釩、鈦、鉻是世界公認(rèn)的重要戰(zhàn)略資源,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全的重要物質(zhì)保障,廣泛應(yīng)用于冶金、化工、航空航天、國(guó)防軍事等領(lǐng)域。高鉻型釩鈦磁鐵礦作為釩、鈦、鉻資源的重要載體,在我國(guó)儲(chǔ)量十分豐富,具有極高的綜合利用價(jià)值。但高鉻型釩鈦磁鐵礦屬于典型的多金屬共(伴)生復(fù)合礦,具有“貧、細(xì)、散、雜”的特點(diǎn),且有價(jià)礦物種類繁多、礦物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、賦存尺度微細(xì)且相互間緊密共生,故礦物加工和利用難度大。目前,高鉻型釩鈦磁鐵礦主要采用高爐-轉(zhuǎn)爐流程冶煉,有價(jià)組元利用率較低,環(huán)境負(fù)荷大。因此,如何高效清潔綜合利用高鉻型釩鈦磁鐵礦,提高有價(jià)組元利用率,是我國(guó)解決釩、鈦、鉻等資源戰(zhàn)略需求的重要途徑,對(duì)我鋼鐵行業(yè)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)意義重大。在總結(jié)和回顧前人研究的基礎(chǔ)上,本研究提出了高鉻型釩鈦磁鐵礦氣基豎爐直接還原-熔分新工藝。針對(duì)新工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié),以某進(jìn)口高鉻型釩鈦磁鐵礦為研究對(duì)象,進(jìn)行球團(tuán)氧化焙燒行為及固結(jié)機(jī)理、有價(jià)組元在球團(tuán)氧化焙燒過(guò)程中的耦合作用機(jī)制、氣基豎爐直接還原相變歷程及還原行為、氣基豎爐直接還原動(dòng)力學(xué)、熔分關(guān)鍵參數(shù)控制及其機(jī)理、熔分過(guò)程優(yōu)化及熔分行為等研究。高鉻型釩鈦磁鐵礦球團(tuán)氧化焙燒行為及固結(jié)機(jī)理研究表明,提高焙燒溫度和延長(zhǎng)焙燒時(shí)間,均有助于提球團(tuán)抗壓強(qiáng)度,適宜焙燒參數(shù)為:焙燒溫度1300℃和焙燒時(shí)間20 min。氧化焙燒過(guò)程中,有價(jià)組元的物相遷移規(guī)律為:Fe3O4 →Fe2O3;Fe2.75Ti0.25O4 → Fe9TiO15 + FeTiO3 → Fe9TiO15 + Fe2Ti3O9;Fe2VO4 →V2O3 → V2O3 + V1.7Cr0.3O3;FeCr2O4 → Cr2O3 → Fe1.2Cr0.8O3 + V1.7Cr0.3O3。高鉻型釩鈦磁鐵礦球團(tuán)的氧化固結(jié)過(guò)程可分為氧化(低于900℃)、再結(jié)晶-固結(jié)發(fā)育(900～1100℃)和再結(jié)晶-固結(jié)互聯(lián)(1100～1300℃)三個(gè)階段。高鉻型釩鈦磁鐵礦有價(jià)組元在球團(tuán)氧化焙燒過(guò)程中的耦合作用機(jī)制研究表明,鐵精礦中TiO2、V2O5、Cr2O3含量增加時(shí),球團(tuán)強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。Ti02有助于降低球團(tuán)還原膨脹,而V205和Cr203含量增多,球團(tuán)膨脹增大。TiO2V2O5耦合作用時(shí),兩者惡化球團(tuán)強(qiáng)度的作用進(jìn)一步加劇。TiO2V2O5Cr2O3耦合作用時(shí),球團(tuán)強(qiáng)度均低于TiO2、V2O5、Cr2O3單組元影響條件下的球團(tuán)強(qiáng)度。