電爐冶煉釩鈦磁鐵礦的工藝研究

肖波

摘 要：現(xiàn)今，釩鈦磁鐵礦所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益顯著，因而，合理高效地對(duì)我國釩鈦磁鐵礦資源予以開發(fā)是推動(dòng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。近年來，隨著我國多種冶煉工藝技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，冶煉釩鈦磁鐵礦的電爐法受到越來越多研究者的關(guān)注和重視，對(duì)此，本文詳細(xì)闡述電爐冶煉鈦精礦的工藝，希望能給同行提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：高爐法;非高爐法;釩鈦磁鐵礦

中圖分類號(hào)：TF741文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）16-0083-02

Abstract： At present， the economic benefits of vanadium titanium magnetit are significant. Therefore， the key to promote the current economic development is to develop the vanadium titanium magnetit resources reasonably and efficiently in China. In recent years， with the development and progress of various smelting technologies in China， more and more researchers pay attention to the electric furnace method for smelting vanadium titanium magnetit. In this regard， this paper describes the process of smelting titanium concentrate in electric furnace in detail， hoping to provide some reference for peers.

Keywords： blast furnace process;non blast furnace process;vanadium titanium magnetite

根據(jù)有關(guān)資料可知，釩鈦磁鐵礦資源的儲(chǔ)蓄量位居我國鐵礦資源儲(chǔ)蓄量第三，以鐵元素、釩元素、鈦元素作為主要構(gòu)成部分，同時(shí)也包含部分鈷、鉻、鈧等元素，因而具備較高的應(yīng)用價(jià)值。釩元素被稱為“現(xiàn)代工業(yè)的味精”，具備許多優(yōu)異的物理及化學(xué)性能，其能有效地抵抗高溫和低溫，也能防強(qiáng)酸和強(qiáng)堿腐蝕，再加上具有極低的密度，所以也常常被冠以“太空金屬”的稱號(hào)，被普遍地應(yīng)用于我國航空、醫(yī)療、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)產(chǎn)業(yè)。自21世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快，人們使用鐵礦資源的規(guī)模與日俱增。雖然我國鐵礦資源的儲(chǔ)蓄量居世界首位，但一些高品質(zhì)的鐵礦仍較為缺乏，且鐵礦石的利用效率不高，導(dǎo)致對(duì)進(jìn)口鐵礦石資源的依賴程度逐年提升，從而在極大程度上威脅了我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)的平穩(wěn)可持續(xù)發(fā)展，因此，精準(zhǔn)開發(fā)鐵礦品類，緩解我國對(duì)進(jìn)口鐵礦的依賴已經(jīng)迫在眉睫。但目前，我國釩鈦磁鐵礦資源的開發(fā)水平較低，且常常伴隨著無序開發(fā)的問題。

針對(duì)我國當(dāng)前釩鈦磁鐵礦資源的開發(fā)狀況，合理應(yīng)用開發(fā)釩鈦磁鐵礦資源的新技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)開發(fā)及應(yīng)用目標(biāo)具有重要意義。與當(dāng)前普遍應(yīng)用的高爐工藝相比，電爐以其爐溫高、爐中氣氛易于掌控等特性，受到了越來越多人的關(guān)注。基于此，本文詳細(xì)闡述電爐冶煉鈦精礦的工藝。

