摘要：文章通过小试获得最佳工艺条件，采用微波高温推板窑开展中试实验，以钛铁矿为原料，无烟煤和木炭为还原剂，在微波加热还原温度1150℃,还原时间80min工艺条件下，成功制备出符合成分要求的还原钛铁矿型焊条药皮材料。文章试验发现，物料在预热段需加热到980℃以上，进入加热段后才能在80min内升温到1150℃,保持生产节奏不被破坏；在反应腔体内保持还原气氛条件下，负压条件有利于提高钛铁矿的还原率。提高微波高温推板窑的利用系数、降低单位产品电耗、提升生产过程自动化水平，是该生产工艺从中试迈向工程化与产业化的关键。
关键词：微波冶金,碳热还原,焊条药皮,中试
中国富产钛铁矿，但缺少天然金红石，因此还原钛铁矿受到日益重视，成为普通钛钙型及高钛型焊条药皮的主要原材料咱1暂。还原钛铁矿生产工艺主要有“馒头”窑法，隧道窑法、回转窑法，但上述工艺存在工艺流程长、产品质量难控制、节能降耗压力大等诸多问题咱2暂。由于微波加热强化化学反应的作用，且钛铁矿、炭都是良好的吸波物质，利用微波加热可在3.5min内将钛铁矿迅速加热到1380益，煤炭也能在短时间内被加热到l300℃左右咱3暂。采用微波直接加热的方式还原钛铁矿制备焊条药皮成为研究方向之一，国内已开展微波还原钛铁矿相关实验研究咱4-5暂，但多处于实验室小试研究阶段。文章在微波碳热还原钛铁矿制备焊条药皮小试已获得最佳工艺条件的基础上咱6暂，利用微波高温推板窑，进行了工程化开发研究，为推动微波碳热还原钛铁矿制备焊条药皮工艺实现产业化提供参考。
1中试条件
1.1原辅料
中试使用的原料为钛铁矿，其主要化学成分，如表1所示。其中，TiO2含量为45.02%，TFe含量为36.32%，根据XRD分析，Fe以Fe2O3和FeTiO3形式存在。
还原剂由无烟煤和木炭按一定比例混合而成，其工业分析，如表2所示。与无烟煤相比，木炭（尤其是S）含量少，且具有良好的化学反应性和吸附性等特点，所以木炭的使用减少了有害元素的带入量，并且对反应具有一定的促进作用，可以吸附少量杂质。同时因为无烟煤价格比木炭便宜，搭配一定量的无烟煤可使还原剂成本减少约30%。
为保证良好的加热特性，钛铁矿及复合还原剂粒度组成要求，如表3所示。
物料中添加少量高纯度Na2CO3，起催化强化作用。由于钛铁矿中含有Ca2+、Mg2+、Mn2+等，相关研究表明，钛铁矿碳热还原反应过程中，Mg2+、Mn2+等会在界面富集，从而阻碍还原反应的进行，而钠离子可以使晶格畸化，减少界面Mg2+、Mn2+的富集，从而降低了界面反应的活化能，促进了布多尔反应，加速总反应的进行。
1.2设备
微波高温推板窑结合了微波加热技术和推板输送装置，适用于连续性批量生产作业。作业时，将料盘放置在推板上，推板在动力装置的驱动下，按照设定的速度和时间间隔，沿着轨道缓慢向前移动，依次通过预热段、加热段、保温段和冷却段等不同的温度区域，完成还原过程。
微波高温推板窑由微波发生器及电源系统、加热腔体、推板及传动系统、温度控制系统、抽风系统、进出料装置等结构组成。微波发生器为磁控管，频率2450MHz，将电能转换为微波能，直接作用于物料内部的极性分子，使物料迅速升温。加热腔体的内壁采用不锈钢材质，并且经过特殊设计，以保证微波能够在腔体内均匀分布，避免出现微波反射等干扰加热效果的情况。温度传感器安装在加热腔体内，用于实时监测物料的温度。控制器根据温度传感器反馈的信息，通过调节微波发生器的功率等方式，将物料温度控制在设定的范围内。抽风系统用于将加热腔体内产生的废气、粉尘等抽出，并调节气压，优化还原过程。腔体两端为进料口和出料口，分别设置有两个可交替打开的水冷炉门，能有效防止漏波对人体造成伤害，且避免炉门因高温而变形。
1.3工艺流程
1.3.1配料
将钛铁矿、木炭、无烟煤、添加剂（Na2CO3）按100颐3颐11颐3的比例装入球磨混料机，破碎、混匀。
1.3.2布料
将配好的物料装入料盘，料盘尺寸为7伊4伊2.5cm，单个料盘装料量为500g，腔体长400cm，可装56个料盘，总装料量为28kg。首次生产时，装入3盘碳粉推至保温段，并依次各推入14盘物料至加热段和预热段。
1.3.3生成还原气氛
打开保温段两侧磁控管，将碳粉加热到500~600℃,使碳粉在缺氧条件下燃烧，持续约10min，生成含有CO的还原性气体。
1.3.4物料还原
