钒钛磁铁矿微波碳还原研究

重庆大学生硕士学位论文重庆大学生硕士学位论文重庆大学生硕士学位论文重庆大学生硕士学位论文摘要为了探索机钛磁铁矿资源综合利用的新方法，本文在综述微波冶金的研究进展和钥钛磁铁矿资源利用的基础上，以攀钢钥钛磁铁矿为研究对象，采用微波碳热还原的方法，结合微波加热的基本理论和热力学计算，研究了微波场中机钛磁铁矿的碳还原特性，得出以下主要结论：微波场中，温度影响还原反应进行的程度和还原产物。在还原温度为130CTC时，还原产物的主要物相是：金属铁、未还原的磁铁矿、钛铁矿和FgTiOs；在还原温度为1400C时，还原产物的主要物相是：孔洞状的金属铁块、未还原的磁铁矿和FeTiO^MgTiOj.Fe.TiO,和TiCh、镁铝尖晶石(MgAIQQ：在还原温度为1500C时，还原产物出现渣铁分离，金属部分为铁机合金，渣相部分主要物相是FeTiCh、MgTiCh、Fe2TiO5,Ti3O5,镁铝尖晶石(MgAl2O4),FeO。配加一定量CaO的钮钛磁铁矿在微波碳还原过程中，因CaO与钛铁矿和钛铁晶石发生反应，可以促进这两种物质的分解，降低了钛铁矿和钛铁晶石中铁氧化物的还原难度；同时CaO与机钛磁铁矿中的酸性氧化物发生反应，生成低熔点物质，有利于渣铁分离。但是过多的CaO反而会减弱机钛磁铁矿的吸波性，渣铁分离的效果变差。实验结果表明：碱度为1.2,1.4、1.6的样品均比碱度为1.0的样品，还原效果好。机钛磁铁矿中配加过量的碳，不仅为还原反应提供还原性气氛，而且过量的碳会覆盖在还原产物表面，使反应物与外部隔绝，起到保温作用。实验结果表明：配碳量为26%及以上时，还原后有剩余的含碳物质存在，机钛磁铁矿的还原效果好。当微波功率基本保持不变时，机饮磁铁矿的温度与时间成2次函数关系上升,升温速率则随时间延长而下降•在机钛磁铁矿微波碳还原过程中，随着还原反应的进行产生的气体不断增多以及气体在温度的作用下发生膨胀，导致微波炉炉膛压力随时间成上升关系。本实验条件下，机钛磁铁矿微波碳还原的最优条件是：1500°C,配碳量29.9%,自然碱度,0.6atm.关键词：微波，机钛磁铁矿，碳还原ABSTRACTTheresourceofvanadiumtitano-magnetiteisabundantinChina.Thepresentprocessofvanadiumtitano-magnetitecannotmakefulluseofitandleadtowasteoftitaniumresource.Inordertoobtainanewwaytomakefulluseofvanadiumtitano-magnetite,themixtureofvanadiumtitano-magnetiteandcoalpowderwasheatedbymicrowavetoacquirethereductioncharacteristic.Theconclusionsofthisworkareasfellows:Temperaturehasimportantinfluenceonthereductiondegreeofvanadiumtitano-magnetiteandthecompositionofthereductionproduct.Whenthereductiontemperatureis1300°C,thereductionproductcontainsFe,FeQuFeTiO^andFe^TiOsWhenthereductiontemperatureis1400°C,thereductionproductcontainsFe,住0卜FeTiOs.MgTiO,F^TiOs,Tit),MgALCUWhenthereductiontemperatureis1500°C,theslagandthemetalseparate.ThemetalisFc-Valloy.TheslagcontainsFcTiOs,MgTiO%Fe2TiO5,Ti3O5,MgAI2O4)FcO.TheadditionofCaOtothevanadiumtitano-magnetitecanmakethereductionofFeTiChand2FeO・TiCheasilyandtheseparationofstagandiron.TheseparationoftheslagandmetalbecomesweakenbecausethemicrowaveabsorbancyofthemixturedropsoffiftheadditionofCaOisexcessive.Theresultsindicatethatthereductionisbetterwhenthebasicityis1,2,1.4,1.6.Whentheadditionofcarbontovanadiumitano-magnetiteisexcessive,