摘要: 钒钛磁铁矿不仅是铁的重要来源，更是主要的钒钛资源，被世界各国公认为是重要的战略资源。传统的“高炉-转炉法”存在钒回收率低、无法实现钛元素的回收、对焦炭的依赖程度高等弊端。在当今倡导节能减排和环境友好发展的时代背景下，基于非高炉法的“流... 展开 钒钛磁铁矿不仅是铁的重要来源，更是主要的钒钛资源，被世界各国公认为是重要的战略资源。传统的“高炉-转炉法”存在钒回收率低、无法实现钛元素的回收、对焦炭的依赖程度高等弊端。在当今倡导节能减排和环境友好发展的时代背景下，基于非高炉法的“流态化预还原-电炉熔分法”优势突出，具有直接处理粉矿、还原效率高、热交换好以及环境污染小等优点。因此，围绕“流态化预还原-电炉熔分法”开展相关基础理论研究，对钒钛磁铁矿资源的高效开发与利用具有重大意义。 本文以高品位钒钛磁铁矿作为研究对象，以H2作为还原气体，借助实验室微型流化床反应器进行钒钛磁铁矿流态化预还原试验研究，系统考查了不同还原条件对流态化预还原效果的影响。结合X射线衍射分析、扫描电子显微镜-能谱分析、气体成分分析、比表面积及孔结构分析等检测技术，采用理论分析与试验研究相结合的方法，围绕钒钛磁铁矿流态化预还原过程的物相转化规律、微观结构演变规律以及流态化预还原过程热力学与动力学研究等关键科学问题，开展了较为系统的研究，取得了如下具有科学意义的成果: 通过化学成分分析，以钒钛磁铁矿还原产物的金属化率为评价标准，系统研究了气体流量、还原温度、还原时间以及H2浓度等因素对流态化预还原效果的影响。研究表明，最佳的工艺参数为:气体流量1000mL/min,还原温度850℃,还原时间30min及H2浓度80％。此条件下，还原产物金属化率为90.22％,能够为后续电炉熔分提供优质的原料。 试验研究发现，还原温度和H2浓度是影响钒钛磁铁矿流态化预还原的关键因素。因此，分别在不同温度体系下和不同H2浓度体系下，开展了还原产物金属化率的变化规律研究。研究表明，在一定范围内，随着还原温度的升高、H2浓度的增加以及还原时间的延长，还原产物金属化率均呈先逐渐增加后趋于平缓的趋势，不同还原条件下，反应进行的程度不一。 利用HSCChemistry6.0对钒钛磁铁矿中主要的还原反应进行热力学计算,得出各类含铁化合物的理论还原相变历程。具体为，铁氧化物的理论还原相变历程为:当温度低于570℃时，Fe2O3→Fe3O4→Fe;当温度高于570℃时，Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe;钛铁化合物的理论还原相变历程为:Fe2TiO5→Fe2TiO4→FeTiO3→FeTi2O5→TiO2→Ti3O5;钒铁化合物的理论还原相变历程为:FeV2O4→V2O3→VO→V。 利用气体成分在线分析检测技术对钒钛磁铁矿流态化预还原过程进行等温动力学研究。研究表明，H2流态化预还原过程最佳机理函数模型为随机成核与一维生长A1模型，其积分形式为G(α)=-ln(1-α),表观活化能为42.65kJ/mol,指前因子为0.21s-1;表明新相金属铁随机成核长大是钒钛磁铁矿流态化预还原反应过程中的限制性环节。 物相转化规律研究表明，钒钛磁铁矿流态化预还原过程中还原相变历程为:γ-(Fe,Ti)2O3→Fe3-xTixO4→FeTi5O8→Fe2TiO5→Fe2TiO4→Fe+FeTiO3→Fe+TiO2;由于钒磁铁矿(FeV2O4)含量较低，难以监测其还原相变历程。微观结构演变规律研究表明，随着还原温度的升高和还原时间的延长，颗粒表面的铁氧化物和钛铁化合物不断发生还原，最终转化成金属铁，其表面结构变得疏松多孔。此外,H2分子借助颗粒表面气孔通道迅速扩散至颗粒内部，与含铁化合物发生还原，生成大量的金属铁;并在外边缘形成致密的金属铁环，但由于环内分布大量的TiO2，阻隔了金属铁颗粒之间的聚集融合，使得金属铁难以向环中心区域进一步聚集。 本文研究成果丰富了钒钛磁铁矿“流态化预还原-电炉熔分”理论体系，为钒钛磁铁矿高效综合利用提供了新的路径，具有良好的借鉴意义。 收起