一种钒钛铁原矿煤基氢冶金回转窑制钢方法

技术领域

本发明属于冶金和矿物工程技术领域，涉及一种钒钛铁原矿煤基氢冶金回转窑制钢方法。

背景技术

钒钛磁铁矿含有钴、铬、镍、镓、钪等多种有价元素，具有相当高的综合利用价值。在自然界中，90%以上的钒、钛资源以钒钛磁铁矿形式赋存。

钒钛磁铁矿的传统利用方式主要有高炉法和非高炉法。高炉法是最早处理钒钛磁铁矿的方法，因其处理能力大、成本相对较低目前依然占据钒钛磁铁矿处理的主流工艺地位。

高炉法处置钒钛磁铁矿时存在以下问题：

（1）需配加普通铁精矿。钛在高炉内会过还原生成 Ti(C,N)，导致炉渣黏度增大、炉内透气性变差、操作难度增大等，因此在烧结过程中需配加一定比例的普通高品位铁矿石，一般配加比例可达到20%左右；

（2）资源利用率较低。铁、钒、钛的利用率分别为70%、47%和21%；

（3）依赖焦炭。高炉工艺受透气性要求，需要焦炭作为骨架、加热剂和还原剂，我国平均吨铁焦炭消耗约350Kg左右；

（4）固废、危废排放量大。烧结工序方面，每生产1吨铁的烧结矿排出高温废气量6500m

非高炉法处置钒钛磁铁矿主要有“先钒后铁工艺”和“先铁后钒工艺”。“先钒后铁工艺”以钠化焙烧提钒-回转窑预还原-电炉熔分工艺为代表，该工艺钒回收率可达到80%，但存在只适用于钒含量较高（＞1%）的钒钛磁铁矿、钠盐用量大、成本高、残留钠盐的球团易粉化、回转窑还原的稳定性较差和铁、钛未回收等问题。

“先铁后钒工艺”主要可分为回转窑预还原-电炉终还原熔分工艺、转底炉预还原-电炉终还原熔分、竖炉预还原-电炉终还原熔分、竖炉预还原-电炉终还原熔分、流化床预还原-电炉终还原熔分、深度还原-电炉熔分和还原-磨选法等工艺路线。

回转窑预还原+电炉终还原熔分是较为成熟的非高炉工艺，世界上有二家公司（南非海威尔德公司和新西兰钢铁公司）将该工艺用于工业化生产。该工艺产出含钒铁水和钛渣，二家公司的主要区别：新西兰钢铁公司以海砂铁矿粉为原料，南非海威尔德公司则以钒钛磁铁粒矿为原料；该工艺存在的主要问题是生产中产出的含钛炉渣均丢弃或者作为铺路材料，未能得到合理利用。

转底炉预还原-电炉终还原熔分工艺目前尚未得到产业化成功应用。2007年和2010年攀枝花龙蟒矿冶有限公司及攀钢研究院先后建成了7万吨和10万吨规模的转底炉中试生产线，并配套了钛渣熔炼电炉；中试线在长时间试验过程中出现了炉底上涨，对顺行造成严重影响；同时，转底炉受炉内燃烧供热和辐射传热限制，一般为单层球团布料，产能很低。现已全部停用。

气基竖炉工艺还原普通的铁矿石，已经实现了大型化、规模化，非常成熟。目前所能采用的还原温度在900℃左右。1977-1979年间，成都钢铁厂与攀枝花钢铁研究院等单位进行了5m

（1）钒钛磁铁矿氧化性球团还原过程中易膨胀、粘接，导致下料不畅，进一步导致金属化率降低；

（2）经济性差，国内目前百万吨级别的气基竖炉工程总投资约19亿元，包含竖炉本体、供出料系统、冷却系统、气体回路系统，以及配套能源系统和信息化系统；

（3）还原温度低，气基竖炉预还原高温区极窄，整体还原反应动力学条件差，不能够充分发挥还原气体的还原优势，这是竖炉还原技术难以取得高金属化率的主要原因。

流化床直接还原比较典型的是FINEX工艺。20世纪80年代前后,中国科学院化工冶金所在山东枣庄进行了吨级流态化还原钒钛磁铁精矿工业试验，反应器由预还原流化床和还原流化床两级组成，但迄今为止尚未彻底解决直接还原铁颗粒的粘结失流问题。

通过回转窑（或竖炉、转底炉）等装置对钒钛磁铁精矿进行深度还原处理，再将预还原产物转入电炉内熔化分离，使钒富集于钛渣中形成钒钛渣和钢水，再通过火法或湿法工艺分离钒钛。采用以上方式能够大幅度降低电炉能耗，国内中国科学院过程所、东北大学、攀枝花钢铁研究院和COSRED等大量院校、科研机构均开展过以上研究，但均因无法快速解决钒钛磁铁矿深度还原问题，导致以上工艺均只停留在实验室研究层面。

