張明遠(yuǎn) 秦皓臻 馬帥超

(重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院， 重慶 401331)

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釩鈦礦煤基直接還原實(shí)驗(yàn)研究

張明遠(yuǎn) 秦皓臻 馬帥超

(重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院， 重慶 401331)

通過(guò)釩鈦磁鐵精礦的直接還原實(shí)驗(yàn)，研究不同配碳量、溫度和粒度條件對(duì)還原結(jié)果的影響，并用磁選分離法測(cè)定其還原后的金屬化率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，釩鈦磁鐵礦直接還原實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yīng)用價(jià)值。為了解決資源短缺的問(wèn)題，必須對(duì)釩鈦磁鐵礦進(jìn)行合理開(kāi)發(fā)和利用[1]。

本次研究中，將通過(guò)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(jìn)入到爐渣中，實(shí)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(guò)直接還原實(shí)驗(yàn)，研究鐵在直接還原過(guò)程中存在的形式，分析不同因素對(duì)釩鈦磁鐵礦直接還原后金屬化率的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料選用青杠坪的釩鈦磁鐵精礦粉、煤粉、膨潤(rùn)土。實(shí)驗(yàn)設(shè)備有微型燒結(jié)機(jī)、高速多功能粉碎機(jī)、高溫還原爐、WDS-10QT型球團(tuán)壓力試驗(yàn)機(jī)等，以及電子天平、壓塊制樣模具、熱電偶等。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(rùn)土，用球團(tuán)壓力試驗(yàn)機(jī)將混合料壓制成樣，置于實(shí)驗(yàn)設(shè)備微型燒結(jié)機(jī)中發(fā)生還原反應(yīng)。對(duì)反應(yīng)后的產(chǎn)物進(jìn)行破碎和磁選分離，分離出還原樣中的鐵，計(jì)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(shí)驗(yàn)方案如下：

(1) 以配碳量為實(shí)驗(yàn)變量，實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 以配碳量為變量的實(shí)驗(yàn)方案

(2) 以溫度為實(shí)驗(yàn)變量時(shí)，實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表2 以溫度為變量的實(shí)驗(yàn)方案

(3) 以釩鈦精礦粉粒度為實(shí)驗(yàn)變量，實(shí)驗(yàn)方案如表3所示。

表3 以粒度為變量的實(shí)驗(yàn)方案

2 釩鈦磁鐵礦直接還原實(shí)驗(yàn)分析

2.1 配碳量的影響

釩鈦磁鐵礦含鐵氧化物種類(lèi)繁多且反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化反應(yīng)過(guò)程，可視其為三氧化二鐵與碳的反應(yīng)，反應(yīng)氧化物的質(zhì)量為10 g。設(shè)反應(yīng)所需碳的質(zhì)量為x，其反應(yīng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。對(duì)該試樣進(jìn)行磁選，得到表4所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 磁選數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)式(1)的計(jì)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(jiàn)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(dāng)配碳量從5%提升到10%時(shí)，金屬化率也急速升高；配碳量從10%增大到13%的過(guò)程中，金屬化率的增加幅度大大降低；當(dāng)配碳量超過(guò)13%之后金屬化率基本沒(méi)有增加。出現(xiàn)上述規(guī)律的原因是，碳在反應(yīng)過(guò)程中成為了主要影響元素。當(dāng)配碳量低于10%時(shí)，碳不足以將釩鈦磁鐵礦中的鐵全部還原出來(lái)，當(dāng)碳全部消耗完全時(shí)也只是還原出了其中的一部分鐵。當(dāng)配碳量在10%到13%時(shí)，金屬化率變化很小，此時(shí)配碳量基本達(dá)到飽和，加入的碳能剛好將釩鈦磁鐵礦中的鐵還原完全。當(dāng)配碳量超過(guò)13%之后，金屬化率基本沒(méi)有變化，配碳量從13%提升至15%時(shí)，金屬化率幾乎沒(méi)有變化。說(shuō)明此時(shí)的碳含量已經(jīng)過(guò)飽和，當(dāng)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(dāng)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(duì)鈦鐵礦的還原過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)研究，反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能通過(guò)吉布斯自由能函數(shù)法來(lái)計(jì)算[6-7]：

