釩鈦磁鐵礦熔分堿度對(duì)爐渣冶金性能的影響研究①

楊雙平， 楊尚琦， 何少紅， 趙永喆， 王 苗， 王玉萍

（西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

釩鈦磁鐵礦主要包含釩、鈦、鐵，同時(shí)伴有鉻、鈷、鎳等有價(jià)元素，具有極高的綜合利用價(jià)值[1-3］。 世界釩鈦磁鐵礦主要分布在俄羅斯、南非、中國(guó)、新西蘭和加拿大，其中中國(guó)釩鈦磁鐵礦資源約100 億噸，主要集中在攀西地區(qū)和承德地區(qū)，約占世界總儲(chǔ)量的25%[4-9］。釩鈦磁鐵礦冶煉方法主要包括高爐法和非高爐法，目前主要采用高爐法[10-11］。

釩鈦磁鐵礦成分與結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冶煉難度較大[12-13］，研究爐渣性能對(duì)釩鈦磁鐵礦冶煉有著重要意義。 本文以南非釩鈦磁鐵礦爐渣為研究對(duì)象，采用直接還原-熔分工藝研究堿度對(duì)釩鈦磁鐵礦爐渣主要冶金性能及物相組成的影響，得出適宜的工藝參數(shù)，為釩鈦磁鐵礦資源高效綜合利用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料與方案

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料南非釩鈦磁鐵礦化學(xué)組成與粒度組成分別如表1 和表2 所示。 由表1 可知，原料中V2O5含量1.98%，TiO2含量13.13%，屬于“高釩高鈦型”釩鈦磁鐵礦。 由表2 可知，原料中－75 μm 粒級(jí)礦石含量70.34%，＋150 μm 粒級(jí)礦石含量2.25%，粒度整體偏細(xì)，適宜作為球團(tuán)原料。 試驗(yàn)原料XRD 分析圖譜見圖1，該原料主要物相為Fe3O4和FeTiO3。 試驗(yàn)所用還原劑為焦炭，其主要技術(shù)參數(shù)見表3。 試驗(yàn)所用熔劑包括CaO、SiO2和MgO，其中CaO 純度75%，SiO2和MgO 均為化學(xué)純?cè)噭?，純?9.9%。

圖1 南非釩鈦磁鐵礦XRD 分析圖譜

表1 南非釩鈦磁鐵礦主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 南非釩鈦磁鐵礦粒度組成

表3 焦炭主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

直接還原-電爐熔分工藝分為預(yù)還原和熔分兩個(gè)過程。 預(yù)還原過程將釩鈦磁鐵礦粉與加入的還原劑和黏結(jié)劑混勻后造球，進(jìn)行還原焙燒得到金屬化球團(tuán)。熔分過程為金屬化球團(tuán)進(jìn)入電爐熔分得到鐵水與爐渣。 通過FactSage 進(jìn)行熱力學(xué)分析計(jì)算，得到合理的試驗(yàn)參數(shù)及爐渣理論黏度值，對(duì)后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)。

將釩鈦磁鐵礦和焦炭分別用顎式破碎機(jī)破碎至75～106 μm；在破碎后的釩鈦磁鐵礦礦粉中加入還原劑焦炭粉和黏結(jié)劑，在圓盤式造球機(jī)上造球，將生球放入120 ℃烘箱中干燥2 h。 將干燥的生球裝入坩堝后放進(jìn)箱式爐中1250 ℃下焙燒60 min 得到金屬化球團(tuán)。 根據(jù)鐵礦粉原料以及還原劑工業(yè)分析結(jié)果，考慮Fe 和V 的還原和損耗，計(jì)算得到配碳量為5%。 以四元堿度為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)爐渣堿度進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算得到需要加入的熔劑質(zhì)量。

按照配料計(jì)算的方案配比，分別稱取釩鈦磁鐵礦球團(tuán)、焦粉以及熔劑，混勻后放入石墨坩堝，然后置于高溫箱式爐中，按照預(yù)設(shè)的溫度曲線升溫至1450 ℃，恒定保溫40 min。 保溫結(jié)束后立即取出坩堝，使反應(yīng)產(chǎn)物分離獲得爐渣和生鐵。 采用CQKJ-Ⅱ型礦渣高溫熔速熔點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定爐渣熔化特性，采用RTW-10 型高溫旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量爐渣黏度，并對(duì)爐渣進(jìn)行XRD 衍射分析。 將爐渣實(shí)際黏度與FactSage 計(jì)算的理論黏度進(jìn)行比較，研究堿度對(duì)釩鈦磁鐵礦爐渣冶金性能的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 堿度對(duì)爐渣熔化特性的影響

