釩鈦海砂礦轉底爐直接還原研究

劉長正， 曹志成， 彭程， 崔慧君

寶武集團環境資源科技有限公司 轉底爐事業部，上海 201900

引 言

海底砂礦是指發育于海洋環境中的砂質沉積物，包括礫石質砂、砂、粉砂質砂和黏土質砂，是由地質外力作用驅動礦物碎屑聚集而形成的次生富集礦床，亦稱之為“海砂”。在印度尼西亞、新西蘭、馬來西亞等世界各地有著廣泛的分布，且儲量大、開采成本低，受到礦業界的高度關注[1-3]。海濱砂礦除含有鈣、鎂、硅、鋁等元素外，亦富含鐵、釩、鈦三種有價組分，一般通過選礦工藝分選出鈦精礦和釩鈦磁鐵礦兩種產品加以利用[4,5]。目前，高爐處置釩鈦磁鐵礦只能回收其中的鐵和釩，高爐渣中TiO2品位約20%～30%，其經濟合理利用尚在研究中[6-8]。非高爐冶煉技術層面，新西蘭海砂礦采用回轉窯預還原—矩形電爐熔分工藝實現其工業化生產，還原金屬化率約80%[9, 10]；有學者采用深度還原—磁選工藝對釩鈦海砂礦進行鐵、鈦分離研究[11, 12]；攀鋼集團和龍蟒集團已分別建成年產10萬 t和7萬 t釩鈦磁鐵礦金屬化球團的轉底爐直接還原—電爐熔分生產線，這實現了攀西地區的釩鈦巖礦中鐵、釩、鈦的有效分離[13-15]。目前，采用轉底爐直接還原—電爐熔分工藝處理釩鈦海砂礦的工業性中試尚未見報道。

本研究以印尼海濱砂礦選礦后的含釩、鈦的鐵精礦為原料，首次在國內直徑10 m、處理量3 t/h的轉底爐進行了150 t原料的直接還原中試研究，轉底爐產出的金屬化球團熱裝送入300 kVA的直流電爐熔分，產出含釩鐵水和含鈦爐渣，此項研究可為儲量巨大的海濱砂礦鐵、釩、鈦的綜合回收提供一種新的途徑。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

印尼海濱砂礦(原礦)首先經過磁滑輪干式選礦拋尾，產出的粗精礦經過兩段磨礦兩段磁選后得到含釩、鈦的鐵精礦(釩鈦海砂精礦)，該精礦作為轉底爐中試礦樣。

1.2 分析與檢測

原礦與釩鈦海砂精礦化學多元素分析見表1，其粒度分析見表2。

表1 原礦與釩鈦海砂精礦化學多元素分析/%

表2 釩鈦海砂精礦粒度分析

表1結果表明，海砂原礦經選礦后，精礦中鐵品位增加明顯，TiO2含量有所增加，而CaO、SiO2、Al2O3和MgO含量明顯減少。原礦經選礦后可得TFe品位為58.50%，V2O5品位為0.57%，TiO2品位為8.81%，-0.045 mm占比為84.66%的精礦。

印尼海砂原礦和精礦中Fe、Ti和V的化學物相分析結果表明，原礦與精礦中鐵存在于磁性鐵、磁黃鐵礦、其他硫化鐵、赤褐鐵礦和硅酸鐵這5種礦物中，其中磁性鐵中鐵占原礦的88.56%，占精礦的99.07%；原礦中鈦存在于磁性鐵、榍石、鈦鐵礦和金紅石這4種礦物中，其中磁性鐵中鈦占比35.11%，鈦鐵礦中鈦占比47.87%。選礦時，磁性鐵中的鈦經弱磁選進入鐵精礦，鈦鐵礦中的鈦進入鈦精礦中，精礦中磁性鐵中的鈦占比達到94.74%；原礦中釩存在于游離氧化物、鐵鋁、云母、硫化物和其他礦物中。鐵鋁中釩是指鐵礦物和鋁礦物中的釩，這部分鐵礦物主要為磁性鐵，75%的釩賦存于精礦中。

試驗用的還原劑為蘭炭，空干基固定碳含量為81.89%，全硫含量為0.23%，-0.074 mm占比大于90%；試驗用于制備海砂釩鈦精礦含碳球團的粘結劑包括膨潤土和有機粘結劑。

1.3 試驗方法

采用轉底爐直接還原-電爐熔分工藝對印尼釩鈦海砂精礦進行試驗研究，首先進行小型基礎試驗研究，獲得最佳的配料條件、焙燒還原條件、電爐熔分條件，之后進行轉底爐中試試驗驗證，具體工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

