采用直线移动床预还原-竖炉熔分工艺制备钒铁金属间化合物和钛渣的方法

摘要

本发明公开了一种采用直线移动床预还原-竖炉熔分工艺制备钒铁金属间化合物和钛渣的方法，该方法首先将原料配制成粉状混合料，然后对粉状混合料进行制球，并对球团进行干涉处理，经干燥后的球团经直线移动床预还原处理后进入竖炉中进行熔分处理，从而得到钒铁金属间化合物材料和钛渣。本发明的方法制备工艺简单可控，生产成本低廉。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对矿物进行分离的方法，更特别地说，是指一种对钒钛铁混合矿进行工业化生产钒铁金属间化合物和钛渣的分离方法。 

背景技术

不同产地的原矿(毛矿)选冶可行性不尽相同。一般对于原矿(毛矿)选冶大体分两种，一种是通过选矿分别得到工业上可进一步处理的合格铁精矿和钛精矿，铁精矿通过配备一定数量的富铁矿，可以通过高炉冶炼，得到生铁；钛精矿通过碳热还原熔炼得到高钛渣，还可以进一步深加工；另外一种对品位低并且难选难冶的原矿(毛矿)，很难通过选矿手段得到合格的铁精矿和钛精矿，至今没有很好的办法处理。 

钒钛铁混合矿不仅是铁的重要来源，而且伴生的钒、钛、铬、铂族和钪等多种组份，具有很高的综合利用价值。通过钒、钛、铁分离，得到钒铁金属间化合物和钛渣。钒铁金属间化合物，是钒微合金钢的重要原料，用来生产耐磨钢、高强度钢等。钛渣是生产钛白粉和金属钛和钛合金的重要原料。 

钒钛铁分离主要方法有回转窑-电炉法、转底炉-电炉法、隧道窑-电炉法。回转窑-电炉法由于回转窑易结圈，影响设备正常运转，难以大规模工业应用；转底炉-电炉法和隧道窑-电炉法生产效率低，造成生产成本高。 

发明内容

本发明的目的是采用直线移动床进行预还原，在预还原过程中通入煤气或天然气，然后在改进型竖炉中进行熔分制备钒铁金属间化合物和排出钛渣。 

本发明的一种采用直线移动床预还原-竖炉熔分工艺制备钒铁金属间化合物和钛渣的方法，其特征在于包括有下列步骤： 

步骤一：制混料 

将钒钛铁混合矿、粘结剂、还原剂和水采用机械搅拌球磨机中进行混合30分钟～60分钟，得到混合炉料； 

用量：1000公斤的钒钛铁混合矿中加入粘结剂3公斤～5公斤、还原剂100公斤～150公斤和水50公斤～100公斤； 

粘结剂为聚阴离子纤维素(PAC)、木质素磺酸钠、腐殖酸钠、羧甲基纤维素； 

还原剂为无烟煤、石油焦、木炭； 

步骤二：制球 

将混合炉料在球团成型机上压成直径为4厘米、厚度为3厘米的球团，压力为30MPa～60MPa； 

采用电热干燥箱对球团进行干燥脱水，球团含水量降到1％以下，制得干燥球团；干燥温度为120℃～150℃，时间为1小时～3小时； 

步骤三：预还原金属化球团 

将干燥球团置于平面双向直线移动床上，并吹入煤气在移动过程中进行预还原40min～80min，制得还原后的球团； 

平面双向直线移动床上移动着多个盛装干燥球团的台车，台车四面有炉壁，有利于球团的装料和卸料，加热炉长度L＝4米，台车运行速度0.1m/min～0.2m/min；预热区的温度设置为600℃～1250℃，还原区的温度设置为1250℃～1450℃，冷却区的温度设置为600℃～1200℃； 

