張明遠 秦皓臻 馬帥超

(重慶科技學院冶金與材料工程學院， 重慶 401331)

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釩鈦礦煤基直接還原實驗研究

張明遠 秦皓臻 馬帥超

(重慶科技學院冶金與材料工程學院， 重慶 401331)

通過釩鈦磁鐵精礦的直接還原實驗，研究不同配碳量、溫度和粒度條件對還原結(jié)果的影響，并用磁選分離法測定其還原后的金屬化率。實驗結(jié)果表明，釩鈦磁鐵礦直接還原實驗室最優(yōu)條件為配碳量13%，還原溫度1 350 ℃，而礦粉粒度則是越小越好。該條件下所得實驗樣品的金屬化率為96.72%。

釩鈦磁鐵礦；直接還原；配碳量；金屬化率

釩鈦磁鐵礦中的釩、鈦等資源具有非常高的應用價值。為了解決資源短缺的問題，必須對釩鈦磁鐵礦進行合理開發(fā)和利用[1]。

本次研究中，將通過煤基直接還原[2]的方法，還原釩鈦磁鐵礦中的絕大部分鐵，使鈦以其氧化物的形式進入到爐渣中，實現(xiàn)鐵和鈦的有效分離，從而得到鈦含量較高的高鈦渣。通過直接還原實驗，研究鐵在直接還原過程中存在的形式，分析不同因素對釩鈦磁鐵礦直接還原后金屬化率的影響規(guī)律。

1 實驗原料及方法

1.1 實驗材料及設(shè)備

實驗材料選用青杠坪的釩鈦磁鐵精礦粉、煤粉、膨潤土。實驗設(shè)備有微型燒結(jié)機、高速多功能粉碎機、高溫還原爐、WDS-10QT型球團壓力試驗機等，以及電子天平、壓塊制樣模具、熱電偶等。

1.2 實驗方法

混合料塊質(zhì)量為10 g，以釩鈦磁鐵精礦粉為主料，煤粉為還原劑，配加2%的膨潤土，用球團壓力試驗機將混合料壓制成樣，置于實驗設(shè)備微型燒結(jié)機中發(fā)生還原反應。對反應后的產(chǎn)物進行破碎和磁選分離，分離出還原樣中的鐵，計算其金屬化率：

(1)

式中：η—— 金屬化率，%；

MFe—— 還原產(chǎn)品中金屬鐵的含量，%；

TFe—— 還原產(chǎn)品中全鐵含量，%。

具體實驗方案如下：

(1) 以配碳量為實驗變量，實驗方案如表1所示。

表1 以配碳量為變量的實驗方案

(2) 以溫度為實驗變量時，實驗方案如表2所示。

表2 以溫度為變量的實驗方案

(3) 以釩鈦精礦粉粒度為實驗變量，實驗方案如表3所示。

表3 以粒度為變量的實驗方案

2 釩鈦磁鐵礦直接還原實驗分析

2.1 配碳量的影響

釩鈦磁鐵礦含鐵氧化物種類繁多且反應過程復雜。為了簡化反應過程，可視其為三氧化二鐵與碳的反應，反應氧化物的質(zhì)量為10 g。設(shè)反應所需碳的質(zhì)量為x，其反應方程式為：

(1)

配碳比例分別取5%(0.5 g)、8%(0.8 g)、10%(1.0 g)、13%(1.3 g)、15%(1.5 g)，剩余部分由添加釩鈦磁鐵精礦粉配足，攪拌混勻，壓制成塊；然后，分別將不同配碳比例的樣品在1 250 ℃下還原40 min。

(1) 磁選實驗數(shù)據(jù)分析。對該試樣進行磁選，得到表4所示實驗數(shù)據(jù)。

表4 磁選數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)式(1)的計算結(jié)果，得到表5所示各配碳量下釩鈦磁鐵礦還原的金屬化率。

表5 不同配碳量下還原的金屬化率

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)，得到配碳比與金屬化率的關(guān)系曲線圖(見圖1)。

隨著配碳量的增加，釩鈦磁鐵礦還原后的金屬化率也隨之增加。當配碳量從5%提升到10%時，金屬化率也急速升高；配碳量從10%增大到13%的過程中，金屬化率的增加幅度大大降低；當配碳量超過13%之后金屬化率基本沒有增加。出現(xiàn)上述規(guī)律的原因是，碳在反應過程中成為了主要影響元素。當配碳量低于10%時，碳不足以將釩鈦磁鐵礦中的鐵全部還原出來，當碳全部消耗完全時也只是還原出了其中的一部分鐵。當配碳量在10%到13%時，金屬化率變化很小，此時配碳量基本達到飽和，加入的碳能剛好將釩鈦磁鐵礦中的鐵還原完全。當配碳量超過13%之后，金屬化率基本沒有變化，配碳量從13%提升至15%時，金屬化率幾乎沒有變化。說明此時的碳含量已經(jīng)過飽和，當釩鈦磁鐵礦中的鐵被還原完全之后還有剩余的碳。

