高炉冶炼钒钛磁铁矿的工艺设计

攀枝花学院课程设计（论文）

高炉冶炼钒钛磁铁矿的工艺设计

学生姓名： *** 学生学号： ************ 院 （系）： 资源与环境学院 年级专业： 2010级冶金1班 指导教师： 陈绿英 教授

二〇一三年十二月

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摘要

高炉冶炼高钛型钒钛磁铁矿的主要困难是由钛渣的特殊性质引起的,它们具

有脱硫能力低、熔化性温度高以及高温还原变稠等特点,采用质量良好的原料,严格控制生铁含硅,选择适宜的炉渣碱度是解决高炉冶炼高钛型钒钛磁铁矿的主要措施。

关键词 钒钛磁铁矿，TiO2，高炉渣，溶化性温度

绪论

我国西南攀枝花地区蕴藏着大量的高钛型钒钛磁铁矿。矿石中含(%):Fe31一35,TiO2:11一12,V2O50.28一0.34。这种矿因品位太低不能直接入炉冶炼练,需经选矿处理,选得的铁精矿(%):Fe51一52,TiO2:13一14。高炉采用这种精矿冶炼时,渣中TiO2含量将高达25%一30%,高炉冶炼遇到许多困难,如炉缸严重堆积,炉渣粘稠,渣铁不分等等。为解决高炉冶炼高钛型钒钛磁铁矿，进行了大量的试验研究。结果表明,高炉冶炼的主要困难是由含钛炉渣的特殊性质造成的。如能清楚地了解这种炉渣的特性并采取适宜的措施,钒钛矿冶炼可以顺利进行。与普通高炉渣相比,含钛炉渣具有三个特点，即脱硫能力低、熔化性温度高和高温还原变稠。这些性质,尤其后者是引起高炉冶炼困难的根源。

一、高钛型高炉渣的性质

(一)含钛炉渣的脱硫性能

一般说来,一定冶炼条件下,炉渣脱硫能力与渣中CaO含量,即碱度(CaO/Si02)及温度成正比。与普通高炉四元渣系相比,在相同的碱度下含钛炉渣中的CaO重量百分比要低15%左右,这必然降低钛渣的脱硫能力。平衡条件下高炉型含钛炉渣的脱硫能力示于图1[1]。由图可看出,含钛炉渣的脱硫能力远比普通渣(TiO2=0)差。若维持1.1这一常用碱度,普通渣的Lδ可达36,而含20、25、30的钛渣的Lδ。只能达到13、12、10,可见含钛渣的脱硫能力甚低,且随着TiO2量的增加,炉渣脱硫能力减弱。

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图1 LS与碱度与TiO2的关系

还可看出,碱度对钛渣脱硫能力的影响远较普通渣弱。在钒钛矿冶炼中,即使选用较高的碱度,也难于改变钛渣脱硫能力低的弱点。硫的分配系数 L（〔S〕)S(S)/与炉渣碱度及TiO2含量的关系如表l所示。不难看出,对含TiO2%:20、25、50、35的钛渣来说,碱度维持1.14、1.26、1.40、1.57,只与普通矿冶炼时的0.86相当,此时 LS值也只能达到14。这表明,高钛型炉渣即使维持很高的碱度,其脱硫能力也远不能达到普通渣的水平。另外,随碱度的增高,炉渣的熔化性温度升而熔化性温度过高会给操作带来困难,所以不能靠大幅度提高碱度来维持炉渣的脱硫能力。

表1 LS、CaO/SiO2及TiO2关系

研究表明,TiO2对炉渣脱硫能力的影响有二重性。一方面,它在碱度大于0.63的渣中呈酸性,对脱硫不利;另一方面,由于TiO2在炉内还原生成钛的低价氧化物

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在渣中显碱性对脱硫有利。在含MgO8%,A12O318%及高炉适用的碱度范围内,TiO2的酸性相当于Si02的0.83倍,而TiO2的碱性相当于CaO的0.88倍[1],从脱硫的角度看,适度还原的TiO2可在一定程度上弥补CaO量低的缺陷。

(二)含钛炉渣的熔化性温度

熔化性温度高是高钛型炉渣的另一特点。所谓熔化性温度是指炉渣在炉内能自由流动的温度,对结晶性能强的“短渣”取降温过程中的粘度-温度曲线与横坐标成45。角切线相切点所对应的温度。表2是攀枝花矿常用的TiO2和碱度范围内炉渣的熔化性温度,渣中MgO和A12O3含量分别固定为9%和14%。炉渣成分是根据高炉冶炼攀枝花矿适用范围确定的。在高于1.0常用的碱度范围内,熔化性温度与炉渣碱度有明显的对应关系,即随碱度的提高熔化性温度升高。从有利于高炉操作来看,炉渣碱度不宜高,但为改善脱硫又必需维持一定的碱度,因此炉渣脱硫能力与熔化性温度之间存在着相直制约的关系,过高过低都会引起炉缸工作失调或生铁出格。

