吳恩輝1,2，李軍1,2，徐眾1,2，侯靜1,2，黃平1,2(1. 攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院， 四川 攀枝花 617000；2. 釩鈦資源綜合利用四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 攀枝花 617000)
高鉻型釩鈦鐵精礦煤基直接還原-電爐熔分新工藝是實(shí)現(xiàn)鐵、釩、鈦和鉻元素綜合利用最有前景的非高爐冶煉工藝之一，而金屬化球團(tuán)的物化性能與后續(xù)電爐熔分工藝能否順行密切相關(guān)。采用煤基直接還原工藝，研究了還原溫度、還原時(shí)間、煤礦質(zhì)量比和二元堿度對(duì)高鉻型釩鈦鐵精礦金屬化球團(tuán)的物相組成、金屬化率、殘?zhí)剂俊㈦娮杪屎涂箟簭?qiáng)度等物化性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，提高還原溫度和延長(zhǎng)還原時(shí)間均有利于磁鐵礦和鈦鐵礦分別被還原為金屬鐵和黑鈦石，而較高的煤礦質(zhì)量比和二元堿度對(duì)還原過(guò)程不利；金屬化球團(tuán)電阻率的大小依賴于金屬化球團(tuán)的物相組成、不同物相組成的含量及各個(gè)物相之間的結(jié)合形式；金屬化球團(tuán)的金屬化率與電阻率呈現(xiàn)較為明顯的負(fù)相關(guān)，但是隨著金屬化率的提高，負(fù)相關(guān)的程度有所降低；在金屬化率大于90%時(shí)，電阻率均小于0.5 Ω/cm；金屬鐵的生成量和金屬鐵晶粒之間的連接作用是影響金屬化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，提高還原溫度和延長(zhǎng)還原時(shí)間有助于金屬化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的提高，而隨著煤礦質(zhì)量比和二元堿度的提高，金屬化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度降低。在還原溫度為1 300 ℃、還原時(shí)間為35 min、煤礦質(zhì)量比為25∶100、二元堿度為0.13的條件下，金屬化球團(tuán)的金屬化率、殘?zhí)剂俊㈦娮杪屎涂箟簭?qiáng)度分別為92.58%、5.39%、0.3 Ω/cm和81.74 N/球。
鈦磁鐵礦； 煤基直接還原； 金屬化球團(tuán)； 電阻率； 抗壓強(qiáng)度釩鈦磁鐵礦是一種多金屬?gòu)?fù)合鐵礦，中國(guó)、南非、俄羅斯和新西蘭等國(guó)家儲(chǔ)量豐富，是鐵、釩和鈦的重要來(lái)源礦物。分布在中國(guó)攀西地區(qū)的紅格釩鈦磁鐵礦的儲(chǔ)量約為36億t，除了鐵、釩和鈦3種元素含量較高外，鉻元素含量也較為豐富，鉻資源儲(chǔ)量約為900萬(wàn)t，是中國(guó)最大的潛在鉻資源來(lái)源礦物。因此，研究高鉻型釩鈦磁鐵礦中鐵、釩、鈦和鉻的綜合利用技術(shù)具有重要意義。攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦經(jīng)過(guò)采選可得釩鈦鐵精礦和鈦精礦兩種主要選礦產(chǎn)品，鈦精礦作為生產(chǎn)鈦白粉的原料，而釩鈦鐵精礦則作為高爐煉鐵和提釩原料；高鉻型釩鈦磁鐵礦的采選工藝與普通釩鈦磁鐵礦類似，鉻元素在采選過(guò)程中與釩一起進(jìn)入釩鈦鐵精礦中。目前，釩鈦鐵精礦主要通過(guò)高爐冶煉工藝進(jìn)行處理，存在的最主要的問(wèn)題是其所產(chǎn)生的高鈦型高爐渣難以經(jīng)濟(jì)地提取其中的鈦資源，造成攀西地區(qū)鈦資源的綜合利用率一直處于較低水平。為了實(shí)現(xiàn)釩鈦鐵精礦中鐵、釩和鈦的綜合利用，直接還原-電爐熔分新工藝受到國(guó)內(nèi)外的極大關(guān)注。對(duì)于鉻含量不高的釩鈦鐵精礦直接還原工藝，文獻(xiàn)通過(guò)綜合熱分析、熱力學(xué)計(jì)算和物相分析，系統(tǒng)研究了在等溫和非等溫條件下釩鈦鐵精礦的煤基直接還原的反應(yīng)歷程，揭示了其難還原的原因；SHE X F等在CO-Ar氣氛中分析了釩鈦鐵精礦的還原機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)攀枝花鈦磁鐵礦比新西蘭鈦磁鐵礦砂礦更難還原。為了降低直接還原難度，主要采取預(yù)氧化、添加添加劑兩種主要強(qiáng)化還原措施，例如，文獻(xiàn)研究了Na2CO3和CaF2對(duì)釩鈦鐵精礦還原性能的影響；ZHANG Jian-liang等研究發(fā)現(xiàn)，添加CaF2和NaF的含碳球團(tuán)與不加添加劑相比活化能分別降低14.95 kJ/mol和15.79 kJ/mol；Park E等研究了釩鈦磁鐵精礦在等溫預(yù)氧化條件下的物相組成及其轉(zhuǎn)變情況，研究認(rèn)為在預(yù)氧化過(guò)程破壞了釩鈦磁鐵精礦的結(jié)構(gòu)，球團(tuán)內(nèi)部形成了大量孔隙，改善了還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件。