釩鈦磁鐵海砂礦低溫快速選擇性還原分離試驗(yàn)研究

2021-11-03 作者：佚名網(wǎng)友評(píng)論 0 條

本文以印尼釩鈦海砂礦為試驗(yàn)原料，研究了海砂礦的工藝礦物學(xué)特征，鐵、釩、鈦有價(jià)金屬的熱力學(xué)反應(yīng)條件，煤基直接還原-磨選技術(shù)，釩鈦渣分離提取技術(shù)等。

胡兵¹，胡超³，黃柱成²，易凌云²，賀新華¹，魏進(jìn)超¹，胡佩偉³

1. 中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司 2. 中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院

3. 武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院

前言

鈦資源是重要的戰(zhàn)略資源被廣泛應(yīng)用于建筑、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，鈦金屬被譽(yù)為僅次于鐵、鋁的“第三金屬”、“未來(lái)金屬”。鈦主要以鈦磁鐵礦、鈦鐵礦、金紅石的形式存在，其中鈦磁鐵礦是一種復(fù)雜的共生礦石，含有鈦鐵礦、磁鐵礦、鐵鋁尖晶石和鎂鐵鋁尖晶石等礦物[1]。鈦磁鐵礦主要分布在澳大利亞、中國(guó)、俄羅斯、印度尼西亞、菲律賓等國(guó)家[2]。鈦磁鐵礦（TFe~55wt%）與鈦鐵礦（TFe~35wt%）相比含有更高組分的鐵氧化物，倘若采用與鈦鐵礦相同的電弧爐熔分冶煉工藝會(huì)導(dǎo)致高能耗、設(shè)備腐蝕、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。數(shù)十年間經(jīng)大量學(xué)者研究，直接還原是一種處理鈦磁鐵礦的最實(shí)用高效的工藝方法，可以實(shí)現(xiàn)短流程、低能耗、高效地冶煉鈦磁鐵礦。

眾所周知磁鐵礦的還原動(dòng)力學(xué)特性較差，還原速率比赤鐵礦慢。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)海砂礦進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)氧化處理，將鈦磁鐵礦在還原前預(yù)氧化為鈦赤鐵礦可以有效改善其還原動(dòng)力學(xué)特性。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)預(yù)氧化磁鐵礦向赤鐵礦轉(zhuǎn)化，體積增加了約25%，這種結(jié)構(gòu)的改變有效促進(jìn)了還原反應(yīng)的進(jìn)行[3]。

傳統(tǒng)預(yù)氧化實(shí)驗(yàn)研究往往采用常規(guī)電加熱方式，與電加熱的方式相比，微波加熱具有快速性、高效性、上下一致性、選擇性、無(wú)污染性、活化性等特點(diǎn)[4, 5]。微波加熱使被加熱物本身稱為發(fā)熱體，不需要熱傳導(dǎo)的過(guò)程，內(nèi)外同時(shí)加熱，因此能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到加熱效果，加熱過(guò)程在整個(gè)物體內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，溫度均勻、溫度梯度小，避免了傳統(tǒng)加熱中固相的“冷中心”，不同物料由于其自身的介電性質(zhì)不同吸波能力存在差異性[6,7]。微波可以加速反應(yīng)的進(jìn)行，降低了反應(yīng)的活化能，使得反應(yīng)溫度降低，時(shí)間縮短，可以促進(jìn)材料的致密化程度和晶體顆粒的聚集長(zhǎng)大[8]。除此之外，微波加熱設(shè)備緊湊，易于控制，具有更好的安全性[9]。

本文采用生物質(zhì)作為還原劑，微波作為加熱和強(qiáng)化手段，以期實(shí)現(xiàn)釩鈦海砂礦的低溫快速選擇性還原分離，從而獲得鐵釩鈦產(chǎn)品，為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 原料性能及研究方法
1.1 海砂礦

對(duì)海砂礦進(jìn)行XRD分析，其XRD圖譜如圖1所示。由圖1可知，海砂礦中礦物種類僅有四種，分別為鈦磁鐵礦(M)，赤鐵礦(H)，鈦鐵礦(II)和輝石(D)，其中鈦磁鐵礦為最主要的物相，其有用礦物為鈦磁鐵礦、少量的赤鐵礦和鈦鐵礦，脈石礦物為輝石。

對(duì)鈦鐵礦、鈦磁鐵礦顆粒進(jìn)行面掃描，如圖2所示，可知，鈦元素在鈦鐵礦內(nèi)部分布均勻，與鐵元素相嵌分布。內(nèi)部網(wǎng)格狀的鈦磁鐵礦的鐵元素主要分布在網(wǎng)格中，鈦元素主要分布在網(wǎng)格線上，Si均勻分布在顆粒中，與 Fe、Ca、Mg 等元素存在于輝石相中。

1.2 還原劑

生物質(zhì)主要元素分析如表1所示。由表1可知，生物質(zhì)主要由C、H、O和N四種元素構(gòu)成，其中C和O含量分別高達(dá)43.00 %和39.72 %，此外，還有極少的S含量(0.08 %)。

