含铬型钒钛磁铁矿直接还原-电炉熔分工艺基础研究

摘要

钒钛磁铁矿是一种铁、钒、钛、铬等多种有价元素共生的复合矿，在我国储量极其丰富，主要分布在攀枝花-西昌地区，包括表外矿的储量达96.6亿吨。其中红格矿区储量约36亿吨，其铬含量高，以精矿中Cr2O3计，最高达1.8％，有很高的开发价值。然而对于这种含铬型钒钛磁铁矿的冶炼及利用研究，国内外总体研究较少且系统性不够，缺乏具体可供实施的工艺路线。因此，探索一种全新的工艺来综合利用含铬型钒钛磁铁矿势在必行。近年来，直接还原-电炉熔分工艺逐渐成为处理含铬型钒钛磁铁矿的可选工艺。该工艺流程是内配碳工艺，具有以煤代焦，还原温度高、冶炼时间短、能耗低、环境污染小、投资省等优点。本文围绕含铬型钒钛磁铁矿铁品位低，却含具有利用价值的钛、钒、铬的特点，对直接还原-电炉熔分工艺处理含铬型钒钛磁铁矿进行了基础研究。
　　在直接还原阶段，本文通过Factsage理论计算了Fe，V，Cr的还原度，用nC/nO表示外配碳的物质的量与矿中金属氧化物中的氧的物质的量的比值。计算结果表明：（1）Fe的还原度随着nC/nO的增加而升高。在nC/nO>1的情况下Fe的还原度理论上可以接近100%。（2）当温度为1020℃～1100℃时，V的还原度随着温度的升高而增大。当温度为1100℃～1350℃时，V的还原度随着nC/nO的升高而增大。（3）Cr是在一定温度(1050℃)之后才开始大量被还原。其还原度随着温度和nC/nO的升高而升高。（4）要同时满足Fe的还原度为90%，V的还原度为80%，Cr的还原度为55%，可以通过操作线得到操作条件：① nC/nO>1.07；②温度T>1200℃。最后对nC/nO为1.2和0.8的样品进行了直接还原实验并检测了化学成分，实验结果表明：两者都基本将Fe还原出来，后者的残碳含量为0.95%，说明含碳量很少，基本反应完全。
　　熔分过程是一个元素在渣铁间的分配行为，可以通过对熔分过程的元素的分配规律研究实现元素的走向控制，本文主要对熔分过程各元素可能走向进行了热力学计算。还原样品的熔化特性的计算结果显示要使金属相和渣相都能够在较低温度下熔化，选择的操作条件为 T=1405℃，nC/nO=1.16。通过比较金属液相中金属含量的变化规律可知，升高nC/nO时，被还原且进入金属液相的难易顺序为Fe，V，Cr，Si。随着nC/nO升高，渣相中TiO2含量增加。同时在高nC/nO条件下，提高温度能够增加渣相中TiO2含量。为了富集渣相中的TiO2需要提高 nC/nO和温度。熔分后Fe、V、Cr的回收率都随nC/nO和温度的升高而升高。当nC/nO>1.15，三者的回收率都达到了90%以上。
　　熔分过程中炉渣的粘度和熔化特性对分离周期和效率有很大影响。研究发现，TiO2含量低于50%时，粘度随着 TiO2含量的升高而降低。在TiO2含量高于等于50%时，粘度随着TiO2含量的升高而升高。增加MgO和FeO的含量都能够降低粘度。而增加Cr2O3含量能够增加炉渣粘度。对炉渣熔化特性的研究主要运用了半球点法，结果显示软化温度和半球点温度相差不大，而试样从半球点到流动状态需经历相对较长的时间。试样半球点温度随着TiO2含量增加先降低后升高，随着MgO和FeO的含量的增加而降低，并且随着Cr2O3含量的增加而升高。钛渣熔化过程中在700℃到1600℃范围内的主要物相有镁橄榄石、假蓝宝石、堇青石、钙长石、金红石、板钛镁矿、榍石、钛铁矿。缓冷和急冷的钛渣在物相上差别不大。

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1 绪 论

1.1 钒钛磁铁矿资源状况

1.2 钒钛磁铁矿利用现状

1.3 直接还原-电炉熔分工艺元素分配规律研究现状

1.4 含钛渣高温物理化学性质研究现状

1.5 课题的研究内容

1.6 课题的意义及目的

2 含铬型钒钛磁铁矿直接还原的热力学研究

2.1 原料基础性质

2.2 直接还原热力学计算结果

2.3 含铬型钒钛磁铁矿直接还原实验

2.4 本章小结

3 电炉熔分过程的元素分配规律

3.1 还原样品的熔化特性

3.2 熔分过程热力学计算结果

3.3 本章小结

4 钛渣的高温性质研究

4.1 钛渣的粘度测量

4.2 钛渣的熔化特性

4.3 钛渣在不同温度下的物相变化

4.4 缓冷渣与急冷渣的物相对比

4.5 本章小结

5 结 论

致谢

参考文献

附录 作者攻读硕士学位期间发表的论文和申请专利