高鉻型釩鈦磁鐵礦球團(tuán)氣基豎爐直接還原相變歷程及還原行為研究表明,對(duì)于高鉻型釩鈦磁鐵礦這類較難還原的復(fù)合鐵礦資源,宜采用高還原溫度和高氫還原氣氛,推薦使用HYL-ZR氣基豎爐直接還原工藝。隨著還原溫度提高和還原氣氛中H2含量增多,球團(tuán)還原率不斷增大。在1100℃、H2/CO=5/2、CO2=5%條件下還原35 min,球團(tuán)還原率能達(dá)到95%。還原過(guò)程中,有價(jià)組元遷移規(guī)律為:Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe;Fe9TiO15+Fe2Ti3O9 → Fe2.75Ti0.25O4 → FeTiO3→ TiO2;V1.7Cr0.3O3 + V2O3 → V2O3 → Fe2VO4;Fe1.2Cr0.8O3 → Cr2O3 → FeCr2O4。還原初期球團(tuán)膨脹率急劇增大,而后出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),膨脹率增大變緩,接著球團(tuán)收縮。而在還原初期,球團(tuán)強(qiáng)度急劇下降,強(qiáng)度損失近80%。適當(dāng)增加還原氣中H2含量,有助于球團(tuán)獲得良好的還原膨脹及強(qiáng)度。高鉻型釩鈦磁鐵礦球團(tuán)氣基豎爐直接還原動(dòng)力學(xué)研究表明,提高還原溫度和增大還原氣氛中H2含量,可有效改善還原動(dòng)力學(xué)條件。基于多反應(yīng)界面的未反應(yīng)核模型,建立了高鉻型釩鈦磁鐵礦球團(tuán)氣基豎爐非等溫還原動(dòng)力學(xué)模型。當(dāng)給定還原氣氛及升溫速率時(shí),即可獲得任意還原條件下的動(dòng)力學(xué)模型,其相關(guān)系數(shù)均高于0.99,該模型能準(zhǔn)確描述高鉻型釩鈦磁鐵礦球團(tuán)氣基豎爐非等溫還原過(guò)程。高鉻型釩鈦磁鐵礦金屬化球團(tuán)熔分關(guān)鍵參數(shù)控制及機(jī)理研究表明,通過(guò)熔分,可獲得含釩鉻鐵和含鈦渣。配碳量太少,深還原及滲碳無(wú)法充分進(jìn)行,但過(guò)量的碳會(huì)導(dǎo)致鈦的過(guò)還原及渣黏度增大,不利于熔分進(jìn)行。CaF2可顯著降低渣的黏度,改善熔分動(dòng)力學(xué)條件。溫度對(duì)熔分過(guò)程動(dòng)力學(xué)的影響程度大于對(duì)熱力學(xué)的影響,適當(dāng)升高熔分溫度和延長(zhǎng)熔分時(shí)間,可有效改善熔分效果。在適宜范圍內(nèi)提高堿度,有助于增大渣系液相區(qū)域面積、降低熔分渣黏度、增大渣表面張力、降低渣熔點(diǎn),改善熔分動(dòng)力學(xué)條件。但堿度過(guò)高會(huì)引起渣熔點(diǎn)上升和過(guò)多渣量形成,不利于提高有價(jià)組元回收率。采用多指標(biāo)綜合加權(quán)評(píng)分法優(yōu)化高鉻型釩鈦磁鐵礦金屬化球團(tuán)熔分工藝研究表明,適宜工藝參數(shù)為:配碳比1.20、CaF2添加量2%、熔分溫度1650℃、熔分時(shí)間45 min、堿度1.10;對(duì)熔分效果影響主次為:堿度熔分溫度熔分時(shí)間。適宜條件下,Fe、V、Cr和Ti02的回收率分別為99.87%,98.26%,95.32%和95.04%,其相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為94.16%,0.94%,0.76%和38.21%,實(shí)現(xiàn)了鐵、釩、鉻與鈦的高效分離。