December 14, 2025
の核心は電気炉によるチタン スラグ製錬は、イルメナイトを無煙炭（または石油コークスまたはコークス）などの固体還元剤と混合し、混合物を電気炉に入れて還元製錬することです。このプロセス中、鉱石中の酸化鉄は選択的に金属鉄に還元され、酸化チタンはスラグに濃縮されます。スラグと鉄を分離した後、チタン スラグと副産物の金属鉄が得られます。チタン精鉱は主にTiO₂とFeOで構成され、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、V₂O₅などの追加成分が含まれています。製錬プロセスでは、高温で強力な還元条件下で酸化鉄を炭素と反応させて溶融チタン スラグと金属鉄を生成し、比重と融点の違いにより効果的に分離します。関連する化学反応には以下が含まれます。
1. Fe₂O₃ + C = 2FeO + CO
2. FeO + C = Fe + CO
チタン スラグは、高い融点、強い腐食性、高い導電性、および融点付近での粘度の急激な増加を特徴としています。これらの特性は、製錬中の組成の変化に伴い大きな変化を受けます。
イルメナイトは、溶融状態で高い電気伝導性を示し、1500℃で2.0〜2.5 ks/m、1800℃で5.5〜6.0 ks/mに達します。還元と製錬が進むにつれて、溶融物の組成が変化し、FeO含有量が減少し、TiO₂と低価チタン酸化物が増加し、導電性が急速に上昇します。たとえば、カナダのソレルチタン スラグは1750℃で15〜20 ks/mの導電性を持ち、通常のスラグ（同じ温度で100 s/m）や液体NaClのようなイオン電解質（約900℃で400 s/m）よりも大幅に高くなっています。温度変化はチタン スラグの導電性にほとんど影響を与えず、その電子導体特性を示しています。
チタン スラグの高い導電性は、電気炉におけるオープンアーク溶融の性質を決定し、主な熱源は電極端と溶融プール表面間のアーク熱であり、「オープンアーク製錬」として知られています。対照的に、高抵抗スラグはスラグ熱抵抗に依存し、「サブマージアーク溶融」と呼ばれます。当初、チタン スラグの製錬は短期間のサブマージアーク特性を示す可能性がありますが、プロセスが進むにつれてオープンアーク製錬が優勢になり、アーク熱は後段階で最大97％を占めます。
主に酸化チタンで構成されるチタン スラグは、1580〜1700℃の範囲の高い融点を持ち、TiO₂含有量とともに上昇します。高温製錬には、還元ゾーンへの熱の集中が必要です。
チタン スラグは、完全に融解すると粘度が低く、短いスラグ特性を持ちます。ただし、融点付近では、狭い結晶化温度範囲のために粘度が急激に上昇し、結晶性固体の析出を引き起こし、溶融物を粘稠にし、スラグの流動性と排出を損ないます。
主にTiO₂とかなりの低価チタン酸化物で構成されるチタン スラグは、高い化学的活性を示し、ほとんどの金属および非金属材料を腐食します。炉体を保護するために、還元製錬中にチタン スラグの層が炉ライニングに吊り下げられます。
還元反応は主に溶融表面で発生しますが、固体装入物の突然の崩壊や、高炭素鉄の溶融物を通る降下は、金属鉄-スラグ界面で激しい反応を引き起こし、大量のCOガスを生成し、スラグの沸騰と飛散を引き起こす可能性があります。これにより、電極が浸水し、瞬間的な電流が増加し、短絡が発生し、製錬が不安定になる可能性があります。連続的な供給と閉鎖された製錬方法は、沸騰を軽減し、炉の状態を安定させることができます。
チタン スラグの融点は、TiO₂含有量と還元度（Ti₂O₃/TiO₂比）とともに上昇します。最適な製錬終点は約O/Ti = 1.76であり、このシステムは最低の共融点を持ちます。FeO、MgO、CaO、MnO、Al₂O₃などの不純物元素は、TiO₂と二元化合物と共融点を形成し、特定の含有量範囲内で融点を下げ、良好なスラグ形成剤として機能します。ただし、過剰な不純物はチタン スラグのグレードを低下させます。
すべてのFe₂O₃をFeOに変換し、96％のFeOを金属鉄に還元し、30％のTiO₂をTi₃O₅に還元し、溶融プール中の鉄の2％の浸炭を考慮して計算された理論炭素含有量は、添加された鉱石の7.98％です。転換されたコークス粉末は鉱石添加量の9.85％を占め、実際の炭素含有量は約12％です。
