呂亞男1，郭宇峰2，陳棟3
（1．蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州215104；
2．中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083；
3．蘇州大學(xué)沙鋼鋼鐵學(xué)院，江蘇蘇州215021）
摘要：對(duì)釩鈦磁鐵精礦預(yù)還原球團(tuán)熔融還原冶煉中添加劑的影響進(jìn)行了研究，并對(duì)渣型制度進(jìn)行了優(yōu)化。熔融還原渣堿度、添加劑氧化鎂和氧化鋁對(duì)釩鈦磁鐵精礦的熔融還原作用明顯。在添加劑作用下，1500℃電爐冶煉10min后的熔融還原產(chǎn)物為含96.9％鐵、0.52％釩的生鐵，以及含66.13％ TiO2的熔融還原渣，實(shí)現(xiàn)了釩鈦磁鐵精礦冶煉中鐵釩和鈦的有效分離。
關(guān)鍵詞：釩鈦磁鐵精礦；預(yù)還原；添加劑；熔融還原
對(duì)復(fù)雜釩鈦磁鐵精礦的主要有價(jià)元素鐵、鈦和釩的回收利用研究始于20世紀(jì)60年代。由于釩鈦磁鐵礦中各礦物緊密共生，相互嵌布［1-2］，因此有效分離回收其中的有價(jià)元素成為一個(gè)重要課題。處理釩鈦磁鐵精礦的方法有回轉(zhuǎn)窯—電爐法［3-4］、高爐—轉(zhuǎn)爐法［5-6］、還原—磨選法［7-8］和熔融還原法［9］等。這些方法在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)釩鈦磁鐵礦的應(yīng)用，但均存在著一定的局限性。
高爐法具有可控性差、強(qiáng)滯后性以及生產(chǎn)局限性等不足，且易造成環(huán)境污染［10］。還原—磨選法通過(guò)選擇性還原和球磨磁選后可獲得鐵粉精礦和富釩鈦料［11］。然而，還原—磨選法生產(chǎn)規(guī)模較小，且釩鈦磁鐵精礦還原溫度較高，容易造成生產(chǎn)事故。采用回轉(zhuǎn)窯—電爐法冶煉釩鈦磁鐵精礦時(shí)，容易產(chǎn)生泡沫渣，尤其當(dāng)爐渣中TiO2含量大于30％時(shí)，冶煉無(wú)法進(jìn)行［12］。
與普通鐵礦石比較，盡管釩鈦磁鐵礦的熔融還原速度較慢，但并未產(chǎn)生大量的泡沫渣，有利于釩鈦磁鐵礦的熔融冶煉［13-14］。在適宜的還原制度下，對(duì)釩鈦磁鐵精礦進(jìn)行熔融還原可得到鐵品位較高的含釩生鐵和含鈦熔渣［9］。熔融還原過(guò)程中爐渣對(duì)冶煉過(guò)程的進(jìn)行以及冶煉產(chǎn)物的組成起著舉足輕重的作用，而添加劑可以通過(guò)調(diào)整爐渣的成分進(jìn)而對(duì)熔融產(chǎn)物產(chǎn)生影響。因此本文探討了電爐冶煉釩鈦磁鐵精礦過(guò)程中，堿性添加劑對(duì)熔融還原冶煉的作用。
1 試驗(yàn)原料及方法
研究對(duì)象為釩鈦磁鐵精礦，還原劑包括用于制備預(yù)還原球團(tuán)的還原煤和用于進(jìn)行電爐熔融還原的無(wú)煙煤，原料及煤的成分分析結(jié)果見(jiàn)文獻(xiàn)［15］。
研究過(guò)程包括球團(tuán)的制備、球團(tuán)的氧化—預(yù)還原以及電爐熔融冶煉［16］。球團(tuán)制備使用直徑1m的圓盤(pán)造球機(jī)。球團(tuán)在105℃恒溫真空干燥箱中干燥后，在直徑50mm恒溫900℃的臥式電阻爐中氧化6min。氧化球團(tuán)與還原煤混合在直徑60mm的豎式電阻爐中還原后經(jīng)保護(hù)性氣體冷卻制備出預(yù)還原球團(tuán)。進(jìn)行熔融還原冶煉時(shí)，將釩鈦磁鐵精礦預(yù)還原球團(tuán)、無(wú)煙煤及其它添加劑置于反應(yīng)容器中，在1500℃及保護(hù)性氣體作用下熔融還原10min。熔融還原產(chǎn)物冷卻后，分離還原產(chǎn)物的渣鐵并取樣分析。熔融還原產(chǎn)物的物相采用D／max－rA 型X－射線衍射儀分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 堿度對(duì)熔融還原的影響
堿度（CaO／SiO2）對(duì)釩鈦磁鐵精礦熔融還原產(chǎn)物生鐵的影響見(jiàn)圖1。