步骤四：竖炉熔分钒铁金属间化合物和钛渣 

还原后的金属化球团在高温传送机的运输过程中，被输入改进型竖炉中，在1500℃～1650℃条件下，得到熔融钒铁金属间化合物和钛渣； 

改进型竖炉是在现有竖炉上增加了喷枪、引风机、篦子；篦子将竖炉的炉体分为熔分区域和盛铁炉缸两个部分，在煤气喷枪和煤粉喷枪提供的燃料条件上，使连续进入的还原后球团被熔炼分离；由于钛和钒是以氧化物的形式存在于熔化的铁水中，故经篦子流入盛铁炉缸中，最后经出料口排出竖炉个，而篦子之上剩下的主要成分为高钛渣的渣料将从渣口排出；其中一个喷枪喷入的煤粉在另一喷枪喷入的煤气在燃烧过程中，也对还原后球团进行了再次的还原；同时也在竖炉风口前形成熔分回旋区，炉内粉煤燃烧，为竖炉内金属化球团深度还原和熔分提供热量，篦子以下为液态钒铁水； 

喷枪用于实现向炉内连续供物料，该物料可以是燃料、辅料、助剂等； 

引风机用于实现将反应过程中产生的气体排出炉外； 

篦子用于实现将熔融状态下的熔分物漏入盛铁炉缸中，而未经熔化的钛渣将在篦子上方； 

还原后球团经进料口连续进入改进型竖炉中的熔分区，同时喷枪喷射出的煤气和煤矿粉在熔分区燃烧，燃烧产生的热量足够让还原后球团熔化，使单质的铁水、钒水和氧化物形式存在的钛、钒分离。 

本发明制备方法的优点： 

①在平面双向直线移动床上通过控制还原温度和催化剂用量，可以实现铁的氧化物最大限度还原，而钛和钒都以氧化物状态存在于渣中，为后步熔融还原作业降低能耗奠定基础，平面双向直线移动床特点是生产率高。 

②用竖炉实现渣铁分离，其中钒的氧化物得到还原进入铁水，由于是放热反应，生产成本低，并且钒铁金属化合物与钛渣得到良好分离，钒铁金属化合物的产率为40％～50％。 

③平面双向直线移动床-竖炉法生产效率高、能耗低、金属化率高、金属回收率高。本发明生产方法从钒钛铁混合矿矿中回收钒铁金属间化合物的回收率达到90％。本发明钒钛铁分离工艺，无环境污染，易于工业化推广，社会效益和经济效益显著。 

附图说明

图1是本发明从钒钛铁混合矿中分离出钒铁金属间化合物和钛渣的工业化生产流程框图。 

图2是本发明使用的平面双向直线移动床的侧面示意图。 

图2A是为了实用于本发明的冶炼对现有竖炉进行改进后的竖炉剖面示意图。 

图3是被熔炼产物-钒钛铁混合矿的XRD图。 

图4是经本发明实施例1方法制得的钒铁金属间化合物的XRD图。 

图4A是经本发明实施例1方法制得的钒铁金属间化合物的能谱图。 

图5是经本发明实施例1方法制得的钛渣的XRD图。 

图5A是经本发明实施例1方法制得的钛渣的能谱图。 

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。 

参见图1所示，本发明是一种采用直线移动床预还原-竖炉熔分法制备钒铁金属间化合物和钛渣的生产工艺，其工艺包括有下列生产步骤： 

步骤一：制混料 

将钒钛铁混合矿、粘结剂、还原剂和水(可以是自来水、清澈的山泉水等)采用机械搅拌球磨机中进行混合30分钟～60分钟，得到混合炉料； 

用量：1000公斤的钒钛铁混合矿中加入粘结剂3公斤～5公斤、还原剂100公斤～150公斤和水50公斤～100公斤。 

在本发明中，粘结剂为聚阴离子纤维素(PAC)、木质素磺酸钠、腐殖酸钠、羧甲基纤维素； 

所述聚阴离子纤维素PAC，含量为99％，主要成分为碳氢化合物，其他杂质微量，不含氯，外观白色或微黄色粉末和颗粒。碳化温度230℃，燃烧温度375℃。燃烧生成物为二氧化碳和水，燃烧不产生二恶英的物质。 

