釩鈦磁鐵礦提釩工藝研究進(jìn)展

丁滿堂

(攀枝花學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 攀枝花 617000)

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釩鈦磁鐵礦提釩工藝研究進(jìn)展

丁滿堂

(攀枝花學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 攀枝花 617000)

對(duì)從釩鈦磁鐵礦中先提釩后煉鐵、先煉鐵提釩后煉鋼、先煉鐵煉鋼后提釩(后提釩)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析討論，提出頂?shù)讉?cè)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐提釩—釩渣鈣化焙燒—酸浸提釩將是主流工藝。含釩鋼渣礦熱爐碳熱還原提釩工藝能夠解決含釩鋼渣綜合回收利用的問(wèn)題，是今后的發(fā)展方向，但要解決礦熱爐還原能耗較高的問(wèn)題。

釩鈦磁鐵礦； 轉(zhuǎn)爐提釩； 鐵水提釩； 鋼渣提釩

目前工業(yè)生產(chǎn)釩產(chǎn)品(釩渣、五氧化二釩、三氧化二釩、釩鐵、釩氮合金等)的主要原料有釩鈦磁鐵礦、石煤、廢釩催化劑、石油渣、電廠鍋爐灰渣、釩云母、鉀釩鈾礦、磷酸鹽礦、釩鉛鋅礦、釩鉛礦等，其中從釩鈦磁鐵礦中回收利用釩產(chǎn)量較大，生產(chǎn)成本較低，環(huán)境影響相對(duì)較小，是提釩的主要方法。其他資源提釩或因原料來(lái)源有限產(chǎn)量低，或因環(huán)境污染較嚴(yán)重不能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放產(chǎn)量有限。各國(guó)對(duì)從釩鈦磁鐵礦中回收提取釩的生產(chǎn)工藝研究相對(duì)較多，歷史較長(zhǎng)，影響較大，有多種工藝路線。本文對(duì)釩鈦磁鐵礦提釩工藝的發(fā)展進(jìn)行論述。

1 先提釩后煉鐵工藝

該工藝分為3種路線，均是以釩鈦磁鐵礦精礦為原料，直接采用濕法冶金工藝先提釩，再用剩渣煉鐵，回收其中的鐵。

1.1 釩鈦磁鐵礦精礦直接提釩

以釩鈦磁鐵礦精礦(V2O5>1%)為原料，采用酸浸得到含釩溶液，然后對(duì)含釩溶液進(jìn)行凈化處理，沉釩后得釩酸銨，脫氨處理后得到V2O5等釩氧化物產(chǎn)品出售。浸出后的殘?jiān)?jīng)脫水、干燥處理后作為煉鐵原料。該法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是原料處理量大，酸耗高，成本高。

1.2 釩鈦磁鐵礦精礦鈉化焙燒水浸提釩

釩鈦磁鐵礦精礦(V2O5>1%)與工業(yè)純堿(Na2CO3)混合后，在回轉(zhuǎn)窯中1 200 ℃以上進(jìn)行鈉化焙燒，然后水浸，從浸出液中提釩。焙燒浸出后的殘?jiān)?jīng)脫水、干燥等處理后作為煉鐵原料。南非、芬蘭、澳大利亞等國(guó)家曾經(jīng)使用該工藝，其中以南非海威爾公司為代表。該法的優(yōu)點(diǎn)是原料處理簡(jiǎn)單，釩回收率高，從精礦到V2O5的回收率達(dá)80%；缺點(diǎn)是處理物料量大，設(shè)備投資大，動(dòng)力及輔助原料消耗大，不直接回收鐵。殘?jiān)捎诤c高，需處理后才能煉鐵。該工藝適用于礦石、鈉鹽添加劑、燃料價(jià)格低廉的地區(qū)。其對(duì)釩鈦磁鐵礦的粒度和SiO2含量有較高要求，要求原料中的SiO20.4%，精礦粒度-0.074 mm比例在85%～90%[1]。

