攀枝花钒钛磁铁矿煤基直接还原主要工艺简介
Brief Introduction on the Coal-based DR Process of Panzhihua Vanadic Titanomagnetite
杨绍利1，吴恩辉1，马兰2，侯静1，黄平1，李俊翰1
1-攀枝花学院四川省钒钛材料工程技术研究中心，2-攀枝花学院材料工程学院
摘要：介绍了攀枝花钒钛磁铁矿转底炉、车底炉和隧道窑等几种煤基直接还原新工艺的特点、研发和应用现状，并展望了攀西地区钒钛磁铁矿煤基直接还原新工艺的发展方向。
关键词：钒钛磁铁矿，煤基直接还原，转底炉，车底炉，隧道窑
1、攀枝花钒钛磁铁矿的资源特点及利用现状.
我国是钒钛资源大国，钒钛资源主要分布在钒钛磁铁矿中。钒钛磁铁矿又集中分布在四川攀西与河北承德地区。四川攀西地区钒钛磁铁矿资源储量居全国第一位，其中钒、钛资源储量分别占世界总储量的21%和37%；河北省承德地区储量居全国第二。
攀西地区地处“攀-西大裂谷”，钒钛磁铁矿驰名中外：钒钛磁铁矿的成矿带共有四大矿床，它是以红格矿为中心，南有攀枝花矿，北有白马矿和太和矿，形成了一个特大成矿带，该成矿带南北长约
攀枝花钒钛磁铁矿中铁钛紧密共生，其中钒以类质同象赋存在钛磁铁矿矿中，是世界上最复杂的钒钛磁铁矿，其主要化学成分见表1。
表1 原矿的化学成分
经过广大科技工作者几十年的技术攻关和艰辛努力，解决了攀枝花钒钛磁铁矿选矿、高炉冶炼等多项技术难题，逐渐形成了以高炉-转炉流程为主的综合回收其中铁、钒和钛的技术路线，实现了铁、钒和钛元素的大规模化利用，形成了铁钒钛系列产品的大规模工业生产能力。以攀钢为代表的国有大型企业成功开发出的利用钒钛磁铁矿高炉—转炉流程，主要生产钢铁产品和钒产品，生产出了大量钢材和钒产品，为国防建设和国民经济发展做出了重要贡献。从上世纪七十年代初攀钢高炉投产到现在，高钛型高炉渣每年产生量300多万吨，目前已经堆积了上亿吨。既造成了钛资源的严重浪费，又形成了巨大的环境压力，严重影响长江中上游地区的生态环境。
高炉-转炉流程处理钒钛磁铁矿的主要优点是生产效率较高、规模大；最大的缺点一是“为取铁钒而丢掉了钛”，附产大量高钛型高炉渣（含TiO2为22%～25%），造成钛资源的大量流失，同时对环境造成污染和大的环保压力；二是工艺流程较长、生产成本较高，同时，还必需宝贵的焦炭作原料，限制了高炉流程的可持续发展。虽经多年研究和攻关，但对这种高钛型高炉渣仍没有找到较好的提钛利用途径，其中宝贵的钛资源未得到回收利用。
为了促进攀-西地区经济进一步发展，充分发挥攀枝花的钒钛资源优势，但随着钒钛磁铁矿综合利用的不断深入、技术进步以及环保要求的日益提高，需要不断提高其综合利用程度，迫切需要开发处理钒钛磁铁矿新的工艺流程。本文既对攀枝花地区几种处理钒钛磁铁矿非高炉新工艺及其研发情况作简单介绍。
2、攀西地区钒钛磁铁矿煤基直接还原主要工艺
2.1 转底炉煤基直接还原-电炉熔分工艺
“转底炉短流程”炼铁新技术是目前国家提倡的第三代炼铁新技术，特别适合于处理钒钛磁铁矿回收钛钒铁资源，其中转底炉炼铁新流程就是其中的典型代表，工艺流程见图1。
