CN107208184A

CN107208184A - 用于由钛铁矿制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的方法和设备

Info

Publication number: CN107208184A
Application number: CN201680006936.2A
Authority: CN
Inventors: H·克罗格鲁斯; P·马克拉; J·萨仁玛; S·皮斯拉; P·帕洛瓦拉
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Metso Corp
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2017-09-26
Also published as: WO2016120529A1; FI20155066A7; FI20155066A; BR112017015641A2; EA201791434A1; CA2974263A1; ZA201704911B

Abstract

本发明涉及用于由钛铁矿制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的方法。该方法的特征在于其包括以下步骤：a)在预还原反应器中在还原剂的存在下预还原钛铁矿以使钛铁矿中的至少部分铁金属化；b)任选地从预还原的钛铁矿去除未反应的还原剂和脉石；和c)在电弧炉中熔炼预还原的钛铁矿以将钛氧化物分离成熔融矿渣相和将生铁分离成熔融金属相。本发明还涉及用于由钛铁矿制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的设备，并且涉及含有钛氧化物的矿渣和生铁。

Description

用于由钛铁矿制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的方法和设备

技术领域

本公开内容涉及用于通过钛铁矿熔炼来制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的方法和设备。

背景技术

在电弧炉中熔炼钛铁矿是用于制备含有钛氧化物的矿渣的主要方法。钛铁矿的名义组成是FeTiO₃或FeO.TiO₂。在该方法中，通过使用电能来熔炼钛铁矿。从炉顶将钛铁矿和含碳还原剂(例如焦炭或煤)的混合物连续地供给至熔池中。

在熔炼过程中，通过在还原剂中存在的碳将存在于钛铁矿中的铁氧化物还原成金属性形式。这产生具有高钛氧化物含量和低铁氧化物含量的含有钛氧化物的矿渣。从炉的底部收集金属性铁作为生铁。典型地将含有钛氧化物的矿渣出售给颜料生产者用于下游处理(其中将该矿渣加工成纯的TiO₂颜料)。

以下是在钛铁矿熔炼中的两个基本反应：

来自矿渣的FeO的还原：

FeO+C→Fe+CO (1)

矿渣中的TiO₂的部分还原：

TiO₂+¹/₂C→TiO_1.5+¹/₂CO (2)

反应(1)比反应(2)更向右进行。在熔炼过程中发生的还原反应是高度吸热的。因此该熔炼方法是非常能量密集的。当使用钛铁矿的直接熔炼时，来自还原剂的灰以及脉石和矿石中的其他杂质进入含有钛氧化物的矿渣，降低其TiO₂含量并潜在地限制其加工替代方案。

US 3765868A公开了用于从钛铁矿矿石选择性回收金属性铁和钛氧化物有用成分(value)的方法。该方法包括通过在铁氧化物还原试剂的存在下加热来还原处于特别形式的钛铁矿矿石并将还原产物分离成磁性和非磁性部分。通过加热至大于约1730℃的温度，处于颗粒形式的磁性部分经历添加有碳的电弧熔炼。分离了所得熔融铁层和流体矿渣层。该流体矿渣包含至少约93.5％的TiO₂和不大于6.3％的FeO。

US 6306195B1公开了用于由钛铁矿制备高等级合成金红石的方法，伴随生铁作为副产物。该方法包括使钛铁矿经受采用煤的还原，冷却并去除未反应的煤以获得具有80-95％金属化的产物，在惰性气体流下在使用弧电流的转移弧等离子体中持续固定时间来熔炼混合有小于10％(w/w)碳的金属化的钛铁矿，并将作为生铁的金属与作为矿渣的TiO₂分离。

WO 2006048283A1公开了用于由钛铁矿制备二氧化钛矿渣的方法和设备。在至少900℃的温度下的还原反应器中部分还原粒状钛铁矿。将预还原的钛铁矿转移至电炉中(其中进入炉的钛铁矿的入口温度为至少550℃)，并且在还原试剂的存在下将其熔化，由此形成液体生铁和氧化钛矿渣。

US 8088195B2公开了用于从包括钛氧化物和铁氧化物的材料制造含有钛氧化物的矿渣的方法。该方法包括在还原炉中加热原材料混合物(包括钛氧化物、铁氧化物和含碳还原剂)，还原混合物中的铁氧化物以形成还原的铁，将所得的混合物供给至加热熔化炉以熔化该还原的铁并将该还原的铁从含有钛氧化物的矿渣分离，并且从炉中排出该含有钛氧化物的矿渣。使原材料混合物结块以提高在用作还原炉和加热熔化炉的转底炉中的传热效率。

发明内容

本公开内容的目的是提供用于通过钛铁矿熔炼来制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的新的方法和设备。

根据本公开内容的方法，其特征是在权利要求1中提出的方法。

根据本公开内容的设备，其特征是在权利要求23中提出的设备。

根据本公开内容的含有钛氧化物的矿渣，其特征是在29中提出的含有钛氧化物的矿渣。

根据本公开内容的生铁，其特征是在权利要求30中提出的生铁。

根据本公开内容的方法和设备相对于现有技术可提供以下优势的至少一者：

可减小在含有钛氧化物的矿渣和生铁的制备方法中的电消耗。

可改进含有钛氧化物的矿渣的品质。或者，可在没有损害含有钛氧化物的矿渣的品质的情况下使用较低品质的含碳还原剂。此外，可在熔炼过程中减小还原剂的量。

可通过使用根据本公开内容的方法来减小生铁中碳的量。

在预还原的钛铁矿的熔炼过程中的气体形成小于当使用未预还原的钛铁矿时的气体形成。这允许在电弧炉中建立较小的气体处理系统。

如果预加热了供给至电弧炉的预还原的钛铁矿，则可进一步降低能量消耗并可提高电弧炉的容量。

附图简要描述

包括附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图构成此说明书的一部分，说明了本发明的实施方案，并且与该描述一起有助于解释本发明的原理。在附图中：

