攀枝花學(xué)院

　　1 序言

　　國內(nèi)外眾多專家學(xué)者在釩鈦磁鐵礦非高爐新工藝方面做了大量的研究工作，普遍認為非高爐工藝（包括煤基直接還原新工藝、氣基豎爐還原新工藝等）是處理釩鈦磁鐵礦綜合回收鐵釩鈦的最主要有效技術(shù)途徑之一。

　　目前氣基豎爐工藝占世界直接還原鐵產(chǎn)量的90%左右，在非高爐還原工藝中占主導(dǎo)地位。氣基豎爐的工作條件與高爐上部間接還原區(qū)相似，其中球團下降、熱交換、受熱膨脹、鐵氧化物還原、海綿鐵的析碳滲碳、脫硫等行為，均直接影響著豎爐內(nèi)的還原效果。

　　釩鈦鐵精礦球團在豎爐還原過程中的膨脹和粉化現(xiàn)象對于豎爐順行至關(guān)重要。球團在升溫還原過程中都要產(chǎn)生不同程度膨脹。隨著焙燒條件與球團種類的不同，膨脹程度不同。膨脹程度包括兩部分，一是球團本身固有的隨溫度升高而產(chǎn)生的熱膨脹，二是由于球團中物相發(fā)生變化而產(chǎn)生的膨脹，有的是異常膨脹甚至是災(zāi)難性膨脹。異常膨脹或災(zāi)難性膨脹使還原過程不能正常進行或不能進行。

　　許多研究結(jié)果表明，對于釩鈦鐵精礦來說，異常膨脹過程主要發(fā)生在赤鐵礦Fe2O3還原為磁鐵礦Fe3O4這一相變過程。這是因為在釩鈦鐵精礦球團中隨著鈦固溶量的提高，赤鐵礦Fe2O3的晶格參數(shù)增大，F(xiàn)e2O3的晶格畸變加劇，磁鐵礦Fe3O4微區(qū)應(yīng)變也增大所致。但當(dāng)球團中含有不同的添加劑（如堿性球或鈉化球）時加劇其還原膨脹程度。若制止這一異常膨脹過程，必須從根本上消除Fe2O3還原為Fe3O4這個還原（相變）過程。而釩鈦鐵精礦磁化球團可從物相結(jié)構(gòu)上消除Fe2O3，從而避免釩鈦鐵精礦球團還原時的膨脹、粉化、粘結(jié)，同時還可提高脫硫率和球團強度。

　　釩鈦磁鐵礦磁化焙燒球團在豎爐中還原、膨脹和粉化現(xiàn)象明顯低于氧化球團，更有利于爐料的順行。同時，釩鈦磁鐵礦磁化球團還可用于優(yōu)化高爐爐料結(jié)構(gòu)，大幅度提高釩鈦磁鐵礦應(yīng)用比例，減少普通鐵礦用量，改善爐料結(jié)構(gòu)。

　　本文在實驗室條件下將釩鈦鐵精礦礦粉采用圓盤造球機造球，并采用正交試驗對該球團進行外通還原氣磁化實驗研究，分析研究磁化焙燒后球團的磁化率和脫硫率的變化。

　　2  磁化焙燒基本原理

　　2.1 磁化率的概念

　　為了表征球團的磁化效果，引入磁化率α作為磁化指標。設(shè)磁化球團中含全鐵量為TFe、三價鐵量為Fe3+，鈦的含量為（TiO2），則與TiO2結(jié)合的二價鐵量Fe2+=0.7(TiO2)，與其它含鐵礦物結(jié)合的鐵量為TFe-0.7(TiO2)，則磁化率α表達式為：
 

