基于焦炉煤气的钒钛磁铁矿竖炉气基还原

2017-03-15   作者：佚名   网友评论 0 条

 　　杨绍利1，马兰1，程相魁2，曾志勇

　　（1、攀枝花学院；2、攀枝花正德环保新材料科技开发有限公司；3、四川钒钛产业技术研究院）
 

　　引言

　　背景

　　攀枝花钒钛磁铁矿为钒、钛、铁等多金属共生矿，其矿物组成多且复杂。攀钢集团应用普通高炉冶炼钒钛磁铁矿生产含钒铁水并附产高钛型高炉渣，原矿石中大约有50%钛进入高钛型炉渣中（其余进入尾矿），高钛型高炉渣中二氧化钛含量为20%～26%。高钛型高炉渣综合利用已成为世界性难题。目前攀钢全力进行的高温碳化-低温氯化处理高钛型高炉渣新工艺已取得重大突破性进展。

　　攀西国家战略资源创新开发试验区（攀西试验区）是我国目前唯一一个国家级战略资源创新开发试验区。攀西试验区建设已列入国家钒钛资源综合利用及钒钛产业发展“十二五”规划。攀西试验区中的战略矿产资源包括钒钛、稀土、碲铋及石墨（“3+1” 战略矿产资源）。其中钒钛资源是龙头。

　　自进入本世纪以来，经过十多年的研究开发，攀西地区钒钛磁铁矿综合利用非高炉新工艺取得了显著的成效。先后建成9条非高炉新工艺工业生产（示范）线。但在近几年的行业低谷形势下，多处于停滞状态。但是对非高炉新工艺的相关技术研发和应用并未停止。在国家和四川省的大力支持下，攀西试验区每年组织进行钒钛综合利用重大关键技术面向国内外招投标，每年有十多项由试验区内相关企业提出的重大关键技术。本新工艺就是2015年试验区重大关键技术之一。招标企业为攀枝花正德环保新材料科技开发有限公司，本文作者所在单位为主要中标单位之一。

　　本工艺概述

　　根据攀枝花地区的资源情况、云贵川地区的铸件市场情况，攀枝花市政府着眼于钒钛磁铁矿的铁钒钛综合回收利用，积极推进铸造产业循环经济园区建设。攀枝花正德环保新材料科技开发有限公司充分发挥攀枝花地区的资源优势，特别是目前存在大部分焦炉煤气放散的现实情况，提出了“基于焦炉煤气的钒钛磁铁矿竖炉还原-熔分一体化”综合利用工艺技术。该工艺技术是钒钛磁铁矿综合利用的重大技术创新，可大幅度提升铁钒钛等资源综合利用水平，对攀枝花钒钛磁铁矿的科学开发利用具有重要的现实意义和战略意义，应用前景广阔。

　　目前，攀枝花正德环保新材料科技开发有限公司依托本工艺技术，正着力构建循环经济产业链，将形成包括焦化、钒钛磁铁矿还原熔分、铸造、石灰、钛渣、建材在内的生态化产业链。

　　发展气基竖炉还原-熔分一体化新工艺，可以将富余焦炉煤气应用、处理钒钛磁铁矿与生产耐磨铸件、钛白粉及石灰生产有机结合起来，形成生态化的循环经济工业体系。

　　对本工艺的工业化示范建设，攀枝花正德环保新材料科技开发有限公司为主体开发拟投资约1.20亿元。建设地点位于攀枝花市西区铸造产业园。

　　本工艺主要内容和目标

　　主要研发内容

　　基于焦炉煤气的钒钛磁铁矿竖炉还原-熔分一体化新工艺是全新的工艺，但还没有大规模的工业实践，相关的基础试验研究也不够充分，所以有必要进行焦炉煤气为还原剂的气基竖炉还原工艺研究、熔分工艺研究等相关前期研究，为建设一条产能规模为5万吨/年的工业示范线打好基础。主要研究内容如下：

　　（1）钒钛磁铁矿球团的入炉条件研究。气基竖炉还原对于普通铁矿而言其工艺相对较成熟，但是对于钒钛磁铁矿来说是不够成熟的，特别是内配碳球团的强度问题。气基竖炉还原要求入炉球团的较高的机械强度特别是抗压强度，因为竖炉内料层有一定高度，要求下层球团须有较高的热强度。对于钒钛磁铁矿内配碳球团而言难于达到竖炉要求。

　　（2）焦炉煤气对钒钛磁铁矿球团的还原试验研究。煤气的性质特别是其中还原剂含量，对钒钛磁铁矿球团的还原效果的影响至关重要，必须先进行试验室试验研究。

　　（3）钒钛磁铁矿金属化球团的软化、熔化及渣铁分离试验研究。钒钛磁铁矿球团的还原效果特别是金属化率对其的软化、熔化、二次深还原及渣铁分离有大的影响，也须进行试验研究。

　　（4）含钒生铁应用技术路线研究。主要包括

　　1、含钒铁水的理化成份分析研究。进行含钒铁水的化学成分分析；

　　2、测试研究含钒生铁铸态组织结构和物理性能。试验研究不同含钒量的生铁铸态金相结构，研究其抗拉强度、耐磨性能、硬度等；

　　3、含钒铁水的应用技术路线和技术途径研究。研究钒钛磁铁矿焦炉煤气竖炉还原及熔分所得含钒铁水的应用技术路线和技术途径，分析并提出以含钒铁水为原料、采用金属液态成型工艺制备2～3种耐磨铸件（零部件）的技术方案和产品方案。如制取含钒耐磨球铁、耐磨衬板、机车或汽车刹车片或刹车鼓等。

