钒钛磁铁矿的冶炼工艺及冶炼系统的制作方法

本发明属于铁矿冶炼技术领域，具体涉及一种钒钛磁铁矿的冶炼工艺及冶炼系统。

背景技术：

攀枝花地区拥有非常丰富的钒钛磁铁矿资源，该矿石属于高钛型钒钛磁铁矿，因含有较高的tio2，其高炉冶炼技术与普通矿有很大的区别，冶炼过程中易出现炉渣过还原、黏度增加、渣铁分离困难、铁损高等现象，严重影响高炉的冶炼技术指标。

目前，国内外传统工业化处理钒钛磁铁矿的工艺主要是采用钠化提钒-回转窑-电炉法冶炼工艺。采用此工艺处理钒钛磁铁矿的企业有南非海威尔德钢铁公司、新西兰钢铁公司等。该工艺将钒钛磁铁矿精矿和钠盐混匀进行造球，然后在回转窑中氧化焙烧，使钒钛磁铁矿精矿中的钒氧化物在焙烧过程中转化成可溶性钒酸钠，通过水浸使钒酸钠溶于水中，实现钒与铁钛的分离。经过水浸的残球再送入回转窑进行还原，还原产品送入电炉熔分以获得铁水和钛渣，实现钛和铁的分离。

上述技术中，以tio2计，钒钛磁铁矿中的钛在电炉渣中的含量达到30％左右，如此高的含量会造成电炉渣的黏度增加，进而造成铁水和钛渣的分离较困难。因此，上述技术中钒钛磁铁矿中钛的回收利用率有待提高。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的是现有钒钛磁铁矿的冶炼技术存在钛的回收利用率低的缺陷，进而提供一种钒钛磁铁矿的冶炼工艺及冶炼系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明所提供的钒钛磁铁矿的冶炼工艺，包括如下步骤：

将粉状钒钛磁铁矿、兰炭粉和粘结剂混合造粒，得到颗粒物；

对颗粒物进行预还原，得到预还原后的颗粒物；

向预还原后的颗粒物中喷入兰炭粉和富氧空气，进行电弧冶炼直至形成熔池，利用兰炭粉的燃烧，进行熔池熔炼，得到钛渣和含钒铁水。

进一步地，所述颗粒物中粉状钒钛磁铁矿、兰炭粉和粘结剂的质量比为(4-5)：2：(2-4)；

所述预还原的温度为1000～1200℃、时间为120～240min。

进一步地，所述粘结剂为粘土、高岭土、凹凸棒土、膨润土和羧甲基纤维素钠中的至少一种；

所述兰炭粉中碳含量70-80wt％。

进一步地，在所述预还原之前，还包括将所述颗粒物于95-110℃下干燥0.5-1.5h至其含水量<2wt％的步骤。

进一步地，向预还原后的颗粒物中加入兰炭粉时，预还原后的颗粒与兰炭粉的质量比为(4-5)：2；

所述熔池熔炼的温度为1400-1550℃。

进一步地，还包括向预还原后的颗粒物中加入石灰石的步骤，所述石灰石与粉状钒钛磁铁矿的质量比为(1-2)：5；

所述颗粒物的直径为6-14mm；

所述富氧空气是指氧气的体积分数在25％以上。

进一步地，还包括将含钒铁水送入转炉进行转炉提钒，分离得到钒渣和铁水；铁水冷却后变成渣铁。

还包括将钛渣送入富集炉中进行富集，得到热熔渣和富集后钛渣，热熔渣用于制备人造铸石，富集后钛渣用于生产钛产品；

还包括回收电弧冶炼、熔池熔炼、转炉和富集炉中的高温烟气，并所述高温烟气送入电弧冶炼、熔池熔炼中作为补热，或者对所述高温烟气依次进行热量回收、沉降、除尘和脱硫脱硝后排空。

此外，本发明还提供了一种钒钛磁铁矿的冶炼系统，包括依次连通设置的预还原装置和熔融-深还原系统，所述熔融-深还原系统包括熔池熔炼-电弧炉，所述熔池熔炼-电弧炉包括，

炉体及设置于所述炉体的顶端的炉盖，当所述炉盖出于闭合状态时，所述炉体内部形成密封内腔，且沿远离所述炉体的顶端的方向上，所述炉体的下部包括依次连通设置的倒锥台和球缺体，所述倒锥台和球缺体形成适于物料在其中熔炼的熔池；

