前言
目前，作为钢铁生产原料和钛原料的铁砂精矿利用率不高。铁砂中钛的存在对铁的提取有正负两方面的影响。通过向高炉内加入适量的由铁砂与烧结矿制成的球团，可以延长高炉内衬耐火材料的使用寿命。如果添加大量铁砂，那么炉渣黏度增大，氧化钛还原成钛金属，导致在铁水中生成Ti（C, N），从而造成高炉操作困难。但是，国内外均有以钛磁铁矿作高炉原料的成功运行案例。有研究报道，在炉渣中TiO2含量超高的情况下，通过调节高炉炉渣成分，可提高钛磁铁矿在高炉内的利用率。另一项技术是回转窑+电炉，该技术已分别在新西兰钢铁公司和南非EHSV公司成功应用于铁砂和钛磁铁精矿的加工和冶炼。
一种可用于处理铁砂精矿的替代技术是转底炉（RHF）。日本神户制钢公司开发出一种基于RHF的技术—ITmk3，能够在1350-1450℃温度范围内，从由铁矿细粉和细煤粉组成的复合球团中分离出铁粒和炉渣。试验采用ITmk3工艺，对SiO2/Al2O3比值大和比值小的赤铁矿和磁铁矿进行处理。Anameric和Kawatra等人已对由铁矿石形成铁粒的机理进行了广泛报道。此外，还报道了在实验室使用鲕状赤铁矿和硼铁矿制取铁粒的研究，该工艺与RHF工艺相似。
到目前为止，处理铁砂或钛磁铁精矿的RHF技术还没有实现工业化应用。Panishev等人报道了使用钛钒磁铁矿模拟ITmk3工艺的研究，温度范围为1350-1450℃，时间为9-12min。加入石英和石灰石作为熔剂，以调节炉渣碱度，降低熔点，并减小炉渣黏度。但是，报道缺乏有关铁回收情况的详细描述。
Hu等人报道了用煤还原钛磁铁精矿后，在1300℃以上440min条件下可形成铁粒。他们认为，基于他们的发现，可以开发一种类似于ITmk3的新炼铁工艺。Zhang等人研究了添加高达70%碳酸钠，使用无烟煤作为还原剂，在1200℃下持续120min，从钒钛磁铁矿中回收铁、钛和钒，还提出了湿法提取钛和钒的后续工艺路线。
当在一座冶炼炉内处理铁砂时，加入熔剂降可低炉渣的熔点和黏度。高炉内添加的熔剂稀释后，炉渣中二氧化钛的浓度降低到22%-23%左右。本文旨在研究在不添加任何熔剂的情况下，从铁砂精矿中回收铁，以提高炉渣中钛含量。为了降低能耗，温度应低于1400℃。为了回收块状铁，采用等温梯度模式。
1 铁粒的形成 为了研究初始保温时间对铁粒形成的影响，研究了三种温度模式。这些模式用A、B和C表示，如图3所示，其中的差异是在初始温度为1000℃时的保温时间。A模式在1000℃下的保温时间为20min，总还原时间为100min；B模式在1000℃下的保温时间为40min，总还原时间为120min；C模式处理时间最长，在1000℃下的保温时间为60min，总还原时间为140min。在最终等温1380℃下，所有模式的保温时间为20min。为了获得可靠的结果，制备了3个球团，并在每个温度点沿每个温度模式进行还原。还观察了在图3所示的每个温度模式的还原过程步骤中的球团，以研究还原过程中球团外观和化学成分的变化，特别是金属铁和总铁的含量。在1000℃、1127℃、1253℃、1380℃首次初始等温后及1380℃最终等温20min后，从炉中取出球团。由图3可见，在1000-1253℃温度范围内，球团之间的外观差别不大，但随着温度升高，球团直径有减小的趋势。当温度达到1380℃时，还原后的球团表面形成了铁粒。 利用等温梯度模式计算非复合球团与复合球团之间的差异，如图4所示。在非复合球团上，未形成铁粒，且在球团中心形成了一个孔洞（见图4（a））。在复合球团中，由于煤还原剂的存在，碳可能溶解于铁中形成碳化铁，其优点是降低铁的熔点。与固态铁相比，液态铁向表面移动的速度更快。在表面，一个液态铁粒子与其他粒子结合、聚集、再聚集，形成一个直径更大的铁粒（见图4（b））。Hu也观察到了类似的行为，他声称由于渗碳，还原铁可以在1300℃和1350℃时，通过驱动钛磁铁矿自还原团块从内部到外部的毛细力，在还原团块表面迁移形成一个铁粒。随着还原的持续进行，观察到有重量损失（见图5（a））。在等温1000℃保温时间内，由于复合球团中煤挥发份物质的脱除及还原过程中与铁结合的氧的脱除，导致重量损失急剧增加。 通过在四个不同的地方测量还原前后的球团直径来确定收缩率。测量还原后的球团直径不包括铁粒。用平均直径计算还原前后的体积。