表2 炉渣TiO2%和碱度对溶化性温度的影响

由表2还可看出,碱度在1.0以下时,熔化性温度随TiO2量增加而增加,高于1.0,TiO2对熔化性温度即无明显影响。

表3是几个实际生产渣的测定数据,与普通高炉渣相比,钛渣的熔化性温度高出80一100℃。这一特点要求炉缸必需具有充沛的热量。

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表3 现场渣溶化性温度

含钛炉渣不仅熔化性温度高,而且是结晶性能很强的“短渣”。图2是一组含Ti0227%的粘度一温度曲线二由图看出,碱度大于1.0的碱性渣结晶性能强,小于1.0的酸性渣也是如此。在熔化性温度附近,稍有温降炉渣粘度即急剧增加,很快失去流动性。

从岩相看,普通高炉渣的主要物相是黄长石、辉石、假硅灰石等,其熔点全都低于1600℃。而当TiO2参加造渣后,物相组成全郁改观,主要由钙钛矿、巴依石、钛辉石、尖晶石、TiC、TiN等组成,除认辉石熔点较低外,其余全都是高熔点矿物,而且结晶能力都很强。

温度，℃

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图2 含钛炉渣粘度-温度曲线

钛渣熔化性温度高,结晶性能强,必然给高炉冶炼带来很多困难。如遇原料成分波动,碱度偏高或是某种原因导致炉缸温度降低,很容易引起流动性变差,出现高温结晶相,使炉缸工作失调。

另外,在出铁过程中,不可避免地要有温降,熔点高、结晶性能强的钛渣,很容易粘附在沟壁上,造成严重的挂沟现象,使本来已显得十分繁重的炉前清理工作变得更加繁重。

MgO是炉渣可调成分之一,由于攀枝花矿MgO含量较高,所以变动余地不多。表4是含TiO223%的炉渣将MgO含量由9%提高到11%所侧得的熔化性温度。

表4 不同MgO含量的溶化性温度

可见MgO含量由9%提高到11%,熔化性温度稍有降低,但无实质性影响。

(三)含钛炉渣的高温还原变稠

TiO2在高炉条件下是个不稳定的化合物。它可逐渐被还原成低价钛并生成TIC,TIN第4第高炉冶炼帆钱磁铁扩的理论与实残等新相。随着TiO2的还原进程和新相的出现,炉渣的物理性质也发生变化,粘度由小变大,甚至达到不能流动的程度。含钛炉渣的还原变稠是影响钒钛矿冶炼最为重要的性质。

图3是实验室恒温条件下测得的粘度一温度曲线。实验在石墨柑祸中进行,1500℃恒温、坩埚下部放置渗碳铁,渣中MgO为9%,A12O314%,CaO/Si02=1.10。

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时间，min

图3 粘度-温度曲线

由图可以看出,随着恒温时间的延续。,粘度逐渐增大,含TiO2量愈高,增加的幅度愈大。可见TiO2的浓度是影响变稠的重要因素。

时间,min 图4 不同温度下得粘度-时间曲线

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TiO2=35% CaO/SiO2=0.75 。—1550℃ 。—1525℃ —1550℃

温度对含钛炉渣变稠的影响十分显著,图4为含TiO2一35%,碱度0.75的炉渣在1500℃,1525℃,1550℃下恒温测得的粘度一时间曲线[2]。1500℃时变稠至10P需300min,在1525℃和1550℃时变稠至同样粘度所需时间分别为160min和60min,可见温度对变稠速度的影响,由这些数据还可看出,温度愈高,提高温度对变稠的速度影响愈大。

含钛炉渣的变稠是由于渣中TiO2在高温条件下生成TiC、TiN等高熔点化合物,这些化合物以固体状态浮于液体渣中,使炉渣粘度增大。另外,对还原的粘渣中含有大量互相不能聚合的金属铁珠。这些金属铁珠外面都包裹有相当数量的TiC、TiN,它们呈环状、半环状或星散分布于铁珠周围。这些包围在铁珠表面的“固体壳”一方面增加了铁珠与熔渣间的摩擦力,减轻了铁珠的有效重量,影响铁珠的沉降,使渣中铁损增加,同时也是使炉渣粘度增加的原因之一。