圖1 配碳比與金屬化率的關(guān)系曲線圖

釩鈦磁鐵礦直接還原的金屬化率隨著配碳量的增加而增加，當配碳量大于13%之后金屬化率增加幅度基本為零。因此，釩鈦磁鐵礦直接還原的最佳配碳量為13%。

2.2 溫度的影響

釩鈦磁鐵礦精礦中的鐵主要存在于磁鐵礦、赤鐵礦、鈦鐵礦中[3]，磁鐵礦和赤鐵礦中的鐵比較容易還原，而鈦鐵礦中的鐵較難還原[4-5]。在此，對鈦鐵礦的還原過程進行熱力學研究，反應的標準吉布斯自由能通過吉布斯自由能函數(shù)法來計算[6-7]：

FeTiO3(s)+2C(s)=Fe(s)+TiO(s)+2CO(g)

(2)

ΔG=245 976.6-175.2T

起始反應溫度為1 131 ℃。由此，在配碳量為10%，溫度分別在1 100、1 150、1 200、1 250、1 300、1 350和1 400 ℃等7種不同條件下，經(jīng)過40 min的還原，分析釩鈦磁鐵礦直接還原結(jié)果的影響。將實驗樣品破碎后進行渣鐵磁選分離，得到了表6所示實驗數(shù)據(jù)。

根據(jù)式(2)，計算得到各個還原溫度條件下釩鈦磁鐵礦直接還原后的金屬化率(見表7)。

根據(jù)表7中的實驗數(shù)據(jù)，得到圖2所示還原溫度與金屬化率曲線圖。

表6 磁選數(shù)據(jù)記錄

表7 不同反應溫度條件下樣品的金屬化率

圖2 還原溫度與金屬化率曲線圖

通過以上實驗數(shù)據(jù)可以看出，在保持配碳量為10%不變的條件下，每組樣品經(jīng)40 min還原反應后，實驗樣品的金屬化率隨著溫度的升高而不斷增大。當溫度從1 100 ℃升到1 250 ℃的過程中，實驗樣品所得的金屬化率從15.97%迅速提高到93.31%，升幅較高。由此發(fā)現(xiàn)，當還原溫度小于1 250 ℃時，溫度是整個反應過程的限制性因素，對釩鈦磁鐵礦的直接還原結(jié)果影響很大。然而，當實驗溫度超過1 250 ℃之后，試樣的金屬化率增幅非常小；當溫度升高至1 350 ℃時，試樣的金屬化率達到最高值94.83%。溫度升高使得成本增加、耗時延長，由此對設(shè)備壽命產(chǎn)生影響。因此，釩鈦磁鐵礦直接還原的最佳溫度為1 350 ℃。

2.3 礦粉粒度影響

本實驗中，分別對粒度30目(0.5 mm)、120目(0.125 mm)和200目(0.074 mm)的常見釩鈦磁鐵精礦粉進行了直接還原?；旌狭?0 g中固定配碳10%，膨潤土2%，在1 250 ℃的高溫下反應40 min，再將還原后的樣品進行破碎磁選，計算其金屬化率。渣鐵磁選分離實驗數(shù)據(jù)記錄如表8所示。

表8 磁選分離實驗數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)表8中的實驗數(shù)據(jù)，通過式(2)計算得到釩鈦磁鐵精礦粉直接還原后的金屬化率(見表9)。

表9 不同粒度釩鈦磁鐵礦直接還原后的金屬化率

根據(jù)表9中的數(shù)據(jù)，制作出釩鈦磁鐵礦的粒度與直接還原后金屬化率的關(guān)系曲線圖(見圖3)。

圖3 礦粉粒度與金屬化率的關(guān)系曲線圖

分析發(fā)現(xiàn)，釩鈦磁鐵礦直接還原的金屬化率隨著礦粉粒度的減小而升高。當?shù)V粉粒度為30目時，釩鈦磁鐵礦直接還原后樣品的金屬化率為73.49%；當粒度為120目時，其金屬化率提高到了90.28%，相比增加了16.79%；當粒度縮小至200目時，釩鈦磁鐵礦的金屬化率提高到了95.36%，相對于120目時提高了5.08%。粒度為30～120目的礦粉金屬化率提升幅度較大，大約為120～200目礦粉金屬化率提升幅度的3倍。由此可以看出，礦粉粒度越小，直接還原的程度就越高，其金屬化率也越高。

