攀枝花釩鈦磁鐵礦煤基直接還原主要工藝簡介
Brief Introduction on the Coal-based DR Process of Panzhihua Vanadic Titanomagnetite
楊紹利1，吳恩輝1，馬蘭2，侯靜1，黃平1，李俊翰1
1-攀枝花學(xué)院四川省釩鈦材料工程技術(shù)研究中心，2-攀枝花學(xué)院材料工程學(xué)院
摘要：介紹了攀枝花釩鈦磁鐵礦轉(zhuǎn)底爐、車底爐和隧道窯等幾種煤基直接還原新工藝的特點、研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦煤基直接還原新工藝的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：釩鈦磁鐵礦，煤基直接還原，轉(zhuǎn)底爐，車底爐，隧道窯
1、攀枝花釩鈦磁鐵礦的資源特點及利用現(xiàn)狀.
我國是釩鈦資源大國，釩鈦資源主要分布在釩鈦磁鐵礦中。釩鈦磁鐵礦又集中分布在四川攀西與河北承德地區(qū)。四川攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦資源儲量居全國第一位，其中釩、鈦資源儲量分別占世界總儲量的21%和37%；河北省承德地區(qū)儲量居全國第二。
攀西地區(qū)地處“攀-西大裂谷”，釩鈦磁鐵礦馳名中外：釩鈦磁鐵礦的成礦帶共有四大礦床，它是以紅格礦為中心，南有攀枝花礦，北有白馬礦和太和礦，形成了一個特大成礦帶，該成礦帶南北長約
攀枝花釩鈦磁鐵礦中鐵鈦緊密共生，其中釩以類質(zhì)同象賦存在鈦磁鐵礦礦中，是世界上最復(fù)雜的釩鈦磁鐵礦，其主要化學(xué)成分見表1。
表1 原礦的化學(xué)成分
經(jīng)過廣大科技工作者幾十年的技術(shù)攻關(guān)和艱辛努力，解決了攀枝花釩鈦磁鐵礦選礦、高爐冶煉等多項技術(shù)難題，逐漸形成了以高爐-轉(zhuǎn)爐流程為主的綜合回收其中鐵、釩和鈦的技術(shù)路線，實現(xiàn)了鐵、釩和鈦元素的大規(guī)?；?，形成了鐵釩鈦系列產(chǎn)品的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)能力。以攀鋼為代表的國有大型企業(yè)成功開發(fā)出的利用釩鈦磁鐵礦高爐—轉(zhuǎn)爐流程，主要生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品和釩產(chǎn)品，生產(chǎn)出了大量鋼材和釩產(chǎn)品，為國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。從上世紀(jì)七十年代初攀鋼高爐投產(chǎn)到現(xiàn)在，高鈦型高爐渣每年產(chǎn)生量300多萬噸，目前已經(jīng)堆積了上億噸。既造成了鈦資源的嚴(yán)重浪費，又形成了巨大的環(huán)境壓力，嚴(yán)重影響長江中上游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。
高爐-轉(zhuǎn)爐流程處理釩鈦磁鐵礦的主要優(yōu)點是生產(chǎn)效率較高、規(guī)模大；最大的缺點一是“為取鐵釩而丟掉了鈦”，附產(chǎn)大量高鈦型高爐渣（含TiO2為22%～25%），造成鈦資源的大量流失，同時對環(huán)境造成污染和大的環(huán)保壓力；二是工藝流程較長、生產(chǎn)成本較高，同時，還必需寶貴的焦炭作原料，限制了高爐流程的可持續(xù)發(fā)展。雖經(jīng)多年研究和攻關(guān)，但對這種高鈦型高爐渣仍沒有找到較好的提鈦利用途徑，其中寶貴的鈦資源未得到回收利用。
