CN102628092B - 钒钛磁铁矿的冶炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够有效利用钒钛磁铁矿中的铁、钛资源的钒钛磁铁矿的冶炼方法。该方法包括的步骤为：a.将钒钛磁铁矿与碳质还原剂分层装入还原罐；b.将搭载还原罐的窑车置于隧道窑内进行还原反应；c.反应完成后从还原罐内取出还原锭并对其进行破碎、筛分；d.对筛分后的物料进行磁选，所得的磁性物质为铁粉，非磁性物质钛富集物。将上述这种分层装料的方式与隧道窑还原技术相结合所得到的铁粉中TFe含量和MFe含量均可达到90％左右甚至更高，效果出乎意料，而得到的钛富集物中TiO2可达到35％以上，达到钛中矿的品味，可作为生产钛白粉的原料。
Description
技术领域
本发明涉及钒钛磁铁矿的冶炼方法。
背景技术
攀枝花市的钒钛磁铁矿(TFe为55％左右，TiO2为8～12％)资源丰富，但其利用效果不好。目前，钒钛磁铁矿的利用途径主要是烧结后高炉冶炼法和压球后在转底炉还原加电炉熔分法。高炉冶炼法是将温度控制在1400～1600℃，加入钒钛磁铁矿烧结料、燃料、熔剂等进行冶炼，得到铁水。此方法的不足就是只能利用钒钛磁铁矿中的铁，而二氧化钛完全进入到高炉渣中去了，在高炉渣中，二氧化钛的含量也只有百分之二十几，同时含有很多Si、Ca、Mg等杂质，很不容易分离，使大量的二氧化钛资源随高炉渣一起被“丢弃”掉，白白的损失了大量的钛资源；此外还有炉温高，耗能比较大等不足。而在转底炉中利用钒钛磁铁矿进行还原，然后通过电炉冶炼熔分生产铁水及钛富集物的方法可以得到品位在50％左右的钛矿。该方法虽然使钒钛磁铁矿得到了综合利用，但这种生产工艺在生产时必须造球，所做的球团的硬度还要很高，且转底炉的炉温一般控制在1400℃左右，但金属化率只能达到70％左右，同时还要经过电炉进一步还原与熔分，温度在1700～1800℃，能耗较大，生产成本也较高。
因此，寻找一种既能利用钒钛磁铁矿中的铁，又能回收钒钛磁铁矿中的钛资源，使钒钛磁铁矿得到综合利用的新方法，刻不容缓的摆在了人们的面前。对于这个问题，有人提出了用直接还原炼铁工艺实现钒钛磁铁矿的冶炼。比如，“直接还原炼铁工艺现状及攀枝花钒钛磁铁矿处理工艺选择，杨保祥，攀枝花科技与信息，第3期，第31卷，2006年”一文中就提出了采用回转窑法和转底炉法进行钒钛磁铁矿直接还原炼铁的工艺。但该文中并未提到使用隧道窑进行钒钛磁铁矿的直接还原。隧道窑直接还原炼铁虽是一种古老的方法，而目前该方法采用的原料大多都是含铁量在60％以上的普通铁精矿或铁鳞，还原后所得铁粉中TFe含量较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效利用钒钛磁铁矿中的铁、钛资源的钒钛磁铁矿的冶炼方法。
该方法包括的步骤为：a、将钒钛磁铁矿与碳质还原剂分层装入还原罐；b、将搭载还原罐的窑车置于隧道窑内进行还原反应；c、反应完成后从还原罐内取出还原锭并对其进行破碎、筛分；d、对筛分后的物料进行磁选，所得的磁性物质为铁粉，非磁性物质钛富集物。
上述“分层”的含义是指钒钛磁铁矿与碳质还原剂只接触但不混合。这种将钒钛磁铁矿与碳质还原剂分层装入还原罐的方式不仅可以省去对钒钛磁铁矿进行压球或压块的工序，而且还能避免碳质还原剂与钒钛磁铁矿的混合，为后续保障磁选精度创造条件。将上述这种分层装料的方式与隧道窑还原技术相结合所得到的铁粉中TFe含量和MFe含量均可达到90％左右甚至更高，效果出乎意料，而得到的钛富集物中TiO2可达到35％以上，达到钛中矿的品味，可作为生产钛白粉的原料。另外，所得铁粉中还含有Ti、V等元素，将该铁粉用于粉末冶金时还能提高材料的强度、耐磨性等性能。此外，隧道窑还原还具有降低能耗的效果。总之，本发明的钒钛磁铁矿的冶炼方法能够实现钒钛磁铁矿的综合利用。
