優化高鈦渣項目設計為氯化鈦白粉生產提供優質鈦原料

陳曉風

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

鈦白粉是一種重要的化工原料，氯化鈦白粉是國家重點鼓勵發展的產業產品。氯化鈦白粉生產工藝對鈦原料的要求非常高，因此，如何選擇氯化鈦白粉原料、完善原料生產工藝，滿足氯化鈦白粉對鈦原料的要求，對氯化鈦白粉項目的成敗至關重要。

1 氯化鈦白粉原料路線的選擇

鈦白粉是一種白色無機顏料，具有無毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，被認為是目前世界上迄今無可替代、性能最優異、最重要的白色顏料，主要起裝飾和防護等功能性作用，廣泛應用于涂料、塑料、造紙、印刷、油墨和橡膠等工業。鈦白粉的生產和消費水平已經成為衡量一個國家化工發展水平和國民消費水平的重要標志。

鈦白粉生產工藝分為硫酸法和氯化法2種，氯化法生產工藝與硫酸法相比，具有流程短、自動化程度高、產品質量好、三廢排放少等優點，氯化法工藝替代硫酸法工藝已成為鈦白粉發展的必然趨勢。

優質富鈦料是生產氯化法鈦白粉的重要原料，包括天然金紅石、人造金紅石和高鈦渣。

天然金紅石是氯化法鈦白粉的理想原料，二氧化鈦含量高，雜質元素少，氯化反應氯氣消耗低，廢渣量少。我國雖有多處天然金紅石礦床被發現，但至今未大規模開采，少量的天然金紅石產量，基本上為航天和航空等工業部門生產金屬鈦服務。國外天然金紅石大部分已被國際大公司長期預訂，采購困難。

人造金紅石是利用鈦礦通過化學方法加工的富鈦料，其品位接近天然金紅石。人造金紅石因為在制造過程可以去除鈦礦原料中的鈣、鎂等雜質，在國外廣泛用作氯化法鈦白粉的鈦原料；中國合成金紅石的產量很小，要建設大規模工業化生產裝置仍有大量工作要做。

高鈦渣是通過電爐熔煉法將鈦鐵礦中的鐵還原，使二氧化鈦富集、經渣鐵分離而得到的富鈦料。具有冶煉生產工藝順暢、設備大型化、煙氣回收綜合利用，產品生鐵可直接用于煉鋼等優點。電爐冶煉高鈦渣占富鈦料生產的70 %以上，在整個鈦產業鏈中占有十分重要的地位。

我國傳統的高鈦渣生產存在生產廠家多、電爐容量小、裝備水平低，勞動強度大、環境污染嚴重、無煙氣處理及余熱利用設備，能秏高等特點，難以滿足氯化法鈦白粉生產工藝的需要。國外加拿大、南非、挪威等國是高鈦渣的主要生產國，掌握并壟斷掌握具有世界先進水平的大型密閉電爐冶煉鈦渣的技術，具有設備大型化、煙氣回收利用、鈦渣質量好等優點。

我國鈦資源十分豐富，鈦鐵礦中TiO2保有量為3.57億t，已探明儲量占世界總儲量的49 %，居世界首位。云南省鈦資源十分豐富，鈦鐵礦中TiO2保有量為3 000萬t，鈦砂礦保有量居全國第4位。云南鈦鐵礦品位高、鈦精礦含有害雜質少、品質好。為云南利用本地資源優勢，發展氯化法鈦白項目提供了可靠的原料基礎和地域優勢。

為了充分利用云南省豐富的鈦鐵礦資源，發揮云南鈦精礦品位高、鈣鎂含量低的資源特點，云南某鈦業公司引進國外先進技術和部分關鍵設備，建設氯化鈦白粉項目，配套建設高鈦渣項目，為氯化鈦白粉項目提供優質鈦原料是非常必要的，也是可行的。

2 云南某鈦業公司氯化鈦白粉項目概況

氯化法鈦白粉項目包括高鈦渣和鈦白粉2個項目。高鈦渣項目是為鈦白粉項目提供鈦原料的配套項目。

高鈦渣項目引進具有當今世界先進水平的BATEMAN公司密閉式大型直流電爐熔煉高鈦渣技術，建設規模為8萬t/年高鈦渣。2009年10月投產以來，具有工藝技術先進、工藝流程順暢、設備運行可靠、生產技術指標優良、資源綜合利用率高、能源利用合理、環保技術優良、生產效率高、安全性能強、自動化控制水平高等特點，是名列世界第三、亞洲第一的大型密閉式直流電爐熔煉高鈦渣項目。

鈦白粉項目引進德國氯化法鈦白粉工藝技術，以高鈦渣為原料，通過沸騰氯化、返漿噴淋、礦物油精制除釩、高溫快速氣相氧化及表面包覆處理等工藝生產高品質的氯化鈦白粉。建設規模為6萬t/年氯化法金紅石型鈦白粉。2012年建成投產以來，具有工藝技術先進，設備成熟可靠，自動化控制水平高、環境優良、產品質量好等特點，達到國際先進、國內一流水平先進。

