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钒钛磁铁矿的煤粉还原过程陈双印,唐珏,储满生,郭鹏辉,韩元庭

技术应用 | 来源:本网 | 发布日期:2017-11-16 查看次数:484

核心提示:  过程工程学报钒钛磁铁矿的煤粉还原过程陈双印,唐珏,储满生,郭鹏辉,韩元庭(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110819)力学数据,进一步采用高温炉在还原温度1350°C、配碳比1.0、还原煤粒度小

  过程工程学报钒钛磁铁矿的煤粉还原过程陈双印,唐珏,储满生,郭鹏辉,韩元庭(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110819)力学数据,进一步采用高温炉在还原温度1350°C、配碳比1.0、还原煤粒度小于75 m的条件下,考察还原时间对工艺指标的影响和还原过程,得出不同还原时间下产物的定量结果和物相成分。结果表明,还原时间为60mm时,还原产物的全铁、金属铁、金属化率均达最大值,分别为68.60°%,65.81°%和95.93°%,钒钛磁铁矿中铁氧化物的还原过程基金项目:国家自然科学基金重大基金资助项目(编号:51090384);国家高技术研究发展计划(863)基金资助项目(编号:2012AA062302;2012AA062304);中央高校基本科研业务基金资助项目(编号:N110202001)1前言世界钒钛磁铁矿储量丰富,约为400亿t.但由于其贫细散杂等特点,有价组元的分离和还原较困难。

  国内外研究者针对钒钛磁铁矿的资源特点,对其还原热力学和还原历程进行了大量研究。储绍彬等在450~ 800°C条件下,用迅和CO/CO2混合气体对不同种类的钒钛磁铁矿进行了还原,其中7719737C,CO浓度为62°%(咖7>677C,CO浓度为42°%(孙煤粉还原铁氧化物的气相平衡b时Fe稳定存在。因此,当7>737C时,铁氧化物可转化为金属铁。

  3.1.2煤粉还原钒钛磁铁矿中钛铁化合物钛、铁与氧的亲和力不同,生成自由焓也不同。选择性还原熔炼生成生铁和钛渣过程中,不同还原温度和配碳比下煤粉还原钛铁矿可能发生的反应及相关的热力学数据如表4所示。

  表4煤粉还原钛铁化合物热力学钛铁矿中三价铁氧化物可看作游离Fe23,还原反应及热力学数据为:金属化还原实验的温度在1250~1350°C,计算可得式(7)~(12)的吉布斯自由能AGe<0,而式(13)的AGe>0,该反应理论上没有钛单质生成,生成物应为铁和钛氧化物,与对钒钛磁铁矿还原过程的研究结果吻合。

  3.1.31350C时煤粉还原钒钛磁铁矿的热力学分析煤粉还原钒钛磁铁矿过程中,反应初期气相含量少,以矿粉颗粒和煤粉颗粒在接触点发生的固相反应为主。为该过程不同温度下可能发生的固相反应的AGe,表明1350C时所有固相反应的AGe均为负,反应能发生;但随温度不断升高,固相反应受传质和界面反应影响,气固反应剧烈,此时金属化还原过程以气固反应为主。CO还原铁氧化物和钛铁化合物的平衡气相组成与温度的关系见。

  CO还原铁氧化物和钛铁氧化物的相平衡图Fig.4Phaseequilibriumdiagramof 3.2煤粉还原产物的化学成分还原实验的最佳条件(还原温度1350C,配碳比1.0,还原煤粒度小于75pm,还原时间60min)来自前期实验,在此条件下工艺铁、钒、钛的回收率分别为表5还原产物的化学成分(%,钒钛磁铁矿中的铁氧化物在高温下与煤粉发生还原反应生成金属铁,1350°C时得到不同还原阶段产物的化学成分,见表5,其中铁金属化率M=MFe/TFe(金属铁/全铁)。可知随还原时间增加,还原产物的TFe,MFe和7m均呈增加趋势,V2O5和TiO2含量变化不大,60min时TFe,MFe,达最大值,分别为68.60°%,65.81%和3.3煤粉还原的相变过程在最佳还原条件下,原矿和不同阶段还原产物的物相组成和XRD衍射谱见表6和。

  表6不同还原时间下产物的物相组成由和表6可知,钒钛磁铁矿的主要物相是磁铁矿、钛磁铁矿和钛铁矿,经过5min的还原,产物中出现了Fe,FeO和Fe5TiO8;10min时还原产物出现Fe2TiO5新相,FeTiO3相消失;25min时还原产物中钛铁晶石(Fe2TiO4)和含铁黑钛石新相出现;30min时FeO,Fe3O4和Fe2TiO4消失,Fe2TiO5衍射峰强度变弱,新出现FeTiOs;40min时FeTiO3衍射峰强度变弱,Fe2TiO5消失;50min时物相中钛铁矿(FeTiO3)消失;60min时还原产物物相组成与50min时相同,此时钒钛磁铁矿金属化还原基本完成。

  3丨以上结果结合热力学计算可知,矿煤粉还原钒钛磁铁过程中发生如下反应:根据表6和式(15)~(20)可知,钒钛磁铁矿中铁氧化物和钛铁化合物的还原历程可表示如下:对上述还原历程进行热力学计算,可知铁氧化物和钛铁4经济效益分析根据最佳工艺条件下煤粉还原钒钛磁铁矿实验结果,对煤粉还原钒钛磁铁矿工艺、气基竖炉直接还原钒钛磁铁矿工艺和高炉法还原钒钛磁铁矿工艺进行技术经济分析,参数对比见表7.表7不同工艺的技术经济分析由表7可知,与攀钢高炉还原流程相比,2种非高炉直接还原钒钛磁铁矿生产工艺简单,投资成本少,可获得较高的铁、钒、钛得率,钒钛等附加价值高,污染问题也得到了改善。

  但国内气基竖炉的发展受到天然气资源的制约,因此现阶段煤粉还原钒钛磁铁矿更符合中国国情。煤粉还原钒钛磁铁矿的主要优点有:原料简单,仅使用本地钒钛磁铁矿和煤粉,实验过程中不需造球,实现了以煤代焦、以煤代气的优势能源结构,同时,钒钛磁铁矿中铁钒钛等有价组元也得到了高效利用,高炉生产中钛渣等废弃物堆积问题也得到解决。因此,本实验煤粉还原钒钛磁铁矿工艺既提高了有价元素的收率又节约了成本、解决了环境问题,具有显著的技术和经济优势。但随着煤制气技术的发展,进一步加大钒钛磁铁矿资源的高效清洁利用,气基竖炉冶炼钒钛磁铁矿也是未来发展的重要方向之一。

  5结论(1)基于钒钛磁铁矿中铁氧化物和钛铁化合物的热力学分析,采用煤粉直接还原钒钛磁铁矿,最佳还原条件下铁氧化物的还原产物为金属铁,钛铁化合物的还原产物为金属铁和钛氧化物。

  还原时间为60min时,还原产物的全铁、金属铁、铁金属化率最高,分别为68.60°%,65.81%和95.93%,钛含量15.32%,钒含量0.701°%,铁钒钛均达到后期分选指标。

  通过煤粉还原钒钛磁铁矿的阶段性还原实验,得出钒钛磁铁矿中铁氧化物和钛铁化合物的还原历程分与其他工艺相比,煤粉还原钒钛磁铁矿具有能耗低、原料处理和工序简单、环境友好和经济合理等特点,将在钒钛磁铁矿资源高效利用领域得到利用。


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