储满生--钒钛磁铁矿含碳热压块新型高炉炉料研究

钒钛磁铁矿含碳热压块新型高炉炉料研究储满生NortheasternUniversity2015-11-092研究背景研究内容及意义钒钛矿含碳热压块的制备及冶金性能研究钒钛矿含碳热压块对综合炉料熔滴性能的影响结论31.研究背景41.1钒钛磁铁矿资源储量我国钒、钛资源分布广泛，远景储量丰富：攀西地区：钒钛磁铁矿远景储量超过了100亿吨承德地区：钒钛磁铁矿远景储量超过了80亿吨攀枝花钒钛磁铁矿矿山承德钒钛磁铁矿矿山5钒：“现代工业味精”，广泛用于化工、原子能、电子等工业，是不可或缺的合金添加剂。钛：崛起的“第三金属”、“太空金属”、“结构金属”，是航天航空，海洋军工的重要材料。1.2钒、钛重要性61.3资源特点7钒钛磁铁原矿烧结高炉转炉球团选矿钒钛磁铁精矿尾矿合理炉料结构含钒铁水含钛炉渣半钢钒渣钒钛精矿钢“高炉-转炉提钒-半钢炼钢”1.4钒钛磁铁矿综合利用主要流程主要问题：造块难度大，工艺能耗高、污染严重；核心技术经济指标有待提高，如高炉利用系数低、焦比高、煤气利用率低等。选矿高炉冶炼转炉提钒（半钢炼钢）造块81.5钒钛磁铁矿传统炉料弊端钒钛烧结矿钒钛球团矿强度低，易粉碎低温还原粉化率高（RDI+3.15~40%）还原性能不好，炉内还原速率低烧结过程污染大、能耗高还原膨胀高，高温强度差焙烧温度高，能耗大91.6含碳热压块新型高炉炉料高反应性，有利于降低热空区温度；还原速度快；成品高温强度高；原料适应性强；无需外加粘结剂，生产成本低；生产温度低，工艺大幅节能降耗；应用前景广阔。矿粉煤粉干燥干燥加热热压热处理含碳热压块入高炉冶炼混合101.7本课题的提出钒钛磁铁矿储量丰富、应用价值大钒钛磁铁矿传统造块（烧结、球团）存在的弊端含碳热压块新型高炉炉料的优势钒钛磁铁矿含碳热压块新型高炉炉料研究112.研究内容及意义122.1研究内容抗压强度正交试验抗压强度失重率单因素试验钒钛磁铁矿含碳热压块冶金性能研究还原粉化性能还原膨胀性能还原性能钒钛磁铁矿含碳热压块制备及优化钒钛矿含碳热压块对综合炉料熔滴性能的影响热压温度配碳比煤粉粒度矿粉粒度处理时间处理温度热压制备热处理熔滴性能指标V,Cr收得率合理的添加比例钒钛磁铁矿含碳热压块新型高炉炉料研究132.2研究意义及目的提出钒钛磁铁矿造块新工艺，克服钒钛矿传统造块工艺过程中高污染、高能耗等缺点，促进铁前工序的节能降耗；采用田口法优化钒钛矿含碳热压块的制备工艺参数，开发钒钛矿新型高炉炉料，促进钒钛矿高炉冶炼高效化和低碳化；将含碳热压块技术运用于钒钛矿，为钒钛磁铁矿综合利用新工艺开发提供新思路，同时为其他特色冶金资源的高效利用提供借鉴。143.钒钛矿含碳热压块的制备及冶金性能研究153.1研究方案高温区优化低温区优化钒钛磁铁矿烟煤干燥干燥混合加热热处理配碳比热压温度煤粉粒度矿粉粒度处理时间处理温度正交试验（田口法分析）单因素试验原料准备钒钛磁铁矿含碳热压块Vanadium-TitaniumMagnetiteCarbonCompositeBriquette（VTM-CCB）热压还原性能还原膨胀性能还原粉化性能163.2实验原料组分TFeFe2O3FeOCaOSiO2MgOTiO2V2O5Cr2O3含量62.1256.429.110.222.120.925.050.950.614固定碳挥发分灰分水分灰成分TFeCaOSiO2MgOAl2O361.5528.058.791.614.014.9555.152.1821.92表3.1钒钛磁铁矿化学成分/%表3.2实验用煤的工业分析/%17水平热压温度/℃（A）配碳比/-（B）煤粉粒度/目（C）矿粉粒度/目（D）11001.0-100-10021501.2-125-12532001.4-150-15042501.6-175-17553001.8-200-200表3.3低温区因子水平选择L25(56)正交表，对低温区和高温区含碳热压块的制备进行优化实验研究。