釩鈦磁鐵礦綜合利用現(xiàn)狀及HIsmelt冶煉可行性分析

張樹石，胡鵬，饒家庭，王振陽，張建良，宗燕兵

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京，100083；2.釩鈦資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川攀枝花，617000)

釩鈦磁鐵礦是鐵、釩和鈦資源的重要來源，在世界范圍內(nèi)廣泛分布，我國釩鈦磁鐵礦儲量超過180 億t[1?4]。釩鈦磁鐵礦成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是世界公認(rèn)的難冶煉礦種[5?6]，目前其綜合利用工藝包括高爐法和非高爐法。高爐法采用高爐冶煉結(jié)合轉(zhuǎn)爐提釩工藝，以實(shí)現(xiàn)鐵、釩和鈦資源的分離提??；非高爐法主要包括還原?電爐法、直接還原?磨選法及鈉化提釩?直接還原?電爐法[7?8]，雖然冶煉工藝較多，但在經(jīng)濟(jì)環(huán)保前提下實(shí)現(xiàn)高效回收釩、鈦資源存在困難[9]。為此，本文分別討論高爐法和非高爐法工藝流程與特點(diǎn)，并重點(diǎn)分析HIsmelt 熔融還原工藝冶煉釩鈦磁鐵礦的可行性及優(yōu)勢，以促進(jìn)釩鈦磁鐵礦中鐵、釩及鈦資源的同時(shí)回收和綜合利用。

1 高爐法

高爐法是我國釩鈦磁鐵礦綜合利用的主要方法，也稱“高爐?轉(zhuǎn)爐法”。圖1所示為高爐法冶煉釩鈦磁鐵礦工藝流程。由圖1可見：釩鈦磁鐵精礦經(jīng)造塊送入高爐后，鈦元素將富存于爐渣中形成高鈦渣，而鐵、釩氧化物則被選擇性還原形成含釩鐵水。含釩鐵水經(jīng)吹煉后得到釩渣和半鋼，釩渣通過濕法提釩工藝處理得到釩產(chǎn)品，半鋼經(jīng)進(jìn)一步吹煉制得鋼水[10?11]。

圖1 高爐法冶煉釩鈦磁鐵礦工藝流程Fig.1 Process flows of smelting vanadium-titanium magnetite by blast furnace

高爐?轉(zhuǎn)爐法工藝成熟，生產(chǎn)規(guī)模大，可高效回收釩鈦磁鐵礦中鐵、釩資源[12]。但是，高爐冶煉釩鈦磁鐵礦仍存在以下問題：

1)鈦資源利用率低。高爐法爐渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，鈦資源回收困難。高鈦渣堆存占用土地資源，造成環(huán)境污染[13?14]。

2)爐渣黏度大。高爐內(nèi)氣氛具有較強(qiáng)還原性，使渣中TiO2過還原生成高熔點(diǎn)TiC和TiN物相，導(dǎo)致爐渣黏度增大，出現(xiàn)鐵損增加及嚴(yán)重泡沫渣現(xiàn)象。

3)需配加普通鐵礦。高爐法通常向原料中添加普通鐵礦以降低爐渣黏度。但普通鐵礦較釩鈦磁鐵礦價(jià)格更高，不僅增加冶煉成本，同時(shí)降低渣鐵中釩、鈦元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致釩資源產(chǎn)率降低，鈦資源利用困難[15]。

4)高爐法需使用大量冶金焦炭，成本高且污染環(huán)境；原料中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高導(dǎo)致燒結(jié)礦質(zhì)量降低，不利于高爐冶煉；此外，高爐法還存在流程長、能耗高和投資大等問題[2,16]。

2 非高爐法

2.1 還原?電爐法

還原?電爐法根據(jù)礦石還原程度不同分為電爐深還原流程和電爐熔分流程。電爐深還原流程是將釩鈦磁鐵精礦預(yù)還原后加入電爐深還原，礦石中鐵和釩氧化物被還原形成含釩鐵水，鈦氧化物富集于渣相，最后將含釩鐵水送入轉(zhuǎn)爐吹煉提釩。

電爐熔分流程是將釩鈦磁鐵精礦直接還原后加入電爐熔化得到鐵水和富釩鈦渣，鐵水經(jīng)進(jìn)一步冶煉形成鋼水，富釩鈦渣經(jīng)濕法工藝分離提取釩鈦元素[17]。還原?電爐法工藝流程如圖2所示。深還原流程工藝簡單、能耗低，因此更受關(guān)注，本文僅討論電爐深還原流程。