图1是根据本公开内容的方法的流程图说明。

图2是根据本公开内容的设备的图示。

详细描述

在一方面，公开了用于由钛铁矿制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的方法。该方法包括以下步骤：在预还原反应器中在还原剂的存在下预还原钛铁矿以使钛铁矿中的至少部分铁金属化；和在电弧炉中熔炼预还原的钛铁矿以将钛氧化物分离成熔融矿渣相和将生铁分离成熔融金属相。根据本公开内容的方法可在预还原步骤之后包括任选地从预还原的钛铁矿去除未反应的还原剂和脉石的额外步骤。

或者，该方法包括以下步骤：a)在预还原反应器中在含碳还原剂的存在下预还原钛铁矿以使钛铁矿中的至少部分铁金属化；b)任选地从预还原的钛铁矿去除未反应的含碳还原剂和脉石；和c)在电弧炉中熔炼预还原的钛铁矿以将钛氧化物分离成熔融矿渣相和将生铁分离成熔融金属相。

含有钛氧化物的矿渣主要含有钛氧化物。本文的钛氧化物意指在钛铁矿中或在含有钛氧化物的矿渣中存在的所有形式的钛氧化物。大多数钛氧化物是TiO₂，但例如也可存在Ti₂O₃，但是其他钛氧化物的比例小于TiO₂的比例。矿渣另外含有在几个百分比范围内的未还原的铁氧化物(主要是FeO)。铁氧化物的存在对矿渣的流动性是重要的。虽然从纯度的角度可需要去除铁氧化物，但是在熔炼过程中典型地未将铁完全还原并且将剩余的氧化物分离成矿渣。在一个实施方案中，含有钛氧化物的矿渣含有小于12重量％、优选小于10重量％、更优选约7重量％的铁氧化物。

含有钛氧化物的矿渣另外含有各种杂质，其量取决于原材料和还原剂性质以及取决于方法步骤。典型的杂质为铝、镁、硅、铬和硫，其均以约1-2重量％或更小的量存在。

虽然存在一些碳和痕量的其他元素，但是生铁主要含有金属性铁。在一个实施方案中，生铁含有小于1重量％的碳，优选小于0.8重量％、更优选小于0.6重量％、最优选小于0.4重量％的碳。

本文的钛铁矿意指用于制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的含有钛氧化物和含有铁氧化物的矿物进料材料。可通过本领域已知的任何方式(例如浮选精选)来精选钛铁矿。在原材料的脉石含量足够低的情况下，不需要精选并且因此可使用未加工的钛铁矿。钛铁矿可含有例如约45重量％、55重量％或60重量％的钛氧化物。另外，钛铁矿可含有例如约30重量％、35重量％或38重量％的铁氧化物。

在该方法的步骤a)中，预还原钛铁矿。在此步骤中，将钛铁矿中的一部分铁氧化物还原为金属性铁。在一个实施方案中，步骤a)中的还原剂为含碳还原剂，例如无烟煤、焦炭、煤、炭、木炭、含有一氧化碳的气体、或其组合。使用含碳还原剂用于按照式FeO+C→Fe+CO的反应。不同的含碳还原剂在它们的反应性、纯度、构造和价格方面变化，其是当选择用于于给定应用的合适还原剂时技术人员可考虑的所有参数。例如可使用无烟煤、焦炭、煤、炭、木炭、含有一氧化碳的气体、或其组合作为含碳还原剂。在一个实施方案中，使用无烟煤、焦炭、煤、含有一氧化碳的气体、或其组合作为步骤a)中的含碳还原剂。还原剂的晶粒尺寸优选为0.5-20mm。在没有还原剂过量损失进入气相的情况下此尺寸范围优化还原率。

在一个实施方案中，步骤a)中的还原剂是含有分子氢的气体、含有烃的气体或其组合。含有烃的气体可为例如天然气。在一个实施方案中，使用含碳还原剂和另一类型的还原剂的组合。例如，可使用分子氢和一氧化碳气体的组合。

可在回转窑中或在流化床反应器中发生预还原。对于这些方法典型的是使用化石燃料用于工艺所需的加热。在一个实施方案中，使用回转窑或流化床反应器作为步骤a)中的预还原反应器。可将钛铁矿以结块的形式(例如团、块或结核)引入预还原反应器中。还可将钛铁矿以未结块的形式引入预还原反应器中。

典型地，在还原气氛中发生预还原。热的金属性铁非常容易再氧化为铁氧化物，并且这需要通过保护性气氛例如氮或氩来避免。此外，如果例如使用一氧化碳作为含碳还原剂，则安全原因需要严格地含有该还原剂气体。

在目前的方法中，在预还原之后铁的金属化程度为至少50％。本文的金属化程度意指钛铁矿中处于金属性形式的总铁比例。换句话说，以(Fe_金属/Fe_总)×100％计算金属化程度。优选预还原之后的金属化程度例如为70％或80％。可达到高达90％且更高(例如93％)的金属化程度。然而，因为在电弧炉中加热含有钛氧化物的矿渣和生铁用于分离，所以使用熔炼步骤用于完成钛铁矿中铁氧化物的还原可为有利的。