1.3 釩鐵磁鐵礦精礦鈣化焙燒酸浸提釩

在釩鈦磁鐵礦精礦鈣化焙燒—硫酸浸出提釩工藝研究中[2]，CaCO3添加量為10%，1 200 ℃焙燒1 h，得到的含釩物相主要為偏釩酸鈣。焙燒產(chǎn)物在pH<1.35、80 ℃硫酸、液固比5∶1條件下浸出3 h，釩浸出率可達(dá)72.1%。該研究沒(méi)有介紹礦石中鐵、鈦等資源綜合回收利用的方式。

2 先煉鐵提釩后煉鋼

含釩鈦磁鐵礦精礦先人工造塊火法冶金處理得到含釩鐵水，再使含釩鐵水中的釩氧化進(jìn)入釩渣，釩得到富集，再用釩渣提釩得到各種釩制品。

2.1 釩鈦磁鐵礦冶煉含釩鐵水

(1)高爐法。以釩鈦磁鐵礦精礦為原料，先加工處理為釩鈦磁鐵礦燒結(jié)礦或球團(tuán)礦，然后在高爐中冶煉出含釩鐵水。采用該法的有俄羅斯和中國(guó)。

(2)電爐法。先將釩鈦磁鐵礦精礦造球加工為釩鈦磁鐵礦含碳球團(tuán)，然后在回轉(zhuǎn)窯、豎爐、轉(zhuǎn)底爐等中預(yù)還原為金屬化球團(tuán)，再在礦熱爐或電弧爐中熔分冶煉出含釩鐵水。采用該法的有南非、新西蘭、中國(guó)等。

2.2 從含釩鐵水中吹煉釩渣

2.2.1 搖包提釩

南非海威爾德鋼釩公司采用搖包法提釩。其冶煉工藝流程為：釩鈦磁鐵礦精礦造球→回轉(zhuǎn)窯直接還原得到金屬化球團(tuán)→電爐煉鐵→搖包提釩→轉(zhuǎn)爐煉鋼。提釩操作過(guò)程為：將裝有含釩鐵水和已加冷卻劑的搖包置于振動(dòng)臺(tái)上，搖動(dòng)開(kāi)始后吹氧，吹氧時(shí)氧槍噴口位于熔池面上762～ 914 mm處。吹氧結(jié)束后，為降低渣中氧化鐵和鐵水中余釩，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)約8 min，通常還需添加一定數(shù)量的無(wú)煙煤，加入量由鐵水碳和吹釩后所需碳決定。該方法的好處是不占用煉鋼設(shè)備，使用壽命長(zhǎng)，設(shè)備簡(jiǎn)單，渣鐵分離較好，釩、鐵回收率高(91.6%和93%)，釩氧化率高(93%)。但提釩時(shí)間長(zhǎng)，總吹煉時(shí)間52 min/爐，產(chǎn)量低，耗氧高。

2.2.2 鐵水包吹氧提釩

新西蘭鋼鐵公司采用鐵水包提釩，其工藝流程為：回轉(zhuǎn)窯得到金屬化球團(tuán)→電爐煉鐵→鐵水包提釩。鐵水包提釩的操作過(guò)程為：電爐鐵水倒入鐵水包，將鐵水包安放在吹釩裝置下面，蓋上包蓋，滲碳(因鐵水含碳低)，扒出熔渣，插入氧槍和氮槍吹煉鐵水，完畢后取樣、扒釩渣，半鋼送氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼。釩渣品位達(dá)18%～22%，渣含SiO220%～22%、金屬鐵6%～9%、全鐵25%。處理時(shí)間35 min，耗氧量9 m3/t鐵。半鋼[V]為0.07%[3]。該方法要求鐵水包金屬液面至罐口之間要有較大的反應(yīng)空間高度，否則噴濺較嚴(yán)重。

