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高鉻型釩鈦鐵精礦金屬化球團(tuán)的物化性能

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)

摘要

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?、電阻率和抗壓?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)量比和二元堿度對還原過程不利；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?、電阻率和抗壓?qiáng)度分別為92.58%、5.39%、0.3 Ω/cm和81.74 N/球。

關(guān) 鍵詞

鈦磁鐵礦；煤基直接還原；金屬化球團(tuán)；電阻率；抗壓強(qiáng)度

引言

釩鈦磁鐵礦是一種多金屬復(fù)合鐵礦，中國、南非、俄羅斯和新西蘭等國家儲量豐富，是鐵、釩和鈦的重要來源礦物。分布在中國攀西地區(qū)的紅格釩鈦磁鐵礦的儲量約為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，鉻資源儲量約為900萬t，是中國最大的潛在鉻資源來源礦物。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高爐冶煉工藝進(jìn)行處理，存在的最主要的問題是其所產(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內(nèi)外的極大關(guān)注。

對于鉻含量不高的釩鈦鐵精礦直接還原工藝，文獻(xiàn)通過綜合熱分析、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)的動力學(xué)條件。對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)孔隙率的提高會加劇其在氫氣還原過程的膨脹程度。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高鉻型釩鈦磁鐵精礦的煤基直接還原過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，對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绊懞罄m(xù)電爐熔分工序的物理化學(xué)過程，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)輸過程粉化程度和電爐冶煉過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)量比和堿度對金屬化球團(tuán)的金屬化率、物相組成、殘?zhí)剂?、電阻率和抗壓?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。

結(jié) 論

(1)還原溫度和還原時(shí)間對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較小；較高的還原溫度和較長的還原時(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)量比和二元堿度對還原過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。