用钒钛铁精矿制取钛铁、钢及钒铁的方法

摘要

本发明提供了一种用钒钛铁精矿制取钛铁、钢和钒铁的方法，该方法的步骤是：1)加碱金属还原钒钛铁精矿，2)还原铁熔化分离，3)含钒铁水进行脱磷处理，4)进入转炉吹钒炼钢，钢水铸锭，5)用炼钢渣冶炼含钒铁水，对含钒铁水用氧气吹炼富钒渣，6)富钒渣冶炼钒铁，7)熔分渣冶炼钛铁。本发明的有益效果是：1)避免高炉转炉流程和单渣返回流程中不回收钛的缺点，也避免了先铁后钒流程使钒进渣造成的铁回收率低和电炉利用率低的缺点。2)不仅能回收钒和铁，还可以通过调整冶炼溶剂的成份，使渣成为可制取水泥的原料。3)可免去复杂的水浸提钒工艺，无大量废水排放，对环境污染小。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金领域，特别是涉及一种用钒钛铁精矿制取钛铁、钢及钒铁的方法。

背景技术

钒钛铁精矿的利用，目前采用的方法主要有：

1、高炉—转炉流程。该工艺流程使用普通高炉，在大风量、高湿度、酸性渣条件下冶炼含0.4％V的铁水，再使用顶吹转炉将铁水中的V氧化成V₂O₅含量为14％钒渣，所得半钢水用另一转炉炼钢，钒渣采用水法提钒，制取含量＞99％的V₂O₅，再用电炉将V₂O₅冶炼成钒铁。

2、先钒后铁流程。该工艺流程采用回转窑，对造球后的钒钛铁精矿进行钠化焙烧，使铁精矿的V₂O₅与钠化剂反应生成溶于水的钒酸钠，再对钠化球团水浸，得到含钒水溶液和浸后球团，溶于水的钒酸钠在酸性条件下与硫酸铵反应生成多钒酸铵沉淀，再对多钒酸铵进行脱水、脱铵、焙烧，即可得到含量＞99％的V₂O₅，用电炉冶炼V₂O₅可制得钒铁合金。水浸后的球团干燥后再用回转窑煤基还原剂还原，得到金属化率88％的金属化球团，用金属化球团在电炉中不加造渣剂熔分得到炼钢铁水和含TiO₂52％的熔分渣。铁水用于炼钢，熔分钛渣用硫酸法制取钛白。

3、先铁后钒流程。该工艺流程对钒钛铁精矿先造球，球团进回转窑用煤基直接还原出金属化率85％的球团，球团在电炉内熔分，熔分要求球团中的钒进渣相，得到铁水和钛钒渣。铁水用于炼钢，钒钛渣钠化焙烧，对焙烧料水浸提钒，制取V₂O₅，水浸后的钛渣用硫酸法制取钛白。

4、直接还原、磁选分离工艺流程。此工艺流程是对钒钛铁精矿配添加剂在回转窑或其他炉型内强还原，得到金属化率90％的还原铁，再对还原铁破碎磨粉，其磨粉用机械办法分选，制得铁含量93％以上的铁粉和含V₂O₅＞2％、TiO₂＞47％的非磁性钒钛料。钒钛料用稀酸浸取，使钒钛富集，得到V₂O₅＞3％、TiO₂＞65％的富钒钛料。再对富钒钛料钠化焙烧后水法提钒，制得含量＞99％的V₂O₅和TiO₂＞65％的钛渣。

5、单渣返回工艺流程。该工艺流程是高炉—转炉流程的改进型流程，目的是将铁→钢生产线与提钒生产线分开，达到大规模生产钢的目的。将钒富集于含钒钢渣内，只须处理少量钢渣就可回收钒。该工艺是将钒钛铁精矿进大高炉冶炼含钒铁水，含钒铁水进大转炉直接炼钢，得到钢水与含钒钢渣。含钒钢渣经破碎选出大快渣铁后与钒钛铁精矿按V₂O₅＞2％进行配比，烧结造块，烧结后再用小高炉冶炼含钒铁水。含钒铁水进小转炉吹钒，得钒渣和半钢水。半钢水炼钢，钒渣再经小电炉预还原除铁后直接进电炉冶炼钒铁。

