我国钒钛磁铁矿直接还原分析

我国钒钛磁铁矿直接还原分析
摘要
本文概括地介绍了我国钒钛磁铁矿资源分布情况。

钒钛磁铁矿是重要的资源，世界各国的研究及生产实践表明，使用高炉冶炼法钒钛磁铁矿是难以冶炼的铁矿石。

因此钒钛磁铁矿冶炼大量使用非高炉冶炼法，即采用直接还原法。

本文详细地阐述了直接还原法中隧道窑、回转窑、转底炉、竖炉这四种常见炉的结构、反应原理、国内工艺现状及反应特点，并指出了我国钒钛磁铁矿直接还原工艺的发展方向。

关键词钒钛磁铁矿直接还原隧道窑回转窑转底炉竖炉
前言
目前国外钒钛磁铁矿主要分布在南非、前苏联、新西兰、加拿大、印度等地。

我国钒钛磁铁矿矿床分布广泛，储量吩咐，储量和开采量居全国铁矿的第3位。

已探明储量98.3亿吨，远景储量达300亿吨以上，主要分布在四川攀枝花地区、河北承德地区、陕西洋县、甘肃什斯镇、广东兴宁几山西代县等地区。

钒钛磁铁矿冶炼的利用问题，远在上19世纪上半叶，瑞典、挪威、美国、英国都进行过试验，均未取得结果。

20世纪30年代开始日本、前苏联开始在不同容积的高炉上研究冶炼钒钛磁铁矿的工艺，结论是：炉渣中TiO2 限制在16%以下，实际生产中采用配10%—15%的普通矿冶炼含钒生铁，渣中TiO2为9%—10%，TiO2含量越高冶炼难度越大。

世界各国的研究及生产实践表明，钒钛磁铁矿是难以冶炼的铁矿石。

通过多年的努力，钒钛磁铁矿已解决高炉冶炼等多项技术难题，逐渐形成了以高炉-转炉流程为主的综合回收其中铁、钒和钛的技术路线，实现了铁、钒和钛元素的大规模化利用，形成了铁钒钛系列产品的大规模工业生产能力。

然而高炉-转炉流程最大的缺点是：为了利用钒钛磁铁矿中的铁和钒浪费了大量的高钛型炉渣，造成钛资源的严重浪费，又造成很大的污染，从而形成了巨大的环境压力，所以开发适宜钒钛磁铁矿综合回收利用的工艺流程势在必行。

本文对钒钛磁铁矿煤基直接还原工艺的炉体结构、原理、特点、现状、投资价格进行简单探讨，指出煤制气-竖炉直接还原工艺为还原钒钛磁铁矿的发展提供新的途径。

直接还原指在低于矿石熔化温度下，通过固态还原把铁矿石炼制成铁的工艺过程。

直接还原铁的特点是碳、硅含量低，成分类似钢，实际上也代替废钢用于炼钢。

作为传统工艺的补充，钒钛磁铁矿直接还原工艺以其环保、原料广泛的特点受到了市场的青睐。

按还原剂的不同，直接还原工艺分为煤基直接还原和气基直接还原。

气基直接还原方式生产直接还原铁在国外一直占有较大的市场份额。

我国煤基直接还原钒钛磁铁矿已经得到了广泛的应用。

隧道窑、回转窑、转底炉和竖炉的结构与还原原理
隧道窑结构与还原原理
结构：隧道窑的横截面为上部呈圆拱形，下部呈长方形，其长度从30—200m 不等，是从砖窑移植过来的。

隧道窑底部铺设有铁轨，窑车在铁轨上进行，物料放在还原罐内，还原罐整齐地放在窑车上，窑车在隧道窑内缓慢进行。

原理：隧道窑生产直接还原铁工艺是将铁原料、还原剂、脱硫剂按工艺要求加工好，按照一定的比例和装料方法，分别装入还原罐中，放在台车上推入隧道窑中，通入煤气点燃，料罐中的原料经预热，在1000—1200°C的温度条件下还原，在保持足够的还原时间和冷却时间后，得到直接还原铁。

回转窑结构与还原原理
结构：回转窑是一个倾斜放置的旋转圆筒体，其内壁上砌有耐火材料。

规格为筒体内径有效长度表示。

原理：窑体旋转很慢，由钒钛磁铁矿、细粒煤及脱煤及脱硫剂组成的物料在摩擦力作用下被窑体带起，超过物料运动角后，在重力作用下，自堆尖滚落到底部。

因窑体倾斜，物料也前移一段距离。

同一回转窑内，物料在窑内的停留时间与填充率成正比。

转底炉结构与还原原理
结构：转底炉(RHF)工艺的主体设备转底炉是由轧钢使用的环形加热炉演变而来,是一个平坦的、内有耐火材料衬的可以转动的环形高温窑炉。

其烧嘴位于炉膛上部,所用燃料可以是天然气、燃油、煤粉等。

原理：转底炉直接还原技术是铁矿粉（或红土镍矿、钒钛磁铁矿、硫酸渣或冶金粉尘、除尘灰、炼钢污泥等）经配料、混料、制球和干燥后的含碳球团加入到具有环形炉膛和可转动的炉底的转底炉中，在1350 ℃左右炉膛温度下，在随着炉底旋转一周的过程中，铁矿被碳还原。

竖炉结构与还原原理
结构：竖炉主要由烟罩、炉体钢结构、炉体砌砖、导风墙和干燥床、卸料器、供风和煤气管路等结构组成，分为上料系统、还原段、冷却段、排料系统、尾气净化系统等。