在一个实施方案中，在步骤a)中使钛铁矿的至少50重量％、优选至少70重量％、更优选至少85重量％的铁金属化。

作为副工艺，还发生钛从TiO₂至Ti₂O₃的还原。进行此反应可在一些情况下限制提高铁的金属化程度的可能性。

在该方法的步骤b)中，从预还原的钛铁矿去除未反应的碳和脉石。此步骤是任选的，并且因此可在没有去除碳和脉石的情况下进行根据本公开内容的方法。去除的程度例如取决于在该方法中使用的钛铁矿的脉石含量。含碳还原剂典型地含有至少痕量的杂质(其在此步骤中也被至少部分去除)。这可允许制备较纯的含有钛氧化物的矿渣和/或生铁。因此，可能可在预还原中使用较低纯度的含碳还原剂而没有对最终产物的纯度的不利影响。

在一个实施方案中，在步骤b)中使用磁性分离以去除未反应的还原剂和脉石。在一个实施方案中，在步骤b)中使用磁性分离以去除未反应的含碳还原剂和脉石。为了使磁性分离是可行的，预还原的钛铁矿需要冷却或被冷却小于其居里温度。在此情况下，在700℃和以下的温度下磁性分离是可行的。

在一个实施方案中，在700℃或更低的温度下去除未反应的还原剂和脉石。在一个实施方案中，在700℃或更低的温度下去除未反应的含碳还原剂和脉石。当使用了除磁性分离以外的基于例如预还原的钛铁矿的密度或晶粒尺寸的其他方法时，可有利的保持预还原的钛铁矿的温度高于700℃以减小在该方法的步骤c)中的能量消耗。因此，在一些实施方案中，可在大于700℃的温度下进行该方法的步骤b)。例如，步骤b)的温度可为800-1000℃。

如果有必要在步骤a)之后(主动地或被动地)冷却预还原的钛铁矿，则可在步骤c)之前将其再加热。这可提高熔炼的生产量并进一步减小其能量消耗。可至少部分地采用来自该方法(例如来自步骤a)或c))的再循环的热进行此预加热。在一个实施方案中，在步骤c)之前预加热预还原的钛铁矿。可将还原剂预加热至例如600℃。

为了改进方法的效率，可将未反应的含碳还原剂循环回到预还原系统。这样，可改进还原剂中含有的热以及材料的使用效率。在一个实施方案中，将从预还原的钛铁矿分离的未反应的含碳还原剂循环回到预还原反应器。

在一个实施方案中，将从预还原的钛铁矿分离的未反应的还原剂循环至预还原反应器和/或电弧炉。可将还原剂循环至电弧炉。还原剂可为含碳还原剂。还原剂的分离并循环至电弧炉允许调节带进熔炼步骤中的还原剂的量。因为可将未反应的还原剂循环至预还原反应器，另外或替代地将还原剂循环至电弧炉，所以可采用最适合该方法的方式来调整未反应的还原剂的材料流。换句话说，供给至预还原反应器的未反应的还原剂的比例可在0和100％之间变化。供给至电弧炉的未反应的还原剂的比例可在0和100％之间变化。可从该方法去除未反应的还原剂和脉石(其替代或另外地循环至预还原反应器或电弧炉)。

此外，可通过从仅一部分的预还原的钛铁矿分离未反应的还原剂来调节预还原的钛铁矿和还原剂之间的比率。换句话说，可将从中去除了未反应的还原剂和脉石的预还原的钛铁矿以及未分离的预还原的钛铁矿两者供给至电弧炉，即该方法的步骤c)。还可将未加工的钛铁矿添加至电弧炉2中。因此，可使用经循环的未反应的还原剂以实现用于熔炼的恰当的FeO含量。取决于方法细节，可加热或冷却被循环至预还原反应器和/或电弧炉的未反应的还原剂。

在该方法的步骤c)中，在电弧炉中熔炼预还原的钛铁矿。在此步骤中，分别将钛氧化物和金属性铁分离成熔融矿渣相和金属相。需强调的是，此步骤可含有存在于预还原的钛铁矿中的铁氧化物的进一步还原。然而，这不是必要的并且可设想这样的实施方案，其中仅使用步骤c)以分离金属性铁和含有钛氧化物的矿渣。

底部的金属基本上仅含有金属性铁，使得铁氧化物保留在矿渣中。因此，矿渣相的铁氧化物含量取决于存在于钛铁矿中的铁的金属化程度。这可通过在熔炼方法中含碳还原剂的量来调整。为了减小矿渣的铁氧化物含量，提高了还原剂相对于供给至电弧炉的钛铁矿的量。将更多的铁氧化物还原成金属性铁并且因此分离成熔融金属相。在一个实施方案中，在步骤c)中的电弧炉中添加还原剂。在一个实施方案中，在步骤c)中的电弧炉中添加含碳还原剂。

在相反的情况下，将相对于预还原的钛铁矿进料更少的含碳还原剂引入电弧炉中。如果例如矿渣的流动性降低，则这可以是必要的。有时可不将任何含碳还原剂添加至电弧炉中。这可以是相关的替代方案，尤其如果预还原的钛铁矿的金属化程度在80-90％的范围内。在一个实施方案中，在步骤c)中的电弧炉中没有添加还原剂。在一个实施方案中，在步骤c)中的电弧炉中没有添加含碳还原剂。换句话说，在不存在所添加的还原剂的情况下进行熔炼。

如果以此方式没有实现足够的矿渣铁氧化物浓度，则可采用未被预还原的未加工的钛铁矿补充预还原的钛铁矿。在一个实施方案中，在步骤c)中的电弧炉中添加未加工的钛铁矿或没有预还原的钛铁矿。例如如果将省略分离预还原的钛铁矿与未反应的含碳还原剂的方法步骤b)，并且预还原的钛铁矿含有大量还原剂，则可使用添加未加工的钛铁矿作为替代方案。

