釩鈦海砂礦轉(zhuǎn)底爐直接還原研究

劉長(zhǎng)正， 曹志成， 彭程， 崔慧君

寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司 轉(zhuǎn)底爐事業(yè)部，上海 201900

引 言

海底砂礦是指發(fā)育于海洋環(huán)境中的砂質(zhì)沉積物，包括礫石質(zhì)砂、砂、粉砂質(zhì)砂和黏土質(zhì)砂，是由地質(zhì)外力作用驅(qū)動(dòng)礦物碎屑聚集而形成的次生富集礦床，亦稱之為“海砂”。在印度尼西亞、新西蘭、馬來(lái)西亞等世界各地有著廣泛的分布，且儲(chǔ)量大、開(kāi)采成本低，受到礦業(yè)界的高度關(guān)注[1-3]。海濱砂礦除含有鈣、鎂、硅、鋁等元素外，亦富含鐵、釩、鈦三種有價(jià)組分，一般通過(guò)選礦工藝分選出鈦精礦和釩鈦磁鐵礦兩種產(chǎn)品加以利用[4,5]。目前，高爐處置釩鈦磁鐵礦只能回收其中的鐵和釩，高爐渣中TiO2品位約20%～30%，其經(jīng)濟(jì)合理利用尚在研究中[6-8]。非高爐冶煉技術(shù)層面，新西蘭海砂礦采用回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原—矩形電爐熔分工藝實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)，還原金屬化率約80%[9, 10]；有學(xué)者采用深度還原—磁選工藝對(duì)釩鈦海砂礦進(jìn)行鐵、鈦分離研究[11, 12]；攀鋼集團(tuán)和龍蟒集團(tuán)已分別建成年產(chǎn)10萬(wàn) t和7萬(wàn) t釩鈦磁鐵礦金屬化球團(tuán)的轉(zhuǎn)底爐直接還原—電爐熔分生產(chǎn)線，這實(shí)現(xiàn)了攀西地區(qū)的釩鈦巖礦中鐵、釩、鈦的有效分離[13-15]。目前，采用轉(zhuǎn)底爐直接還原—電爐熔分工藝處理釩鈦海砂礦的工業(yè)性中試尚未見(jiàn)報(bào)道。

本研究以印尼海濱砂礦選礦后的含釩、鈦的鐵精礦為原料，首次在國(guó)內(nèi)直徑10 m、處理量3 t/h的轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行了150 t原料的直接還原中試研究，轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)出的金屬化球團(tuán)熱裝送入300 kVA的直流電爐熔分，產(chǎn)出含釩鐵水和含鈦爐渣，此項(xiàng)研究可為儲(chǔ)量巨大的海濱砂礦鐵、釩、鈦的綜合回收提供一種新的途徑。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

印尼海濱砂礦(原礦)首先經(jīng)過(guò)磁滑輪干式選礦拋尾，產(chǎn)出的粗精礦經(jīng)過(guò)兩段磨礦兩段磁選后得到含釩、鈦的鐵精礦(釩鈦海砂精礦)，該精礦作為轉(zhuǎn)底爐中試礦樣。

1.2 分析與檢測(cè)

原礦與釩鈦海砂精礦化學(xué)多元素分析見(jiàn)表1，其粒度分析見(jiàn)表2。

表1 原礦與釩鈦海砂精礦化學(xué)多元素分析/%

表2 釩鈦海砂精礦粒度分析

表1結(jié)果表明，海砂原礦經(jīng)選礦后，精礦中鐵品位增加明顯，TiO2含量有所增加，而CaO、SiO2、Al2O3和MgO含量明顯減少。原礦經(jīng)選礦后可得TFe品位為58.50%，V2O5品位為0.57%，TiO2品位為8.81%，-0.045 mm占比為84.66%的精礦。

