钒钛磁铁海砂矿低温快速选择性还原分离试验研究

2021-11-03 作者：佚名网友评论 0 条

本文以印尼钒钛海砂矿为试验原料，研究了海砂矿的工艺矿物学特征，铁、钒、钛有价金属的热力学反应条件，煤基直接还原-磨选技术，钒钛渣分离提取技术等。

胡兵¹，胡超³，黄柱成²，易凌云²，贺新华¹，魏进超¹，胡佩伟³

1. 中冶长天国际工程有限责任公司 2. 中南大学资源加工与生物工程学院

3. 武汉科技大学资源与环境工程学院

前言

钛资源是重要的战略资源被广泛应用于建筑、医疗、军事等领域，钛金属被誉为仅次于铁、铝的“第三金属”、“未来金属”。钛主要以钛磁铁矿、钛铁矿、金红石的形式存在，其中钛磁铁矿是一种复杂的共生矿石，含有钛铁矿、磁铁矿、铁铝尖晶石和镁铁铝尖晶石等矿物[1]。钛磁铁矿主要分布在澳大利亚、中国、俄罗斯、印度尼西亚、菲律宾等国家[2]。钛磁铁矿（TFe~55wt%）与钛铁矿（TFe~35wt%）相比含有更高组分的铁氧化物，倘若采用与钛铁矿相同的电弧炉熔分冶炼工艺会导致高能耗、设备腐蚀、生产效率低等问题。数十年间经大量学者研究，直接还原是一种处理钛磁铁矿的最实用高效的工艺方法，可以实现短流程、低能耗、高效地冶炼钛磁铁矿。

众所周知磁铁矿的还原动力学特性较差，还原速率比赤铁矿慢。研究发现对海砂矿进行相应的预氧化处理，将钛磁铁矿在还原前预氧化为钛赤铁矿可以有效改善其还原动力学特性。这是因为通过预氧化磁铁矿向赤铁矿转化，体积增加了约25%，这种结构的改变有效促进了还原反应的进行[3]。

传统预氧化实验研究往往采用常规电加热方式，与电加热的方式相比，微波加热具有快速性、高效性、上下一致性、选择性、无污染性、活化性等特点[4, 5]。微波加热使被加热物本身称为发热体，不需要热传导的过程，内外同时加热，因此能在短时间内达到加热效果，加热过程在整个物体内同时进行，温度均匀、温度梯度小，避免了传统加热中固相的“冷中心”，不同物料由于其自身的介电性质不同吸波能力存在差异性[6,7]。微波可以加速反应的进行，降低了反应的活化能，使得反应温度降低，时间缩短，可以促进材料的致密化程度和晶体颗粒的聚集长大[8]。除此之外，微波加热设备紧凑，易于控制，具有更好的安全性[9]。

本文采用生物质作为还原剂，微波作为加热和强化手段，以期实现钒钛海砂矿的低温快速选择性还原分离，从而获得铁钒钛产品，为工业化生产提供理论和试验依据。

1 原料性能及研究方法
1.1 海砂矿

对海砂矿进行XRD分析，其XRD图谱如图1所示。由图1可知，海砂矿中矿物种类仅有四种，分别为钛磁铁矿(M)，赤铁矿(H)，钛铁矿(II)和辉石(D)，其中钛磁铁矿为最主要的物相，其有用矿物为钛磁铁矿、少量的赤铁矿和钛铁矿，脉石矿物为辉石。

对钛铁矿、钛磁铁矿颗粒进行面扫描，如图2所示，可知，钛元素在钛铁矿内部分布均匀，与铁元素相嵌分布。内部网格状的钛磁铁矿的铁元素主要分布在网格中，钛元素主要分布在网格线上，Si均匀分布在颗粒中，与 Fe、Ca、Mg 等元素存在于辉石相中。

1.2 还原剂

生物质主要元素分析如表1所示。由表1可知，生物质主要由C、H、O和N四种元素构成，其中C和O含量分别高达43.00 %和39.72 %，此外，还有极少的S含量(0.08 %)。