还原-磨选法在低于矿石熔化温度下，利用铁、钒、钛氧化物还原性之间的差异，选择性地将钒钛磁铁矿中的铁氧化物还原为金属铁，钒和钛仍以氧化物的形式存在，并控制还原条件使金属铁颗粒长大到一定粒度，通过磁选得到铁精矿和富钒钛料。长沙矿冶研究院、中南大学、东北大学、攀钢等机构都曾对该工艺开展过研究，与深度还原-电炉熔分工艺类似，所有机构均无法解决钒钛磁铁矿快速深度还原问题，无实质性进展。

综前所述，传统冶金工艺均不能有效处置钒钛磁铁矿，其根本原因在于传统冶金工艺均建立在以碳为还原剂的基础之上，而碳冶金受CO还原能力、穿透能力弱等因素限制，不能在固态条件下解决钒钛磁铁矿的高还原率问题。

碳冶金工艺没有在固态下解决好钒钛磁铁矿的还原问题，只能在熔融液态下解决。但在熔融液态下进行终还原时，渣中大量的硅、锰、钒、碳等同时被还原进入到铁水。这为之后的炼钢及钛、钒提取制造了诸多麻烦，整个流程生产成本将远高于高炉法。

发明内容

本发明的目的是提供一种钒钛铁原矿煤基氢冶金回转窑制钢工艺，以解决传统工艺存在的钒钛磁铁矿固态条件下还原速率较低、资源利用率低等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

（1）将铁矿石破碎至0~50mm粒级；筛分选取20~50mm粒级煤与0~50mm粒级的铁矿石混合均匀，随后将混合料从回转窑入料端加入回转窑，整体料量的体积不应大于回转窑内部空间的25%；

其中，铁矿石为钒钛铁原矿，铁品位40-60%，钛含量5%以上，钒含量0.4%以上；20~50mm粒级煤的挥发分在10~20%；0~50mm粒级的铁矿石与20~50mm粒级煤的质量比100：40~50。

以上混合料在回转窑内翻滚前行；逆流的高温烟气通过辐射、对流方式加热表层物料；高温窑壁以传导、辐射方式对底层物料进行加热；所有物料加热过程中均由表层向内逐步升温；

（2）将步骤1）中混合料总在窑时间控制在150~210min，混合料最高温度段温度控制在1100~1200℃，最终出料温度控制在800~900℃；

待混合料温度达1100~1200℃后，筛分选取5~30mm粒级煤从回转窑出料端喷吹至高温段，控制反应时间30~60min；

其中，5~30mm粒级煤的挥发分在40%以上，5~30mm粒级煤的抛入量占0~50mm铁矿石同期进窑量的40~50%；

（3）将步骤2）从回转窑出料端排出物料冷却降温至200℃以下，冷却时间控制在50min以内，随后磁选得到铁品位55~75%的金属化料和以残碳为主的非磁性料；

（4）将步骤3）得到的非磁性料回供至回转窑入料端，以代替等热值量的20~50mm粒级煤；

非磁性料加入量为20~50mm粒级煤同期入窑量的40~50%；代替等热值量的20~50mm粒级煤后，非磁性料与20~50mm粒级煤的混合物的综合挥发分应在10~20%；

（5）将步骤3）得到的金属化料进行干磨干选，抛尾后得到铁品位75~85%的铁精粉和高品位的钒钛尾矿；

（6）对步骤4）得到的铁精粉进行压块，形成直径30~50mm的铁块，并完成干燥；干燥后的含水率控制在3%以内，强度控制在600N/个以上；

（7）在空负荷的电炉内投入电炉额定投料量5~15%的普通废钢，控制电炉功率为额定功率的40~60%，待废钢开始熔融时分批次投入步骤6）得到的铁块，同时将电炉功率控制到额定功率的100%，在熔分过程中控制炉渣平均厚度＜60mm；待钢水温度达到1580~1620℃时保温5~8min后出钢，可得到含铁率99%以上的纯净钢水和富钒钛熔融渣。

煤基氢冶金回转窑内的反应原理如下：

（1）混合料进入回转窑后，当温度达到100℃以上时，混合料中的水分将由表及里逐步脱除；

（2）当混合料温度达到300℃以上时，20~50mm粒级的煤将进行热解，产生H

（3）当混合料温度在300~570℃时，煤热解产生的以H

（4）当混合料温度在570~810℃时，煤热解产生的以H

（5）当混合料温度在810~1100℃时，混合料中煤的热解过程及热解气还原过程基本完成；步骤4）生成的H

（6）当混合料温度在1100~1200℃时，将5~30mm粒级煤从回转窑出料端喷吹至高温段；5~30mm粒级煤在料层内翻滚并快速升温，逐步进行煤的一次热解，生成H