theexcessivecarbonwilleffectthereductionatmosphereandthereissurplusofcarbonafterthecompletionofreduction,thesurpluscarboncoveringthereductionproductioncaninsulatestheproductionandkeepthetemperature.Theexperimentalresultsindicatethatthereissurplusofcarbonandthereductionisbetterwhentheadditionofcarbonisabove26%.Whenthemicrowavepowerisunchanged,thetemperatureandtimeisafunctionof2.Theheatingratedecreaseswithtime.Themicrowaveovenpressureincreaseswithtimebecasethegasproductionincreasesandthevolumeinflates.Undertheexperimentalcondition,whenthereductiontemperatureis1500°C,thecarboncontentis29.9%,thebasicityisnatural,theinitialpressureis0.6atm,thereductionisthebest.Keywords:Microwave,vanadiumtitano-magnetite,carbonreductionI绪论I绪论I绪论I绪论1绪论1.1非高炉炼铁概述20世纪，高炉炼铁飞速发展，但是随着高炉的发展，其面临的问题也日趋严峻。首先，高炉炼铁需要块状和-定粒级的炉料，但高品位铁矿逐渐减少，只有通过选精矿、烧结造块的方法提供原料；其次，高炉消耗焦煤，但焦煤资源储量有限且日趋贫乏，造成焦煤价格逐渐升高，这两方面的原因均造成了炼铁成本的增加。除此之外，在烧结矿、球团矿，炼焦以及高炉生产过程中产生的“二废”严重污染大气、土地和水源。钢铁行业需要进曰大量的高品位铁矿石以满足生产的需要，炼铁成本高，行业利润大幅度卜-降，生存环境恶化，同时钢铁行业所产生的温室气体CO,最占温室气体CO2总量已超过10%,也是气体硫化物(SO2、SO3等)、氮氧化物(NOx)等有害气体和粉尘、悬浮微尘主要来源之一。以传统BF-BOF钢铁生产流程为主的钢铁工业生产对环境的污染及不艮影响在国民经济各行业中仅次于动力工业，是我国控制环境污染，减少温室气体CO2排放量的主要行业之因此，冶金工业被列为重污染行业。随着环境保护要求的口益提高，钢铁工业的环境压力越来越大,它的发展需要新的工艺方法。例如：首钢被迫花费巨资迁出北京，宝钢在上钢三厂搬迁中采用COREX熔融还原工艺，都是为了减少环境污染。降低炼铁成本，降低生产能耗，减少炼铁过程中的环境污染，实现资源的综合利用，是钢铁工业走持续发展道路的重要方向，为此，需要寻求新的、更经济、更环保的炼铁工艺。北高炉炼铁是高炉炼铁法之外，采用非焦煤为能源，不用焦炭炼铁的各种工艺方法的总称。它有助于钢铁工业摆脱焦煤资源的羁绊，是钢铁工业发展的重要动力。目前，非高炉炼铁根据工艺特征、产品类型及用途，可分为直接还原法和熔融还原法两大类⑴。直接还原法限于以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，是在铁矿石(或含铁团块)呈固态的软化温度以下进行还原获得金属铁的方法。由于还原温度低，产品呈多孔低密度海绵状结构，含碳低，未排除脉石杂质的金属铁产品，叫直接金属铁(DR1),或称海绵铁。直接还原的分类一般以主体能源作为一级标准，将流程划分为煤基直接还原、气基直接还原和电热直接还原三大类。煤基直接还原以煤为主要能源，主要是使用回转窑为主体设备的流程。气基直接还原以天然气为主体能源，包括竖炉、反应罐和流化床流程。电热直接还原以电力为主要能源，是使用电热竖炉或使用电重庆大学生硕士学位论文重庆大学生硕士学位论文#[33J丁伟安.微波辐射作用下硫化铜精矿FeC13浸出[J],湿法冶金,1996(1):53.[34]PengJinhui,LiuChunpeng.KineticsofleachingsphaleriteWithpyrolusitesimultaneouslybymicrowaveirradiation[J].Trans.NonferrousMet.Soc.China,1997,7(3):152.[351郑英，牛玉清，牛学军，等.粘土矿物在微波辐射卜的酸溶性实驶[J].铀矿冶,2001,20(3):209-211.