原理：竖炉还原流程由竖炉还原带、炉顶煤气换热器、炉顶煤气激冷/洗涤系统、工艺气循环压缩机、压缩机二次冷却器、CO2吸收器、工艺气加湿器和工艺气加热器等组成。

炉料在竖炉里下降，并逐步完成还原过程。

国内隧道窑、回转窑、转底炉和竖炉在煤基直接还原工艺中的现状
国内隧道窑工艺现状
隧道窑在还原工艺上是最成熟的，2002年中南工业大学、中南矿业研究院与攀钢合作完成了隧道窑罐混合还原剂还原的实验，取得了较好的效果。

现如今我国已建成和正在建设的隧道窑有100多座，随着直接还原铁需求量大增，隧道窑直接还原铁技术也得到不断完善。

钒钛磁铁矿攀枝花攀阳钒钛工贸有限公司通过四年产业化中试，于2009年建成了一条年产能2万t的遂道窑煤基直接还原
处理钒钛磁铁矿工业生产线，实现了产业化生产。

该工艺流程采用钒钛铁精矿粉与还原剂混合压块、装罐，罐放在窑车上直接进入隧道窑进行还原，制备成金属化物料，金属化物料再进行电炉熔分，实现钒、钛分离，产品为生铁和钛渣。

国内回转窑工艺现状
我国先后进行过回转窑试验的有攀钢西昌410厂、福州回转窑等，20世纪90年代，我国建设了一批用于直接还原普通铁精矿的回转窑，由于回转窑对原料的要求苛刻，能耗高，投资高，运行费用高，生产运行的稳定难度大，生产难扩大等原因在中国得不到很好的发展。

国内转底炉工艺现状
我国对转底炉工艺的研究有一定的历史，其中转底炉煤基热风熔融炼铁工艺，又称恰普法，是由北京科技大学冶金与生态工程学院冶金喷枪研究中心在转底炉直接还原基础上开发的新炼铁工艺。

攀枝花学院与四川龙蟒矿冶公司的科研人员从2004年起就开始进行该工艺研究，经过4年多大量艰苦努力，获得了重大技术突破，获得了高水平研究成果，为产业化提供打下了坚实基础。

目前，四川龙蟒集团攀枝花矿冶公司在攀枝花进行产业化建设，取得较好的经济效益。

但由于转底炉直接还原工艺中必须“内配煤”，因而对含钛炉渣造成了严重的污染，降低了TiO2的品位。

国内竖炉工艺现状
近年来，中国众多工作者对煤制气-竖炉直接还原铁生产进行了大量调查、研究工作，为中国采用煤制气-坚炉直接还原技术奠定了良好的基础。

但煤制气方法的选择、煤选择、煤制气-坚炉工艺的多联产的组合的选择及相关装备等问题还有进一步深入研究和探讨。

辽宁海城四型钢公司以煤制气为还原气，氧化球团为原料的竖炉项目，是竖炉是引进墨西哥希尔萨的HyL-ZR装置，设计生产能力为50万t/a;煤制气采用恩德法（流化床）单炉生产能力为40000ｍ3／h。

隧道窑、回转窑、转底炉和竖炉在煤基直接还原工艺中的特点
隧道窑工艺特点：目前隧道窑直接还原铁工艺已经很成熟，对原料要求宽松具有灵活性，紧靠装灌方式不同，对原料的含水量有不同的要求，但是存在着流程过长，效率低，能耗高，生产周期长，污染严重，产品质量不稳定等，不适合用于处理大规模的钒钛磁铁矿。

生产实践表明，隧道窑生产直接还原铁还原时间超过50h。

回转窑工艺特点：回转窖对原料的冶金性能要求苛刻，要求球团必须具有足够的机械强度，较低的低温粉化率，还原过程中及还原过后必须有足够的耐磨强度和抗压强度。

回转窑内容易结圈，生产流程长，产品成本高，质量差。

转底炉工艺特点：工艺流程短，对原料要求宽松，对球团/压块的强度要求低原料适应性强，炉料不容易粘接、结圈，还原温度高、还原时间短（入炉到出炉20～30分钟），还原的金属化率高，生产效率高，可以很容易地开炉、停炉和
调整产量。

竖炉工艺特点：要求较高的还原气温度。

此外竖炉对球团的机械强度要求较高，较低的低温粉化率和还原膨胀率，还原过后球团必须有足够的强度，产品质量高、自动化程度高，能耗在现行还原方法中最低，可以大型化生产且符合国家节能减排的要求。

投资比较
按年产50万吨还原产品工艺投资估算的话：隧道窑、回转窑转底炉、天然气-竖炉、煤制气-竖炉分别投资人民币（亿元）2.5~3.0、7.0~8.0、7.5~10.0、5.0~6.0、7.0~7.5、9.0~10.0。

我们可见各种不同炉型在煤基直接还原钒钛磁铁矿的设备投资金额各不相同。

结论
隧道窑工艺能耗高，污染严重不符合国家“节能减排”的发展要求，不适宜在还原钒钛磁铁矿中发展此工艺；回转窑对原料要求苛刻，工艺成本高，流程长，产品质量差。

转底炉工艺流程短，对原料要求宽松，对球团/压块的强度要求低原料适应性强。

但是回转窑与转底炉这两种工艺只适用于中小型生产线进行生产。

气基竖炉可用于大规模处理钒钛磁铁矿，煤制气-竖炉直接还原工艺为还原钒钛磁铁矿的发展提供了新的途径，我国有丰富的煤炭资源，国内有成熟的煤制气技术和长期运行的经验。

虽然现在高炉冶炼还是主要的冶炼钒钛磁铁矿的方法，但是直接还原冶炼钒钛磁铁矿在不久的将来便可以成为冶炼钒钛磁铁矿的主要方法。

气基-竖炉直接还原钒钛磁铁矿工艺未来应用前景十分广阔，将逐步改变我国的煤基直接还原钒钛磁铁矿生产的格局，出现了一片大好的发展热潮。