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高钙低品位钒渣焙烧—浸出反应过程机理研究

李新生  
【摘要】:钒是一种重要的战略物资,广泛应用于钢铁工业、航空航天工业及化学工业等领域。近年来,随着钢铁工业的发展,普通铁矿石的供应量日趋紧张,为了应对日益严峻的形势,同时充分利用攀西地区钒钛磁铁矿,某钢厂成功开发了钒钛磁铁矿小高炉冶炼技术,钒钛磁铁矿配加量达30%以上,产出的铁水中钒含量达到0.15%以上。为了回收铁水中这部分钒,采用转炉双联提钒工艺,得到的钒渣中V_2O_5含量小于10%,CaO含量大于5%,与普通钒渣(含12-25% V_2O_5、0.7-2.5%CaO)相比,该钒渣具较高的钙、较低的钒等特点。对于这种特殊的钒渣,目前没有较好的处理方法。本课题采用钠化焙烧-水浸与钙化焙烧-碳酸钠浸出技术从高钙低品位钒渣中提钒,探索其可行性并对氧化焙烧过程与浸出过程进行了详细的研究,为工业提钒提供理论指导。 首先对高钙低品位钒渣的物相组成及元素的点、面、线分布进行了研究。结果表明:高钙低品位钒渣由尖晶石相、橄榄石相和辉石相组成。尖晶石呈连结状或分散状,其颗粒大小一般为20-30μm。在尖晶石中元素的含量从高到低依次是:铁、钒、钛、氧、铬、锰、铝;在尖晶石中心部分钒和铬的含量较高,而尖晶石外层钛、锰、铁和铝的含量较高;在橄榄石中元素的含量从高到低依次是:氧、硅、铁、锰;在辉石相中元素的含量从高到低依次是:硅、氧、钙、铁、铝、钛。 采用碳酸钠为添加剂,对钒渣钠化氧化焙烧-水浸过程进行了研究,考察了氧化焙烧过程与浸出过程对钒浸出的影响、钒渣氧化焙烧过程物相变化、钠化焙烧渣浸出过程物相变化、钒酸钠的形成机理等。结果表明:①钠化焙烧-水浸提钒的最佳条件:碳酸钠加入量为18%,焙烧温度为700℃,焙烧时间为150min;浸出温度为90℃,浸出时间为30min和浸出液固比为5:1mL/g。在此优化条件下,钒浸出率可达89.5%以上,浸出液中主要杂质为Si、P和Cr。②钒渣钠化氧化过程与焙烧渣水浸过程物相变化。1)在碳酸钠加入量为18%时,钒渣的氧化温度范围为273℃至700℃;橄榄石相与尖晶石相分别在500℃和600℃分解完全;大部分水溶性钒酸钠在500℃与600℃之间形成;当焙烧温度在700℃以上时,钒酸钠富集相明显可见。当焙烧温度过高时,样品出现烧结,钒被玻璃相包裹。2)在水浸过程中,除了钠盐在水浸中溶解外,浸出残渣的主要物相与焙烧渣基本一样;而焙烧渣中钒酸钙与磷酸钠或硅酸钠反应转化为可溶性的钒酸钠,同时可除去浸出液中的杂质硅和磷。③钒酸钠的形成机理。三氧化二钒与碳酸钠反应时,在200℃到400℃之间首先生成钒氧化物VO_m (1.5m2.5)和钠的氧化物(如:Na_2O、Na_2O2 );在300℃到500℃之间形成中间产物(钒青铜)NaV_6O_(15)、Na_5V_(12)O_(32)和NaV_3O_8;在500℃到600℃之间,钒青铜被氧化成水溶性的钒酸钠。 采用氧化钙为添加剂,对钒渣钙化氧化焙烧-碳酸钠浸出过程进行了研究,考察了氧化焙烧过程与浸出过程对钒浸出的影响、钒渣氧化焙烧过程物相变化及氧化动力学、氧化钙含量对钒渣氧化过程及焙烧渣碳酸钠浸出过程的影响、钒酸钙的形成机理、钙化焙烧渣浸出过程物相变化及浸出过程动力学等。结果表明:①钙化焙烧-碳酸钠浸出提钒的最佳条件:焙烧温度为850℃,焙烧时间为60min;碳酸钠浓度为160g/L,浸出温度为95℃,浸出时间为150min,浸出液固比为10:1mL/g和搅拌速度为400r/min。在此优化条件下,钒的浸出率达90%以上,浸出液中主要杂质为Si和P。②钒渣氧化焙烧过程物相变化及氧化动力学。1)钒渣的氧化温度范围为300℃到900℃,橄榄石和尖晶石分别在500℃和800℃分解完全,在850℃以上钒的富集相形成,当焙烧温度达到1000℃时,样品被烧结。2)钒渣的氧化过程可以用未反应收缩核模型来描述,在氧化过程中受内扩散控制,初始阶段(0-10min)反应的表观活化能为126.6kJ/mol。③氧化钙含量对钒渣氧化过程及焙烧渣碳酸钠浸出过程的影响。1)氧化钙含量从6.39%变化到36.39%的样品中均形成了钒的富集相;随着样品中氧化钙含量的增加,焙烧渣中主要物相Fe_2O_3、Fe_2TiO_5和SiO_2相应的衍射峰强度逐渐减弱;当样品中氧化钙含量为21.39%时,CaFe_2O_4和CaTiO_3的衍射峰出现。2)在碳酸钠浸出过程中,焙烧渣中的钒被转化为可溶性的钠盐进入溶液中,同时生成碳酸钙,且碳酸钙的衍射峰强度随着氧化钙含量的增加而增强;而其他主要物相基本不变。④钒酸钙的形成机理。当三氧化二钒与碳酸钙反应时,钒酸钙的形成主要取决于起始原料中V_2O_3和CaCO_3的比例和焙烧温度。在400℃时,部分钒被转化为钒青铜Ca_(0.17)V_2O_5。在500℃时V_2O_3氧化成V_2O_5。在600℃时,当V_2O_3:CaCO_3为1:1时,主要产物为Ca(VO_3)_2;当V_2O_3:CaCO_3为1:2时,主要产物为Ca(VO_3)_2和CaV_2O_7;当V_2O_3:CaCO_3为1:3时,主要产物为CaV_2O_7。当温度进一步升高,Ca(VO_3)_2会转化为Ca_2V_2O_7,进而转化为Ca_3(VO_4)_2。⑤钙化焙烧渣碳酸钠浸出过程可用未反应收缩核模型来描述,在浸出过程中受扩散控制,反应的表观活化能为51.75kJ/mol。


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