·1596 北京科技大学学报 第36卷 处理钒钛磁铁精矿，但仅回收铁和钒，而钛进入高炉 要是煤基直接还原一电炉熔分流程司.该路线还原 渣基本无法回收利用，从而造成钛资源的浪费，并且 温度一般高于1250℃，且还原产物中铁颗粒尺寸不 对环境造成污染.近年来，直接还原技术被认为是 影响后续熔分过程中铁与钛的分离，因此尚未有钒 综合利用钒钛磁铁矿中铁、钒和钛的很有潜力的方 钛磁铁矿的煤基直接还原过程中金属铁颗粒长大特 法之一，具有工艺流程短且设备简单，能有效回收铁 性的相关研究. 精矿中钛资源等优点回 本文在较低温度下(1200℃以下)对直接还原 目前，普遍采用直接还原一电炉熔分流程司来 钒钛磁铁精矿过程中金属铁颗粒长大特性进行研 处理钒钛磁铁矿.在直接还原过程中，为了实现Fe.O 究，重点考察还原剂种类、添加剂等因素对金属铁颗 向金属铁的快速转变，直接还原温度一般高于1250 粒长大的影响，并探讨铁颗粒长大的机理. ℃：在电炉熔分过程中，为了使钒进入铁水，需在高 1实验 温电炉中进行熔化分离.此外，为了提取铁水中的 钒资源，需在高温下进行转炉氧化造渣和含钒渣钠 1.1原料 化焙烧，整个工艺流程较为复杂，能耗较高.为了解 实验所用钒钛磁铁矿精矿来自四川省攀枝花地 决直接还原一电炉熔分流程存在的问题，李海连回 区，主要成分见表1，扫描电镜图像如图1所示.由 和都兴红等提出采用直接还原一磁选分离的方法 图1可以看出，钒钛磁铁精矿矿相结构复杂，各矿物 之间紧密嵌布，最主要的铁矿物为钛磁铁矿(titano- 处理钒钛磁铁矿·与电炉熔分流程相比，磁选分离 在常温下进行，能耗较低，操作条件温和，生产环境 magnetite).,呈不规则块粒状，部分呈蠕虫状雏晶产 安全性高 出；少量钛铁矿(ilmenite)呈条片状嵌布在钛磁铁矿 鉴于此，中国科学院过程工程研究所提出“钒 中，或在局部聚合呈不规则团块状.脉石矿物以橄 榄石(olivine)和尖晶石(spinel)为主，其中橄榄石多 钛磁铁矿直接还原一弱磁选分离铁和钛、钒一碱熔盐 沿钛磁铁矿边缘分布，呈叶片状或不规则块粒状产 法回收钛和钒”的新工艺路线6-习，采用较低的还原 出，尖品石常呈乳滴状或星散浸染状嵌布在钛磁铁 温度(1200℃以下)还原铁，不使用电炉熔分，钒基 矿中.少量辉石(pyroxene)和钛辉石(titanaugite)为 本不进入铁相中，进而通过低能耗的弱磁选过程将 粒状，形态较为规则.钒钛磁铁精矿中主要脉石矿 铁与钒、钛分离，最后通过碱法处理有效回收钛和 物的能谱分析结果见表2.实验时，该精矿磨细至 钒，能避免钠化提钒过程和硫酸法生产钛白带来的 76.2%粒度小于0.074mm. “三废”问题，有效消减环境污染，并实现钒钛磁铁 表1钒钛磁铁矿精矿的主要成分（质量分数） 矿中有价组分的综合利用.但此新工艺由于还原温 Table 1 Main components of titanomagnetite concentrates% 度较低，生成的金属铁颗粒较小，单体解离困难，导 TFe Fe0 Ti02 V205 Ca0 Mgo Al2O3 SiO2 Mno 致磨选能耗和成本相对较高，并影响到磁选分离的 51.3725.4813.660.531.163.222.863.830.24 效果.因此，开展钒钛磁铁矿还原过程中金属铁颗 粒长大特性的研究，对钒钛磁铁矿的综合利用具有 重要的意义 针对普通铁矿石、赤泥等的直接还原过程中金 属铁颗粒长大己有一些研究，例如孙体昌等圆、高 鹏等回和周继程等0分别对低品位铁矿石、白云鄂 博氧化矿石和鲕状赤铁矿的直接还原过程进行了研 究，指出提高还原温度和延长还原时间有利于金属 铁颗粒的聚集长大，且金属铁颗粒的长大有利于通 过粗磨实现还原产物金属铁颗粒的单体解离，提高 磁选分离的效率.梅贤恭等1-研究了高铁赤泥 的煤基直接还原过程，指出该多相反应过程的机理 1一钛磁铁矿：2一钛铁矿：3一橄榄石：4一尖品石：5一辉石： 是“吸附一固相反应一自动催化”，并用Avrami- 6一钛辉石 Erofeyev模型较好地描述了该过程金属铁颗粒长大 图1钒钛磁铁矿精矿的扫描电镜像 的动力学.目前，钒钛磁铁矿的非高炉治炼方法主 Fig.1 SEM image of titanomagnetite concentrates北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 处理钒钛磁铁精矿，但仅回收铁和钒，而钛进入高炉 渣基本无法回收利用，从而造成钛资源的浪费，并且 对环境造成污染． 