一种钒钛矿金属化球团的冶炼方法

摘要

本发明提供了一种钒钛矿金属化球团的冶炼方法。所述方法包括：将第一碳质还原剂和占钒钛矿金属化球团总量20～50％的第一钒钛矿金属化球团铺设在熔分电炉底部；起弧供电，形成熔池；分多次将第二钒钛矿金属化球团和第二碳质还原剂加入熔池中，其中，每次先加入第二碳质还原剂，然后加入占钒钛矿金属化球团总量2.5～15％的第二钒钛矿金属化球团；待钒钛矿金属化球团全部加完后10～15min后，测温取样，在铁水温度≥1550℃且炉渣中FeO含量为2～5％的情况下，出渣、出铁。本发明能够改善熔分和还原条件和效果；能够获得成分均一稳定、还原度适宜的含钛炉渣和含钒铁水。

说明书

技术领域

本发明涉及含钒钛铁矿的直接还原技术领域，具体来讲，涉及一种对转 底炉直接还原含钒钛铁矿而得到的钒钛矿金属化球团进行冶炼熔分的方法。

背景技术

我国攀西地区蕴藏着丰富的钒钛磁铁矿资源，目前，高炉—转炉流程仍 是处理钒钛磁铁矿的主流方法，但随着社会的发展进步，此传统流程也面临 着与日俱增的能源与环保压力，特别是对焦煤的依赖成为制约其发展的瓶颈 问题。更为重要的是，高炉—转炉流程处理钒钛磁铁矿只能回收其中的铁和 钒，而钛元素进入到高炉渣中，由于品位较低(高炉渣中TiO₂含量22～25％)， 目前仍无有效方法加以利用，造成宝贵钛资源的浪费。

为了实现资源的综合利用，早在上世纪60～80年代，我国就举全国之力 开展了钒钛磁铁矿冶炼新流程攻关，先后采用回转窑、竖炉等设备对钒钛矿 进行直接还原，对还原后的金属化球团进行熔分，获得富钛熔分渣和铁水， 然后再将富钛熔分渣进行深还原，使渣中的钒进入铁水，制得含钒铁水。然 而，上述工艺流程复杂，前后工序匹配困难，难于实现大规模连续生产，产 品成本高，加之存在技术及装备难题未能妥善解决，故新流程的各工艺均未 实现产业化。

对于钒钛矿金属化球团的冶炼，龙蟒集团开展过相关研究，其采用连续 进料、连续出料的操作方式，此方式虽然能够保持渣线在某特定区域，对保 护炉衬有好处，但铁水中钒含量的波动范围较大，该公司科研人员于2010年 发表在非高炉炼铁年会论文集内的相关论文中的数据显示，其熔分后含钒铁 水中钒含量为0.26％～0.70％(40炉次的统计数据)。铁水钒含量波动大造成 钒渣品位相应的上下浮动，对后续提钒工作造成不利影响。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。

转底炉直接矿还原钒钛磁铁矿的主要工艺流程可以为：钒钛磁铁精矿、 煤粉(还原剂)和粘结剂按一定比例混合均匀后经高压压球机压制成生球， 生球团经干燥后由振动给料机给入转底炉并均匀铺设在炉底表面上。随着炉 底旋转，物料依次经过预热区、中温区、高温区和冷却区，最后由出料螺旋 排出炉外，矿煤混合球团在转底炉内完成直接还原得到具有一定金属化率的 金属化球团，该金属化球团即可以作为本发明所使用的钒钛矿金属化球团。

本发明的方法将钒钛矿金属化球团热装进入熔分电炉，在熔分电炉中金 属化球团熔化，渣、铁分离，钛进入炉渣形成含钛炉渣，钒进入铁水形成含 钒铁水。制得的含钛炉渣可按比例配加入硫酸法钛白的原料中制取钛白产品， 含钒铁水经脱硫、提钒后可进行铸块处理。

