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目录1

第1章　铁的钛酸盐矿物原料和钛渣下游产品1

1.1　钛的发现与利用1

1.2　铁的钛酸盐矿物地质特征及矿床主要类型2

1.2.1 铁的钛酸盐矿物及其特征2

1.2.2　成矿作用2

1.2.3　矿床地质特征3

1.2.4　铁的钛酸盐矿物种类及其他组分的共伴生5

1.3　钛铁矿资源与钛渣生产11

1.3.1 世界资源及国外生产国概况11

1.3.2　我国钛资源及产况18

1.4　钛铁矿选矿21

1.4.1　钛铁矿及相关矿物的物理性质21

1.4.2　选矿工艺概述22

1.4.3　岩矿钛铁矿选矿33

1.4.4　砂矿钛铁矿选矿37

1.4.5　砂矿钛铁矿和岩矿钛铁矿的开发利用特点42

1.5　富钛料及其主要生产方法42

1.5.1 电炉法熔炼钛渣42

1.5.2　还原锈蚀法生产人造金红石44

1.5.3　稀硫酸浸出法生产人造金红石44

1.5.5　选择氯化法生产人造金红石45

1.5.4　稀盐酸浸出法生产人造金红石45

1.6　钛渣下游产品简介47

1.6.1 金属钛47

1.6.2　钛白50

1.6.3　钛盐55

1.6.4　有机钛58

1.6.5　钛的纳米材料59

第2章　熔炼的还原过程与传输过程（上）——铁钛复合氧化物的碳热还原热力学与动力学59

2.1 引言61

2.2　金属氧化物还原反应及其选择性的热力学分析61

2.2.1　还原反应与氧化物稳定性61

2.2.2 应用△G？-T图分析氧化物稳定性和预测选择还原可能性62

2.3　铁氧化物还原热力学68

2.3.1　逐级还原特性69

2.3.2 用CO还原（间接还原）69

2.3.3　用固体碳还原（直接还原）70

2.3.4　用H2还原71

2.4　碳还原钛氧化物反应热力学72

2.4.1　碳还原钛氧化物的生成物72

2.4.2　钛的碳、氮化物生成反应74

2.5　铁钛复合氧化物还原反应热力学77

2.6　有液相参与的还原反应80

2.6.1 基本过程80

2.6.2　液态碳还原氧化物的反应80

2.6.3　金属产物形成溶液的还原反应81

2.6.4　溶液中氧化物的还原反应82

2.6.5　还原剂和还原剂生成物为非标准状态的熔融还原反应83

2.6.6　熔体中氧化物及其还原产物转入溶液的还原反应84

2.6.7　碳在还原熔体氧化物中的分配特性84

2.6.8　碳还原熔体氧化物过程中金属的分配常数86

2.7　钛铁矿还原的相变化88

2.7.1 固态还原的相变化88

2.7.2　液态还原的相变化90

2.7.3 C-FeTiO3的高温平衡体系93

2.8.2　未反应核机理96

2.8.3 固-固还原机理96

2.8.1 吸附自动催化机理96

2.8　还原过程反应机理96

2.8.4　二步还原机理97

2.8.5　分解机理98

2.8.6　氧化物升华机理98

2.8.7　电化学机理99

2.9　反应速度、反应级数和速度限制环节99

2.9.1　研究动力学的意义99

2.9.2　反应速度100

2.9.3　反应级数100

2.9.4 多相反应的速度限制环节104

2.10.1 均相形核106

2.10　新相形核的热力学与动力学106

2.10.2　异相形核108

2.10.3　形核速度和晶核长大速度109

2.11　熔炼过程的动力学分析110

2.11.1　还原机理110

2.11.2　钛铁矿还原的动力学特征111

2.11.3　影响铁还原速度的因素112

2.12　钛铁矿熔态还原的动力学特征117

2.12.1 熔融还原的优点117

2.12.2　熔融钛铁矿及TiO2多元熔体中（FeO）还原动力学特征119

2.13.1　TiO2还原动力学123

2.13　钛的还原和碳（氮）化钛的生成动力学123

2.13.2　Ti（C,N）生成反应动力学124

2.13.3　氧化方法破坏Ti（C,N）127

2.13.4 动力学条件对Ti（C,N）的抑制作用128

第2章　熔炼的还原过程与传输过程（下）——传输过程与钛渣熔炼宏观动力学131

2.14　传输原理基础131

2.14.1 基本概念131

2.14.2　量纲分析及传输系数132

2.14.3　边界层理论与相界面传质模型133

2.14.4　气体在多孔固体中的扩散137

