铁基多金属矿料的熔炼方法及熔炼装置与流程

本发明涉及金属冶炼领域，具体而言，涉及一种铁基多金属矿料的熔炼方法及熔炼装置。

背景技术：

钒钛磁铁矿是一种较难冶炼的矿石。目前已成熟应用的钒钛磁铁矿冶炼工艺主要有两种：一是高炉法，其主要是先将钒钛磁铁矿经过烧结或造球后加入高炉中，回收铁和钒。目前应用该工艺进行冶炼的主要有中国的攀钢和承钢、俄罗斯的下塔吉尔钢厂等。二是回转窑-电炉法。其主要是采用回转窑预还原钒钛磁铁矿铁精矿，得到焙砂；然后将焙砂加入电炉中进行还原熔炼，以回收铁和钒。目前应用该工艺进行冶炼的主要有新西兰钢铁和南非海威尔德等。而其他钒钛磁铁矿冶炼工艺，大多处于研究或工业化试验阶段，并未实现规模化的工业生产。

高炉法是最早开发用于处理钒钛磁铁矿铁精矿的方法，其能够回收约90％的铁、约50％的钒，但是钛元素未能回收。高炉法处理钒钛磁铁矿的主要优点是生产效率高、生产规模大，缺点是综合能耗高、流程长、渣铁难分、粘渣和脱硫能力低。此外高炉法对渣中tio2的含量要求较高，一般要低于25％。

回转窑-电炉法的特点是可将经选矿得到的钒钛磁铁矿精矿直接用于冶炼，流程短，铁、钒的回收率均高于高炉法，但目前也未能回收利用钛渣。现有技术(cn107858502a)提供了一种钒钛磁铁矿处理方法，该处理方法先对钒钛磁铁矿粗矿依次进行矿选、回转窑预还原、电炉还原熔炼和转炉吹炼，得到钒渣和半钢。相比于高炉法，回转窑-电炉法的综合能耗低，且无需炼焦、烧结，环境排放指标更优。回转窑-电炉法缺点是综合能耗仍然较高，且对电力能源的依赖性强，在电力资源匮乏或电力成本高的地区难以推广。

鉴于上述问题的存在，有必要提供一种针对铁基多金属矿料的低能耗和高回收率的熔炼方法。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种铁基多金属矿料的熔炼方法及熔炼装置，以解决现有的熔炼工艺存在的能耗高和原料适应性不强的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铁基多金属矿料的熔炼方法，铁基多金属矿料包含铁元素、钛元素和钒元素，上述熔炼方法采用的熔炼系统包括相连通的熔池熔炼装置和电热还原装置，熔池熔炼装置设置有第一加料口和第二加料口，且第一加料口设置在熔池熔炼装置的顶部，第二加料口设置在熔池熔炼装置的侧壁上，电热还原装置设置有排渣口和金属排放口，熔炼方法包括：将铁基多金属矿料、燃料、熔剂及富氧空气输送至熔池熔炼装置中进行熔融及部分还原，得到熔融液；将熔融液和还原剂输送至电热还原装置进行还原熔炼，得到铁水和熔渣。

进一步地，熔池熔炼装置为侧吹浸没式熔池熔炼装置，熔融步骤包括：将铁基多金属矿料和熔剂经熔池熔炼装置的第一加料口和/或第二加料口加入熔池熔炼装置的熔池中，并将至少一个第一侧吹喷枪浸没在熔池中，然后采用第一侧吹喷枪将燃料和富氧空气喷入熔池，以进行熔融及部分还原过程，得到熔融液；优选地，熔融步骤的温度为1450～1650℃，优选为1500～1600℃；优选地，燃料选自天然气、煤气和粉煤组成的组中的一种或多种；优选地，富氧空气为氧气的体积浓度大于50％的气体。