印尼海砂原礦和精礦中Fe、Ti和V的化學(xué)物相分析結(jié)果表明，原礦與精礦中鐵存在于磁性鐵、磁黃鐵礦、其他硫化鐵、赤褐鐵礦和硅酸鐵這5種礦物中，其中磁性鐵中鐵占原礦的88.56%，占精礦的99.07%；原礦中鈦存在于磁性鐵、榍石、鈦鐵礦和金紅石這4種礦物中，其中磁性鐵中鈦占比35.11%，鈦鐵礦中鈦占比47.87%。選礦時(shí)，磁性鐵中的鈦經(jīng)弱磁選進(jìn)入鐵精礦，鈦鐵礦中的鈦進(jìn)入鈦精礦中，精礦中磁性鐵中的鈦占比達(dá)到94.74%；原礦中釩存在于游離氧化物、鐵鋁、云母、硫化物和其他礦物中。鐵鋁中釩是指鐵礦物和鋁礦物中的釩，這部分鐵礦物主要為磁性鐵，75%的釩賦存于精礦中。

試驗(yàn)用的還原劑為蘭炭，空干基固定碳含量為81.89%，全硫含量為0.23%，-0.074 mm占比大于90%；試驗(yàn)用于制備海砂釩鈦精礦含碳球團(tuán)的粘結(jié)劑包括膨潤(rùn)土和有機(jī)粘結(jié)劑。

1.3 試驗(yàn)方法

采用轉(zhuǎn)底爐直接還原-電爐熔分工藝對(duì)印尼釩鈦海砂精礦進(jìn)行試驗(yàn)研究，首先進(jìn)行小型基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，獲得最佳的配料條件、焙燒還原條件、電爐熔分條件，之后進(jìn)行轉(zhuǎn)底爐中試試驗(yàn)驗(yàn)證，具體工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程圖

工藝過(guò)程為：印尼海濱砂原礦經(jīng)選別所得含釩鈦的鐵精礦、細(xì)磨處理的蘭炭粉、粘結(jié)劑按照基礎(chǔ)試驗(yàn)確定的配比進(jìn)行配料，配好的物料經(jīng)由皮帶送入強(qiáng)力混合機(jī)，在干混的過(guò)程中加水進(jìn)行濕混，實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)出料?；旌狭线M(jìn)入圓盤造球工序，圓盤排出的球團(tuán)經(jīng)過(guò)孔徑為8 mm與20 mm的雙層篩分，≤8 mm與≥20 mm的球團(tuán)碾碎后返回圓盤造球，8～20 mm的球團(tuán)進(jìn)入烘干機(jī)進(jìn)行烘干，烘干后的干球團(tuán)被送往轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行還原。轉(zhuǎn)底爐頂部的布料器均勻地將球團(tuán)布到轉(zhuǎn)底爐的爐床上，轉(zhuǎn)底爐內(nèi)部爐頂、爐墻、燒嘴固定不動(dòng)，球團(tuán)被爐底機(jī)械帶動(dòng)經(jīng)由預(yù)熱區(qū)、中溫區(qū)、高溫還原區(qū)實(shí)現(xiàn)含碳球團(tuán)的高溫快速還原。從轉(zhuǎn)底爐排出的金屬化球團(tuán)溫度約1 050 ℃，通過(guò)熱裝直接送入電爐熔分。在電爐熔分過(guò)程中，球團(tuán)中的釩被還原出來(lái)進(jìn)入到鐵水中，產(chǎn)出含釩鐵塊，經(jīng)過(guò)程調(diào)控促使鈦進(jìn)入熔分爐渣中，以含鈦爐渣的形式產(chǎn)出。

轉(zhuǎn)底爐中試試驗(yàn)主要設(shè)備為混料機(jī)、圓盤造球機(jī)、網(wǎng)帶烘干機(jī)、轉(zhuǎn)底爐、直流電弧爐，設(shè)備詳情見(jiàn)表3。

