吴恩辉1,2，李军1,2，徐众1,2，侯静1,2，黄平1,2(1. 攀枝花学院钒钛学院， 四川 攀枝花 617000；2. 钒钛资源综合利用四川省重点实验室， 四川 攀枝花 617000)
高铬型钒钛铁精矿煤基直接还原-电炉熔分新工艺是实现铁、钒、钛和铬元素综合利用最有前景的非高炉冶炼工艺之一，而金属化球团的物化性能与后续电炉熔分工艺能否顺行密切相关。采用煤基直接还原工艺，研究了还原温度、还原时间、煤矿质量比和二元碱度对高铬型钒钛铁精矿金属化球团的物相组成、金属化率、残碳量、电阻率和抗压强度等物化性能的影响规律。试验结果表明，提高还原温度和延长还原时间均有利于磁铁矿和钛铁矿分别被还原为金属铁和黑钛石，而较高的煤矿质量比和二元碱度对还原过程不利；金属化球团电阻率的大小依赖于金属化球团的物相组成、不同物相组成的含量及各个物相之间的结合形式；金属化球团的金属化率与电阻率呈现较为明显的负相关，但是随着金属化率的提高，负相关的程度有所降低；在金属化率大于90%时，电阻率均小于0.5 Ω/cm；金属铁的生成量和金属铁晶粒之间的连接作用是影响金属化球团抗压强度的关键因素，提高还原温度和延长还原时间有助于金属化球团抗压强度的提高，而随着煤矿质量比和二元碱度的提高，金属化球团的抗压强度降低。在还原温度为1 300 ℃、还原时间为35 min、煤矿质量比为25∶100、二元碱度为0.13的条件下，金属化球团的金属化率、残碳量、电阻率和抗压强度分别为92.58%、5.39%、0.3 Ω/cm和81.74 N/球。
钛磁铁矿； 煤基直接还原； 金属化球团； 电阻率； 抗压强度钒钛磁铁矿是一种多金属复合铁矿，中国、南非、俄罗斯和新西兰等国家储量丰富，是铁、钒和钛的重要来源矿物。分布在中国攀西地区的红格钒钛磁铁矿的储量约为36亿t，除了铁、钒和钛3种元素含量较高外，铬元素含量也较为丰富，铬资源储量约为900万t，是中国最大的潜在铬资源来源矿物。因此，研究高铬型钒钛磁铁矿中铁、钒、钛和铬的综合利用技术具有重要意义。攀西地区钒钛磁铁矿经过采选可得钒钛铁精矿和钛精矿两种主要选矿产品，钛精矿作为生产钛白粉的原料，而钒钛铁精矿则作为高炉炼铁和提钒原料；高铬型钒钛磁铁矿的采选工艺与普通钒钛磁铁矿类似，铬元素在采选过程中与钒一起进入钒钛铁精矿中。目前，钒钛铁精矿主要通过高炉冶炼工艺进行处理，存在的最主要的问题是其所产生的高钛型高炉渣难以经济地提取其中的钛资源，造成攀西地区钛资源的综合利用率一直处于较低水平。为了实现钒钛铁精矿中铁、钒和钛的综合利用，直接还原-电炉熔分新工艺受到国内外的极大关注。对于铬含量不高的钒钛铁精矿直接还原工艺，文献通过综合热分析、热力学计算和物相分析，系统研究了在等温和非等温条件下钒钛铁精矿的煤基直接还原的反应历程，揭示了其难还原的原因；SHE X F等在CO-Ar气氛中分析了钒钛铁精矿的还原机理，研究发现攀枝花钛磁铁矿比新西兰钛磁铁矿砂矿更难还原。为了降低直接还原难度，主要采取预氧化、添加添加剂两种主要强化还原措施，例如，文献研究了Na2CO3和CaF2对钒钛铁精矿还原性能的影响；ZHANG Jian-liang等研究发现，添加CaF2和NaF的含碳球团与不加添加剂相比活化能分别降低14.95 kJ/mol和15.79 kJ/mol；Park E等研究了钒钛磁铁精矿在等温预氧化条件下的物相组成及其转变情况，研究认为在预氧化过程破坏了钒钛磁铁精矿的结构，球团内部形成了大量孔隙，改善了还原反应的动力学条件。