1、第 卷 第期 年月钢铁 ，：高铬型钒钛铁精矿金属化球团的物化性能吴恩辉，李军，徐众，侯静，黄平，（攀枝花学院钒钛学院，四川 攀枝花 ；钒钛资源综合利用四川省重点实验室，四川 攀枝花 ）摘要：高铬型钒钛铁精矿煤基直接还原电炉熔分新工艺是实现铁、钒、钛和铬元素综合利用最有前景的非高炉冶炼工艺之一，而金属化球团的物化性能与后续电炉熔分工艺能否顺行密切相关。采用煤基直接还原工艺，研究了还原温度、还原时间、煤矿质量比和二元碱度对高铬型钒钛铁精矿金属化球团的物相组成、金属化率、残碳量、电阻率和抗压强度等物化性能的影响规律。试验结果表明，提高还原温度和延长还原时间均有利于磁铁矿和钛铁矿分别被还原为金属铁和黑
2、钛石，而较高的煤矿质量比和二元碱度对还原过程不利；金属化球团电阻率的大小依赖于金属化球团的物相组成、不同物相组成的含量及各个物相之间的结合形式；金属化球团的金属化率与电阻率呈现较为明显的负相关，但是随着金属化率的提高，负相关的程度有所降低；在金属化率大于 时，电阻率均小于 ；金属铁的生成量和金属铁晶粒之间的连接作用是影响金属化球团抗压强度的关键因素，提高还原温度和延长还原时间有助于金属化球团抗压强度的提高，而随着煤矿质量比和二元碱度的提高，金属化球团的抗压强度降低。在还原温度为 、还原时间为 、煤矿质量比为 、二元碱度为 的条件下，金属化球团的金属化率、残碳量、电阻率和抗压强度分别为 、和 球
3、。关键词：钛磁铁矿；煤基直接还原；金属化球团；电阻率；抗压强度文献标志码：文章编号：（），（，；，）基金项目：四川省科技计划资助项目（）；攀枝花市科技计划资助项目（）作者简介：吴恩辉（），男，博士，副教授；：；收稿日期：，第期吴恩辉，等：高铬型钒钛铁精矿金属化球团的物化性能 ，：；钒钛磁铁矿是一种多金属复合铁矿，中国、南非、俄罗斯和新西兰等国家储量丰富，是铁、钒和钛的重要来源矿物。分布在中国攀西地区的红格钒钛磁铁矿的储量约为 亿，除了铁、钒和钛种元素含量较高外，铬元素含量也较为丰富，铬资源储量约为 万，是中国最大的潜在 铬 资源来 源矿物。因此，研究高铬型钒钛磁铁矿中铁、钒、钛和铬的综合利用技
4、术具有重要意义。攀西地区钒钛磁铁矿经过采选可得钒钛铁精矿和钛精矿两种主要选矿产品，钛精矿作为生产钛白粉的原料，而钒钛铁精矿则作为高炉炼铁和提钒原料；高铬型钒钛磁铁矿的采选工艺与普通钒钛磁铁矿类似，铬元素在采选过程中与钒一起进入钒钛铁精矿中。目前，钒钛铁精矿主要通过高炉冶炼工艺进行处理，存在的最主要的问题是其所产生的高钛型高炉渣难以经济地提取其中的钛资源，造成攀西地区钛资源的综合利用率一直处于较低水平。为了实现钒钛铁精矿中铁、钒和钛的综合利用，直接还原电炉熔分新工艺受到国内外的极大关注。对于铬含量不高的钒钛铁精矿直接还原工艺，文献 通过综合热分析、热力学计算和物相分析，系统研究了在等温和非等温条
5、件下钒钛铁精矿的煤基直接还原的反应历程，揭示了其难还原的原因；等 在 气氛中分析了钒钛铁精矿的还原机理，研究发现攀枝花钛磁铁矿比新西兰钛磁铁矿砂矿更难还原。为了降低直接还原难度，主要采取预氧化、添加添加剂两种主要强化还原措施，例如，文献 研究了 和 对钒钛铁精矿还原性能的影响；等 研究发现，添加 和 的含碳球团与不加添加剂相比活化能分别降低 和 ；等 研究了钒钛磁铁精矿在等温预氧化条件下的物相组成及其转变情况，研究认为在预氧化过程破坏了钒钛磁铁精矿的结构，球团内部形成了大量孔隙，改善了还原反应的动力学条件。对于高铬型钒钛铁精矿直接还原工艺，和 等 分别在 和 的气氛下研究了 高 铬 型 钒 钛
6、 铁 精 矿 的 还 原 行 为。等 以模拟竖炉气体为还原剂，研究了二氧化钛含量与球团还原膨胀程度的相互关系，认为氧化球团孔隙率的提高会加剧其在氢气还原过程的膨胀程度。等 的研究结果表明，随着 和 添加量的增加，高铬型钒钛铁精矿氧化球团在焦炉煤气的还原过程中的膨胀程度均降低；等 在 的气氛下探讨了高铬型钒钛铁精矿的还原膨胀行为。此外，和 等 以气基直接还原所得的高铬型钒钛铁精矿金属化球团为原料，研究了冶炼工艺参数对金属化球团渣铁分离的影响。等 分析了高铬型钒钛铁精矿煤基直接还原过程的热力学，并进行了 试验验证；等 研究了水冷处理对高铬型钒钛铁精矿煤基直接还原效果的影响，与随炉缓冷相比，水冷处理
