高钛渣副产品半钢应用研究

蔡晓东，赵 刚，王英彬，李 胜，郭显江

（1.阜新市先进制造业发展服务中心，辽宁 阜新 123000；2.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000）

高钛渣是生产四氯化钛、钛白粉和海绵钛产品的优质原料。全球钛白粉和海绵钛需求量不断增长，高钛渣的需求呈直线上升趋势。近年来，我国钛白粉和海绵钛行业发展迅速，虽然国内高钛渣的产量在不断扩大，但仍满足不了国内强大的需求，我国每年需要进口大量的高钛渣。高钛渣作为短缺的初级矿产品，市场前景广阔。

钛渣的生产方法主要是电炉熔炼法。这种方法是将钛精矿与固体还原剂混合加入电炉中进行还原熔炼，钛精矿中铁的氧化物被选择性地还原为金属铁，而钛的氧化物被富集在炉渣中，经过渣铁分离获得钛渣和副产品金属铁[1]。高钛渣冶炼过程中得到的副产品生铁因其碳含量为1.5%～2.3%，在熟铁和生铁之间,其次是含硅量＜1.0%，比高炉冶炼的生铁低，通常称为半钢[2]。半钢的有效利用对提高钛渣生产的经济性有着重要的影响，世界各大钛渣生产厂都十分重视副产品半钢的综合利用。加拿大魁北克铁钛公司（QIT）将其用于生产优质生铁、钢坯、铁粉和钢粉；南非里查兹湾矿物公司（RBM）经过喷吹处理后浇筑成生铁；挪威Tinfos钛铁公司（TTI）在摇包内进行脱硫处理得到优质生铁[3]。

阜新市目前有高钛渣生产企业9户，每年生产半钢2万t。为了提高钛渣生产企业的经济效益，有必要对半钢进行增值研究。本文对高钛渣生产工艺进行改进，在渣铁分离后，对液态半钢进行脱硫，脱硫后的铁液倒入中频炉中进行增碳、增硅，经过改性处理的半钢达到了优质铸铁材料标准。

1 半钢产出原理及工艺

钛精矿和焦炭（或无烟煤）经破碎筛分后于矿热炉内在1200～2000℃的高温下发生还原反应，产物为高钛渣和半钢。

熔炼结束后放出铁水，高钛渣的比重小，浮在上面，下边为钛铁水。工艺流程如图1所示。

图1 高钛渣冶炼工艺流程

阜新市高钛渣副产品半钢的成分如表1所示。

表1 阜新高钛渣副产品半钢成分%

2 半钢加工成铸铁的改性处理

根据GB/T718-2005《铸造用生铁》的规定，铸造用生铁的化学成分标准如表2。

表2 铸造生铁成分标准%

通过表1和表2的对比可知，半钢中P含量满足铸铁的三级要求；w（C）＜3.30%，低于铸铁要求；Mn含量符合铸铁2组要求；S含量远大于铸铁要求；Si含量低于铸铁要求。对比分析后可知，半钢需要除硫、增碳、增硅，来达到铸铁成分标准。

2.1 半钢处理工艺流程

本文对传统半钢处理做了改进，在出铁车两端下部制作两个铁水出口，铁水出口处挖地坑，放置铁水包。装有熔炼后的钛和铁水混合物的铁水车通过两个出铁口，使铁水流入铁水包中。同时在铁水包中放入脱硫剂，经过脱硫的半钢直接放入中频炉中经过增碳、增硅，成为合格的铸铁材料。工艺流程如图2所示。

图2 半钢处理工艺流程

2.2 半钢脱硫原理与工艺

CaO脱硫剂的特点：在高碳和一定含硅量的铁水中，CaO具有较强的脱硫能力；扒渣方便，但用量较大，产生的渣量较多，铁损较高，铁水降温较大；CaO资源多、价格低、易加工、使用安全。

文献[4-7]对镁的脱硫机理和产物进行了研究，得出镁具有较强的脱硫能力。镁粉脱硫特点：镁粉的脱硫能力强于CaO，镁的沸点低，在铁水中形成气泡，使反应区附近流动性好，增加脱硫效果；镁在水中有一定的溶解度，铁水经过Mg饱和后可以防止回硫，并且这部分饱和的Mg在铁水处理后的运输过程中仍起脱硫作用；Mg价格贵，用量少，铁水降温小，渣量少，铁损少，处理周期短，有利于高节奏的转炉，其综合成本不一定高。