對(duì)于高鉻型釩鈦鐵精礦直接還原工藝，LI Wei和TANG Jue等分別在H2-CO和H2-CO-CO2的氣氛下研究了高鉻型釩鈦鐵精礦的還原行為。LI Wei等以模擬豎爐氣體為還原劑，研究了二氧化鈦含量與球團(tuán)還原膨脹程度的相互關(guān)系，認(rèn)為氧化球團(tuán)孔隙率的提高會(huì)加劇其在氫氣還原過(guò)程的膨脹程度。TANG Wei-dong等的研究結(jié)果表明，隨著Cr2O3和B2O3添加量的增加，高鉻型釩鈦鐵精礦氧化球團(tuán)在焦?fàn)t煤氣的還原過(guò)程中的膨脹程度均降低；LI Feng等在H2-CO-CO2的氣氛下探討了高鉻型釩鈦鐵精礦的還原膨脹行為。此外，F(xiàn)ENG Cong和TANG Jue等以氣基直接還原所得的高鉻型釩鈦鐵精礦金屬化球團(tuán)為原料，研究了冶煉工藝參數(shù)對(duì)金屬化球團(tuán)渣鐵分離的影響。ZHOU Mi等分析了高鉻型釩鈦鐵精礦煤基直接還原過(guò)程的熱力學(xué)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；YANG Song-tao等研究了水冷處理對(duì)高鉻型釩鈦鐵精礦煤基直接還原效果的影響，與隨爐緩冷相比，水冷處理有利于金屬化率、脫硫率和脫磷率的提升，并且降低了金屬化球團(tuán)中金屬鐵的粒徑；姜濤等研究了還原工藝參數(shù)對(duì)高鉻型釩鈦鐵精礦煤基直接還原效果的影響；ZHAO Long-sheng等研究了碳鐵物質(zhì)的量之比和還原溫度對(duì)高鉻型釩鈦磁鐵精礦的煤基直接還原過(guò)程中釩和鉻的還原行為及后續(xù)磁選效果的影響。由此可見(jiàn)，對(duì)于高鉻型釩鈦鐵精礦直接還原工藝，研究人員主要從還原工藝參數(shù)對(duì)球團(tuán)金屬化率和還原膨脹行為的影響角度進(jìn)行研究和分析，而對(duì)影響后續(xù)電爐冶煉的金屬化球團(tuán)的物化性能研究報(bào)道較少。由于金屬化球團(tuán)的物相組成、金屬化率和殘?zhí)剂繒?huì)影響后續(xù)電爐熔分工序的物理化學(xué)過(guò)程，進(jìn)而影響渣鐵分離和元素在渣鐵間的分配比，而金屬化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度和電阻率分別與物料運(yùn)輸過(guò)程粉化程度和電爐冶煉過(guò)程的供電制度密切相關(guān)，因此，本研究較為系統(tǒng)地探討了還原溫度、還原時(shí)間、煤礦質(zhì)量比和堿度對(duì)金屬化球團(tuán)的金屬化率、物相組成、殘?zhí)剂俊㈦娮杪屎涂箟簭?qiáng)度等物化性能的影響規(guī)律，為高鉻型釩鈦鐵精礦煤基直接還原-電爐熔分新工藝提供技術(shù)參考。
(1)還原溫度和還原時(shí)間對(duì)高鉻型釩鈦鐵精礦金屬化球團(tuán)物相組成影響較大，煤礦質(zhì)量比和二元堿度的影響相對(duì)較??；較高的還原溫度和較長(zhǎng)的還原時(shí)間有利于原料中磁鐵礦和鈦鐵礦的還原，金屬化球團(tuán)物相主要由金屬鐵、含鎂黑鈦石和少量未被還原的磁鐵礦組成。(2)提高還原溫度和延長(zhǎng)還原時(shí)間均有利于高鉻型釩鈦鐵精礦的還原，而較高的煤礦質(zhì)量比和二元堿度對(duì)還原過(guò)程有一定的不利作用；在還原溫度為1 300 ℃、還原時(shí)間為35 min、煤礦質(zhì)量比為25∶100、二元堿度為0.13的條件下，金屬化球團(tuán)的金屬化率為92.58%，殘?zhí)剂繛?.39%。(3)還原溫度和還原時(shí)間對(duì)高鉻型釩鈦鐵精礦金屬化球團(tuán)的電阻率的影響顯著，而煤礦質(zhì)量比和二元堿度的影響相對(duì)較弱；金屬化球團(tuán)的金屬化率和電阻率呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)，金屬化率越高，電阻率越低。(4)提高還原溫度和延長(zhǎng)還原時(shí)間有助于高鉻型釩鈦鐵精礦金屬化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的提高，而隨著煤礦質(zhì)量比和二元堿度的提高，金屬化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度降低；金屬鐵的生成量和金屬鐵晶粒之間的連接作用是影響金屬化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。