表3 轉(zhuǎn)底爐中試試驗(yàn)主要設(shè)備

2 研究結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)試驗(yàn)研究中，重點(diǎn)研究了還原溫度、蘭炭用量、還原時(shí)間對(duì)球團(tuán)金屬化率與剩碳量的影響， 工藝目標(biāo)是獲得較佳金屬化率與剩碳量的球團(tuán)，可為后續(xù)熔分試驗(yàn)提供原料。熔分試驗(yàn)重點(diǎn)考察熔分溫度、熔分時(shí)間對(duì)鐵、釩、鈦回收率的影響，目標(biāo)是獲得較好的渣鐵分離效果，獲得鐵、釩、鈦回收率較高的技術(shù)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行中試試驗(yàn)驗(yàn)證。

前期圓盤造球探索試驗(yàn)表明適宜的粘結(jié)劑用量為：膨潤(rùn)土與有機(jī)粘結(jié)劑分別占釩鈦海砂鐵精粉質(zhì)量的3%和1%，此時(shí)所得含碳濕球團(tuán)與干球團(tuán)落下強(qiáng)度均超過(guò)8次，可滿足轉(zhuǎn)底爐直接還原的要求，同時(shí)因轉(zhuǎn)底爐傳熱及處理量的交互關(guān)系，所以布料厚度定為3層(54 mm)球團(tuán)。

2.1 還原溫度試驗(yàn)

還原溫度對(duì)于含碳球團(tuán)直接還原指標(biāo)影響較大，因此首先進(jìn)行了含碳球團(tuán)焙燒溫度作用影響的試驗(yàn)。選擇碳氧比為1.3(蘭炭用量為海砂精礦質(zhì)量的27%)，考察高溫區(qū)溫度對(duì)球團(tuán)金屬化率與剩碳的影響。焙燒時(shí)間為25 min，高溫區(qū)溫度分別為1 200 ℃、1 240 ℃、1 260 ℃、1 280 ℃與1 300 ℃。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 溫度對(duì)球團(tuán)指標(biāo)的影響

結(jié)果表明，隨著高溫區(qū)還原溫度的升高，球團(tuán)金屬化率呈上升趨勢(shì)，從1 200 ℃時(shí)的80.05%升高到1 300%的90.07%，同時(shí)由于還原消耗和燒損的加大，球團(tuán)中的碳含量整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。高溫區(qū)還原溫度在1 260 ℃以上時(shí)，金屬化率可達(dá)到86.47%，得到較好的還原指標(biāo)。兼顧金屬化率和剩碳指標(biāo)，選取高溫區(qū)溫度為1 260 ℃進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.2 蘭炭用量試驗(yàn)

固定為焙燒時(shí)間25 min，高溫區(qū)還原溫度為1 260 ℃，蘭炭用量分別為釩鈦鐵精礦質(zhì)量的20%、23%、25%與27%進(jìn)行焙燒試驗(yàn)，蘭炭用量對(duì)金屬化率與剩碳量的影響結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 蘭炭用量對(duì)還原指標(biāo)的影響

由圖3可知，隨著蘭炭用量的增加，球團(tuán)金屬化率與剩碳量均呈上升趨勢(shì)，蘭炭用量從20%增加到23%時(shí)，球團(tuán)金屬化率從82.31%提高到87.33%，之后隨著蘭炭用量增加，球團(tuán)金屬化率變化不大。由于中試轉(zhuǎn)底爐的燒損會(huì)進(jìn)一步加大，為防止球團(tuán)發(fā)生二次氧化，選擇蘭炭用量25%，此時(shí)球團(tuán)金屬化率87.64%，剩碳4.44%。

2.3 還原時(shí)間試驗(yàn)

固定蘭炭用量25%，高溫區(qū)還原溫度為1 260 ℃，焙燒分別時(shí)間為20 min、25 min、30 min和35 min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 還原時(shí)間對(duì)還原指標(biāo)的影響

圖4結(jié)果表明，隨著還原時(shí)間的延長(zhǎng)，球團(tuán)金屬化率呈先快速增加后上升緩慢的趨勢(shì)，球團(tuán)剩碳呈下降趨勢(shì)，從20 min時(shí)的5.81%下降到35 min時(shí)的3.16%。為保證球團(tuán)碳含量大于4%，選擇還原時(shí)間為30 min，此時(shí)球團(tuán)金屬化率88.73%，剩碳4.21%。