2.2.3 霧化提釩

該技術(shù)為攀鋼自行開(kāi)發(fā)，其工藝為：①煉鐵廠輸送來(lái)的鐵水經(jīng)140 t傾翻機(jī)將鐵水倒入中間罐，鐵水進(jìn)行撇渣和整流，然后進(jìn)入霧化器。②在霧化器的相對(duì)兩個(gè)內(nèi)側(cè)面各有一排形成一定交角的風(fēng)孔，富氧空氣(氧氣10%+空氣90%)從風(fēng)孔高速射出形成一個(gè)交叉帶，當(dāng)鐵水從交叉帶流過(guò)時(shí)，高速富氧流將鐵水擊碎成霧狀，霧狀鐵水和富氧空氣強(qiáng)烈混合，使鐵水和氧的反應(yīng)界面急劇增大，氧化反應(yīng)迅速進(jìn)行。壓縮空氣可對(duì)反應(yīng)區(qū)進(jìn)行非常有效的冷卻，使反應(yīng)溫度控制在對(duì)釩氧化有利的范圍內(nèi)。③被擊碎的鐵水在反應(yīng)過(guò)程中匯集到霧化室底部通過(guò)半鋼出鋼槽進(jìn)入半鋼罐，釩渣漂浮于半鋼表面形成渣層，最后將半鋼與釩渣分離。霧化提釩時(shí)，只有50%～60%的釩氧化是在霧化室中完成的，其余40%～50%的釩氧化是在半鋼罐中完成的。

霧化提釩的釩渣V2O5品位15.3%，全鐵為34.6%，金屬鐵為21.8%[3]。該方法的缺點(diǎn)是提釩過(guò)程熱損失大，釩渣含鐵高，釩渣品位不高，金屬回收率低；優(yōu)點(diǎn)是投資少，建設(shè)速度快，噸渣成本低。

2.2.4 轉(zhuǎn)爐提釩

2.2.4.1 空氣底吹轉(zhuǎn)爐提釩

俄羅斯丘索夫冶金廠用底吹空氣轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)釩渣。轉(zhuǎn)爐在注入鐵水之前裝入40～100 kg/t冷卻劑。冷卻劑是用提取五氧化二釩浸出殘?jiān)痛胚x鐵料制成的含釩燒結(jié)礦。供氧強(qiáng)度50 m3/min。吹煉4～5 min，金屬脫釩率達(dá)到最大值，半鋼含釩0.03%～0.04%。之后隨半鋼溫度升高，碳氧化加速，半鋼余釩升高?？刂拼禑捒倳r(shí)間在6～7 min，半鋼溫度1 320～1 380 ℃。釩渣含V2O515.6%，金屬鐵達(dá)25%以上。

2.2.4.2 空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐提釩

空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐提釩我國(guó)的首鋼和馬鞍山曾采用過(guò)，由于熱損失大，效率不理想，被淘汰。

2.2.4.3 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐提釩

鐵水注入轉(zhuǎn)爐后，加入冷卻—氧化劑軋鋼鐵皮40～80 kg/tFe。供氧強(qiáng)度為280～320 m3/min。吹釩操作5～8 min，半鋼余釩0.03%～0.04%，半鋼溫度1 340～1 410 ℃。轉(zhuǎn)爐釩渣產(chǎn)渣率為38～42 kg/t半鋼。釩渣V2O5品位因入爐鐵水V、Si、Ti含量不同，相差較大，在12%～22%之間。渣中金屬鐵在12%～18%，全鐵在35%～40%之間。目前采用此方法提釩的主要有俄羅斯下塔吉爾鋼鐵公司和中國(guó)的公司。

2.2.4.4 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐提釩

在頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐提釩爐上，為了提高熔池的攪拌強(qiáng)度，采用爐底吹入攪拌氣體、爐頂吹氧提釩的辦法，即頂?shù)讖?fù)合吹釩工藝。