3 密閉式直流電爐熔煉高鈦渣技術的特點

3.1 工藝技術特點

1)電爐電極采用單根中空石墨電極，中心下料，爐內加熱集中，熔池攪拌功能優異，物理熔化快、熱效率可提高8 %～10 %；

2)電弧穩定，容易控制電弧長度、偏弧。對爐壁的燒損一致，減少了耐火材料的消耗，爐壁耐火材料使用壽命長；

3)電極消耗低，石墨電極消耗減少約50 %；

4)電爐容量大，電爐產能高，熔煉單位電耗低，鈦渣冶煉電耗為2 580 kWh/t鈦渣，大大低于國內鈦渣冶煉的3 500 kWh/t鈦渣；

5)加料熔煉在密閉的條件下進行，極大地減少了原料損失，資源利用率高，冶煉回收率高，TiO2回收率達96 %；可以處理粒度較細的粉料，而交流電弧爐則需要制粒；

6)電爐煤氣經過煤氣凈化系統進行處理，凈化后的煤氣進入煤氣輸配系統，用于鈦精礦、無煙煤、鈦渣的干燥及渣包烘烤；收下的煙塵返回原料儲配系統生產的鈦鐵礦粉，再進入電爐熔煉；

7)電流波動比交流爐低20 %～30 %，直流電弧爐對前級電網的沖擊較小；

8)直流電弧的效率高；自然功率因數較高，在不加補償情況下功率因數可達0.94～0.96；

9)采用DCS控制系統全程監控和調節配料、加料、爐溫、爐壓、冶煉周期等冶煉工藝，實現了自動化控制，提高了勞動生產率；

3.2 設備技術特點

3.2.1 泰森洗滌機的特點

洗滌機流程將煙氣洗滌和煙氣加壓融合在一起，1臺設備完成煙氣的加壓和洗滌2個功能，技術先進，運行穩定可靠，維護簡單。缺點是污水處理量較大，但污水可循環使用。

3.2.2 LOESCHE磨機的特點

1)磨機進料速度調節范圍大；

2)采用變頻控制技術調節磨機的速度，調節磨機產能及粒度合格率；

3)在操作時能夠大范圍調節料床上輥子的碾磨壓力以使產品的粒度分布達到最優化；

4)能夠調節輥子和碾磨臺之間的最小間隙。

3.2.3 噴射式氣流篩的特點

1)可調節給料率；

2)分配噴嘴的速度可無級調整；

3)使用系統風機對風流量進行無級調整；

4)同心溢流堰高度可變，從而可改變切割粒度。

3.2.4 大功率整流設備的特點

直流爐整流設備引進ABB整流設備1套，電壓800 V，電流80 kA，橋式整流，等效12相。整流設備應用水冷大功率整流器的最新技術，性能可靠、壽命周期長、維護成本低、易于維護等特點，整流設備的控制操作系統采用全數字控制系統進行設計，可提供全數字精確的穩流控制、高速的動態響應、整流器監測、系統監控，以及非常靈活可靠的操作。就地控制柜將安裝有一次保護繼電器，以確保整流器的安全可靠運行。每一整流機組的穩流精度可達的1 %(額定直流輸出)。

3.2.5 自動化控制系統

控制系統采用DCS控制系統，采用電氣與儀表一體化控制。控制系統具有生產設備的連鎖控制、生產過程控制、過程數據采集與監控、過程與設備狀況的監控與報警、過程趨勢數據的采集與處理、報表打印、畫面顯示、并完成現場設備、計算機系統與中央控制室之間的數據交換、信息和指令數據的傳輸等控制功能，自動化控制系統水平居國內先進水平。

4 創新設計

項目通過消化、吸收國外先進技術的同時，堅持自主創新，不斷優化工藝及設備方案，研發具有自主知識產權的專有技術。

4.1 設計了完善的電爐煤氣輸配系統

電爐煤氣輸配系統是高鈦渣項目重要的節能減排配套工程，電爐煤氣輸配系統配置了一座10 000 m3的煤氣柜，3臺80 m3/min的煤氣加壓機和到煤氣輸配管網，解決了電爐煤氣產量與用量的不平衡，滿足了無煙煤、鈦鐵礦、鈦渣干燥和渣包烘烤等煤氣用戶的供氣要求。每年回收電爐煤氣5 770萬/m3，折合標準煤19 689 t/a，增加了企業的經濟效益。