電気炉と変圧器のミスマッチと試験炉の制限により、製錬用の現在の動作二次電圧は100Vに設定されています。
各炉には1.49トンのチタン精鉱が装入され、0.78トンがアスファルトとコークス粉末と混合して一度に添加され、圧縮されます。残りの0.71トンは、グレードを調整し、スラグの回転、地殻形成、飛散を避けるために、電極穴から製錬中に断続的に添加されます。各炉は180分間製錬され、150〜240分の間で変動します。排出時に電源がオフになり、酸素を使用して炉口を焼き切ります。スラグと鉄を混合し、底にφ100mmの穴が開いているスラグトレイに排出し、5〜8分かかります。凝固後、溶融鉄を砂トレイに注ぎ、80〜90kgの鉄インゴットを形成します。排出後、炉の出口がプラグされ、約60kgの鉱石と7kgのコークス粉末が3つの電極穴に沿って添加され、続いて叩き、材料を添加し、ハンマーで突き固め、電極を排出し、スイッチを閉じ、電源を送って次の炉を製錬します。2番目の炉の電源供給時間は約10〜20分です。
化学式FeTiO₃で、理論TiO₂含有量が52.6％のイルメナイトは、一般的にFeTiO₃および風化イルメナイトとして自然界に存在します。風化イルメナイトは、ブルカイト、変性ブルカイト、白チタン、ルチルなど、さまざまな物理的相組成を形成し、風化深度とTiO₂含有量が増加します。風化中、他の酸化物不純物はFeTiO₃と固溶体を形成し、一般式m((Fe,Mg,Mn).TiO₂).n((Fe,Cr,Al)₂O₃)で表され、m + n = 1です。
採掘価値のあるチタン鉱石は、岩鉱石と砂鉱床に分けられます。イルメナイト（FeTiO₃）で構成される岩鉱石は、TiO₂含有量が約45〜53％で、鉄はFeOの形で存在し、高いFeO/Fe₂O₃比、高いMgO含有量、および緻密な鉱物構造を持っています。風化した岩鉱石から形成された砂鉱床は、高いFe₂O₃含有量、低いFeO/Fe₂O₃比、低い不純物含有量、緩い鉱物構造、およびルチル鉱石で最大95〜100％のTiO₂含有量を持っています。
電気炉でイルメナイトを製錬した後に形成されるチタン スラグは、2つの主要な相で構成されています。
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90〜95％の擬似プレートチタン相: (FeTi₂O₅)a(MgTi₂O₅)b(Al₂TiO₅)c(MnTi₂O₅)d(V₂TiO₅)e(Ti₃O₅)fで構成され、黒チタン石固溶体相とも呼ばれ、a + b + c + d + e + f = 1です。たとえば、ソレルスラグの典型的な組成は(FeTi₂O₅)0.31(MgTi₂O₅)0.30(Al₂TiO₅)0.06(MnTi₂O₅)0.008(V₂TiO₅)0.012(Ti₃O₅)0.31です。
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5〜10％のケイ酸塩ガラス相: (Ca, Al, Mg, Fe, Ti)SiO₃で、典型的な組成はSiO₂ 60％、Al₂O₃ 18〜20％、CaO 9〜10％、MgO 1〜4％、FeO 2〜4％、TiO₂ 3〜4％です。
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電気炉で製錬されたチタン スラグは、酸可溶性チタン スラグと塩化チタン スラグに分けられます。攀枝花のチタン精鉱から製錬された酸可溶性チタン スラグは、硫酸法による二酸化チタンの製造に使用され、次の特徴があります。
1. 良好な酸溶解性、酸分解率≥94％。
2. 良好な酸分解反応性能のための適切な量の共溶媒不純物FeOとMgO。
3. 制御された低価チタン含有量。
4. 二酸化チタンの製造に有害な不純物（硫黄、リン、クロム、バナジウム）は、基準を超えてはなりません。
塩化物法による二酸化チタンの製造に使用される塩化チタン スラグは、次の特徴があります。
1. 高いTiO₂含有量、一般的に≥92％。
2. 塩素化中に付着性を形成するCaO + MgO含有量、一般的に≤1％。
3. 流動化要件を満たす粒度分布。
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