圖2 還原?電爐法冶煉釩鈦磁鐵礦工藝流程Fig.2 Process flows of smelting vanadium-titanium magnetite by reduction?electric furnace process

電爐深還原流程根據(jù)預(yù)還原設(shè)備不同分為回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐、豎爐、隧道窯和流化床預(yù)還原法。隧道窯和流化床預(yù)還原法存在產(chǎn)能小、污染嚴(yán)重等工藝與環(huán)保問題，因此本文重點(diǎn)比較回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐和豎爐預(yù)還原法。

2.1.1 回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原?電爐法

回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原法以回轉(zhuǎn)窯作為預(yù)還原設(shè)備，預(yù)還原產(chǎn)物經(jīng)過深還原流程實(shí)現(xiàn)鐵、釩和鈦資源分離[18?19]?；剞D(zhuǎn)窯預(yù)還原法對原料要求較高，需使用高品位釩鈦磁鐵礦粉和高灰熔點(diǎn)煤，原料成本高[16]；該工藝爐渣中鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，鈦資源回收利用困難；此外，回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原法設(shè)備易結(jié)圈，生產(chǎn)規(guī)模小[12]。

2.1.2 轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原?電爐法

轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原法以轉(zhuǎn)底爐作為預(yù)還原設(shè)備，釩鈦磁鐵精礦粉、煤粉及黏結(jié)劑造球后鋪于爐底，球團(tuán)依次通過預(yù)熱段、還原段和控制還原段制備金屬化球團(tuán)，最后將金屬化球團(tuán)送入電爐熔煉，與還原段的直接還原過程不同，控制還原段可抑制冷卻過程中金屬化球團(tuán)二次氧化[16]。轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原法還原溫度高、速度快，球團(tuán)質(zhì)量和預(yù)還原金屬化率較高。但該工藝鐵水質(zhì)量較差，存在產(chǎn)能低、設(shè)備難以大型化等不足。

2.1.3 豎爐預(yù)還原?電爐法

豎爐預(yù)還原法以豎爐作為預(yù)還原設(shè)備，在非高爐冶煉釩鈦磁鐵礦工藝中占有主導(dǎo)地位。該工藝以高質(zhì)量球團(tuán)礦和天然氣為原料，天然氣經(jīng)催化裂化制取還原氣用于球團(tuán)礦還原，還原產(chǎn)物送入電爐熔煉[12]。豎爐預(yù)還原法具有能耗低、污染小、產(chǎn)品質(zhì)量高和生產(chǎn)規(guī)模大等優(yōu)勢。目前豎爐預(yù)還原法面臨的技術(shù)難題包括：

1)原料要求高。豎爐預(yù)還原法球團(tuán)礦質(zhì)量對冶煉過程和鐵水成分影響較大，因此，對球團(tuán)礦強(qiáng)度和還原性等冶金性能要求較高。

2)受天然氣資源限制。豎爐預(yù)還原法以天然氣為原料生產(chǎn)還原氣，而我國天然氣資源緊缺且價(jià)格昂貴，故以天然氣為能源的豎爐預(yù)還原法在我國發(fā)展緩慢。近年來關(guān)于煤制氣和焦?fàn)t煤氣替代天然氣技術(shù)的研究取得一定成果，但煤制氣投資和運(yùn)行成本過高，焦?fàn)t煤氣中雜質(zhì)氣體危害設(shè)備和產(chǎn)品質(zhì)量，該技術(shù)有待進(jìn)一步研究[20]。

2.2 直接還原?磨選法

近年來國內(nèi)關(guān)于直接還原?磨選法工藝研究較少，該工藝根據(jù)還原設(shè)備不同分為回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐及隧道窯還原法。

直接還原?磨選法工藝流程如圖3所示。將釩鈦磁鐵精礦、碳粉及添加劑混合制備球團(tuán)，利用鐵、釩、鈦氧化物間還原性差異，在固態(tài)條件下將鐵氧化物選擇性還原為金屬鐵，然后控制還原條件使金屬鐵晶粒長大得到高金屬化球團(tuán)，金屬化球團(tuán)經(jīng)細(xì)磨、分選得到鐵精粉和富釩鈦料，最后利用濕法工藝提取富釩鈦料中釩、鈦元素[21?22]。

圖3 直接還原?磨選法冶煉釩鈦磁鐵礦工藝流程Fig.3 Process flows of smelting vanadium-titanium magnetite by direct reduction?grinding separation process