典型地，在装入电弧炉之前将钛铁矿结块以便提高其颗粒尺寸。如果大部分的钛铁矿颗粒在并入熔融矿渣中之前会被吹走，则需要完成这个过程。然而在预还原之后，可没有必要将钛铁矿结块。这是由与未预还原的钛铁矿相比预还原的钛铁矿的更高的比重所致。在一个实施方案中，步骤c)中使用的预还原的钛铁矿为未结块的。

在一个实施方案中，在直流电弧炉中进行步骤c)。

直流电弧炉(DC炉)在其结构和使用参数方面不同于交流电弧炉(AC炉)。例如，可将较细的材料供给至DC炉中。它提供用于调整矿渣碱度的更灵活的调整可能性。此外，在DC炉中氧化物的表面还原更有效率。这是由比在AC炉中熔融材料的更高的表面温度所致。此外，在DC炉中挥发性组分更容易转移到气相中。在DC炉中电极的消耗减小，因为与AC炉中的三个电极相比，存在唯一的一个电极。典型地，用于DC炉的投资也小于AC炉的投资。

在一个实施方案中，直流电弧炉中熔融矿渣相的温度为1450-1850℃、优选1550-1750℃、更优选1680-1720℃、最优选约1700℃；并且熔融金属相的温度比熔融矿渣相的温度低40-200℃、优选80-150℃。

在一个实施方案中，在交流电弧炉中进行步骤c)。

在一个实施方案中，交流电弧炉中的熔化温度为1450-1850℃、优选1530-1750℃、更优选1570-1700℃、最优选1650-1680℃。

在预还原了钛铁矿之后，只要预还原的钛铁矿保持热的，金属化的铁就非常容易再氧化。因此，不得不保护其免受氧化物质例如大气中的氧。可能冷却预还原的钛铁矿并将其储存在例如桶、袋或筒仓(silo)中。储存可为气密的并且任选地包含保护性气体。在一个实施方案中，在步骤a)之后，或任选地在步骤b)之后，在供给至步骤c)中之前储存预还原的钛铁矿。

然而，可省略储存步骤。如果在保护性气体(例如氮或氩)下保存，则可直接将预还原的钛铁矿引至电弧炉。该方法可含有分离未反应的还原剂(步骤b))，或可直接在预还原步骤(步骤a))之后发生熔炼(步骤c))(其间没有步骤b))。

本文的直接供给意指一种工艺，其中没有将预还原的钛铁矿以中间储存物储存或移动至工艺流程之外的储存容器。如果将储存器皿与该工艺结合，则预还原的钛铁矿保持在箱子或其他储存器皿中是可能的。该结合可为传送带、进料管等的形式。即使将预还原的钛铁矿从步骤a)或步骤b)直接供给至步骤c)，可有必要将预还原的钛铁矿池(pool)保持在该工艺内以调整工艺步骤之间的速度差异。在一个实施方案中，将预还原的钛铁矿从步骤a)或任选地从步骤b)直接供给至步骤c)。

在通过含碳还原剂的铁还原中，形成了一氧化碳。其可与大气氧以爆炸方式反应，并且因此需要保护其中形成一氧化碳的工艺步骤。在一个实施方案中，步骤c)的电弧炉的气体气氛与步骤a)和/或步骤b)的气体气氛是分开的。在一些实施方案中，其中如果进行了步骤b)，则步骤a)的气体气氛与步骤b)的气体气氛是分开的。步骤a)、b)和c)的气体组成和压力是相互独立可调的。在步骤c)中，将压力保持小于环境压力以避免从电弧炉泄漏气体。

气体密封可引起在不同工艺步骤中气体气氛的分开。在本领域中已知许多类型的气体密封并且选择合适的布置在技术人员的认知内。

可配置电弧炉以分批地或连续地运行。分批配置意指以不连续的步骤将进料(预还原的钛铁矿和任选的还原剂和/或未加工的钛铁矿)引至电弧炉中的操作。如果工艺是连续的，则将进料材料基本上连续地引至电弧炉中。甚至连续的工艺也可具有由例如测量、监测或维护所致的中断。本文的半连续的工艺意指一种工艺，其中在持续的时间过程中发生进料，但是存在潜在可变长度的有意间断。在所有这些方法类型中，矿渣和金属深度的监测是可能的，并且还可进行抽样以确定产物性质。

可在步骤a)之后直接或在其间采用任选的步骤b)的情况下实施以上描述的连续的、半连续的或分批的进料。在一个实施方案中，连续地或半连续地从步骤a)或任选地从步骤b)将预还原的钛铁矿供给至步骤c)。

根据本公开内容的方法的产物为含有钛氧化物的矿渣和生铁。在一方面，公开了含有钛氧化物的矿渣。其特征是其通过根据本公开内容的方法来制备。特别地，该含有钛氧化物的矿渣除TiO₂之外可含有Ti₂O₃。含有钛氧化物的矿渣可还含有Ti₃O₅。不同的钛氧化物化合物表现钛的两种氧化态，即Ti⁴⁺和Ti³⁺。它们的比例取决于方法细节尤其是矿渣的FeO含量而变化。

在一方面，公开了生铁。其特征是其通过根据本公开内容的方法来制备。特别地，制备了低碳含量的生铁。通过根据本公开内容的方法来制备的生铁的碳含量可含有例如小于1重量％的碳、优选小于0.8重量％、更优选小于0.6重量％、最优选小于0.4重量％的碳。可制备含有例如0.25重量％的碳的生铁。