进一步的是，还原反应包括预热、还原、冷却三个阶段，其中：预热阶段的时间为13～18小时，预热温度控制在120～950℃；还原阶段的时间为30～40小时，还原温度控制在900～1100℃。其中，优选的还原温度应控制在小于1000℃的范围内，这样可以在较小的温度条件下达到同样的还原效果，达到节能的目的。
进一步的是，实施步骤a时，将装料模具插入还原罐内，该装料模具具有至少两面彼此间隔的侧壁，这两面侧壁之间构成还原物料装料仓，侧壁与还原罐的内壁之间构成还原剂装料仓，当钒钛磁铁矿与碳质还原剂分别填充在所述还原物料装料仓和还原剂装料仓内后，抽出装料模具而钒钛磁铁矿与碳质还原剂之间则以分层的形态留在还原罐内。采用上述装料模具能够轻松实现将钒钛磁铁矿与碳质还原剂分层装入还原罐，并使钒钛磁铁矿更多的被碳质还原剂包覆。显然，所述的至少两面彼此间隔的侧壁最好构成互为嵌套的同心环形结构，已达到较好的还原效果。
当然，除上述装料模具外，也可以通过其他办法使钒钛磁铁矿与碳质还原剂之间以分层形态留在还原罐内。比如，一种简单的办法是在还原罐中安装可抽出的隔板，先将钒钛磁铁矿与碳质还原剂分别倒入隔板两侧，然后抽出隔板即达到使钒钛磁铁矿与碳质还原剂只接触但不混合的效果。
进一步的是，步骤a前最好对钒钛磁铁矿进行脱水处理使其含水量(重量比)在3％以下。钒钛磁铁矿进厂时的含水量一般在5～10％，通过晒干或者烘干等脱水方式使钒钛磁铁矿的含水量低于3％，既便于装罐，也有利于钒钛磁铁矿的还原，降低还原剂的使用量。
实施步骤d时可采用多种磁选方式，比如采用传统的筒式干式磁选机或湿式磁选机。筒式干式磁选机容易产生磁团聚和磁夹带现象；而湿式磁选机得到的产品中含水，必须进行脱水处理，从而提高了生产成本。因此，本发明在实施步骤d时采用了一种新设计的干式磁选机，该干式磁选机具有一个外壳，该外壳内设有与旋转驱动装置连接的转轴，该转轴的表面设有螺旋输送叶片，转轴的内部设有磁性装置，该磁性装置的磁作用范围可穿透转轴并至少沿转轴的长度方向延伸一定距离；所述外壳上靠近该转轴两端的部位分别设有进料口和磁性物质出料口，外壳上位于所述进料口和磁性物质出料口之间设有非磁性物质落料口。该干式磁选机的使用方法是将物料从进料口导入干式磁选机进行磁选后即分别从磁性物质出料口和非磁性物质落料口得到分离后的磁性物质和非磁性物质。
与传统的干式磁选机相比，本发明的干式磁选机的选别方式完全不同。传统的干式磁选机是在滚筒径向180度范围进行选别，而本申请的干式磁选机则通过螺旋输送叶片推动物料沿转轴轴向前移并不断翻转和跳动，在这个过程中物料绕转轴表面以近乎以螺旋形轨迹前进，磁性物质被吸到转轴表面，非磁性物质在离心力的作用下和磁性物质分离，从而达到磁性物质和非磁性物质的选别效果。基于上述原理，本发明的干式磁选机可提高干选效果和效率，并且有效避免了磁团聚和磁夹带现象。
进一步的是，所述磁性装置连接有可使该磁性装置沿转轴周向转动的旋转驱动设备，并且该磁性装置的转动方向和转动速度均可通过该旋转驱动设备进行调节。对于本发明的这种干式磁选机，转轴的绝对转速不能太快，否则物料的离心力较大，可能使磁性物质脱离转轴表面，同时也会降低物料与磁场的接触时间，这些都会对磁选造成不利影响，因此，最好将转轴的绝对转速控制在一定范围以内。然而，不同物料磁选时往往对该物料相对于磁场的翻转速度有着不同的要求，比如有时要求物料相对于磁场的翻转速度较快，有时又要求物料相对于磁场的翻转速度较慢，这时，由于受限于转轴绝对转速的调整，本发明创造性提出通过将磁性装置与旋转驱动设备连接并由该旋转驱动设备调节磁性装置的转动方向和转动速度的技术手段来达到调整物料相对于磁场翻转速度的目的。