為了促進(jìn)攀-西地區(qū)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，充分發(fā)揮攀枝花的釩鈦資源優(yōu)勢，但隨著釩鈦磁鐵礦綜合利用的不斷深入、技術(shù)進(jìn)步以及環(huán)保要求的日益提高，需要不斷提高其綜合利用程度，迫切需要開發(fā)處理釩鈦磁鐵礦新的工藝流程。本文既對攀枝花地區(qū)幾種處理釩鈦磁鐵礦非高爐新工藝及其研發(fā)情況作簡單介紹。
2、攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦煤基直接還原主要工藝
2.1 轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原-電爐熔分工藝
“轉(zhuǎn)底爐短流程”煉鐵新技術(shù)是目前國家提倡的第三代煉鐵新技術(shù)，特別適合于處理釩鈦磁鐵礦回收鈦釩鐵資源，其中轉(zhuǎn)底爐煉鐵新流程就是其中的典型代表，工藝流程見圖1。
該新流程具有如下優(yōu)點：
（1）可全部回收鐵精礦中鈦資源。經(jīng)轉(zhuǎn)底爐還原后的金屬化球團(tuán)經(jīng)過電弧爐熔化分離后，可得到含量為50%以上的熔分鈦渣（高于鈦精礦的二氧化鈦品位）和含釩生鐵，實現(xiàn)鐵釩與鈦的分離。熔分鈦渣可用于硫酸法鈦白生產(chǎn)原料，實現(xiàn)了鐵精礦中鈦資源回收利用的目的。這是轉(zhuǎn)底爐新流程的最大優(yōu)點。
（2）以煤代焦，可以省去高爐流程的煉焦與燒結(jié)工序，不但縮短工藝流程，而且減少環(huán)境污染。
（3）由于還原溫度高、還原時間短（入爐到出爐20～30分鐘），還原的金屬化率高，生產(chǎn)效率高，可以很容易地開爐、停爐和調(diào)整產(chǎn)量。而高爐冶煉周期為（5～8）小時，回轉(zhuǎn)窯等其他直接還原工藝為（5～6）小時。所以建設(shè)投資省，是高爐流程的50%，回轉(zhuǎn)窯流程的30%～50%，較經(jīng)濟(jì)的規(guī)模為（20～50）萬噸/年•爐。
圖1 釩鈦磁鐵礦轉(zhuǎn)底爐煉鐵新流程
（4）轉(zhuǎn)底爐還原過程中由于爐底轉(zhuǎn)動而爐料不動，可解決回轉(zhuǎn)窯或豎爐還原時爐料粘接、結(jié)圈等問題。還原后可以將鐵釩與鈦分離，有益元素得到充分回收利用。主要是由于這個問題未解決，上世紀(jì)方毅同志在世時領(lǐng)導(dǎo)的釩鈦磁鐵礦綜合利用新工藝流程未能實現(xiàn)工業(yè)化。
（5）還原尾氣可集中回收，經(jīng)處理后再利用，對環(huán)境影響小。至少比高爐少排放20%的CO2、97%的NOx和90%的SO2。
