煅烧是水合二氧化钛转变成二氧化钛的过程，这一步操作过程的要求是:

(a)通过脱水脱硫使物料达到中性；

(b)最好使希望的晶型得到100%的转化；

(c)粒子成长大小均匀整齐，对颜料级钛白粉要求在0.2~0.3μm之间；

(d)粒子的形状最好近似球型；

(e)要求煅烧后生成的二氧化钛没有晶格缺陷，物理化学性质稳定。
水合二氧化钛的煅烧是一个强烈的吸热反应，工业上一般在回转窑内进行，采用直接内加热，其化学反应式如下：

 
但是水合二氧化钛的煅烧绝非是上述反应中的加热脱水和脱硫的过程，它还涉及到TiO2粒子的成长、聚集和晶型转化等过程，因此随着煅烧温度的提高，二氧化钛的各种物性也随之发生变化。
一般水合二氧化钛在150~300℃之间是脱去游离水和结晶水的过程，650℃左右为脱硫过程，700~950℃期间开始锐钛型向金红石型转化，在碱金属催化剂(盐处理剂)的存在下，转化温度可降低，转化速率可加快。

在煅烧过程中二氧化钛的相对密度，随着晶型结构的改变而变化，从600℃的3.92(锐钛型)到1000~1200℃金红石型的4.25，加入促进剂后金红石型的转化温度可降低至850~900℃。
折射率也随煅烧温度的改变而改变，通过煅烧可以使无定晶型的水合二氧化钛1.8的折射率，转化成锐钛型时的2.55和金红石型的2.71。

在煅烧过程中二氧化钛的粒径也不断发生变化，水合二氧化钛通常是0.6~0.7μm的微晶胶体的聚集体，它们是由3~10mμm的微晶组成，在煅烧时不断增大，至750℃时这些微晶体一般都长大到0.2~0.4μm,同时粒子的表面积减少到1/10~1/20，在转化成一定晶型后这些颜料粒子的大小基本上不发生太大的变化，但是继续升高温度长时间的煅烧，粒子会进一步聚集在一起成为大颗粒。

 
煅烧的结果使二氧化钛获得必要的颜料性能(消色力、遮盖力等)，同时二氧化钛的光化学活性减弱，在酸中的溶解度降低，化学性质趋于稳定。上图是水合二氧化钛和石英对比的差热分析，从图中可以看出由于脱水所产生的吸热过程发生在150℃，脱硫的吸热过程发生在650℃，900℃以下的放热过程是由于粒子表面积的缩小，900℃时的转折点是锐钛型变成金红石型。从图中还以看出，水分蒸发所需要的总热量比脱硫所需要的热量大得多，因此降低煅烧前物料中的水分含量是煅烧操作节能的重要措施之一。

图中1已超过图框外形成一条完整的曲线；2为TiO2;3为石英。
煅烧是钛白粉生产中水解以后操作要求最严的地方，虽然它没有多少化学反应机理可探讨(盐处理时有一些简单的化学反应)，煅烧过程中大多数是物理变化如：相对密度、折射率、遮盖力、消色力、吸油量、晶型、粒子大小等，这些物理变化直接影响到成品的光学性质和颜料性能，它与煅烧温度、煅烧时间、煅烧强度、煅烧气氛有关，并且直接受盐处理剂的品种和加量影响。

1、水合二氧化钛的煅烧过程
煅烧用的回转窑通常是钢壳内衬优质高铝耐火砖，一般不采用硅砖，硅砖会使产品中硅的含量增高，回转窑的长径比一般为12~20:1,如国内常用的ф2400×38000mm、ф2800×50000mm等。加热方式为逆向内加热，燃料多采用煤气、天然气。

液化气、柴油、重油、低碳烃(C9或C10)等，窑头为出料和加热部位，窑尾为进料部位及废气排放出口并设有挡料板或收缩段防止物料倒流。窑身多为直筒型，细而长的窑身结构可以有足够的热量和时间来脱水、脱硫，并保证有粒子成长和晶型转化的时间。

也有异型窑如：在窑的不同部位砌有挡圈、窑尾设有缩小段、窑头设有护大段等，颜料级钛白粉用的回转窑一般都设有燃烧室，避免燃烧不完全的燃料污染产品。回转窑的布置一般尾高、头低，通常斜率为2%~5%，转速每转一圈3~7min,物料的填充系数为10%~20%，物料的停留时间一般8~16h。

水合二氧化钛的进料常采用往复式挤压泵、软管泵、螺杆泵、螺旋推进器等，物料在旋转搅拌和重力的作用下缓缓向前移动，窑头、窑尾、窑中的前半部设有若干个测温点，有的还设有取样口，以便随时掌握窑内物料的煅烧情况。
物料进入回转窑后首先是脱水过程，理论上游离水超过100℃就能蒸发掉，但是水合二氧化钛中还含有大量的化学结合水，因此脱水过程一般在100~300℃区间。按道理脱硫过程应在脱完水以后，实际上由于化学键的结合，在脱水时总会夹带部分酸和各种氧化硫的混合物与水蒸汽一道排出来。

水合二氧化钛中吸附有大量的硫酸根，需要通过煅烧除去，一般脱硫温度为500~800℃(通常在650℃左右)，添加钾盐脱硫温度最低可达480℃，添加铝盐可以延长脱硫时间,脱硫时所需要的温度也较高，随着硫的脱尽，二氧化钛由酸性变为中性。

由于在煅烧期间有大量的H2O、SO3、CO2(钾盐分解时的产物)释放出来，团块状的物料会变得疏松呈分散颗粒状态

。脱硫时间的推迟或硫未脱尽都会影响二氧化钛粒子的成长和晶型的转变。
经过脱水和脱硫后的水合二氧化钛，随着在回转窑内的转动而逐步移至粒子成长和晶型转化的高温区，这个范围内首先是原来不定晶型的水合二氧化钛转变成锐钛型二氧化钛(由四氯化钛水解生成的水合二氧化钛直接转变为金红石型)，同时粒子开始长大，当温度达到600℃以后粒子开始显著增长，直至形成0.2~0.4μm左右的颜料颗粒，到950℃左右，锐钛型开始转化成金红石型，如果添加了金红石型促进剂(ZnO、TiO2溶胶等)，其转化温度可降到850℃左右但是在高温下长时间的煅烧，这些0.2~0.4μm的基本颜料颗粒会进一步增长，当达到1000℃时粒子可长大到1μm，有时在高温区颜料粒子既使不继续长大，也会烧结在一起形成粗颗粒，这可能是一些低熔点的盐类熔化后造成二氧化钛粒子烧结在一起。

最后物料落入冷却窑(筒)中，通过风冷或水冷后送入粉碎工序。
煅烧后物料是温度很高的二氧化钛颜料粒子的聚集体，需要慢慢冷却使晶体得到松弛，可以减轻其晶格缺陷，否则二氧化钛颜料可能会变色，甚至发生光色互变现象。一般冷却至40℃即可，温度太低容易吸收空气中的水分。