Cr2O3在含钛高炉渣中的溶解及还原行为研究

摘要

我国攀西地区拥有近百亿吨的钒钛磁铁矿资源，虽然高炉法冶炼普通钒钛磁铁矿已经形成了较为成熟的工艺流程，但是攀西地区钒钛磁铁矿储量最为丰富的红格矿区所产“红格矿”，因其Cr2O3含量较高（0.49%~0.82%），其在高炉流程中的冶炼行为与普通钒钛矿有差异，目前尚未形成成熟的冶炼工艺流程。因此开展对于Cr2O3在含钛高炉渣中的溶解及还原行为研究，不仅能为将来开发利用高铬型钒钛磁铁矿提供理论依据，缓解我国铁矿石依赖进口的局面，而且还能够为后续的钒铬分离方法提供参考，具有重要学术及应用价值。本文通过理论计算与实验研究相结合对Cr2O3在含钛高炉渣中的溶解及还原行为进行了系统研究，得出以下主要结论：
　　① Cr2O3在含钛高炉渣中的溶解行为研究
　　理论计算表明：温度能够增加Cr2O3在该炉渣中的溶解度；碱度能够降低Cr2O3在该炉渣中的溶解度；TiO2能够降低 Cr2O3在该炉渣中的溶解度，但影响较小；Al2O3能够降低Cr2O3在该炉渣中的溶解度；MgO能够降低Cr2O3在该炉渣中的溶解度；FeO能够降低Cr2O3在该炉渣中的溶解度。
　　② Cr2O3在含钛高炉渣中的还原行为研究
　　1）理论计算表明：以CO为还原剂，T<1520 K为Cr2O3的稳定存在区，T>1520 K为 Cr的稳定存在区；在铁水成分不变的情况下，温度的升高会增加铬的活度。用C作还原剂还原Cr2O3随着温度升高的产物生成次序是Cr3C2→Cr7C3→Cr23C6→Cr。含碳铁水还原 CaO-SiO2-Al2O3(14%)-MgO(8%)-TiO2-Cr2O3(1%)渣系，当温度从900℃增加到1600℃，碱度为1.1，TiO2%=20%时，被还原进入到铁水中Cr的百分含量先增加后趋于平稳；当碱度从0.9增加到1.3，温度为1450℃， TiO2%=20%时，碱度的变化对炉渣中Cr2O3的还原影响较小；当TiO2%从0%增加到25%，碱度为1.1，温度为1450℃时，TiO2%的变化对炉渣中Cr2O3的还原影响较小。
　　2）在1450℃下进行的熔融还原实验：随着反应时间的增加，被还原进入到铁水中Cr和Ti的质量百分含量增加；随着TiO2含量的增加，还原反应平衡时被还原进入铁水中Cr的含量降低；TiO2含量从0%增加到5%时，反应初始阶段的还原速率增加，而当TiO2含量从5%增加到20%时，反应初始阶段的还原速率降低；理论计算结果与实际实验结果相吻合，且误差较小。
　　3）运用多组分耦合反应动力学模型的方法，建立了Cr2O3在15%TiO2含量高炉渣中还原的耦合动力学模型，并得出：根据实验检测数据计算,15%TiO2渣系的熔融还原反应，铁液中Cr和Ti的传质系数为3.1×10-4 m/s，渣中氧化物的传质系数为1.55×10-5 m/s时，该耦合反应动力学模型对于Cr2O3在此高炉渣中还原过程的吻合程度较高，从而可以较好的预测不同还原时间下Cr2O3被还原进入铁水中的含量。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 高铬型钒钛磁铁矿研究现状

1.3 铬氧化物的溶解及还原行为研究概述

1.3.1 铬铁矿在炉渣中的溶解

1.3.2 铬氧化物气固相还原

1.3.3 铬氧化物熔融还原

1.4.1 研究目的与意义

1.4.2 研究内容及路线

2 Cr2O3在含钛高炉渣中的溶解行为研究

2.1 FactSage理论计算

2.1.1 温度对Cr2O3在含钛高炉渣中溶解行为的影响

2.1.2 碱度对Cr2O3在含钛高炉渣中溶解行为的影响

2.1.3 TiO2对Cr2O3在含钛高炉渣中溶解行为的影响

2.1.4 Al2O3对Cr2O3在含钛高炉渣中溶解行为的影响

2.1.5 MgO对Cr2O3在含钛高炉渣中溶解行为的影响

2.1.6 FeO对Cr2O3在含钛高炉渣中溶解行为的影响

2.2 小结

3 Cr2O3在含钛高炉渣中的还原行为研究

3.1 FactSage理论计算

3.1.1 Cr-O-CO系平衡状态图

3.1.2 Cr的活度对Cr-O-CO系平衡状态图的影响

3.1.3 Cr-O-C系平衡状态图

3.1.4 温度对高炉渣直接还原的影响

3.1.5 碱度对高炉渣直接还原的影响

3.1.6 TiO2含量对高炉渣直接还原的影响

3.2 熔融还原实验研究

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验条件

3.2.3 实验装置

3.2.4 实验步骤

3.2.5 还原机理

3.2.6 实验结果及处理

3.2.7 TiO2含量对Cr2O3还原的影响

3.2.8 理论计算与实验数据的比较

3.3 小结

4 Cr2O3在含钛高炉渣中还原的耦合反应动力学模型

4.1 模型概述

4.2.1 模型的基本假设

4.2.2 模型的建立

4.3.1 平衡常数Ki

4.3.2 铁液中各组元的活度系数

4.3.3 熔渣组元的活度系数

4.3.4 其他参数

4.4模型的验证

4.5 小结

5 结 论

致谢

参考文献

附录