引言

我國的釩鈦磁鐵礦資源十分豐富，并含有鐵、釩、鈦等多種有用元素。為了開發(fā)和利用這些資源，我國冶金工作者經過長期不懈地努力終于攻克了高爐冶煉釩鈦磁鐵礦的科技難關，將國外專家俗稱的“死礦”成功利用。目前已能較好地利用礦中的鐵與釩資源，但是由于冶煉難度大，犧牲了釩鈦磁鐵礦中的鈦資源。目前高爐渣中的TiO2含量一般只有20％左右，遠低于鈦鐵礦中的TiO2含量。從現有的工藝水平來看，在很長一段時間內，高爐渣中的TiO2將難以得到有效地利用。

國內外自20世紀開始研究釩鐵磁鐵礦的預還原＋電爐熔分方式，其中預還原的方式包括回轉窯還原法、豎爐還原法、轉底爐還原法[1-3]等等?；剞D窯還原法的優(yōu)點是預還原率較高，但產能較低，同時回轉窯易結圈，影響生產的作業(yè)率。豎爐還原法適宜天然氣資源比較豐富且價格相對低廉的地方，我國的天然氣資源匱乏，價格高，不宜直接轉換用于鐵礦的還原，雖然不少研究者提出了煤制氣以替代天然氣重整的富氫還原氣體，但是兩種氣體的成分相差甚遠，它們還原釩鈦磁鐵礦的反應速度與還原規(guī)律差別很大，并不是簡單的還原氣體替代。煤制氣的工藝決定很難得到低CO2、低H2O的高溫富氫還原氣體，必需經過降溫、分離水、CO2脫除、再重新加熱等多道工序。由于釩鐵磁鐵礦冶煉過程的利潤是較低的，額外的多道工序只能增加能耗與成本，從而使得豎爐還原法＋電爐熔分難以具有競爭力。最近轉底爐開

始用于釩鐵磁鐵礦的預還原，但是大量實踐表明轉底爐的特殊氣氛（氧化氣氛），難以得到金屬化率高的金屬化球團，這樣就使得電爐的冶煉能耗與成本增加，特別是對電爐耐火材料的侵蝕，難以使得工藝連續(xù)順行。由此可見，在我國，目前的各種預還原＋電爐熔分方式冶煉釩鐵磁鐵礦是比較困難的，還難以與高爐法競爭。

針對釩鈦磁鐵礦的特殊性能，作者在充分調研、理論分析和實驗的基礎上[3-5]，開發(fā)出一種釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉新技術。

1 釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉工藝流程

釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉新技術的工藝流程如圖1。首先將一定比例的釩鈦磁鐵礦粉與還原劑粉混合，再在高效球磨機中充分混勻，然后將樣品放入低溫還原反應器內加熱與還原，還原后的物料再在晶粒長大反應器內完成鐵粒長大，冷卻后破碎，通過磁選方式完成鈦渣與鐵粒分離。

新方法最大的優(yōu)勢是降低了反應溫度，同時還取消了后續(xù)的電爐熔煉工藝，是一種資源與能源高效利用的新方法，固定投資少、生產成本低，從而獲得更大的經濟效益。

2 釩鈦磁鐵礦低溫還原理論

釩鈦磁鐵礦中的物相以磁鐵礦為主相，以FeTiO3為輔相。其還原難度介于磁鐵礦還原與鈦鐵礦還原之間。釩鐵磁鐵礦的化學成分見表1。

 

利用各級氧化鐵的間接還原反應的平衡曲線與碳氣化反應平衡曲線的組合可以得到圖3。圖3中a點、b點分別是在FeO、Fe3O4的間接還原的平衡線與一定壓力下碳氣化反應平衡曲線交點。當壓力為0.1Mpa時，交點溫度分別約為693℃和650℃，即溫度高于693℃時，直接還原的穩(wěn)定相為Fe，溫度處于650~693℃，直接還原的穩(wěn)定相為FeO，低于650℃，直接還原的穩(wěn)定相為Fe3O4。因此，在0.1Mpa條件下，當溫度低于650℃時，Fe2O3與碳還原，只能還原到Fe3O4；溫度處于650~693℃，Fe2O3與碳還原，可以還原到FeO；當溫度高于693℃時，Fe2O3與碳還原，可以得到金屬鐵。

 

