在全球工業持續發展的大背景下，鈦精礦作為重要的工業原料，其高效利用愈發關鍵。攀西地區作為我國鈦資源的主要富集地，其鈦精礦成分複雜、性質特殊，如何優化鈦精礦配碳還原過程，提高資源利用率，成為行業關注焦點。眾多研究聚焦於該領域，旨在探索影響鈦精礦碳熱還原的關鍵因素，以實現更高效的資源轉化。

  一、鈦精礦碳熱還原研究方法與原料特性

  選用攀枝花某廠的鈦精礦進行理論計算，其主要成分中，TiO2、FeO和Fe2O3含量較高，CaO、MgO、SiO2和Al2O3為主要雜質。設定理論計算條件：鈦精礦 100kg;配碳量(質量比)為 8%、10%、12%、14%、16%;計算溫度區間為 600 - 1600℃;鹼度(二元鹼度)為 0.3(自然鹼度)、1.0、1.1、1.2、1.3。

  採用 HSC Chemistry 6.0 軟體進行研究，該軟體擁有龐大的無機物熱力學性質資料庫。利用其中的 Reaction Equation 模塊和 Equilibrium Compositions 模塊，分別進行反應平衡熱力學計算和平衡組分計算。通過計算各反應的吉布斯自由能隨溫度變化情況，分析反應進行的相對難易程度，並將計算結果分為鐵 - 氧 - 碳體系、鈦 - 氧 - 碳體系、釩 - 氧 - 碳體系三個體系，根據金屬、金屬氧化物和碳化物的含量計算金屬回收率。

  二、鈦精礦碳熱還原反應熱力學計算結果與分析

  (一)鐵 - 氧 - 碳體系

  《2025-2030年全球及中國鈦精礦行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，當溫度在600 - 1600℃時，鐵碳氧體系中鐵氧化物進行碳熱還原生成CO2或CO的反應，通過 HSC Chemistry 6.0 軟體計算得出各反應吉布斯自由能改變值與反應溫度的關係。在有固體碳的鐵氧化物還原反應中，隨著溫度升高，部分反應的吉布斯自由能下降，形成還原性氣氛。當溫度在 738℃以上時，Fe為最終穩定相;在 646 - 738℃之間，FeO穩定存在;在 688℃以下時，Fe3O4穩定存在。提高溫度是保證鐵氧化物碳熱還原高金屬化率的必要條件之一，而在 1600℃以下，3Fe+C=Fe3C反應較難發生。

  (二)鈦 - 氧 - 碳體系

  在 600 - 1600℃溫度區間內，計算得出鈦精礦粉中TiO2被C還原的吉布斯自由能改變值與反應溫度的關係。多數TiO2的碳熱還原反應在 1288℃以下時吉布斯自由能大於 0，需要較高反應溫度。部分反應在特定溫度區間有進行的可能性，在 1109 - 1333℃時，TiO2還原為Ti3O5的可能性最大，在 1600℃以內單質鈦不會存在，溫度繼續升高時，Ti3O5碳熱還原成TiC最有可能發生，有利於生成鐵基複合材料中有益的TiC組分。

  (三)釩 - 氧 - 碳體系

  同樣在 600 - 1600℃溫度下，計算釩氧化物被C還原的吉布斯自由能改變值與反應溫度的關係。V2O5的碳熱還原生成VO2的反應吉布斯自由能最低，開始溫度也較低。在 1152℃時，體系中碳過量，相關反應才能進行得到鐵基複合材料中所需的VC組分，碳含量一定時則進行其他反應。

  (四)其它氧化物反應

  鈦精礦中所含的其他氧化物在 600 - 1600℃時也會發生一系列反應。通過計算可知，CaO、MgO、SiO2、Al2O3、MnO的開始反應溫度分別為 2395℃、2185℃、2641℃、2019℃、1400℃。在 1600℃條件下，CaO、MgO、SiO2、Al2O3不能被還原，其還原的熱力學條件比FeO、MnO等困難得多。

  三、鈦精礦碳熱還原平衡組分計算結果與分析

  (一)對鐵的金屬還原率的影響

  通過 HSC Chemistry 6.0 的 Equilibrium Compositions 模塊計算不同條件下Fe的含量，得出鐵的金屬還原率。配碳量不足時，隨著溫度上升，被還原的Fe易在高溫下再次被氧化;配碳量為 12% 時，鐵的還原率可達 90% 以上，合適的碳含量對鐵氧化物還原至關重要;配碳量有剩餘時，碳會與鐵發生滲碳反應降低金屬鐵還原率，高鹼度有利於抑制FeC生成。要使金屬還原率達到 99% 以上，在溫度為 1442.5℃、配碳量為 12% 時，鹼度為 0.3 。

  (二)對鈦回收率的影響

  計算不同條件下Ti的含量得出鈦的金屬還原率。配碳量不足時，金屬鈦無法被還原;同一溫度和配碳量下，鹼度對金屬鈦還原有一定影響，鹼度為 0.3 時效果較好;相同鹼度和溫度下，隨著配碳量增加，Ti的回收率增大;鹼度增加對碳化鈦的生成有抑制作用。在鈦精礦配碳還原過程中，鐵氧化物優先被還原，金屬鈦被還原的最低配碳量為 12% 。

  (三)對釩回收率的影響

  計算不同條件下V的含量得出釩的金屬還原率。配碳量增加能降低金屬釩還原溫度，但過高會降低金屬液中釩含量並促進碳化釩產生;配碳量低於 14% 時，金屬釩的還原率隨鹼度增加而降低，配碳量達到或超過 14% 時，金屬液相中會有碳化釩生成。

  四、鈦精礦碳熱還原試驗研究

  為驗證理論計算結果的可靠性，進行試驗測定鐵氧化物的還原效果。選取還原溫度分別為 1200℃、1600℃;原料配碳量分別為 10%、14%、16%;鹼度為 1。採用 ZY - Q 真空氣氛爐加熱，對還原後產品進行化學成分分析，計算鐵的金屬化率。試驗結果顯示，試樣實際金屬化率與理論計算值基本一致，各項規律也與理論分析相符合，證明採用 HSC Chemistry 6.0 對鈦精礦配碳還原進行理論計算基本可靠。

  綜上所述，在鈦精礦配碳還原過程中，溫度、配碳量和鹼度對金屬鐵、鈦、釩的回收效果有著顯著影響。鐵氧化物優先被還原，配碳量為 14% 時金屬鐵還原率最大;金屬鈦被還原的最低配碳量為 12%，鹼度增加抑制碳化鈦生成;金屬釩的還原率受配碳量和鹼度共同作用。當溫度為 1600℃、鹼度為 1、配碳量為 14% 時，對金屬鐵、鈦、釩的回收效果最佳。這些研究成果為鈦精礦的高效利用和電爐熔煉製備富鈦料工藝提供了重要的理論依據和實踐指導，有助於推動2025年鈦精礦行業朝著更高效、更環保的方向發展 。