高鉻型釩鈦磁鐵金屬化球團(tuán)熔分過(guò)程包括Fe-C熔體及鐵液形成、渣熔化開始及熔渣形成、渣鐵開始分離、鐵熔滴或熔渣持續(xù)聚集長(zhǎng)大及渣鐵分離四個(gè)關(guān)鍵行為,而鐵熔滴聚集長(zhǎng)大須經(jīng)過(guò)鐵熔滴自發(fā)形核、反應(yīng)界面形成和擴(kuò)大、反應(yīng)界面縮小及鐵熔滴聚集長(zhǎng)大三個(gè)過(guò)程。本研究提出的新工藝實(shí)現(xiàn)了高鉻型釩鈦磁鐵礦資源綜合利用的理論完善和方法創(chuàng)新,為攀枝花高鉻型釩鈦磁鐵礦大規(guī)模綜合利用工藝的設(shè)計(jì)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)和借鑒,有助于促進(jìn)高鉻型釩鈦磁鐵礦綜合利用技術(shù)的發(fā)展。
【學(xué)位單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TF55
【部分圖文】：

“北方流程”以及以后提釩為主要特征的“南方流程”。北方流程主要是釩鈦??磁鐵礦鈉化焙燒－水浸提釩－直接還原－電爐熔分、煉鋼－鈦渣提鈦，大致流程如??圖２．３所示，即釩鈦鐵精礦加入鈉化劑混合造球，球團(tuán)在回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行氧化、??鈉化焙燒，將釩鈦磁鐵鐵精礦中的Ｖ２０５轉(zhuǎn)化為可以溶于水的偏釩酸鈉，釩鈦??磁鐵精礦氧化鈉化球團(tuán)經(jīng)熱水浸出，從水溶液中萃取Ｖ２〇５。浸釩后的球團(tuán)采??用煤基回轉(zhuǎn)窯還原、冷卻、磁選得到鐵的金屬化率９０？９２％的還原球團(tuán)。還原??－１８－??

鋼水＾?？含鈦渣??圖２．３釩鈦磁鐵礦冶煉“北方流程”??Ｆｉｇ．?２．３?Ｎｏｒｔｈ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｓｍｅｌｔｉｎｇ?ｖａｎａｄｉｕｍ－ｂｅａｒｉｎｇ?ｔｉｔａｎｏｍａｇｎｅｔｉｔｅ??該流程的優(yōu)點(diǎn)在ｆ釩冋收率高（９０％左右?＞，電爐熔分獲得的爐渣Ｔｉ０２含??量接近于理論計(jì)算值，遠(yuǎn)高于高爐渣的Ｔｉ０２品位，ｎｊ？用酸法或氯化法生產(chǎn)合??格的鈦白粉。由Ｔ？熔分冶煉時(shí)沒(méi)打還原釩的仟?jiǎng)?wù)，鐵水中沒(méi)苻過(guò)量Ｔｉ，爐濟(jì)中??Ｔｉ?０２沒(méi)打產(chǎn)屮還原或過(guò)還原，故沒(méi)有高爐流程中出現(xiàn)的鐵水嚴(yán)ｍ?“粘罐”等Ｈ??題。但該流程提釩過(guò)積耑耍處理的物料貴過(guò)人，為Ｉ＂丨收０．４０％的釩必須處：ｆｉ｜！個(gè)??部的精礦，鈉化劑用量大，ｉｌ．?Ｗ提釩后殘留鈉鹽的影響，球Ｗ還原易產(chǎn)小膨脹、??粉化，造成提釩后球團(tuán)的回轉(zhuǎn)窯還原操作穩(wěn)定性差，洱加上采川Ｍ轉(zhuǎn)窯為還原??設(shè)備

賴?２１．３％?２０．６％?２０．２％??圖２．６?２０１５年不同直接還原工藝在良接還鐵屮所卩ｆ的比例??Ｆｉｇ．?２．６?Ｒａｔｉｏ?ｏｆ?ｗｏｒｌｄ?ＤＲＩ?ｂｙ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｄｉｒｅｃｔ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｉｎ?２０１５??圖２．７和圖２．８分別給出ｆ煤制氣－Ｍｉｄｒｅｘ和煤制＼－ＨＹＬ?７?（坫豎爐ｆｔ：接還??原工藝的大致流程。而Ｓ?ｆ我Ｍ卜富的煤炭資源條件
【參考文獻(xiàn)】

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