直接還原?磨選法具有流程短、能耗低、釩和鈦資源回收率高等優(yōu)勢[23]。但是，該工藝生產(chǎn)規(guī)模小、技術(shù)不成熟，對球團(tuán)金屬化率和鐵晶粒粒徑要求嚴(yán)苛；此外，釩鈦磁鐵礦較難還原，需添加鈉鹽強(qiáng)化其還原過程，但使用鈉鹽導(dǎo)致還原設(shè)備腐蝕和結(jié)瘤現(xiàn)象嚴(yán)重[12]。

2.3 鈉化提釩?直接還原?電爐法

鈉化提釩?直接還原?電爐法工藝流程如圖4所示。釩鈦磁鐵精礦與鈉鹽造球后加入回轉(zhuǎn)窯氧化鈉化焙燒，焙燒球團(tuán)水浸后得到含釩溶液和鐵鈦殘球，鐵鈦殘球經(jīng)回轉(zhuǎn)窯直接還原后送入電爐熔分得到鋼水和鈦渣[23]。

圖4 鈉化提釩?直接還原?電爐法冶煉釩鈦磁鐵礦工藝流程Fig.4 Process flows of smelting vanadium-titanium magnetite by vanadium extraction by sodium roasting?direct reduction?electric furnace process

鈉化提釩?直接還原?電爐法資源利用率高，釩元素回收率超過90%，渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%[7]。但是，該工藝需消耗大量鈉鹽，生產(chǎn)成本高，水浸提釩后殘球強(qiáng)度差且殘留鈉鹽，導(dǎo)致球團(tuán)膨脹粉化和設(shè)備結(jié)圈[24]。

3 HIsmelt熔融還原工藝

HIsmelt工藝是一種鐵浴式熔融還原煉鐵工藝，2004年在澳大利亞奎納納建成第一座工業(yè)化示范工廠，2012年中國建成首座HIsmelt工廠，目前該工廠運(yùn)行良好[25?26]。

3.1 HIsmelt工藝原理

圖5所示為HIsmelt 熔融還原工藝流程。由圖5可見：HIsmelt 工藝熔融還原爐(SRV)分為上部氧化區(qū)、過渡區(qū)和熔池區(qū)3 個區(qū)域。在熔池區(qū)，預(yù)還原鐵礦粉、煤粉及熔劑通過噴槍噴入熔渣層下，熔池內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈還原反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，渣鐵劇烈攪拌沸騰，并將部分含鐵原料和煤粉吹起(涌泉現(xiàn)象)；在上部氧化區(qū)，高溫富氧熱風(fēng)與熔池逸出的CO 和H2二次燃燒釋放熱量，將涌泉現(xiàn)象吹起的鐵礦粉熔化；在過渡區(qū)，熔化的礦粉和噴濺的渣鐵攜帶二次燃燒熱量回到熔池，完成熱量傳遞[27?28]。

圖5 HIsmelt熔融還原工藝冶煉釩鈦磁鐵礦工藝流程Fig.5 Process flows of smelting vanadium-titanium magnetite by HIsmelt smelting reduction process

3.2 HIsmelt熔融還原工藝優(yōu)勢

HIsmelt 熔融還原工藝與其他釩鈦磁鐵礦冶煉工藝相比，具有以下優(yōu)勢：

1)原粒和燃料適應(yīng)性強(qiáng)。HIsmelt 熔融還原工藝可直接噴吹含鐵礦粉和煤粉，不使用焦炭，無需焦化和鐵礦粉造塊過程，節(jié)能環(huán)保并節(jié)省大量土地資源。

2)爐渣黏度低、鈦資源回收率高。HIsmelt 工藝SRV 爐以高溫富氧熱風(fēng)助燃，上部氧化區(qū)氣氛具有弱氧化性，渣中FeO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可抑制TiO2過還原反應(yīng)及高熔點(diǎn)TiC、TiN 物相生成，因此爐渣黏度較低，有助于實(shí)現(xiàn)全釩鈦磁鐵礦冶煉，進(jìn)而提高渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，推動爐渣中鈦資源的回收利用[29]。

3)產(chǎn)品質(zhì)量高。HIsmelt 熔融還原工藝可使用難冶煉的釩鈦磁鐵礦作為原料，由于其獨(dú)特的工藝條件，鐵水質(zhì)量較其他工藝而言優(yōu)勢明顯，根據(jù)文獻(xiàn)[27]，國內(nèi)HIsmelt 工廠鐵水中P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015%～0.030%，基本不含Si 和Mn 等元素，可用作高質(zhì)量鋼種或高端鑄件原料[30]。