從圖3可見，壓力會改變碳的氣化反應平衡曲線，壓力低時，a,b點溫度下移，壓力高時，a,b點溫度上移。由于動力學限制，目前的直接還原鐵溫度要高達1000℃以上，因此，壓力對a,b點的影響不會影響高溫還原動力學規(guī)律。

從圖3同時可見，高溫區(qū)間，碳的氣化反應曲線遠在FeO間接還原曲線之上，這表明，當環(huán)境氣氛為氧化氣氛時，碳會對金屬鐵起到保護作用，例如，轉底爐操作時，火焰的氧化氣氛會二次氧化已還原的金屬鐵，增加碳氧比，就會起到保護金屬鐵作用，對于追求高金屬化率的轉底爐工藝，應增加含碳球團的碳氧比。若環(huán)境氣氛為還原氣氛，則可適度降低碳氧比。

在相同條件下，碳與釩鈦磁鐵礦中次要物相FeTiO3的直接還原反應的溫度要高于主物相Fe3O4的反應溫度，同時對還原氣氛的要求更高[3,5]。

通過上述熱力學研究表明，采用目前的直接還原鐵工藝，如轉底爐、回轉窯、隧道窯等，是可以還原釩鈦磁鐵礦的，但是其還原效果要低于富礦粉。隧道窯工藝從目前來看，實現不了熱送熱裝，不適宜作為礦熱電爐的預還原與預加熱工序。比較理想的是回轉窯＋電爐工藝，這種工藝已在國外實現了工業(yè)化生產，其難點是如何控制與快速處理爐窯結圈問題。轉底爐＋礦熱電爐最近開始在國內進行半工業(yè)化研究，其難點在于轉底爐產品金屬化率的控制，金屬化率過低，將會對礦熱電爐產生許多不利影響，首先過高的FeO嚴重影響爐襯，破壞電爐正常生產；其次過高的FeO還額外消耗還原劑與電能。

3釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉新技術試驗

在研制的低溫還原與晶粒長大反應器內進行了釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉新技術試驗，部分試驗設備照片見圖4。試驗步驟如1所述。試驗過程中釩鈦磁鐵礦一次裝料量為200kg。使用的釩鐵磁鐵礦化學成分見表1，還原劑使用普通焦粉，每次試驗時間為1.5h。通過低溫還原與晶粒長大方法，得到了鐵粒與含鈦爐渣。鐵粒的照片見圖5，鐵粒與含鈦爐渣的化學成分見表2與3?？梢姡ㄟ^釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉與晶粒長大新技術，可以成功得到鐵粒與含鈦量高的爐渣。

 

4 釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉新技術的特點

1）能耗低

釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉與晶粒長大新技術工藝的最主要特點是降低冶煉能耗：由于冶煉溫度低(~1100℃)，釩鈦磁鐵礦中的鐵經過還原晶粒長大變成粒鐵，而渣未被熔化，從而節(jié)省了大量的物理熱。同時由于低的冶煉溫度，使得化學反應較單一（鐵的還原），而TiO2的還原等副反應（如TiO2→Ti3O5→Ti2O3）難以發(fā)生，因此化學反應耗熱少；再次低溫條件下，尾氣帶走的熱量也很少。因此釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉與晶粒長大新技術能耗低。

2）冶煉方法靈活

釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉與晶粒長大新技術除了可以用電加熱外，還可采用煤或氣作為熱源。還原劑的選擇可根據釩鈦磁鐵礦的成分而定。

3）環(huán)境友好

釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉與晶粒長大新技術可用煤作為還原劑，而不需要焦炭或石油焦作為還原劑，避免了冶煉焦炭或石油焦過程的環(huán)境污染。低溫下NOx、SOx等有害氣體難以形成，因此排放量遠低于其他熔煉法的排放量。低溫下，冷卻水的用量也要明顯少于其他熔煉法的用量。

5結論

針對釩鈦磁鐵礦的特殊性能，作者開發(fā)了釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉與晶粒長大新技術。新技術最大的優(yōu)勢是降低了反應溫度，同時取消了后續(xù)的電爐熔煉工藝，是一種資源與能源高效利用的新方法。新技術具有能耗低、冶煉方法靈活、環(huán)境友好、固定投資少、生產成本低等特點，從而獲得更大的經濟效益。該技術具有極大的市場價值和良好的發(fā)展前景。