3 結(jié) 語

從配碳量對釩鈦磁鐵礦直接還原的影響規(guī)律來看，隨著配碳量的不斷增加，釩鈦磁鐵礦的直接還原也進行得越徹底，即還原后樣品的金屬化率變得越來越高。當配碳量為5%～13%，還原后樣品的金屬化率增幅較大，增量為27.14%；當配碳量超過13%之后，還原后樣品的金屬化率增幅非常小，配碳量由13%提高到15%時，還原后樣品的金屬化率幾乎沒有變化。配碳量為13%時還原效果最佳。

從還原溫度對釩鈦磁鐵礦直接還原的影響規(guī)律來看，釩鈦磁鐵礦直接還原后樣品的金屬化率隨著溫度的升高也隨之增大。當溫度從1 100 ℃升高1 250 ℃時，試樣的金屬化率由15.97%提高到了93.31%，提升量為77.34%；當溫度大于1 250 ℃之后，金屬化率的增幅比較小，從1 250 ℃到1 350 ℃樣品的金屬化率提高了1.52%。然而當溫度升高到1 400 ℃時，樣品的金屬化率相對于1 350 ℃時降低了1.3%。最佳還原溫度應該為1 350 ℃。

從礦粉粒度對釩鈦磁鐵礦直接還原的影響規(guī)律來看，礦粉的粒度越小，則釩鈦磁鐵礦直接還原進行的程度越高，即金屬化率越高。當粒度從30目減小到120目時，金屬化率提高了16.79%；當粒度從120減小到200目時，金屬化率提高了5.08%。礦粉粒度應該是越小越好。

綜上所述，釩鈦磁鐵礦直接還原的實驗室最優(yōu)條件為配碳量13%、還原溫度1 350 ℃，礦粉粒度越小越好。

[1] 白勝慶.中國和世界鋼鐵企業(yè)發(fā)展新動態(tài)[J].發(fā)展動態(tài)，2008，15(3)：56-58.

[2] 洪流，丁躍華，謝洪恩.釩鈦磁鐵礦轉(zhuǎn)底爐直接還原綜合利用前景[J].金屬礦山，2007(1)：1-6.

[3] 李海連. 釩鈦磁鐵礦精礦直接還原研究[D].沈陽：東北大學，2011：10-20.

[4] HAGGERTY S E, LINDSLEY D H.Statility of the pseudobrookile (Fe2TiO5)-ferropseudobrookite (Fe2TiO5) series [J].Rep.Dir. geophys.Lab.Camegie Instn，1968，68：9-24.

[5] FETISOV V B .Mechanism of reduction of iron metatita hate [J].Engl.Trans.of Izv.Akad.Nauk SSSR Metally，1969(1)：47-50.

[6] 葉大倫，胡建華.實用無機物熱力學數(shù)據(jù)手冊：第2版[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002：1-25.

[7] 林傳仙，白正華，張哲儒.礦物及有關(guān)化合物熱力學數(shù)據(jù)手冊[M].北京：科學出版社，1985：110-140.

Experimental Study of Vanadium Titanium Magnetite Coal-Based Direct Reduction

ZHANGMingyuanQINHaozhenMAShuaichao

(School of Metallurgy and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

By direct reduction of vanadium titanium magnetite concentrate experiments, this thesis studied the impact of different carbon content, temperature and particle size on the reduction result, and magnetic separation method was applied to determine the reduction rate of metallization. The experimental results show the optimal conditions for vanadium titanium magnetite concentrate direct reduction reaction are: the carbon content 13%, the temperature 1 350 ℃ and mineral powder particle size as small as possible. The metallization rate of the sample under this condition is 96.72%.

V-Ti magnetite; direct reduction; carbon content; metallization rate

2017-01-04

重慶市教委科學研究項目“基于冶金高爐的垃圾飛灰高溫焙融處理應用基礎(chǔ)研究”(KJ111419)；重慶市教改項目“冶金材料類課程群實驗課程標準的建設(shè)研究與實踐”(2016118)

張明遠(1971 — )男，甘肅白銀人，教授，研究方向為鋼鐵冶金工藝及資源環(huán)保優(yōu)化利用。

TF041

A

1673-1980(2017)02-0084-04