海砂礦鈦鐵資源分級利用研究.docx

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1、海砂礦鈦鐵資源分級利用研究為拓寬我國鐵、鈦礦石資源來源,避免國際礦石價格異常虛高時受制于人,本文以一種大儲量、易開采、低成本的濱海砂礦——海砂礦為研究對象,期望可通過礦物特性研究、磁選、預氧化處理、氣基直接還原以及高溫熔分等方法,分級提取海砂礦中的鐵、鈦資源,并最終形成以鐵水、高鈦渣以及鈦鐵合金為回收形式的鈦、鐵資源終端產(chǎn)品。本文首先對海砂礦的礦物基礎特性進行了研究,結果表明,海砂礦是一種鈦鐵固溶體礦,以鈦磁鐵礦和鈦赤鐵礦為主要物相,并包含少量鈦鐵礦,其最高氧化態(tài)形式為鐵板鈦礦和亞鐵板鈦礦所構成的固溶體系,海砂礦顆粒表面光滑,內(nèi)部致密,粒度分布較為集中

2、,形狀以橢球形為主。鑒于海砂礦在應用過程中出現(xiàn)的品位偏低以及還原性較差的問題,本文提出兩種預處理方式:(1)通過磁選提高海砂礦的品位;(2)通過預氧化提高海砂礦的還原性。粗選后的海砂礦全鐵及鈦氧化物品位分別為55wt%和11wt%,磁選后可提高至60wt%和13wt%;通過建立物理力學模型,給出了磁選過程中礦物顆粒受力與礦物顆粒直徑的關系,從而得到可以被磁鼓回收的最小海砂礦顆粒直徑,給磨礦粒度的選擇提供了理論依據(jù)。對海砂礦進行預氧化處理,可以使鈦磁鐵礦物相向鈦赤鐵礦和鐵板鈦礦物相轉化。在這個過程中,鐵、氧元素逐步與鈦元素分離并富集于赤鐵礦物相中,從而實

3、現(xiàn)了鈦元素與鐵、氧元素的部分分離,降低了后續(xù)還原時鈦對鐵、氧元素遷移的阻礙作用,從而提高了海砂礦的還原性。此外,XRD晶胞精修、氮氣吸附脫附、微觀形貌以及動力學分析的結果表明,預氧化使得海砂礦中主要物相的晶胞尺寸收縮,導致礦物孔隙率增大,從而在氣基還原初期為反應產(chǎn)物提供了充分的形核與長大空間,在氣基還原末期為氣體產(chǎn)物提供了充分的擴散通道,改變了海砂礦氣基還原控速機理,削減了海砂礦氣基還原過程中的限制性環(huán)節(jié),從而使得海砂礦還原性得到提高。微觀上看,預氧化造成的微裂紋使得還原過程由一核反應模式(中心未完全反應核)變化至多核同時反應模式(細小隨機分布的未完全

4、反應核),并最終提高了海砂礦的表觀反應速率常數(shù),降低了海砂礦的表觀還原反應活化能,.從而改善了海砂礦的還原動力學條件。提高氫氣濃度與反應溫度可以促進海砂礦的氣基還原反應,通過對比單位氫氣濃度和反應溫度增量條件下的還原度增加梯度,發(fā)現(xiàn)40vol%氫氣濃度和900℃反應溫度為適宜的海砂礦氣基還原參數(shù)。海砂礦在氣基還原過程中經(jīng)歷了復雜的物相轉變與固溶度變化,本文給出了不同還原時刻下海砂礦中的物相組成與變化,以及固溶體系的固溶度變化?？傮w來看,鈦含量越低的物相優(yōu)先發(fā)生還原反應。預還原度是聯(lián)結氣基預還原和高溫熔分的重要參數(shù),本文利用原位紅外觀察、旋轉粘度儀、拉曼

5、光譜分析以及Factsage熱力學理論計算等方法,通過研究70-100%預還原度范圍內(nèi)熔分爐渣的熔化特性、粘度以及結構特征,認為90%預還原度條件下預還原海砂礦在高溫熔分時產(chǎn)生的爐渣具有較好的冶煉特性,從而確保充分的渣鐵熔融分離和高效的渣鐵化學反應。以90%預還原度的海砂礦為原料,通過配加適量的助熔劑CaF2,探索出適宜的高溫熔分條件,并且在高溫熔分結束后可以獲得成分合格的鐵水和鈦氧化物品位為～43wt%的高鈦渣,以該鈦渣為基礎原料,依據(jù)預實驗和熱力學計算結果,配入相應的還原劑(金屬鋁)和發(fā)熱劑(赤鐵礦),利用鋁熱還原反應,得到了成分為35wt%Ti-

6、55wt%Fe-6wt%Al-2wt%Si的鈦鐵合金,該合金成分符合國家鈦鐵合金FeTi30-B牌號的標準,十分接近FeTi40-A牌號的標準。