3.3 HIsmelt工藝冶煉釩鈦磁鐵礦的工業(yè)化

基于上述理論分析，HIsmelt 冶煉釩鈦磁鐵礦具有一定可行性，未來極大可能實(shí)現(xiàn)HIsmelt 冶煉釩鈦磁鐵礦的工業(yè)實(shí)踐。此外，對HIsmelt 工藝冶煉釩鈦磁鐵礦的技術(shù)問題和工作重點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。

3.3.1 技術(shù)問題

1)爐渣黏度大。雖然HIsmelt工藝弱氧化性氣氛可抑制TiC和TiN物相生成，但渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，爐渣黏度較大，可能引起渣鐵分離困難、鐵損增加等現(xiàn)象。

2)釩、鈦資源的高效回收。鐵、釩和鈦資源的高效回收是釩鈦磁鐵礦綜合利用的關(guān)鍵。雖然HIsmelt 冶煉條件有利于提高爐渣TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但高鈦渣的提鈦工藝復(fù)雜且技術(shù)難度大，實(shí)現(xiàn)鈦資源經(jīng)濟(jì)回收仍存在困難。此外，HIsmelt 爐渣中的FeO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可能導(dǎo)致鐵水中釩二次氧化，造成釩資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。

3.3.2 工作重點(diǎn)

針對上述HIsmelt 冶煉釩鈦磁鐵礦技術(shù)問題預(yù)測，建議將以下方面作為工作重點(diǎn)：

1)研究HIsmelt冶煉釩鈦磁鐵礦爐渣特性，明晰釩鈦磁鐵礦的爐渣特性、影響因素及變化趨勢，得到適合HIsmelt 冶煉的爐渣成分范圍，有利于降低爐渣黏度，減少鐵損。

2)結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究HIsmelt冶煉釩鈦磁鐵礦鐵、釩和鈦元素分配機(jī)制及其影響因素，揭示冶煉條件對鐵、釩和鈦元素分配行為的影響規(guī)律，有助于實(shí)現(xiàn)鐵、釩和鈦資源的高效回收。

3.4 釩鈦磁鐵礦綜合利用工藝比較

表1所示為釩鈦磁鐵礦綜合利用工藝比較，分別從資源回收率、工藝特點(diǎn)、生產(chǎn)規(guī)模、環(huán)境保護(hù)及能耗等角度比較釩鈦磁鐵礦綜合利用工藝的優(yōu)缺點(diǎn)[16]，其中HIsmelt 工藝為理論分析后的預(yù)期效果。

表1 釩鈦磁鐵礦綜合利用工藝比較[16]Table 1 Process comparison of comprehensive utilization of vanadium-titanium magnetite

4 結(jié)論

1)高爐法目前仍是我國釩鈦磁鐵礦綜合利用主導(dǎo)工藝，高爐法工藝成熟，生產(chǎn)規(guī)模大，但鈦資源回收利用率低，且原料需配加普通鐵礦，導(dǎo)致原料成本增加，釩產(chǎn)率降低。

2)還原?電爐法生產(chǎn)規(guī)模大、流程短且節(jié)能環(huán)保，但受到天然氣的嚴(yán)格限制。使用煤制氣和焦?fàn)t煤氣替代天然氣的豎爐預(yù)還原?電爐法具有發(fā)展?jié)摿ΓM(jìn)一步降低煤制氣技術(shù)投資和運(yùn)行成本，減少焦?fàn)t煤氣中雜質(zhì)氣體含量是該技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵。直接還原?磨選法、鈉化提釩?直接還原?電爐法的鐵、釩和鈦資源回收率高，但生產(chǎn)規(guī)模小，技術(shù)尚不成熟。

3)HIsmelt 熔融還原工藝無需燒結(jié)和焦化工序，源頭減排效應(yīng)顯著；SRV爐氣氛為弱氧化性，渣中FeO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可抑制高熔點(diǎn)TiC 和TiN物相生成，因此爐渣黏度較低，有助于實(shí)現(xiàn)全釩鈦磁鐵礦冶煉，進(jìn)而提高渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，推動爐渣中鈦資源的回收利用。

4)HIsmelt 工藝冶煉釩鈦磁鐵礦具有一定可行性，是釩鈦磁鐵礦資源綜合利用的發(fā)展方向之一。