1 預(yù)還原-電爐法

該工藝是指先人為地把釩鈦磁鐵礦資源與煤粉根據(jù)一定比例拌和在一起，然后造球，接著再把包含碳的球團(tuán)通過回轉(zhuǎn)窯、隧道窯、轉(zhuǎn)底爐等進(jìn)行預(yù)還原，從而獲取一定數(shù)量的金屬化球團(tuán);然后，使用電爐將這些金屬化球團(tuán)持續(xù)性地熔煉，利用渣鐵分離的方法再次獲取含有釩鐵水及富鈦的過程。與高爐法的冶煉過程相比，在電爐冶煉過程中，創(chuàng)造性地將還原環(huán)節(jié)與加熱環(huán)節(jié)予以分離，如此一來，就能大幅度降低冶煉過程的難度系數(shù)。此外，預(yù)還原-電爐法還具備流程簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、生產(chǎn)效率水平高等優(yōu)勢(shì)，所以，全世界許多國家已經(jīng)有諸多研究人員對(duì)該方法進(jìn)行了探究[1]。需要注意的是，采取該電爐法進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，如果爐渣內(nèi)的二氧化鈦數(shù)量超過30%，那么依然會(huì)存在執(zhí)行難度較高的問題。目前，將該項(xiàng)工藝運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)的地區(qū)也只有南非及新西蘭，但其采用該項(xiàng)技術(shù)的目的主要在于循環(huán)利用鐵元素以及釩元素，所獲取的鈦渣（二氧化鈦含量大約為30%）仍未得到高效利用。

2 鈉化提釩-預(yù)還原-電爐法

該工藝的基本流程為：操作人員把部分鈉鹽和釩鈦磁鐵精礦予以混合造球，然后在800 ℃的條件下進(jìn)行氧化、鈉化焙燒，從而讓釩和鈉鹽一同溶于水中的釩酸鈉，通過水浸使釩元素和鐵、鈦元素分離，殘球經(jīng)回轉(zhuǎn)窯還原、電爐熔分后得到鐵水及鈦渣，從而使鐵、釩、鈦得到回收利用。

根據(jù)有關(guān)資料可知，我國科研人員對(duì)攀西區(qū)域內(nèi)的釩鈦磁鐵精礦鈉化提釩工藝進(jìn)行了相關(guān)測(cè)驗(yàn)，結(jié)果表明：采用該項(xiàng)技術(shù)工藝可以將釩元素的回收率提升至80%[2]。也有部分學(xué)者以朝陽地區(qū)某釩鈦磁鐵礦為原料進(jìn)行鈉化提釩-預(yù)還原-電爐法試驗(yàn)，探討了鈉鹽用量、焙燒時(shí)間、焙燒溫度對(duì)釩浸出率的影響。結(jié)果表明，在NaCO3用量為4%～10%、焙燒時(shí)間為0.5～2 h、焙燒溫度為700～850 ℃的條件下，焙燒時(shí)間對(duì)釩元素浸出率的影響最為顯著，焙燒溫度次之，而鈉鹽的使用量對(duì)釩元素浸出率的影響最小，而且在一定條件下，增加焙燒時(shí)長(zhǎng)和提高焙燒溫度有助于提升釩元素的浸出率。

綜上所述，鈉化提釩—預(yù)還原—電爐法的優(yōu)勢(shì)為，釩回收率較高，通常在90%以上，電爐熔分期間獲取的高鈦爐渣二氧化鈦含量遠(yuǎn)高于高爐渣中二氧化鈦的含量，如此一來，就能利用氯化法制作合格的鈦白粉產(chǎn)品，同時(shí)還能避免高爐流程中出現(xiàn)鐵水“粘罐”的問題。但是，該工藝需要用到大量的鈉化劑，殘留的鈉鹽還會(huì)導(dǎo)致在還原過程中出現(xiàn)球團(tuán)膨脹、粉化的問題，而且鈉化焙燒之后，球團(tuán)浸出提釩浸出時(shí)間長(zhǎng)、能量耗損大，浸出液釩濃度較低，直接用于沉釩會(huì)生成很多沉釩廢水，污染生態(tài)環(huán)境。