2.14.5　液体中的扩散138

2.14.6　熔炼中的传热过程138

2.15.1 气体或固体碳还原固态铁氧化物的反应142

2.15　气—固反应142

2.15.2　碳还原钛铁矿动力学方程145

2.16　气—液反应147

2.16.1 气泡—液体相间传质147

2.16.2 由布多尔反应转化的CO还原（FeO）的速度方程148

2.16.3　CO气泡还原熔体FeO149

2.17　气—气反应150

2.18　液—液反应150

2.18.1　液—液相接触方式与反应进行程度的关系150

2.18.2　各种接触方式的分析151

2.18.3　传质方程和扩散环节153

2.18.4　铁液—熔渣相间反应的电化学过程及其速度方程155

2.18.5　钛渣熔炼中的弥散体系与乳化163

2.18.6　溶质碳还原熔体氧化物的选择性174

2.18.7　直流电炉熔炼的电解效应及其利用175

2.19　液—固相反应177

2.19.1 固体料粒（或球团）与熔体间的传热177

2.19.2　渣面对料坡的传热177

2.19.3　矿粒熔融177

2.19.4　料坡熔化速度179

2.19.5　溶解与传质179

2.19.6　渣—炭反应182

2.20.1　理想反应器183

2.20　喷射冶金的动力特性183

2.20.2　射流特性184

2.20.3　气粉射流穿透熔体过程185

2.20.4　等离子体射流的穿透熔体深度186

2.20.5　射流作用下的熔体运动（熔池搅拌）187

2.20.6　喷射颗粒动向189

2.20.7　射流与起泡190

2.20.8　颗粒在熔体中的运动规律191

2.20.9　熔体中颗粒的凝并长大193

2.21　钛铁矿共（伴）生元素的还原196

2.21.1 镁、钙的还原与挥发196

2.21.2　硅的还原198

2.21.3　钒的还原199

2.21.4　锰的还原201

2.21.5　铬的还原202

2.21.6　重金属的还原202

2.21.7　钪、镓、铌、钽及贵金属的还原202

第3章　TiO2渣系204

3.1　冶金炉渣一般理论204

3.1.1　炉渣种类204

3.1.2　工业钛渣种类204

3.1.3　熔渣结构及其热力学模型205

3.1.4 晶体化学基本概念209

3.1.5　氧化物晶体的熔融及其离解特征220

3.1.6 炉渣相图知识223

3.1.7　熔渣的物理性质229

3.1.8　熔渣的化学性质242

3.2　钛渣（或铁钛矿物）中的钛化物及其组成状态图247

3.2.1　Ti—O系247

3.2.2　Ti—C系248

3.2.3　Ti—N系249

3.2.4　TiO2—FeO系249

3.2.5　TiO2—SiO2系250

3.2.6　TiO2—MgO系251

3.2.8　TiO2—Al2O3系252

3.2.7　TiO2—CaO系252

3.2.9　TiO2三元系253

3.3　TiO2渣系熔化性256

3.3.1 未还原态的熔化性256

3.3.2　碳还原变稠钛渣的熔化性258

3.4　钛渣的导电性271

3.4.1　铁的钛酸盐熔体的导电特性271

3.4.2　钛渣电导率与FeO含量的关系272

3.4.3　钛渣电导率与TiO2含量的关系273

3.4.4　钛渣电导率与低价钛含量的关系273

3.4.5　钛渣电导性与TiC（或TiN）含量的关系274

3.4.6　钛渣电导率与CaO、MgO含量的关系275

3.4.7　钛渣电导率与温度的关系276

3.5　钛渣熔体的表面性质277

3.5.1　表面张力277

3.5.2　界面张力279

3.5.3　表面黏度280

3.6　钛渣涨泡性281

3.6.1　钛渣熔体的起泡特性282

3.6.2　反应气体CO气泡的形核与长大284

3.6.3　气泡的上浮285

3.6.4　高温对钛渣起泡的抑制286

3.6.5　钛渣涨泡性的利与弊286

3.7　钛渣熔体的夹铁特性288

3.8　钛渣的高温亲液溶胶属性290

3.8.1　钛渣变稠机理290

3.8.2　含Ti（C,N）熔渣的非牛顿流体流动特性291

3.8.3　钛渣形成高温亲液溶胶及其稳定的条件291

3.8.4 外加电解质对溶胶的聚沉作用293

3.8.5　直流电炉熔炼中碳（氮）化钛的电泳迁移分析293

3.9　钛渣的主要物相及其性状和性质293

3.9.1　主要物相293

