呂亞男1，郭宇峰2，陳棟3
（1．蘇州工業職業技術學院機電工程系，江蘇蘇州215104；
2．中南大學資源加工與生物工程學院，長沙410083；
3．蘇州大學沙鋼鋼鐵學院，江蘇蘇州215021）
摘要：對釩鈦磁鐵精礦預還原球團熔融還原冶煉中添加劑的影響進行了研究，并對渣型制度進行了優化。熔融還原渣堿度、添加劑氧化鎂和氧化鋁對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，實現了釩鈦磁鐵精礦冶煉中鐵釩和鈦的有效分離。
關鍵詞：釩鈦磁鐵精礦；預還原；添加劑；熔融還原
對復雜釩鈦磁鐵精礦的主要有價元素鐵、鈦和釩的回收利用研究始于20世紀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元素成為一個重要課題。處理釩鈦磁鐵精礦的方法有回轉窯—電爐法［3-4］、高爐—轉爐法［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現對釩鈦磁鐵礦的應用，但均存在著一定的局限性。
高爐法具有可控性差、強滯后性以及生產局限性等不足，且易造成環境污染［10］。還原—磨選法通過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—磨選法生產規模較小，且釩鈦磁鐵精礦還原溫度較高，容易造成生產事故。采用回轉窯—電爐法冶煉釩鈦磁鐵精礦時，容易產生泡沫渣，尤其當爐渣中TiO2含量大于30％時，冶煉無法進行［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，對釩鈦磁鐵精礦進行熔融還原可得到鐵品位較高的含釩生鐵和含鈦熔渣［9］。熔融還原過程中爐渣對冶煉過程的進行以及冶煉產物的組成起著舉足輕重的作用，而添加劑可以通過調整爐渣的成分進而對熔融產物產生影響。因此本文探討了電爐冶煉釩鈦磁鐵精礦過程中，堿性添加劑對熔融還原冶煉的作用。
1 試驗原料及方法
研究對象為釩鈦磁鐵精礦，還原劑包括用于制備預還原球團的還原煤和用于進行電爐熔融還原的無煙煤，原料及煤的成分分析結果見文獻［15］。
研究過程包括球團的制備、球團的氧化—預還原以及電爐熔融冶煉［16］。球團制備使用直徑1m的圓盤造球機。球團在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。氧化球團與還原煤混合在直徑60mm的豎式電阻爐中還原后經保護性氣體冷卻制備出預還原球團。進行熔融還原冶煉時，將釩鈦磁鐵精礦預還原球團、無煙煤及其它添加劑置于反應容器中，在1500℃及保護性氣體作用下熔融還原10min。熔融還原產物冷卻后，分離還原產物的渣鐵并取樣分析。熔融還原產物的物相采用D／max－rA 型X－射線衍射儀分析。
2 結果與分析
2.1 堿度對熔融還原的影響
堿度（CaO／SiO2）對釩鈦磁鐵精礦熔融還原產物生鐵的影響見圖1。
由圖1a可知，熔融還原生鐵產物的鐵品位和鐵回收率在堿度范圍0.9到1.2區間內隨堿度的升高而增加。當堿度大于1.2時，生鐵鐵品位開始下降。提高堿度有利于生鐵中鈦的脫除，當堿度從0.9提升到1.4時，生鐵中鈦含量減少了～80％。由圖1b可知，當堿度小于1.2時釩含量和回收率有所提升，隨后呈下降趨勢。當堿度為１．２時，生鐵中釩的含量和釩回收率最高，分別為0.43％和76.59％。當堿度繼續提高到1.2以上時，生鐵中的釩含量及釩回收率同時降低，說明高堿度會對熔融還原時釩進入生鐵中產生不良影響。
在外配煤存在下且溫度低于1800K 時，CaO與FeTiO3容易生成鈣鈦礦而進入渣中。所以，提高堿度能夠有效抑制鈦氧化物的還原，進而降低生鐵中的鈦含量，且鈣鈦礦可有效減少渣中的低價鈦，降低熔渣黏度，易于冶煉。然而，過量CaO會提高爐渣堿度，進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，進而增大爐渣黏度，不易于熔融還原的進行。綜上所述，適宜的渣堿度應為1.2。
2.2 氧化鎂含量對熔融還原的影響
