钒钛磁铁矿综合利用研究现状
摘 要
钒钛磁铁矿经济利用价值极高，高效绿色开发钒钛磁铁矿资源已成为当今社会发展的必然要求。从钒钛磁铁矿资源分布和综合利用现状等方面进行分析，重点探讨了高炉法、预还原-电炉法、还原-磨选法和钠化焙烧-预还原电炉法处理钒钛磁铁矿的研究现状和工艺优缺点，指出高炉法目前在处理钒钛磁铁矿资源技术领域仍处于主导地位，但高炉法能耗高、环境污染大、资源利用率低，势必会被非高炉冶炼所取代；非高炉冶炼钒钛磁铁矿技术现在尚未完全成熟，仍存在处理量低、能耗高等劣势，需进一步改进完善。并针对以上钒钛磁铁矿利用工艺存在弊端，提出短流程熔炼新技术，利用该技术处理钒钛磁铁矿可实现铁、钒、钛资源高效综合利用且生产成本大幅降低。
关键词
钒钛磁铁矿 高炉法 非高炉法 综合利用
钒钛磁铁矿储量位居我国铁矿资源储量的第三位，以铁、钒、钛元素为主，并含有钴、铬、镍、镓、钪等多种有价元素，具有相当高的综合利用价值。钒被称为“现代工业的味精”，具有许多优异的物理和化学性能，广泛用于航空航天、电池、医药、光学、化学等领域。钛具有良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱以及强度高、密度低等优质性能而被称为“太空金属”，在航天、军事、汽车、医学等领域具有广泛的应用。近年来，随着国民经济的快速发展，我国钢铁行业发展十分迅猛，大幅增加了我国对铁矿资源的需求。我国铁矿资源储量丰富，但优质铁矿资源匮乏、复杂难选铁矿石利用率低，致使我国对进口铁矿石的依赖程度逐年增大，2017年已突破85%，极大程度地威胁了我国钢铁行业的安全与稳定，因此高效开发复杂难选铁矿，缓解我国对进口铁矿的依赖，已成为当务之急。但现如今，我国钒钛磁铁矿资源综合利用程度仍很低，还普遍存在着资源浪费的现象。因此，针对目前钒钛磁铁矿资源现状，开发钒钛磁铁矿资源高效综合利用新技术，实现资源的深度开发与充分利用具有极其深远的意义。
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钒钛磁铁矿资源分布概况及利用概述
国外钒钛磁铁矿资源主要分布于俄罗斯、南非、美国、加拿大、印度等地，探明储量达400亿t以上。我国钒钛磁铁矿资源丰富，已探明储量达180多亿t，主要分布在四川攀枝花、河北承德、陕西汉中等地。其中仅攀西地区钒钛磁铁矿资源储量就高达100亿t以上，且分布相对集中，是我国最大的钒钛磁铁矿产地。河北承德地区是我国北方钒钛磁铁矿基地，其钒钛磁铁矿储量仅次于攀西地区，位居全国第二位。地质工作者对陕西及湖北等地的钒钛磁铁矿资源也做过大量工作。
早在20世纪初，前苏联、芬兰、挪威、加拿大等国就针对钒钛磁铁矿分选和冶炼开展了相关研究工作，由此拉开了世界钒钛磁铁矿综合利用的序幕。我国对钒钛磁铁矿的开发利用则始于1958年，最初主要针对攀西地区钒钛磁铁矿开展研究工作。目前我国对钒钛磁铁矿资源的开发利用，主要分为矿石分选和选矿产品再加工利用2个步骤，即先经选矿作业获得钒钛磁铁精矿、钛铁精矿和硫精矿3种精矿产品，再对这3种精矿产品分别进行后续加工利用。由分选得到的3种精矿产品中，钒钛磁铁精矿产品产率最高、有价元素富集程度最大，但综合利用率最低，钒钛磁铁精矿加工利用水平直接反映了钒钛磁铁矿综合利用的整体水平。因此介绍了钒钛磁铁精矿的加工利用现状。
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钒钛磁铁精矿的综合利用现状
国内外科研人员针对钒钛磁铁精矿开展了大量的研究工作。现主要采用高炉法和非高炉法处理钒钛磁铁精矿，其中非高炉法主要包括预还原—电炉法、还原—磨选法和钠化提钒—预还原—电炉法等。
2.1 高炉法
