基于铁矿烧结特性的钒钛磁铁矿烧结矿强度优化
杨松陶 周 密 姜 涛 张立恒 薛向欣
（东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳 110819）
摘要 钒钛磁铁矿（V-Ti）是我国的一种重要的多金属矿产，其综合利用工艺流路线是高炉（BF）转碱性氧气转炉（BOF）。钒钛烧结矿是高炉冶炼的主要阻碍，钛较差的转鼓强度限制了高炉冶炼的效率。为了优化钒钛混合矿中的烧结钛的特性，研究了5种钒钛矿石、2种普通矿石和3组钒钛共混物的烧结基础特性（BSC），还进行了烧结锅测试，以获得产生的烧结矿中的钛。分析了同化温度（AT）的影响因素，烧结基础特性的4个特点之间的关系，及影响钒钛矿中的烧结钛的因素。研究结果表明DB，HW，YT，JL和FH这5种钒钛矿石除了液相流动特性指数（LF）以外其他的烧结基础特性都很好。钒钛烧结矿中的钛较差的主要原因是矿石的液相流动特性指数低，导致烧结矿出现大孔结构。因此，优化的钒钛共混物的配矿应该有比较高的液相流动特性指数。此外，当矿物充分熔化并且熔融物有很高的液相流动特性指数时，黏结相的自身强度（BS）和结晶度（CI）对钛都会产生很重要的影响。此外，适当的同化温度也是熔体生成的先决因素。还有，优化的钒钛混合矿有良好的烧结基础特性。添加了7% 的NF矿石的烧结钛能满足烧结矿中钛含量高于65%的要求。总之，基于铁矿基本烧结特性的用于提高钒钛混合磁铁矿的烧结矿强度的方法是很有用的。
关键词 钒钛磁铁矿，配矿优化，烧结矿，烧结基础特性，烧结矿强度
1.简介
钒钛磁铁矿（V–Ti）中钒、钛、铁等有用金属元素含量高，具有很高的综合利用价值，另外钒钛磁铁矿是钒的主要来源，已经在澳大利亚、中国、俄罗斯和南非等多个国家中发现了钒钛磁铁矿。但由于其复杂的相结构，以及含有众多的矿物成分，钒钛矿石被划分为一种典型的难以处理和利用的多金属共生资源。目前，钒钛矿石的综合利用的主流路线是高炉（BF）转碱性氧气转炉（BOF）。然而，研究发现，与普通烧结矿相比，烧结钛较低的转鼓强度严重影响了高炉中的融化过程和钒钛磁铁矿的综合利用。
因此，对提高钒钛烧结矿，尤其是烧结钛的质量的研究是有价值的。对原材料性能，特别是铁矿石的特点的研究是根本和重要的。包括矿石的传统室温条件下的特性，如物理结构、化学成分，基本烧结特性（BSC）在内的研究得到了越来越多的研究人员的关注。基本烧结特性包括铁矿石的能够反映出其在烧结过程中的变化和物理化学特性的4种高温时的特征，如同化特征，液相流动性特征，粘结相自身强度和晶体强度特征。已经有大量的关于优化混合铁矿石的基本烧结特性的研究，结果证实掌握铁矿石的基本烧结特性非常重要，这能提高烧结矿的质量并且提高产量。然而，先前的研究大部分集中于普通铁矿石和普通混合矿，对钒钛矿石以及其混合矿的基本烧结特性的研究非常少。另外，先前对混合铁矿优化的研究通常都基于基本烧结特性的一个特征，如同化特征，并且都未揭示基本烧结特性和生成的烧结矿性能之间的关系。
因此，在本研究中，第一部分研究了FH，DB，HW，YT，JL这5种钒钛矿石的基本烧结特性，第二部分在第一部分的研究的基础上设计并配置了3组和普通铁矿石混合的优化的钒钛混合矿YH，NH-1和NH-2，第三部分通过烧结锅试验验证方法的有效性并且获得烧结钛，第四部分获得基本烧结特性的4个特征和生成的烧结钛的关系，最后提出对烧结钛的钒钛混合矿的优化方法，这个方法有助于优化钒钛磁铁矿从而获得高质量的烧结钛。
2.实验
2.1实验材料
中国承德建龙钢铁集团公司为这项研究提供了5种钒钛磁铁矿DB，HW，YT，JL，和FH（由DB，HW，YT和JL混合而成）和2个普通矿（赤铁矿）YD和NF。实验用的铁矿石的化学成分和焦炭粉在表1和2中列出。
表1 原矿的化学组成（含量%）
|
物质 |
TFe |
SIO2 |
CaO |
MgO |
Al2O3 |
TiO2 |
V2O5 |
|
V-Ti DB |