自2004年以來，攀枝花學(xué)院與四川龍蟒礦冶公司的科研人員就開始進(jìn)行該工藝的實驗室及中試試驗研究工作，雙方成立了“釩鈦礦綜合利用聯(lián)合實驗室”（設(shè)在攀枝花學(xué)院），組建了課題組，建成了“鐵礦粉壓力成型-轉(zhuǎn)底爐-電弧爐熔分中間試驗裝置”，進(jìn)行了大量試驗研究，獲得了大量有效數(shù)據(jù)。經(jīng)過4年多大量艱苦努力，獲得了重大技術(shù)突破，獲得了高水平研究成果，為產(chǎn)業(yè)化提供打下了堅實基礎(chǔ)。先后申報并獲得了多項國家發(fā)明專利和實用新型專利，實驗室研究成果、中間實驗研究成果及工業(yè)試驗研究成果，分別通過了攀枝花市科技局、四川省科技廳組織的專家組鑒定，其技術(shù)成果分別處于國際先進(jìn)水平和國際領(lǐng)先水平。并分別獲得了攀枝花市級釩鈦資源開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新項目獎之實驗成果獎一等獎、中間試驗成果獎一等獎。
自2006年起，該研究成果即由四川龍蟒集團(tuán)攀枝花礦冶公司在攀枝花進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，至2007年年底，在攀枝花釩鈦產(chǎn)業(yè)園區(qū)（安寧工業(yè)區(qū)）建成了規(guī)模為7萬t／a的工業(yè)示范裝置(一期工程 )，現(xiàn)正在進(jìn)行二期工程建設(shè)，規(guī)模為200萬t/a，屆時將獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
研究結(jié)果表明：
（1）釩鈦鐵精礦內(nèi)配碳球團(tuán)煤基直接還原制備金屬化球團(tuán)DRI的金屬化率在（15～20）分鐘內(nèi)達(dá)90%以上；
（2）DRI直接熱裝進(jìn)入電爐進(jìn)行熔化分離，通過控制電弧爐冶煉工藝，所得含釩生鐵、熔分鈦渣實現(xiàn)良好分離，得到的熔分鈦渣和生鐵全部被下一道工序利用。
（3）控制釩的走向，釩進(jìn)鐵率可達(dá)80%以上，可獲得含TiO2在50%左右的熔分鈦渣（簡稱“50鈦渣”），該鈦渣可作為硫酸法鈦白原料。
2005年初，攀鋼正式啟動了釩鈦磁鐵礦非高爐冶煉技術(shù)研究項目，組成了以攀鋼研究院為主體的課題組，一直為攀鋼重點科研項目，并成功申報為國家“十一五”科技支撐項目。從2008年至今，攀鋼也建成了10萬噸/年的轉(zhuǎn)底爐-熔分電爐處理釩鈦礦資源綜合利用新工藝中試生產(chǎn)線。2010年初，所有設(shè)備安裝完畢。
為實現(xiàn)全流程試車目標(biāo)，攀鋼研究院、攀鋼釩公司、攀冶公司、監(jiān)理及相關(guān)專業(yè)設(shè)備廠家密切合作，進(jìn)行了有效整改，并為下一步設(shè)備、工藝及操作的改進(jìn)和優(yōu)化創(chuàng)造了條件。
2.2 車底爐還原工藝
車底爐還原工藝是最近幾年發(fā)展起來的一種生產(chǎn)直接還原鐵的新工藝，特別適合處理多金屬共生礦、低品位鐵礦、金屬廢渣等原料，對礦石具有良好的適應(yīng)性，投資低，效益好。
車底爐的主體結(jié)構(gòu)類似隧道窯，但是其沒有罐車，內(nèi)配碳球團(tuán)直接布料在小車上，所以也可稱為“不裝罐的隧道窯”，其主要特點是還原時間短、球團(tuán)金屬化率高、生產(chǎn)連續(xù)、開停爐方便、處理和維修窯車方便、投資較少。其主要缺點和不足是生產(chǎn)規(guī)模相對高爐流程小。車底爐新工藝工藝流程如圖2所示。
該工藝流程具有如下優(yōu)點：
