钒钛磁铁精矿预还原球团电炉冶炼研究.pdf

3 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第7 期 d o i 1 0 。3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 6 ．0 7 。0 1 0 钒钛磁铁精矿预还原球团电炉冶炼研究 吕亚男1 ，郭宇峰2 ，陈栋 1 ．苏州工业职业技术学院机电工程系，江苏苏州2 1 5 1 0 4 ； 2 ．中南大学资源加工与生物工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 ；3 ．苏州大学沙钢钢铁学院，江苏苏州2 1 5 0 2 1 摘要对攀西钒钛磁铁精矿球团电炉冶炼进行研究，通过还原剂作用和优化的熔融还原电炉参数，可实 现钒钛磁铁精矿球团冶炼过程中铁和钒钛的分离回收，其中钒被还原后富集到生铁中，而钛富集在电炉 冶炼渣中。当渣型碱度 C a 0 ／s i 0 为1 ．1 时，还原球团的金属化率为7 0 ％，在15 0 0 ℃熔融还原1 0m i n 后，生铁中铁品位为9 7 ．9 6 ％，铁回收率可达9 8 ．8 1 ％，生铁中含钒O ．3 6 ％，钒回收率可达6 2 ．4 2 ％，试验 过程中炉渣流动性好。 关键词钒钛磁铁精矿；预还原；电炉冶炼；回收铁 中图分类号T F 5 5文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 { 2 0 1 6 0 7 一0 0 3 8 一0 4 S t u d yo nE l e c t r i cF u r n a c eS m e l t i n g0 fV a n a d i u m T i t a n i u m M a g n e t i t eC o n c e n t r a t e L UY a n a n l ，G U Y u f e n 9 2 ，C H E ND o n 9 3 1 ．D e p ar t m e n to fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，S u z h o uI n s t i t u t eo fI n d u s t r i a lT e c h n o l o g y ，S u z h o u2 1 5 1 0 4 ，J i a n g s u ，C h i n a 2 ．S c h 0 0 1 。fM i n e r a l sP r o c e s s i n ga n dB i o e n g i n e e r i n g ．C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fI r o na n dS t e e l ，S o o c h o wU n i v e r s i t y ，S u z h o u2 l5 0 2 1 ，J i a n g s u ，C h i n a A b s t r a c t E l e c t r i cf u r n a c es m e l t i n gt e c h n o l o g yw a sa d o p t e dt ot r e a tV a n a d i u m t i t a n i u mm a g n e t i t e c o n c e n t r a t ei nP a n z h i h u a ．T h er e s u l t ss h o wt h a ts e p a r a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fi r o na n dn o n f e r r o u s e l e m e n t sc a nb ec o n t r o l l e dw i t hs u i t a b l er e d u c i n ga g e n t ， a p p r o p r i a t em e t a l l i z a t i o nr a t eo fp r e r e d u c t i o n p e l l e t sa n do p t i m i z e de l e c t r i cf u r n a c es m e l t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e ．