近年来，直接还原技术被认为是 综合利用钒钛磁铁矿中铁、钒和钛的很有潜力的方 法之一，具有工艺流程短且设备简单，能有效回收铁 精矿中钛资源等优点［2］． 目前，普遍采用直接还原--电炉熔分流程［3］来 处理钒钛磁铁矿． 在直接还原过程中，为了实现 FexO 向金属铁的快速转变，直接还原温度一般高于 1250 ℃ ; 在电炉熔分过程中，为了使钒进入铁水，需在高 温电炉中进行熔化分离． 此外，为了提取铁水中的 钒资源，需在高温下进行转炉氧化造渣和含钒渣钠 化焙烧，整个工艺流程较为复杂，能耗较高． 为了解 决直接还原--电炉熔分流程存在的问题，李海连［4］ 和都兴红等［5］提出采用直接还原--磁选分离的方法 处理钒钛磁铁矿． 与电炉熔分流程相比，磁选分离 在常温下进行，能耗较低，操作条件温和，生产环境 安全性高． 鉴于此，中国科学院过程工程研究所提出“钒 钛磁铁矿直接还原--弱磁选分离铁和钛、钒--碱熔盐 法回收钛和钒”的新工艺路线［6--7］，采用较低的还原 温度( 1200 ℃以下) 还原铁，不使用电炉熔分，钒基 本不进入铁相中，进而通过低能耗的弱磁选过程将 铁与钒、钛分离，最后通过碱法处理有效回收钛和 钒，能避免钠化提钒过程和硫酸法生产钛白带来的 “三废”问题，有效消减环境污染，并实现钒钛磁铁 矿中有价组分的综合利用． 但此新工艺由于还原温 度较低，生成的金属铁颗粒较小，单体解离困难，导 致磨选能耗和成本相对较高，并影响到磁选分离的 效果． 因此，开展钒钛磁铁矿还原过程中金属铁颗 粒长大特性的研究，对钒钛磁铁矿的综合利用具有 重要的意义． 针对普通铁矿石、赤泥等的直接还原过程中金 属铁颗粒长大已有一些研究，例如孙体昌等［8］、高 鹏等［9］和周继程等［10］分别对低品位铁矿石、白云鄂 博氧化矿石和鲕状赤铁矿的直接还原过程进行了研 究，指出提高还原温度和延长还原时间有利于金属 铁颗粒的聚集长大，且金属铁颗粒的长大有利于通 过粗磨实现还原产物金属铁颗粒的单体解离，提高 磁选分离的效率． 梅贤恭等［11--12］研究了高铁赤泥 的煤基直接还原过程，指出该多相反应过程的机理 是“吸附―固相反应―自动催化”，并 用 Avrami-- Erofeyev模型较好地描述了该过程金属铁颗粒长大 的动力学． 目前，钒钛磁铁矿的非高炉冶炼方法主 要是煤基直接还原--电炉熔分流程［3］． 该路线还原 温度一般高于 1250 ℃，且还原产物中铁颗粒尺寸不 影响后续熔分过程中铁与钛的分离，因此尚未有钒 钛磁铁矿的煤基直接还原过程中金属铁颗粒长大特 性的相关研究． 本文在较低温度下( 1200 ℃ 以下) 对直接还原 钒钛磁铁精矿过程中金属铁颗粒长大特性进行研 究，重点考察还原剂种类、添加剂等因素对金属铁颗 粒长大的影响，并探讨铁颗粒长大的机理． 1 实验 1. 1 原料 实验所用钒钛磁铁矿精矿来自四川省攀枝花地 区，主要成分见表 1，扫描电镜图像如图 1 所示． 由 图 1 可以看出，钒钛磁铁精矿矿相结构复杂，各矿物 之间紧密嵌布，最主要的铁矿物为钛磁铁矿( titano￾magnetite) ，呈不规则块粒状，部分呈蠕虫状雏晶产 出; 少量钛铁矿( ilmenite) 呈条片状嵌布在钛磁铁矿 中，或在局部聚合呈不规则团块状． 脉石矿物以橄 榄石( olivine) 和尖晶石( spinel) 为主，其中橄榄石多 沿钛磁铁矿边缘分布，呈叶片状或不规则块粒状产 出，尖晶石常呈乳滴状或星散浸染状嵌布在钛磁铁 矿中． 少量辉石( pyroxene) 和钛辉石( titanaugite) 为 粒状，形态较为规则． 钒钛磁铁精矿中主要脉石矿 物的能谱分析结果见表 2． 实验时，该精矿磨细至 76. 2% 粒度小于 0. 074 mm． 表 1 钒钛磁铁矿精矿的主要成分( 质量分数) Table 1 Main components of titanomagnetite concentrates % TFe FeO TiO2 V2O5 CaO MgO Al2O3 SiO2 MnO 51. 37 25. 48 13. 66 0. 53 1. 16 3. 22 2. 86 3. 83 0. 24 1—钛磁 铁 矿; 2—钛 铁 矿; 3—橄 榄 石; 4—尖 晶 石; 5—辉 石; 6—钛辉石 图 1 钒钛磁铁矿精矿的扫描电镜像 Fig． 1 SEM image of titanomagnetite concentrates · 6951 ·