楊紹利1，馬蘭1，程相魁2，曾志勇

　?。?、攀枝花學(xué)院；2、攀枝花正德環(huán)保新材料科技開發(fā)有限公司；3、四川釩鈦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院）
 

　　引言

　　背景

　　攀枝花釩鈦磁鐵礦為釩、鈦、鐵等多金屬共生礦，其礦物組成多且復(fù)雜。攀鋼集團應(yīng)用普通高爐冶煉釩鈦磁鐵礦生產(chǎn)含釩鐵水并附產(chǎn)高鈦型高爐渣，原礦石中大約有50%鈦進入高鈦型爐渣中（其余進入尾礦），高鈦型高爐渣中二氧化鈦含量為20%～26%。高鈦型高爐渣綜合利用已成為世界性難題。目前攀鋼全力進行的高溫碳化-低溫氯化處理高鈦型高爐渣新工藝已取得重大突破性進展。

　　攀西國家戰(zhàn)略資源創(chuàng)新開發(fā)試驗區(qū)（攀西試驗區(qū)）是我國目前唯一一個國家級戰(zhàn)略資源創(chuàng)新開發(fā)試驗區(qū)。攀西試驗區(qū)建設(shè)已列入國家釩鈦資源綜合利用及釩鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃。攀西試驗區(qū)中的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源包括釩鈦、稀土、碲鉍及石墨（“3+1” 戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源）。其中釩鈦資源是龍頭。

　　自進入本世紀(jì)以來，經(jīng)過十多年的研究開發(fā)，攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦綜合利用非高爐新工藝取得了顯著的成效。先后建成9條非高爐新工藝工業(yè)生產(chǎn)（示范）線。但在近幾年的行業(yè)低谷形勢下，多處于停滯狀態(tài)。但是對非高爐新工藝的相關(guān)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用并未停止。在國家和四川省的大力支持下，攀西試驗區(qū)每年組織進行釩鈦綜合利用重大關(guān)鍵技術(shù)面向國內(nèi)外招投標(biāo)，每年有十多項由試驗區(qū)內(nèi)相關(guān)企業(yè)提出的重大關(guān)鍵技術(shù)。本新工藝就是2015年試驗區(qū)重大關(guān)鍵技術(shù)之一。招標(biāo)企業(yè)為攀枝花正德環(huán)保新材料科技開發(fā)有限公司，本文作者所在單位為主要中標(biāo)單位之一。

　　本工藝概述

　　根據(jù)攀枝花地區(qū)的資源情況、云貴川地區(qū)的鑄件市場情況，攀枝花市政府著眼于釩鈦磁鐵礦的鐵釩鈦綜合回收利用，積極推進鑄造產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟園區(qū)建設(shè)。攀枝花正德環(huán)保新材料科技開發(fā)有限公司充分發(fā)揮攀枝花地區(qū)的資源優(yōu)勢，特別是目前存在大部分焦?fàn)t煤氣放散的現(xiàn)實情況，提出了“基于焦?fàn)t煤氣的釩鈦磁鐵礦豎爐還原-熔分一體化”綜合利用工藝技術(shù)。該工藝技術(shù)是釩鈦磁鐵礦綜合利用的重大技術(shù)創(chuàng)新，可大幅度提升鐵釩鈦等資源綜合利用水平，對攀枝花釩鈦磁鐵礦的科學(xué)開發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義，應(yīng)用前景廣闊。

　　目前，攀枝花正德環(huán)保新材料科技開發(fā)有限公司依托本工藝技術(shù)，正著力構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈，將形成包括焦化、釩鈦磁鐵礦還原熔分、鑄造、石灰、鈦渣、建材在內(nèi)的生態(tài)化產(chǎn)業(yè)鏈。

　　發(fā)展氣基豎爐還原-熔分一體化新工藝，可以將富余焦?fàn)t煤氣應(yīng)用、處理釩鈦磁鐵礦與生產(chǎn)耐磨鑄件、鈦白粉及石灰生產(chǎn)有機結(jié)合起來，形成生態(tài)化的循環(huán)經(jīng)濟工業(yè)體系。

　　對本工藝的工業(yè)化示范建設(shè)，攀枝花正德環(huán)保新材料科技開發(fā)有限公司為主體開發(fā)擬投資約1.20億元。建設(shè)地點位于攀枝花市西區(qū)鑄造產(chǎn)業(yè)園。

　　本工藝主要內(nèi)容和目標(biāo)

　　主要研發(fā)內(nèi)容

　　基于焦?fàn)t煤氣的釩鈦磁鐵礦豎爐還原-熔分一體化新工藝是全新的工藝，但還沒有大規(guī)模的工業(yè)實踐，相關(guān)的基礎(chǔ)試驗研究也不夠充分，所以有必要進行焦?fàn)t煤氣為還原劑的氣基豎爐還原工藝研究、熔分工藝研究等相關(guān)前期研究，為建設(shè)一條產(chǎn)能規(guī)模為5萬噸/年的工業(yè)示范線打好基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容如下：