进一步地，还原熔炼的步骤还包括：将熔融液输送至电热还原装置中，采用第二侧吹喷枪和/或顶吹喷枪将还原剂喷入电热还原装置的液面上方。

进一步地，还原熔炼步骤的温度为1450～1650℃；优选地，还原熔炼步骤的温度为1500～1600℃。

进一步地，在进行熔融及部分还原步骤之前，熔炼方法还包括：对铁基多金属矿料、燃料、熔剂和还原剂分别进行预处理，以铁基多金属矿料、燃料、熔剂和还原剂的粒度均≤-50mm，含水量均≤15wt％；优选地，熔池熔炼系统还包括与第一加料口和/或第二加料口相连通的圆筒混料装置，在进行熔融步骤中之前，熔炼方法还包括采用圆筒混料装置进行混料。

进一步地，熔炼系统还包括余热回收装置，熔炼方法还包括余热回收的步骤，余热回收的步骤包括：采用余热回收装置回收熔融步骤和还原熔炼步骤中产生的烟气中的热量；优选地，余热回收装置为余热锅炉。

进一步地，经余热回收处理后，烟气的温度降至100～200℃。

进一步地，熔炼系统还包括收尘装置，熔炼方法还包括：将烟气进行余热回收处理后，采用收尘装置进行收尘处理。

进一步地，以占铁基多金属矿料的重量百分含量计，熔剂的用量为0～20％。

进一步地，铁基多金属矿料选自钒钛磁铁矿和/或海砂矿。

本申请的另一方面还提供了一种处理铁基多金属矿料的熔炼装置，铁基多金属矿料包含铁元素、钛元素和钒元素，熔炼装置包括熔池熔炼装置和电热还原装置，熔池熔炼装置设置有第一加料口和第二加料口及熔融液出口，且第一加料口设置在熔池熔炼装置的顶部，第二加料口设置在熔池熔炼装置的侧壁上；及电热还原装置设置有排渣口和金属排放口及熔融液入口，熔融液入口与熔融液出口相连通。

进一步地，熔池熔炼装置为侧吹浸没式熔池熔炼装置，熔池熔炼装置包括至少一个第一侧吹喷枪，第一侧吹喷枪的喷嘴经第二加料口浸没在熔池熔炼装置中的熔池的液面以下，以向熔池喷入燃料和富氧空气。

进一步地，电热还原装置包括：至少一个电极、至少一个第二侧吹喷枪和至少一个顶吹喷枪，电极的末端位于电热还原装置中的液相物料下方，用于向电热还原过程供热；第二侧吹喷枪的喷嘴与顶吹喷枪的喷嘴均位于电热还原装置中的液面上方，用于将还原剂喷入电热还原装置；优选地，各第二侧吹喷枪分别设置在电热还原装置的相对的侧壁上。

进一步地，熔池熔炼装置还设置有第一烟道，第一烟道与熔池熔炼装置的熔池相连通。

进一步地，电热还原装置还设置有第二烟道，第二烟道与电热还原装置的还原腔相连通。

应用本发明的技术方案，针对现有高炉、回转窑-电炉技术存在能耗高、原料适应性不强等问题，本申请采用富氧熔池熔炼装置与电热还原装置的两联炉技术，将铁基多金属精矿和燃料直接入炉的短流程，从而省去回转窑冶炼或烧结等预处理工序。采用高效的熔池熔炼与电热还原相结合的工艺能够有效提高钒元素的回收率，同时还具有降低综合能耗、提升环境排放指标等优势。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一种典型的实施方式提供的铁基多金属矿料的熔炼方法的工艺流程图；

图2示出了根据本发明的一种典型的实施方式提供的铁基多金属矿料的熔炼方法中涉及的装置图；以及

图3示出了根据本发明的一种典型的实施方式提供的铁基多金属矿料的熔炼装置的结构示意图；

图4示出了图3所示的熔池熔炼装置在a-a方向上的结构示意图；

图5示出了图3所示的电热还原装置在c-c方向上的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、熔池熔炼装置；11、第一侧吹喷枪；12、第一烟道；101、第一加料口；102、第二加料口；