该新流程具有如下优点：
（1）可全部回收铁精矿中钛资源。经转底炉还原后的金属化球团经过电弧炉熔化分离后，可得到含量为50%以上的熔分钛渣（高于钛精矿的二氧化钛品位）和含钒生铁，实现铁钒与钛的分离。熔分钛渣可用于硫酸法钛白生产原料，实现了铁精矿中钛资源回收利用的目的。这是转底炉新流程的最大优点。
（2）以煤代焦，可以省去高炉流程的炼焦与烧结工序，不但缩短工艺流程，而且减少环境污染。
（3）由于还原温度高、还原时间短（入炉到出炉20～30分钟），还原的金属化率高，生产效率高，可以很容易地开炉、停炉和调整产量。而高炉冶炼周期为（5～8）小时，回转窑等其他直接还原工艺为（5～6）小时。所以建设投资省，是高炉流程的50%，回转窑流程的30%～50%，较经济的规模为（20～50）万吨/年•炉。
图1 钒钛磁铁矿转底炉炼铁新流程
（4）转底炉还原过程中由于炉底转动而炉料不动，可解决回转窑或竖炉还原时炉料粘接、结圈等问题。还原后可以将铁钒与钛分离，有益元素得到充分回收利用。主要是由于这个问题未解决，上世纪方毅同志在世时领导的钒钛磁铁矿综合利用新工艺流程未能实现工业化。
（5）还原尾气可集中回收，经处理后再利用，对环境影响小。至少比高炉少排放20%的CO2、97%的NOx和90%的SO2。
自2004年以来，攀枝花学院与四川龙蟒矿冶公司的科研人员就开始进行该工艺的实验室及中试试验研究工作，双方成立了“钒钛矿综合利用联合实验室”（设在攀枝花学院），组建了课题组，建成了“铁矿粉压力成型-转底炉-电弧炉熔分中间试验装置”，进行了大量试验研究，获得了大量有效数据。经过4年多大量艰苦努力，获得了重大技术突破，获得了高水平研究成果，为产业化提供打下了坚实基础。先后申报并获得了多项国家发明专利和实用新型专利，实验室研究成果、中间实验研究成果及工业试验研究成果，分别通过了攀枝花市科技局、四川省科技厅组织的专家组鉴定，其技术成果分别处于国际先进水平和国际领先水平。并分别获得了攀枝花市级钒钛资源开发技术创新项目奖之实验成果奖一等奖、中间试验成果奖一等奖。
自2006年起，该研究成果即由四川龙蟒集团攀枝花矿冶公司在攀枝花进行产业化建设，至2007年年底，在攀枝花钒钛产业园区（安宁工业区）建成了规模为7万t／a的工业示范装置(一期工程 )，现正在进行二期工程建设，规模为200万t/a，届时将获得显著的经济效益和社会效益。
研究结果表明：
（1）钒钛铁精矿内配碳球团煤基直接还原制备金属化球团DRI的金属化率在（15～20）分钟内达90%以上；
（2）DRI直接热装进入电炉进行熔化分离，通过控制电弧炉冶炼工艺，所得含钒生铁、熔分钛渣实现良好分离，得到的熔分钛渣和生铁全部被下一道工序利用。
（3）控制钒的走向，钒进铁率可达80%以上，可获得含TiO2在50%左右的熔分钛渣（简称“50钛渣”），该钛渣可作为硫酸法钛白原料。
2005年初，攀钢正式启动了钒钛磁铁矿非高炉冶炼技术研究项目，组成了以攀钢研究院为主体的课题组，一直为攀钢重点科研项目，并成功申报为国家“十一五”科技支撑项目。从2008年至今，攀钢也建成了10万吨/年的转底炉-熔分电炉处理钒钛矿资源综合利用新工艺中试生产线。2010年初，所有设备安装完毕。
