摘要: 钒钛磁铁矿是我国重要的战略矿产资源，富含铁、钛、钒等有价元素。钒钛磁铁矿钠化还原-熔分工艺可一步实现铁氧化物的还原、钛氧化物的活化、钒氧化物的氧化及渣铁熔分，是极具潜力的钒钛磁铁矿高效综合利用工艺。本论文研究了钒钛磁铁矿钠化还原冶炼... 展开 钒钛磁铁矿是我国重要的战略矿产资源，富含铁、钛、钒等有价元素。钒钛磁铁矿钠化还原-熔分工艺可一步实现铁氧化物的还原、钛氧化物的活化、钒氧化物的氧化及渣铁熔分，是极具潜力的钒钛磁铁矿高效综合利用工艺。本论文研究了钒钛磁铁矿钠化还原冶炼机理，明确了Na2CO3在反应中的作用;深入研究了钠化熔渣的结构、流动特性和表面性质，建立了钠化熔炼新熔渣体系的粘度和表面张力模型，为钠化还原-熔分工艺提供了理论支撑。论文取得的主要研究结果如下: (1)通过热力学分析明确了不同还原性气氛和反应温度下钒钛磁铁矿钠化还原的优势产物。在钠化还原过程中，不生成钛的低价氧化物Ti3O5,主要优势产物为Na2TiO3;金属氧化物的还原顺序为:FexO＞Na2O＞TiO2。以南非钒钛磁铁矿为原料，实验确定了反应温度、碱矿比和碳矿比等因素对钒钛磁铁矿钠化还原产物物相、铁还原的金属化率以及渣铁熔分率的影响，在反应温度1523K、碱矿比60％、碳矿比24.2％的条件下，铁的金属化率和熔分率分别达99.0％和98.67％。 (2)深入研究了钒钛磁铁矿-Na2CO3焙烧反应、钒钛磁铁矿-C还原反应、Na2CO3-C分解反应以及钒钛磁铁矿-Na2CO3-C钠化还原反应机理和动力学过程。在钒钛磁铁矿-Na2CO3焙烧反应中，Na2CO3将Fe2TiO4中的Fe2+氧化为Fe3+进入熔渣，表观反应活化能为107.00kJ/mol;钒钛磁铁矿-C还原反应的表观反应活化能为165.56kJ/mol;Na2CO3-C分解反应的表观反应活化能为201.81kJ/mol;钒钛磁铁矿-Na2CO3-C钠化还原的表观反应活化能为87.25kJ/mol。Na2CO3的加入大幅降低还原的表观活化能，使还原速率加快。明确了钒钛磁铁矿-Na2CO3-C钠化还原反应机理:反应前期，铁氧化物的反应历程为Fe2.75Ti0.25O4→Na0.75Fe0.75Ti0.25O2+Fe→Fe;反应后期以渣铁熔分为主。 (3)采用高温原位拉曼光谱技术深入研究了钠化熔渣(Na2O-TiO2-SiO2-CaO-MgO-Al2O3)的结构，明确了渣中的TiO2主要为四面体单体结构(Q0，[TiO4]4-)和链状结构(Q2,[Ti2O6]4-和[TiSiO6]4-)。随着Na2O含量的增加，Q2→Q0，熔渣聚合度(DOP)降低;随着TiO2含量的增加，Q0→Q2,DOP增加;随着Al2O3含量的增加，[AlO4]5-可进入Q2,DOP增加。采用内柱体旋转法测试了钠化熔渣的粘度，结果表明:随Na2O的增加、TiO2和Al2O3的减少，粘度降低;熔渣粘度与Q2含量和Q0含量平方的比值存在线性关系，随着(Q2)/(Q0)2减小，DOP降低，熔渣粘度减小。采用拉脱法测试了钠化熔渣的表面张力，结果表明:Na2O的加入降低表面张力，而Al2O3和TiO2的加入均增加表面张力。表面张力与氧化物的电离难易程度、复合阴离子团的尺寸和含量相关:Na2O电离得到的Na+静电势较低，降低了表面张力;加入TiO2导致渣中六配位Ti4+含量增加，熔渣表面的静电作用力增大;Al2O3以[AlO4]5-的形式进入Q2结构所引发的电荷补偿效应使复合阴离子团内静电作用力增大。 (4)基于空穴理论和Yan模型，建立了适用于钠化熔渣体系的粘度模型，明确了熔渣粘度与温度的关系，通过聚合理论计算了不同种类的氧离子的含量,补充建立有效的粘度数据库，利用回归分析优化模型参数;该模型可预测钠化熔炼新熔渣体系粘度，平均相对误差为8.1％，满足工业要求。基于Tanaka模型，建立了适用于钠化熔渣体系的表面张力模型，通过熔渣中Ti[6]4+和Ti[4]4+的比值参数对模型修正，该模型可预测钠化熔炼新熔渣体系表面张力，平均相对误差为13.7％,满足工业要求。明确了钠化熔渣物性对渣铁熔分的影响:熔渣粘度和表面张力的比值越小，铁液滴的聚并速率越快，稳定尺寸更大，更有利于熔分;和高炉渣相比，铁液滴在钠化熔渣中更易聚并。 收起