M o s to fv a n a d i u mi sc o l l e c t e di np i g i r o n ，w h i l et i t a n i u mi sg a t h e r e di nf u r n a c es l a g ． P i gi r o ni so b t a i n e dw i t hi r o ng r a d eo f9 7 ．9 6 ％a n di r o n r e c o v e r yo f9 8 ．81 ％，v a n a d i u mc o n t e n to f0 ．3 6 ％a n dv a n a d i u mr e c o v e r yo f6 2 ．4 2 ％u n d e rt h ec o n d i t i o n s i n c l u d i n ga l k a l i n i t y C a o ／S i 0 2 o f1 ．1 ，m e t a l l i z a t i o nr a t eo f7 0 ％，s m e l t i n gt e m p e r a t u r eo f15 0 0 ℃a n d s m e l t i n gt i m eo f1 0m i n ． F u r n a c es l a ge x h i b i t sg o o df l u i d i t yi ns m e l t i n gp r o c e s s ． K e yw o r d s V a n a d i u m t i t a n i u m m a g n e t i t ec o n c e n t r a t e ；p r e r e d u c t i o n ； e l e c t r i cf u r n a c e s m e l t i n g ； i r o nr e c o v e r v 钒钛磁铁精矿中主要元素为铁、钒和钛，钒以类 质同象的形式嵌布于钛磁铁矿中阻2 【。目前对钒钛磁 铁精矿的研究方向主要是有效分离回收其中的铁和 钒、钛。现有的研究方法主要有高炉一转炉法睁4 | ，回 转窑～电炉法睁6 1 和还原一磨选法口8 1 等。最早用于 处理钒钛磁铁精矿的方法是高炉法‘9 ’1 0 ] ，然而高炉具 有软融带，无法长期提高生产效率，且作为开放系统， 高炉污染严重，存在一定的局限性。还原一磨选法可 收稿日期2 0 1 6 一0 2 2 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 5 0 4 1 5 5 ；江苏省青年基金项目 B K 2 0 1 4 0 3 3 7 作者简介吕亚男 1 9 8 3 一 ，女，山西人，博士． 万方数据 2 0 1 6 年第7 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 9 将还原后的铁氧化物充分还原为金属铁，而钒、钛仍 保持氧化物形态，最后采用细磨分选得到富钒钛料和 铁粉精矿[ 1 ，但钒钛磁铁精矿难还原，且产能与高炉 法和回转窑一电炉法相比较小。与高炉法相比，回转 窑一电炉法获得的含钛炉渣中T i 2 品位虽有所富 集，但仍无法满足工业要求，且流程操作难度极大， 不比高炉法更有明显的优势[ 12 | 。 对普通铁矿石的熔态还原而言，冶炼过程易出 现泡沫渣，不利于熔态还原的进行。泡沫渣的形成 取决于还原过程中一氧化碳生成和气泡消减的相对 速度。与普通铁矿石不同，尽管高温还原钒钛矿时 炉内的气体量较大，但由于钒钛矿难还原，还原速度 慢，因此并未产生大量的泡沫渣，从而有利于熔融冶 炼钒钛磁铁矿[ 1 3 。引。因此，本文对钒钛磁铁精矿的 熔融还原进行了研究。探讨了电炉冶炼钒钛磁铁精 矿过程中，冶炼产物组成的变化规律，以及影响冶炼 过程中的主要因素。分别考察了球团金属化率，熔 融还原温度和熔融还原时间对电炉冶炼钒钛磁铁精 矿的影响。 1 原料及研究方法 本文所使用的原料为攀枝花钒钛磁铁精矿，主 要成分 ％ T F e5 1 ．3 6 、V 20 50 ．6 6 、T i 0 29 ．9 8 、 S i 0 24 ．1 2 、A 1 2 0 33 ．0 3 、C a O4 ．1 2 、M g O1 ．6 6 、M n O o ．1 5 、So ．1 4 、Po ．0 1 8 。钒钛磁铁精矿的X 射线衍 射分析表明，钒钛磁铁精矿的矿物组成主要为磁铁 矿和钛铁矿。还原剂为内蒙煤，其固定碳含量大于 5 7 ．0 7 ％，焦渣特性为2 ，挥发份含量为3 7 ．2 2 ％，灰 熔点为12 8 0 ℃。电炉还原用煤为无烟煤，其固定 碳含量为8 2 ．5 6 ％，焦渣特性为1 ，挥发份含量为 8 ％，灰熔点为11 6 0 ℃。 钒钛磁铁精矿的熔融还原研究主要包括制球、 干燥、氧化、预还原和电炉冶炼。钒钛磁铁精矿与适 量复合粘结剂以及1 ％硼砂混合后，在直径1m 的 圆盘造球机上完成制球，所制球团直径为1 5m m 左 右，然后将钒钛磁铁精矿球团在 1 0 5 5 ℃环境下 干燥4h 。