以上工艺流程都成功地将钒钛铁精矿中的有用成份回收利用，制得了钢、钒铁、焊条钛白、颜料钛白等产品。但这些工艺在应用中还存在一些问题：

第1种高炉—转炉流程存在的缺点主要有：(1)钒钛铁精矿中含有12％的TiO₂，在高炉冶炼中成渣，高炉渣中＞20％的TiO₂无法回收利用。(2)流程使用双联法提钒炼钢，一批铁水需用两次转炉冶炼才完成提钒和炼钢过程，不能发挥转炉的生产能力。(3)双联法提钒炼钢，提钒后撇渣，炼钢后倒钢渣，过程中的铁水随渣流失。据统计，炼钢铁水损耗为5％，铁耗大使钒钛铁精矿的铁回收降低。(4)提钒后的半钢炼钢时热量不足，炼钢过程不能使用较大量的废钢，相对炼钢成本较高。(5)转炉提钒使铁→钢的冶炼过程延长20分钟以上，给采用连铸工艺时，铁→钢→连铸的生产组织带来一定的困难。

第2种先钒后铁流程存在的主要问题是：(1)同一批钒钛铁精矿须经两次高温焙烧(钠化和还原)，才能得到V₂O₅浓度为10g/L的含钒水溶液和铁，原料处理量大、工艺长、成本高。(2)钒钛铁精矿电炉熔分后的钛渣，其TiO₂＞50％，但因熔化中矿物相的变化，使钛渣用硫酸法制取钛白时酸矿比达1.7，大大高于使用钛精矿时的1.3～1.5。提钛过程结束后的残渣量可为30％，是使用钛精矿时的五倍，使流程中的中间产品钛渣作为钛白粉原料应用时遇到了成本高，污染治理难度大的困难。

第3种先铁后钒流程存在的主要问题有：(1)金属化球团在熔化过程中需要配碳操作，熔池是还原气氛，而钒要以氧化物形态存在于渣相，又需要氧化性气氛。试验表明，只有熔分渣中的FeO含量大于10％时，钒才能富集于渣中。由于渣中的FeO高，则使铁的回收率降低，渣对电炉炉衬的腐蚀加大，使电炉的利用系数低、耐材消耗大。(2)熔分渣水浸提钒后所得的钛渣，TiO₂品位48％，用于制钛白时酸熔性差，因此使用钛渣做钛白原料，消耗大、成本高、污染物不易处理。

第4种直接还原、磁选分离流程的特点是钒钛铁精矿在固相条件下进行还原反应，使还原后的铁晶粒充分长大到可以进行机械分选的程度。因此，工艺流程对还原程度要求高，所得产品是铁粉和钒钛渣。铁粉用于粉末冶金领域，其还原和分选过程须精细操作。因此，处理精矿的规模小。单独处理钒钛渣回收钒钛经济上不合算，本工艺流程的应用规模受到限制。

第5种单渣返回工艺流程的主要缺点是：(1)与高炉转炉流程一样，工艺中只回收钒和铁，钛没有回收。(2)由于使用单联法，含钒钢渣中总铁＜30％。钢渣混配的钒钛铁精矿总铁53％，混合料中的总铁＜40％，使小高炉冶炼含钒铁水时的渣铁比达1.7，小高炉利用系数低。(3)钢渣富集钒的同时，磷也得到富集，未脱磷处理的钒渣直接进电炉冶炼钒时，磷含量会超标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用钒钛铁精矿制取钛铁、钢和钒铁的方法，该方法使钒钛铁精矿中的铁、钒、钛得到全面回收，且污染小，回收率高。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：用钒钛铁精矿制取钛铁、钢及钒铁的方法，其步骤是：1)加碱金属还原钒钛铁精矿，2)还原铁熔化分离，3)含钒铁水进行脱磷处理，4)进入转炉吹钒炼钢，钢水铸锭，5)用炼钢渣冶炼含钒铁水，对含钒铁水用氧气吹炼富钒渣，6)富钒渣冶炼钒铁，7)熔分渣冶炼钛铁。

本发明的有益效果是：

1、采用电炉熔分还原铁，钛渣不受污染，钒进铁水，避免高炉转炉流程和单渣返回流程中不回收钛的缺点，也避免了先铁后钒流程使钒进渣造成的铁回收率低和电炉利用率低的缺点。

2、含钒钢渣离线提钒，克服了高炉转炉流程提钒铁损大，转炉生产能力不能充分发挥的缺点。

3、利用钢渣冶炼含钒铁水，不仅能回收钒和铁，还可以通过调整冶炼溶剂的成份，使渣成为可制取水泥的原料，实现小渣场或不用渣场堆放废弃渣。

4、火法冶炼钒铁，可免去复杂的水浸提钒工艺，无大量废水排放，对环境污染小。

5、各工艺间的来料可实现热运热装，能源消耗低，各工艺间产生的废渣均可回收利用，基本无废弃物，整体生产规模不受控制，可大规模处理钒钛磁铁矿。

具体实施方式

本发明方法分为以下几步：

一、钒钛铁精矿深度还原

钒钛铁精矿配加碱金属添加剂在隧道窑内深度还原。钒钛铁精矿的分子式为FeO·(Fe·V)₂O₃·2FeO·TiO₂，在只考虑铁还原时简写为：Fe₃O₄·2FeO·TiO₂

