TiO2碳热还原机理及影响因素的研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240111

摘要/Abstract

摘要：

高炉冶炼钒钛磁铁矿过程中TiO₂过度还原会严重影响高炉顺行.基于TiO₂碳热还原热力学计算，并采用失重法探究温度、气氛及还原剂类型对TiO₂碳热还原过程的影响.结果表明，固溶体Ti(C _x，N _y )的生成起始反应温度随着TiC摩尔分数的增加而升高；相同温度下，TiN在Ti(C _x，N _y )中的摩尔分数随N₂分压增加而增大；相同反应时间内，TiO₂的还原度随温度升高而增加；在Ar和N₂气氛中，TiO₂可与石墨发生碳热还原反应生成TiC及TiN，而在空气和CO₂气氛中石墨会优先与空气中的O₂及气氛中的CO₂发生氧化反应；在所有还原剂中，TiO₂与石墨的反应难度最大，提高入炉焦炭的石墨化程度可有效抑制高炉中TiO₂的过度还原.

关键词: 钒钛磁铁矿, TiO₂, 碳热还原, Ti(C _x，N _y )固溶体, 还原度

Abstract:

Excessive reduction of TiO₂ in the process of smelting vanadium-bearing titanomagnetite in the blast furnace has a great effect on the smooth operation of the blast furnace. Based on the thermodynamic calculation of the carbothermal reduction of TiO₂， the effects of the temperature， atmosphere， and the type of reductant on the carbothermal reduction process of TiO₂ were explored by the loss-in-weight method. The results indicate that the starting reaction temperature of Ti（C _x，N _y ） solid solution increases with the increase in the mole fraction of TiC. The mole fraction of TiN in Ti（C _x，N _y ） increases with the increase in the partial pressure of N₂ at the same temperature. The reduction degree of TiO₂ increases with the increase in temperature within the same reaction time. TiO₂ can be reduced to produce TiC or TiN with graphite under the atmospheres of Ar or N₂， while in the air and CO₂ atmosphere， graphite will be oxidized with O₂ and CO₂. Of all the reductants， TiO₂ has the greatest difficulty in undergoing carbothermal reduction with graphite. Increasing the graphitization degree of the coke in the blast furnace is conducive to inhibiting the excessive reduction of TiO₂ in the blast furnace.

Key words: vanadium-bearing titanomagnetite, TiO₂, carbothermal reduction, Ti（C _x，N _y ）solid solution, reduction degree

中图分类号:

TF 111.13

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图/表 12

图1 TiN和TiC生成的标准吉布斯自由能变化

Fig.1 Standard Gibbs free energy variation for TiN and TiC generation

图2 不同TiC摩尔分数的Ti(C x, N y )固溶体的标准生成吉布斯自由能

Fig.2 Standard Gibbs free energy of Ti(C x, N y ) solid solution generation for different molar fractions of TiC

图3 不同TiC摩尔分数的Ti(C x, N y )固溶体生成的初始反应温度

Fig.3 Initial reaction temperatures for Ti(C x, N y ) solid solution generation with different molar fractions of TiC

图4 N2分压为101.325 kPa时固溶体Ti(C x, N y )中TiC和TiN的摩尔分数随温度的变化

Fig.4 Variation of TiC and TiN mole fractions in Ti(C x, N y ) solid solution with temperature at N2 partial pressure of 101.325 kPa

图5 不同N2分压下固溶体Ti(C x, N y )中TiC和TiN摩尔分数随温度的变化注：实线标目见左轴，虚线标目见右轴，下同.

Fig.5 Variation of TiC and TiN mole fractions in Ti(C x, N y ) solid solution with temperature at different N2 partial pressures

表1 试验样品的成分配比（摩尔比） (mole ratios)

Table 1 Composition ratios of test samples

样品编号	成分组成	配比
TSM1	TiO₂+石墨	1∶3.3
TJT2	TiO₂+焦炭	1∶3.3
TYM3	TiO₂+烟煤	1∶3.3
TWYM4	TiO₂+无烟煤	1∶3.3

图6 试验设备示意图注：1—控温系统； 2—数据记录； 3—硅钼棒； 4—C-Si管； 5—试样； 6—刚玉片； 7—炉管； 8—热电偶； 9—密封铁阀； 10—气体入口.

Fig. 6 Schematic diagram of test equipment

图7 不同温度条件下TiO2碳热还原后样品的失重率及还原度变化

Fig.7 Variation of weight loss rate and reduction degree of samples after carbothermal reduction of TiO2 at different temperatures

图8 不同气氛条件下TiO2碳热还原反应的失重率和还原度变化

Fig.8 Variation of weight loss rate and reduction degree in carbothermal reduction reaction of TiO2 under different atmosphere conditions

图9 不同气氛条件下TiO2碳热还原后样品的物相分析

Fig.9 Physical phase analysis of samples after carbothermal reduction of TiO2 under different atmosphere conditions

图10 不同还原剂条件下TiO2碳热还原反应的失重率和还原度变化

Fig.10 Variation of weight loss rate and reduction degree in carbothermal reduction reaction of TiO2 under different reductant conditions

图11 不同还原剂条件下TiO2碳热还原反应后的样品物相分析

Fig.11 Physical phase analysis of samples after carbothermal reduction reaction of TiO2 under different reductant conditions

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TiO₂碳热还原机理及影响因素的研究

Research on Mechanism and Influencing Factors of TiO₂ Carbothermal Reduction

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