为实现全流程试车目标，攀钢研究院、攀钢钒公司、攀冶公司、监理及相关专业设备厂家密切合作，进行了有效整改，并为下一步设备、工艺及操作的改进和优化创造了条件。
2.2 车底炉还原工艺
车底炉还原工艺是最近几年发展起来的一种生产直接还原铁的新工艺，特别适合处理多金属共生矿、低品位铁矿、金属废渣等原料，对矿石具有良好的适应性，投资低，效益好。
车底炉的主体结构类似隧道窑，但是其没有罐车，内配碳球团直接布料在小车上，所以也可称为“不装罐的隧道窑”，其主要特点是还原时间短、球团金属化率高、生产连续、开停炉方便、处理和维修窑车方便、投资较少。其主要缺点和不足是生产规模相对高炉流程小。车底炉新工艺工艺流程如图2所示。
该工艺流程具有如下优点：
①可全部回收铁精矿中钛资源。经车底炉还原后的金属化球团经过电弧炉熔化(或磁选)分离后，可得到含量为50%以上的熔分钛渣（高于钛精矿的二氧化钛品位）和含钒生铁（微合金化铁粉），实现铁钒与钛的分离。熔分钛渣可用于硫酸法钛白生产原料，实现了铁精矿中钛资源回收利用的目的。这是本工艺流程的最大优点。
图2 车底炉新工艺流程
②以煤代焦，可以省去高炉流程的炼焦与烧结工序，不但缩短工艺流程，而且减少环境污染。
③由于还原温度高、还原时间短（入炉到出炉20～30分钟），还原的金属化率高，生产效率高，可以很容易地开炉、停炉和调整产量。而高炉冶炼周期为（5～8）小时，回转窑等其他直接还原工艺为（5～6）小时。所以建设投资省，是高炉流程的50%，回转窑流程的30%～50%，较经济的规模为（10～15）万吨/年•窑。
④车底炉还原过程中由于炉车移动而炉料不动，可解决回转窑或竖炉还原时炉料粘接、结圈等问题。还原后可以将铁钒与钛分离，有益元素得到充分回收利用。
⑤还原尾气可集中回收，经处理后再利用，对环境影响小。至少比高炉少排放20%的CO2、97%的NOx和90%的SO2。
⑥车底炉还原工艺还可以处理其它多种氧化矿物，如提钒尾渣、低品位红土镍矿、硫酸渣、稀土矿等，应用前景广阔。
根据攀枝花市发展需要，到2013年缅甸天然气将进入攀枝花，如何在钒钛磁铁矿综合利用中利用好天然气这一清洁能源，是一个非常有意义的课题。因此研究车底炉应用天然气还原钒钛磁铁矿新工艺，不但可以提高钒钛磁铁矿中铁钒钛的回收率，而且利用天然气这一清洁能源，可以工业发展对环境的压力，实现钒钛磁铁矿冶炼过程绿色清洁。
自2008年以来，攀枝花学院/四川省钒钛材料工程技术研究中心对车底炉还原新工艺进行了中试试验研究，获得了较好的研究效果。中试实验研究主要以天然气、钒钛铁精矿、煤粉、粘结剂作为原料。球团的制备工艺流程包括配料、混匀、压球等工序。混料在双螺旋混料机上进行，将配好的料混合～5分钟。混合充分的混合料在压力成型机（可制压力）上压制成球(生球)；生球在空气中自然干燥或直接进入车底炉进行还原。炉内温度控制在1200～1400℃，还原时间控制在30～40分钟，炉内气氛控制在弱还原气氛。主要研究结果如下：
(1)在
(2)还原后的高温金属化球团冷装入试验电弧炉，进行二次熔炼分离，含钒生铁与熔分钛渣分离良好，得到熔分钛渣和含钒铬生铁样品，实现了铁钒钛的分离。