　?。?）釩鈦磁鐵礦球團的入爐條件研究。氣基豎爐還原對于普通鐵礦而言其工藝相對較成熟，但是對于釩鈦磁鐵礦來說是不夠成熟的，特別是內(nèi)配碳球團的強度問題。氣基豎爐還原要求入爐球團的較高的機械強度特別是抗壓強度，因為豎爐內(nèi)料層有一定高度，要求下層球團須有較高的熱強度。對于釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團而言難于達到豎爐要求。

　?。?）焦?fàn)t煤氣對釩鈦磁鐵礦球團的還原試驗研究。煤氣的性質(zhì)特別是其中還原劑含量，對釩鈦磁鐵礦球團的還原效果的影響至關(guān)重要，必須先進行試驗室試驗研究。

　?。?）釩鈦磁鐵礦金屬化球團的軟化、熔化及渣鐵分離試驗研究。釩鈦磁鐵礦球團的還原效果特別是金屬化率對其的軟化、熔化、二次深還原及渣鐵分離有大的影響，也須進行試驗研究。

　?。?）含釩生鐵應(yīng)用技術(shù)路線研究。主要包括

　　1、含釩鐵水的理化成份分析研究。進行含釩鐵水的化學(xué)成分分析；

　　2、測試研究含釩生鐵鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)和物理性能。試驗研究不同含釩量的生鐵鑄態(tài)金相結(jié)構(gòu)，研究其抗拉強度、耐磨性能、硬度等；

　　3、含釩鐵水的應(yīng)用技術(shù)路線和技術(shù)途徑研究。研究釩鈦磁鐵礦焦?fàn)t煤氣豎爐還原及熔分所得含釩鐵水的應(yīng)用技術(shù)路線和技術(shù)途徑，分析并提出以含釩鐵水為原料、采用金屬液態(tài)成型工藝制備2～3種耐磨鑄件（零部件）的技術(shù)方案和產(chǎn)品方案。如制取含釩耐磨球鐵、耐磨襯板、機車或汽車剎車片或剎車鼓等。

　　4、含釩抗震鋼筋及標(biāo)準(zhǔn)研究。研究含釩鐵水制備含釩抗震鋼筋的技術(shù)路線，分析并提出以含釩鐵水為原料、采用煉鋼及壓力加工工藝制備含釩抗震鋼筋的技術(shù)方案和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)方案。

　　（5）粗鈦渣（50鈦渣）應(yīng)用技術(shù)路線研究。主要包括：

　　1、粗鈦渣（50鈦渣）的理化成份分析研究。進行粗鈦渣化學(xué)成分分析、礦相組成分析檢測，提出粗鈦渣品質(zhì)改進技術(shù)方案以及粗鈦渣企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方案建議。

　　2、粗鈦渣的應(yīng)用技術(shù)路線和技術(shù)途徑研究。依分析檢測結(jié)果，主要研究并提出粗鈦渣作為中等含鈦原料生產(chǎn)鈦制品的可能的技術(shù)路線方案、原料方案和產(chǎn)品應(yīng)用方案。調(diào)研、分析并提出以粗鈦渣為原料采用冶金及化工新工藝制備2～3種鈦制品的技術(shù)路線方案和產(chǎn)品方案。如制取新型鈦合金、鈦白、高品質(zhì)富鈦原料等。

　　工藝流程和技術(shù)要點

　　（1）工藝流程

　　圖1為基于焦?fàn)t煤氣的釩鈦磁鐵礦豎爐還原-熔分一體化綜合利用工藝流程。
 

　?。?）技術(shù)要點

　　以釩鈦磁鐵礦含碳球團為還原爐料，不需要燒結(jié)礦和焦炭，以焦?fàn)t煤氣為還原劑，在還原與熔分一體化的新型豎爐內(nèi)進行還原、渣鐵分離過程。類似于高爐，生鐵水和爐渣從豎爐下部流出。產(chǎn)品為含釩鐵水、粗鈦渣（50鈦渣）和爐頂煤氣。

　　釩鈦磁鐵礦含碳球團在豎爐上部預(yù)熱、升溫，在中部還原，在下部熔化和渣鐵分離，分別排出渣、鐵。預(yù)熱后的高溫焦?fàn)t煤氣在豎爐的中部高溫區(qū)噴入，使所含的甲烷裂解生成CO和H2，用于球團還原；向豎爐下部（熔分部分）噴入煤粉和高溫空氣，發(fā)生復(fù)雜激烈的燃燒、氣化反應(yīng)，以及金屬化球團的熔化、二次還原、渣鐵分離等反應(yīng)和變化。同時產(chǎn)生的大量高溫煤氣向上流動，對進入豎爐球團進行還原、加熱。