发明人经过研究发现：金属化球团的熔分深还原过程是整个工艺流程的 重点及难点，其同时承担了两个任务，即熔化金属化球团进行渣铁分离和对 钒氧化物进行深还原使大部分钒元素进入铁水形成含钒铁水。

为了改善熔分效果和深还原效果，本发明提供了一种钒钛矿金属化球团 的冶炼方法。所述冶炼方法包括以下步骤：将第一钒钛矿金属化球团和第一 碳质还原剂铺设在熔分电炉底部，其中，第一钒钛矿金属化球团的铺设量为 钒钛矿金属化球团总量的20～50％；起弧供电，形成熔池；分多次将第二钒 钛矿金属化球团和第二碳质还原剂加入熔池中，其中，每次先加入第二碳质 还原剂，然后加入第二钒钛矿金属化球团，并且在每次加入的第二钒钛矿金 属化球团的量为钒钛矿金属化球团总量的2.5～15％，钒钛矿金属化球团总量 即为第一钒钛矿金属化球团和多次加入的第二钒钛矿金属化球团的总和；待 钒钛矿金属化球团全部加完后10～15min后，测温取样，在铁水温度≥1550 ℃且炉渣中FeO含量为2～5％的情况下，出渣、出铁，其中，第一碳质还原 剂或第二碳质还原剂的加入量根据式1来确定，式1为m＝km_{金属化球团}(0.17FeO+0.23Fe₂O₃+0.02TFe-nC_残)，式1中，m为第一碳质还原剂的铺设 量或第二碳质还原剂的加入量，k＝1.0～3.0，m_{金属化球团}为第一碳质还原剂对应 的第一钒钛矿金属化球团的铺设量，或者为每次第二碳质还原剂所对应的该 次的第二钒钛矿金属化球团的加入量，FeO、Fe₂O₃、TFe和C_残分别为金属化 球团中相应成分的质量百分含量，n＝0.3～0.9。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：能够改善熔分和还原条件， 有利于改善熔分效果和深还原效果；能够获得成分均一稳定、还原度适宜的 含钛炉渣和含钒铁水，达到分离提取钒钛磁铁矿中的铁、钒、钛三大有益元 素的目的，特别是实现了钛元素的富集(例如，获得了TiO₂含量≥45％的含 钛炉渣)。

附图说明

图1示出了熔分电炉及其下料管位置的布置示意图，其中，1-熔分电炉 壳体、2-三相电极、3-下料管。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的钒钛矿金属化球团 冶炼方法。

在本发明的第一示例性实施例中，钒钛矿金属化球团的冶炼方法包括以 下步骤：

(1)铺设底料

将一部分钒钛矿金属化球团和一分部碳质还原剂铺设在熔分电炉底部， 其中，该部分钒钛矿金属化球团的铺设量为本炉次钒钛矿金属化球团总量的 20～50％，优选地，为28～42％。例如，可以尽量将物料铺设在电极和炉衬 之间以保护炉衬。可采用焦丁作为碳质还原剂，焦丁铺底量与铺底的金属化 球团匹配加入。在本发明的方法中，所使用的钒钛矿金属化球团均为含钒钛 铁矿(例如，钒钛磁铁精矿)经转底炉直接还原工艺而得到的金属化球团。 也就是说，本发明的钒钛矿金属化球团是转底炉直接还原由含钒钛铁矿、碳 质还原剂和粘结剂构成的球团而得到的金属化球团，例如，金属化球团的金 属化率可以为30～95％。金属化率是指球团中MFe与TFe的质量比。金属化 率越高，表明转底炉直接还原工艺的还原效果越好，金属铁越多。

这里，碳质还原剂量的铺设量可以根据式1来确定。

式1为m＝km_{钒钛矿金属化球团}(0.17FeO+0.23Fe₂O₃+0.02TFe-nC_残)