采用Mg+CaO+Al2O3作为脱硫剂，取得了很好的效果。半钢中S的含量高达到1.2%，Mg粉做脱硫剂效果较CaO明显。同时，加入石灰粉起到分散剂作用，可避免大量Mg瞬间气化而造成喷溅；石灰粉还能成为大量气泡的形成中心，从而减少Mg气泡的直径，降低了Mg气泡的上浮速度，加快了Mg向铁液中的溶解速度，提高了Mg的利用率[8，9]。由于铁水车有两个铁水出口，每台铁水包中流入约有500 kg半钢，量很少，镁的沸点很低，在铁水中形成气泡，增加了CaO和Mg的流动性，提高了脱硫效果。Al2O3有利于加快脱硫反应速度，增加脱硫剂的脱硫量和脱硫率，提高石灰的利用率。通过多次现场试验，在铁水量比较少的情况下，采用Mg+CaO+Al2O3作为脱硫剂，不采用搅拌和喷吹的方法就可以达到很好的脱硫效果。

脱硫剂的用量与多种因素有关，如：铁水的重量、铁水含硫量、脱硫后的残硫指标、脱硫剂的类型、脱硫前后铁水的成分、铁水的温度、脱硫剂的损耗、脱硫剂在铁水中的流动性等等。因此很难有精确的数学模型，我们是采用冶金机理来得出理论数据，并在此基础上通过实验确定脱硫剂的用量。通过多次实验，每吨半钢中采用22 kg的Mg，14 kg的CaO，3.5 kg的Al2O3，经过混合脱硫剂脱硫后，铁水中w（S）≤0.040%，符合铸铁标准。

2.3 半钢增碳原理及工艺

半钢中碳元素经过预处理造成铁液中的含碳量有所降低，导致铁液中的含碳量达不到炼制预期的理论值。阜新市半钢中含碳量为1.86%，低于铸铁含碳标准（w（C）≥3.30%），需要添加增碳剂。

增碳剂中的固定碳含量高、灰分低，则增碳效率高；反之增碳效率低[10]。选用石墨化优质增碳剂，在高温条件下，碳原子的排列呈石墨的微观形态。石墨化可以降低增碳剂中杂质的含量，提高增碳剂的碳含量，降低硫含量。在中频电炉熔炼中使用增碳剂，可按配比或碳当量要求随料加入中频炉中下部位，回收率可达95%以上。计算公式如下：

式中：Ca为每吨半钢需要的增碳剂数量，t；Cfe0为原半钢含C量，%；Cfel为标准铸铁所需的含碳量，%；Cab为增碳剂吸收率，%。

经过计算，当半钢中含碳量达到3.30%时，需要加入15.7 kg的石墨增碳剂。

2.4 半钢增硅原理及工艺

由于半钢中Si含量低，不满足铸铁要求，需要对半钢增硅。采用中频炉中投入硅铁的方法增硅。具体投入量通过下面的计算公式：

式中：AFeSi为每吨半钢应增加的硅铁含量，t；为要求增硅后半钢中含硅量，%；为增硅前半钢中含硅量，%；SiFeSi为硅铁的含硅量，%；λFeSi为硅铁的回收率，%。

通过计算，当硅含量（质量分数）达到2.4%时，需要加入含硅75%的硅铁26 kg。

2.5 半钢改性处理应用

通过在企业的生产试验，每吨高钛渣副产品半钢中加入22 kg的Mg，14 kg的CaO，3.5 kg的Al2O3脱硫，将脱硫后的铁水置入中频炉中加入硅铁26 kg、碳16 kg，进行增硅增碳。对改性处理后的铁水进行成分分析，各元素的成分含量满足铸造生铁成分标准，数据对比如表3所示。

表3 半钢改性处理后成分含量与铸造生铁成分标准对比 %

每吨半钢经过加工达到铸铁材料标准，共需要200元左右，而做成铸铁件可以销售8000元/t。每吨半钢经过加工处理变成铸铁铁水后，可以直接加工成铸铁件，为企业带来巨大的经济效益。

3 结论

1）采用Mg+CaO+Al2O3作为脱硫剂，镁的沸点很低，在铁水中形成气泡，增加了CaO和Mg的流动性，提高了脱硫效果。Al2O3有利于加快脱硫反应速度，增加脱硫剂的脱硫量和脱硫率，提高石灰的利用率，但Al2O3的用量应控制在10%左右。加入石灰粉起到分散剂作用，石灰粉还能成为大量气泡的形成中心，从而减少Mg气泡的直径，可避免大量Mg瞬间气化而造成喷溅。在铁水量比较少的情况下，不采用搅拌和喷吹的方法就可以达到很好的脱硫效果。

2）本文直接对渣铁分离后的液态铁水进行改性处理，工艺简单可行，值得推广。

3）由于篇幅有限，文章未对阜新半钢成分的其他微量元素（Mn、Zn、Ti等）对铸件的影响进行分析，后续工作还需要对这些微量元素加以研究，根据这些微量元素特点，铸造适合的铸件产品。