熔分溫度1450 ℃、配碳量5%、升溫速率15 ℃／min、保溫時(shí)間40 min 時(shí)，不同堿度對(duì)應(yīng)的爐渣熔化溫度如圖2 所示。 由圖2 可以看出，隨著爐渣堿度提高，爐渣對(duì)應(yīng)的軟化溫度、半球溫度、流動(dòng)溫度逐漸升高。 這主要是由于爐渣堿度提高，渣中CaO 含量增多，與其他組分反應(yīng)生成硅酸二鈣等高熔點(diǎn)化合物，爐渣熔化溫度升高[14］。

圖2 堿度對(duì)爐渣熔化溫度的影響

堿度從0.9 提高到1.2 時(shí)，爐渣軟化溫度、半球溫度、流動(dòng)溫度增長(zhǎng)趨勢(shì)較陡，溫度提高速率較快；堿度從1.2 提高到1.4 時(shí)，爐渣軟化溫度、半球溫度和流動(dòng)溫度增長(zhǎng)趨勢(shì)開始變緩。 堿度1.2 時(shí)，爐渣軟化溫度、半球溫度、流動(dòng)溫度分別為1248 ℃、1253 ℃、1256 ℃。

熔分溫度1450 ℃、配碳量5%、升溫速率15 ℃／min、保溫時(shí)間40 min 時(shí)，堿度對(duì)爐渣熔化特性曲線的影響規(guī)律如圖3 所示。 由圖3 可以看出，爐渣堿度0.9 和1.0 時(shí)，爐渣開始軟化溫度均在1150 ℃左右，半球溫度分別為1240 ℃和1246 ℃，隨著溫度升高，熔化速率逐漸增大，且當(dāng)溫度處于半球溫度和流動(dòng)溫度之間時(shí)，爐渣熔化速率較大；爐渣堿度1.1 和1.2 時(shí)，爐渣開始軟化溫度均在1175 ℃左右，半球溫度分別為1249 ℃和1253 ℃；爐渣堿度1.3 和1.4 時(shí)，爐渣開始軟化溫度均在1100 ℃左右，半球溫度分別為1254 ℃和1256 ℃。綜上所述，堿度1.2 時(shí)，爐渣熔點(diǎn)較低、熔化性能較好，爐渣流動(dòng)性較好。

圖3 堿度對(duì)爐渣熔化特性曲線的影響

2.2 堿度對(duì)爐渣黏度的影響

熔分溫度1450 ℃、配碳量5%，升溫速率15 ℃／min、保溫時(shí)間40 min 時(shí)，使用高溫旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定其黏度，同時(shí)采用FactSage 軟件對(duì)爐渣的黏度進(jìn)行計(jì)算，研究堿度對(duì)爐渣黏度的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4 所示。 由圖4可以發(fā)現(xiàn)，堿度從0.9 上升到1.2 時(shí)，爐渣實(shí)測(cè)黏度值和計(jì)算黏度值逐漸變小，堿度1.2 時(shí)，爐渣實(shí)測(cè)黏度值和計(jì)算黏度值均達(dá)到最小值，分別為0.130 Pa·s 和0.127 Pa·s；爐渣堿度大于1.2 后，爐渣黏度隨著堿度增大而升高。

圖4 堿度對(duì)爐渣黏度的影響

堿度0.9 ～1.2 時(shí)，隨著堿度增大，CaO 含量增多，解離的自由氧增多，自由氧與橋氧反應(yīng)形成非橋氧，爐渣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，黏度降低，流動(dòng)性提高。 堿度1.2 ～1.4時(shí)，隨著爐渣堿度提高，CaO 仍能夠提供自由氧離子O2－，但此時(shí)渣中復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)很少，不再發(fā)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步聚解，因此堿度提高對(duì)爐渣黏度的影響不明顯[15］；此時(shí)隨著堿度增大，爐渣中易結(jié)晶形成硅酸二鈣等高熔點(diǎn)化合物，爐溫波動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生非均勻相，導(dǎo)致爐渣黏度升高，影響爐渣流動(dòng)性。

爐渣黏度-溫度曲線如圖5 所示。 由圖5 可知，隨著溫度升高，爐渣黏度逐漸下降。 3 種堿度下爐渣黏度-溫度曲線都有明顯的拐點(diǎn)，呈現(xiàn)“短渣”特性。 溫度較高時(shí)，隨溫度升高，爐渣黏度變化較平緩，此時(shí)爐渣熱穩(wěn)定性較好。