3 轉(zhuǎn)底爐-電爐熔分工藝

該工藝是指操作人員把爐料安置于環(huán)形轉(zhuǎn)底爐爐底上，保證爐料均勻分布，然后在爐內(nèi)將爐料加熱，直接還原的爐溫可達(dá)1 300 ℃，通過旋轉(zhuǎn)一圈的爐料會(huì)經(jīng)過專門的螺旋排料裝置排至爐外，出料溫度通常可達(dá)1 000 ℃。爐料在爐內(nèi)停留的時(shí)間可以按照實(shí)際條件予以調(diào)整，通常直接還原時(shí)間為15～25 min。所以還原溫度較高、時(shí)間短、爐料不動(dòng)爐盤動(dòng)是其主要特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)釩鈦磁鐵礦而言，轉(zhuǎn)底爐直接還原能夠有效解決其難還原、低溫還原膨脹的難題。轉(zhuǎn)底爐-電爐釩鈦磁鐵礦的冶煉工藝流程為：第一，混合造球，即將釩鈦磁鐵精礦粉與煤粉混合后，利用粘結(jié)劑制作球團(tuán)，球團(tuán)的質(zhì)量要求是入爐壓塊含粉率低于3%，生球300 mm落下頻次要超過25次;第二，在轉(zhuǎn)底爐中進(jìn)行直接還原，利用布料系統(tǒng)將成品球團(tuán)均勻地布置在轉(zhuǎn)底爐爐底，然后在1 300～1400 ℃的溫度條件下進(jìn)行15～25 min的還原反應(yīng)，從而得到金屬化率為70%～85%的直接還原鐵，最后通過排料設(shè)備排至電爐外;第三，熱直接還原鐵輸送，從轉(zhuǎn)底爐出來的熱直接還原鐵通過封閉的或用惰性氣體保溫的容器傳輸，或者直接進(jìn)入電爐內(nèi)進(jìn)行熔煉;第四，開展電爐熔分工作，對(duì)熱直接還原鐵進(jìn)行電爐熔分后可得到含釩鐵水以及鈦渣[3]。

4 回轉(zhuǎn)窯-電爐熔分工藝

回轉(zhuǎn)窯-電爐熔分工藝已經(jīng)在南非及新西蘭等地獲得了較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用，所以該工藝技術(shù)較為成熟，是當(dāng)前釩鈦磁鐵礦冶煉的典型工藝。在采用回轉(zhuǎn)窯煉鐵技術(shù)的過程中，可以選用海砂鐵礦作為主要原材料，以次煙煤為燃料和還原劑，原燃料按既定比重混合，通過層層爐預(yù)熱焙燒之后，再逐步轉(zhuǎn)入回轉(zhuǎn)窯，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)還原成海綿鐵，再通過電爐將鐵水及爐渣熔分后，把鐵水送至煉鋼工廠提釩煉鋼。該工藝采取采用原礦直接預(yù)還原、電爐熔分工藝生產(chǎn)含釩鐵水和鈦渣，所以其產(chǎn)生的含釩鐵水與含鈦爐渣成分的不同是由于使用原料品位的不同導(dǎo)致的，與冶煉工藝無關(guān)。依照有關(guān)資料可知，某新西蘭企業(yè)所生產(chǎn)出的鐵水含釩0.42%，含鈦爐渣內(nèi)二氧化鈦含量為33%;某南非企業(yè)所產(chǎn)出的鐵水含釩1.22%，含鈦爐渣內(nèi)二氧化鈦的含量是32%。在研究中，某新西蘭公司產(chǎn)出含釩鐵水時(shí)是采用鐵水包吹氧冶煉方法產(chǎn)出釩渣，而某南非公司則采取震動(dòng)罐冶煉的方式產(chǎn)出釩渣，這些生成的釩渣被當(dāng)作提取V2O5的主要原料。但是，這兩個(gè)公司所產(chǎn)出的含鈦爐渣都被簡(jiǎn)單地丟棄或者作為鋪路材料，并未得到合理利用。

5 結(jié)語

釩鈦磁鐵礦作為一種比較有代表性的多金屬共伴生礦產(chǎn)資源，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。一直以來，我國都擁有含量較為豐富的釩鈦磁鐵礦資源。為了科學(xué)高效地達(dá)成釩鈦磁鐵礦資源合理應(yīng)用的目標(biāo)，依據(jù)實(shí)際選取合理、適宜的工藝路線極為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]張向國，賈利軍，王冰.釩鈦磁鐵礦冶煉工藝比較分析[J].山東冶金，2019（1）：45-48.

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[3]劉功國.基于轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝的釩鈦磁鐵礦綜合利用試驗(yàn)研究[J].鋼鐵研究，2012（2）：4-7.