1.3 试验流程及设备

海砂矿实验流程包括：原料微波预氧化、煤基选择性直接还原、磨选分离、湿法提钒、湿法提钛。预氧化与还原焙烧阶段均采用微波加热。实验具体流程如图3所示。

开发了一套适用于本技术研究的连续性试验装置（如图4所示）。首先将粉状物料（铁矿粉，或者预处理后的铁矿粉和生物质）混合后从进料端加入到回转炉中，通过回转炉外的电加热器升温，实现预还原，其次将预还原后的物料通过顶升装置倒入微波竖炉中进一步还原焙烧，利用微波的“非热效应”实现铁的快速还原和铁晶粒聚集长大。对焙烧后的还原物料进行磨选分离，以及微观结构分析，最终在海砂矿选择性快速还原条件下实现铁与钒钛的分离富集。

2 实验结果和讨论

        2.1 还原温度的影响

     在mol(C/Fe)=1.2，还原时间为60 min的条件下，矿浆浓度为50%，磨矿时间40 min，磁场强度为800 Gs的条件下，探究还原温度对还原产物分离富集的影响，如图6所示。

      由图6可知，随着温度的升高，精矿TFe品位逐渐提高，温度由1100 ℃升高到1350 ℃时，TFe品位由75.11%提高到91.16%，精矿中Fe回收率先升高后降低，温度由1100 ℃升高到1300 ℃，回收率由90.87%提高至95.02%，继续升高温度至1350 ℃，回收率由95.02%降低至93.44%；尾矿TiO2品位和回收率逐渐提高，温度由1100 ℃升高到1350 ℃时，尾矿TiO2品位和回收率分别由14.88%和45.66%提高至26.20%和76.60%；V2O5品位和回收率也逐渐提高，温度由1100 ℃升高到1350 ℃时，V2O5品位和回收率分别由0.79%和37.40%提高至1.06%和46.41%。

2.2 微波加热的影响

在温度为1300℃，mol(C/Fe)=0.6，总还原时间为90min，矿浆浓度为50%，磨矿时间为40 min，磁场强度为800 Gs的条件下进行磨选分离，探究微波加热时间对铁与钒钛分离富集的影响，结果如图7所示。

由图7可知，随着微波加热时间的延长，精矿中的铁的品位逐渐升高，回收率逐渐下降。微波加热0 min时，铁品位和铁回收率分别为85.41%和90.70%；微波加热30 min，铁品位和铁回收率分别为88.08%和85.44%。由图11可知，随着微波加热时间的延长，TiO2和V2O5的品位变化不大，TiO2的品位稳定在27%~28%之间，V2O5的品位稳定在1.7%~1.8%之间。随着微波加热时间的延长，TiO2和V2O5的回收率都有所提升，微波加热0 min时，TiO2和V2O5的回收率分别为71.57%和68.99%，微波加热30 min时，TiO2和V2O5的回收率分别为83.76%和81.83%。

       2.3 预氧化处理

     在还原温度=1300 ℃，mol(C/Fe)=0.6，还原时间=90 min，矿浆浓度为50%，磨矿时间为40 min，磁场强度为800 Gs的条件下，探究预氧化温度对还原产物分离富集的影响，实验结果如图8所示。

    由图8可知，随着预氧化温度的升高，精矿TFe品位和回收率先升高后降低，当预氧化温度由800℃升高到1100℃，精矿TFe品位由89.03%%提高到91.56%，回收率由93.45%提高到96.04%，继续升高温度至1200℃，TFe品位由91.56%降低至89.43%，回收率由96.04%降低至93.50%；尾矿TiO2品位和回收率先升高后降低，当预氧化温度由800 ℃升高到1100 ℃时，TiO2品位和回收率分别由30.92%和82.71%提高到32.59%和88.75%，继续升高温度至1200 ℃，TiO2品位和回收率分别由32.59%和88.75%降低至28.23%和84.74%；尾矿V2O5品位基本保持不变，回收率先升高后降低，当预氧化温度从800 ℃升高到1100 ℃时，V2O5回收率由84.23%提高87.29%，继续升高温度至1200 ℃，V2O5回收率分别由87.29%降低至85.38%。