水平热压温度/℃（A）配碳比/-（B）煤粉粒度/目（C）矿粉粒度/目（D）15001.0-100-10024501.2-125-12534001.4-150-15043501.6-175-17553001.8-200-200表3.4高温区因子水平3.3热压制备优化实验18图3.1低温区SNR平均效应响应图3.3.1热压制备实验结果分析热压温度300℃，配碳比1.6，煤粉粒度-200目，矿粉粒度-200目，基于优化后参数热压得到成品强度1306.5N低温优化参数图3.2高温区SNR平均效应响应图热压温度450℃，配碳比1.8，煤粉粒度-150目，矿粉粒度-150目，基于优化后参数热压得到成品强度1372N高温优化参数193.3.2优化钒钛矿含碳热压制备参数热压温度为200℃配碳比为1.6煤粉粒度为-200目矿粉粒度为-200目信噪比极差分析信噪比变异数分析贡献率计算实际生产节能降耗热压温度200℃，抗压强度1071N符合要求优化热压工艺参数20表3.5热处理实验参数7.76%图3.3热处理温度和时间对VTM-CCB抗压强度、失重率的影响3.3热处理（单因素试验）2620N工艺参数参数水平热处理时间/h23456热处理温度/℃500600650700-热处理温度650℃，热处理时间5h最佳热处理参数213.4低温还原粉化性能试样：VTM-CCB500g实验标准：GB/T13242-91m0/gmD0/gm+6.3/gm3.15~6.3/gm0.5~3.15/gRDI+6.3/%RDI+3.15%RDI-0.5/%503.20499.27496.440099.4399.430.57攀枝花钒钛烧结矿RDI+3.15：40%~50%，即VTM-CCB还原粉化性能优于钒钛烧结矿。（a）还原粉化前（b）还原粉化后223.5还原膨胀性能试样：VTM-CCB实验标准:GB/T13240m1/gm2/gm3/gm4/gV0/cm3V1/cm3RSI/%145.685.5124.365.560.158.8-2.16（b）膨胀后VTM-CCB还原膨胀指数RSI为-2.16%，优于普通氧化球团（一级品：RSI15%）。（a）膨胀前与日本关于含碳热压块的还原膨胀性能研究结果相一致。ShojiHayashi.Reactionbehaviorofcoalcompositeironorehotbriquettesinalaboratoryscaleblastfurnacesimulator[A].5thICSTI[C],Shanghai:TheChineseSocietyforMetals,2009:426-430.233.6还原性表3.6实验条件气体组成及流量N2:3L/minN2:9L/min;CO:3.9L/min;CO2:2.1L/minN2:10.5L/min;CO:4.5L/min升温速度10℃/min至400℃10℃/min至900℃3℃/min至1100℃原料TFeFeOCaOSiO2MgOAl2O3V2O5TiO2球团矿61.490.510.173.160.912.160.563.91VTM-CCB47.5920.260.273.660.742.160.433.03表3.7实验原料/%3.6.1实验原料及条件24引入反应分数f，通过计算试样还原过程中的反应分数来表征其还原度。100%f某时刻积累失重量理论最大失重量图3.4还原试验后VTM-CCB和钒钛球团矿的形貌图3.5反应分数与温度的关系钒钛磁铁矿含碳热压块的还原性能优于钒钛球团矿，当温度达到1100℃时，VTM-CCB的反应分数为78%，而钒钛球团矿仅为33%3.6.2实验结果3.7还原性253.8本章小结低温区（100~300℃），优化后的最佳参数为：热压温度300℃、FC/O1.6、煤粉和矿粉粒度均为-200目，在最佳参数下制备的VTM-CCB抗压强度达到1306.5N；高温区（300~500℃），优化后的最佳参数为：热压温度450℃、FC/O1.8、煤粉和矿粉粒度均为-150目，在最佳参数下制备的VTM-CCB抗压强度达到1372.5N；综合考虑设备、能耗以及生产成本，最终确定优化后的热压参数为：热压温度200℃、FC/O1.6、煤粉粒度-200目、矿粉粒度-200目，在此参数下制备的VTM-CCB的抗压强度达到1071N；钒钛磁铁矿含碳热压块合理的热处理参数为：热处理温度为650℃，热处理时间为5h。