22 kg的Mg，14 kg的CaO，3.5 kg的Al2O3，經過混合脫硫劑脫硫后，鐵水中w（S）≤0.040%，符合鑄鐵標準。

2.3 半鋼增碳原理及工藝

半鋼中碳元素經過預處理造成鐵液中的含碳量有所降低，導致鐵液中的含碳量達不到煉制預期的理論值。阜新市半鋼中含碳量為1.86%，低于鑄鐵含碳標準（w（C）≥3.30%），需要添加增碳劑。

增碳劑中的固定碳含量高、灰分低，則增碳效率高；反之增碳效率低[10]。選用石墨化優(yōu)質增碳劑，在高溫條件下，碳原子的排列呈石墨的微觀形態(tài)。石墨化可以降低增碳劑中雜質的含量，提高增碳劑的碳含量，降低硫含量。在中頻電爐熔煉中使用增碳劑，可按配比或碳當量要求隨料加入中頻爐中下部位，回收率可達95%以上。計算公式如下：

式中：Ca為每噸半鋼需要的增碳劑數量，t；Cfe0為原半鋼含C量，%；Cfel為標準鑄鐵所需的含碳量，%；Cab為增碳劑吸收率，%。

經過計算，當半鋼中含碳量達到3.30%時，需要加入15.7 kg的石墨增碳劑。

2.4 半鋼增硅原理及工藝

由于半鋼中Si含量低，不滿足鑄鐵要求，需要對半鋼增硅。采用中頻爐中投入硅鐵的方法增硅。具體投入量通過下面的計算公式：

式中：AFeSi為每噸半鋼應增加的硅鐵含量，t；為要求增硅后半鋼中含硅量，%；為增硅前半鋼中含硅量，%；SiFeSi為硅鐵的含硅量，%；λFeSi為硅鐵的回收率，%。

通過計算，當硅含量（質量分數）達到2.4%時，需要加入含硅75%的硅鐵26 kg。

2.5 半鋼改性處理應用

通過在企業(yè)的生產試驗，每噸高鈦渣副產品半鋼中加入22 kg的Mg，14 kg的CaO，3.5 kg的Al2O3脫硫，將脫硫后的鐵水置入中頻爐中加入硅鐵26 kg、碳16 kg，進行增硅增碳。對改性處理后的鐵水進行成分分析，各元素的成分含量滿足鑄造生鐵成分標準，數據對比如表3所示。

表3 半鋼改性處理后成分含量與鑄造生鐵成分標準對比 %

每噸半鋼經過加工達到鑄鐵材料標準，共需要200元左右，而做成鑄鐵件可以銷售8000元/t。每噸半鋼經過加工處理變成鑄鐵鐵水后，可以直接加工成鑄鐵件，為企業(yè)帶來巨大的經濟效益。

3 結論

1）采用Mg+CaO+Al2O3作為脫硫劑，鎂的沸點很低，在鐵水中形成氣泡，增加了CaO和Mg的流動性，提高了脫硫效果。Al2O3有利于加快脫硫反應速度，增加脫硫劑的脫硫量和脫硫率，提高石灰的利用率，但Al2O3的用量應控制在10%左右。加入石灰粉起到分散劑作用，石灰粉還能成為大量氣泡的形成中心，從而減少Mg氣泡的直徑，可避免大量Mg瞬間氣化而造成噴濺。在鐵水量比較少的情況下，不采用攪拌和噴吹的方法就可以達到很好的脫硫效果。

2）本文直接對渣鐵分離后的液態(tài)鐵水進行改性處理，工藝簡單可行，值得推廣。

3）由于篇幅有限，文章未對阜新半鋼成分的其他微量元素（Mn、Zn、Ti等）對鑄件的影響進行分析，后續(xù)工作還需要對這些微量元素加以研究，根據這些微量元素特點，鑄造適合的鑄件產品。