生產(chǎn)表明：隨著頂?shù)状禑拸?qiáng)度的提高，平均熔煉速度與釩氧化率提高，半鋼殘釩降低0.016%～0.017%，釩渣V2O5品位提高2個(gè)百分點(diǎn)以上，釩渣中的全鐵含量和金屬鐵含量明顯降低。半鋼碳含量也有明顯提高。

目前120 t提釩轉(zhuǎn)爐已經(jīng)發(fā)展到使用4塊透氣磚供氣進(jìn)行復(fù)吹攪拌，效果明顯好于使用2塊透氣磚供氣。攀鋼在復(fù)吹轉(zhuǎn)爐提釩供氧結(jié)束后、出半鋼之前，采用后攪方式(只開(kāi)底吹進(jìn)行攪拌)強(qiáng)化復(fù)吹提釩，效果十分明顯，可以降低半鋼釩含量，提高釩渣品位，降低釩渣金屬鐵、氧化鐵含量。

2.2.4.5 頂?shù)讉?cè)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐提釩

河北承鋼采用頂?shù)讉?cè)三點(diǎn)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐提釩。在吹釩期間，頂部供氧進(jìn)行氧化脫釩，同時(shí)底部供氣進(jìn)行復(fù)吹攪拌。在出半鋼期間，采用側(cè)面供氣進(jìn)行攪拌，降低半鋼余釩含量，減少釩渣流失，提高釩回收率，降低釩渣中金屬鐵與全鐵的含量，提高鐵金屬收率，提高釩渣質(zhì)量。

此外，槽式爐生產(chǎn)釩渣、鐵水溝氧化法生產(chǎn)釩渣、鐵水包沖兌氧化法生產(chǎn)釩渣等曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)，但均因技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)太差而被淘汰。

2.3 釩渣提釩工藝

目前從釩渣中提取V2O5的工藝路線主要有兩條：鈉化焙燒—水浸提釩，釩渣鈣化焙燒—酸浸提釩。

2.3.1 釩渣鈉化焙燒—水浸提釩工藝

釩渣鈉化焙燒—水浸提釩工藝對(duì)原料適應(yīng)強(qiáng)，獲得的釩氧化物質(zhì)量高，是國(guó)內(nèi)外釩渣提釩應(yīng)用最廣泛、最成熟的工藝。但該工藝鈉鹽消耗高，對(duì)原料中CaO、SiO2、P含量要求嚴(yán)格；在焙燒過(guò)程中會(huì)釋放Cl2、HCl等有毒氣體污染環(huán)境；沉釩廢水處理成本很高；提釩后的廢渣不能有效利用其中的釩、鐵等資源。該工藝釩轉(zhuǎn)浸率達(dá)88%～90%。

2.3.2 釩渣鈣化焙燒—酸浸提釩工藝

釩渣鈣化焙燒—酸浸提釩是第二種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的釩渣提釩工藝[1,5]，俄羅斯圖拉提釩廠和攀鋼西昌西鋼釩公司釩制品生產(chǎn)線采用。與鈉化焙燒—水浸提釩工藝相比，該工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：①沉釩廢水可以全部在提釩廠內(nèi)低成本循環(huán)，廢渣可返鐵廠或轉(zhuǎn)爐提釩車(chē)間回收釩、鐵，徹底解決了廢水、廢渣等氧化釩生產(chǎn)中的環(huán)保問(wèn)題；②從釩渣至氧化釩，釩的收率提高2～6個(gè)百分點(diǎn)；③氧化釩的生產(chǎn)成本明顯降低；④對(duì)釩渣中CaO、P、SiO2的含量要求放寬，以致對(duì)提釩冷卻劑雜質(zhì)含量要求降低，降低了提釩原料成本，釋放了煉鋼生產(chǎn)能力，可以獲得更多的邊界效益。由于除磷困難，該工藝不適用于高磷釩渣。

