釩鈦磁鐵礦熔分堿度對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

（西安建筑科技大學冶金工程學院，陜西 西安 710055）

釩鈦磁鐵礦主要包含釩、鈦、鐵，同時伴有鉻、鈷、鎳等有價元素，具有極高的綜合利用價值[1-3］。 世界釩鈦磁鐵礦主要分布在俄羅斯、南非、中國、新西蘭和加拿大，其中中國釩鈦磁鐵礦資源約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)復雜，冶煉難度較大[12-13］，研究爐渣性能對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象，采用直接還原-熔分工藝研究堿度對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 試驗原料與方案

1.1 試驗原料

試驗原料南非釩鈦磁鐵礦化學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 粒級礦石含量70.34%，＋150 μm 粒級礦石含量2.25%，粒度整體偏細，適宜作為球團原料。 試驗原料XRD 分析圖譜見圖1，該原料主要物相為Fe3O4和FeTiO3。 試驗所用還原劑為焦炭，其主要技術(shù)參數(shù)見表3。 試驗所用熔劑包括CaO、SiO2和MgO，其中CaO 純度75%，SiO2和MgO 均為化學純試劑，純度99.9%。

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成分（質(zhì)量分數(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 試驗方案

直接還原-電爐熔分工藝分為預還原和熔分兩個過程。 預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，進行還原焙燒得到金屬化球團。熔分過程為金屬化球團進入電爐熔分得到鐵水與爐渣。 通過FactSage 進行熱力學分析計算，得到合理的試驗參數(shù)及爐渣理論黏度值，對后續(xù)試驗進行指導。

將釩鈦磁鐵礦和焦炭分別用顎式破碎機破碎至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箱式爐中1250 ℃下焙燒60 min 得到金屬化球團。 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，計算得到配碳量為5%。 以四元堿度為標準對爐渣堿度進行調(diào)節(jié)，計算得到需要加入的熔劑質(zhì)量。

按照配料計算的方案配比，分別稱取釩鈦磁鐵礦球團、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測定儀測定爐渣熔化特性，采用RTW-10 型高溫旋轉(zhuǎn)黏度計測量爐渣黏度，并對爐渣進行XRD 衍射分析。 將爐渣實際黏度與FactSage 計算的理論黏度進行比較，研究堿度對釩鈦磁鐵礦爐渣冶金性能的影響規(guī)律。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 堿度對爐渣熔化特性的影響

熔分溫度1450 ℃、配碳量5%、升溫速率15 ℃／min、保溫時間40 min 時，不同堿度對應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，爐渣對應的軟化溫度、半球溫度、流動溫度逐漸升高。 這主要是由于爐渣堿度提高，渣中CaO 含量增多，與其他組分反應生成硅酸二鈣等高熔點化合物，爐渣熔化溫度升高[14］。

圖2 堿度對爐渣熔化溫度的影響

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

熔分溫度1450 ℃、配碳量5%、升溫速率15 ℃／min、保溫時間40 min 時，堿度對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，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，且當溫度處于半球溫度和流動溫度之間時，爐渣熔化速率較大；爐渣堿度1.1 和1.2 時，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，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，爐渣熔點較低、熔化性能較好，爐渣流動性較好。

圖3 堿度對爐渣熔化特性曲線的影響

2.2 堿度對爐渣黏度的影響

熔分溫度1450 ℃、配碳量5%，升溫速率15 ℃／min、保溫時間40 min 時，使用高溫旋轉(zhuǎn)黏度計測定其黏度，同時采用FactSage 軟件對爐渣的黏度進行計算，研究堿度對爐渣黏度的影響規(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，爐渣實測黏度值和計算黏度值逐漸變小，堿度1.2 時，爐渣實測黏度值和計算黏度值均達到最小值，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 堿度對爐渣黏度的影響

堿度0.9 ～1.2 時，隨著堿度增大，CaO 含量增多，解離的自由氧增多，自由氧與橋氧反應形成非橋氧，爐渣結(jié)構(gòu)簡單化，黏度降低，流動性提高。 堿度1.2 ～1.4時，隨著爐渣堿度提高，CaO 仍能夠提供自由氧離子O2－，但此時渣中復雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)很少，不再發(fā)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的進一步聚解，因此堿度提高對爐渣黏度的影響不明顯[15］；此時隨著堿度增大，爐渣中易結(jié)晶形成硅酸二鈣等高熔點化合物，爐溫波動時易產(chǎn)生非均勻相，導致爐渣黏度升高，影響爐渣流動性。

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，呈現(xiàn)“短渣”特性。 溫度較高時，隨溫度升高，爐渣黏度變化較平緩，此時爐渣熱穩(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)與黏度的對數(shù)做圖，曲線拐點對應的溫度即為爐渣的結(jié)晶溫度。堿度對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，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。

圖6 堿度對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，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、黃長石、鈣鈦礦和鈣鋁尖晶石，其中輝石為基本物相，各物相熔點從高到低依次為：鈣鋁尖晶石、鈣鈦礦、黃長石、輝石。 堿度0.9～1.2 時，隨著堿度增加，爐渣中輝石和黃長石衍射峰強度逐漸增大，其相對含量增加，渣中鈣鈦礦和鈣鋁尖晶石等高熔點物質(zhì)相對含量降低，導致1450 ℃時爐渣黏度下降；堿度1.2 ～1.4 時，隨著堿度增加，爐渣中輝石和黃長石衍射峰強度逐漸下降，鈣鈦礦與鈣鋁尖晶石相對含量升高，渣中鈣鈦礦和鈣鋁尖晶石等高熔點物質(zhì)相對含量增加，導致1450 ℃時爐渣黏度升高。 可見，堿度0.9 ～1.4 時，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，與實驗結(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 堿度對渣鐵分離效果的影響

不同堿度下熔分所得爐渣化學成分如表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，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 時爐渣形貌較好，黏度較小，流動性較好。

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、流動溫度逐漸升高。 堿度0.9 ～1.2 時，爐渣熔化溫度增長速率較快；堿度1.2～1.4 時，爐渣熔化溫度增長速率變慢，此時爐渣穩(wěn)定性較好。

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

3） 堿度1.2 時，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 ℃，流動溫度1256 ℃，黏度0.130 Pa·s，爐渣流動性良好，整體冶金性能較好。