工藝過程為：印尼海濱砂原礦經選別所得含釩鈦的鐵精礦、細磨處理的蘭炭粉、粘結劑按照基礎試驗確定的配比進行配料，配好的物料經由皮帶送入強力混合機，在干混的過程中加水進行濕混，實現連續進出料。混合料進入圓盤造球工序，圓盤排出的球團經過孔徑為8 mm與20 mm的雙層篩分，≤8 mm與≥20 mm的球團碾碎后返回圓盤造球，8～20 mm的球團進入烘干機進行烘干，烘干后的干球團被送往轉底爐進行還原。轉底爐頂部的布料器均勻地將球團布到轉底爐的爐床上，轉底爐內部爐頂、爐墻、燒嘴固定不動，球團被爐底機械帶動經由預熱區、中溫區、高溫還原區實現含碳球團的高溫快速還原。從轉底爐排出的金屬化球團溫度約1 050 ℃，通過熱裝直接送入電爐熔分。在電爐熔分過程中，球團中的釩被還原出來進入到鐵水中，產出含釩鐵塊，經過程調控促使鈦進入熔分爐渣中，以含鈦爐渣的形式產出。

轉底爐中試試驗主要設備為混料機、圓盤造球機、網帶烘干機、轉底爐、直流電弧爐，設備詳情見表3。

表3 轉底爐中試試驗主要設備

2 研究結果與討論

實驗室基礎試驗研究中，重點研究了還原溫度、蘭炭用量、還原時間對球團金屬化率與剩碳量的影響， 工藝目標是獲得較佳金屬化率與剩碳量的球團，可為后續熔分試驗提供原料。熔分試驗重點考察熔分溫度、熔分時間對鐵、釩、鈦回收率的影響，目標是獲得較好的渣鐵分離效果，獲得鐵、釩、鈦回收率較高的技術指標。在此基礎上，進行中試試驗驗證。

前期圓盤造球探索試驗表明適宜的粘結劑用量為：膨潤土與有機粘結劑分別占釩鈦海砂鐵精粉質量的3%和1%，此時所得含碳濕球團與干球團落下強度均超過8次，可滿足轉底爐直接還原的要求，同時因轉底爐傳熱及處理量的交互關系，所以布料厚度定為3層(54 mm)球團。

2.1 還原溫度試驗

還原溫度對于含碳球團直接還原指標影響較大，因此首先進行了含碳球團焙燒溫度作用影響的試驗。選擇碳氧比為1.3(蘭炭用量為海砂精礦質量的27%)，考察高溫區溫度對球團金屬化率與剩碳的影響。焙燒時間為25 min，高溫區溫度分別為1 200 ℃、1 240 ℃、1 260 ℃、1 280 ℃與1 300 ℃。試驗結果見圖2。

圖2 溫度對球團指標的影響

結果表明，隨著高溫區還原溫度的升高，球團金屬化率呈上升趨勢，從1 200 ℃時的80.05%升高到1 300%的90.07%，同時由于還原消耗和燒損的加大，球團中的碳含量整體呈現下降的趨勢。高溫區還原溫度在1 260 ℃以上時，金屬化率可達到86.47%，得到較好的還原指標。兼顧金屬化率和剩碳指標，選取高溫區溫度為1 260 ℃進行下一步試驗。

2.2 蘭炭用量試驗

固定為焙燒時間25 min，高溫區還原溫度為1 260 ℃，蘭炭用量分別為釩鈦鐵精礦質量的20%、23%、25%與27%進行焙燒試驗，蘭炭用量對金屬化率與剩碳量的影響結果見圖3。

圖3 蘭炭用量對還原指標的影響

由圖3可知，隨著蘭炭用量的增加，球團金屬化率與剩碳量均呈上升趨勢，蘭炭用量從20%增加到23%時，球團金屬化率從82.31%提高到87.33%，之后隨著蘭炭用量增加，球團金屬化率變化不大。由于中試轉底爐的燒損會進一步加大，為防止球團發生二次氧化，選擇蘭炭用量25%，此時球團金屬化率87.64%，剩碳4.44%。

2.3 還原時間試驗

固定蘭炭用量25%，高溫區還原溫度為1 260 ℃，焙燒分別時間為20 min、25 min、30 min和35 min，試驗結果見圖4。

圖4 還原時間對還原指標的影響

圖4結果表明，隨著還原時間的延長，球團金屬化率呈先快速增加后上升緩慢的趨勢，球團剩碳呈下降趨勢，從20 min時的5.81%下降到35 min時的3.16%。為保證球團碳含量大于4%，選擇還原時間為30 min，此時球團金屬化率88.73%，剩碳4.21%。

2.4 熔分所需金屬化球團制備

通過上述試驗確定了較佳的配料與還原條件，釩鈦海砂精礦(m)蘭炭(m)膨潤土(m)有機粘結劑(m)=1002531；高溫區還原溫度1 260 ℃，還原時間30 min。按照上述配料與還原條件進行了重復試驗，制備出下步熔分試驗所需的金屬化球團。圖5為釩鈦海砂精礦含碳球團平鋪在耐火材料盤上焙燒前與焙燒后的形貌，可知焙燒后的球團有體積縮小的現象，同時沒有發生粘結熔化的情況，這有利于轉底爐出料和下步熔分試驗，重復試驗得出球團的金屬化率與剩碳分別穩定在88%～89%和4%～5%的區間。