2.3 隧道窑煤基直接还原钒钛磁铁矿实验研究及应用情况
隧道窑直接还原工艺因其投资少、工艺流程简单、易于上马等特点、受到一些小型民营企业的青睐。
攀枝花攀阳钒钛工贸有限公司通过四年产业化中试，于2009年建成了一条年产能2万t的遂道窑煤基直接还原处理钒钛磁铁矿工业生产线，实现了产业化生产。该工艺流程采用钒钛铁精矿粉与还原剂混合压块、装罐，罐放在窑车上直接进入隧道窑进行还原，制备成金属化物料，金属化物料再进行电炉熔分，实现钒、钛分离，产品为生铁和钛渣。
攀枝花尚亿科技有限责任公司采用隧道窑煤基直接还原工艺，处理钛精矿，生产规模为7万吨富钛料和2万吨微合金铁粉。已建成工业生产线。经过近一年半的建设和努力，第一批还原物料于
隧道窑煤基直接还原工艺是利用攀枝花丰富的钒钛资源优势、制取富钛料和含钒生铁（微合金铁粉）的又一种新工艺。该项目新工艺的产业化，开创了国内利用隧道窑直接还原钛精矿制取富钛料和含钒生铁（微合金铁粉）的先河，是攀枝花钒钛磁铁矿综合利用的又一较好选择。
3. 其它煤基直接还原新工艺
（1）攀枝花攀阳钒钛工贸有限公司在尝试采用多管式竖炉煤基直接还原处理钒钛磁铁矿的工业试验研究。
（2）攀枝花立宇矿业公司在尝试进行环形隧道窑煤基直接还原处理钒钛磁铁矿的工业试验研究。
（3）2007～2008年，攀枝花西区民福粉末冶金厂曾研究过导焰窑钒钛磁铁矿煤基直接还原工艺，因生产效率太低及环境污染等问题，已于2009年停产。
（4）2007～2009年，上市企业攀枝花恒鼎实业公司曾研究过钒钛磁铁矿竖炉（斜坡炉）煤基直接还原-电炉熔分新工艺，采用竖炉（斜坡炉）技术进行了3年左右规模为5万t/a的工业化试验，但因某关键技术问题无法解决、产业化问题及原料问题等原因，已于2010年终止。
4. 结语与展望
4.1高炉流程处理攀枝花钒钛磁铁矿，已有四十多年历史，其工艺技术较成熟，生产效率高、规模大，是今后相当长时期内处理钒钛磁铁矿主流程的地位不会改变。但它存在一些工艺自身无法克服的缺陷，如必须使用焦炭作为还原剂、流程长、投资大以及附产的高钛型高炉渣带走大量钛资源很难回收等。所以，发展非高炉处理钒钛磁铁矿新工艺特别是近几年来大力发展的煤基直接还原新工艺，是对高炉流程的重要补充和完善，是实现钒钛磁铁矿矿综合利用所必需的。
4.2钒钛磁铁矿转底炉煤基直接还原-电炉熔化分离新工艺在攀枝花取得了成功，已经取得了可喜的研究成果，并正在进行大规模的产业化建设。但并非是唯一的处理钒钛磁铁矿非高炉流程。钒钛磁铁矿车底炉煤基直接还原-电炉熔炼新工艺以及隧道窑煤基直接还原-电炉熔炼新工艺，也应该是非高炉处理钒钛磁铁矿的可供选择的新工艺流程。
4.3 无论是转底炉流程、车底炉流程，还是隧道窑煤基直接还原新流程，都有各自优点和缺点，无论从资源战略、环保要求，还是经济效益考虑，都是大有可为的，应用前景广阔，对提高钒钛磁铁矿综合利用水平具有重要意义。
相信在不远的将来，非高炉流程处理钒钛磁铁矿的多种新工艺将竞相争艳，形成多足鼎立的格局，并都将取得更大的成功和突破，钒钛磁铁矿综合利用的局面将发生深刻的变化。