高炉法是目前我国处理钒钛磁铁矿资源应用最普遍、处理技术最成熟的方法。该方法首先将钒钛磁铁矿造块，然后经高炉冶炼选择性地将矿石中的铁、钒氧化物还原生成含钒铁水，钛则以二氧化钛的形式进入炉渣。进而采用转炉吹炼含钒铁水得到钒渣和半钢，钒渣经湿法工艺得到合格钒产品，半钢通过进一步加工得到合格钢材。钛渣则由于二氧化钛含量低、矿相复杂，且多以玻璃相存在等特点，使得其难以得到有效回收，造成钛资源浪费。国外对高炉法处理钒钛磁铁矿资源研究较早的国家有前苏联、南非以及瑞典等国。早在20世纪30年代时，前苏联的下塔吉尔钢铁公司、邱索夫钢铁厂和黑色金属研究所等单位就对钒钛矿的高炉—转炉冶炼工艺进行过大量研究。攀钢集团利用现有工艺流程处理钒钛磁铁矿资源，从原矿到钢坯、片状五氧化二钒和钛白产品，仅能实现铁、钒、钛元素回收率分别为60%、39%和10%的指标，高炉流程中钛资源没有得到有效回收利用，造成资源浪费。而且，高炉法还存在工艺流程长、基建投资高、环境污染大、产能消耗高等缺点。从资源高效绿色开发角度来看，高炉法处理钒钛磁铁矿已经不符合现阶段我国的基本国情，不适合作为钒钛磁铁矿综合利用的发展方向。
2.2 预还原—电炉法
预还原—电炉工艺是先将钒钛磁铁矿和煤粉按一定配比混匀、造球，然后将含碳球团通过回转窑、隧道窑、转底炉等设备进行预还原，得到金属化球团，进一步利用电炉将金属化球团继续升温熔炼，通过渣铁分离获得含钒铁水和富钛炉渣的过程。相较于高炉法的冶炼过程，预还原—电炉流程的还原和加热过程是分开进行的，这就使得冶炼过程的难度降低。除此之外，预还原—电炉法还具有流程短、环境友好、生产效率高等优点。国外南非、新西兰、俄罗斯、加拿大等国对预还原—电炉法进行过详细研究，但利用此方法生产，当炉渣中二氧化钛含量大于30%时，仍然存在操作难度加大的问题，目前，将此工艺应用于工业生产的国家也仅有南非和新西兰，但他们利用此工艺也主要回收铁和钒，所得钛渣（TiO2含量为30%左右）仍未能有效利用。
我国为实现铁、钒、钛资源的综合回收利用，于20世纪70~80年代组织了钒钛磁铁矿钢铁冶炼新流程科技攻关，对预还原—电炉法进行了系统的研究。但由于当时技术原因以及设备水平的限制，新流程研究未能实现工业化。随着近些年我国科学技术的不断进步以及设备水平的不断提高，一大批科研工作者投身于新工艺的研究中。攀钢科研工作者在总结前人研究成果的基础上，研发出了转底炉直接还原—熔分电炉深还原—脱硫—提钒工艺，并于2010年建成年处理量达10万t的钒钛磁铁精矿中试生产线，获得了TiO2含量45%左右的钛渣、V2O5含量大于12%的钒渣以及合格生铁。
2.3 还原—磨选法
还原—磨选法是指在低于矿石熔化温度下，利用铁、钒、钛氧化物还原性之间的差异，选择性地将钒钛磁铁矿中铁氧化物还原为金属铁，而保持钒和钛仍以氧化物的形式存在，并控制还原条件使金属铁颗粒长大到一定粒度，通过分选得到铁精矿和富钒钛料。前苏联对还原—磨选法进行过较为深入的研究，添加15%的氯化钠进行直接还原（还原温度为1050℃），然后对还原产品进行磨矿—磁选，可以获得含铁90%以上的还原铁粉和TiO2含量75%以上的富钛料的小型试验结果，但未见有半工业或工业试验成功的报导。我国对还原—磨选法也进行了较为系统的研究。1971年开始，冶金部长沙矿冶研究院对攀枝花钛精矿进行了较系统的还原—磨选试验研究，先后完成小型试验、扩大试验和日处理钛精矿5.76t的全流程工业性试验，获得了适合攀西地区钒钛磁铁矿特点的工艺流程和还原制度。攀钢铁基厂曾利用隧道窑还原钒钛磁铁矿，然后经磨选分离试验得到TFe品位95.7%、回收率96.14%的铁精矿和TiO2含量39.76%、V2O5含量1.25%的非磁性物，但因隧道窑物料还原不均匀，铁还原率低，成本太高而未继续运行。还原—磨选法优点是可在固态条件下实现钛铁分离，从而避免了熔融条件下容易出现泡沫渣和黏滞渣致使冶炼过程难以进行的问题，而且相较于高炉法和还原—电炉法，还原—磨选法可以得到更优的综合技术指标。但是，还原—磨选法对还原球团金属化率要求较为严苛，需达到90%以上，并且铁晶粒在还原过程中要长大到一定粒度，由于钒钛矿难还原，这就需要提高还原温度来满足还原要求，现在有学者提出可以通过添加钠盐强化还原以降低还原能耗，但使用钠盐则会带来还原设备腐蚀和结瘤等难题。此外，还原—磨选法生产规模与高炉法和回转窑—电炉法还存在较大差距，这些问题严重限制了还原—磨选法的工业化应用。