[36JChenYan.Yoshikawa,Noboru.Taniguchi,Shoji.MicrowaveHeatingBehaviorofBlastFurnaceSlagBearingHighTitanium]J].IS1JInternational,2005,Vol.45,No.9,pp.1232-1237[37JLiangyingWen,ChenguangBai,GuibaoQiuetal.Numericalsimulationofthetemperaturefieldoftitania-bearingBFslagheatedinamicrowaveoven[J].JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing.2008,Volume15,Number4:379.KurokiTomonori,UchidaYusuke,TAK1ZAWAHirotsuguetal.Effectsof28GHz245GHzMicrowaveIrradiationontheCrystallizationofBlastFuniaceSlag[J].ISIJInternational,Vol.47,No.4:592-595.NishiokaKOki,MaedaTakayuki,ShimizuMasakata.DczincingBehaviorfromironandSteelmakingDustsbyMicrowaveHeatingfJ].1S1JInternational,2002.Vol.42,Supplement:19-22.YoshikawaNoboru,Ken-ichiMashiko,SasakiYouetal.MicrowaveCarbo-thermalReductionforRecyclingofCrfromCr-containingSteelMakingWastes(JJ.IS1JInteniationakVol.48,No.5:690695XiaDK,PicklesCA.MicrowaveCausticLeachingofElectricArcFurnaceDust[J],Miner.Eng.,2000,13(1):79-94.HattonBD.Microwavetreatmentofferrousslags[A].SteelmakingConfProc.1994,435-442.[43JHaqueK.E.MicrowaveEnergyforMineralTreatmentProcesses-ABriefReview[J],Int.J.Miner.Process.,1999,57(1):1-24.KuHS,SioresE、TaubeA,etal.ProductivityImprovementthroughtheUseofIndustrialMicrowaveTechnologies[J].Comput.Ind.Eng.,2002,42(2-4):281-290.杜鹤桂等著.高炉冶炼机钛磁铁矿原理[M],北京：科学出版社，1996:1〜16,朱俊士.中国机钛磁铁矿选矿[M].北京:冶金工业出版社，1996:3〜64.程希翱.机钛磁铁矿的工艺矿物学研究[几矿冶工程，1983,(4):27〜32.傅文章.攀西机钛磁铁矿资源特征及综合利用问题的基本分析[J].矿产综合利用,1996,(1):27〜34.肖六均.攀枝花机钛磁铁矿资源及矿物磁性特征[J].金属矿山,2001,(1):28〜30.汪子和.国外机钛工业与机钛磁铁矿的综合利用[J].机钛，1993,(4):1〜21.汪镜亮.国外机钛磁铁矿的开发利用[J].机钛，1993,(5):1〜11.朱俊士.钮钛磁铁矿选矿及综合利用[J].金属矿山,2000,(1):1〜5孟长春.攀枝花选矿厂工艺流程优化途径实践与研究[J],昆明理工大学学报，1991,24(3):131〜136.孟长春，汪云华.攀钢选钛厂生产现状及发展方向[J],攀钢技术，1998,21(6):1〜6.郭新春.国内外机钛磁铁矿冶炼工艺及技术分析[J].机钛，1989,⑴：50〜64.徐楚部，李祖树.高炉钛矿渣的综合利用(I)[J].帆钛，1993,(5):47〜50.李晨希，王宏，李润霞.含钛高炉渣综合利用研究的进展[J].沈阳工业大学学报,2004,26(5):495〜498.马俊伟，隋智通，陈炳辰.攀钢含钛高炉渣的综合利用[J].帆钛，1994,(7):27〜30.郭新春.对讥钛磁铁矿冶炼新流程试验工作的回顾与评价[J].机钛，1991,(6):1〜7.牟群英，李贤军.微波加热技术的应用与研究进展[J].物理学和高新技术,2004,33(6)：438-442.闫丽萍，黄卡玛，华伟.微波介质特性高温测量方法研究[J].四川大学学报(自然科学版),2003,VoL40,No.l.AraiM.BinnerJGP♦CrossTE.ComparisonoftechniquesforMeasurementHigh-Temperature