在本发明中，还原剂为无烟煤、石油焦、木炭； 

所述无烟煤的灰分含量8％、挥发分含量9.5％，固定碳含量82.5％，粒径为0.1mm～1mm。 

所述石油焦固定碳含量94％，粒径为0.1mm～1mm。 

所述木炭固定碳含量96％，粒径为0.5mm～1mm。 

步骤二：制球 

将混合炉料在球团成型机上压成直径为4厘米、厚度为3厘米的球团，压力为30MPa～60MPa；球团落下强度：0.7米二次不破裂；球团平均抗压强度：1304.77牛/个(共测定60个球团)； 

采用电热干燥箱对球团进行干燥脱水，球团含水量降到1％以下，制得干燥球团；干燥温度为120℃～150℃，时间为1小时～3小时； 

在本发明中，干燥球团落下强度：5米一次不破裂；热强度：1000℃不粉化。 

步骤三：预还原金属化球团 

将干燥球团置于平面双向直线移动床上，并吹入煤气在移动过程中进行预还原40min～80min，制得还原后的球团； 

在本发明中，平面双向直线移动床上移动着多个盛装干燥球团的台车，台车四面有炉壁，有利于球团的装料和卸料。一般加热炉长度L＝4米，台车运行速度0.1m/min～0.2m/min。在平面双向直线移动床的长度L范围内设置有落地炉罩和 螺杆烧嘴，并且床在移动方向上分为三个区(如图2所示)，即预热区、还原区和冷却区。在本发明中预热区的温度设置为600℃～1250℃，还原区的温度设置为1250℃～1450℃，冷却区的温度设置为600℃～1200℃。 

在本发明中，吹入煤气助燃能够使得金属化球团中的铁被还原，以单质铁形式存在；而钛和钒仍以氧化物的形式存在。 

在本发明中，平面双向直线移动床在燃烧着的煤气提供的热能条件下，对干燥球团进行分离处理，而煤气的流量不作要求，只需保证干燥球团在预热区和还原区煤气是燃烧着的即可。采用平面双向直线移动床进行还原的处理，比常规的熔分炉节约了生产时间，并有利于工业化的生产。另一方面，为真正的产物分离提供了必要的条件同，使得产品的回收率提高。 

步骤四：竖炉熔分钒铁金属间化合物和钛渣 

还原后的金属化球团在高温传送机的运输过程中，被输入改进型竖炉(如图2A所示)中，在1500℃～1650℃条件下，得到熔融钒铁金属间化合物和钛渣。 

参见图2A所示的改进型竖炉，该改进型竖炉是在现有竖炉上增加了喷枪、引风机、篦子等；篦子将竖炉的炉体分为熔分区域和盛铁炉缸两个部分，在煤气喷枪和煤粉喷枪提供的燃料条件上，使连续进入的还原后球团被熔炼分离。由于钛和钒是以氧化物的形式存在于熔化的铁水中，故经篦子流入盛铁炉缸中，最后经出料口排出竖炉个，而篦子之上剩下的主要成分为高钛渣的渣料将从渣口排出。其中一个喷枪喷入的煤粉在另一喷枪喷入的煤气在燃烧过程中，也对还原后球团进行了再次的还原；同时也在竖炉风口前形成熔分回旋区，炉内粉煤燃烧，为竖炉内金属化球团深度还原和熔分提供热量，篦子以下为液态钒铁水。 

喷枪用于实现向炉内连续供物料，该物料可以是燃料、辅料、助剂等。 

引风机用于实现将反应过程中产生的气体排出炉外。 

篦子用于实现将熔融状态下的熔分物漏入盛铁炉缸中，而未经熔化的钛渣将在篦子上方。 

还原后球团经进料口连续进入改进型竖炉中的熔分区，同时喷枪喷射出的煤气和煤矿粉在熔分区燃烧，燃烧产生的热量足够让还原后球团熔化，使单质的铁水、钒水和氧化物形式存在的钛、钒分离。 