其还原反应式为：

二.熔化分离

还原铁配加碳用矿热炉熔化，实现铁钛分离。熔分的目的是进一步使用碳选择性还原FeO和V₂O₅，使V进入铁水，而TiO₂不还原。

该过程的主要反应式为：

  FeO+C→Fe+CO  V₂O₅+C→V+CO  FeO·TiO₂+C→Fe+TiO₂+CO

三、提钒炼钢

1、熔分后所得含钒铁水，在铁水包中进行脱磷处理，目的是减少钒渣的初始磷含量，以保证后部冶炼钒铁的质量。脱磷铁水用转炉炼钢，收得钢水和含钒钢渣，钢水浇铸，含钒钢渣进小电炉冶炼含钒铁水。

炼钢过程中重点保钒进渣，钒在炼钢中入渣的主要反应式为：

  V+O→V₂O₃  FeO+V→Fe+V₂O₃

钒在渣中以尖晶石的形式存在，分子式为：FeO(Me·V)₂O₃

2、含钒钢渣进小电炉冶炼含钒铁水，钢渣总铁低，钙高，以碳作为还原剂，冶炼得到钒大于2％的高钒铁水和可做水泥用料的钢渣。

3、高钒铁水在铁水包中提钒，所得富钒渣进小电炉炼钒铁。铁水返回转炉炼钢。

四、钒铁冶炼

富钒渣热装进小电炉冶炼钒铁，第一步预还原除铁，还原剂采用碳。使过程只还原FeO。除去铁以后，五氧化二钒进一步富集成高钒渣。

第二步将高钒渣送入另一电炉，用硅铝还原方法冶炼，在冶炼中加CaO提高碱度，可增加V₂O₅还原反应进行的程度，提高钒的回收率。其反应式为：

  V₂O₅+Si+CaO→V+CaO·SiO₂  V₂O₃+Si+CaO→V+CaO·SiO₂  V₂O₅+Al→V+Al₂O₃  V₂O5+Al+CaO→V+CaO·Al₂O₃  V+Fe→FeV

