钛工业的发展需大量优质的含钛原料，目前具有较好使用价值的含钛矿物主要是钛铁矿和金红石^[1].随着天然金红石的日益枯竭，低品位但储量丰富的钛铁矿已成为主要原料^{[2, 3]}.电炉冶炼钛铁矿制备高钛渣是主流的处理工艺.国内外对钛铁矿的还原及分离进行了大量的研究，但是整体上看，对于钛铁矿强化还原和分离的研究较少.目前研究强化钛铁矿固态还原的措施主要有预氧化处理、配加添加剂、机械活化处理等^[4].Ranganathan等^[5]研究了铁粉和硅铁对还原钛铁矿后金属铁粒大小的影响；孙康等^[6]研究了碱金属碳酸盐和氯化物对钛铁矿的碳热还原反应的影响；白晨光等^[7]研究了不同配碳量对攀枝花钛精矿冶炼的影响.最近有文献报道了硅铁在铬铁矿还原、渣铁分离过程中的促进作用^[5]，而利用硅铁强化还原钛精矿还没有文献报道.

在电炉冶炼钛铁矿制备高钛渣过程中，渣铁的有效分离对冶炼成本、钛渣品位有至关重要的影响.现有大型电炉工艺，还原速率慢、渣铁分离效率低等使得能耗及成本高，因此需强化冶炼.本文旨在研究硅铁添加剂对钛精矿预还原和渣铁分离的影响，为后续工业实验研究提供理论基础.

本实验所用的原料为攀钢的钛精矿，其化学成分(质量分数,% )为： TiO₂ 45.64, Fe₂O₃ 6.53, FeO 36.45, CaO 1.12, MnO 0.855, MgO 3.22, SiO₂ 3.65, Al₂O₃ 1.02, V₂O₅ ＜0.10. 固体还原剂为焦粉，固定碳质量分数为83.66 % ；硅铁的化学成分为Fe-65 % Si，其质量分数为98.84 % ；焦粉与硅铁的粒度约74μm.

本实验所用的主要设备为硅钼竖炉和感应炉.配入质量分数分别为12 % 的焦粉^[8]和 2 % 的硅铁.将钛精矿、焦粉和硅铁混合后压制成球团，实验前将球团在120℃干燥2h.本研究包括固态还原和熔分两部分.当实验温度达到1380℃后，将球团置于刚玉坩埚后加入硅钼炉中还原30min.还原后球团的金属化率按式(1)计算.

还原球团冷却后，当感应炉达到25kW后将球团加入并开始计时.无硅铁球团在感应炉中熔分时间分别为18,20,22和25min；添加2 % 硅铁的球团熔分时间分别为14，16，22和25min.实验完成后快速冷却，在金属与渣分离后，分析渣中的TiO₂和MFe含量.

预还原球团在矿相显微镜不同放大倍数下观察到的物相分布如图 1所示.图中白色为金属铁，灰色区域是渣，黑色部分是孔洞.由图可知，无硅铁添加剂金属铁粒的最大尺寸可达15μm，添加2 % 硅铁金属铁粒可达55μm.在相同还原条件下，有硅铁添加剂比无硅铁添加剂还原球团中的金属铁粒多，且金属铁粒聚集较好.这是由于硅铁可以作优良的还原剂，在还原过程中可加快还原反应速率，促进金属铁粒的聚集长大，缩短其还原周期.还原后球团的分析结果如表 1所示.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图1 不同放大倍数下预还原球团的矿相显微图 Fig. 1 Micrographs of reduction pellets with different amplifications (a)—无硅铁添加剂； (b)—2 % 硅铁添加剂.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 还原后球团化学分析结果(质量分数) Table 1 Analysis results of reduction pellets(mass fraction) 试样 MFe TFe FeO TiO2 Ti2+ Ti3+ C 无硅铁 25.47 33.25 10.00 49.01 1.91 2.35 2.36 2 % 硅铁 28.30 33.49 6.67 48.16 2.34 3.28 2.99

表1 还原后球团化学分析结果(质量分数) Table 1 Analysis results of reduction pellets(mass fraction)

由式(1)计算可知，无硅铁添加剂还原后球团铁的金属化率为76.60 % ，有硅铁的为84.50 % .添加硅铁可提高球团的金属化率，降低球团中FeO含量，提高球团的还原度.

无硅铁添加和添加2 % 硅铁预还原球团经高温熔分渣铁分离后的铁样如图 2所示.由图可知，随着熔分时间的增加，预还原球团中金属铁粒聚集程度改善，从渣中分离出的铁样尺寸增加.无硅铁还原球团在18min时金属铁颗粒很少聚集，表明此时渣的黏度非常大，铁液在渣中沉降受到的阻力大，还原生成的铁珠未能顺利地沉淀聚集.而添加2 % 硅铁在14min时铁粒聚集较无硅铁在18min时好，表明硅铁在反应过程中可作为发热剂，在局部释放热量，加快质点扩散，促进金属铁粒的聚集长大，在相同的冶炼条件下，可缩短球团的冶炼时间.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图2 预还原球团熔分后铁样 Fig. 2 Iron sample of reduction pellets after smelting (a)—无硅铁； (b)—2 % 硅铁.