2.4 鈉化釩渣提釩

在轉(zhuǎn)爐吹煉提釩過(guò)程中，加入碳酸鈉對(duì)含釩鐵水同時(shí)進(jìn)行脫釩、脫硫、脫磷處理，得到鈉化釩渣和部分脫硫、脫磷的半鋼，并在吹煉過(guò)程中加入鎂砂以調(diào)整渣態(tài)、護(hù)爐，防止鈉化釩渣在轉(zhuǎn)爐出半鋼時(shí)流失。鈉化釩渣在冷卻后進(jìn)行水浸提釩。該工藝存在的問(wèn)題是在吹釩過(guò)程中由于碳酸鈉劇烈分解煙塵量大，環(huán)境污染嚴(yán)重，轉(zhuǎn)爐爐襯侵蝕嚴(yán)重，碳酸鈉消耗量大，成本高，在水浸過(guò)程中脫磷困難，造成釩流失，釩回收率不高。

3 先煉鋼后提釩工藝

先煉鋼后提釩工藝又稱鋼渣提釩工藝。

3.1 含釩鋼渣返回?zé)Y(jié)、煉鐵工藝富集釩冶煉高釩生鐵

采用含釩鐵水([V]<0.30%)直接煉鋼，釩進(jìn)入鋼渣，鋼渣返回?zé)Y(jié)配料后進(jìn)入高爐冶煉。經(jīng)多次循環(huán)提高鐵水釩含量([V]=2%～3%)。此含釩鐵水經(jīng)轉(zhuǎn)爐提釩后，得到V2O535%～45%的高釩渣。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是提高了鐵水含釩量，降低了轉(zhuǎn)爐提釩的成本，提高了釩渣品位，降低了從鐵水釩到釩氧化物或釩合金制品整個(gè)提釩過(guò)程的成本，綜合利用了含釩鋼渣中的氧化鈣、氧化鐵等資源，降低了燒結(jié)成本。但該工藝會(huì)造成磷的富集，增加煉鋼熔劑成本，其循環(huán)次數(shù)必須限制在3～4次以內(nèi)，并且在冶煉低磷鋼時(shí)不得采用此工藝。

3.2 含釩鋼渣礦熱爐碳熱還原冶煉高釩生鐵和還原渣

該工藝是將含釩鐵水預(yù)脫硫扒渣后兌入煉鋼轉(zhuǎn)爐進(jìn)行少渣量煉鋼，獲得合格鋼水和含3%～7% V2O5的含釩鋼渣。含釩鋼渣經(jīng)礦熱爐碳還原冶煉得到含V 5%～25%的高釩生鐵和還原渣。高釩生鐵吹釩后得到高釩渣，高釩渣采用水法處理生產(chǎn)V2O5或經(jīng)電弧爐冶煉40FeV或50FeV。該工藝具有產(chǎn)能大，理論能耗低，金屬損失小，鋼渣資源綜合利用等優(yōu)點(diǎn)。特別是釩損失小，煉鋼提釩系統(tǒng)釩的總回收率大74%以上[5]。另外，通過(guò)鋼渣提釩可將鋼渣中90%～95%的鐵及其它有價(jià)金屬進(jìn)一步回收利用，同時(shí)獲得可作水泥熟料和冶金輔助材料的還原渣，綜合利用了鋼渣資源。但該工藝在工業(yè)試驗(yàn)時(shí)存在礦熱爐還原能耗過(guò)高的問(wèn)題。

3.3 含釩鋼渣酸浸提釩

此外，在酸浸工序前，有個(gè)別工藝流程還有焙燒工序。焙燒工藝與無(wú)焙燒工藝比較，焙燒流程的能耗較高，對(duì)后續(xù)浸出工藝提高浸出率影響不明顯。焙燒流程有鈉化焙燒、鈣化焙燒、無(wú)鹽(空白)焙燒等幾種形式。

4 結(jié)論

(1)第一步通過(guò)人工造塊高爐冶煉或非高爐直接還原熔分冶煉得到含釩鐵水；第二步含釩鐵水轉(zhuǎn)爐提釩或搖包提釩、鐵水包吹釩得到釩渣；第三步從釩渣中制得釩氧化物或釩合金制品，是比較理想成熟的釩鈦磁鐵礦提釩工藝流程。

