钒钛铁精矿转底炉直接还原-电炉熔分工艺与理论研究

摘要

我国攀枝花-西昌地区的钒钛磁铁矿是一种铁、钒、钛等多元素共生的复合矿,具有很高的综合利用价值。现有的高炉冶炼、转炉提钒和钛精矿选矿处理钒钛磁铁矿工艺,仅利用了铁的68％、钒的47％、钛的15％。资源浪费巨大,并造成环境污染、土地破坏、生态失衡等严重问题。
　　 为了实现铁、钒、钛等资源高效清洁分离及综合回收利用,近年来转底炉煤基直接还原.电炉熔分技术逐步发展成为了处理钒钛磁铁矿的工艺之一,此工艺具有以煤代焦、还原温度高、冶炼时间短、能耗低、环境污染小和投资省等特点,符合我国资源、能源实际,成为目前国内外钢铁界研究的热点之一。
　　 本文为该工艺的应用基础研究,目的是充分地掌握钒钛铁精矿内配碳球团直接还原.熔分的工艺参数、反应机理以及工艺应用所需要的一般性条件。因此通过实验室压片机压球工艺、实验室竖式还原炉直接还原工艺和实验室高温快速加热炉熔分工艺的研究模拟出钒钛铁精矿直接还原.电炉熔分工艺参数。实验室压片机压球结果表明:使生球落下次数较高的条件分别为矿煤粒度比为(200:60)、球团水分为8％、粘结剂浓度为0.3％、压团压力为10 Mpa；球团水分是影响球团性能或压团工艺参数的主要因素,矿煤粒度比对球团性能有较大影响,压团压力和粘结剂浓度对各项指标的影响最小；生球团要进行干燥处理,干燥温度为105℃,干燥时间控制在2小时左右,所得球团的抗压强度为98N/个、高温爆裂性能小于20％,能满足转底炉直接还原工艺的要求；钒钛铁精矿直接还原.电炉熔分实验室模拟结果表明,配碳比(1.5:1)、还原温度(1350℃)、添加剂(2％)、还原时间(20min)时,球团金属化率可以达到88％以上；金属化球团电炉熔分工艺参数为碱度值1.4、熔分时间120min、熔分温度1450℃及配碳比1.5时,渣相中FeO含量为8.35％,能使铁和钒钛进行有效分离。
　　 然后采用热重实验、热力学、动力学计算模拟以及XRD、SEM、TG-DSC等检测手段对钒钛铁精矿的还原机理和熔分机理进行了详细研究。结果表明,钒钛铁精矿的还原历程依次为Fe2TiO4和Fe3O4、3(Fe3O4)·Fe2TiO4、Fe3O4.Fe2TiO4、Fe2TiO4和FeO、Fe和FeTi2O5；在磁铁矿大量还原生成浮士体的阶段,钛铁矿与新生成的浮士体发生“钛铁晶石化”,最终还原转变为单质铁和含铁黑钛石；钒钛铁精矿内配碳球团直接还原过程可分为前期和后期两个阶段,前期为化学反应控制,反应活化能为73.17kJ/mol；后期为扩散控制,反应活化能为152.02kJ/mol。还原度随反应温度的升高而增大,后期反应速度小于初期反应速度:FeO含量在整个熔化分离过程中起着重要的作用,通过控制FeO含量可以使熔化分离达到良好的效果。
　　 最后又将实验室研究结果扩展到对辊压球机.直径2.3m转底炉-50KVA电弧炉对钒钛铁精矿煤基直接还原.熔分的扩大试验研究,得出该工艺是可行的。通过实验得到含TiO2为49％、V2O5为1.2％以上的富钛渣和低钒生铁,并对含钒富钛渣中钛和钒分离进行了初步探讨,实现了铁、钛和钒的综合回收。
　　 本研究的主要创新点表现在:(1)对钒钛铁精矿内配碳球团转底炉直接还原-熔分工艺进行了实验室模拟,得出了实验室工艺参数。(2)对钒钛铁精矿内配碳球团转底炉直接还原-熔分机理进行了系统研究,为该工艺产业化奠定了理论基础。(3)采用对辊压球机.直径2.3m转底炉-50KVA电弧炉对钒钛铁精矿煤基直接还原-熔分工艺进行了扩大试验,得到的工艺参数和调控方法为该工艺工程化设计提供参考和依据。(4)以含钒富钛渣为原料进行酸浸制取钛白粉是完全可行的,试制的钛白粉白度可以达到同类产品指标,但处理工艺较复杂,且消色力较低；含钒富钛渣中的V基本进入水解母液和洗液中,收得率可达到93％以上,可通过水解废液的处理实现钒的回收。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 钒钛磁铁矿资源概况