①可全部回收鐵精礦中鈦資源。經(jīng)車底爐還原后的金屬化球團(tuán)經(jīng)過電弧爐熔化(或磁選)分離后，可得到含量為50%以上的熔分鈦渣（高于鈦精礦的二氧化鈦品位）和含釩生鐵（微合金化鐵粉），實現(xiàn)鐵釩與鈦的分離。熔分鈦渣可用于硫酸法鈦白生產(chǎn)原料，實現(xiàn)了鐵精礦中鈦資源回收利用的目的。這是本工藝流程的最大優(yōu)點。
圖2 車底爐新工藝流程
②以煤代焦，可以省去高爐流程的煉焦與燒結(jié)工序，不但縮短工藝流程，而且減少環(huán)境污染。
③由于還原溫度高、還原時間短（入爐到出爐20～30分鐘），還原的金屬化率高，生產(chǎn)效率高，可以很容易地開爐、停爐和調(diào)整產(chǎn)量。而高爐冶煉周期為（5～8）小時，回轉(zhuǎn)窯等其他直接還原工藝為（5～6）小時。所以建設(shè)投資省，是高爐流程的50%，回轉(zhuǎn)窯流程的30%～50%，較經(jīng)濟(jì)的規(guī)模為（10～15）萬噸/年•窯。
④車底爐還原過程中由于爐車移動而爐料不動，可解決回轉(zhuǎn)窯或豎爐還原時爐料粘接、結(jié)圈等問題。還原后可以將鐵釩與鈦分離，有益元素得到充分回收利用。
⑤還原尾氣可集中回收，經(jīng)處理后再利用，對環(huán)境影響小。至少比高爐少排放20%的CO2、97%的NOx和90%的SO2。
⑥車底爐還原工藝還可以處理其它多種氧化礦物，如提釩尾渣、低品位紅土鎳礦、硫酸渣、稀土礦等，應(yīng)用前景廣闊。
根據(jù)攀枝花市發(fā)展需要，到2013年緬甸天然氣將進(jìn)入攀枝花，如何在釩鈦磁鐵礦綜合利用中利用好天然氣這一清潔能源，是一個非常有意義的課題。因此研究車底爐應(yīng)用天然氣還原釩鈦磁鐵礦新工藝，不但可以提高釩鈦磁鐵礦中鐵釩鈦的回收率，而且利用天然氣這一清潔能源，可以工業(yè)發(fā)展對環(huán)境的壓力，實現(xiàn)釩鈦磁鐵礦冶煉過程綠色清潔。
自2008年以來，攀枝花學(xué)院/四川省釩鈦材料工程技術(shù)研究中心對車底爐還原新工藝進(jìn)行了中試試驗研究，獲得了較好的研究效果。中試實驗研究主要以天然氣、釩鈦鐵精礦、煤粉、粘結(jié)劑作為原料。球團(tuán)的制備工藝流程包括配料、混勻、壓球等工序?；炝显陔p螺旋混料機(jī)上進(jìn)行，將配好的料混合～5分鐘?；旌铣浞值幕旌狭显趬毫Τ尚蜋C(jī)（可制壓力）上壓制成球(生球)；生球在空氣中自然干燥或直接進(jìn)入車底爐進(jìn)行還原。爐內(nèi)溫度控制在1200～1400℃，還原時間控制在30～40分鐘，爐內(nèi)氣氛控制在弱還原氣氛。主要研究結(jié)果如下：
(1)在
(2)還原后的高溫金屬化球團(tuán)冷裝入試驗電弧爐，進(jìn)行二次熔煉分離，含釩生鐵與熔分鈦渣分離良好，得到熔分鈦渣和含釩鉻生鐵樣品，實現(xiàn)了鐵釩鈦的分離。
2.3 隧道窯煤基直接還原釩鈦磁鐵礦實驗研究及應(yīng)用情況
隧道窯直接還原工藝因其投資少、工藝流程簡單、易于上馬等特點、受到一些小型民營企業(yè)的青睞。
攀枝花攀陽釩鈦工貿(mào)有限公司通過四年產(chǎn)業(yè)化中試，于2009年建成了一條年產(chǎn)能2萬t的遂道窯煤基直接還原處理釩鈦磁鐵礦工業(yè)生產(chǎn)線，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。該工藝流程采用釩鈦鐵精礦粉與還原劑混合壓塊、裝罐，罐放在窯車上直接進(jìn)入隧道窯進(jìn)行還原，制備成金屬化物料，金屬化物料再進(jìn)行電爐熔分，實現(xiàn)釩、鈦分離，產(chǎn)品為生鐵和鈦渣。