(2)頂?shù)讉?cè)多點(diǎn)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐提釩是轉(zhuǎn)爐復(fù)吹提釩的發(fā)展方向，其較頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐提釩有明顯的優(yōu)勢(shì)?？娠@著提高釩渣品位，降低釩渣金屬鐵、氧化鐵含量，降低半鋼殘釩含量，提高半鋼碳含量，減少釩渣流失，提高釩回收率，降低鐵損失、碳損失，降低冷卻劑與氧消耗，降低提釩成本。但應(yīng)注意復(fù)吹強(qiáng)度、時(shí)間與后攪、側(cè)攪(側(cè)吹)強(qiáng)度、時(shí)間的分階段匹配優(yōu)化問(wèn)題。

(3)從釩渣中提釩，應(yīng)采用鈣化焙燒—酸浸提釩工藝，其是綠色提釩的發(fā)展方向，可顯著釋放煉鋼產(chǎn)能，降低提釩成本，降低環(huán)境壓力。

(4)在后提釩(鋼渣提釩)工藝中，含釩鋼渣礦熱爐碳熱還原提釩冶煉高釩生鐵是未來(lái)的發(fā)展方向，其可綜合利用含釩鋼渣中的各種資源，較鐵水吹煉釩渣提釩(前提釩)工藝具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但需解決礦熱爐還原能耗過(guò)高的問(wèn)題。

(5)含釩鋼渣酸浸提釩工藝只有解決酸用量過(guò)高，浸出液除雜的問(wèn)題方能走向?qū)嵱没］腿∨c離子交換是浸出液除雜、提釩的理想選擇。

[1] 付自碧.釩鈦磁鐵礦提釩工藝發(fā)展歷程及趨勢(shì)[J].中國(guó)有色冶金，2011,(6):20-33.

[2] 李蘭杰,張力,鄭詩(shī)禮,等.釩鈦磁鐵礦鈣化焙燒及其酸浸提釩[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2011,(4)：573-578.

[3] 戈文蓀,張玉東,黎建.攀鋼轉(zhuǎn)爐提釩工藝的技術(shù)變革與展望[J].鋼鐵釩鈦，2001,(3)：11-14.

[4] 王俊,孫朝暉,余曉春,等.高鈣高磷釩渣提釩工藝研究進(jìn)展[J].金屬礦山,2014,(6)：79-82.

[5] 楊素波,羅澤中,文永才,等.含釩轉(zhuǎn)爐鋼渣中釩的提取與回收[J].鋼鐵,2005, (4)：72.

[6] 葉國(guó)華,童雄,路璐.含釩鋼渣資源特性及其提釩的研究進(jìn)展[J].稀有金屬,2010,(5):769-775.

Technological progress of vanadium extraction from vanadium-titanium magnetite

DING Man-tang

The advantages and disadvantages of various processes handling vanadium-titanium magnetite are discussed in this paper, including vanadium extraction going first followed by iron-making, iron-making and vanadium extraction going first followed by steel-making, iron and steel-making going first followed by vanadium extraction. This paper also proposes that the process of vanadium extraction by top, bottom and side blowing converter—vanadium slag calcification and roasting —vanadium extraction by acid leaching will be the mainstream technology in the future. Carbon thermal reduction process that the steel slag with vanadium is reduced in submerged arc furnace can solve the comprehensive recycling problems of the steel slag with vanadium. It will be the development trend in the future. But the high energy consumption problems should be solved currently for submerged arc furnace reduction.

vanadium-titanium magnetite; vanadium extraction by converter; vanadium extraction from hot metal; vanadium extraction from steel slag

丁滿堂(1971—)，男，重慶人，本科、學(xué)士，副教授、高工,主要從事釩鈦磁鐵礦冶金與教學(xué)工作。

2015-10-12

TF841.3

B

1672-6103(2016)04-0038-04