在另一方面，公开了用于通过根据本公开内容的方法由钛铁矿制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的设备。该设备包含：

-预还原反应器，用于预还原钛铁矿；

-任选的分离站，用于从预还原的钛铁矿去除未反应的碳和脉石；和

-电弧炉，用于将钛氧化物分离成熔融矿渣相和将生铁分离成熔融金属相。该设备特征在于

-预还原反应器操作地连接至分离站和/或电弧炉，用于将预还原的钛铁矿传输至分离站和/或电弧炉；

-任选的分离站操作地连接至预还原站用于接收预还原的钛铁矿，且操作地连接至电弧炉用于将从中已经去除了未反应的碳和脉石的预还原的钛铁矿传输至电弧炉；和

-电弧炉操作地连接至预还原反应器和/或分离站用于接收从中任选地去除了未反应的碳和脉石的预还原的钛铁矿。

可采用本领域已知的方法组织预还原反应器和任选的分离站之间、预还原反应器和电弧炉之间以及任选的分离站和电弧炉之间的操作连接。每个操作连接可为相互独立的，例如为传送带或管。操作连接可包含存储箱或筒仓，用于调整移动至下一个方法步骤的材料比率。操作连接可为计算机控制的。

该设备可包含在分离站和预还原反应器之间的操作连接，用于将未反应的还原剂从分离站循环至预还原反应器。该设备可包含在分离站和电弧炉之间的操作连接，用于将未反应的还原剂从分离站循环至电弧炉。该设备可包含从分离站引向工艺外部的操作连接用于引导未反应的还原剂离开该工艺。用于运输未反应的还原剂的操作连接可包含储存装置。从分离站引向预还原反应器和电弧炉的操作连接可具有共享的储存装置。

操作连接可包含用于加热或冷却在设备内运输的材料的装置。因此，根据本公开内容的设备可还包含用于加热或冷却经分离的未反应的还原剂和脉石的装置。根据本公开内容的设备可还包含用于在供给至电弧炉中之前加热预还原的钛铁矿的装置。该设备可还包含用于在供给至预还原反应器之前加热未加工的钛铁矿的装置。

在一个实施方案中，根据本公开内容的设备含有用于连续地或半连续地为电弧炉供给预还原的钛铁矿的装置。

在一个实施方案中，电弧炉的气体气氛与预还原站和/或分离站的气体气氛是分开的。

在一个实施方案中，预还原反应器是回转窑或流化床反应器。

在一个实施方案中，电弧炉是交流电弧炉。

在一个实施方案中，电弧炉是直流电弧炉。

可相互以任何组合使用在上文中描述的本发明的实施方案。可将几个实施方案组合在一起以形成本发明另外的实施方案。与本发明相关的方法、物质或装置可包含在上文描述的本发明的至少一个实施方案。

实施例

现将详细参考本发明的实施方案，在附图中说明了所述实施方案的实施例。

图1说明了根据一个实施方案的方法，其用于通过钛铁矿熔炼来制备含有钛氧化物的矿渣和生铁。此示例性实施方案开始于在预还原反应器中在还原剂的存在下预还原钛铁矿，以使钛铁矿中的至少部分铁金属化(步骤a))。在没有将本公开内容限制于任何具体理论的情况下，在此步骤中，还原剂的碳与存在于钛铁矿中的铁氧化物反应从而产生金属性铁和一氧化碳。在预还原反应器中发生步骤a)。

在该方法的步骤b)中，从预还原的钛铁矿去除未反应的碳和脉石。此步骤是任选的，并且如果该步骤是必要的，则在每个应用中进行评价在技术人员的认知内。

在该方法的步骤c)中，在电弧炉中熔炼预还原的钛铁矿以将钛氧化物分离成熔融矿渣相和将生铁分离成熔融金属相。如本领域中已知的，可分别地从电弧炉去除每个相。因此该方法在一方面制备含有钛氧化物的矿渣，并且在另一方面制备生铁。

图2为根据本公开内容的用于制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的设备的图示。黑色箭头表明工艺流程的方向且方框表明设备中存在的装置。用虚线轮廓描绘任选的装置和方法步骤。用于由钛铁矿制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的设备3包含例如与工艺监测和安全相关的大量结构细节。为了清楚起见，图中省略了所有这些装置。

在图2的实施方案中，设备3首先包含预还原反应器1。典型地从储存装置6将材料组分(即钛铁矿精矿和/或未加工的钛铁矿、还原剂以及可能的其他添加剂)引至预还原反应器1中。在此实施方案中，存在三个储存装置6，可从其中将材料供给至工艺中。每个储存装置6可用于一种材料组分或用于两种或更多种的材料组分的混合物。储存装置6的量取决于工艺细节。可存在例如两个或四个储存装置6用于将材料供给至预还原反应器1中。储存装置6中的还原剂可为含碳还原剂(例如焦炭)或其他类型的还原剂(例如分子氢)。

已经在储存装置6中或在储存装置6之前调整或者在预还原反应器1的装载过程中调整被引入预还原反应器1中的钛铁矿精矿和/或未加工的钛铁矿、还原剂以及可能的其他添加剂的比例。储存装置6典型地是箱或筒仓，其具有用于控制进一步运输至工艺中的所释放的材料量的工具。还可存在混合装置(未示出)，用于制备待供给至预还原反应器1中的材料组分。可计算机控制材料的释放。可设置计算机控制的材料释放以响应在工艺中稍后测量的工艺参数。为此，根据本公开内容的设备3包含用于接收至少一个工艺参数信号并调节材料释放以响应此信号的装置。例如，可测量预还原的钛铁矿的预还原程度，并且可使用此信息来调节供给至预还原反应器1中的不同材料组分的量。任选地，在预还原反应器1中的加工过程中仍然可调整材料的比例。预还原反应器1例如为回转窑。

