攀枝花學(xué)院

　　1 序言

　　國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者在釩鈦磁鐵礦非高爐新工藝方面做了大量的研究工作，普遍認(rèn)為非高爐工藝（包括煤基直接還原新工藝、氣基豎爐還原新工藝等）是處理釩鈦磁鐵礦綜合回收鐵釩鈦的最主要有效技術(shù)途徑之一。

　　目前氣基豎爐工藝占世界直接還原鐵產(chǎn)量的90%左右，在非高爐還原工藝中占主導(dǎo)地位。氣基豎爐的工作條件與高爐上部間接還原區(qū)相似，其中球團(tuán)下降、熱交換、受熱膨脹、鐵氧化物還原、海綿鐵的析碳滲碳、脫硫等行為，均直接影響著豎爐內(nèi)的還原效果。

　　釩鈦鐵精礦球團(tuán)在豎爐還原過程中的膨脹和粉化現(xiàn)象對(duì)于豎爐順行至關(guān)重要。球團(tuán)在升溫還原過程中都要產(chǎn)生不同程度膨脹。隨著焙燒條件與球團(tuán)種類的不同，膨脹程度不同。膨脹程度包括兩部分，一是球團(tuán)本身固有的隨溫度升高而產(chǎn)生的熱膨脹，二是由于球團(tuán)中物相發(fā)生變化而產(chǎn)生的膨脹，有的是異常膨脹甚至是災(zāi)難性膨脹。異常膨脹或?yàn)?zāi)難性膨脹使還原過程不能正常進(jìn)行或不能進(jìn)行。

　　許多研究結(jié)果表明，對(duì)于釩鈦鐵精礦來說，異常膨脹過程主要發(fā)生在赤鐵礦Fe2O3還原為磁鐵礦Fe3O4這一相變過程。這是因?yàn)樵阝C鈦鐵精礦球團(tuán)中隨著鈦固溶量的提高，赤鐵礦Fe2O3的晶格參數(shù)增大，F(xiàn)e2O3的晶格畸變加劇，磁鐵礦Fe3O4微區(qū)應(yīng)變也增大所致。但當(dāng)球團(tuán)中含有不同的添加劑（如堿性球或鈉化球）時(shí)加劇其還原膨脹程度。若制止這一異常膨脹過程，必須從根本上消除Fe2O3還原為Fe3O4這個(gè)還原（相變）過程。而釩鈦鐵精礦磁化球團(tuán)可從物相結(jié)構(gòu)上消除Fe2O3，從而避免釩鈦鐵精礦球團(tuán)還原時(shí)的膨脹、粉化、粘結(jié)，同時(shí)還可提高脫硫率和球團(tuán)強(qiáng)度。

　　釩鈦磁鐵礦磁化焙燒球團(tuán)在豎爐中還原、膨脹和粉化現(xiàn)象明顯低于氧化球團(tuán)，更有利于爐料的順行。同時(shí)，釩鈦磁鐵礦磁化球團(tuán)還可用于優(yōu)化高爐爐料結(jié)構(gòu)，大幅度提高釩鈦磁鐵礦應(yīng)用比例，減少普通鐵礦用量，改善爐料結(jié)構(gòu)。

　　本文在實(shí)驗(yàn)室條件下將釩鈦鐵精礦礦粉采用圓盤造球機(jī)造球，并采用正交試驗(yàn)對(duì)該球團(tuán)進(jìn)行外通還原氣磁化實(shí)驗(yàn)研究，分析研究磁化焙燒后球團(tuán)的磁化率和脫硫率的變化。

　　2  磁化焙燒基本原理

　　2.1 磁化率的概念

　　為了表征球團(tuán)的磁化效果，引入磁化率α作為磁化指標(biāo)。設(shè)磁化球團(tuán)中含全鐵量為TFe、三價(jià)鐵量為Fe3+，鈦的含量為（TiO2），則與TiO2結(jié)合的二價(jià)鐵量Fe2+=0.7(TiO2)，與其它含鐵礦物結(jié)合的鐵量為TFe-0.7(TiO2)，則磁化率α表達(dá)式為：
 