20、电热还原装置；21、电极；22、第二侧吹喷枪；23、顶吹喷枪；24、第二烟道；201、排渣口；202、金属排放口；30、圆筒混料装置；40、余热回收装置；50、收尘装置。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术所描述的，现有的熔炼工艺存在能耗高和原料适应性不强的问题。为了解决上述技术问题，如图1至5所示，本申请提供了一种铁基多金属矿料的熔炼方法，铁基多金属矿料包含铁元素、钛元素和钒元素，熔炼方法采用的熔炼系统包括相连通的熔池熔炼装置10和电热还原装置20，熔池熔炼装置10设置有第一加料口101和第二加料口102，且第一加料口101设置在熔池熔炼装置10的顶部，第二加料口102设置在熔池熔炼装置10的侧壁上，电热还原装置20设置有排渣口201和金属排放口202，上述熔炼方法包括：将铁基多金属矿料、燃料、熔剂及富氧空气输送至熔池熔炼装置10中进行熔融及部分还原，得到熔融液；将熔融液和还原剂输送至电热还原装置20进行还原熔炼，得到铁水和熔渣。

针对现有高炉、回转窑-电炉技术存在能耗高、原料适应性不强等问题，本申请采用富氧熔池熔炼装置10与电热还原装置20的两联炉技术，将铁基多金属精矿和燃料直接入炉的短流程，从而省去回转窑冶炼或烧结等预处理工序。采用高效的熔池熔炼与电热还原相结合的工艺能够有效提高钒元素的回收率，同时还具有降低综合能耗、提升环境排放指标等优势。

在一种优选的实施例中，熔池熔炼装置10为侧吹浸没式熔池熔炼装置，熔融步骤包括：将铁基多金属矿料和熔剂经熔池熔炼装置10的第一加料口101和/或第二加料口102加入熔池熔炼装置10的熔池中，并将至少一个第一侧吹喷枪11浸没在熔池中，然后采用第一侧吹喷枪11将燃料和富氧空气喷入熔池，以进行熔融及部分还原过程，得到熔融液。

采用侧吹浸没式熔池熔炼装置作为熔池熔炼装置有利于进一步提高铁基多金属矿料的的熔炼效率。而采用第一侧吹喷枪11将燃料和富氧空气喷入熔池熔炼装置10的液相物料下方能够对其中的熔融液形成强烈搅动，从而有利于提高传质传热效率，同时，这也有利于提高后续钒元素等的回收率。为了进一步提高熔炼效率，优选地，熔融步骤的温度为1450～1650℃，优选为1500～1600℃。

上述熔炼方法中，燃料可以采用本领域常用的种类。优选地，燃料选自天然气、煤气和粉煤组成的组中的一种或多种。采用上述燃料还有利于降低工艺成本。优选地，燃烧系数控制在0.4～0.65。优选地，富氧空气为氧气的体积浓度大于50％的气体。为了使燃料更加充分的燃烧，以提高燃料转化为热能的效率，优选地，富氧空气为氧气的体积浓度大于50％的气体。采用上述富氧空气有利于进一步提高熔融步骤的效率。

在一种优选的实施例中，还原熔炼的步骤还包括：将熔融液输送至电热还原装置20中，采用第二侧吹喷枪22和/或顶吹喷枪23将还原剂喷入电热还原装置20的液面上方。采用第二侧吹喷枪22和/或顶吹喷枪23将还原剂喷入可以提高熔融液与还原剂的接触面积，以使二者充分反应，进而强化金属钒的还原过程。将还原剂在电热还原装置20的液面上方喷入，有利于抑制原料的加入对电热还原装置20的液面造成搅动，从而降低其对贫化过程中含钒铁水和钛渣的分离效率的影响。