五、钛铁冶炼

分离后的钛渣热送，用炉外铝热法冶炼钛铁。该过程的主要反应有：

TiO₂加Al反应生成Ti及Al₂O₃，同时也还原出TiO。反应式为：

  TiO₂+Al→Ti+Al₂O₃  TiO₂+Al→TiO+Al₂O₃

TiO只有在高碱度下才能还原出Ti。反应式为：

  TiO+Al+CaO→Ti+CaO·Al₂O₃

总反应式：

  TiO₂+Al+CaO→Ti+CaO·Al₂O₃  Ti+Fe→FeTi

本发明工艺流程的设备为：

1)还原系统：配备有矿粉混料设备、造球设备、还原炉窑、筛分设备、磁选设备。钒钛铁精矿在还原系统还原，得到金属化率大于90％的球团。

2)炼钢系统：配备有矿热电炉、转炉及炉后处理设备。球团在该系统处理后得到钛渣、钢和含钒钢渣。

3)渣处理系统：配备有铁合金生产用电炉及附属处理设备、水冷池、喷砂房等。钛渣和钢渣在该系统处理得到钛铁和钒铁。

钒钛铁精矿在上述三大系统中完成物料运动，使钒钛铁精矿中的铁、钒、钛得到全面回收。

实施例1、单渣提钒法

1、将94％钒钛铁精矿(重量百分比，以下同)、3％碳酸钠和3％糖浆混和均匀，造球机造球，于干燥窑内干燥成矿石球。

2、按矿石球75％、焦粉25％的比例混料，装入耐火罐中，耐火罐装上隧道窑窑车还原。

3、还原完毕后，鼓风强制冷却后出窑。

4、当球团的含碳量小于0.6％时，熔分需要配碳操作，配碳量为球团重量的5％，通过加料系统进入电炉内。当渣中的总铁＜3％时，放渣入渣缸，随后出半钢水。

5、半钢水在中间包加入石灰和铁鳞作脱磷处理，成渣后扒掉脱磷渣。

6、预处理后的半钢水入转炉炼钢，钢渣热送渣处理系统，钢水浇铸。

7、钢渣进入电炉后，加焦粒作还原剂冶炼，渣为白渣时出渣，铁水进铁水包提钒，渣做水泥原料。

8、铁水进入铁水包后，加入由氧化铁皮、铁矿石和提钒精渣组成的提钒冷却剂，吹氧冶炼铁水，渣中V₂O₅大于20％时，所得富钒渣进下一电炉预还原，铁水运转炉炼钢。

9、富钒渣进入小电炉后，加入焦粒作还原剂，加入石灰调整炉渣碱度，渣中V₂O₅大于30％时，将渣倒入渣缸，所得高钒渣送下一电炉冶炼钒铁，铁水送转炉炼钢。

10、高钒渣进入电炉，加入硅铁还原，熔清后再加入铝块冶炼，得到钒铁。提钒精渣部分返回下一炉冶炼，部分作小电炉提钒冷却剂。

11、电炉熔分的钛渣送到渣处理系统，加入钛铁、铝粒和氧化钙，反应完毕后冷却，得钛铁。

实施例2、单渣提钒法

1、将91％钒钛铁精矿(重量百分比，以下同)、5％碳酸钾和4％糖浆混和均匀，造球机造球，于干燥窑内干燥成矿石球。

2、按矿石球73％、焦粉27％的比例混料，装入耐火罐中，耐火罐装上隧道窑窑车还原。

3、还原完毕后，鼓风强制冷却后出窑。

4、当球团的含碳量小于0.6％时，熔分需要配碳操作，配碳量为球团重量的6％，通过加料系统进入电炉内。当渣中的总铁＜3％时，放渣入渣缸，随后出半钢水。

5、半钢水在中间包加入石灰和铁鳞作脱磷处理，成渣后扒掉脱磷渣。

6、预处理后的半钢水入转炉炼钢，钢渣热送渣处理系统，钢水浇铸。

7、钢渣进入电炉后，加焦粒作还原剂冶炼，渣为白渣时出渣，铁水进铁水包提钒，渣做水泥原料。

8、铁水进入铁水包后，加入由氧化铁皮、铁矿石和提钒精渣组成的提钒冷却剂，吹氧冶炼铁水，渣中V₂O₅大于20％时，所得富钒渣进下一电炉预还原，铁水运转炉炼钢。

9、富钒渣进入小电炉后，加入焦粒作还原剂，加入石灰调整炉渣碱度，渣中V₂O₅大于30％时，将渣倒入渣缸，所得高钒渣送下一电炉冶炼钒铁，铁水送转炉炼钢。

10、高钒渣进入电炉，加入硅铁还原，熔清后再加入铝块冶炼，得到钒铁。提钒精渣部分返回下一炉冶炼，部分作小电炉提钒冷却剂。

11、电炉熔分的钛渣送到渣处理系统，加入钛铁、铝粒和氧化钙，反应完毕后冷却，得钛铁。

实施例3：双渣提钒法

1、将89％钒钛铁精矿、6％氯化钠和5％腐植煤提取的有机物混和均匀，造球机造球，干燥窑内干燥成矿石球。

2、按矿石球70％、焦粉30％的比例混料，装入耐火罐中，耐火罐装上隧道窑窑车还原。

3、还原完毕后鼓风强制冷却后出窑。

4、当金属化球的含碳量小于0.6％时，熔分配碳操作，配碳量为球团重量的8％，通过加料系统进入电炉内。当渣中的总铁＜3％时，放渣入渣缸，随后出半钢水。

5、半钢水在中间包加入石灰和铁鳞作脱磷处理，成渣后扒掉脱磷渣，然后加5％碳化硅增碳。

6、铁水进转炉后，先加入由氧化铁皮、铁矿石、提钒精渣组成的提钒冷却剂。随后下枪吹氧，撇出钒渣，钒渣送小电炉冶炼含钒铁水。撇出钒渣后按常规冶炼方法加造渣剂炼钢。炼钢渣冷却后破碎代替石灰做冶炼含钒铁水的熔剂，钢水铸锭。

7、钒渣入电炉后，加入焦粉和炼钢渣组成的混和料，加热冶炼，渣中五氧化钒小于1％时，出渣，渣做水泥原料，含钒铁水进铁水包提钒。

8、铁水进入铁水包后，加入由氧化铁皮、铁矿石和提钒精渣组成的提钒冷却剂，吹氧冶炼铁水，渣中V₂O₅大于20％，所得的富钒渣进下一电炉预还原，铁水运转炉炼钢。

9、富钒渣进入小电炉后，加入焦粒作还原剂，加入石灰调整炉渣碱度，渣中V₂O₅大于30％时，将渣倒入渣缸，所得高钒渣送下一电炉冶炼钒铁，铁水送转炉炼钢。

10、高钒渣进入电炉，加入硅铁还原，熔清后再加入铝块冶炼，得到钒铁。提钒精渣部分返回下一炉冶炼，部分作小电炉提钒冷却剂。

11、电炉熔分的钛渣送到渣处理系统，加入钛铁、铝粒和氧化钙，反应完毕后冷却，得钛铁。