在本发明中，改进型竖炉为深度还原反应器，金属化球团可以连续供给，熔分用的热量通过喷枪连续供给，充分实现了工业化连续生产钒铁金属间氧化物的可能。 

在本发明中，制得的钒铁水可以直接或经过脱硫处理后供炼钢使用。 

实施例1

步骤一：制混料 

将钒钛铁混合矿、聚阴离子纤维素PAC(粘结剂)、无烟煤(还原剂)和自来水采用机械搅拌球磨机(ZJM-20周期式机械搅拌球磨机)中进行混合60分钟，得到混合炉料； 

用量：1000公斤的钒钛铁混合矿中加入粘结剂5公斤、还原剂100公斤和水100公斤。 

在本发明中，钒钛铁混合矿的成分为(质量百分比)：全铁(TFe)50.28％，二氧化钛(TiO₂)20.64％，五氧化二钒(V₂O₅)0.42％，SiO₂2.2％，MgO2.58％，CaO0.61％。参见图3所示的XRD分析图。 

步骤二：制球 

将混合炉料在球团成型机(设备型号QT300)上压成球团(直径为4厘米，厚度为3厘米)，压力为50MPa；球团落下强度：0.7米二次不破裂；球团平均抗压强度：1304.77牛/个(共测定60个球团)； 

采用电热干燥箱对球团进行干燥脱水，球团含水量降到1％以下，制得干燥球团；干燥温度为150℃，时间为2小时； 

在本发明中，干燥球团落下强度：5米一次不破裂；热强度：1000℃不粉化。 

步骤三：预还原金属化球团 

将干燥球团置于平面双向直线移动床(设备型号PSH4)上，并吹入煤气在移动过程中进行预还原60min，制得还原后的球团； 

在本发明中，平面双向直线移动床的预热区的温度设置为1150℃，还原区的温度设置为1450℃，冷却区的温度设置为800℃。 

金属化球团中的铁被还原，以单质铁形式存在；而钛和钒仍以氧化物的形式存在。 

在本发明中，对步骤二制得的干燥球团进行不同试样编号，即1号试样、2号试样、3号试样。分别对这三个试样进行预还原的不同温度处理。 

表1不同温度条件下熔分后的质量 

从表1可以看出，温度升高对干燥球团还原有利。当温度在1350℃时铁的回收率为79％，而在1450℃时铁的回收率达到95％，渣中磁性物含量也最少，即铁基本被去除。一般地在如此高温下，铁矿中的铁的氧化物还原速度很快，也很充分，因此，还原不是影响铁回收率的限制因素。但当温度升高时，铁和渣更容易熔化，并且熔渣的粘度降低，流动性更好，渣中铁晶粒也能够充分长大，聚集并形成3～8毫米的铁粒。 

表2温度1400℃下配煤量不同时渣铁熔分前后的质量平衡 

球团中的碳主要起两个作用(a)作为铁氧化物的还原剂；(b)当铁被还原以后，过量的碳渗透到铁中降低铁的开始熔化温度使铁熔化。 

但是如果碳过剩太多，分散于球团中的碳颗粒将阻止渣铁的聚集特别是铁的凝聚。从而给渣铁的分离造成困难。当配碳量为8％时，铁的回收率最高，在8～12％范围内对渣铁的分离影响不大，而当配碳量达到14％时，铁的回收率明显减少，铁 几乎成细小颗粒嵌布于渣中，渣铁难以分离，因此，合适的配碳量应在8～12％之间。 

当配煤量为10％，并且温度为1400℃时得到的块铁，渣铁容易分离。合理的还原熔分条件是：粘结剂添加量为0.3～0.5％；配煤量为8～12％；还原熔分温度为1400～1450℃。 

