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釩鈦磁鐵礦冶煉工藝比較分析

時間:2019-06-19 14:19來源:山東省冶金設計院股份有 作者:賈利軍 張向國 點擊:
  • 摘  要  本文主要介紹了四種可用于釩鈦磁鐵礦冶煉的工藝技術,包括傳統高爐工藝、回轉窯+電爐工藝、轉底爐+電爐工藝以及HIsmelt熔融還原煉鐵工藝,并對四種工藝技術進行了比較分析,認為HIsmelt熔融還原工藝因可以直接采用原礦、不需要造球、流程短、操作簡單等優越性將會成為釩鈦磁鐵礦冶煉的最佳工藝技術。

    關鍵詞  釩鈦磁鐵礦  傳統高爐  回轉窯轉底爐  Hismelt熔融還原


    1  前言

    釩鈦磁鐵礦是一種以鐵、釩、鈦等多種有價元素的共生復合礦,也是重要的釩、鈦資源,是世界范圍內廣泛分布的一種礦產資源,其中中國、南非、俄羅斯、加拿大、新西蘭、印尼等國家為主要分布國家。釩鈦磁鐵礦也是世界公認的難冶煉礦種之一,其綜合利用難度大。截止目前,冶煉釩鈦磁鐵礦的工藝主要有傳統高爐工藝和非高爐工藝兩種,而非高爐工藝主要以新西蘭、南非的回轉窯直接還原+電爐熔分工藝最為成熟。 

    近年來隨著各種冶煉工藝的不斷發展成熟,國內外冶金工作者針對釩鈦磁鐵礦的冶煉及綜合利用對多種不同工藝路線進行了探索和研究,以下針對不同釩鈦磁鐵礦的冶煉工藝及特點進行分析比較。 

    2  傳統高爐工藝

    中國攀鋼、承鋼和俄羅斯等是采用傳統高爐工藝冶煉釩鈦磁鐵礦的典型代表,其采用高爐冶煉釩鈦磁鐵礦精礦獲得鐵水,通過鐵水吹釩回收釩渣,從選礦尾礦回收鈦、鈷等稀有金屬元素。但傳統高爐工藝冶煉釩鈦磁鐵礦存在著一些問題,主要表現為資源利用率低,高爐需要配加普通鐵礦,爐渣中TiO2含量較低,從爐渣中回收鈦的技術難度大且成本較高,造成大量鈦資源丟失;且原料中的TiO2含量會降低燒結礦質量,給高爐冶煉帶來不利影響;另一方面,由于高爐內的強還原性氣氛,冶煉過程中會生成鈦的低價化合物和TiC(TiN),它們是膠體態高度彌散的固相物,與熔渣有很好的潤濕性,會導致嚴重泡沫渣現象、爐渣粘稠、鐵水粘灌、渣鐵分離不理想等一系列問題。

    目前,傳統高爐工藝中釩V的回收率約為50%[1],無法對鈦進行回收。

    3  回轉窯+電爐熔分工藝

    回轉窯+電爐熔分工藝在南非海威爾德公司和新西蘭鋼鐵公司經過多年的生產實踐證明,其工藝技術較成熟,是目前釩鈦磁鐵礦冶煉的最具代表性的工藝流程。

    3.1  新西蘭鋼鐵公司

    新西蘭鋼鐵公司回轉窯煉鐵工藝采用海砂鐵礦為原料,以次煙煤為燃料和還原劑,原燃料按比例混合,經多層爐預熱焙燒后加入回轉窯,在回轉窯內還原為海綿鐵,再經電爐將鐵水和爐渣熔分后,將鐵水送至煉鋼車間提釩煉鋼。其工藝流程簡圖見圖1。

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    3.2  南非海威爾德公司工藝

       南非海威爾德公司回轉窯直接還原鐵工藝與新西蘭鋼鐵公司工藝不同之處在于,在回轉窯前沒有采用多層爐預熱,釩鈦磁鐵礦、煤按照一定比例混合后直接送入回轉窯,在回轉窯內同時完成物料的預熱與還原過程。另外,南非海威爾德公司采用的原料為釩鈦磁鐵礦,粒度為6~32mm[3],而新西蘭采用海砂礦粉,粒度為0.053~3.55mm[2]。其工藝流程簡圖見圖2