由圖2可知，氧化鎂對電爐熔融還原產物生鐵影響顯著，尤其是對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％時的97.21％降低到了10％時的94.98％。同時，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物中的FeTiO3結合生成鈦酸鎂而進入爐渣中，然而繼續提高氧化鎂用量，形成的鈦酸鎂可以還原生成鈦氧化物，惡化爐渣的流動性，不利于熔融冶煉。由此，當熔融還原渣中的氧化鎂含量控制在6％時，生鐵中鐵品位、釩含量以及鐵釩回收率均較好。
2.3 氧化鋁含量對熔融還原的影響
氧化鋁添加劑對釩鈦磁鐵精礦熔融還原生鐵的影響見圖3。當熔融還原熔渣中氧化鋁含量從9％提高到16％時，生鐵中的鐵品位下降較為明顯，從96.9％降低到94.87％，但鐵回收率無明顯變化。氧化鋁含量對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，在氧化鋁含量達到14％時，出現峰值為82.81％，當氧化鋁含量大于14％后，開始下降。然而氧化鋁含量對生鐵中釩的富集作用并不突出，在氧化鋁含量達到14％時，釩含量僅增加至～0.58％。而生鐵中的鈦含量當氧化鋁含量從9％增加到12％時，也僅降低了0.04個百分點，依然不利于鈦在渣中的富集回收。這是因為Al2O3是一種弱酸性氧化物，過量的Al2O3能夠提高熔化性溫度，不利于冶煉進行。因此，爐渣中氧化鋁的含量不宜較高，應保持在9％。
2.4 熔融還原產物的特性
當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，熔融還原后，可獲得含96.9％鐵、0.52％釩的生鐵。對熔融還原冶煉產物的生鐵進行了物相分析，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熔融還原技術可以將鐵和釩富集到生鐵中，可用于后續提釩煉鋼，同時獲得的含鈦富集渣可用于制鈦。
3 結論
爐渣堿度、氧化鎂和氧化鋁對釩鈦磁鐵精礦熔融還原產物的影響顯著。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，預還原球團在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。實現了鐵釩與鈦的有效分離。
參考文獻
［1］杜鶴桂．高爐冶煉釩鈦磁鐵礦原理［M］．北京：科學出版社，1996：1-16．
［2］王喜慶．釩鈦磁鐵礦高爐冶煉［M］．北京：冶金工業出版社，1994：1-18．
［3］徐文新．攀枝花釩鈦金屬化球團熔化分離工藝的探討［J］．鋼鐵技術，2000（4）：8-12．
［4］石玉洪．釩鈦磁鐵礦預還原球團及熔分渣的理化性能［J］．鋼鐵釩鈦，1996，17（2）：20-24．
［5］蒙鈞，韓明堂．高鈦渣生產現狀和今后發展的看法［J］．鈦工業進展，1998，15（1）：12-13．
［6］鄒建新，王榮凱，彭富昌．電爐冶煉高鈦渣試驗研究［J］．輕金屬，2004（12）：37-39．
［7］朱德慶，姜濤，郭宇峰，等．釩鈦磁鐵精礦鐵釩鈦綜合利用新流程［J］．礦產綜合利用，1999（2）：16-20．
［8］EL-TAWIL S ZM,OSRI I M YEHIU，A et al Reductive Roasting of Ilmenite Ore［J］．Canadian Metallurgical Quarterly，1996，35（1）：31-35．
［9］呂亞男，郭宇峰，陳棟．釩鈦磁鐵精礦預還原球團電爐冶煉研究［J］．有色金屬（冶煉部分），2016（7）：38－41．
［10］李晨希，王宏，李潤霞．含鈦高爐渣綜合利用研究的進展［J］．沈陽工業大學學報，2004，26（5）：495－498．
［11］郭宇峰．釩鈦磁鐵礦固態還原強化及綜合利用研究［D］．長沙：中南大學，2007：5-7．
［12］張丙懷．TiO2對Fe3O4高溫還原速度的影響［J］．鋼鐵釩鈦，1986，7（1）：1-8．
［13］劉清才，張丙懷，鄒德余，等．釩鈦磁鐵礦高溫還原過程中氣體行為分析［J］．鋼鐵釩鈦，1990，11（3）：24－30．
［14］張丙懷，鄒德余．釩鈦磁鐵礦熔融還原速度研究［J］．金屬學報，1992，28（10）：51-56．
［15］呂亞男，郭宇峰，陳棟．添加劑強化釩鈦磁鐵精礦還原的研究［J］．有色金屬（冶煉部分），2016（6）：9-12．
［16］呂亞男，郭宇峰，陳棟．煤基直接還原－球磨磁選分離釩鈦磁鐵精礦中鐵的研究［J］．燒結球團，2016，41（2）：58-61．