3.9.2　钛渣物相与酸溶性295

3.9.3　钛渣物相与氯化性297

4.1.2　埋弧连续法有渣熔池301

4.1.1 矿热熔池分类301

4.1　矿热熔池及多渣熔池结构301

第4章　熔炼的多渣熔池特性301

4.1.3 间断法多渣熔池303

4.1.4　连续薄料层多渣熔池304

4.1.5　有渣法熔炼中的无料层覆盖敞开熔池304

4.2　熔池物理模型305

4.2.1　物理模拟方法305

4.2.2　熔池电场305

4.2.3 电极电流在熔池的分布309

4.2.4　利用电流踪影研究的熔池电场310

4.2.5　输入功率在熔池内的分布312

4.2.6　熔池电阻316

4.2.7　熔池电抗322

4.3　熔池热动特性324

4.3.1　熔池温度场（热力场）324

4.3.2　熔池流场326

4.4　熔池冶金特性332

4.4.1　熔池中炉料熔化特性332

4.4.2　渣流特性与加料、布料制度的关系333

4.4.3　熔池反应区模型336

4.4.4　反应区功率密度339

4.4.5 电阻电热和电弧电热在熔池内的分配340

4.4.6 电极插入深度与熔池电气特性的关系341

4.4.7　极心圆直径与熔池电气特性的关系342

4.4.8　熔池的抗热震性344

4.4.9 电极电流密度及电极载流能力344

4.5　熔池的电气、冶金、几何参数的数学关系346

4.5.1 安德烈公式与凯利图解346

4.5.2　珀森公式350

4.5.3　威斯特里计算法350

4.5.4　斯特隆斯基计算法352

4.5.5　马尔克拉麦（Mokramer M.J.）模型353

4.5.6　海斯模型354

4.5.7　计算电炉几何参数的相似方法355

4.6.1　建立数学模型356

4.6　熔炼钛渣熔池的数学模拟356

4.6.2　数学模型种类357

4.6.3　钛渣熔炼过程数学模型357

4.7　熔池熔炼360

第5章　电炉及炉气净化361

5.1　矿石熔炼电炉综述361

5.2　炉体361

5.2.1　炉壳362

5.2.2　炉衬364

5.2.3　炉体砌筑371

5.2.4 炉衬设计的新理念及其实际应用379

5.3.2　金属水冷炉盖383

5.3　密闭电炉炉盖383

5.3.1　耐火混凝土炉盖383

5.3.3　混合型炉盖384

5.3.4　矩形电炉炉盖（顶）385

5.4　烘炉及渣洗与溅渣387

5.4.1 烘炉的作用387

5.4.2　烘炉作业387

5.4.3　钛渣电炉的渣洗（烘）与溅渣挂衬391

5.5　直流矿热电炉技术特性391

5.5.1 直流矿热电炉的发展391

5.5.2　直流电炉的特点392

5.5.3　直流矿热电炉结构特点395

5.5.4　直流电炉的偏弧现象及其纠正396

5.6　炉气净化398

5.6.1　钛渣电炉炉气性质及其粉尘治理方法选择398

5.6.2　湿法净化流程400

5.6.3 主要湿式除尘器工作原理401

5.6.4　干法净化流程404

5.6.5 主要干式除尘器工作原理405

第6章　电极与短网412

6.1 电极的制造、性能、使用412

6.1.1　概述412

6.1.2 电极生产方法413

6.1.3 电极主要物理性能指标释析415

6.1.4 电极的性能与标准418

6.1.5 自焙电极的烧结过程及使用特性421

6.1.6　电极消耗及其机理430

6.2　空心电极及矿热电炉空心电极技术437

6.2.1 在生产和试验装置上的应用简况437

6.2.2 采用空心电极的密闭电炉生产工艺流程437

6.2.3 空心电极系统439

6.2.4　空心电极工作的冶金机理和工艺效果440

6.2.5 空心电极电弧的力学机理和热机械性耗损443

6.3　电极把持器444

6.3.1 悬臂式结构把持器444

6.3.2 吊挂式结构把持器447

6.3.3　铜瓦452

6.4　电极压放和升降装置及炉盖电极孔密封459

6.4.1　压放装置459

6.4.2　升降装置461

6.4.3　炉盖电极孔密封装置464

6.5　短网466

6.5.1 短网作用和特性466

6.5.2　短网结构466

6.5.3 短网联结路线及其结构469

6.5.4　短网电阻473

6.5.5　短网电抗479

6.5.6　短网结构优化综析与对策480