63.08 |
4.41 |
1.73 |
1.52 |
1.44 |
1.98 |
0.42 |
|
V-Ti HW |
63.62 |
3.20 |
1.28 |
1.12 |
1.82 |
2.61 |
0.53 |
|
V-Ti YT |
63.81 |
3.84 |
0.77 |
0.74 |
1.95 |
3.15 |
0.59 |
|
V-Ti JL |
63.52 |
4.20 |
1.69 |
1.76 |
1.23 |
1.45 |
0.37 |
|
V-Ti FH |
63.50 |
3.96 |
1.46 |
1.25 |
1.57 |
2.18 |
0.50 |
|
YD |
56.06 |
5.57 |
0.06 |
0.15 |
5.63 |
- |
- |
|
NF |
63.00 |
6.50 |
0.16 |
0.16 |
1.90 |
- |
- |
|
返回物1 |
54.06 |
5.37 |
10.39 |
2.72 |
2.45 |
1.78 |
0.33 |
|
返回物2 |
54.96 |
5.35 |
9.37 |
2.69 |
2.31 |
1.78 |
0.34 |
|
BF 粉尘 |
33.28 |
7.26 |
5.65 |
1.98 |
4.55 |
1.32 |
0.25 |
|
矿渣 |
30.68 |
16.97 |
2.44 |
2.82 |
1.53 |
9.81 |
1.22 |
|
分离的磁铁矿粉末 |
21.20 |
10.58 |
37.89 |
9.49 |
4.34 |
1.25 |
1.60 |
|
白云岩 |
2.47 |
44.26 |
31.67 |
||||
|
石灰石 |
2.91 |
45.35 |
6.81 |
||||
|
生石灰 |
2.52 |
83.07 |
3.50 |
表2 焦粉的工业分析和灰烬的化学组成（含量%）
|
定形炭 |
挥发成分 |
有机成分 |
灰分（14.00） |
Sigma; |
|||||
|
FeO |
CaO |
SiO2 |
MgO |
Al2O3 |
其它 |
||||
|
84.00 |
0.50 |
1.50 |
0.14 |
0.48 |
7.50 |
0.15 |
2.72 |
2.89 |
100.00 |
从表1中可以看出，5种钒钛磁铁矿含铁的总量高于普通矿NF和YD，尤其是YD，钒钛矿物中的TiO2含量为1.45%~3.15%，V2O5的含量为0.37%~0.59%，因此，对烧结矿中的铁的品味会有明显的影响，在某种程度上，TiO2的含量会降低烧结矿的质量。此外，这5种钒钛矿石的二氧化硅含量小于5%，而全铁含量大于63%，属于高铁低硅矿石。
2.2实验方法
2.2.1铁矿石的基本烧结特性
决定基本烧结特性的整个实验使用一个带有直径为50mm的管子的红外加热炉，炉子的示意图和设备设置图如图1（a）和图1（b）。设备采用红外加热的原理，能快速和精确地控制加热和冷却速度，能精确的模拟烧结设备中的真实烧结过程。试验设备设置在特定的气体氛围中，实验过程中所使用的温度如表3。为了排除铁矿石的粒度对实验的影响，在本实验中，铁矿石的粒度都保持在同一区域（minus;0.074毫米）。
图1 炉示意图（a）和设备安装图（b）
表3 基本烧结特性实验的温度系统和气氛
|
温度/°C |
室温→600 |
600→1000 |
1000→1150 |
1150→实验温度 |
|
时间/min |
4 |
1 |
1.5 |
1 |
|
气氛 |
空气/氮气（3L/min） |
|||
|
温度/°C |
实验温度 |
实验温度→1150 |
1150→1000 |
1000→室温 |
|
时间/min |
4 |
2 |
1.5 |
自然冷却 |
|
气氛 |
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