收缩率用下式计算： 收缩率（%）=（Vi-Vf）/Vi×100% 此处，Vi为球团的初始体积，Vf为球团的最终体积。 图5（b）示出了在初始等温阶段，观察到还原球团有轻微收缩。在1127-1380℃温度范围内，注意到有明显收缩，主要由于还原球团的软化和铁粒的形成。在1380℃保温20min，再次观察到有轻微收缩。 2 金属化率和铁收得率 采用湿法化学滴定法测定总铁和金属铁的含量（结果见图 6）。在1380℃下形成一个铁粒，然后将铁粒和炉渣分离、称重、分析，以确定总铁和金属铁的含量。在1380℃下总铁和金属铁是铁粒和炉渣中铁含量的总和。在图6（a）中，能够看到还原球团中总铁含量随还原过程的进行而增加。采用A模式，总铁含量由46.9%逐渐增加到72.4%，采用B和C温度模式，观察到处理结果与采用A模式相似。但是，采用B温度模式获得的总铁含量比采用A和C温度模式略高。采用A温度模式，还原球团（见图6（b））中金属铁含量由0增加到71.2%。总的来说，采用B模式获得的还原球团中金属铁含量比采用A和C模式略高。 根据还原球团中金属铁和总铁含量的数据，计算出球团的金属化率，如图7所示。在初始阶段结束时（在1000℃下等温），采用C模式获得的还原球团的金属化率比采用A和B模式的高（见图7）。这是由于采用C模式获得的球团的还原时间较长。但是，在1127℃和1253℃下温度梯度阶段，采用A、B和C模式获得的还原球团的金属化率略有不同。采用A、B和C模式在最终阶段的金属化率分别为98.33%、98.95%和99.20%。 如前所述，在各种温度模式的处理结束时，在球团表面观察到铁粒（见图3）。这些铁粒是人工从炉渣中分离出来的。对从3个试样中提取的炉渣和铁粒进行称重，分别获得炉渣和铁粒的重量。铁粒和炉渣的重量百分比如图8所示。发现炉渣的重量与铁粒的重量或多或少相似。因此，并不是所有的还原铁都是以铁粒的形式回收和收集，因为一些还原铁和几乎所有的未还原铁都存在于炉渣中。铁在铁粒和炉渣中的重量百分比如图8（b）所示。铁粒中铁的含量与铁的收得率相等，即采用B温度模式可获得较高的铁收得率。虽然在初始温度1000℃下，采用C温度模式保温时间较长，但铁收得率比采用B模式低，这可能是由于在球团表面形成了致密的金属铁，抑制了铁粒的形成所致。 3 铁钛分离 由于采用C温度模式的金属化率最高，因此选择C温度模式，采用XRD和SEM-EDS法，更详细地研究了还原球团中矿物转化、铁和钛含量。XRD分析结果如图9所示。初始铁砂精矿中矿物为钛磁铁矿和磁铁矿。 钛磁铁矿和磁铁矿的峰值几乎相同。钛磁铁矿中含有钛。依据XRD和XRF分析，预测铁砂精矿中磁铁矿和钛磁铁矿含量分别为32.80%和57.77%。在1127℃和1253℃下，磁铁矿和钛磁铁矿转化为钛铁矿、锐钛矿和板钛矿。在1380℃下的炉渣中，存在锐钛矿或板钛矿（TiO2）和峰值小的钛铁矿。大多数的铁是以金属铁的形式存在。这一发现证实了此前炉渣中铁的金属化率超过90%的结果。这种金属铁在由铁和少量碳化铁组成的铁粒中没有被回收。 在1000℃、1127℃和1253℃下，通过还原后的球团表面的SEM-EDS映射图可知。元素映射的重点是铁和钛。总的来说，钛含量随温度升高而增加。 在1380℃下炉渣和铁粒的映射图分别如图10和图11所示。直接在还原球团的表面进行炉渣的元素映射。使用环磨机把铁粒磨碎。由图10可见，炉渣中铁含量比钛含量低。铁在铁粒中富集如图11所示，而在铁粒中收集的钛较少。在还原过程中钛和铁含量的变化如图12所示，经人工去除铁粒后，钛含量由初始球团中4.8%增加到炉渣中24.4%。 图12中钛含量基于SEM-EDS分析，铁含量基于滴定技术。如前所述，炉渣中铁以金属铁形式存在，由于无法人工回收，炉渣中可能存在微量铁粒。采用其他分离技术（如磁选）可进一步提高铁的收得率。从而提高炉渣中钛含量。采用该技术生产的炉渣可作为回收氧化钛的原料。没有检测到铁砂精矿中存在钒，推断钒没有存在于这种精矿中可能与矿山的位置有关。
最终温度低于1400℃、总还原时间少于150min，通过采用等温梯度模式，可从铁砂精矿中回收以铁粒形式存在的铁。铁粒中大约58%-66%的铁能够得到回收，剩余的铁以金属铁的形式存在于炉渣中，利用其他分离技术能够进一步回收。炉渣中钛含量由初始球团的4.8%增加到炉渣的24.4%。后者可作为进一步提取二氧化钛的原料。