腔体内生成还原气氛后，开启加热段腔体两侧磁控管对料盘内的物料进行加热，发生碳热还原反应。根据小试最佳工艺条件，确定还原温度为1150℃、还原时间80min。待保温段的物料还原时间达到80min后推至冷却段，并将加热段物料推至保温段，预热段物料推至加热段，新物料由进料口推至预热段。
1.3.5还原物料冷却及焊条药皮制备
冷却段还原后的物料降温至600~800℃后，推出炉外进行二次防氧化冷却，待冷却至室温后，用破碎机将大块物料破碎成较粉末状，粒度为40~150目，筛分去除残留的碳和灰分，进行成分检测，得到焊条用还原钛铁矿。
2实验结果与讨论
2.1钛铁矿碳热还原机理分析
钛铁矿是以偏钛酸铁晶格为基础的多组分复杂固溶体，主要成分是偏钛酸铁（FeTiO3）。钛铁矿碳热还原反应过程如公式（1）、（2）：
由式1可知，偏钛酸铁（FeTiO3）开始还原温度为913℃,温度越高，还原反应越彻底，但是当还原温度超过1150℃时，会被还原成FeO板钛铁矿（FeTi2O5），因金属铁的沉积，转变为Me3O5型固溶体（FeTi2O5-Ti3O5），因此钛铁矿还原后由金属铁、Me3O5型固溶体、还原金红石三相组成，如公式（3）、（4）：
Me3O5型固溶体会降低铁离子活度，此外，还原过程中形成的FeO板钛铁矿（FeTi2O5）、钛的低价氧化物在高温下与未被还原的钛铁矿互溶，也会导致铁离子活度降低，使钛铁矿的还原难度加大咱7暂。同时钛铁矿中少量的Mg2+会增强Me3O5型固溶体的稳定性，降低钛铁矿中铁氧化物的活度，影响还原速率。加入添加剂可以减少或消除Mg2+对还原过程的影响，并对反应具有催化作用。
2.2钛铁矿还原效果分析
钛铁矿还原前后XRD分析图谱，如图1所示，可以看出FeTiO3特征峰衍射强度降低，而TiO2特征峰衍射强度明显增强，表明部分FeTiO3已被还原成TiO2。
经检测，微波碳热还原后的钛铁矿TiO2含量从45.02%提高到60%~65%，FeO、C、S、P等含量均低于标准值，达到焊条药皮成分要求。还原钛铁矿化学成分与焊条药皮成分要求，如表4所示。
2.3温度控制对连续化生产的影响
物料保温段还原时间为80min，为保证连续生产，要求物料在预热段和加热段的停留时间分别为80min。通过加热段物料的微波加热升温曲线，如图2所示，由图2可以看出，随着温度升高，钛铁矿升温速率下降，加热段物料从常温加热到980益，升温时间为165min，从980℃加热到1150℃,升温时间为80min。因此，预热段物料须加热至980℃以上，才能保持生产连续。
2.4还原气氛控制对还原率的影响
改变腔体内压力和还原气氛，验证其对还原率的影响，具体情况，如表5所示。
由3次试验的试验条件和结果可以看出，在不破坏反应腔体内还原气氛条件下，微负压条件有利于提高钛铁矿还原率。对于同一盘还原物料，上部还原率低于中部，原因可能是腔体密封不严，进行抽风操作时漏风，有氧气被吸入，上部还原物料被轻微氧化。
3工程化改进建议
3.1提高生产能力
本次中试使用的微波推板窑的利用系数为0.28t/（m3·d），与传统隧道窑、回转窑法相比，利用系数偏低，利用系数低会限制产量，增加成本。由于物料为粉末状，在微波加热时受料层厚度影响较小，可以整体加热，所以可以在腔体容积允许范围内尽可能增加料盘体积，从而增加利用系数，提高生产能力。
3.2降低能源消耗
本次中试使用的微波推板窑腔体除冷却段外，两侧各分布有16个磁控，磁控管总数为32个，每个磁控管功率1.5kW，总功率48kW，按每次出料7kg，加热时长4h估算，单位产品电耗最大为27429kW/t。实际生产中，预热段、加热段、保温段的磁控管可以根据温度情况实现单独开、关，推板窑不会满功率运行，因此实际能耗远低于最大值。
3.3提升自动化水平
为确保产品质量和连续生产，需进一步提高设备自动化水平，如采用机器人自动上下料，降低进出料劳动强度；配备先进的温度传感器、压力传感器，实时监测窑内不同位置的温度和压力，控制系统根据预设的温度曲线和压力参数自动调节微波发生器的功率和通风设备的功率。
4结论
当前，绿色低碳发展是冶金行业转型升级、高质量发展的必然要求，微波加热作为一种高效、绿色环保加热技术，优势越发突显。随着微波冶金相关研究的深入，以及连续、稳定的大功率高温微波加热反应器的研发、设计、制造不断成熟，微波碳热还原钛铁矿制备焊条药皮具备产业化条件，值得行业关注和进一步研究。
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