在预还原反应器1中进行预还原(根据本公开内容的方法的步骤a))。在此之后，将预还原的钛铁矿运输至用于进行根据本公开内容的方法的任选的步骤b)的分离站4，或运输至用于进行根据本公开内容的方法的步骤c)的电弧炉2。通过操作连接5发生运输。任选地，在预还原站1和分离站4之间和/或在预还原反应器1和电弧炉2之间存在储存装置6。使用储存装置6以调节进入接下来的工艺步骤的预还原的钛铁矿的比率。如上，储存装置6可为箱或筒仓并且可计算机控制它们。可在储存装置6处或其他地方沿着操作连接5将另外的材料组分添加至预还原的钛铁矿以调整进入步骤b)或步骤c)的预还原的钛铁矿的组成。例如，可在步骤c)之前添加未加工的钛铁矿或含碳还原剂。

假如该方法包括步骤b)，则通过操作连接5将从中去除了未反应的还原剂和脉石的预还原的钛铁矿从分离站4运输至电弧炉2。同样此操作连接(其例如为传送机)可包含储存装置6。可将未反应的还原剂再循环回到预还原反应器1中，用于进一步地利用(将工艺箭头虚线化以表明此替代方案的任选性)。可能的是该再循环包括净化步骤以去除脉石。为了清楚起见，图中省略了用于进行这样的步骤的工具。

可将未反应的还原剂循环至电弧炉2中用于用作熔炼中的还原剂(将工艺箭头虚线化以表明此替代方案的任选性)。可能的是该循环包括净化步骤以去除脉石。为了清楚起见，图中省略了用于进行这样的步骤的工具。尤其如果将未反应的还原剂循环至电弧炉2，则可降低在熔炼过程中添加另外的还原剂的需要。可能的是完全省略添加另外的还原剂的需要。为了调整熔炼过程中的工艺参数，替代地可在电弧炉2中添加经循环的还原剂和另外的还原剂例如无烟煤。

沿着根据本公开内容的设备3中的操作连接5指出了气体密封7。气体密封7用于彼此分离单个工艺步骤的气体气氛。虽然对于每个操作连接5仅呈现一个气体密封7，但是它们的数量和位置可变化。在图2中，它们定位在每个接下来的工艺步骤之前，但是可根据设备3的设计细节来调整位置。此外，可有正好在先前工艺步骤之后且在接下来的工艺步骤之前的气体密封7。在此情况下，可独立于工艺步骤的气体气氛而在运输材料和/或预还原的钛铁矿过程中调节气体气氛。

将预还原的钛铁矿从预还原站1或从分离站4运输至电弧炉2。操作连接5(沿其发生运输)任选地配有一个或多个储存装置6。在图2中，将电弧炉2描绘为具有熔融矿渣相(水平阴影)和金属相(斜线阴影)。分别用在电弧炉2的左侧和右侧上的水平棒表明矿渣相和金属相的出炉位置。在图2中未规定电弧炉2的类型。其可为例如DC炉，在该情况下电弧炉2将典型地具有一个电极。

在电弧炉中熔炼预还原的钛铁矿(采用任选的添加剂)，分离并收集含有钛氧化物的矿渣和生铁。为了清楚起见，省略了电极和电路、气体出口和入口、冷却装置、气体洗涤器以及电弧炉2的所有其他的设计细节，因为它们的设计对于技术人员而言是显而易见的。同样省略了电弧炉2内凝固的含有钛氧化物的矿渣和/或金属相的冻结衬里(freezelining)。该冻结衬里“隔绝”熔融矿渣与电弧炉的耐火衬里，因此保护该耐火衬里免于熔融矿渣的腐蚀影响。冻结衬里的存在可对电弧炉耐火衬里的耐久性以及对最终产物的纯度都是有益的。

以下描述公开了本发明的一些实施方案，这样的细节公开使得本领域技术人员能够基于本公开内容利用本发明。没有详细地讨论实施方案的所有步骤，因为基于此说明书许多步骤对于本领域技术人员将是显而易见的。

实施例1

在流化床反应器中预还原含有48重量％的TiO₂等价物和48重量％的铁氧化物(FeO和Fe₂O₃)(批次1)或54重量％的TiO₂等价物和40重量％的铁氧化物(批次2)的钛铁矿。在约950℃的温度下并且在封闭的气体环境中进行预还原。使用焦炭作为含碳还原剂。该工艺典型地产生75-85％的铁金属化程度，但是最高至95％的金属化程度是可达到的。预还原的钛铁矿的金属化程度在14％和58％之间变化。

通过分析样品的总Ti含量并且如同仅存在TiO₂来给出其量从而计算TiO₂等价物(TiO₂ ^ekv)。换句话说，可以以相当的方式给出含有可变比例的Ti⁴⁺和Ti³⁺的样品的Ti含量。

在此情况下，在单独的筒仓中储存预还原的钛铁矿并且通过振动加料器将其装至电弧炉。然而，在一个替代方案中，通过特定的进料筒仓将预还原的钛铁矿供给至电弧炉中。或者，可使用通过进料管的扩张的直接供给。在这些情况下，使用定时双重密封布置来保持电弧炉的气体气氛与先前步骤的气氛分开。