第7章　炉子的电气运行485

7.1　电弧和电弧等离子体485

7.1.1　电弧形成485

7.1.2　直流电弧燃烧稳定性条件490

7.1.3　直流电弧内、外特性曲线匹配的电弧工作点491

7.1.4　交流电弧特性及稳定燃烧条件493

7.1.5　弧柱热特性和最小电压原理498

7.1.6　电弧阻抗502

7.1.7　弧柱温度场和速度场502

7.1.8　电弧的传热504

7.1.9　电弧偏向506

7.1.10 电炉电弧——紊流电弧508

7.1.11　埋弧509

7.1.12　压缩电弧——等离子体电弧514

7.2　交流电炉运行电气特性曲线519

7.2.1 主电路与等值电路519

7.2.2　主电路各参数计算式520

7.2.3　恒电压下运行电气特性曲线520

7.2.4　恒电阻运行电气特性曲线529

7.2.5　电炉圆图529

7.3　直流电炉运行电气特性曲线534

7.3.1　直流电炉和等值电路534

7.3.3　P-Q特性曲线与直流电炉圆图535

7.3.2 Ud-Id直角坐标系及功率控制535

7.4　交流电炉相间电流耦合关系537

7.4.1 产生的现象与原因537

7.4.2 三相耦合关系分析539

7.4.3　调整交互作用的一般方法540

7.4.4　相间电流耦合关系的人工智能控制542

7.4.5 电极调节的模糊控制543

7.5　炉子电气运行中的蓐生过程544

7.5.1　三相不平衡544

7.5.2　谐波547

7.5.3 电压波动与闪变550

7.5.4　综合治理553

第8章　熔炼工艺与技术558

8.1　工艺流程分类558

8.2　熔炼过程工艺条件及钛渣合理品位理念558

8.2.1　钛铁矿精矿的主要特性558

8.2.2　碳还原剂及其选择566

8.2.3　钛渣熔炼工艺中的合理品位理念573

8.3　钛铁矿氧化焙烧预处理576

8.3.1　概述576

8.3.2　钛铁矿氧化焙烧的反应与相变化576

8.3.3　氧化焙烧中的脱硫作用578

8.3.4　氧化焙烧对改善矿石还原性能的影响579

8.3.5　氧化焙烧回转窑580

8.3.6　流态化焙烧及设备582

8.4　钛铁矿预还原处理584

8.4.1 两段法工艺熔炼钛渣的特性分析584

8.4.2　流态化法预还原585

8.4.3 回转窑法预还原586

8.4.4 转底炉法预（或终）还原588

8.4.5　碳还原钛铁矿预处理过程中的脱硫589

8.4.6　钛精矿造球591

8.4.7　链算机—回转窑595

8.5　间断法熔炼工艺595

8.5.1 团料熔炼特性595

8.5.2 敞口电炉间断法熔炼工艺604

8.5.3　半密闭电炉间断法熔炼工艺611

8.6　连续法熔炼工艺615

8.6.1 密闭电炉熔炼钛渣的技术特点615

8.6.2 加拿大QIT生产工艺621

8.6.3 南非RBM生产工艺626

8.6.4　小型圆形密闭电炉熔炼攀枝花钛精矿焙砂和北海砂矿钛精矿的半工业试验628

8.6.5 攀枝花钛精矿生粉料直接入炉熔炼的工业试验629

8.6.6 一种生粉料连续法工艺采用的电炉系统631

8.6.7　预还原（铁金属化）球团密闭电炉熔炼632

8.6.8　直流空心电极电炉熔炼钛铁矿的工艺特性分析638

9.2.1　成熟钛渣排放和浇注的特点652

9.2　炉前钛渣及其加工652

9.1　引言652

第9章　炉前钛渣加工和钛铁水增值处理652

9.2.2　渣块粉碎与磁选653

9.2.3　主要加工设备654

9.3　钛铁水的脱硫与增碳658

9.3.1　熔炼钛铁矿的铁水成分658

9.3.2　炉外脱硫及方法659

9.3.3　铁水增碳662

9.3.4　喷粉装置665

9.4　钛铁水第二熔炼设备及其运用666

9.4.1 工频感应电炉的工作原理666

9.4.2 沟槽式感应电炉结构668

9.4.3 沟槽式感应电炉的修筑670

9.4.4 沟槽式感应电炉熔炼的冶金特点674

9.4.5　感应体熔沟部位炉衬蚀损和阻塞状况的判断675

9.4.6　沟槽式感应电炉的铁水防漏系统680

9.5　沟槽炉熔炼升级生铁产品681

9.6　钛铁水的水雾化法制粉683

9.6.1　概述683

9.6.2　雾化法铁粉生产基本原理683

9.6.3　水雾化低碳铁水（钢）法687

9.6.4　水雾化高碳铁水法689

参考文献691