电极，设置于所述炉盖上，所述电极的放电端远离所述炉盖伸入所述炉体内部。

进一步地，所述熔池熔炼-电弧炉的上部设置还原物料进口，下部设置含钒铁水出口，底部设置钛渣排出口，顶端设置第二煤气出口；

所述预还原装置为回转窑，所述回转窑上分别设置钒钛磁铁进口、还原物料出口和第一煤气出口，所述还原物料出口与所述还原物料进口连通。

进一步地，所述熔融-深还原系统还包括转炉，所述转炉的上部分别设置含钒铁水进口和第三煤气出口，下部分别设置钒渣出口和半钢出口，所述含钒铁水进口与所述含钒铁水出口连通；

所述冶炼系统还包括富集炉，所述富集炉与所述钛渣排出口相连通，以通过所述富集炉对钛渣进行富集，并分离得到热熔渣和富集后钛渣。

进一步地，还包括，

煤气回收系统，包括依次连通设置的余热锅炉和沉降装置，所述余热锅炉分别与第一煤气出口、第二煤气出口和第三煤气出口连通，以回收并沉降所述熔池熔炼-电弧炉、转炉和富集炉中产生的高温烟气；

除尘装置，与所述沉降装置连通，以对高温烟气中的金属氧化物进行除尘处理；

脱硫脱硝装置，与所述除尘装置连通，以对除尘处理后的高温烟气进行脱硫脱硝处理。

进一步地，所述余热锅炉包括第一余热锅炉、第二余热锅炉和第三余热锅炉，所述第一余热锅炉与第一煤气出口连通，所述第二余热锅炉与第二煤气出口连通，所述第三余热锅炉与所述第三煤气出口连通；

所述沉降装置包括第一沉降装置、第二沉降装置和第三沉降装置，所述第一沉降装置与第一余热锅炉连通，所述第二沉降装置与第二余热锅炉连通，所述第三沉降装置与所述第三余热锅炉连通；

所述除尘装置包括第一除尘装置、第二除尘装置和第三除尘装置，所述第一除尘装置与第一沉降装置连通，所述第二除尘装置与第二沉降装置连通，所述第三除尘装置与所述第三沉降装置连通。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明所提供的钒钛磁铁矿的冶炼工艺，先将粉状钒钛磁铁矿、兰炭粉和粘结剂混合造粒，得到颗粒物；再对颗粒物进行预还原，得到预还原后的颗粒物；最后向预还原后的颗粒物中喷入兰炭粉和富氧空气，进行电弧冶炼直至形成熔池，利用兰炭粉的燃烧，进行熔池熔炼，得到钛渣和含钒铁水。该工艺在实现金属综合冶炼的同时，采用电弧冶炼和熔池熔炼相互配合将钒钛磁铁矿中的钒、钛选择性还原并富集，将高价铁氧化物还原成铁，并且在电弧冶炼过程中进行配碳，调控铁和钒的还原，达到精确还原、选择还原的目的，使钒钛磁铁矿中的钒和钛得到充分的回收利用，从而解决现有技术冶炼钒钛磁铁矿时钛的回收利用率低的问题。整个工艺流程具有结构简单、节能降耗、绿色环保的优势。

(2)本发明所提供的钒钛磁铁矿的冶炼工艺，通过控制颗粒物中粉状钒钛磁铁矿、兰炭粉和粘结剂的质量比以及预还原的温度和时间，一则便于后续电弧冶炼，二则能提高钒、钛的选择性还原及富集效果。通过向预还原后的颗粒物中加入特定质量的石灰石，便于渣铁分离。通过控制电弧冶炼的温和熔池熔炼的温度，可防止产生tic、tin等高熔点物质。

(3)本发明所提供的钒钛磁铁矿的冶炼系统，包括依次连通设置的预还原装置和熔融-深还原系统，熔融-深还原系统包括熔池熔炼-电弧炉，熔池熔炼-电弧炉包括炉体及设置于炉体的顶端的炉盖，当炉盖出于闭合状态时，炉体内部形成密封内腔，且沿远离所述炉体的顶端的方向上，炉体的下部包括依次连通设置的倒锥台和球缺体，倒锥台和球缺体形成适于物料在其中熔炼的熔池；电极，设置于所述炉盖上，所述电极的放电端远离所述炉盖伸入所述炉体内部。该冶炼系统通过预还原装置和熔融-深还原系统形成多联炉群系统，实现了物料冶炼过程的分步操作，能够全方位的对含金属资源进行无害化处理，对多种金属元素进行有效回收，同时所述系统生产的物料范围宽、炉况连续稳定、能耗成本大幅度降低。