在熔炼之前通过磁性分离从预还原的钛铁矿分离未反应的焦炭。或者，可使用基于密度或基于晶粒尺寸的方法。将回收的焦炭再循环回到预还原工艺中。在700℃或以下的温度下发生磁性分离。

在交流电弧炉中使用粉碎的焦炭作为含碳还原剂来熔炼预还原的钛铁矿。作为对比，使用未加工的钛铁矿。基于在熔炼过程中确定的含有钛氧化物的矿渣的FeO含量来添加焦炭。添加至电弧炉的焦炭的量在每100kg的预还原的钛铁矿1.5和6.7kg之间变化。可使用具有不同晶粒尺寸的焦炭，并且选择合适的晶粒尺寸取决于电弧炉、进料组成和其他工艺参数，并且可由技术人员确定。熔炼温度在1530-1579℃和1650-1680℃之间变化。采用较高的温度范围，实现较高的铁还原水平。

所得的含有钛氧化物的矿渣含有58.3-75.4重量％的TiO₂ ^ekv和5-10重量％的FeO。另外，该矿渣含有1.6-2.7重量％的SiO₂、2.5-3.3重量％的Al₂O₃、0.07-0.09重量％的碳、0.02-0.05重量％的硫和0.4-1.9重量％的CaO。

所得的生铁含有0.54-0.98重量％的碳。硫、钛、锰和磷的浓度保持低的并且部分小于检测极限。

与未还原的钛铁矿对比，减小了熔炼的电能消耗。对于预还原的钛铁矿而言计算的电能消耗在610-1075kWh/t矿渣之间变化。在没有预还原的情况下，对应的值将为808-1529kWh/t矿渣。因此，计算的能量消耗减小约25-30％。

实施例2

使用含有59.8重量％的TiO₂和34.8重量％的铁氧化物(FeO和Fe₂O₃)的钛铁矿用于在回转窑中采用煤作为含碳还原剂在1100-1150℃的温度下制备预还原的钛铁矿。然后在直流电弧炉中熔炼预还原的钛铁矿用于制备含有钛氧化物的矿渣和生铁。

在实验中使用两个批次的预还原的钛铁矿，一个具有85.7％的金属化程度(A批次)，并且另一个具有58.2％的金属化程度(B批次)。将A批次与未加工的钛铁矿作为50％/50％的混合物供给至电弧炉，然而同样地将B批次供给至电弧炉。将结果与仅使用未加工的钛铁矿的工艺对比。在桶中储存预还原的钛铁矿并且通过振动加料器将其装至电弧炉。然而，通过筒仓或进料管的扩张的直接供给(其配有定时双重密封布置)是替代方案。

在直流电弧炉中使用无烟煤作为含碳还原剂来熔炼预还原的钛铁矿。还原剂的量变化，并且为总进料的3.5重量％或5.7重量％(即96.5重量％或94.6重量％的钛铁矿和3.5重量％或5.7重量％的无烟煤)。添加至电弧炉的无烟煤的量因此为每100kg的钛铁矿3.7或5.7kg。

调整电弧炉功率和进料率之间的比率使得矿渣温度维持在约1680-1700℃，其取决于矿渣FeO含量。总而言之，温度在1630-1730℃之间变化。1690-1720℃的矿渣温度向含有钛氧化物的矿渣提供7-8重量％的FeO。目的是将矿渣流动性保持在足够高的水平。与此同时，沿着电弧炉壁形成了固体矿渣的所谓冻结衬里。这防止电弧炉衬里溶解至出炉矿渣中。熔融金属温度为约1560-1580℃。例如，熔融金属温度为1550℃。

采用由抽气风机产生的轻微真空(0.1毫巴)来操作电弧炉。在燃烧室中燃烧电弧炉气体的易燃组分。

当熔炼B批次的钛铁矿，并将相对于钛铁矿重量的3.4％的碳添加至电弧炉时，所得的含有钛氧化物的矿渣含有8.5-9.7重量％的FeO。当碳进料率提高至3.7重量％时，制备了含有5.4-6重量％FeO的矿渣。在实验过程中，矿渣的FeO含量在3和12重量％之间变化并且典型地为5至10重量％。将碳的量计算为可用于还原的碳(C_fix)。其通过从供给至该工艺中的含碳还原剂的质量减去含碳还原剂的灰、挥发物、硫和磷含量(重量％)来计算。

大多数矿渣含有钛氧化物(以TiO₂和Ti₂O₃的形式)。矿渣的TiO₂含量在76.9重量％和88.4重量％之间变化(计算为TiO₂ ^ekv)。矿渣另外含有0.15-0.5重量％的硫(平均0.10重量％)，而磷含量保持小于0.05重量％的检测极限。

所得的生铁含有0.25重量％的碳，其与利用未预还原的钛铁矿的方法对比是非常低的值。金属含有0.17-0.3重量％的硫，平均为0.20重量％。磷含量在0.07和0.4重量％之间的范围，具有0.10重量％的平均值。

与未还原的钛铁矿对比，如表1中所描述，熔炼的电能消耗减小。

表1：用于稳态熔炼工艺的能量消耗(kWh/t钛铁矿)

*假设78％的热效率

**50％/50％的未加工的钛铁矿和A批次

对于A批次的预还原的钛铁矿和未加工的钛铁矿的混合物而言，工业规模预测的经计算的电能消耗因而是未加工的钛铁矿的88％。当仅使用预还原的钛铁矿(B批次)时，能量消耗是未加工的钛铁矿的76％。

随着技术的进步，对本领域技术人员而言显而易见的是，可采用各种方式来实施本发明的基本构思。本发明及其实施方案因此不限于以上所描述的实施例；相反它们可在权利要求的范围内变化。