2.4 熔分所需金屬化球團(tuán)制備

通過(guò)上述試驗(yàn)確定了較佳的配料與還原條件，釩鈦海砂精礦(m)蘭炭(m)膨潤(rùn)土(m)有機(jī)粘結(jié)劑(m)=1002531；高溫區(qū)還原溫度1 260 ℃，還原時(shí)間30 min。按照上述配料與還原條件進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)，制備出下步熔分試驗(yàn)所需的金屬化球團(tuán)。圖5為釩鈦海砂精礦含碳球團(tuán)平鋪在耐火材料盤上焙燒前與焙燒后的形貌，可知焙燒后的球團(tuán)有體積縮小的現(xiàn)象，同時(shí)沒(méi)有發(fā)生粘結(jié)熔化的情況，這有利于轉(zhuǎn)底爐出料和下步熔分試驗(yàn)，重復(fù)試驗(yàn)得出球團(tuán)的金屬化率與剩碳分別穩(wěn)定在88%～89%和4%～5%的區(qū)間。

圖5 球團(tuán)焙燒前(左圖)與焙燒后(右圖)形貌

2.5 熔分溫度試驗(yàn)

將金屬化球團(tuán)從還原爐中取出，迅速裝入剛玉坩堝中，將坩堝快速放入模擬工業(yè)電爐的高溫爐中，高溫爐溫度分別為1 550 ℃和1 600 ℃，熔分時(shí)間60 min，考察渣鐵分離效果及鐵、釩、鈦的回收率。表4列出了不同熔分溫度條件下，熔分鐵塊中鐵、釩、鈦三種元素的品位及回收率情況。

表4 熔分溫度對(duì)鐵、釩回收率的影響

從表4中可知，熔分溫度從1 550 ℃升高到1 600 ℃，鐵回收率從66.25%升高到96.57%，釩的回收率從22.76%升高到74.34%，說(shuō)明熔分溫度對(duì)鐵和釩回收率影響較大，熔分爐渣中鈦的品位變化不大。主要的原因是釩鈦礦熔分渣含鈦較高，比較黏稠，溫度低不利于渣鐵分類，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)熔分溫度1 550 ℃時(shí)，渣中仍?shī)A雜著很多細(xì)小的鐵珠，降低了鐵和釩的回收率，當(dāng)溫度升高到1 600 ℃時(shí)，熔渣黏度變低，渣鐵分類良好，同時(shí)有利于釩還原進(jìn)入鐵水，因此鐵與釩回收率大幅增加。受試驗(yàn)條件限制，研究用試驗(yàn)電爐工作的最高溫度1 600 ℃，為進(jìn)一步提高鐵、釩、鈦的回收率，進(jìn)行了熔分時(shí)間試驗(yàn)。

2.6 熔分時(shí)間試驗(yàn)

取3.5節(jié)中的金屬化球團(tuán)進(jìn)行熔分時(shí)間試驗(yàn)，固定熔分溫度1 600 ℃，熔分時(shí)間分別為30 min、60 min、90 min和120 min。由于熔分時(shí)間對(duì)鈦的影響不大，只要實(shí)現(xiàn)了渣鐵分離，鈦絕大多數(shù)都會(huì)進(jìn)入爐渣，因此重點(diǎn)考察了鐵和釩的熔分效果，結(jié)果見(jiàn)圖6。

從圖6結(jié)果可知，隨著熔分時(shí)間的增加，鐵回收率、釩回收率、釩品位總體呈快速上升然后平緩的趨勢(shì)，鐵品位變化不大。當(dāng)熔分時(shí)間為90 min時(shí)，熔分鐵塊的鐵品位、鐵回收率、釩品位和釩回收率分別為94.96%、98.30%、0.45%和87.90%，繼續(xù)延長(zhǎng)熔分時(shí)間，指標(biāo)變化不大，因此最佳的熔分時(shí)間為90 min。