还原球团熔分后渣中TiO₂和金属铁的含量与熔分时间的关系如图 3所示.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图3 熔分后渣中二氧化钛和金属铁含量 Fig. 3 Titanium dioxide and metallic iron content in the slag after smelting (a)—无硅铁； (b)—2 % 硅铁.

由图可知，随着熔分时间的增加，渣中TiO₂含量增加，渣中金属铁含量降低.当熔分时间为25 min时,添加硅铁的还原球团熔分后渣中TiO₂质量分数最高为84.75 % ，明显高于无添加剂(76.29 % )；添加硅铁的球团熔分后渣中金属铁含量少于无硅铁的球团，表明添加硅铁可促进渣铁分离.当冶炼时间小于24min时，未添加硅铁的球团熔分后所得的渣中金属铁含量较添加硅铁的少，这是由于无硅铁球团在还原后Fe²⁺含量高于有硅铁的，且硅铁的添加也增加了铁含量，如表 1所示.

由上述可知，添加的硅铁中的硅在反应完成后主要以SiO₂的形式存在，取代部分的碳还原钛铁矿，反应式：Si+2FeO → SiO₂+2Fe.因此，硅铁可提高钛精矿的还原度.熔分后渣中的硅含量如表 2所示.在相同条件下随着冶炼时间增加，渣中的硅含量降低，渣铁的分离效率提高，增加了钛在渣中的富集.

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 熔分后渣中的硅含量 Table 2 Silicon content in the slag after smelting 无硅铁 t熔分/min 18 20 22 25 w(SiO2)/ % 7.06 6.65 5.29 4.92 2 % 硅铁 t熔分/min 14 16 22 25 w(SiO2)/ % 8.32 7.15 5.35 5.11

表2 熔分后渣中的硅含量 Table 2 Silicon content in the slag after smelting

运用FactSage软件计算了钛渣的液相线温度.所用的工业现场钛渣的化学成分(质量分数,% )为： TiO₂ 54.56,Ti₂O₃ 18.7,FeO 12.46,SiO₂ 6.01,Al₂O₃ 2.8,CaO 1.02,MgO 2.56,MnO 1.56.FactSage软件设定的初始条件为：温度区间1500~1600℃，温度梯度50℃，体系压力p= 0.101MPa.以SiO₂为变量，计算结果如图 4所示.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图4 含杂质氧化物的钛渣的液相线计算 Fig. 4 Calculated liquid curves for titanium slag with impurities oxides

由图 4可以看出，在等温线上渣中FeO含量随着硅含量的增加而减少，同时钛渣熔融的液相区域也随着硅含量的增加而变大.FeO含量降低，钛渣的熔化温度也在升高.在硅含量一定的情况下，随着冶炼温度的升高，钛渣的液相线区域变大，使得铁液在渣中的流动性变好，铁液聚集程度变好，凝固以后金属铁形成单独的相，容易从渣中分离出来.因此，添加硅铁可加速渣铁分离，提高渣铁的分离效率.

钛渣的黏度在电炉冶炼过程中影响还原球团熔融过程铁液的流动、金属聚集长大及最终的渣铁分离.运用FactSage计算了钛渣黏度，如图 5所示，其中M=m_TiO2+m_Ti2O3+m_FeO.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图5 钛渣在1600℃时的等黏度线 Fig. 5 Iso-viscosity curves of titanium slag at 1600℃ 1—现场渣； 2—无硅铁； 3—2 % 硅铁 图中50,70,80,100,120为黏度,mPa · s

从图 5可看出黏度随FeO含量的降低而增大； 在相同温度条件下，添加硅铁对钛渣黏度的影响不大，但可降低渣中的FeO含量.钛渣的黏度降低，金属聚集程度变好，凝固以后容易从渣相中分离.

根据FactSage对钛渣液相线及黏度的理论计算可知，添加硅铁有利于加速渣铁分离，增大钛渣液相区域，降低渣的黏度，提高渣铁的分离效率.添加硅铁也降低了渣中的FeO含量，提高了渣中TiO₂的含量.

1) 硅铁在还原钛精矿过程中可作为优良还原剂，提高反应速率，缩短还原周期.添加硅铁可增加球团中金属铁含量，提高铁的金属化率，金属化率达到84.5 % .

2) 添加硅铁在球团熔融过程中可加速渣铁分离，提高渣铁的分离效率，并可降低渣中FeO和金属铁含量，明显提高钛渣的品位.未添加硅铁的还原球团熔分后渣中TiO₂质量分数最高为76.29 % ，而添加硅铁可达到84.75 % .

3) 添加硅铁可降低体系熔化温度，增大钛渣的液相区域，铁液聚集程度变好.硅铁对钛渣黏度无明显影响.本次实验可为后续工业实验研究提供理论基础.