　　Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)具有反式尖晶石晶體結(jié)構(gòu)[Fe3+(Fe2+Fe3+)O4]，其中氧離子作密堆積，形成八面體空隙和四面體空隙，F(xiàn)e2+存在于氧離子形成的四面體空隙，F(xiàn)e3+一半在八面體空隙，另一半在四面體空隙。Fe3O4中Fe3+理論含量為112/232=0.482，F(xiàn)e2+為0.241，在此值時(shí)，F(xiàn)e3O4具有較為理想的反尖晶石結(jié)構(gòu)。由于Fe2O3中Fe3+含量為112/160=0.7，因此磁化焙燒后球團(tuán)中Fe3+含量應(yīng)低于0.7；當(dāng)其中Fe3+含量為零時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镕eO，當(dāng)溫度低于1050℃時(shí)，反應(yīng)式（1）的轉(zhuǎn)化率很低：

　　K0=32，幾乎無FeO生成。因此，已有的研究中鐵精礦球團(tuán)的磁化焙燒溫度一般都在1200℃左右，能得到較為理想的磁化指標(biāo)。

　　2.2 外通還原氣磁化焙燒機(jī)理

　　磁化焙燒是一種熱化學(xué)處理弱磁性鐵礦的方法，它能使弱磁性的氧化鐵礦物轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)磁性的鐵氧化物，具體來說就是在一定溫度和氣氛下把弱磁性鐵礦物變成強(qiáng)磁性的磁鐵礦或磁性赤鐵礦的過程。

　　在還原反應(yīng)中，CO和鐵的氧化物的反應(yīng)分為三個(gè)階段進(jìn)行，即① 擴(kuò)散吸附階段：由于氣體的對(duì)流擴(kuò)散或者分子擴(kuò)散作用，還原氣體一氧化碳被鐵氧化物的表面吸附：

　?、?化學(xué)反應(yīng)階段：被吸附的還原氣體分子一氧化碳和鐵氧化物中的氧原子相互作用進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；③ 化學(xué)產(chǎn)物脫附階段：反應(yīng)生成的氣體產(chǎn)物二氧化碳脫離新生成的礦物表面，沿著相反的方向擴(kuò)散到氣相中去。

　　常用的磁化焙燒法可分為：還原焙燒、中性焙燒、氧化還原焙燒、還原氧化焙燒和氧化焙燒等。無論是哪種鐵礦石的磁化焙燒方式，其目標(biāo)產(chǎn)物均為Fe3O4。

　　磁化焙燒可在豎爐、回轉(zhuǎn)窯、沸騰爐中進(jìn)行。磁化焙燒產(chǎn)物用于豎爐或高爐冶煉，可提高礦石品位、排除有害元素，降低含硫量，利于豎爐和高爐冶煉。用于磁選工藝，具有生產(chǎn)穩(wěn)定，技術(shù)指標(biāo)高，精礦易于濃縮脫水等優(yōu)點(diǎn)。

　　釩鈦鐵精礦中鐵相主要是磁鐵礦、鈦鐵礦(FeO·TiO2)、鈦鐵晶石(2FeO·TiO2)以及少量赤鐵礦和硫鐵礦組成。磁化焙燒的主反應(yīng)為：
 

　　反應(yīng)（2）是一個(gè)氣-固相反應(yīng)，計(jì)算得到在1300～1500K溫度區(qū)間，當(dāng)溫度為1300K時(shí)，=-11046J；當(dāng)溫度為1500K時(shí)，=-10286J。按照反應(yīng)(2)所要求的磁化焙燒的CO濃度計(jì)算式：
 

　　利用式（3）計(jì)算得到：在1000~1500K溫度區(qū)間內(nèi)，氣相中CO濃度為0.002%~0.08%就可以使Fe2O3還原成Fe3O4，若反應(yīng)條件控制不當(dāng)，將會(huì)發(fā)生式（4）和（5）的反應(yīng)：


　　

　　3 磁化焙燒試驗(yàn)

　　3.1 磁化焙燒設(shè)備流程

　　圖1示出了外通還原氣球團(tuán)磁化焙燒設(shè)備流程。其中試驗(yàn)用煤氣為發(fā)生爐（管式電阻爐）產(chǎn)生的還原氣體。

　　3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　磁化焙燒過程的還原效果受到磁化焙燒溫度、焙燒時(shí)間以及焙燒氣氛等多因素影響，選用機(jī)械強(qiáng)度好的球團(tuán)做正交試驗(yàn)，依據(jù)正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)L9（34）方案進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)因素水平見表1。正交試驗(yàn)標(biāo)號(hào)及參數(shù)組合見表2。

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