（7）步骤6）生成的还原性气体在料层内穿过前期还原生成的孔洞，对铁矿石中的主相Fe

物料继续向窑头翻滚前行并排出，完成还原过程，此时铁的金属化率可达到90%以上、钛和钒分别以TiO

本发明相较于传统钒钛铁原矿资源综合利用工艺的有益效果：

（1）无需配加普通铁精矿

与高炉等熔融态还原方式比较，本发明采用气固反应的方式，解决了纯钒钛磁铁矿熔融态还原炉渣黏度增大、炉内透气性变差、操作难度增大等问题，因此无需配加普通铁精矿；

（2）资源利用率较高

本发明采用铁原矿直接还原产生金属化物料，再通过干磨干选产生铁精粉和高品位的钒钛尾矿，铁精粉又通过电炉冶炼生成高纯度铁水和富钒钛渣；以上过程中铁的利用率可达到85%以上，钛和钒的收率均可达到60%以上；各项资源的综合利用率远高于高炉（铁、钒、钛的利用率分别为70%、47%和21%）和其它非高炉工艺；

（3）取消焦炭的使用

本发明采用高挥发份的褐煤，能够解决传统高炉钒钛铁原矿资源综合利用工艺对焦炭的依赖；

（4）固废、危废排放量小

本发明无烧结、焦化等工序，能够减少废气的排放，杜绝烧结烟粉尘、出熄焦烟粉尘、SO

（5）还原速度快

本发明采用以氢冶金为主、碳冶金为辅的钒钛铁原矿直接还原方式，在3h左右即可使铁的金属化率达到90%以上的较高水平，远高于传统碳冶金工艺（碳冶金一般需要6~10h）和竖炉等氢冶金工艺（竖炉氢冶金一般需要8h左右）；

（6）综合经济性好

本发明完全使用低成本钒钛磁铁矿和褐煤，解决了焦炉、烧结、高炉无热联系问题，且还原速度快，因此整体工艺成本较低；本发明采用回转窑装置，热效率较高，建设成本低；本发明资源利用率较高，能够充分发挥钒钛铁原矿中各有价元素的价值。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的解释说明。

实施例

（1）采用南非某地钒钛磁铁矿，矿石平均铁含量53.08%、钛含量14.48%、钒含量1.78%，将铁矿石破碎至0~50mm粒级；

（2）采用新疆某改质煤，挥发分10.6%、固定碳75.76%、灰分11.31%、热值24507KJ/Kg，筛分选取20~50mm粒级；

（3）采用回转窑前期排出并经磁选后产出的非磁性料，该非磁性料以残炭为主，挥发分2.72%、固定碳77.52%、灰分22.35%、热值22375KJ/Kg；

（4）采用新疆某褐煤，挥发分49.5%、固定碳47.6%、灰分4.5%、热值21203KJ/Kg，筛分选取5~30mm粒级；

（5）通过内部直径1.2m的制粒机将533吨破碎至0~50mm粒级铁矿石、231吨20~50mm粒级改质煤和98吨非磁性料混合均匀，随后通过运输皮带将以上混合料从内部直径2.2m、长度48m的回转窑入料端加入回转窑，小时投料量20.5吨，物料在窑时间2h50min，整体料量的体积达到回转窑内部空间的22.1%；

（6）以上混合料在回转窑内翻滚前行；逆流的高温烟气通过辐射、对流方式加热表层物料；高温窑壁以传导、辐射方式对底层物料进行加热；所有物料加热过程中均由表层向内逐步升温；

（7）控制混合料最高温度段温度1100~1200℃后，筛分选取108吨5~30mm粒级煤从回转窑出料端喷吹至高温段，控制回转窑出料端排出物料温度800~900℃；

（8）通过内径2m、长度15m的冷渣机将从回转窑出料端排出物料冷却降温至50~80℃，冷却时间30~50min；

（9）回转窑出料端排出物料经冷却后，通过在线滚筒式磁选机磁选得到415吨铁品位70.21%的金属化料和107吨以残碳为主的非磁性料；

（10）将磁选产出的金属化料进行干磨干选，抛尾后得到357吨铁品位76.58%、钛含量12.02%、钒含量1.71%的铁精粉和58吨铁品位18.68%、钛含量41.20%、钒含量5.66%的钒钛尾矿；

（11）将铁精粉与球团黏结剂（膨润土）、水按照100:2:11的比例进行压块，形成直径30~50mm的铁块，并完成干燥；干燥后的含水率控制在1.8%，强度880N/个，制备铁精粉压块365吨；

（12）在空负荷的50吨电炉内投入7吨的普通废钢，控制电炉功率为额定功率的40%，6min后废钢开始熔融时分3次累计投入铁精粉压块35吨，在首次投入铁精粉压块时将电炉功率控制到额定功率的100%，在熔分过程中控制炉渣平均厚度＜60mm，超过时进行倒渣，待钢水温度达到1600℃时保温5min后出钢；采用以上方式连续生产10炉次，得到260吨含铁率99.65%的纯净钢水和110.8吨含铁19.42%、钛含量34.60%、钒含量5.21%富钒钛熔融渣。