1.3 試驗(yàn)流程及設(shè)備

海砂礦實(shí)驗(yàn)流程包括：原料微波預(yù)氧化、煤基選擇性直接還原、磨選分離、濕法提釩、濕法提鈦。預(yù)氧化與還原焙燒階段均采用微波加熱。實(shí)驗(yàn)具體流程如圖3所示。

開(kāi)發(fā)了一套適用于本技術(shù)研究的連續(xù)性試驗(yàn)裝置（如圖4所示）。首先將粉狀物料（鐵礦粉，或者預(yù)處理后的鐵礦粉和生物質(zhì)）混合后從進(jìn)料端加入到回轉(zhuǎn)爐中，通過(guò)回轉(zhuǎn)爐外的電加熱器升溫，實(shí)現(xiàn)預(yù)還原，其次將預(yù)還原后的物料通過(guò)頂升裝置倒入微波豎爐中進(jìn)一步還原焙燒，利用微波的“非熱效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)鐵的快速還原和鐵晶粒聚集長(zhǎng)大。對(duì)焙燒后的還原物料進(jìn)行磨選分離，以及微觀結(jié)構(gòu)分析，最終在海砂礦選擇性快速還原條件下實(shí)現(xiàn)鐵與釩鈦的分離富集。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

        2.1 還原溫度的影響

     在mol(C/Fe)=1.2，還原時(shí)間為60 min的條件下，礦漿濃度為50%，磨礦時(shí)間40 min，磁場(chǎng)強(qiáng)度為800 Gs的條件下，探究還原溫度對(duì)還原產(chǎn)物分離富集的影響，如圖6所示。

      由圖6可知，隨著溫度的升高，精礦TFe品位逐漸提高，溫度由1100 ℃升高到1350 ℃時(shí)，TFe品位由75.11%提高到91.16%，精礦中Fe回收率先升高后降低，溫度由1100 ℃升高到1300 ℃，回收率由90.87%提高至95.02%，繼續(xù)升高溫度至1350 ℃，回收率由95.02%降低至93.44%；尾礦TiO2品位和回收率逐漸提高，溫度由1100 ℃升高到1350 ℃時(shí)，尾礦TiO2品位和回收率分別由14.88%和45.66%提高至26.20%和76.60%；V2O5品位和回收率也逐漸提高，溫度由1100 ℃升高到1350 ℃時(shí)，V2O5品位和回收率分別由0.79%和37.40%提高至1.06%和46.41%。

2.2 微波加熱的影響

在溫度為1300℃，mol(C/Fe)=0.6，總還原時(shí)間為90min，礦漿濃度為50%，磨礦時(shí)間為40 min，磁場(chǎng)強(qiáng)度為800 Gs的條件下進(jìn)行磨選分離，探究微波加熱時(shí)間對(duì)鐵與釩鈦分離富集的影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，隨著微波加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，精礦中的鐵的品位逐漸升高，回收率逐漸下降。微波加熱0 min時(shí)，鐵品位和鐵回收率分別為85.41%和90.70%；微波加熱30 min，鐵品位和鐵回收率分別為88.08%和85.44%。由圖11可知，隨著微波加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，TiO2和V2O5的品位變化不大，TiO2的品位穩(wěn)定在27%~28%之間，V2O5的品位穩(wěn)定在1.7%~1.8%之間。隨著微波加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，TiO2和V2O5的回收率都有所提升，微波加熱0 min時(shí)，TiO2和V2O5的回收率分別為71.57%和68.99%，微波加熱30 min時(shí)，TiO2和V2O5的回收率分別為83.76%和81.83%。

       2.3 預(yù)氧化處理

     在還原溫度=1300 ℃，mol(C/Fe)=0.6，還原時(shí)間=90 min，礦漿濃度為50%，磨礦時(shí)間為40 min，磁場(chǎng)強(qiáng)度為800 Gs的條件下，探究預(yù)氧化溫度對(duì)還原產(chǎn)物分離富集的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

    由圖8可知，隨著預(yù)氧化溫度的升高，精礦TFe品位和回收率先升高后降低，當(dāng)預(yù)氧化溫度由800℃升高到1100℃，精礦TFe品位由89.03%%提高到91.56%，回收率由93.45%提高到96.04%，繼續(xù)升高溫度至1200℃，TFe品位由91.56%降低至89.43%，回收率由96.04%降低至93.50%；尾礦TiO2品位和回收率先升高后降低，當(dāng)預(yù)氧化溫度由800 ℃升高到1100 ℃時(shí)，TiO2品位和回收率分別由30.92%和82.71%提高到32.59%和88.75%，繼續(xù)升高溫度至1200 ℃，TiO2品位和回收率分別由32.59%和88.75%降低至28.23%和84.74%；尾礦V2O5品位基本保持不變，回收率先升高后降低，當(dāng)預(yù)氧化溫度從800 ℃升高到1100 ℃時(shí)，V2O5回收率由84.23%提高87.29%，繼續(xù)升高溫度至1200 ℃，V2O5回收率分別由87.29%降低至85.38%。