针对旋转驱动设备的调节设计了以下三种模式：第一种模式：磁性装置固定不动；第二种模式：磁性装置与转轴同向旋转；第三种模式：磁性装置与转轴反向旋转。当物料处理量较少时采用第一种模式；当物料处理量适中时情况采用第二种模式；当物料处理量较多时采用第三种模式。
进一步的是，所述磁性装置包括套装在转轴内并与旋转驱动设备连接的芯轴，该芯轴表面设有数组沿芯轴周向排列的磁块，每组磁块由数个沿芯轴轴向排列且同磁极朝外的磁块组成，相邻两组磁块之间朝外的磁极互为异性磁极。上述结构是本发明中磁性装置一种优选方案，其特点是磁块布置形式可以保证磁场的密度和均匀性。
进一步的是，在磁性装置与转轴之间还套装有保护套管。保护套管的主要作用是防止转轴与磁性装置发生碰撞。
进一步的是，所述外壳内还设有吹扫装置，该吹扫装置带有数个位于外壳内壁与转轴之间并指向该转轴的喷气嘴。在磁选时通过这些喷气嘴对物料进行喷气吹扫。被选物料在转轴上不断滚动和翻转的过程中压缩空气吹走不同粒径的非磁性物质，使磁性物质得到净化，进一步提高了磁选效率。
进一步的是，在所述外壳的内壁与转轴之间设有数组的沿转轴周向排列的喷气嘴，每组喷气嘴由数个沿转轴轴向排列的喷气嘴组成。显然，这样布置可使喷气嘴分布均匀，提高吹扫效果。
进一步的是，所述螺旋输送叶片由非导磁材料制成。由此，可避免磁性物质粘连在螺旋输送叶片上而不在螺旋输送叶片的推动下向前运动。
进一步的是，所述螺旋输送叶片的螺旋角为65～75度。转轴表面磁性物质的螺旋前进速度随螺旋输送叶片的螺旋角的增大而减小，本干式磁选机螺旋角较大，所以物料前进速度也较小，磁性物质和磁场接触时间相对较长，适合分离磁夹裹严重、分子团间静电场作用较强的物质，所以磁选效率高。
另外，通过试验还发现，对于本申请的这种干式磁选机，物料越细越容易选别，但当物料细度达到一定的上限时，继续提高物料细度对分选效果的影响不大，但却会提高粉磨的成本，因此，本申请建议将进行磁选的物料的粒度控制在-250～400目，既能够保证干选效果，又能够控制粉磨成本。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
图1为本申请装料模具与还原罐的装配示意图。
图2为本申请干式磁选机的结构示意图。
图3为图2中A-A向剖视图。
图4为本申请物料粒度与分选效果的关系图。
具体实施方式
下面首先对本发明的干式磁选机进行说明。该干式磁选机除了用于本发明的钒钛磁铁矿冶炼方法外，可以用于其他磁性物料的分选。
如图2、3所示，外壳8a为一个圆管形状，其两端通过端盖封闭，外壳8a内设有一根与外壳8a同轴的转轴8b，该转轴8b的两端滚动支承于外壳8a的两端盖上，其中端部与一台转动电机连接；转轴8b是由导磁材料制成的空心结构，其表面设有由非导磁材料制成螺旋输送叶片8e，其内部套有一根芯轴8g，该芯轴8g的端部与另一台转动电机连接；在芯轴8g表面设有数组沿芯轴8g周向排列的磁块8h，每组磁块8h由数个沿芯轴8g轴向排列且同磁极朝外的磁块8h组成，相邻两组磁块8h之间朝外的磁极互为异性磁极，其中，芯轴8g为一根花键轴，这些磁块8h刚好安装在花键轴的键槽内，以便固定；为防止芯轴8g与转轴8b相对转动时磁块8h与转轴8b内壁发生碰撞，在这些磁块8h与转轴8b之间还套装有保护套管8i，保护套管8i同样由导磁材料制成