还原条件下含钒钢渣中钒富集和分离的研究

Millions of tons of V-bearing steelmaking slag are discharged annually in China. The slag bearing 1-5% V2O5 is an important vanadium resource. Due to relative lower vanadium content, the present wet extraction method of vanadium exist some issues, such as large treatment amount, serious environmental pollution, and so on. Hence, improving the grade of vanadium before leaching vanadium is necessary. However, vanadium distributes dispersedly in the slag, necessitating vanadium concentration before mineral separation. At present, selective precipitation method was generally adopted to concentrate vanadium in a vanadium rich phase under oxidation condition. However the physical property of the vanadium concentrating phase is similar to that of main phase in the slag, whose separation is a challenge. In view of the above problems, this paper puts forward a new idea to concentrate vanadium, i.e. the vanadium would be concentrate in vanadium-iron spinel phase by controlling the reduction atmosphere. The bigger property difference between vanadium concentrating phase and main phase makes subsequent the separation of vanadium concentrating phase easily. Based on the idea, the following content will be investigated, such as equilibrium relation of various valences of vanadium, formation thermodynamic and growth kinetics of V-concentrating phase vanadium and separation property of vanadium concentrating phase. The implementation of this project will reveal reduction enrichment mechanism of vanadium in multicomponent slag system, proposing a new concentration method of vanadium concentration for the slag containing low grade vanadium under reduction condition; providing the basis in theory and a technique for vanadium recycling from V-bearing slag and reducing it impacting on the environment.

我国每年产出几百万吨含钒钢渣，该渣含1-5%的V2O5，是一种重要的钒资源。由于该渣钒含量相对较低，直接采用现有的湿法提钒存在矿物处理量大、环境污染严重等问题。因此，必须在湿法提钒之前进行钒富集，然而渣中钒呈分散分布，需要先将钒集中到一个富钒相中，目前已有的选择性钒富集方法大多是在氧化条件下将钒集中到钒磷酸钙富集相中，然而该富集相与渣中主体相性质相近，分离是一个难以逾越的难题。 针对上述问题，本项目提出在还原条件下将钒富集到钒铁尖晶石相中的新思路，利用该相与主体相性质上的差异，有效解决后续富集相分离问题。在此思路下，本项目拟研究还原条件下含钒钢渣中钒价态平衡关系、钒富集相形成的热力学条件、形核与长大的动力学规律以及分离性能；本项目的成功实施将揭示还原条件下多元渣系中的钒富集机理；提出还原条件下低品位含钒炉渣中钒富集的新方法；为含钒钢渣中钒的回收利用、减轻环境污染提供理论依据和新的技术途径。

鉴于含钒钢渣高效利用的经济效益与环境效益，本项目实施了含钒钢渣中钒价态的研究、钒富集相-钒铁尖晶石相形成热力学、钒富集相形核与长大的动力学和钒富集相选矿分离性能四个方面的研究。获得如下研究结果：.钒价态研究表明：碱度为2.3-3时，钒赋存在硅酸二钙（四价态或五价态）和铁酸钙相中（三价态）；碱度为2左右到1.6时，钒赋存于硅酸二钙和尖晶石相（三价态）共存；碱度在0.9-1.5之间时，钒仅出现于尖晶石相同时出现；碱度控制在1.0-1.5有利于铁和钒同时富集到尖晶石相中，该相主要由铁和钒氧化物构成，含有少量MgO和Al2O3。.热力学平衡研究表明：渣样中FeO和MgO含量的增加有利于尖晶石相的形成。FeO相饱和时钒都富集于尖晶石相中。氧化铝含量对钒分布的影响取决于碱度。碱度为1.7、1.5和1.3的渣样，氧化铝含量低于6%，钒仅出现于尖晶石。碱度为1.0、1.3和1.5渣样，氧化铝含量为8-10%时，钒在尖晶石相和玻璃相中分布。随碱度和MgO、FeO和Al2O3含量增加，尖晶石相中钒含量降低。.动力学研究表明：尖晶石相由液相析出或嵌布在RO中。碱度为1.7何1.5渣样中尖晶石相呈网状或树枝状，晶粒相对细小；碱度为1.2的渣样中尖晶石相呈板条状，晶粒粗大；在碱度为1.7、1.5和1.2的三组渣样中，碱度为1.5的渣样钒富集程度最高；同碱度渣中尖晶石相尺寸与保温时间呈线性增加。.钒富集相分离研究表明：随着碱度的增加，钒与铁分离效率先降低后升高，在碱度为1.2时达到最大值。焙烧温度在1423-1623K，钒分离效率提高；铁分离效率，在1423-1573K提高，在1573-1623K略有下降。焙烧时间1h-3h，钒分离效率从40.2%提高到71.4%，从3h到4h，分离效率从71.4%增加到71.6%；铁分离效率从44.6%提高到76.9%。适宜的条件为：碱度1.2，焙烧温度1623K，焙烧时间4h。.此外，还研究了钒的酸浸出和改质钢渣的胶凝活性，为获得的钒精矿中钒的分离和为分离后尾渣的利用提供了方向。.该研究结果明晰了含钒钢渣中钒价态的变化规律、含钒尖晶相形成与长大的热力学与动力学机制、以及富集相分离效率，为含钒钢渣的高效利用提供了科学依据和技术支撑。