圖5 不同堿度下爐渣黏度-溫度曲線

通過黏度-溫度曲線可以獲得爐渣熔化性溫度與結(jié)晶溫度。 黏度-溫度曲線與135°切線的切點(diǎn)溫度即為爐渣的熔化性溫度。 取爐渣溫度的倒數(shù)與黏度的對(duì)數(shù)做圖，曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為爐渣的結(jié)晶溫度。堿度對(duì)爐渣熔化性溫度和結(jié)晶溫度的影響如圖6 所示。 堿度1.0、1.2、1.4 時(shí)爐渣熔化性溫度分別為1330 ℃、1337 ℃、1332 ℃，爐渣結(jié)晶溫度分別為1336 ℃、1341 ℃、1334 ℃。 堿度1.0～1.4 時(shí)，隨著堿度升高，爐渣熔化性溫度和結(jié)晶溫度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。

圖6 堿度對(duì)爐渣熔化性溫度和結(jié)晶溫度的影響

熔分溫度1450 ℃、配碳量5%時(shí)，不同堿度下釩鈦磁鐵礦爐渣的XRD 物相組成如圖7 所示。 由圖7可以看出，爐渣中物相組成主要為輝石、黃長(zhǎng)石、鈣鈦礦和鈣鋁尖晶石，其中輝石為基本物相，各物相熔點(diǎn)從高到低依次為：鈣鋁尖晶石、鈣鈦礦、黃長(zhǎng)石、輝石。 堿度0.9～1.2 時(shí)，隨著堿度增加，爐渣中輝石和黃長(zhǎng)石衍射峰強(qiáng)度逐漸增大，其相對(duì)含量增加，渣中鈣鈦礦和鈣鋁尖晶石等高熔點(diǎn)物質(zhì)相對(duì)含量降低，導(dǎo)致1450 ℃時(shí)爐渣黏度下降；堿度1.2 ～1.4 時(shí)，隨著堿度增加，爐渣中輝石和黃長(zhǎng)石衍射峰強(qiáng)度逐漸下降，鈣鈦礦與鈣鋁尖晶石相對(duì)含量升高，渣中鈣鈦礦和鈣鋁尖晶石等高熔點(diǎn)物質(zhì)相對(duì)含量增加，導(dǎo)致1450 ℃時(shí)爐渣黏度升高。 可見，堿度0.9 ～1.4 時(shí)，隨著堿度增大，爐渣黏度呈現(xiàn)先逐漸下降后升高的變化趨勢(shì)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及FactSage 模擬結(jié)果一致。

圖7 不同堿度下爐渣的XRD 物相組成

2.3 堿度對(duì)渣鐵分離效果的影響

不同堿度下熔分所得爐渣化學(xué)成分如表4 所示。由表4 可以看出，隨著堿度提高，TiO2含量逐漸升高，F(xiàn)eO 含量總體呈波動(dòng)式下降。 爐渣中FeO 含量下降，鐵水中Fe 含量上升，鐵收得率提高。 因此，提高堿度有利于降低爐渣中含鐵量，使渣鐵分離更徹底。

表4 爐渣主要化學(xué)成分分析結(jié)果

不同堿度下渣鐵分離后爐渣的形貌如圖8 所示。由圖8 可以看出，堿度1.0 時(shí)，爐渣呈小塊且外觀形貌較差，不符合玻璃渣的形貌。 堿度大于1.0 后，爐渣形貌呈玻璃渣，渣鐵分離效果好。 綜合爐渣黏度與熔化溫度，堿度1.2 時(shí)爐渣形貌較好，黏度較小，流動(dòng)性較好。

圖8 不同堿度下渣鐵分離后爐渣的形貌

3 結(jié)論

1） 隨著爐渣堿度提高，爐渣軟化溫度、半球溫度、流動(dòng)溫度逐漸升高。 堿度0.9 ～1.2 時(shí)，爐渣熔化溫度增長(zhǎng)速率較快；堿度1.2～1.4 時(shí)，爐渣熔化溫度增長(zhǎng)速率變慢，此時(shí)爐渣穩(wěn)定性較好。

2） 隨著堿度從0.9 上升到1.4，爐渣中輝石和黃長(zhǎng)石衍射峰強(qiáng)度先增大后減少，渣中高熔點(diǎn)物質(zhì)鈣鈦礦和鈣鋁尖晶石相對(duì)含量呈先下降后逐漸上升的趨勢(shì)。 隨著堿度增大，爐渣黏度先下降后上升，堿度1.2時(shí)，爐渣黏度較小，流動(dòng)性較好。

3） 堿度1.2 時(shí)，渣鐵分離效果較好，爐渣呈玻璃渣狀，爐渣軟化溫度1248 ℃，半球溫度1253 ℃，流動(dòng)溫度1256 ℃，黏度0.130 Pa·s，爐渣流動(dòng)性良好，整體冶金性能較好。