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

(2)

ΔG=245 976.6-175.2T

起始反應(yīng)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(guò)40 min的還原，分析釩鈦磁鐵礦直接還原結(jié)果的影響。將實(shí)驗(yàn)樣品破碎后進(jìn)行渣鐵磁選分離，得到了表6所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)式(2)，計(jì)算得到各個(gè)還原溫度條件下釩鈦磁鐵礦直接還原后的金屬化率(見(jiàn)表7)。

根據(jù)表7中的實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(guò)以上實(shí)驗(yàn)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(yīng)后，實(shí)驗(yàn)樣品的金屬化率隨著溫度的升高而不斷增大。當(dāng)溫度從1 100 ℃升到1 250 ℃的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)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(dāng)還原溫度小于1 250 ℃時(shí)，溫度是整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的限制性因素，對(duì)釩鈦磁鐵礦的直接還原結(jié)果影響很大。然而，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度超過(guò)1 250 ℃之后，試樣的金屬化率增幅非常小；當(dāng)溫度升高至1 350 ℃時(shí)，試樣的金屬化率達(dá)到最高值94.83%。溫度升高使得成本增加、耗時(shí)延長(zhǎng)，由此對(duì)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(shí)驗(yàn)中，分別對(duì)粒度30目(0.5 mm)、120目(0.125 mm)和200目(0.074 mm)的常見(jiàn)釩鈦磁鐵精礦粉進(jìn)行了直接還原?；旌狭?0 g中固定配碳10%，膨潤(rùn)土2%，在1 250 ℃的高溫下反應(yīng)40 min，再將還原后的樣品進(jìn)行破碎磁選，計(jì)算其金屬化率。渣鐵磁選分離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表8所示。

表8 磁選分離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)表8中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)式(2)計(jì)算得到釩鈦磁鐵精礦粉直接還原后的金屬化率(見(jiàn)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(jiàn)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(dāng)?shù)V粉粒度為30目時(shí)，釩鈦磁鐵礦直接還原后樣品的金屬化率為73.49%；當(dāng)粒度為120目時(shí)，其金屬化率提高到了90.28%，相比增加了16.79%；當(dāng)粒度縮小至200目時(shí)，釩鈦磁鐵礦的金屬化率提高到了95.36%，相對(duì)于120目時(shí)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(yǔ)

從配碳量對(duì)釩鈦磁鐵礦直接還原的影響規(guī)律來(lái)看，隨著配碳量的不斷增加，釩鈦磁鐵礦的直接還原也進(jìn)行得越徹底，即還原后樣品的金屬化率變得越來(lái)越高。當(dāng)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(dāng)配碳量超過(guò)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(shí)，還原后樣品的金屬化率幾乎沒(méi)有變化。配碳量為13%時(shí)還原效果最佳。

從還原溫度對(duì)釩鈦磁鐵礦直接還原的影響規(guī)律來(lái)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(dāng)溫度從1 100 ℃升高1 250 ℃時(shí)，試樣的金屬化率由15.97%提高到了93.31%，提升量為77.34%；當(dāng)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(dāng)溫度升高到1 400 ℃時(shí)，樣品的金屬化率相對(duì)于1 350 ℃時(shí)降低了1.3%。最佳還原溫度應(yīng)該為1 350 ℃。

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

綜上所述，釩鈦磁鐵礦直接還原的實(shí)驗(yàn)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。

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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(xué)研究項(xiàng)目“基于冶金高爐的垃圾飛灰高溫焙融處理應(yīng)用基礎(chǔ)研究”(KJ111419)；重慶市教改項(xiàng)目“冶金材料類(lèi)課程群實(shí)驗(yàn)課程標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)研究與實(shí)踐”(2016118)

張明遠(yuǎn)(1971 — )男，甘肅白銀人，教授，研究方向?yàn)殇撹F冶金工藝及資源環(huán)保優(yōu)化利用。

TF041

A

1673-1980(2017)02-0084-04