钒钛磁铁精矿球团的氧化过程在小型卧 式电阻炉 垂5 0m m 中进行，在9 0 0 ℃时，将含有定 量球团的瓷舟以恒速推入电阻炉中进行氧化处理， 氧化时间为6m i n 。氧化过程结束后，将所得球团 室温冷却。钒钛磁铁精矿的还原过程在小型竖式电 阻炉内进行，炉膛直径为6 0m m 。炉温到达设置温 度后，将球团与还原煤混合的还原反应罐置于炉体 中心位置。还原完成后，对罐体进行氮气冷却直至 室温，得到钒钛磁铁精矿的预还原球团，作为电炉冶 炼的研究原料。进行电炉冶炼时，将配料计算后的 适量还原球团、4 ％外配煤和添加剂等均匀混合后置 于石墨坩埚 碱度C a 0 ／S i O 。一1 ．1 。在设定温度 下，将石墨坩埚在竖式电炉中氮气气氛下对球团进 行熔融还原。熔融还原完成后将坩埚在氮气气氛下 冷却。对冷却后的熔体进行分离得到冶炼渣和生 铁，并取样进行成分分析。电路冶炼的效果用冶炼 产物生铁中铁的品位和回收率以及钒的含量和回收 率等进行评价。 2结果与分析 2 ．1 球团金属化率对熔融还原的影响 在l5 0 0 ℃熔融还原1 0m i n 后，预还原球团 金属化率对钒钛磁铁精矿球团冶炼产物的影响见 图1 ～2 蓬 碍 擎 回 犀 g 口量 蝼 图l预还原球团金属化率对生铁 中铁和钛的影响 F i 昏l E f f e c t0 fm e t a 儿i z a t i o nr a t eo ni m n a n dt i t a n i u mi np i gi r o n 冰 、 捌 札 最 顶还原球瑚金属化率朋 图2 预还原球团金属化率对生铁中钒的影响 F i g ．2 E f f e c to fm e t a l l i z a t i 帅r a t eo n v a n a d i u mi np i gi r o n 万方数据 4 0 有色金属 冶炼部分 h t I I ，／／y t h g r 1 、m “I 、 由图1 ～2 可知，钒钛磁铁精矿球团的熔融还原 与其预还原球团的金属化率有紧密联系。当预还原 球团金属化率升高时，冶炼产物生铁中的铁品位先 随之升高而后降低，铁回收率随着金属化率的提高 而小幅度升高。金属化率的提高均促进了生铁中钒 和钛的富集，同时生铁中钒的回收率也有所升高。 铁品位在金属化率为7 0 ％时达到最高，此时的铁回 收率和钒回收率分别达到9 8 ．8 1 ％和6 2 ．4 2 ％。需 要注意的是，过高的金属化率虽可小幅度提升铁回 收率，然而会降低生铁中铁的品位，且预还原过程中 耗时较长，增加了工业成本。因此，进行熔融还原适 宜的预还原球团的金属化率应控制在7 0 ％。 2 ．2 温度对熔融还原的影响 考察了熔融还原2 0m i n 后，不同温度对钒钛磁 铁精矿球团冶炼产物的影响，结果见图3 和图4 。 熔融还原的温度对钒钛磁铁精矿的电炉冶炼有显著 的影响。提高冶炼温度对生铁中铁的回收率有着强 化促进作用，但无法提高铁品位。此外生铁中的钒 含量及钒回收率先随着温度的升高均先升高后下 降。而温度越高，钛越容易富集在生铁中。 图3 熔融还原温度对生铁中铁和钛的影响 F i g ．3 E f f e c tO fs m e l t i n gt e m p e r a t u r eo n i r o na n dt i t a n i u mi np i gi r o n 当温度在14 0 0 ～15 0 0 ℃时，生铁中铁的回收 率提高了2 ．6 5 个百分点，但钒回收率大幅度提高， 约3 倍。这是因为冶炼渣在低温时的黏度较大，会 形成较大阻力，从而影响铁渣分离；高温则可加快热 传递，利于原料熔化，且能够有效降低冶炼渣的黏 度，使金属熔滴易于下降，从而有效回收铁和钒，提 高对应产物的回收率。但是当熔融还原温度大于 15 0 0 ℃后，铁品位和钒含量均明显下降。当熔炼 温度逐步升高时，生铁中的钛含量随之提升，不利于 钒钛磁铁精矿的电炉冶炼。因此，钒钛磁铁精矿熔 图4 熔融还原温度对生铁中钒的影响 F i 晷4 E f f e c to fs m e l t i n gt e m p e r a t u r eo n V a n a d i u mi np i gi r o n 融还原的适宜冶炼温度应为15 0 0 ℃。 2 ．3 时间对熔融还原的影响 考察了熔融还原温度15 0 0 ℃下，不同冶炼时间 对钒钛磁铁精矿冶炼产物的影响，结果见图5 ～6 。 图5熔融还原时间对生铁中铁和钛的影响 F i g ．5 E f f e c to fs m e I t i n gt i m eo ni m n a n dt i t a n i u mi np i gi m n 术 、 栅 扪 蒜 乜炉；f } 炼时阳j ，m 图6 熔融还原时间对生铁中钒的影响 F i g ．