步骤四：竖炉熔分钒铁金属间化合物和钛渣 

还原后的金属化球团在高温传送机的运输过程中，被输入竖炉(如图2A所示)中，在1500℃条件下，得到熔融钒铁金属间化合物和钛渣。 

对制得的钒铁金属间化合物进行XRD分析，如图4所示。对制得的钒铁金属间化合物进行能谱分析，如图4A所示，制得的钒铁金属化合金的化学成分见表3。 

表3钒铁金属化合金的能谱分析结果 

对制得的钛渣进行XRD分析，如图5所示。对制得的钛渣进行能谱分析，如图5A所示，分离出的钛渣的化学成分见表4。 

表4钛渣的能谱分析结果 

采用实施例1的方法制得的钒铁金属化合物的产率为50％，1000公斤钒钛铁混合矿能够得到500公斤钒铁金属化合物。其余都为钛渣。 

实施例2

步骤一：制混料 

将钒钛铁混合矿、羧甲基纤维素(粘结剂)、木炭(还原剂)和自来水采用机械搅拌球磨机中进行混合30分钟，得到混合炉料；所述木炭固定碳含量96％，粒径为1mm。 

用量：1000公斤的钒钛铁混合矿中加入粘结剂3公斤、还原剂150公斤和水100公斤。 

在本发明中，钒钛铁混合矿的成分为(质量百分比)：全铁(TFe)50.28％，二氧化钛(TiO₂)20.64％，五氧化二钒(V₂O₅)0.42％，SiO₂2.2％，MgO2.58％，CaO0.61％。参见图3所示的XRD分析图。 

步骤二：制球 

将混合炉料在球团成型机上压成直径为4厘米、厚度为3厘米的球团，压力为30MPa；球团落下强度：0.7米二次不破裂；球团平均抗压强度：1304.77牛/个(共测定60个球团)； 

采用电热干燥箱对球团进行干燥脱水，球团含水量降到1％以下，制得干燥球团；干燥温度为120℃，时间为3小时； 

在本发明中，干燥球团落下强度：5米一次不破裂；热强度：1000℃不粉化。 

步骤三：预还原金属化球团 

将干燥球团置于平面双向直线移动床上，并吹入煤气在移动过程中进行预还原80min，制得还原后的球团；平面双向直线移动床中预热区的温度设置为600℃，还原区的温度设置为1250℃，冷却区的温度设置为1200℃。 

步骤四：竖炉熔分钒铁金属间化合物和钛渣 

还原后的金属化球团在高温传送机的运输过程中，被输入竖炉(如图2A所示)中，在1600℃条件下，得到熔融钒铁金属间化合物和钛渣。 

采用实施例2的方法制得的钒铁金属化合物的产率为45％，1000公斤钒钛铁混合矿能够得到450公斤钒铁金属化合物。其余都为钛渣。 

实施例3

步骤一：制混料 

将钒钛铁混合矿、腐殖酸钠(粘结剂)、石油焦(还原剂)和清澈的山泉水采用机械搅拌球磨机中进行混合40分钟，得到混合炉料； 

用量：1000公斤的钒钛铁混合矿中加入粘结剂4公斤、还原剂120公斤和水50公斤。 

在本发明中，钒钛铁混合矿的成分为(质量百分比)：全铁(TFe)50.28％，二氧化钛(TiO₂)20.64％，五氧化二钒(V₂O₅)0.42％，SiO₂2.2％，MgO2.58％，CaO0.61％。参见图3所示的XRD分析图。 

步骤二：制球 

将混合炉料在球团成型机上压成直径为4厘米、厚度为3厘米的球团，压力为60MPa；球团落下强度：0.7米二次不破裂；球团平均抗压强度：1304.77牛/个(共测定60个球团)； 

采用电热干燥箱对球团进行干燥脱水，球团含水量降到1％以下，制得干燥球团；干燥温度为150℃，时间为1小时； 

在本发明中，干燥球团落下强度：5米一次不破裂；热强度：1000℃不粉化。 

步骤三：预还原金属化球团 

将干燥球团置于平面双向直线移动床上，并吹入煤气在移动过程中进行预还原40min，制得还原后的球团；平面双向直线移动床的预热区的温度设置为800℃，还原区的温度设置为1200℃，冷却区的温度设置为600℃。 

金属化球团中的铁被还原，以单质铁形式存在；而钛和钒仍以氧化物的形式存在。 

步骤四：竖炉熔分钒铁金属间化合物和钛渣 

还原后的金属化球团在高温传送机的运输过程中，被输入竖炉(如图2A所示)中，在1650℃条件下，得到熔融钒铁金属间化合物和钛渣。 

采用实施例3的方法制得的钒铁金属化合物的产率为47％，1000公斤钒钛铁混合矿能够得到470公斤钒铁金属化合物。其余都为钛渣。