Claims

1.用于由钛铁矿制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a)在预还原反应器(1)中在还原剂的存在下预还原钛铁矿以使钛铁矿中的至少部分铁金属化；

b)任选地从预还原的钛铁矿去除未反应的还原剂和脉石；和

c)在电弧炉(2)中熔炼预还原的钛铁矿以将钛氧化物分离成熔融矿渣相和将生铁分离成熔融金属相。

2.根据权利要求1的方法，其中使用回转窑或流化床反应器作为步骤a)中的预还原反应器(1)。

3.根据权利要求1或2的方法，其中步骤a)中的还原剂为含碳还原剂，例如无烟煤、焦炭、煤、炭、木炭、含有一氧化碳的气体、或其组合。

4.根据权利要求1或2的方法，其中步骤a)中的还原剂为含有分子氢的气体、含有烃的气体、或其组合。

5.根据前述权利要求的任一项的方法，其中在步骤a)中使钛铁矿的至少50重量％、优选至少70重量％、更优选至少85重量％的铁金属化。

6.根据前述权利要求的任一项的方法，其中在步骤b)中使用磁性分离以去除未反应的还原剂和脉石。

7.根据权利要求6的方法，其中在700℃或更低的温度下去除未反应的还原剂和脉石。

8.根据前述权利要求的任一项的方法，其中使从预还原的钛铁矿分离的未反应的还原剂循环至预还原反应器(1)和/或电弧炉(2)。

9.根据前述权利要求的任一项的方法，其中步骤c)中使用的预还原的钛铁矿是未结块的。

10.根据前述权利要求的任一项的方法，其中在步骤c)之前预加热预还原的钛铁矿。

11.根据前述权利要求的任一项的方法，其中在步骤c)中的电弧炉(2)中没有添加还原剂。

12.根据权利要求1-10的任一项的方法，其中在步骤c)中的电弧炉(2)中添加还原剂。

13.根据前述权利要求的任一项的方法，其中在步骤c)中的电弧炉(2)中添加未加工的钛铁矿或没有预还原的钛铁矿。

14.根据前述权利要求的任一项的方法，其中在直流电弧炉(2)中进行步骤c)。

15.根据权利要求14的方法，其中该直流电弧炉(2)中熔融矿渣相的温度为1450-1850℃、优选1550-1750℃、更优选1680-1720℃、最优选约1700℃；并且熔融金属相的温度比熔融矿渣相的温度低40-200℃、优选80-150℃。

16.根据权利要求1-13的任一项的方法，其中在交流电弧炉(2)中进行步骤c)。

17.根据权利要求16的方法，其中该交流电弧炉(2)中熔化温度为1450-1850℃、优选1530-1750℃、更优选1570-1700℃、最优选1650-1680℃。

18.根据前述权利要求的任一项的方法，其中从步骤a)或任选地从步骤b)连续地或半连续地将预还原的钛铁矿供给至步骤c)。

19.根据前述权利要求的任一项的方法，其中从步骤a)或任选地从步骤b)直接地将预还原的钛铁矿供给至步骤c)。

20.根据权利要求19的方法，其中步骤c)的电弧炉(2)的气体气氛与步骤a)和/或步骤b)的气体气氛是分开的。

21.根据权利要求1-18的任一项的方法，其中在步骤a)之后或任选地在步骤b)之后，在供给至步骤c)中之前储存预还原的钛铁矿。

22.根据前述权利要求的任一项的方法，其中含有钛氧化物的矿渣含有小于12重量％、优选小于10重量％、更优选约7重量％的铁氧化物。

23.根据前述权利要求的任一项的方法，其中生铁含有小于1重量％的碳，优选小于0.8重量％、更优选小于0.6重量％、最优选小于0.4重量％的碳。

24.用于通过根据前述权利要求的任一项的方法由钛铁矿制备含有钛氧化物的矿渣和生铁的设备(3)，该设备包含

-预还原反应器(1)，用于预还原钛铁矿；

-任选的分离站(4)，用于从预还原的钛铁矿去除未反应的还原剂和脉石；和

-电弧炉(2)，用于将钛氧化物分离成熔融矿渣相和将生铁分离成熔融金属相；特征在于

-预还原反应器(1)操作地连接至分离站(4)和/或电弧炉(2)，用于将预还原的钛铁矿传输至分离站(4)和/或电弧炉(2)；

-任选的分离站(4)操作地连接至预还原站(1)用于接收预还原的钛铁矿，且操作地连接至电弧炉(2)用于将从中去除了未反应的碳和脉石的预还原的钛铁矿传输至电弧炉(2)；和

-电弧炉(2)操作地连接至预还原站(1)和/或分离站(4)，用于接收任选地从中去除了未反应的碳和脉石的预还原的钛铁矿。

25.根据权利要求24的设备(3)，其中该设备(3)含有用于连续地或半连续地为电弧炉(2)供给预还原的钛铁矿的装置。

26.根据权利要求24或25的设备(3)，其中电弧炉(2)的气体气氛与预还原站(1)和/或分离站(4)的气体气氛是分开的。

27.根据权利要求24-26的任一项的设备(3)，其中预还原反应器(1)为回转窑或流化床反应器。

28.根据权利要求24-27的任一项的设备(3)，其中电弧炉(2)是交流电弧炉。

29.根据权利要求24-27的任一项的设备(3)，其中电弧炉(2)是直流电弧炉。

30.含有钛氧化物的矿渣，特征在于其通过根据权利要求1-23的任一项的方法来制备。

31.生铁，特征在于其通过根据权利要求1-23的任一项的方法来制备。