2.4 钠化提钒—预还原—电炉法
钠化提钒—预还原—电炉法的基本过程是将钠盐同钒钛磁铁精矿造球，然后在800℃左右进行氧化钠化焙烧，使钒同钠盐形成溶于水的钒酸钠，经水浸使钒同铁、钛分离，残球经回转窑还原、电炉熔分获得铁水和钛渣，从而使铁、钒、钛得以回收利用。国外利用此工艺回收钒的工厂有芬兰的莫斯塔瓦拉厂和奥坦梅基厂、南非的Highveld Steel & Vanadium Cor Ltd和美国的Vametco Minerals Cor等，但目前部分生产厂已停产或改用钒渣生产。1978—1982年期间，我国科研工作者对攀西地区钒钛磁铁精矿钠化提钒工艺进行了实验室研究和扩大试验。结果表明，采用该工艺，钒的回收率可达80%左右。孟庆文等以朝阳地区某钒钛磁铁矿为原料进行钠化提钒—预还原—电炉法试验，考察了钠盐用量、焙烧时间、焙烧温度对钒浸出率的影响。结果显示：在NaCO3用量4%~10%、焙烧时间0.5~2h、焙烧温度700~850℃时，焙烧时间对钒浸出率的影响最大，焙烧温度次之，钠盐用量影响较小，而且在一定范围内，延长焙烧时间和提高焙烧温度有利于提高钒浸出率。
钠化提钒—预还原—电炉法流程的优点在于钒回收率高（90%左右），电炉熔分过程得到的高钛炉渣TiO2含量远高于高炉渣TiO2含量，可利用氯化法制作合格钛白粉产品，且不会出现高炉流程中铁水严重“粘罐”的现象。但该流程所需钠化剂用量大，残留钠盐还会引起还原过程中球团膨胀、粉化，而且钠化焙烧后球团浸出提钒浸出时间长、能耗高，浸出液钒浓度低，直接用于沉钒会产生大量的沉钒废水，污染环境，限制了其工业化应用。
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展望
从技术成熟程度、生产规模、经济效益等方面考虑，目前，高炉法在我国处理钒钛磁铁精矿领域仍占据主要地位，短时间内还无法被取代。但随着我国经济、技术的发展，焦炭资源的日益短缺以及环保制度的逐渐完善，高炉法将逐渐被淘汰。但现阶段我国传统非高炉冶炼技术仍存在许多不足，工业化道路受限。近年来，东北大学提出利用短流程熔炼新技术处理钒钛磁铁矿资源，通过回转窑预热预还原，多功能熔炼炉熔炼、渣铁分离等步骤获得了钒回收率90%以上、铁回收率95%的含钒生铁及钛回收率85%以上的中钛渣，同时针对该工艺进行经济概算，得出利用短流程冶炼钒钛磁铁矿资源吨矿成本低于2000元。但此流程存在钛渣中钛含量低于50%，钛资源利用率无法大幅提升等缺点，解决此方面的问题将是以后综合利用钒钛磁铁矿资源的重点研究方向。
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结 论
⑴钒钛磁铁矿是一种典型的多金属共伴生矿产资源，具有极高的经济价值。我国钒钛磁铁矿资源储量丰富，探明储量达180多亿t，绿色高效开发利用钒钛磁铁矿资源对我国现代化建设具有重要意义。
⑵目前已提出处理钒钛磁铁矿的方法主要有高炉法、预还原—电炉法、还原—磨选法和钠化焙烧—预还原—电炉法。高炉法是目前应用最普遍、技术最成熟的方法，但是其存在资源浪费、流程长、投资大、污染大、能耗高等问题。预还原—电炉法、还原磨选法和钠化焙烧—预还原—电炉法也无法实现钒钛磁铁矿经济、合理的利用。短流程熔炼技术可以较好的处理钒钛磁铁矿资源，但仍需进行优化改进。
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引用格式
王勋，韩跃新，李艳军，高鹏.钒钛磁铁矿综合利用研究现状[J].金属矿山，2019（6）：33-37.