钒钛磁铁矿直接还原焙烧磁选同步制备直接还原铁和氮化钛基础研究

Vanadium-bearing titanomagnetite resources are very abundant in China, but currently only iron and vanadium can be recycled by blast furnace process, titanium smelt into the blast furnace slag and can’t be utilized, which not only wastes valuable titanium resources, but also pollutes the environment..This project intends to process the vanadium-bearing titanomagnetite concentrate through coal-based direct reduction roasting-magnetic separation technology, in which the metallic iron and titanium were synchronous generated during roasting process, and then direct reduced iron(DRI) and titanium nitride were obtained by magnetic separation. The thermodynamics, dynamics and the phase and microstructure change in the roasting system were investigated with XRD, SEM, MLA and other advanced testing equipments. The mechanism and key factors of synchronous preparation of metallic iron and titanium nitride will be revealed, thus achieve efficiently translate iron and titanium components into metallic iron and titanium nitride, respectively. The evolvement rule of the microstructure of metallic iron and titanium nitride during the roasting process and the regulatory mechanism will be studied, as a result, controlling ways will be put forward to make the microstructure favors the separation of metallic iron and titanium nitride. The distribution law and occurrence state of the valuable element of vanadium in the roasted product will also be investigated. The results obtained in this project will provide a theoretical base for the synchronous preparation of DRI and titanium nitride from vanadium-bearing titanomagnetite, and have very important academic significance and practical value.

我国的钒钛磁铁矿资源丰富，但目前的高炉冶炼流程只能回收铁和钒，钛进入高炉渣无法被利用，不仅浪费了宝贵的钛资源，还污染了环境。.本项目采用煤基直接还原焙烧—磁选工艺处理钒钛磁铁矿精矿，在焙烧过程中同步生成金属铁和氮化钛，再进行磁选得到直接还原铁和氮化钛，为钒钛磁铁矿的综合利用提供新的路径。借助XRD、SEM、MLA等先进检测设备，研究钒钛磁铁矿还原焙烧过程中主要反应的热力学特性、动力学规律、物相和微观结构的演变规律，揭示同步生成金属铁和氮化钛的机理和关键影响因素，实现铁、钛组分高效转化为金属铁和氮化钛；研究焙烧过程中焙烧产物的微观形貌演变规律和调控机制，构建易于金属铁和氮化钛分离的微观结构；同时研究有价组分钒在焙烧产物中的分布规律和赋存状态。本项目的研究成果将为钒钛磁铁矿同步制备直接还原铁和氮化钛提供理论指导，具有重要的学术价值和实用价值。

我国的钒钛磁铁矿资源探明储量超过100亿t，但目前的高炉冶炼流程只能回收其中的铁和钒，钛进入高炉渣无法被利用，不仅浪费了宝贵的钛资源，还污染了环境。本项目采用煤基直接还原焙烧技术处理钒钛磁铁矿同步制备氮化钛和直接还原铁，系统研究了焙烧体系中主要的反应热力学特征、物相演变历程和物质迁移规律，获得主要研究结果如下。. 钒钛磁铁矿还原为氮化钛和金属铁的物相转变历程为：Fe3-xTiOx→Fe+Fe2TiO4→Fe+FeTiO3→Fe+M3O5→Fe+(Ti,V)(N,C)。M3O5被C还原为TiN是整个反应的限速步骤，金属铁是传递C的重要媒介，TiN首先在金属铁表面生成。钒钛磁铁矿中的钛磁铁矿和钛铁矿的反应行为差异很大，钛磁铁矿比钛铁矿更容易被还原为TiN，其原因包括：1）钛磁铁矿被还原后形成多孔结构，有利于后续反应的进行，而钛铁矿一直保持致密结构；2）钛磁铁矿还原后生成的金属铁较钛铁矿更多，从而促进M3O5还原为TiN；3）钛磁铁矿中的V可能催化TiN的生成。在整个焙烧过程中，V的分布区域主要与Ti重合，最终形成(Ti,V)(N,C)。. 提高焙烧温度、延长焙烧时间、增加煤用量和对原料进行机械活化有利于TiN生成，球团的粒度对生成TiN影响不大。当焙烧温度为1300°C、煤用量为26%、焙烧时间为90min时，反应基本完全。焙烧产物中金属铁呈球状，TiN主要充填于金属铁和渣相之间，容易分离。但若焙烧温度过高，TiN易嵌入金属铁颗粒内部，不利于后续分离。焙烧产物中生成耐酸性物质MgAl2O4，阻碍酸浸提纯TiN。添加硼砂不仅可以抑制MgAl2O4生成，还可以促进TiN的生成，查明了硼砂的作用机理。对焙烧产品进行磨矿、磁选，获得含94.32%Fe、0.59%Ti和0.12% V的直接还原铁产品，Fe、Ti、V的回收率分别为91.24%、5.14%和17.33%。对非磁性产品进行酸浸，得到含74.10%Ti和2.75%V的TiN产品，Ti和V的回收率分别为94.60%和58.30%，实现了高效利用Fe、Ti、V的预期目标。. 依托项目研究，发表SCI检索论文4篇，授权国家发明专利2项，正培养研究生1名。本项目的研究成果可为钒钛磁铁矿的综合利用提供新工艺和新理论，为我国钛工业的可持续发展提供技术支撑。