氧气顶吹熔融还原技术冶炼钛铁矿的试验研究

论文摘要

我国的铁矿石产量远远不能满足我国钢铁工业快速发展的需要。据统计,我国铁矿石的进口依赖度从2004年的44%上升到2009年的66%。近几年,国际市场上的铁矿石价格一路攀升,对我国钢铁工业的健康发展带来了前所未有的挑战和冲击。虽然我国铁矿石资源储量丰富,但贫矿、伴生矿所占的比例大,仅四川攀西地区已探明的钛铁矿储量就达98.49亿t,且伴生有多种有价金属元素,具有很高的回收和利用价值,若能充分地综合利用这些宝贵的矿产资源,不仅能有效缓解我国铁矿石资源紧缺的现状,而且还能回收其中的宝贵有价金属,对我国钢铁工业的持续发展有着重要的意义。由于钛铁矿矿物组成和含有Ti02的特殊性,在传统高炉冶炼过程中会出现炉渣粘度高,渣铁流动性差,铁损率高,冶炼不畅等问题。熔融还原工艺是20世纪新兴的非高炉炼铁新技术,是炼铁工业方面的前沿技术。开发研究熔融还原冶炼工艺和技术也是钢铁工业发展的必然要求。以钛铁矿和煤粉为原料,采用顶吹富氧空气技术和熔池内终还原的工艺流程能有效地提高渣层中的氧势,解决了传统高炉在冶炼钛铁矿的过程中所遇到的高熔点Ti(C,N)的生成导致渣铁分离不畅的问题,实现正常的生产冶炼。氧气顶吹熔融还原炼铁工艺是一种极具竞争力的熔融还原新工艺,开展钛铁矿冶炼新工艺的工作研究具有主要的意义。论文主要采用热力学方法计算了在不同的温度条件下,碳素与钛铁矿在熔融态下还原的可行性,并结合现有的分析方法和手段,较为系统地研究了熔融还原钛铁矿过程中的碱度、还原温度、氧气浓度和配碳量对钛铁矿还原过程中的行为的影响,各因素对还原过程的影响按此顺序逐渐减弱,碱度R=1.1,温度T=1550℃,还原时间30min,O2浓度为48.6%时,综合技术指标最好。通过热力学计算和大量试验数据分析,取得了以下结论：1)通过热力学分析,采用氧气顶吹熔融还原冶炼技术冶炼钛铁矿时,采用烟煤作为还原剂还原钛铁矿的吉布斯自由能为负,理论上是可行的。2)钛铁矿经过预氧化处理研究结果发现,物相组成和矿物组织结构都发生了明显改变,在预氧化过程中致密的钛铁矿(FeTiO3)转变成疏松的板钛铁矿(Fe2Ti05),破坏了原有的晶体结构和物相组成,使晶格产生了缺陷。预氧化处理能加快还原速率,有效地缩短还原时间,提高矿石还原度和金属化率。3)碱度对金属化率及铁水质量有明显的影响,随着碱度从0.7至1.5金属化率及铁水质量是先增加后减小,在碱度R=1.1时, T=1500℃, C/O=1.1时,冶炼指标最好,铁的回收率最高,高达94.8%；采用熔融还原炼铁技术能冶炼含TiO2为6.47%的铁矿石,尽管渣中TiO2含量达到25%以上,但渣铁分离良好。4)喷吹富氧空气提高了二次燃烧率,其值可达到加强了炉内传热和能源的有效利用,同时,提高了渣层中的氧势,抑制高熔点的Ti(C,N)的生成,降低了炉渣粘度,保证渣铁分离顺畅。论文系统地研究了采用熔融还原技术冶炼钛铁矿的热力学行为,提出了顶吹富氧空气来抑制高熔点TiC、TiN的生成,对渣铁分离顺畅有重大促进作用的观点,并进行了大量试验研究,得到了大量氧气顶吹熔融还原冶炼钛铁矿的试验数据,进一步丰富了熔融还原技术工艺的理论基础研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 中国铁矿石资源概况
• 1.2.1 中国铁矿石资源特点
• 1.2.2 中国铁矿石资源的分布状况
• 1.3 钛铁矿的综合利用和处理现状
• 1.3.1 选矿技术概括
• 1.3.2 钛铁矿的选分
• 1.3.3 钛铁矿的综合利用及开发研究现状
• 1.4 钛铁矿的铁钛分离方法及开发利用特点
• 1.4.1 选（矿）—冶（金）结合法
• 1.4.2 直接还原—熔化分离
• 1.4.3 酸浸出法
• 1.4.4 选择氯化法
• 1.4.5 还原—锈蚀法
• 1.4.6 高炉法
• 1.4.7 还原—磨选法
• 1.4.8 机械活化—浸出或还原法
• 1.4.9 预氧化—还原法
• 1.4.10 其它方法
• 1.5 本课题研究的主要内容和意义
• 1.5.1 本课题研究的意义
• 1.5.2 论文的主要内容
• 第二章 钛铁矿熔融还原的热力学分析
• 2.1 熔融还原过程中碳还原钛铁矿的热力学分析
• 2.2 钛铁矿CO还原的主要热力学
• 2.3 钛氧化物还原反应的热力学
• 2.3.1 碳还原钛氧化物的热力学分析
• 2.3.2 高熔点钛化物的生成热力学
• 2.3.3 Ti（C、N）的生成抑制和氧化热力学
• 2.3.4 FeO抑制Ti（C、N）的生成热力学计算
• 2.4 钛铁矿预氧化过程的热力学分析
• 2.5 碳还原预氧化处理后的钛铁矿热力学分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 预氧化处理对钛铁矿物相结构及还原性能的影响
• 3.1 试验研究方案
• 3.2 等温预氧化试验研究
• 3.2.1 等温预氧化试验方法
• 3.2.2 等温预氧化对钛铁矿物相转变的影响
• 3.2.3 等温预氧化对脱硫率的影响
• 3.3 非等温预氧化试验研究
• 3.3.1 非等温预氧化试验方法
• 3.3.2 非等温预氧化对钛铁矿物相转变的影响
• 3.3.3 非等温预氧化对脱硫率的影响
• 3.4 预氧化时间对钛铁矿物相转变的影响
• 3.4.1 预氧化时间试验方法
• 3.4.2 预氧化时间试验结果分析
• 3.4.3 预氧化时间对脱硫率的影响
• 3.5 预氧化处理对钛铁矿显微结构的影响
• 3.6 还原试验
• 3.6.1 试验方法
• 3.6.2 试验装置
• 3.6.3 预氧化处理后钛铁矿的还原试验
• 3.6.3.1 保温时间对矿石还原性能的影响
• 3.6.3.2 还原温度对矿石还原性能的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 熔融还原冶炼钛铁矿试验研究
• 4.1 试验研究
• 4.1.1 试验原料
• 4.1.2 试验仪器及试剂
• 4.2 试验装置
• 4.3 试验操作步骤及恒温段的确定
• 4.3.1 试验操作步骤
• 4.3.2 反应管恒温段的确定
• 4.4 试验工艺流程图
• 4.5 熔融还原试验研究结果与分析
• 4.5.1 温度对铁水和渣相中各元素成分的影响
• 4.5.2 碱度对铁水及炉渣组分的影响
• 4.5.3 配碳量对铁水和炉渣组分的影响
• 4.5.4 还原时间对铁水及炉渣组分的影响
• 4.6 碱度对脱硫率的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录