4.2 煤氣輸配系統安全監控系統

煤氣輸配系統設計了完善的電爐煤氣氧含量和CO監控系統，一旦氧含量和CO超標，立即聲光報警器，連鎖處理，確保電爐煤氣輸配系統的安全性。

4.3 采用流化床技術干燥鈦精礦和無煙煤

鈦精礦和無煙煤采用硫化床技術干燥、冷卻，干燥后含水量<1 %，流化床干燥使用的燃料，試車時采用柴油；正常生產時使用回收利用的電爐煤氣。

4.4 采用失重秤技術提高配料精度

采用失重秤技術對鈦精礦和無煙煤進行高精度連續定量給料并自動稱重，減少了散物料的浪費，提高了混合物料的一致性，配料精度高。

4.5 增設泥炮開口機

為了快速準確開啟堵嚴鐵口渣口，確保操作安全，設計采用了泥炮開口機，具有推力大、開啟快速可靠、操作維修方便等特點。

4.6 增設鐵水排放事故槽

為了有效解決事故狀態下鐵水的排放問題，設計增設鐵水排放事故槽，增強了安全性。

4.7 優化完善了控制程序，有效控制泡沫渣噴爐事故

密閉電爐熔煉高鈦渣會產生泡沫渣，造成爐壓增加，當爐壓過高，會發生泡沫渣噴爐事故。為了避免噴爐事故的發生，優化完善了密閉電爐的控制程序，有效控制爐內壓力，有效解決了控制泡沫渣、減少噴爐事故的世界難題。

5 試生產存在的問題及解決方案

5.1 鈦鐵礦鈣鎂含量偏高，積極尋找低鈣鎂的鈦鐵礦

氯化法鈦白生產對高鈦渣的鈣、鎂含量有嚴格的限定要求，中國雖然是鈦資源大國，但可以用于生產氯化法鈦白粉的優質鈦礦卻很少，因此尋找低鈣鎂的鈦鐵礦，對氯化鈦白粉的質量至關重要。云南某鈦業公司在國內外積極尋找低鈣鎂的鈦鐵礦，在莫桑比克購買鈦資源的工作已取得實質性進展，莫桑比克鈦鋯礦區礦產資源超1億t，探明可開采的鈦鐵礦金屬量為7 200萬t、鋯石260萬t、金紅石40萬t、磁鐵礦5 000萬t。鈦精礦礦樣分析較為理想，非鐵雜質在4 %以內，且CaO、MgO含量較低，是較優質的鈦精礦。經電爐冶煉能生產90 %左右品位的高鈦渣，是優良的沸騰氯化原料。

云南某鈦業公司與大理礦業公司確定購銷協議，大理礦業公司擁有300～500萬t鈦礦資源，鈣鎂含量低。可用與氯化鈦白粉生產。

5.2 完善選礦工藝流程，降低鈣鎂含量

云南某鈦業公司加強選礦流程的研究，改進選礦工藝及設備，降低鈣鎂含量，提高品位，滿足氯化鈦白粉的要求。

5.3 高鈦渣粒度不符合氯化鈦白要求，改造高鈦渣粒度分級工藝

原設計高鈦渣粒度參數：用于生產氯化法鈦白粉的氯化渣粒度為0.106～0.85 mm>90 %，用于生產硫酸法鈦白粉的酸溶性渣粒度位<0.106 mm，而氯化鈦白粉工藝對高渣鈦粒度的要求調整為0.1～0.6 mm>90 %。粒度要求相對偏細，造成原設備處理困難，氯化渣的產量及產率都較低。

為了滿足氯化鈦白粉的工藝要求，進行了工藝研磨分級實驗，確定在不改變原主體工藝的前提下，對分級流程進行局部改造，增加相應設備和裝置，鈦渣研磨分級系統進行工藝設備技術改造：

1)增加3臺精細篩，將精細篩的處理能力由5～6 t/h提高到10～12 t/h，把篩上物粒度<0.6 mm控制在5 %內，篩下物粒度<0.1 mm的物料控制在25 %內，減少細料量，減輕后續設備處理負擔，提高粗粒級鈦渣的產能和產率。

2)將精細篩原工藝的三通分料器優化為定量給料皮帶，即通過增裝定量給料皮帶從而實現各臺精細篩的實際負荷一致。消除原工藝中的三通分料器分料不均勻的缺點。

3)增加1臺分級機作為備用，可作為現有分級機故障時進行更換使用，改善分級質量，保證生產的連續性。

4)技改后，在生產0.1～0.6 mm粒度的氯渣產品時，將氯化渣和酸溶渣的產率比由原來的60：40提升到70：30。

2014年7月24日，首次使用改造后生產的高鈦渣用于氯化鈦白粉生產，沸騰氯化爐爐況良好，運行穩定，控制系統聯動正常，鈦白粉產品質量良好，自主研發的“沸騰氯化專用高鈦渣”生產氯化鈦白粉獲得成功。

6 結 語

云南某鈦業公司利用云南省豐富的鈦鐵礦資源，選擇高鈦渣為氯化鈦白粉生產的鈦原料，引進國外大功率密閉直流電爐熔煉高鈦渣技術，積極尋找低鈣鎂鈦精礦，不斷優化高鈦渣生產工藝，改造鈦渣研磨分級系統，自主研發成功了“沸騰氯化專用高鈦渣”，榮獲云南省重點新產品稱號，實現了采用自產高鈦渣生產氯化鈦白技術的突破，榮獲“2013年云南十大科技進展”稱號，這對于充分利用云南省豐富的鈦鐵礦資源，真正實現變資源優勢為經濟優勢，促進云南地方經濟發展，提升中國高鈦渣工業的整體水平，加快鈦產業化技術進步具有重大意義。