；进料口8d设置在外壳8a上方并靠近转轴8b的前端，磁性物质出料口8e设置在外壳8a下方并靠近转轴8b的后端，非磁性物质落料口8f同样设置在外壳8a下方但位于转轴8b的前后端之间；在外壳8a一端的端盖内设有气室81，该气室81通过管道与位于干式磁选机外部的压缩气源相连，干式磁选机内位于外壳8a内壁与转轴8b之间设有数根沿转轴8b周向排列并沿转轴8b轴向延伸的气管8k，这些气管8k均与气室81连通，每一根气管8k上设有数个沿转轴8b轴向排列的喷气嘴8j，这些喷气嘴8j的喷口方向与物料沿转轴8b的轴向运动方向之间的夹角为锐角，以使吹出的气流既不阻碍物料的前进，同时又起到对转轴8b上的非磁性物料进行风扫的效果；此外，所述螺旋输送叶片8e的螺旋角(螺旋线与转轴8b之间的夹角)为65～75度。
采用上述干式磁选机进行钒钛磁铁矿的冶炼方法为：首先，对钒钛磁铁矿进行脱水处理使其含水量(重量比)在3％以下；然后使用图1所示的装料模具进行装料，即将装料模具1插入还原罐7内，该装料模具1具有两面彼此间隔的侧壁2，这两面侧壁2构成互为嵌套的同心环形结构，这样，这两面侧壁2之间所构成还原物料装料仓3即为环形的，而侧壁2与还原罐7的内壁之间所构成还原剂装料仓5也是环形的，当钒钛磁铁矿3与碳质还原剂4分别填充在所述还原物料装料仓3和还原剂装料仓5内后，抽出装料模具1而钒钛磁铁矿3与碳质还原剂4之间则以分层的形态留在还原罐7内，然后再在钒钛磁铁矿3上铺盖一层碳质还原剂4，其中，碳质还原剂4可以采用煤、焦炭、木削或者草木灰等；之后将将搭载还原罐的窑车置于隧道窑内进行还原反应，还原反应包括预热、还原、冷却三个阶段，其中，预热阶段的时间为13～18小时，预热温度控制在120～950℃；还原阶段的时间为30～40小时，还原温度控制在900～1100℃，优选的还原温度应小于1000℃；冷却后从还原罐内取出还原锭并对其进行破碎、筛分，使待磁选的物料粒度在-250～400目的范围内；然后通过上述干式磁选机对物料进行磁选，其过程是将物料从进料口8d导入干式磁选机，此后，物料在螺旋输送叶片8e的推动下沿转轴8b轴向前移并不断翻转和跳动，在这个过程中物料绕转轴表面以近乎以螺旋形轨迹前进，磁性物质被吸到转轴8b表面并继续前移并最终进入磁性物质出料口8e，而非磁性物质则在离心力和气体吹扫的作用下和磁性物质分离，进入到非磁性物质落料口8f；所得的磁性物质为铁粉，非磁性物质钛富集物，该铁粉再经二次精还原后可得到优质、高强度、耐磨粉末冶金用铁粉，而得到的钛富集物中TiO2可达到35％以上，达到钛中矿的品味，可作为生产钛白粉的原料。
如图4所示，对于本申请的这种干式磁选机，但当物料细度达到250目时，分选效率达到80％，继提高物料细度分选效率相应提高，但当物料细度达到320目左右时，继续提高物料细度对分选效果反而有略微下降，当物料细度达到400目时，会增高粉磨的成本。综合考虑后，将进行磁选的物料的粒度控制在-250～400目，既能够保证干选效果，又能够控制粉磨成本。当然，最好的选择是将物料的粒度控制在320目左右。
实施例