　　4、含钒抗震钢筋及标准研究。研究含钒铁水制备含钒抗震钢筋的技术路线，分析并提出以含钒铁水为原料、采用炼钢及压力加工工艺制备含钒抗震钢筋的技术方案和产品标准方案。

　　（5）粗钛渣（50钛渣）应用技术路线研究。主要包括：

　　1、粗钛渣（50钛渣）的理化成份分析研究。进行粗钛渣化学成分分析、矿相组成分析检测，提出粗钛渣品质改进技术方案以及粗钛渣企业标准方案建议。

　　2、粗钛渣的应用技术路线和技术途径研究。依分析检测结果，主要研究并提出粗钛渣作为中等含钛原料生产钛制品的可能的技术路线方案、原料方案和产品应用方案。调研、分析并提出以粗钛渣为原料采用冶金及化工新工艺制备2～3种钛制品的技术路线方案和产品方案。如制取新型钛合金、钛白、高品质富钛原料等。

　　工艺流程和技术要点

　　（1）工艺流程

　　图1为基于焦炉煤气的钒钛磁铁矿竖炉还原-熔分一体化综合利用工艺流程。
 

　　（2）技术要点

　　以钒钛磁铁矿含碳球团为还原炉料，不需要烧结矿和焦炭，以焦炉煤气为还原剂，在还原与熔分一体化的新型竖炉内进行还原、渣铁分离过程。类似于高炉，生铁水和炉渣从竖炉下部流出。产品为含钒铁水、粗钛渣（50钛渣）和炉顶煤气。

　　钒钛磁铁矿含碳球团在竖炉上部预热、升温，在中部还原，在下部熔化和渣铁分离，分别排出渣、铁。预热后的高温焦炉煤气在竖炉的中部高温区喷入，使所含的甲烷裂解生成CO和H2，用于球团还原；向竖炉下部（熔分部分）喷入煤粉和高温空气，发生复杂激烈的燃烧、气化反应，以及金属化球团的熔化、二次还原、渣铁分离等反应和变化。同时产生的大量高温煤气向上流动，对进入竖炉球团进行还原、加热。

　　生产的高温含钒铁水直接调温、调质，用于生产耐磨铸件，实现回收铁钒资源的回收利用。

　　生产的粗钛渣中二氧化钛品位为50%左右。可用于生产硫酸法钛白原料等。用于硫酸法钛白生产原料时，当掺入10%左右时，在现有工艺条件下对钛白质量无影响（由实验室试验知：掺入50%时对钛白质量无影响）。

　　。此外，副产的竖炉煤气用于生产冶金石灰、置换焦炉煤气、预热焦炉煤气及助燃风等。

　　主要技术目标

　　建成5万吨/年的基于焦炉煤气的钒钛磁铁矿竖炉还原-熔分一体化工业示范生产线，并获得适宜的工艺技术参数：

　　金属化球团的金属化率大于90%，铁回收率大于95%，V2O5回收率大于90%，TiO2回收率大于80%，渣中TiO2大于48%；熔分铁水成分为C>3.3%，V=0.35%，P≤0.06%，S≤0.03%，铁水温度1450℃。

　　本工艺须侧重解决的几个关键工艺技术

　　相对于应用天然气进行气基竖炉还原钒钛磁铁矿，笔者认为本工艺尚存在如下几个关键工艺技术问题需侧重研究解决。

　　内配碳球团在一次还原（预还原）过程中强度及其控制（原料问题）

　　入炉还原过程中，内配碳的钒钛铁精矿球团强度、完整性如何保持和控制，是直接决定其加热、还原过程的重要问题。因内配碳球团在加热还原过程中不可避免地会发生膨胀，导致其强度大幅度降低，其结果是球团破碎、粉化，直接影响料层透气性和炉子顺行。应用钒钛磁铁矿磁化球团可解决此问题。

　　竖炉中部还原的CO+H2总成份如何控制，如何控制使焦炉煤气中的CH4在炉内自催化重整。可依靠此区域新还原生成的金属铁作为催化剂，对CH4自催化裂解，但其CH4含量控制是难题，因为有竖炉下部焦炉煤气发生燃烧反应，产生CO、H2O，造成CH4含量降低而不利于其催化裂解反应。若CH4自催化裂解反应不充分，则对中部的球团还原反应不利。

　　炉内金属化球团在熔分-深还原过程中钒的走向及其控制

　　包括钒钛铁精矿内配碳球团在竖炉中部的金属化率控制技术、熔分-深还原过程中钒入生铁控制技术（或钒入50钛渣控制技术）。目标方向是控制钒入生铁。

　　金属化球团在竖炉下部（熔分部分）熔分-深还原过程中生铁与钛渣的分离技术

　　包括球团中部还原与下部熔分深还原之间的匹配如何实现和控制。因为不同于熔分与还原分别进行的工艺（如转底炉还原-电炉熔分工艺），后者相对而言易于控制。

　　还有就是如何控制生成的钛渣对镁质炉衬的严重侵蚀。可采取挂渣操作。当控制渣中含钛酸镁小于8%时可视为不侵蚀炉衬。

　　结束语

　　在近几年在钢铁钒行业经济低迷的大形势影响下，虽然攀西地区的许多处理钒钛磁铁矿非高炉新工艺（如转底炉还原-电炉熔分新工艺等）大都处于停顿状态，且还有许多关键工艺技术需要去解决和突破，但在攀西试验区的大力支持下，我们看到了攀枝花建设气基竖炉处理钒钛磁铁矿的一线希望：建设规模为5万吨/年的基于焦炉煤气的钒钛磁铁矿竖炉还原-熔分一体化综合利用新工艺流程。应用不需焦炭的非高炉新工艺处理钒钛磁铁矿是未来的战略技术发展方向。

　　因此，有理由对钒钛磁铁矿非高炉冶炼新工艺的未来发展增强信心和充满信心。