　　Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)具有反式尖晶石晶體結(jié)構(gòu)[Fe3+(Fe2+Fe3+)O4]，其中氧離子作密堆積，形成八面體空隙和四面體空隙，F(xiàn)e2+存在于氧離子形成的四面體空隙，F(xiàn)e3+一半在八面體空隙，另一半在四面體空隙。Fe3O4中Fe3+理論含量為112/232=0.482，F(xiàn)e2+為0.241，在此值時，F(xiàn)e3O4具有較為理想的反尖晶石結(jié)構(gòu)。由于Fe2O3中Fe3+含量為112/160=0.7，因此磁化焙燒后球團中Fe3+含量應(yīng)低于0.7；當(dāng)其中Fe3+含量為零時，晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镕eO，當(dāng)溫度低于1050℃時，反應(yīng)式（1）的轉(zhuǎn)化率很低：

　　K0=32，幾乎無FeO生成。因此，已有的研究中鐵精礦球團的磁化焙燒溫度一般都在1200℃左右，能得到較為理想的磁化指標。

　　2.2 外通還原氣磁化焙燒機理

　　磁化焙燒是一種熱化學(xué)處理弱磁性鐵礦的方法，它能使弱磁性的氧化鐵礦物轉(zhuǎn)變?yōu)閺姶判缘蔫F氧化物，具體來說就是在一定溫度和氣氛下把弱磁性鐵礦物變成強磁性的磁鐵礦或磁性赤鐵礦的過程。

　　在還原反應(yīng)中，CO和鐵的氧化物的反應(yīng)分為三個階段進行，即① 擴散吸附階段：由于氣體的對流擴散或者分子擴散作用，還原氣體一氧化碳被鐵氧化物的表面吸附：

　?、?化學(xué)反應(yīng)階段：被吸附的還原氣體分子一氧化碳和鐵氧化物中的氧原子相互作用進行化學(xué)反應(yīng)；③ 化學(xué)產(chǎn)物脫附階段：反應(yīng)生成的氣體產(chǎn)物二氧化碳脫離新生成的礦物表面，沿著相反的方向擴散到氣相中去。

　　常用的磁化焙燒法可分為：還原焙燒、中性焙燒、氧化還原焙燒、還原氧化焙燒和氧化焙燒等。無論是哪種鐵礦石的磁化焙燒方式，其目標產(chǎn)物均為Fe3O4。

　　磁化焙燒可在豎爐、回轉(zhuǎn)窯、沸騰爐中進行。磁化焙燒產(chǎn)物用于豎爐或高爐冶煉，可提高礦石品位、排除有害元素，降低含硫量，利于豎爐和高爐冶煉。用于磁選工藝，具有生產(chǎn)穩(wěn)定，技術(shù)指標高，精礦易于濃縮脫水等優(yōu)點。

　　釩鈦鐵精礦中鐵相主要是磁鐵礦、鈦鐵礦(FeO·TiO2)、鈦鐵晶石(2FeO·TiO2)以及少量赤鐵礦和硫鐵礦組成。磁化焙燒的主反應(yīng)為：
 

　　反應(yīng)（2）是一個氣-固相反應(yīng)，計算得到在1300～1500K溫度區(qū)間，當(dāng)溫度為1300K時，=-11046J；當(dāng)溫度為1500K時，=-10286J。按照反應(yīng)(2)所要求的磁化焙燒的CO濃度計算式：
 

　　利用式（3）計算得到：在1000~1500K溫度區(qū)間內(nèi)，氣相中CO濃度為0.002%~0.08%就可以使Fe2O3還原成Fe3O4，若反應(yīng)條件控制不當(dāng)，將會發(fā)生式（4）和（5）的反應(yīng)：


　　

　　3 磁化焙燒試驗

　　3.1 磁化焙燒設(shè)備流程

　　圖1示出了外通還原氣球團磁化焙燒設(shè)備流程。其中試驗用煤氣為發(fā)生爐（管式電阻爐）產(chǎn)生的還原氣體。

　　3.2 正交試驗設(shè)計

　　磁化焙燒過程的還原效果受到磁化焙燒溫度、焙燒時間以及焙燒氣氛等多因素影響，選用機械強度好的球團做正交試驗，依據(jù)正交試驗方法設(shè)計L9（34）方案進行試驗，實驗因素水平見表1。正交試驗標號及參數(shù)組合見表2。

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