炉渣变稠和渣铁不分是影响钒钛矿正常冶炼最重要的因素,这个问题不解决,钒钛矿冶炼就无法进行。这些困难的根源是TiO2被还原,而在高炉内渣焦、渣铁共存的条件下,TiO2的还原又是不可避免的,但如能控制TiO2的还原,使其降到不发生危害的程度,则钒钛矿冶炼就将能顺利解决。

二、高炉冶炼钒钛磁铁矿的实践

我国高炉成功地使用钒钛磁铁矿进行冶炼已有多年历史。在冶炼中除了遵循高炉生产的一般规律外,还必须针对钒钛矿的特点采取相应的措施。

(一)良好的原料条件

钒钛矿冶炼与普通矿冶炼一样,要求原料具有良好的冶金性能,如冷、热强度要好,粉末要少等,除此之外,良好的还原性对钒钛矿冶炼更具有特殊意义。因为含钛矿渣熔点高,要求炉缸有充沛的热量,良好的还原性可避免大量FeO进入炉缸发展直接还原而使炉缸热量不足,析出高温结晶相而影响炉缸正常工作。

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时间，min

图5 还原率—时间曲线 .—钒钛烧结矿 。—鞍钢烧结矿

钒钛磁铁精矿经过烧结可以得到FeO含量低(<10%)还原性能良好的烧结矿。图5是钒钛烧结矿、鞍钢普通烧结矿的还原曲线〔2〕,实验温度为850℃,还原剂为CO。由图可见,钒钛烧结矿的还原性优于普通烧结矿,这为钒钛矿冶炼创造了良好的物质条件。

另外,由于含钛炉渣的脱硫能力差,为保证生铁合格,要尽量减少硫负荷。在烧结过程中可脱除90%左右的硫,烧结矿含硫为0.02一0.03%。

高炉内的硫90%来自焦炭,使用低硫焦,降低焦炭中的含硫量极为重要。钒钛矿冶炼所用焦炭含硫0.5一0.6%,为全国一流水平,硫负荷为4Kg/吨铁左右,这抚保证了在高炉内可以得到合格生铁。

（二）严格控制生铁硅、钛含量

在钒钛矿冶炼〔Si〕、〔Ti〕含量不但是炉温的表征，而且是TiO2被还原的判据。炉温是影响炉渣变稠速率最重要的因素，即便在含（TiO2）量很低的情况下，提高炉温，如Si=0.8_1.0%，就会引起炉缸失调，冶炼不能正常进行。在高钛渣冶炼时更为明显。因此在钒钛矿冶炼中，在保证生铁含硫合格的条件下,应尽量压低〔Si〕、〔Ti〕含量。适宜的〔Si〕、〔Ti〕含量应视渣中TiO2高低而有所差别。渣中TiO2含量为25%时,适宜的〔Si〕、〔Ti〕含量为0.15%左右,但这不意

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味渣铁温度很低,此时下渣温度为1450℃左右,铁温为1400℃左右,相当于普通高炉水平。由于〔Si〕、〔Ti〕含量与炉渣性质密切有关,〔Si〕、〔Ti〕的波动不仅影响高炉顺行及生铁质量,而且引起炉渣变稠,渣铁不分以致完全放不出渣铁的产重后果。所以严格稳定〔Si〕、〔Ti〕在钒钛矿冶炼中具有特殊意义,为此必需产格稳定原料成分,及时调节，精心操作。

（三）选择适宜的炉渣碱度

钒钛矿冶炼中,碱度可引起炉渣性质的双重变化,提高碱度能改善生铁脱硫,但要引起熔化性温度的升高。适宜的炉渣碱度要兼顾两者,过低难于得到合格生铁,过高将出现风口挂渣,炉缸堆积,风量萎缩等困难。

碱度的选择主要服从于脱硫的需要,并且以生铁合格为限,继续提高碱度虽能稍许改善生铁质量,但要招致炉渣熔点升高,在炉内引起炉渣性质不稳,在炉外则加重炉前清理工作,因此在钒钛矿冶炼中不易得到优质低硫生铁。

适宜的炉渣碱度与硫负荷,高炉容积及操作水平有关,在我国攀钢条件下,一般控制在1.1左右。

现在,在铁水炉外脱硫技术日趋完善的情况下,为改善炉渣的熔化性,亦可考虑适当降低碱度,将部分脱硫任务移到炉外进行。

(四)操作特点

高炉取样研究表明,风口平面以上到炉腹带高温区是TiO2还原和TiC、TiN生成最激烈的区域。炉渣经过风口氧化带被强烈氧化,TiC、TiN含量下降。因此,在操作中要维持较高的冶炼强度,避免小风操作,以保证风口区的氧化作用。为缩短炉渣在炉缸的停留时间,减少还原时间,宜勤放上渣,尽量增加出铁次数。

参考文献

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