式1中，m为需加入的碳质还原剂的量，单位可为kg；k＝1.0～3.0；m_{钒钛矿金属化球团}为钒钛矿金属化球团的铺设量，单位可为kg；FeO、Fe₂O₃、TFe和C _残分别为钒钛矿金属化球团中相应成分(即，FeO、Fe₂O₃、TFe和C_残)的质 量百分含量；n＝0.3～0.9。需要注意的是当m≤0时不加入碳质还原剂。

(2)起弧以形成熔池

起弧供电，形成熔池。例如，布料结束后起弧供电，最初可采用手动起 弧方式，当电极周边形成小熔池后改为自动供电模式，以形成大熔池。

(3)分批加料

将钒钛矿金属化球团总量中剩余的钒钛矿金属化球团(即，除去上述已 铺设的钒钛矿金属化球团外的钒钛矿金属化球团)分为多个批次，每个批次 的钒钛矿金属化球团的量为钒钛矿金属化球团总量的2.5～15％，优选为，5～ 11％。并为每个批次的钒钛矿金属化球团配入对应于该钒钛矿金属化球团的 加入量的碳质还原剂(例如，焦丁)。只需将式1中的m_{钒钛矿金属化球团}用对应批 次的钒钛矿金属化球团的量以及该批次化验的金属化球团中FeO、Fe₂O₃、TFe 和C_残的值来代替，即可得出该批次所应加入的碳质还原剂的量。

在加料时，将所述多个批次中的钒钛矿金属化球团及对应的碳质还原剂 分批加入熔池中。对于每批次加入物料的过程，可按照先加碳质还原剂再加 金属化球团的方式进行，以将碳质还原剂压在金属化球团下面，从而避免碳 质还原剂铺在熔池上层造成引起过度燃烧而起不到还原剂的作用。

(4)测温取样

待所有的钒钛矿金属化球团(即为上面第(1)项中的铺设量与上述第(3) 项中的所有分批加入的量之和)全部加完后，反应10～15min，然后进行测 温取样，在铁水温度≥1550℃且炉渣中FeO含量为2～5wt％的情况下，出渣、 出铁。优选地，测温取样步骤在铁水温度为1550～1650℃且炉渣中FeO含量 为2.0～4.0wt％的情况下，出渣、出铁。

在本发明的第二示例性实施例中，为了使还原更加彻底且还原效果易于 控制，同时避免化验分析的耗时而延长熔分炉冶炼时间，钒钛矿金属化球团 的冶炼方法还可在上述第一示例性实施例的基础之上包括：在第(3)项分批 加料的过程中，在剩余的待加入钒钛矿金属化球团为钒钛矿金属化球团总量 的5～10％时，对炉渣进行取样，分析炉渣中的FeO含量，并视情况补加碳 质还原剂，以使渣中的FeO含量不大于5wt％，优选地，不大于2wt％。并根 据式2来得到碳质还原剂的补加量。

式2为m_补＝k₁m_渣×FeO。

式2中，m_补为需补加的碳质还原剂的量，k₁＝0.2～0.5，m渣为炉渣质量 (例如，可以为根据以往多炉次的出渣量总结的经验值)，FeO为炉渣中FeO 成分的质量百分含量。

在本发明的第三示例性实施例中，为了节能降耗并尽量缩短冶炼时间， 钒钛矿金属化球团的冶炼方法还可在上述第一示例性实施例的基础之上包括 对上述第(2)项至第(4)项中的电压、电流和功率进行控制的步骤。具体 来讲，在第(2)项中，冶炼初期，大熔池形成之前，采用高电压、低电流的 操作方式，有功功率为额定总功率的60～85％；在第(3)项中，即大熔池形 成后，分批将钒钛矿金属化球团和碳质还原剂加入熔池的步骤，适当降低电 压、升高电流，有功功率按照额定总功率的70～85％供给；待所有钒钛矿金 属化球团全部加完后，采用低电压、大电流的供电方式，有功功率按照额定 总功率的75～85％供给。

