中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司資源應(yīng)用與合金材料事業(yè)部
引言
我國(guó)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(kāi)發(fā)和利用這些資源，我國(guó)冶金工作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(guān)，將國(guó)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(yuǎn)低于鈦鐵礦中的TiO2含量。從現(xiàn)有的工藝水平來(lái)看，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，高爐渣中的TiO2將難以得到有效地利用。
國(guó)內(nèi)外自20世紀(jì)開(kāi)始研究釩鐵磁鐵礦的預(yù)還原＋電爐熔分方式，其中預(yù)還原的方式包括回轉(zhuǎn)窯還原法、豎爐還原法、轉(zhuǎn)底爐還原法[1-3]等等?；剞D(zhuǎn)窯還原法的優(yōu)點(diǎn)是預(yù)還原率較高，但產(chǎn)能較低，同時(shí)回轉(zhuǎn)窯易結(jié)圈，影響生產(chǎn)的作業(yè)率。豎爐還原法適宜天然氣資源比較豐富且價(jià)格相對(duì)低廉的地方，我國(guó)的天然氣資源匱乏，價(jià)格高，不宜直接轉(zhuǎn)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(yuǎn)，它們還原釩鈦磁鐵礦的反應(yīng)速度與還原規(guī)律差別很大，并不是簡(jiǎn)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(jīng)過(guò)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(guò)程的利潤(rùn)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(jìng)爭(zhēng)力。最近轉(zhuǎn)底爐開(kāi)
始用于釩鐵磁鐵礦的預(yù)還原，但是大量實(shí)踐表明轉(zhuǎn)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(tuán)，這樣就使得電爐的冶煉能耗與成本增加，特別是對(duì)電爐耐火材料的侵蝕，難以使得工藝連續(xù)順行。由此可見(jiàn)，在我國(guó)，目前的各種預(yù)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(jìng)爭(zhēng)。
針對(duì)釩鈦磁鐵礦的特殊性能，作者在充分調(diào)研、理論分析和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[3-5]，開(kāi)發(fā)出一種釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉新技術(shù)。
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(shù)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(jī)中充分混勻，然后將樣品放入低溫還原反應(yīng)器內(nèi)加熱與還原，還原后的物料再在晶粒長(zhǎng)大反應(yīng)器內(nèi)完成鐵粒長(zhǎng)大，冷卻后破碎，通過(guò)磁選方式完成鈦渣與鐵粒分離。
新方法最大的優(yōu)勢(shì)是降低了反應(yīng)溫度，同時(shí)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(chǎn)成本低，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)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(xué)成分見(jiàn)表1。
利用各級(jí)氧化鐵的間接還原反應(yīng)的平衡曲線與碳?xì)饣磻?yīng)平衡曲線的組合可以得到圖3。圖3中a點(diǎn)、b點(diǎn)分別是在FeO、Fe3O4的間接還原的平衡線與一定壓力下碳?xì)饣磻?yīng)平衡曲線交點(diǎn)。當(dāng)壓力為0.1Mpa時(shí)，交點(diǎn)溫度分別約為693℃和650℃，即溫度高于693℃時(shí)，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(dāng)溫度低于650℃時(shí)，F(xiàn)e2O3與碳還原，只能還原到Fe3O4；溫度處于650~693℃，F(xiàn)e2O3與碳還原，可以還原到FeO；當(dāng)溫度高于693℃時(shí)，F(xiàn)e2O3與碳還原，可以得到金屬鐵。
從圖3可見(jiàn)，壓力會(huì)改變碳的氣化反應(yīng)平衡曲線，壓力低時(shí)，a,b點(diǎn)溫度下移，壓力高時(shí)，a,b點(diǎn)溫度上移。由于動(dòng)力學(xué)限制，目前的直接還原鐵溫度要高達(dá)1000℃以上，因此，壓力對(duì)a,b點(diǎn)的影響不會(huì)影響高溫還原動(dòng)力學(xué)規(guī)律。