为了进一步提高钒元素的回收率，在一种优选的实施例中，还原熔炼的温度为1450～1650℃；优选地，还原熔炼步骤的温度为1500～1600℃。

在一种优选的实施例中，在进行熔融及部分还原步骤之前，熔炼方法还包括：对铁基多金属矿料、燃料、熔剂和还原剂分别进行预处理，以铁基多金属矿料、燃料、熔剂和还原剂的粒度均≤-50mm，含水量均≤15wt％。铁基多金属矿料的粒度和含水量包括但不限于上述范围，而将其限定在上述范围内有利于提高铁基多金属原料的熔融效率。

优选地，熔池熔炼系统还包括与第一加料口101和第二加料口102相连通的圆筒混料装置30，在进行熔融步骤中之前，熔炼方法还包括采用圆筒混料装置30进行混料。

上述熔炼过程中会产生一定量的烟气，通常这些烟气中包含较高的热量。为了降低能量的损耗，在一种优选的实施例中，熔炼系统还包括余热回收装置40，熔炼方法还包括余热回收的步骤，余热回收的步骤包括：采用余热回收装置40回收熔化及部分还原步骤和还原熔炼步骤中产生的烟气中的热量。优选地，上述余热回收装置40为余热锅炉。更优选地，经余热回收处理后，烟气的温度降至100～200℃

上述熔炼过程产生的烟气中通常会夹带一定量的粉尘，为了提高整个工艺的环保性，在一种优选的实施例中，熔炼系统还包括收尘装置50，熔炼方法还包括：将烟气进行余热回收处理后，采用收尘装置50进行收尘处理。

在一种优选的实施例中，以占铁基多金属矿料的重量百分含量计，熔剂的用量为0～20％。将熔剂用量限定在上述范围内，有利于控制钛渣中钛元素的含量，以便于后续对其进行进一步地应用。

在一种优选的实施例中，铁基多金属矿料选自钒钛磁铁矿和/或海砂矿。

本申请的另一方面还提供了一种处理铁基多金属矿料的熔炼装置，如图2至5所示，铁基多金属矿料包含铁元素、钛元素和钒元素，熔炼装置包括：熔池熔炼装置10和电热还原装置20，熔池熔炼装置10设置有第一加料口101和第二加料口102及熔融液出口，且第一加料口101设置在熔池熔炼装置10的顶部，第二加料口102设置在熔池熔炼装置10的侧壁上；及电热还原装置20设置有排渣口201和金属排放口202及熔融液入口，熔融液入口与熔融液出口相连通。

针对现有高炉或回转窑-电炉熔炼装置存在能耗高、原料适应性不强等问题，本申请采用富氧熔池熔炼装置10与电热还原装置20的两联炉技术，采取铁基多金属精矿和燃料直接入炉的短流程工艺，从而省去了回转窑熔炼或烧结等预处理工序。采用高效的熔池熔炼装置10与电热还原装置20相结合的熔炼装置能够有效提高钒元素的回收率，同时还具有降低综合能耗、提升环境排放指标等优势。

在一种优选的实施例中，熔池熔炼装置10为侧吹浸没式熔池熔炼装置，熔池熔炼装置10包括至少一个第一侧吹喷枪11，第一侧吹喷枪11的喷嘴经第二加料口102浸没在熔池熔炼装置10中的熔池的液面以下，以向熔池喷入燃料和富氧空气。采用第一侧吹喷枪11将燃料和富氧空气喷入熔池熔炼装置10能够对其中的熔融液形成强烈搅动，从而有利于提高传质传热效率，同时，这也有利于提高后续钒元素等的回收率。

在一种优选的实施例中，电热还原装置20包括：至少一个电极21、至少一个第二侧吹喷枪22和至少一个顶吹喷枪23，电极21的末端位于电热还原装置20中的液相物料下方，用于向电热还原过程供热；第二侧吹喷枪22的喷嘴与顶吹喷枪23的喷嘴均位于电热还原装置20中的液面上方，用于将还原剂喷入电热还原装置20；优选地，各第二侧吹喷枪22分别设置在电热还原装置20的相对的侧壁上。优选地，电极21为石墨电极。