7、有利于金属化率、脱硫率和脱磷率的提升，并且降低了金属化球团中金属铁的粒径；姜涛等 研究了还原工艺参数对高铬型钒钛铁精矿煤基直接还原效果的影响；等 研究了碳铁物质的量之比和还原温度对高铬型钒钛磁铁精矿的煤基直接还原过程中钒和铬的还原行为及后续磁选效果的影响。由此可见，对于高铬型钒钛铁精矿直接还原工艺，研究人员主要从还原工艺参数对球团金属化率和还原膨胀行为的影响角度进行研究和分析，而对影响后续电炉冶炼的金属化球团的物化性能研究报道较少。由于金属化球团的物相组成、金属化率和残碳量会影响后续电炉熔分工序的物理化学过程，进而影响渣铁分离和元素在渣铁间的分配比，而金属化球团的抗压强度和电阻率分别与物料运输
8、过程粉化程度和电炉冶炼过程的供电制度密切相关，因此，本研究较为系统地探讨了还原温度、还原时间、煤矿质量比和碱度对金属化球团的金属化率、物相组成、残碳量、电阻率和抗压强度等物化性能的影响规律，为高铬型钒钛铁精矿煤基直接还原电炉熔分新工艺提供技术参考。试验原料及研究方法 试验原料高铬型钒钛铁精矿取自红格北矿区，其化学成分和粒度组成分别见表和表，物相组成如图所示；试验所用还原剂为无烟煤，其化学成分和粒度钢铁第 卷组成分别见表和表；试验所用氧化钙为分析纯。由表和图可知，高铬型钒钛铁精矿中 含量与 含量基本接近，其主要物相由磁铁矿和钛铁矿组成。表高铬型钒钛铁精矿的化学成分（质量分数）表高铬型钒钛铁精矿的
9、粒度组成（质量分数）表煤粉成分 固定碳质量分数挥发分质量分数灰分质量分数发热值（）表煤粉的粒度组成（质量分数）图高铬型钒钛铁精矿的物相组成 研究方法将高铬型钒钛铁精矿、煤粉和有机黏结剂按试验设定比例混合均匀得到混合料；将混合料置入粉末压片机压制成型（成型压力），得到生球团；生球团在电热鼓风干燥箱进行烘干（，）；烘干后球团置入石墨坩埚，并在球团表面覆盖一层煤粉，待高温电炉炉温升至设定温度时入炉，待还原至设定时间后立即取出并冷却至室温，得到金属化球团。金属化球团使用压缩强度测定仪测试抗压强度；抗压强度测试后，将金属化球团在粉末制样机中制样，得到粉料，并使用电阻率测试仪测试其电阻率；采用射线衍射仪分
10、析金属化球团物相组成；采用碳硫分析仪分析金属化球团残碳含量；采用化学方法分析金属化球团中全铁和金属铁含量，并计算金属化率。试验结果及讨论 还原工艺参数对金属化球团物相组成的影响还原工艺参数对高铬型钒钛铁精矿金属化球团物相组成的影响如图所示。在还原时间为 、煤矿质量比为 、二元碱度为 时，还原温度对金属化球团物相组成的影响如图（）所示。由图（）可知，在还原温度为 时，金属化球团物相主要由金属铁、磁铁矿和钛铁矿种物相组成，与原料物相相比，出现金属铁且峰强明显，这说明还原反应已开始进行且还原程度有所发展；提高还原温度至 时，金属化球团物相组成变化不大；继续提高还原温度至 时，钛铁矿物相消失，磁铁矿物
11、相峰强降低，出现新相含镁黑钛石，这说明在此温度条件下，有助于钛铁矿的还原，还原程度进一步加深；进一步提高还原温度，磁铁矿物相峰强稍有降低，含镁黑钛石物相峰强略微增强。还原温度对高铬型钒钛铁精矿金属球团物相组成的影第期吴恩辉，等：高铬型钒钛铁精矿金属化球团的物化性能响规律与文献 的研究结果较为一致。固定其他工艺参数，还原时间对金属化球团物相组成的影响如图（）所示。由图（）可知，在还原时间为 时，金属化球团物相主要由金属铁、磁铁矿和钛铁矿种物相组成，此时金属铁出现且峰强较强，这说明磁铁矿的还原反应已开始进行且反应前期还原速度较快；延长还原时间至 时，磁铁矿物相峰强明显降低，出现新相含镁黑钛石，还原