由圖1a可知，熔融還原生鐵產(chǎn)物的鐵品位和鐵回收率在堿度范圍0.9到1.2區(qū)間內(nèi)隨堿度的升高而增加。當(dāng)堿度大于1.2時(shí)，生鐵鐵品位開(kāi)始下降。提高堿度有利于生鐵中鈦的脫除，當(dāng)堿度從0.9提升到1.4時(shí)，生鐵中鈦含量減少了～80％。由圖1b可知，當(dāng)堿度小于1.2時(shí)釩含量和回收率有所提升，隨后呈下降趨勢(shì)。當(dāng)堿度為１．２時(shí)，生鐵中釩的含量和釩回收率最高，分別為0.43％和76.59％。當(dāng)堿度繼續(xù)提高到1.2以上時(shí)，生鐵中的釩含量及釩回收率同時(shí)降低，說(shuō)明高堿度會(huì)對(duì)熔融還原時(shí)釩進(jìn)入生鐵中產(chǎn)生不良影響。
在外配煤存在下且溫度低于1800K 時(shí)，CaO與FeTiO3容易生成鈣鈦礦而進(jìn)入渣中。所以，提高堿度能夠有效抑制鈦氧化物的還原，進(jìn)而降低生鐵中的鈦含量，且鈣鈦礦可有效減少渣中的低價(jià)鈦，降低熔渣黏度，易于冶煉。然而，過(guò)量CaO會(huì)提高爐渣堿度，進(jìn)而提升熔融還原渣的熔化溫度，使熔融還原渣的顆粒物增多，進(jìn)而增大爐渣黏度，不易于熔融還原的進(jìn)行。綜上所述，適宜的渣堿度應(yīng)為1.2。
2.2 氧化鎂含量對(duì)熔融還原的影響
由圖2可知，氧化鎂對(duì)電爐熔融還原產(chǎn)物生鐵影響顯著，尤其是對(duì)生鐵中的鐵品位和釩含量。生鐵中鐵品位隨著氧化鎂含量的增加而減少，從氧化鎂為4％時(shí)的97.21％降低到了10％時(shí)的94.98％。同時(shí)，生鐵中的鈦含量也隨之小幅上升，上升幅度為0.07％。提高氧化鎂的用量，生鐵中的釩含量以及釩回收率均有所升高，釩含量從0.50％提高到了0.64％，釩回收率提高了3.58％。添加適量的MgO可與釩鈦磁鐵精礦還原產(chǎn)物中的FeTiO3結(jié)合生成鈦酸鎂而進(jìn)入爐渣中，然而繼續(xù)提高氧化鎂用量，形成的鈦酸鎂可以還原生成鈦氧化物，惡化爐渣的流動(dòng)性，不利于熔融冶煉。由此，當(dāng)熔融還原渣中的氧化鎂含量控制在6％時(shí)，生鐵中鐵品位、釩含量以及鐵釩回收率均較好。
2.3 氧化鋁含量對(duì)熔融還原的影響
氧化鋁添加劑對(duì)釩鈦磁鐵精礦熔融還原生鐵的影響見(jiàn)圖3。當(dāng)熔融還原熔渣中氧化鋁含量從9％提高到16％時(shí)，生鐵中的鐵品位下降較為明顯，從96.9％降低到94.87％，但鐵回收率無(wú)明顯變化。氧化鋁含量對(duì)釩的回收率影響較大，隨著氧化鋁含量的升高，生鐵中釩的回收率先有所升高，在氧化鋁含量達(dá)到14％時(shí)，出現(xiàn)峰值為82.81％，當(dāng)氧化鋁含量大于14％后，開(kāi)始下降。然而氧化鋁含量對(duì)生鐵中釩的富集作用并不突出，在氧化鋁含量達(dá)到14％時(shí)，釩含量?jī)H增加至～0.58％。而生鐵中的鈦含量當(dāng)氧化鋁含量從9％增加到12％時(shí)，也僅降低了0.04個(gè)百分點(diǎn)，依然不利于鈦在渣中的富集回收。這是因?yàn)锳l2O3是一種弱酸性氧化物，過(guò)量的Al2O3能夠提高熔化性溫度，不利于冶煉進(jìn)行。因此，爐渣中氧化鋁的含量不宜較高，應(yīng)保持在9％。
2.4 熔融還原產(chǎn)物的特性
當(dāng)釩鈦磁鐵精礦熔融還原渣堿度為1.2、氧化鎂含量為6％以及氧化鋁含量為9％時(shí)，熔融還原后，可獲得含96.9％鐵、0.52％釩的生鐵。對(duì)熔融還原冶煉產(chǎn)物的生鐵進(jìn)行了物相分析，由圖4可知，電爐冶煉獲得的生鐵中的主要物相為金屬鐵。冶煉渣中的鐵品位為0.64％，V2O5含量為0.02％，TiO2的含量為66.13％。采用還原釩鈦磁鐵精礦球團(tuán)熔融還原技術(shù)可以將鐵和釩富集到生鐵中，可用于后續(xù)提釩煉鋼，同時(shí)獲得的含鈦富集渣可用于制鈦。
3 結(jié)論
爐渣堿度、氧化鎂和氧化鋁對(duì)釩鈦磁鐵精礦熔融還原產(chǎn)物的影響顯著。在熔融還原渣堿度、氧化鎂用量和氧化鋁用量分別為1.2、6％和9％時(shí)，預(yù)還原球團(tuán)在1500℃還原10min后，獲得含96.9％鐵和0.52％釩的生鐵，以及含66.13％TiO2的渣。實(shí)現(xiàn)了鐵釩與鈦的有效分離。
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