处理后的VTM-CCB的抗压强度为2620N，失重率7.76%。钒钛磁铁矿含碳热压块的RDI+3.15为99.34%，还原膨胀指数RSI为-2.16%，钒钛矿含碳热压块的还原性能优于钒钛球团矿，当温度达到1100℃时，VTM-CCB的反应分数为78%，而钒钛球团矿的反应分数仅为33%。264.钒钛矿含碳热压块对综合炉料熔滴性能的影响27综合炉料：烧结矿、球团矿、VTM-CCB配加不同比例的VTM-CCB代替球团矿，R终渣基本保持不变熔滴实验软化开始温度T4、终了温度T40，软化温度区间T40-T4熔化开始温度TS、终了温度TD，熔化温度区间TD-TS滴落率，最大压差，熔滴过程特征值SV、Cr的含量及收得率适宜的添加比例4.1研究方案No.sinter/%pellet/%VTM-CCB/%1#604002#6030103#6025154#6020205#6015256#6010307#60040表4.1综合炉料熔滴试验方案284.2实验设备及原料原料TFeFeOCaOSiO2MgOAl2O3V2O5TiO2Cr2O3R2/-烧结矿51.937.4513.255.953.21.170.261.170.132.23球团矿61.490.510.173.160.912.160.563.910.360.05VTM-CCB47.5920.260.273.660.742.160.433.030.270.07表4.3实验原料/%升温时间/min405040＞120负荷Mpa0.180.35气体组成及流量N23NL/minN29.0NL/minCO3.9NL/minCO22.1NL/minN210.5NL/minCO4.5NL/min升温制度10℃/min至900℃3℃/min至1020℃5℃/min至1600℃表4.2熔滴性能检测的试验条件294.3试验结果(a)软化性能(b)熔化性能图4.1VTM-CCB添加比例对综合炉料软熔性能的影响4.3.1软熔性能304.3.2滴落性能图4.2VTM-CCB添加比例对综合滴落性能的影响4.3试验结果31图4.3VTM-CCB添加比例对综合炉料熔滴性能总特征值S的影响4.3.3透气性能4.3试验结果，S越小，综合炉料的透气性能越好dTPPSDSTTSm)(324.3.4软熔带位置及区间VTM-CCB添加比例提高，综合炉料软熔带位置呈下移趋势，软熔带宽度先收窄后变宽。图4.4VTM-CCB添加比例对综合炉料软熔带的影响137.2133.6134.9129.5132.71344.3试验结果334.3.5滴落铁中V,Cr含量及收得率图4.5VTM-CCB添加比例对滴落铁中V、Cr含量及收得率的影响4.3试验结果3420%VTM-CCBBase10%VTM-CCBVTM-CCB25%VTM-CCB30%VTM-CCB40%VTM-CCB黄长石类Ca2(Mg0.5Al0.5)(Si1.5Al0.5O7)钙钛矿CaTiO3镁硅钙石Ca3Mg(SiO4)2镁铝尖晶石MgAl2O4碳氮化钛Ti(C,N)4.3.6未滴落渣XRD分析图4.6未滴落渣XRD分析随着VTM-CCB添加比例增加，CaTiO3相逐渐增加，且生成高熔点的Ti(C,N)。4.3试验结果354.3.7滴落渣XRD分析20%VTM-CCBBase10%VTM-CCBVTM-CCB25%VTM-CCB30%VTM-CCB黄长石类Ca2(Mg0.5Al0.5