采用第二侧吹喷枪22和/或顶吹喷枪23将还原剂喷入可以提高熔融液与还原剂的接触面积，以使二者充分反应。同时将还原剂在电热还原装置20的液面上方喷入，有利于抑制原料的加入对电热还原装置20的液面造成搅动，从而降低其对贫化过程中含钒铁水和钛渣的分离效率的影响。

上述熔炼过程中会产生一定量的烟气，为了便于烟气的排出，优选地，熔池熔炼装置10还设置有第一烟道12，第一烟道12与熔池熔炼装置10的熔池相连通。优选地，电热还原装置20还设置有第二烟道24，第二烟道24与电热还原装置20的还原腔相连通。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

实施例1至8中铁基多金属矿料的组成为fe45～62wt％、tio27～20wt％、v2o50.1～1.2wt％，其余为杂质，工艺流程如图1所示。

实施例1

如图2至5所示，熔池熔炼装置包括相连通的熔池熔炼装置10和电热还原装置20，熔池熔炼装置10设置有第一加料口101和第二加料口102，且第一加料口101设置在熔池熔炼装置10的顶部，第二加料口102设置在熔池熔炼装置10的侧壁上，电热还原装置20设置有排渣口201和金属排放口202。第一侧吹喷枪11的喷嘴经第二加料口102浸没在熔池熔炼装置10中的熔池的液面以下，以向熔池喷入燃料和富氧空气。

电热还原装置20设3根电极21(自焙电极)，采用交流供电。设一个第二侧吹喷枪22和一个顶吹喷枪23。各电极21的末端位于电热还原装置20的液相物料下方，用于向电热还原过程供热；第二侧吹喷枪22的喷嘴位于电热还原装置20的液面上方，用于将还原剂喷入电热还原装置20。冶炼过程中还原熔炼温度为1600℃。

经上述熔炼过程，钒元素的回收率为95wt％，铁元素的回收率为87wt％。

实施例2

与实施例1的区别为：

熔池熔炼装置10中不采用浸没式侧吹喷枪喷入燃料。

经上述熔炼过程，钒元素的回收率为93wt％，铁元素的回收率为88wt％，综合能耗比实例1高7％。

实施例3

与实施例1的区别为：还原熔炼的温度为1550℃。

经上述熔炼过程，钒元素的回收率为84wt％，铁元素的回收率为83wt％，综合能耗比实例1高6％。

实施例4

与实施例1的区别为：入炉物料从第一加料口101加入，不从第二加料口102通过惰性气体喷入。

经上述熔炼过程，钒元素的回收率为92wt％，铁元素的回收率为85wt％，综合能耗比实例1高5％。

实施例5

与实施例1的区别为：入炉物料一部分从第一加料口101加入，另一部分同时从第二加料口102喷入。

经上述熔炼过程，钒元素的回收率为钒元素的回收率为98wt％，铁元素的回收率为87wt％。

实施例6

与实施例1的区别为：电极21的数量为2根。

经上述熔炼过程，钒元素的回收率为钒元素的回收率为94wt％，铁元素的回收率为87wt％。

实施例7

与实施例1的区别为：电极21的材质为石墨电极。

经上述熔炼过程，钒元素的回收率为钒元素的回收率为92wt％，铁元素的回收率为86wt％。

实施例8

与实施例1的区别为：采用顶吹喷枪23加入还原剂。

经上述熔炼过程，钒元素的回收率为94wt％，铁元素的回收率为87wt％，综合能耗比实例1高5％。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：相比于现有的冶炼工艺，本申请采用高效的熔池熔炼与电热还原相结合的工艺能够有效提高钒元素的回收率，同时还具有降低综合能耗、提升环境排放指标等优势。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。