(4)本发明的熔池熔炼电弧炉系统能源结构更加灵活，在电能充足的地区可多用电少用兰炭(煤)；在电能不足的地区，可多喷氧和兰炭(煤)作为能源，少用电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中钒钛磁铁矿的冶炼工艺的流程图；

图2为本发明实施例中钒钛磁铁矿的冶炼系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中熔池熔炼-电弧炉的结构示意图；

附图标记说明：

1-干燥装置；2-预还原装置；3-熔池熔炼-电弧炉；4-转炉；5-富集炉；6-余热锅炉；6-1-第一余热锅炉；6-2-第二余热锅炉；6-3-第三余热锅炉；6-4-第四余热锅炉；7-除尘装置；8-脱硫脱硝装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供了一种钒钛磁铁矿的冶炼工艺，包括如下步骤：

(1)取1000kg的钒钛磁铁精矿(成分：tfe51.56％，tio212.73％，v2o50.564％)、400kg的含水量低于10wt％的兰炭粉(其中碳含量75wt％)及600kg的羧甲基纤维素钠混合造粒，制成直径为10mm的球团状的颗粒物，在干燥机内于100℃下干燥1h，使颗粒物的含水量<2wt％；

(2)将干燥后的颗粒物通过布料机均匀铺在回转窑的底部，厚度4cm，通过兰炭粉的燃烧加热至1100℃，还原200min，预还原结束后颗粒物的金属化率达到70％以上；

(3)向预还原后的颗粒物中喷入兰炭粉和石灰石粉，其中预还原后的颗粒与兰炭粉的质量比为4.5：2，石灰石与粉状钒钛磁铁矿的质量比为1.5：5，然后通过进料口加入到熔融-深还原系统中，金属化炉料进入熔池熔炼-电弧炉中时的温度为800℃，喷入富氧空气(氧气的体积分数在25％以上)，一开始采用电极放热进行电弧冶炼直至形成熔池后提起电极，接着利用兰炭粉的燃烧放热提供热量，控制熔池熔炼-电弧炉内温度在1500℃，进行熔池熔炼，兰炭粉一部分作为放热剂燃烧提供热量，另一部分作为还原剂还原铁精矿中的fe和v，ti未被还原进入渣中，得到高温50钛渣和含钒铁水；

(4)含钒铁水送入转炉进行转炉提钒，在1300℃的条件下通入氧气，将钒氧化进入渣中，分离得到钒渣和铁水，铁水冷却后变成渣铁(也即半钢)；高温50钛渣中钛的含量为47.63wt％，此时将高温50钛渣直接进入超重力富集炉，在超重力富集炉中富集钛，从而生成70钛渣，剩余的热熔渣直接用于制造人工铸石，人工铸石用来制备抗菌净化炫晶板；

(5)在冶炼工艺过程中，回收电弧冶炼、熔池熔炼、转炉和超重力富集炉中的高温烟气，该高温烟气为1600℃下的co气体，并将所述高温烟气送入电弧冶炼、熔池熔炼中作为补热熔化铁精矿，循环使用。经测试，钒钛磁铁精矿中钛的回收率在99.5％以上，铁的回收率在99.0％以上，钒的回收率在99.7％以上。

实施例2

本实施例提供了一种钒钛磁铁矿的冶炼工艺，如图1所示，包括如下步骤：

(1)取800kg的钒钛磁铁精矿(成分：tfe51.56％，tio212.73％，v2o50.564％)、400kg的含水量低于10wt％的兰炭粉(其中碳含量75wt％)及400kg的羧甲基纤维素钠混合造粒，制成直径为6mm的球团状的颗粒物，在干燥机内于95℃下干燥1.5h，使颗粒物的含水量<2wt％；

(2)将干燥后的颗粒物通过布料机均匀铺在回转窑的底部，厚度5cm，通过兰炭粉的燃烧加热至1000℃，还原240min，预还原结束后颗粒物的金属化率达到70％以上；

