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钒铬铁水转炉冶炼过程钒、铬元素迁移行为的研究

陈炼  
【摘要】:我国钒资源储量丰富,是全球最大的钒制品生产国,而铬资源极度贫乏,长期依赖进口。在我国攀西地区,以红格矿为代表的高铬型钒钛磁铁矿是钒、铬、钛、铁等多金属共伴生的难处理矿,是我国宝贵的含铬资源。实现该矿产资源的综合利用,特别是钒铬资源的同步有效分离提取具有重要的经济和社会效益。无论是采用高炉流程还是转底炉直接还原工艺冶炼高铬型钒钛磁铁矿,都存在后续冶金过程中钒铬元素从铁水中氧化富集到渣相中的工艺过程。采用转炉冶炼实现钒铬元素的富集是目前公认的最为高效经济的技术路线。尽管转炉冶炼普通含钒铁水的技术已十分成熟,转炉提钒过程的物理化学规律也基本明确,但是,当铁水中同时含有钒和铬时,铁水的物理性质、化学热以及溶质的活度会发生明显变化。因此,对钒、铬元素的同步氧化过程控制提出了新的要求。转炉冶炼过程中,钒铬在渣金间的迁移行为直接影响同步氧化分离的效果。在目前基础热力学数据尚不完善的情况下,研究钒铬铁水冶炼过程元素的迁移行为对钒铬资源的高效提取及回收具有重要理论及实践意义。本文采用分子体积相互作用模型(MIVM)和离子分子共存理论模型(IMCT)结合工业生产过程实测烟气成分,计算并验证了钒铬氧化物在渣中的活度系数,为计算确定选择性氧化温度、定量揭示不同工艺参数对元素平衡分配比影响提供理论支撑,突破了因钒铬元素热力学数据缺乏对理论分析的限制。研究发现在[C]4.50%、[V]0.30%、[Cr]0.40%条件下,碳铬转化温度为1639.40 K,随铬含量增加而升高;碳钒转化温度为1767.37 K,随钒含量增加而升高;钒铬含量的增加不会相互影响转化温度。构建了间接测定钒铬元素在渣金间平衡分配比的新方法,避免了直接测定时半钢碳含量变化造成的数据波动。钒铬分配比随着炉渣氧化性升高而增大、随着温度的升高而下降。(Cr_2O_3)从2.5%增加至8.0%时,lg L_(Cr)和lg L_V呈先增加后降低趋势,二者在(Cr_2O_3)5.8%时达到最大值。lg L_(Cr)和lg L_V随(V_2O_3)增加而增大,随着(Si O_2)增加呈轻微减小趋势。采用全成分铁水与强氧化性炉渣进行反应,在无氧气参与情况下,各元素的氧化速率随铁水温度的提高而增大;钒铬元素会与碳发生转换反应,碳钒转化温度高于碳铬转化温度;铬从铁水中向渣相迁移的临界温度较低(1573K),温度对铬的迁移影响更大。在有氧气参与情况下,较高的氧气压力和较低的温度有利于钒铬从铁水向渣中迁移;当氧气压力降低、温度升高时,碳钒转换反应和碳铬转换反应的热力学条件变差,会在一定程度上造成钒铬向铁水逆迁移。通过系统研究炉渣成分和气氛对钒铬元素在渣金间迁移的影响规律,为转炉开发高效钒铬共提技术提供理论支撑。通过在感应炉上开展典型温度条件下钒铬铁水氧化规律试验、吹炼过程单因素和正交试验,研究了多因素条件下钒铬元素的迁移规律。各因素对铁水中钒的氧化影响关系分别为:氧压球团用量吹氧时间枪位,最佳控制条件为:枪位6cm、吹氧10min、冷却剂12kg、氧气压力0.40MPa;各因素对铁水中铬的氧化影响关系分别为:氧压枪位球团用量吹氧时间,最佳控制条件为:枪位5cm、吹氧6min、冷却剂10kg、氧气压力0.35MPa。基于理论分析和实验室研究,提出了钒铬铁水在转炉冶炼过程的控制要求,通过工业探索试验,明确了两段法供氧制度(前期0.68MPa、后期0.72MPa)、1653K为半钢控制温度、铁水中[Cr]每增加0.10%冷却剂用量增加5.96kg/t Fe。通过4万吨铁水的提钒铬生产,实现了开发的转炉铁水提取钒铬技术在工业生产中的成功应用。工业生产实践表明,采用最优工艺参数后钒和铬的氧化率分别达到90%和82%,回收率分别达到85.61%和76.66%,实现了铁水中钒铬元素的工业化高效提取。工业生产条件下lg L_V在2.08~2.67之间、lg L_(Cr)在1.59~2.31之间;lg L_V与lg L_(Cr)均随渣中(Fe O)、(V_2O_3)、(Cr_2O_3)含量的增加而增大,随(Si O_2)含量增加而降低,随温度升高而降低。


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