6 E f f e c to fs m e l t i n gt i m eo n v a n a d i u mi np i gi r o n 万方数据 2 0 1 6 年第7 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ；／／y s y l Ib g r i m m ．c n 4 1 由图5 ～6 可知，熔融还原时间对钒钛磁铁精矿 的冶炼产物影响显著。延长冶炼时间，生铁中的铁 回收率和钒回收率均先随之升高而后下降，但生铁 中的钛含量逐步升高。当熔融还原时间为1 5m i n 时，铁回收率的提高幅度为o ．1 3 个百分点，钒回收 率的提高幅度为1 7 ．9 2 个百分点。钒钛磁铁精矿中 的铁在预还原中已大部分被还原，因此在15 0 0 ℃ 熔融还原下，铁可以迅速与熔渣分离，同时钒在外配 无烟煤的作用下较快还原成金属钒后进入到生铁 中。当熔融还原时间大于1 5m i n 后，钒的回收率呈 下降趋势。当熔融还原2 0m i n 后，钒的回收率下降 了3 ．2 1 个百分点。此外，随熔融还原时间的延长， 生铁中的钛含量随之增加，这一现象说明钛被过还 原，因此需要缩短熔融还原时间从而减少钛的还原。 试验结果表明，熔融还原的适宜时间应为1 0m i n 。 综上，对于钒钛磁铁精矿的熔融还原冶炼，适宜 的预还原球团的金属化率为7 0 ％，冶炼温度为 15 0 0 ℃，冶炼时间为1 0m i n 。预还原球团电炉冶 炼工艺流程简单，可直接还原铁和钒获得含钒生铁， 并富集钛，获得含钛渣，含钒生铁可后续进行提钒用 于炼钢，而含钛渣可制备钛白。 3结论 适量的还原剂能够为钒钛磁铁精矿预还原球团 熔融还原提供充分的还原气氛，可以有效促进电炉 冶炼。采用金属化率为7 0 ％的预还原球团对钒钛 磁铁精矿进行熔融还原较为适宜。电炉冶炼过程 中，适宜的钒钛磁铁精矿熔融还原的条件为15 0 0 ℃还原1 0m i n 。在此优化条件下，得到的生铁中铁 和钒品位分别为9 7 ．9 6 ％和o ．3 6 ％，铁和钒回收率 分别为9 8 ．8 1 ％和6 2 ．4 2 ％。 参考文献 [ 1 ] 杜鹤桂．高炉冶炼钒钛磁铁矿原理[ M ] ．北京科学出 版社，1 9 9 6 1 16 ． [ 2 ] 王喜庆．钒钛磁铁矿高炉冶炼[ M ] ．北京冶金工业出 版社，1 9 9 4 1 1 8 ． [ 3 ] 蒙钧，韩明堂．高钛渣生产现状和今后发展的看法[ J ] ． 钛工业进展，1 9 9 8 ，1 5 1 1 2 1 3 ． [ 4 ] 邹建新，王荣凯，彭富昌．电炉冶炼酸溶高钛渣试验研 究[ J ] ．轻金属，2 0 0 4 1 2 3 7 3 9 ． [ 5 ] 石玉洪．钒钛磁铁矿预还原球团及熔分渣的理化性能 [ J ] ．钢铁钒钛，1 9 9 6 ，1 7 2 2 0 一2 4 ． [ 6 ] 徐文新．攀枝花钒钛金属化球团焙化分离工艺的探讨 [ J ] ．钢铁技术，2 0 0 0 4 8 1 2 ． [ 7 ] 朱德庆，姜涛，郭宇峰，等．钒钛磁铁精矿铁钒钛综合利 用新流程[ J ] ．矿产综合利用，1 9 9 9 2 1 6 2 0 ． [ 8 ] E L T A w I Lsz M ，0 s R IIM ，Y E H I UA ，e ta 1 ．A l k a l i R e d u c t i v e R o a s t i n g o fI l m e n i t e 0 r e [ J ] ． c a n a d i a n M e t a l l u r g i c a lQ u a r t e r l y ，1 9 9 6 ，3 5 1 3 卜3 5 ． [ 9 ] 李晨希，王宏，李润霞，等．含钛高炉渣综合利用研究的 进展[ J ] ．沈阳工业大学学报，2 0 0 4 ，2 6 5 4 9 5 4 9 8 ． [ 1 0 ] 马俊伟，隋智通，陈炳辰．攀钢含钛高炉渣的综合利用 [ J ] ．钒钛，1 9 9 4 7 2 7 3 0 ． [ 1 1 ] 梁经冬．浮选理论与选冶实践[ M ] ．北京冶金工业出 版社，1 9 9 5 3 3 0 一3 9 4 ． [ 1 2 ] 郭宇峰．钒钛磁铁矿固态还原强化及综合利用研究 [ D ] ．长沙中南大学，2 0 0 7 ． [ 1 3 ] 张丙怀，邹德余．钒钛磁铁矿熔融还原速度研究[ J ] ． 金属学报，1 9 9 2 ，2 8 1 0 5 l 一5 6 ． [ 1 4 ] 刘清才，张丙怀，邹德余，等．钒钛磁铁矿高温还原过程 中气体行为分析[ J ] ．钢铁钒钛，1 9 9 0 ，1 1 3 2 4 3 0 ． 万方数据