圖5 球團焙燒前(左圖)與焙燒后(右圖)形貌

2.5 熔分溫度試驗

將金屬化球團從還原爐中取出，迅速裝入剛玉坩堝中，將坩堝快速放入模擬工業電爐的高溫爐中，高溫爐溫度分別為1 550 ℃和1 600 ℃，熔分時間60 min，考察渣鐵分離效果及鐵、釩、鈦的回收率。表4列出了不同熔分溫度條件下，熔分鐵塊中鐵、釩、鈦三種元素的品位及回收率情況。

表4 熔分溫度對鐵、釩回收率的影響

從表4中可知，熔分溫度從1 550 ℃升高到1 600 ℃，鐵回收率從66.25%升高到96.57%，釩的回收率從22.76%升高到74.34%，說明熔分溫度對鐵和釩回收率影響較大，熔分爐渣中鈦的品位變化不大。主要的原因是釩鈦礦熔分渣含鈦較高，比較黏稠，溫度低不利于渣鐵分類，試驗中發現熔分溫度1 550 ℃時，渣中仍夾雜著很多細小的鐵珠，降低了鐵和釩的回收率，當溫度升高到1 600 ℃時，熔渣黏度變低，渣鐵分類良好，同時有利于釩還原進入鐵水，因此鐵與釩回收率大幅增加。受試驗條件限制，研究用試驗電爐工作的最高溫度1 600 ℃，為進一步提高鐵、釩、鈦的回收率，進行了熔分時間試驗。

2.6 熔分時間試驗

取3.5節中的金屬化球團進行熔分時間試驗，固定熔分溫度1 600 ℃，熔分時間分別為30 min、60 min、90 min和120 min。由于熔分時間對鈦的影響不大，只要實現了渣鐵分離，鈦絕大多數都會進入爐渣，因此重點考察了鐵和釩的熔分效果，結果見圖6。

從圖6結果可知，隨著熔分時間的增加，鐵回收率、釩回收率、釩品位總體呈快速上升然后平緩的趨勢，鐵品位變化不大。當熔分時間為90 min時，熔分鐵塊的鐵品位、鐵回收率、釩品位和釩回收率分別為94.96%、98.30%、0.45%和87.90%，繼續延長熔分時間，指標變化不大，因此最佳的熔分時間為90 min。

圖6 熔分時間對鐵和釩的影響

2.7 轉底爐中試試驗

上述小型基礎試驗得到的最佳配料條件為：m(海砂精礦)m(蘭炭)m(膨潤土)m(有機粘結劑)=1002531；最佳的模擬轉底爐還原焙燒條件為，3層(54 mm)含碳球團，還原溫度1 260 ℃，還原時間30 min，可以得到球團的金屬化率與剩碳分別穩定在88%～89%和4%～5%的區間。該球團在熔分溫度1 600 ℃，熔分時間90 min的條件下，可以獲得較好的鐵、釩、鈦回收指標。

按照小型基礎試驗得出的配料和焙燒條件：在中徑8 m、布料寬度2 m的轉底爐進行了150 t釩鈦海砂精礦中試驗證試驗，所得球團平均金屬化率88.63%，球團中剩碳4.81%。將金屬化球團熱裝入300 kVA的直流電爐進行冶煉，得到含釩鐵水和含鈦爐渣，鐵水中鐵品位96.25%，釩品位0.443%，鐵與釩回收率分別為99.64%和88.96%，爐渣中TiO2品位38.86%，鈦的回收率為98.95%，優于小型基礎試驗的結果，可能的原因是直流電爐的冶煉溫度在1 650 ℃～1 700 ℃，溫度升高對于鐵和釩的回收都是有利的。

表5和表6分別列出了中試含釩鐵塊與爐渣的化學多元素分析。表5中含釩鐵塊的磷含量0.15%，主要的原因是海砂精礦原礦的磷含量較高(原礦磷含量0.12%)，在轉底爐直接還原與電爐熔分中富集到鐵塊中所致，后續在含釩鐵水提釩煉鋼過程中需要脫磷。表6中含鈦爐渣中TiO2品位38.86%，高于含鈦高爐渣(TiO2品位小于30%)，但低于生產硫酸法鈦白所用的鈦精礦品位(TiO2≥45%)，其綜合利用尚需研究。

表5 含釩鐵塊的化學多元素分析

表6 爐渣的化學多元素分析

3 結論

(1)針對印尼釩鈦海砂精礦，采用轉底爐直接還原-電爐熔分工藝，先后進行了小型基礎試驗研究與工業性中試研究。結果表明，可以有效實現鐵、釩、鈦的富集回收。

(2)小型基礎試驗得到的最佳條件為：m(海砂精礦)m(蘭炭)m(膨潤土)m(有機粘結劑)=1002531，3層(54 mm)含碳球團，還原溫度1 260 ℃，還原時間30 min，可以得到球團的金屬化率與剩碳分別穩定在88%～89%和4%～5%的區間。該球團在熔分溫度1 600 ℃，熔分時間90 min的條件下，可以獲得較好的鐵、釩、鈦回收指標。

(3)中試海砂礦球團平均金屬化率88.63%，電爐進行冶煉獲得含釩鐵水中鐵品位96.25%，釩品位0.443%，鐵與釩回收率分別為99.64%和88.96%，爐渣中TiO2品位38.86%，鈦的回收率為98.95%。