　　生產(chǎn)的高溫含釩鐵水直接調(diào)溫、調(diào)質(zhì)，用于生產(chǎn)耐磨鑄件，實現(xiàn)回收鐵釩資源的回收利用。

　　生產(chǎn)的粗鈦渣中二氧化鈦品位為50%左右?？捎糜谏a(chǎn)硫酸法鈦白原料等。用于硫酸法鈦白生產(chǎn)原料時，當(dāng)摻入10%左右時，在現(xiàn)有工藝條件下對鈦白質(zhì)量無影響（由實驗室試驗知：摻入50%時對鈦白質(zhì)量無影響）。

　　。此外，副產(chǎn)的豎爐煤氣用于生產(chǎn)冶金石灰、置換焦?fàn)t煤氣、預(yù)熱焦?fàn)t煤氣及助燃風(fēng)等。

　　主要技術(shù)目標(biāo)

　　建成5萬噸/年的基于焦?fàn)t煤氣的釩鈦磁鐵礦豎爐還原-熔分一體化工業(yè)示范生產(chǎn)線，并獲得適宜的工藝技術(shù)參數(shù)：

　　金屬化球團的金屬化率大于90%，鐵回收率大于95%，V2O5回收率大于90%，TiO2回收率大于80%，渣中TiO2大于48%；熔分鐵水成分為C>3.3%，V=0.35%，P≤0.06%，S≤0.03%，鐵水溫度1450℃。

　　本工藝須側(cè)重解決的幾個關(guān)鍵工藝技術(shù)

　　相對于應(yīng)用天然氣進行氣基豎爐還原釩鈦磁鐵礦，筆者認為本工藝尚存在如下幾個關(guān)鍵工藝技術(shù)問題需側(cè)重研究解決。

　　內(nèi)配碳球團在一次還原（預(yù)還原）過程中強度及其控制（原料問題）

　　入爐還原過程中，內(nèi)配碳的釩鈦鐵精礦球團強度、完整性如何保持和控制，是直接決定其加熱、還原過程的重要問題。因內(nèi)配碳球團在加熱還原過程中不可避免地會發(fā)生膨脹，導(dǎo)致其強度大幅度降低，其結(jié)果是球團破碎、粉化，直接影響料層透氣性和爐子順行。應(yīng)用釩鈦磁鐵礦磁化球團可解決此問題。

　　豎爐中部還原的CO+H2總成份如何控制，如何控制使焦?fàn)t煤氣中的CH4在爐內(nèi)自催化重整?？梢揽看藚^(qū)域新還原生成的金屬鐵作為催化劑，對CH4自催化裂解，但其CH4含量控制是難題，因為有豎爐下部焦?fàn)t煤氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生CO、H2O，造成CH4含量降低而不利于其催化裂解反應(yīng)。若CH4自催化裂解反應(yīng)不充分，則對中部的球團還原反應(yīng)不利。

　　爐內(nèi)金屬化球團在熔分-深還原過程中釩的走向及其控制

　　包括釩鈦鐵精礦內(nèi)配碳球團在豎爐中部的金屬化率控制技術(shù)、熔分-深還原過程中釩入生鐵控制技術(shù)（或釩入50鈦渣控制技術(shù)）。目標(biāo)方向是控制釩入生鐵。

　　金屬化球團在豎爐下部（熔分部分）熔分-深還原過程中生鐵與鈦渣的分離技術(shù)

　　包括球團中部還原與下部熔分深還原之間的匹配如何實現(xiàn)和控制。因為不同于熔分與還原分別進行的工藝（如轉(zhuǎn)底爐還原-電爐熔分工藝），后者相對而言易于控制。

　　還有就是如何控制生成的鈦渣對鎂質(zhì)爐襯的嚴(yán)重侵蝕?？刹扇煸僮?。當(dāng)控制渣中含鈦酸鎂小于8%時可視為不侵蝕爐襯。

　　結(jié)束語

　　在近幾年在鋼鐵釩行業(yè)經(jīng)濟低迷的大形勢影響下，雖然攀西地區(qū)的許多處理釩鈦磁鐵礦非高爐新工藝（如轉(zhuǎn)底爐還原-電爐熔分新工藝等）大都處于停頓狀態(tài)，且還有許多關(guān)鍵工藝技術(shù)需要去解決和突破，但在攀西試驗區(qū)的大力支持下，我們看到了攀枝花建設(shè)氣基豎爐處理釩鈦磁鐵礦的一線希望：建設(shè)規(guī)模為5萬噸/年的基于焦?fàn)t煤氣的釩鈦磁鐵礦豎爐還原-熔分一體化綜合利用新工藝流程。應(yīng)用不需焦炭的非高爐新工藝處理釩鈦磁鐵礦是未來的戰(zhàn)略技術(shù)發(fā)展方向。

　　因此，有理由對釩鈦磁鐵礦非高爐冶煉新工藝的未來發(fā)展增強信心和充滿信心。