取攀枝花地区钒钛磁铁矿，TFe品位为60.23％，TiO2为8.64％，水份控制在＜3％，然后与碳质还原剂一并装入还原罐内，粒度小于3mm，再装到窑车上，推入隧道窑进行还原，先预热16小时，再经还原，还原温度为980℃，还原时间35小时，出窑冷却后进行卸罐、破碎、球磨、和磁选，结果得到的磁性物质为铁粉，其TFe为93.64％，MFe为92.35％，产率为77.47％，回收率为95.30％；非磁性物质为钛富集物，其TiO2为35.34％，回收率为82.78％。两种物料分别达到了还原剂用铁粉与钛中矿的质量指标，回收率也较高，实现了钒钛磁铁矿综合利用的初步目标。此后，将一次还原后的还原铁粉再进行气基二次精还原，这种还原方法是在高温条件下用还原气体并且加以堕性气体进行还原，所采用的生产气体的原料是液氨，氨气通过加热高温分解，生成氮气和氢气，氮气化学性质比较稳定，可以作为保护性气体，而氢气可以作为还原性气体，当然，还原性气体还可以通过天然气来制取。在这种气基二次精还原条件下，得到TFe在98.5％以上的优质、高强度、耐磨粉末冶金用铁粉。
Claims (8)
1.钒钛磁铁矿的冶炼方法，包括的步骤为：a、将钒钛磁铁矿与碳质还原剂分层装入还原罐；b、将搭载还原罐的窑车置于隧道窑内进行还原反应；c、反应完成后从还原罐内取出还原锭并对其进行破碎、筛分；d、对筛分后的物料进行磁选，所得的磁性物质为铁粉，非磁性物质钛富集物；磁选时采用干式磁选机，所述干式磁选机具有一个外壳(8a)，该外壳(8a)内设有与旋转驱动装置连接的转轴(8b)，该转轴(8b)的表面设有螺旋输送叶片(8e)，螺旋输送叶片(8e)输送方向与转轴(8b)轴线方向相同，转轴(8b)的内部设有磁性装置，该磁性装置的磁作用范围可穿透转轴(8b)并至少沿转轴(8b)的长度方向延伸一定距离；所述外壳(8a)上靠近该转轴(8b)两端的部位分别设有进料口(8d)和磁性物质出料口(8e)，外壳(8a)上位于所述进料口(8d)和磁性物质出料口(8e)之间设有非磁性物质落料口(8f)；所述外壳(8a)内设有吹扫装置，该吹扫装置带有数个位于外壳(8a)内壁与转轴(8b)之间并指向该转轴(8b)的喷气嘴(8j)。
2.如权利要求1所述的钒钛磁铁矿的冶炼方法，其特征在于：还原反应包括预热、还原、冷却三个阶段，其中：预热阶段的时间为13～18小时，预热温度控制在120～950℃；还原阶段的时间为30～40小时，还原温度控制在900～1100℃。
3.如权利要求1所述的钒钛磁铁矿的冶炼方法，其特征在于：实施步骤a时，将装料模具(1)插入还原罐(7)内，该装料模具(1)具有至少两面彼此间隔的侧壁(2)，这两面侧壁(2)之间构成还原物料装料仓(3)，侧壁(2)与还原罐(7)的内壁之间构成还原剂装料仓(5)，当钒钛磁铁矿(3)与碳质还原剂(4)分别填充在所述还原物料装料仓(3)和还原剂装料仓(5)内后，抽出装料模具(1)而钒钛磁铁矿(3)与碳质还原剂(4)之间则以分层的形态留在还原罐(7)内。
4.如权利要求1所述的钒钛磁铁矿的冶炼方法，其特征在于：实施步骤a之前对钒钛磁铁矿进行脱水处理使其含水量(重量比)在3％以下。
5.如权利要求1所述的钒钛磁铁矿的冶炼方法，其特征在于：所述磁性装置连接有可使该磁性装置沿转轴(8b)周向转动的旋转驱动设备，并且该磁性装置的转动方向和转动速度均可通过该旋转驱动设备进行调节。
6.如权利要求5所述的钒钛磁铁矿的冶炼方法，其特征在于：所述磁性装置包括套装在转轴(8b)内并与旋转驱动设备连接的芯轴(8g)，该芯轴(8g)表面设有数组沿芯轴(8g)周向排列的磁块(8h)，每组磁块(8h)由数个沿芯轴(8g)轴向排列且同磁极朝外的磁块(8h)组成，相邻两组磁块(8h)之间朝外的磁极互为异性磁极。
7.如权利要求6所述的钒钛磁铁矿的冶炼方法，其特征在于：所述螺旋输送叶片(8e)的螺旋角为65～75度。
8.如权利要求7所述的钒钛磁铁矿的冶炼方法，其特征在于：将进行磁选的物料的粒度控制在-250～400目。
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