这里需要说明的是，所谓“高电压”“低电流”、“低电压”、“高电流”需 要根据具体电炉的相关电气参数而定，是相对值。一般工作电压达到或超过 设计调节范围的70％则可称之为高电压，工作电压低于设计调节范围的40％ 可以称为低电压。例如，电炉设计的次级电压分为10级，180～270V有载调 压，10V为一级，则冶炼过程中工作电压达到240V，即可称电炉在采用高电 压作业，若工作电压为200V则可称为电炉在采用低电压作业。对于电流而 言，亦是需要根据具体电炉的相关电气参数而定，同时还要与电压相匹配， 以使功率因数处于较高的水平。一般电流值达到正常生产最大电流设计值的 70％以上即可称为电炉在使用高(大)电流工作，电流值低于正常生产最大 电流设计值的40～60％，即可称为电炉在使用低电流工作。例如，电流可调 范围为0～35000A的电炉，起弧到形成熔池过程电流从0逐步升高，熔池形 成后加料冶炼过程中电流一般在15000～35000A之间调节，当工作电流达到 28000A甚至更高时，可称为电炉在采用高电流作业，当工作电流低于21000A 或更低时，可称为电炉在采用低电流作业。

在本发明的另一个示例性实施例中，钒钛矿金属化球团的冶炼方法也可 通过以下方式来实现。具体内容如下：

熔分电炉采用周期性间歇式操作方式，一周期即为一炉次，每个冶炼周 期包含加料(起弧前炉内铺料和冶炼过程分批加料)、供电、冶炼终点判断、 出渣、出铁等多个步骤。

加入的物料包括钒钛矿金属化球以及碳质还原剂，不外加其他造渣剂以 保证炉渣中TiO₂含量≥45％。

球团铺底按照每炉球团总量的20～50％控制，尽量将料铺设在电极和炉 衬之间以保护炉衬。采用焦丁为碳质还原剂，焦丁铺底与铺底球团匹配加入。 焦丁按照式1计算。当然，也可适当上调焦丁等还原剂的铺设量，例如，将 焦丁的铺底量上调至式1计算结果的1.1～1.5倍。上调焦丁铺底量对铁氧化 物和钒氧化物的还原有促进作用，因铺底焦丁相对来讲埋在炉子底部，冶炼 过程中烧损的量比较小，能够留存较长时间进而参与冶炼中后期渣铁分层后 的还原反应，避免因焦丁还原剂的不足而需要在冶炼中后期、特别是冶炼后 期补加较大量的焦丁。因冶炼后期熔池温度较高，焦丁加入后易漂浮在渣层 表面，烧损多、参与还原的少，造成焦丁资源的浪费，同时需要的时间相应 增长，能耗随着上升。故根据冶炼经验在炉料铺底的时候适当提升焦丁铺底 量对整个冶炼过程的还原及时间的控制很有好处。另一方面，若不上调焦丁 的铺底量也可实现本发明，只不过需要在冶炼中后期补加适量的焦丁，焦丁 利用率有所下降，冶炼时间也会稍有延长。

布料结束后起弧供电，最初采用手动起弧方式，当电极周边形成小熔池 后改为自动供电模式。

当物料熔化形成大熔池后，开始分批加入球团，按照每批次加入量为每 炉球团总量的2.5～15％控制，焦丁加入量根据每批次球团加入量及球团成分 按照式1计算而得。

加入物料时，按照先加焦丁再加球团的方式，将焦丁压在下面，避免焦 丁铺在熔池上层引起过度燃烧而起不到还原剂的作用。

冶炼工程中适当调整供电功率，冶炼初期，大熔池形成之前，采用高电 压、低电流的操作方式，功率为额定总功率的60～85％；大熔池形成后，加 料过程中适当降低电压、升高电流，有功功率按照额定总功率的70～85％供 给；物料加完后，深还原及铁水升温阶段，采用低电压、大电流的供电方式， 有功功率按照额定总功率的75～85％供给。