(3)向预还原后的颗粒物中喷入兰炭粉和石灰石粉，其中预还原后的颗粒与兰炭粉的质量比为4：2，石灰石与粉状钒钛磁铁矿的质量比为2：5，然后通过进料口加入到熔融-深还原系统中，金属化炉料进入熔池熔炼-电弧炉中时的温度为800℃，喷入富氧空气(氧气的体积分数在25％以上)，一开始采用电极放热进行电弧冶炼直至形成熔池后提起电极，接着利用兰炭粉的燃烧放热提供热量，控制熔池熔炼-电弧炉内温度在1400℃，进行熔池熔炼，兰炭粉一部分作为放热剂燃烧提供热量，另一部分作为还原剂还原铁精矿中的fe和v，ti未被还原进入渣中，得到高温50钛渣和含钒铁水；

(4)含钒铁水送入转炉进行转炉提钒，在1450℃的条件下通入氧气，将钒氧化进入渣中，分离得到钒渣和铁水，铁水冷却后变成渣铁(也即半钢)；此时将高温50钛渣直接进入超重力富集炉，在超重力富集炉中富集钛，从而生成70钛渣，剩余的热熔渣直接用于制造人工铸石；

(5)在冶炼工艺过程中，回收电弧冶炼、熔池熔炼、转炉和超重力富集炉中的高温烟气，并对所述高温烟气依次进行热量回收、沉降、除尘和脱硫脱硝后排空。经测试，钒钛磁铁精矿中钛的回收率在99.5％以上，铁的回收率在99.0％以上，钒的回收率在99.7％以上。

实施例3

本实施例提供了一种钒钛磁铁矿的冶炼工艺，包括如下步骤：

(1)取900kg的钒钛磁铁精矿(成分：tfe51.56％，tio212.73％，v2o50.564％)、400kg的含水量低于10wt％的兰炭粉(其中碳含量75wt％)及800kg的羧甲基纤维素钠混合造粒，制成直径为14mm的球团状的颗粒物，在干燥机内于110℃下干燥0.5h，使颗粒物的含水量<2wt％；

(2)将干燥后的颗粒物通过布料机均匀铺在回转窑的底部，厚度3cm，通过兰炭粉的燃烧加热至1200℃，还原120min，预还原结束后颗粒物的金属化率达到70％以上；

(3)向预还原后的颗粒物中喷入兰炭粉和石灰石粉，其中预还原后的颗粒与兰炭粉的质量比为5：2，石灰石与粉状钒钛磁铁矿的质量比为1：5，然后通过进料口加入到熔融-深还原系统中，金属化炉料进入熔池熔炼-电弧炉中时的温度为800℃，喷入富氧空气(氧气的体积分数在25％以上)，一开始采用电极放热进行电弧冶炼直至形成熔池后提起电极，接着利用兰炭粉的燃烧放热提供热量，控制熔池熔炼-电弧炉内温度在1550℃，进行熔池熔炼，兰炭粉一部分作为放热剂燃烧提供热量，另一部分作为还原剂还原铁精矿中的fe和v，ti未被还原进入渣中，得到高温50钛渣和含钒铁水；

(4)含钒铁水送入转炉进行转炉提钒，在1200℃的条件下通入氧气，将钒氧化进入渣中，分离得到钒渣和铁水，铁水冷却后变成渣铁(也即半钢)；将高温50钛渣直接进入超重力富集炉，在超重力富集炉中富集钛，从而生成70钛渣，剩余的热熔渣直接用于制造人工铸石；

(5)在冶炼工艺过程中，回收电弧冶炼、熔池熔炼、转炉和超重力富集炉中的高温烟气，并对所述高温烟气依次进行热量回收、沉降、除尘和脱硫脱硝后排空。经测试，钒钛磁铁精矿中钛的回收率在99.5％以上，铁的回收率在99.0％以上，钒的回收率在99.7％以上。

实施例4

本实施例提供了一种钒钛磁铁矿的冶炼系统，如图2所示，包括依次连通设置的干燥装置1、预还原装置2和熔融-深还原系统，例如，干燥装置1为干燥机，预还原装置2为回转窑，熔融-深还原系统包括熔池熔炼-电弧炉3，熔池熔炼-电弧炉3包括，