從圖3同時(shí)可見(jiàn)，高溫區(qū)間，碳的氣化反應(yīng)曲線遠(yuǎn)在FeO間接還原曲線之上，這表明，當(dāng)環(huán)境氣氛為氧化氣氛時(shí)，碳會(huì)對(duì)金屬鐵起到保護(hù)作用，例如，轉(zhuǎn)底爐操作時(shí)，火焰的氧化氣氛會(huì)二次氧化已還原的金屬鐵，增加碳氧比，就會(huì)起到保護(hù)金屬鐵作用，對(duì)于追求高金屬化率的轉(zhuǎn)底爐工藝，應(yīng)增加含碳球團(tuán)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(yīng)的溫度要高于主物相Fe3O4的反應(yīng)溫度，同時(shí)對(duì)還原氣氛的要求更高[3,5]。
通過(guò)上述熱力學(xué)研究表明，采用目前的直接還原鐵工藝，如轉(zhuǎn)底爐、回轉(zhuǎn)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(lái)看，實(shí)現(xiàn)不了熱送熱裝，不適宜作為礦熱電爐的預(yù)還原與預(yù)加熱工序。比較理想的是回轉(zhuǎn)窯＋電爐工藝，這種工藝已在國(guó)外實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，其難點(diǎn)是如何控制與快速處理爐窯結(jié)圈問(wèn)題。轉(zhuǎn)底爐＋礦熱電爐最近開(kāi)始在國(guó)內(nèi)進(jìn)行半工業(yè)化研究，其難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)品金屬化率的控制，金屬化率過(guò)低，將會(huì)對(duì)礦熱電爐產(chǎn)生許多不利影響，首先過(guò)高的FeO嚴(yán)重影響爐襯，破壞電爐正常生產(chǎn)；其次過(guò)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(shù)試驗(yàn)
在研制的低溫還原與晶粒長(zhǎng)大反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行了釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉新技術(shù)試驗(yàn)，部分試驗(yàn)設(shè)備照片見(jiàn)圖4。試驗(yàn)步驟如1所述。試驗(yàn)過(guò)程中釩鈦磁鐵礦一次裝料量為200kg。使用的釩鐵磁鐵礦化學(xué)成分見(jiàn)表1，還原劑使用普通焦粉，每次試驗(yàn)時(shí)間為1.5h。通過(guò)低溫還原與晶粒長(zhǎng)大方法，得到了鐵粒與含鈦爐渣。鐵粒的照片見(jiàn)圖5，鐵粒與含鈦爐渣的化學(xué)成分見(jiàn)表2與3?？梢?jiàn)，通過(guò)釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉與晶粒長(zhǎng)大新技術(shù)，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(shù)的特點(diǎn)
1）能耗低
釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉與晶粒長(zhǎng)大新技術(shù)工藝的最主要特點(diǎn)是降低冶煉能耗：由于冶煉溫度低(~1100℃)，釩鈦磁鐵礦中的鐵經(jīng)過(guò)還原晶粒長(zhǎng)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(shí)由于低的冶煉溫度，使得化學(xué)反應(yīng)較單一（鐵的還原），而TiO2的還原等副反應(yīng)（如TiO2→Ti3O5→Ti2O3）難以發(fā)生，因此化學(xué)反應(yīng)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(zhǎng)大新技術(shù)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(zhǎng)大新技術(shù)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(jù)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(zhǎng)大新技術(shù)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(guò)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(yuǎn)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(jié)論
針對(duì)釩鈦磁鐵礦的特殊性能，作者開(kāi)發(fā)了釩鈦磁鐵礦低溫還原冶煉與晶粒長(zhǎng)大新技術(shù)。新技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是降低了反應(yīng)溫度，同時(shí)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(shù)具有能耗低、冶煉方法靈活、環(huán)境友好、固定投資少、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)具有極大的市場(chǎng)價(jià)值和良好的發(fā)展前景。