攀枝花尚億科技有限責(zé)任公司采用隧道窯煤基直接還原工藝，處理鈦精礦，生產(chǎn)規(guī)模為7萬噸富鈦料和2萬噸微合金鐵粉。已建成工業(yè)生產(chǎn)線。經(jīng)過近一年半的建設(shè)和努力，第一批還原物料于
隧道窯煤基直接還原工藝是利用攀枝花豐富的釩鈦資源優(yōu)勢、制取富鈦料和含釩生鐵（微合金鐵粉）的又一種新工藝。該項目新工藝的產(chǎn)業(yè)化，開創(chuàng)了國內(nèi)利用隧道窯直接還原鈦精礦制取富鈦料和含釩生鐵（微合金鐵粉）的先河，是攀枝花釩鈦磁鐵礦綜合利用的又一較好選擇。
3. 其它煤基直接還原新工藝
（1）攀枝花攀陽釩鈦工貿(mào)有限公司在嘗試采用多管式豎爐煤基直接還原處理釩鈦磁鐵礦的工業(yè)試驗研究。
（2）攀枝花立宇礦業(yè)公司在嘗試進(jìn)行環(huán)形隧道窯煤基直接還原處理釩鈦磁鐵礦的工業(yè)試驗研究。
（3）2007～2008年，攀枝花西區(qū)民福粉末冶金廠曾研究過導(dǎo)焰窯釩鈦磁鐵礦煤基直接還原工藝，因生產(chǎn)效率太低及環(huán)境污染等問題，已于2009年停產(chǎn)。
（4）2007～2009年，上市企業(yè)攀枝花恒鼎實業(yè)公司曾研究過釩鈦磁鐵礦豎爐（斜坡爐）煤基直接還原-電爐熔分新工藝，采用豎爐（斜坡爐）技術(shù)進(jìn)行了3年左右規(guī)模為5萬t/a的工業(yè)化試驗，但因某關(guān)鍵技術(shù)問題無法解決、產(chǎn)業(yè)化問題及原料問題等原因，已于2010年終止。
4. 結(jié)語與展望
4.1高爐流程處理攀枝花釩鈦磁鐵礦，已有四十多年歷史，其工藝技術(shù)較成熟，生產(chǎn)效率高、規(guī)模大，是今后相當(dāng)長時期內(nèi)處理釩鈦磁鐵礦主流程的地位不會改變。但它存在一些工藝自身無法克服的缺陷，如必須使用焦炭作為還原劑、流程長、投資大以及附產(chǎn)的高鈦型高爐渣帶走大量鈦資源很難回收等。所以，發(fā)展非高爐處理釩鈦磁鐵礦新工藝特別是近幾年來大力發(fā)展的煤基直接還原新工藝，是對高爐流程的重要補(bǔ)充和完善，是實現(xiàn)釩鈦磁鐵礦礦綜合利用所必需的。
4.2釩鈦磁鐵礦轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原-電爐熔化分離新工藝在攀枝花取得了成功，已經(jīng)取得了可喜的研究成果，并正在進(jìn)行大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)。但并非是唯一的處理釩鈦磁鐵礦非高爐流程。釩鈦磁鐵礦車底爐煤基直接還原-電爐熔煉新工藝以及隧道窯煤基直接還原-電爐熔煉新工藝，也應(yīng)該是非高爐處理釩鈦磁鐵礦的可供選擇的新工藝流程。
4.3 無論是轉(zhuǎn)底爐流程、車底爐流程，還是隧道窯煤基直接還原新流程，都有各自優(yōu)點和缺點，無論從資源戰(zhàn)略、環(huán)保要求，還是經(jīng)濟(jì)效益考慮，都是大有可為的，應(yīng)用前景廣闊，對提高釩鈦磁鐵礦綜合利用水平具有重要意義。
相信在不遠(yuǎn)的將來，非高爐流程處理釩鈦磁鐵礦的多種新工藝將競相爭艷，形成多足鼎立的格局，并都將取得更大的成功和突破，釩鈦磁鐵礦綜合利用的局面將發(fā)生深刻的變化。