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    3.3  生產指標比較

      (1)原、燃料條件比較

    新西蘭鋼釩公司與南非海威爾德公司所采用原燃料指標對比[2][3] [4],見表1、2

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    (2)釩、鈦的提煉及利用情況

    因為兩個公司工藝全部采用原礦直接預還原、電爐熔分工藝生產含釩鐵水和鈦渣,所以其產生的含釩鐵水與含鈦爐渣成分的不同是由于使用原料品位的不同導致的,與冶煉工藝無關。根據相關文獻資料得知[4],新西蘭公司產出的鐵水含釩0.42%,含鈦爐渣中TiO2含量為33%,而海威爾德公司生產的鐵水含釩1.22%,含鈦爐渣中TiO2含量為32%。新西蘭產生的含釩鐵水采用鐵水包吹氧冶煉產生釩渣,南非采用震動罐冶煉生產釩渣,產生的釩渣作為提取五氧化二釩的原料。但是兩個公司所產生的含鈦爐渣均丟棄或者作為鋪路材料,未能得到合理利用。

    4  轉底爐+電爐熔分工藝

    中國攀西地區是釩鈦磁鐵礦富足地區,攀鋼及該地區的相關企業在釩鈦磁鐵礦的合理利用方面做了大量的研究工作,比較典型的就是四川龍蟒集團建設投產的轉底爐+電爐冶煉釩鈦磁鐵礦的工業化實驗裝置[1]。其工藝特點是:將爐料放在環形轉底爐爐底上,且均勻地分布,在爐子內部將爐料加熱,直接還原的爐溫可達到1300℃以上,經旋轉一圈的爐料通過螺旋排料機排出爐外,出料溫度一般可達到1000℃以上。爐料在爐內的停留時間可根據要求調節,直接還原的時間可控制在15~25min內。因此還原溫度高、時間短、爐料不動爐盤動是其主要特點。同時對釩鈦磁鐵礦來說,轉底爐直接還原可以解決其難還原和低溫還原膨脹的問題。

    轉底爐+電爐釩鈦磁鐵礦冶煉工藝流程:第一步,混合造求,將釩鈦磁鐵精礦粉與煤粉混合后,采用粘結劑壓制制球,球團質量要求:入爐壓塊含粉率<3%,生球300mm落下次數25次以上。 第二步,轉底爐內直接還原,將成品球團通過布料系統均勻布置于轉底爐爐底,并在1300~ 1400℃的高溫環境下還原15~25min,得到金屬化率70~85%的DRI,通過排料設施排出爐外,第三步,熱DRI輸送,從轉底爐出來的熱DRI通過密閉的或用惰性氣體保溫的容器運送,或者直接進入電爐中進行熔煉,第四步,電爐熔分,熱DRI在電爐內熔分后得到含釩鐵水和鈦渣。其工藝流程簡圖見圖3

    (1)原、燃料條件[1]

    四川龍蟒工業化實驗裝置所采用的原燃料條件如下表3、4。

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    (2)釩、鈦的提煉及利用情況[1]

    電爐熔分生產的含釩鐵水及鈦渣成分見下表5、6。

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    從表5、6中可以看出,轉底爐+電爐熔分工藝生產鐵水含釩平均值為0.47,高于高爐流程約50%,釩的回收率85%以上。鈦渣中TiO2 的含量大于47%,鈦回收率>99%,用此鈦渣與鈦精礦混合酸解可以制取合格的顏料級E996型金紅石鈦白粉。

    5  HIsmelt熔融還原工藝

    HIsmelt是一種熔融還原煉鐵工藝,該工藝可直接熔煉經預熱處理的鐵礦粉和其他適合的含鐵原料,并噴吹煤粉作為系統的還原剤及熱量來源。相對傳統的高爐煉鐵工藝,HIsmelt熔融還原煉鐵工藝省去了燒結及焦化兩個環節,在同樣產能下節省了大量的投資及運行成本,且這種工藝在生產過程中產生的大量蒸汽及富余煤氣均可以用于發電,使其生產系統的能源利用效率很高,應用前景廣闊。

    HIsmelt熔融還原煉鐵工藝流程:原料釩鈦精礦粉經物料輸送送入礦粉預熱裝置,經干燥預熱后進入預還原裝置進行預還原,經預還原的礦粉通過轉運輸送設備送入礦粉噴吹系統,經過熱礦噴吹管路噴入SRV爐內鐵水熔池內,燃料煤及石灰通過煤粉噴吹系統,經煤粉噴吹管道噴入SRV內熔池內,進入SRV爐的礦粉與煤粉在高溫熔池內發生反應,完成鐵水熔煉過程,生產含釩鐵水與鈦渣。其工藝流程簡圖見下圖4。

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    HIsmelt工藝在處理釩鈦礦方面具有顯著優勢[5],其主要原因:

    (1)HIsmelt工藝可以直接使用粉料,避免因Ti02存在對燒結礦、球團塊礦質量的影響。

    (2)其獨特的強氧化性氣氛,使渣中的氧勢較高,足以有效抑制TiO2還原和高熔點TiC(TiN)生成,同時由于鐵水中碳含量較低,也可以避免形成大量TiC/TiN等難熔化合物。同時,鐵水所具備的還原勢也可以較好地實現釩的回收。

    (3)鐵礦石在熔融狀態下發生直接還原,反應速度快,爐渣粘度較低,渣內不會殘留大量氣體,所以爐內不會產生嚴重的泡沫渣。

    (4)獨立渣口設計為處理粘度更大的爐渣提供了條件。在HIsmelt熔融還原爐中,鐵水通過前置爐連續排出,爐渣則通過渣口單獨排出,無需像高爐那樣在鐵溝中進行分離,避免因渣鐵分離困難對操作的影響;另外,該工藝已經證明其承受高粘度爐渣的能力區間為2.5~5泊,而傳統高爐的上限為2.5泊。

    (5)冶煉釩鈦礦還有利于SRV爐水冷壁的掛渣和形成渣皮保護耐材,有助于提高SRV爐爐襯的壽命。

    6  不同工藝釩鈦磁鐵礦冶煉技術比較

    以上所述的四種釩鈦磁鐵礦冶煉工藝,因工藝流程截然不同,其主要內容比較見下表7。

    我國擁有非常豐富的釩鈦磁鐵礦資源,如何實現釩鈦磁鐵礦資源的合理利用,選擇合理、可行的工藝路線是關鍵。就以上四種工藝而言,高爐+轉爐和回轉窯+電爐工藝雖然歷史悠久,工藝成熟,但是高爐+轉爐工藝因為長流程對焦炭資源的依賴、焦化燒結對環境污染、含鈦爐料對操作的影響以及爐渣中TiO2的含量低,鈦未回收等問題,不太適合作為釩鈦綜合回收的工藝路線。而回轉窯+電爐工藝因裝置也存在規模小、成本高以及球團礦粉化、回轉窯結圈、還原時間長等問題。轉底爐直接還原是典型的煤基非高爐煉鐵工藝,近幾年,國內在處理鋼鐵廠粉塵以及有色冶金中均有采用,工藝路線及設備方面都取得了很大的進步,但在釩鈦磁鐵礦的冶煉方面仍沒有大型工業化工廠。HIsmelt熔融還原工藝是商業化的熔融還原煉鐵工藝之一,也是截止目前唯一不使用焦炭的熔融還原煉鐵技術,通過國外、國內兩座商業化工廠的實踐檢驗,其工藝可行性無容置疑,隨著國內工廠、工作人員對工藝路線以及操作的不斷熟悉,再加上中國冶金行業的強大設備制造能力和工藝技術創新能力,HIsmelt熔融還原工藝必將成為我國未來煉鐵技術的發展的方向。

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    因此,就轉底爐+電爐熔分與HIsmelt熔融還原兩種新型的冶煉工藝而言,轉底爐工藝受需要用內配碳團塊為原料,還原劑灰分進入產品,生產過程無法脫硫[6]、沒有大型工業化工廠等因素的影響,而HIsmelt熔融還原工藝可以直接采用原礦、不需要造球、流程短、操作簡單等優越性將會成為未來釩鈦磁鐵礦綜合利用的最佳工藝技術。

    7  參考文獻

    [1]陳厚生,范先國,秦廷許等.釩鈦磁鐵礦冶煉新流程工業試驗研究.,中國,2010.

    [2]邊德讓.新西蘭電爐冶煉釩鈦磁鐵礦[J],釩鈦,1993(5):19-21 .

    [3] J.Hall. 南非共和國對提取釩鈦磁鐵礦中鐵釩所做的貢獻,釩鈦磁鐵礦開發利用國際學術會議論文集.

    [4]秦潔,劉功國,李占軍,齊建玲.直接還原處理釩鈦礦資源的幾種典型工藝評述. 礦冶,2014.(4):79-90.

    [5] Jacques Pilote. Hismelt適合釩鈦磁鐵礦的技術。中國金屬學會非高爐煉鐵學術年會暨釩鈦磁鐵礦綜合利用技術研討會。中國,2010.

    [6]趙慶杰. 我國直接還原鐵產業發展的展望。2016年氣基直接還原工藝技術研討會。中國,2016.

    (責任編輯:zgltw)
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