炉体及设置于炉体的顶端的炉盖，当炉盖出于闭合状态时，炉体内部形成密封内腔，且沿远离炉体的顶端的方向上，炉体的下部包括依次连通设置的倒锥台和球缺体，倒锥台和球缺体形成适于物料在其中熔炼的熔池；具体地，如图3所示，球缺体的曲率半径r与倒锥台大口端的宽度d的长度比为(1.5-1.8):1，球缺体的高度h2与倒锥台大口端的宽度d的长度比为(0.15-0.2):1，球缺体的高度h2与倒锥台的高度h1的长度比为1：(4-6)，这样设置能提高金属炉料在熔池熔炼-电弧炉3中的熔融效果，最终有利于提高金属的分离效果；

电极，设置于炉盖上，电极的放电端远离炉盖伸入所述炉体内部。

上述装置中，通过预还原装置2和熔融-深还原系统形成多联炉群系统，实现了物料冶炼过程的分步操作，能够全方位的对含金属资源进行无害化处理，对多种金属元素进行有效回收，同时所述系统生产的物料范围宽、炉况连续稳定、能耗成本大幅度降低。

进一步地，熔池熔炼-电弧炉3的上部设置还原物料进口，下部设置含钒铁水出口，底部设置钛渣排出口，顶端设置第二煤气出口；

回转窑上分别设置钒钛磁铁进口、还原物料出口和第一煤气出口，还原物料出口与还原物料进口连通。

进一步地，熔融-深还原系统还包括转炉4，转炉4的上部分别设置含钒铁水进口和第三煤气出口，下部分别设置钒渣出口和半钢出口，含钒铁水进口与含钒铁水出口连通；

冶炼系统还包括富集炉5，富集炉5与钛渣排出口相连通，以通过富集炉5对钛渣进行富集，并分离得到热熔渣和富集后钛渣。

更具体地，炉体侧壁底部设置有用于向炉体内导入热气体的至少一个第一进口，每个第一进口连接有一个进气管，每个进气管与补热装置相连接；炉体底部设置有用于排出液体的第一出口以及用于排放炉渣的第二出口；第一出口连接有出液管，第二出口连接有放渣管；用于导出烟气的第三出口，第三出口设置于炉体的侧壁，第三出口连接有排气管，排气管与排气装置连接；炉盖上设置进料口，进料口上设置有封盖。

优选地，出液管与炉体内腔底面平齐，第一出口位于第二出口的下方。

进一步地，还包括煤气回收系统，包括依次连通设置的余热锅炉6和沉降装置，余热锅炉6分别与第一煤气出口、第二煤气出口和第三煤气出口连通，以回收并沉降熔池熔炼-电弧炉3、转炉4和富集炉5中产生的高温烟气；

除尘装置7，与沉降装置连通，以对高温烟气中的金属氧化物进行除尘处理；

脱硫脱硝装置8，与除尘装置连通，以对除尘处理后的高温烟气进行脱硫脱硝处理。

优选地，余热锅炉包括第一余热锅炉6-1、第二余热锅炉6-2和第三余热锅炉6-3，第一余热锅炉6-1与第一煤气出口连通，第二余热锅炉6-2与第二煤气出口连通，第三余热锅炉6-3与第三煤气出口连通；

沉降装置包括第一沉降装置、第二沉降装置和第三沉降装置，第一沉降装置与第一余热锅炉6-1连通，第二沉降装置与第二余热锅炉6-2连通，第三沉降装置与第三余热锅炉6-3连通；

除尘装置7包括第一除尘装置、第二除尘装置和第三除尘装置，第一除尘装置与第一沉降装置连通，第二除尘装置与第二沉降装置连通，第三除尘装置与第三沉降装置连通。

进一步地，还包括依次连接的破碎机、混料机和烘干机，以将钒钛磁铁精矿破碎、混合和干燥。

该装置的调控能力强，炉内气氛和熔池特性可控，实现选择反应的同时还可控制反应；大动能搅拌，熔体旋转，优化了传质传热传输条件，生产效率高、能效高、成本低；针对性处理钒钛磁铁矿，实现钛高品位富集，回收率高；以兰炭(低廉燃料)、氧气、电能为主要能源，达到节能降耗及高效的目的；产出的炉渣可满足直接制备人造铸石原料条件，能够完全做到无渣化处理，达到资源“变废为宝”的最大化利用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。