12、反应进一步加深；继续延长还原时间至 时，钛铁矿物相消失，含镁黑钛石峰强增强；进一步延长还原时间至 时，含镁黑钛石物相峰强增强显著，这说明此时钛铁矿还原较为充分，整体还原程度较高。固定其他工艺参数，煤矿质量比对金属化球团物相组成的影响如图（）所示。由图（）可知，在煤矿质量比为 时，金属化球团物相主要由金属铁、含镁的黑钛石和少量磁铁矿种物相组成，含镁黑钛石的出现，说明钛铁矿的还原依赖于还原温度和还原时间；继续提高煤矿质量比至 时，出现明显的碳物相，说明配碳过剩。固定其他工艺参数，二元碱度对金属化球团物相组成的影响如图（）所示。由图（）可知，二元碱度的提高对金属化球团物相组成影响不大，主要物相由金属
13、铁、含镁的黑钛石和少量磁铁矿种物相组成。由于氧化钙加入的绝对量少，因此并未发现明显的含钙物相。（）还原温度；（）还原时间；（）煤矿质量比；（）二元碱度。图还原工艺参数对金属化球团物相组成的影响 还原工艺参数对金属化球团金属化率和残碳量的影响还原工艺参数对高铬型钒钛铁精矿金属化球团金属化率和残碳量的影响如图所示。在还原时间为 、煤矿质量比为 、二元碱度为 时，还原温度对金属化球团金属化率和残碳量的影响如图（）所示。由图（）可知，随着还原温度的升高，金属化球团的金属化率逐渐增高，金属化球团的残碳量逐渐减少；还原温度从 提高至 时，金属化率从 增加至 ，增幅较大，与之对应的金属化球团的残碳量降幅较大
14、，残碳量从 下降至 ；还原温度从 提高至 时，金属化率的增幅和残碳量的降幅均变缓。固定其他工艺参数，还原时间对金属化球团金属化率和残碳量的影响如图（）所示。由图（）可知，在还原时间为 之前，随钢铁第 卷着还原时间的延长，金属化球团的金属化率急剧增加，金属化球团的残碳量也快速下降，这说明在此阶段还原速度较快；继续延长还原时间，金属化率变化不大，均为 以上，而残碳量仍有小幅下降，下降的原因可能是参与钛化合物的深度还原和碳的燃烧反应；在还原时间为 时，金属化球团的金属化率为 ，残碳量为 。固定其他工艺参数，煤矿质量比对金属化球团金属化率和残碳量的影响如图（）所示。由图（）可知，随着煤矿质量比的增加，
15、金属化球团的金属化率先略有上升，然后缓慢下降，但整体上影响不大；金属化球团的残碳量随着煤矿质量比的增加而逐渐提高，在煤矿质量比为 时，金属化球团的残碳量可达 。由于过高的残碳量，在后续电炉熔分时会导致钛的过还原，从而产生碳化钛等高熔点物质，不利于电炉顺行，因此结合金属化率，合适的煤矿质量比为 。固定其他工艺参数，二元碱度对金属化球团金属化率和残碳量的影响如图（）所示。由图（）可知，在二元碱度小于 时，二元碱度的提高对金属化球团的金属化率影响不大；在二元碱度从 提高至 时，金属化球团的金属化率下降。二元碱度对金属化球团残碳量的影响没有明显的规律性，但整体上影响不大。（）还原温度；（）还原时间；（
16、）煤矿质量比；（）二元碱度。图还原工艺参数对金属化球团金属化率和残碳量的影响 还原工艺参数对金属化球团电阻率的影响还原工艺参数对高铬型钒钛铁精矿金属化球团电阻率的影响如图所示。在还原时间为 、煤矿质量比为：、二元碱度为 时，还原温度对金属化球团电阻率的影响如图（）所示。由图（）可知，随着还原温度的升高，金属化球团的电阻率逐渐下降；还原温度从 提高至 时，电阻率从 下降至 ，降幅明显；还原温度从 提高至 时，电阻率的降幅变缓，在还原温度为 时，电阻率为 。固定其他工艺参数，还原时间对金属化球团电阻率的影响如图（）所示。由图（）可知，在还原时间从 延长至 时，金属化球团的电阻率显著 下 降，从 下降至 ；继续延长还原时间，电阻率变化不大。固定其他工艺参数，煤矿质量比对金属化球团电阻率的影响如图（）所示。由图（）可知，随着煤矿质量比的增加，金属化球团的电阻率略有上升，但电阻率第期吴恩辉，等：高铬型钒钛铁精矿金属化球团的物化性能均低于。固定其他工艺参数，二元碱度对金属化球团电阻率的影响如图（）所示。由图（）可知，随着二元碱度的提高，金属化球团的电阻率略有下降，但整体上影响不大，且均低于 。（）