在球团物料剩余5～10％左右时，开始对炉渣取样，分析其中的FeO含 量，据此判定是否还需要加入还原剂以及还原剂的加入量。在物料全部加完 后10～15min后再次测温取样，若铁水温度和炉渣成分均达到要求即可出渣、 出铁。

采用先出渣、后出铁的模式，为保证较好的炉渣流动性，出渣过程可继 续供电，渣子流浄后再行出铁。

渣、铁出完后，堵好渣、铁口开始铺料，进入下一循环周期。

本发明的钒钛矿金属化球团冶炼方法能够获得成分均一稳定、还原度适 宜的含钛炉渣和含钒铁水，实现了分离提取含钒钛铁矿(例如，钒钛磁铁矿) 中的铁、钒、钛三大有益元素的目的，特别是实现了钛元素的富集，能够获 得TiO₂含量≥45％的含钛炉渣，其可作为硫酸法制取钛白的原料，实现了钛 资源的回收利用，对钒钛矿资源的合理开发及综合利用意义深远，推广应用 前景广阔。

下面结合具体示例来进一步详细说明本发明的示例性实施例。

在本示例中，转底炉生产得到的金属化球团的温度约800℃，其主要成 分如表1所示。本示例中，电炉变压器额定功率为12500kVA，含钒铁水产量 为5万吨/a。

表1  金属化球团主要成分及含量/wt％

TFe FeO MFe Fe₂O₃C残 TiO₂59.44 17.69 46.24 ＜0.5 3.43 12.26

金属化球团由高温料罐盛装倒运进电炉料仓备用，料仓下设7个下料管 (见图1)，球团可经过下料管放入炉内。

冶炼开始前，检查熔分电炉设备的完好性，确认无误后开始铺料，计划 球团总量为38t，铺底球团量15t。根据式1，其中k取1.5，n取0.8，m取 15×10³kg，则计算出铺底焦丁加入量为320kg，上调铺底量至420kg。

铺底的球团和焦丁交替铺进炉内，高低不平处人工扒平。铺底料顶层为 焦丁，特别是电极周边，需要铺设焦丁以便起弧。

铺底料铺设完成后，手动起弧，通过人工调节电极升降来保持三相电流 的平衡。手动操作30min后，三相电极周围形成小熔池后，更换到电极自动 升降档位。采用220V高档电压，逐步升高电流直至设定值稳定在25000～ 28000A，供电功率稳定在7～9MW。额定总功率为12.5MW。

铺底料基本熔化形成大熔池后，开始分批加入球团，每个下料管下500kg 球团，约3.5t，焦丁匹配加入，每批加入约75kg。随着球团加入总量的不断 累加，按220V-210V-200V-190V的梯度逐步降低电压值，同时提升工作电流， 从28000A逐步提升至30000A。

分6批加入球团后，炉内已加入球团36t，剩余2t炉料未加入，此时， 熔分电炉分闸，测温取样，化验炉渣中FeO含量为4.5％。

测温取样后继续合闸冶炼，将剩余的2t球团以及160kg焦丁加入炉内， 改用180V、30000～32000A的设定电压、电流值供电，供电功率稳定在8～ 10MW。

物料加完20min后，测温取样，铁水温度1580℃，炉渣中FeO含量为 2.0％，达到冶炼终点要求，开始出渣。出渣过程仍通电加热，防止炉渣降温， 流动性变差，按照功率5～7MW的强度供电。

炉渣基本流浄后开始出铁，由于铁水温度较高，不需采用带点出铁的作 业方式，以降低能源消耗。

出铁完成后，对渣口和铁口进行修复填堵，熔分炉开始铺料，进入下一 个循环冶炼周期。

尽管上面已经结合附图和示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通 技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述 实施例进行各种修改。