圖6 熔分時(shí)間對(duì)鐵和釩的影響

2.7 轉(zhuǎn)底爐中試試驗(yàn)

上述小型基礎(chǔ)試驗(yàn)得到的最佳配料條件為：m(海砂精礦)m(蘭炭)m(膨潤(rùn)土)m(有機(jī)粘結(jié)劑)=1002531；最佳的模擬轉(zhuǎn)底爐還原焙燒條件為，3層(54 mm)含碳球團(tuán)，還原溫度1 260 ℃，還原時(shí)間30 min，可以得到球團(tuán)的金屬化率與剩碳分別穩(wěn)定在88%～89%和4%～5%的區(qū)間。該球團(tuán)在熔分溫度1 600 ℃，熔分時(shí)間90 min的條件下，可以獲得較好的鐵、釩、鈦回收指標(biāo)。

按照小型基礎(chǔ)試驗(yàn)得出的配料和焙燒條件：在中徑8 m、布料寬度2 m的轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行了150 t釩鈦海砂精礦中試驗(yàn)證試驗(yàn)，所得球團(tuán)平均金屬化率88.63%，球團(tuán)中剩碳4.81%。將金屬化球團(tuán)熱裝入300 kVA的直流電爐進(jìn)行冶煉，得到含釩鐵水和含鈦爐渣，鐵水中鐵品位96.25%，釩品位0.443%，鐵與釩回收率分別為99.64%和88.96%，爐渣中TiO2品位38.86%，鈦的回收率為98.95%，優(yōu)于小型基礎(chǔ)試驗(yàn)的結(jié)果，可能的原因是直流電爐的冶煉溫度在1 650 ℃～1 700 ℃，溫度升高對(duì)于鐵和釩的回收都是有利的。

表5和表6分別列出了中試含釩鐵塊與爐渣的化學(xué)多元素分析。表5中含釩鐵塊的磷含量0.15%，主要的原因是海砂精礦原礦的磷含量較高(原礦磷含量0.12%)，在轉(zhuǎn)底爐直接還原與電爐熔分中富集到鐵塊中所致，后續(xù)在含釩鐵水提釩煉鋼過(guò)程中需要脫磷。表6中含鈦爐渣中TiO2品位38.86%，高于含鈦高爐渣(TiO2品位小于30%)，但低于生產(chǎn)硫酸法鈦白所用的鈦精礦品位(TiO2≥45%)，其綜合利用尚需研究。

表5 含釩鐵塊的化學(xué)多元素分析

表6 爐渣的化學(xué)多元素分析

3 結(jié)論

(1)針對(duì)印尼釩鈦海砂精礦，采用轉(zhuǎn)底爐直接還原-電爐熔分工藝，先后進(jìn)行了小型基礎(chǔ)試驗(yàn)研究與工業(yè)性中試研究。結(jié)果表明，可以有效實(shí)現(xiàn)鐵、釩、鈦的富集回收。

(2)小型基礎(chǔ)試驗(yàn)得到的最佳條件為：m(海砂精礦)m(蘭炭)m(膨潤(rùn)土)m(有機(jī)粘結(jié)劑)=1002531，3層(54 mm)含碳球團(tuán)，還原溫度1 260 ℃，還原時(shí)間30 min，可以得到球團(tuán)的金屬化率與剩碳分別穩(wěn)定在88%～89%和4%～5%的區(qū)間。該球團(tuán)在熔分溫度1 600 ℃，熔分時(shí)間90 min的條件下，可以獲得較好的鐵、釩、鈦回收指標(biāo)。

(3)中試海砂礦球團(tuán)平均金屬化率88.63%，電爐進(jìn)行冶煉獲得含釩鐵水中鐵品位96.25%，釩品位0.443%，鐵與釩回收率分別為99.64%和88.96%，爐渣中TiO2品位38.86%，鈦的回收率為98.95%。