1.2 钒钛磁铁矿综合利用研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 国内外研究现状评价

1.3 直接还原技术综述

1.3.1 气基直接还原

1.3.2 煤基直接还原

1.3.3 几种直接还原工艺比较

1.4 直接还原机理研究综述

1.4.1 热力学

1.4.2 动力学

1.5 主要研究内容

1.5.1 课题的研究意义

1.5.2 课题的研究目标

1.5.3 课题的研究内容和方法

2 钒钛铁精矿内配碳球团压团实验研究

2.1 实验目的

2.2 压团原理

2.2.1 压团方法

2.2.2 压制

2.3 实验方法

2.3.1 实验原料

2.3.2 实验设备

2.3.3 研究方法

2.4 实验结果与讨论

2.4.1 单因素实验对落下次数的影响

2.4.2 钒钛铁精矿内配碳球团压团工艺正交方案及结果

2.4.3 球团检测结果分析

2.5 本章小结

3 钒钛铁精矿内配碳球团直接还原-熔分实验研究

3.1 实验目的

3.2 钒钛铁精矿内配碳球团直接还原研究

3.2.1 实验方法

3.2.2 实验结果与讨论

3.2.3 成分与形貌分析

3.3 金属化球团高温炉熔分实验

3.3.1 实验原料

3.3.2 实验设备

3.3.3 金属化球团电炉熔分研究方法

3.3.4 金属化球团电炉熔分实验结果分析

3.4 本章小结

4 钒钛铁精矿内配碳球团直接还原-熔分机理研究

4.1 钒钛铁精矿内配碳球团直接还原机理研究

4.1.1 还原历程

4.1.2 挥发分对钒钛铁精矿内配碳球团还原的影响

4.1.3 动力学

4.2 熔分机理

4.2.1 熔化分离温度分析

4.2.2 熔化分离熔渣选择

4.3 本章小结

5 钒钛铁精矿转底炉直接还原-电炉熔分新工艺扩大实验

5.1 钒钛铁精矿转底炉直接还原-电炉熔分新工艺

5.2 钒钛铁精矿转底炉直接还原-电炉熔分新工艺的优缺点

5.2.1 新工艺的优点

5.2.2 新工艺的缺点

5.3 对辊压球实验

5.3.1 辊压机构造和工作原理

5.3.2 造球方法

5.3.3 实验结果

5.3.4 稳定实验结果

5.4 实验室转底炉还原实验

5.4.1 转底炉的结构和原理

5.4.2 实验方法

5.4.3 实验结果及分析

5.5 实验室电弧炉熔分实验

5.5.1 实验设备

5.5.2 实验方法

5.5.3 实验结果及分析

5.6 本章小结

6 含钒富钛渣中钛和钒分离实验研究

6.1 实验目的

6.2 含钒富钛渣提钛技术研究

6.2.1 实验原理

6.2.2 实验原料及主要设备

6.2.3 实验方法

6.2.4 实验结果及分析

6.3 含钒富钛渣提钒技术研究

6.3.1 工艺流程

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录 A

附录 B

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间参加的科研项目