对于高铬型钒钛铁精矿直接还原工艺，LI Wei和TANG Jue等分别在H2-CO和H2-CO-CO2的气氛下研究了高铬型钒钛铁精矿的还原行为。LI Wei等以模拟竖炉气体为还原剂，研究了二氧化钛含量与球团还原膨胀程度的相互关系，认为氧化球团孔隙率的提高会加剧其在氢气还原过程的膨胀程度。TANG Wei-dong等的研究结果表明，随着Cr2O3和B2O3添加量的增加，高铬型钒钛铁精矿氧化球团在焦炉煤气的还原过程中的膨胀程度均降低；LI Feng等在H2-CO-CO2的气氛下探讨了高铬型钒钛铁精矿的还原膨胀行为。此外，FENG Cong和TANG Jue等以气基直接还原所得的高铬型钒钛铁精矿金属化球团为原料，研究了冶炼工艺参数对金属化球团渣铁分离的影响。ZHOU Mi等分析了高铬型钒钛铁精矿煤基直接还原过程的热力学，并进行了试验验证；YANG Song-tao等研究了水冷处理对高铬型钒钛铁精矿煤基直接还原效果的影响，与随炉缓冷相比，水冷处理有利于金属化率、脱硫率和脱磷率的提升，并且降低了金属化球团中金属铁的粒径；姜涛等研究了还原工艺参数对高铬型钒钛铁精矿煤基直接还原效果的影响；ZHAO Long-sheng等研究了碳铁物质的量之比和还原温度对高铬型钒钛磁铁精矿的煤基直接还原过程中钒和铬的还原行为及后续磁选效果的影响。由此可见，对于高铬型钒钛铁精矿直接还原工艺，研究人员主要从还原工艺参数对球团金属化率和还原膨胀行为的影响角度进行研究和分析，而对影响后续电炉冶炼的金属化球团的物化性能研究报道较少。由于金属化球团的物相组成、金属化率和残碳量会影响后续电炉熔分工序的物理化学过程，进而影响渣铁分离和元素在渣铁间的分配比，而金属化球团的抗压强度和电阻率分别与物料运输过程粉化程度和电炉冶炼过程的供电制度密切相关，因此，本研究较为系统地探讨了还原温度、还原时间、煤矿质量比和碱度对金属化球团的金属化率、物相组成、残碳量、电阻率和抗压强度等物化性能的影响规律，为高铬型钒钛铁精矿煤基直接还原-电炉熔分新工艺提供技术参考。
(1)还原温度和还原时间对高铬型钒钛铁精矿金属化球团物相组成影响较大，煤矿质量比和二元碱度的影响相对较小；较高的还原温度和较长的还原时间有利于原料中磁铁矿和钛铁矿的还原，金属化球团物相主要由金属铁、含镁黑钛石和少量未被还原的磁铁矿组成。(2)提高还原温度和延长还原时间均有利于高铬型钒钛铁精矿的还原，而较高的煤矿质量比和二元碱度对还原过程有一定的不利作用；在还原温度为1 300 ℃、还原时间为35 min、煤矿质量比为25∶100、二元碱度为0.13的条件下，金属化球团的金属化率为92.58%，残碳量为5.39%。(3)还原温度和还原时间对高铬型钒钛铁精矿金属化球团的电阻率的影响显著，而煤矿质量比和二元碱度的影响相对较弱；金属化球团的金属化率和电阻率呈现明显的负相关，金属化率越高，电阻率越低。(4)提高还原温度和延长还原时间有助于高铬型钒钛铁精矿金属化球团抗压强度的提高，而随着煤矿质量比和二元碱度的提高，金属化球团的抗压强度降低；金属铁的生成量和金属铁晶粒之间的连接作用是影响金属化球团抗压强度的关键因素。
