【摘 要】
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钒钛磁铁矿是我国重要的战略矿产资源。目前钒钛磁铁矿精矿主要通过高炉冶炼-转炉提钒-转炉炼钢的工艺进行处理,该流程的优势在于规模大,能够有效回收钒钛磁铁矿精矿中的Fe和V,但其工艺流程长,对焦炭依赖严重,同时资源利用率低,高炉渣中Ti O2无法回收。“直接还原-熔分”非高炉冶炼资源利用率高,一直是国内外研究的热点。但钛铁有效分离是限制直接还原技术发展的关键瓶颈。本论文从热力学分析、对比实验、介电测试
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钒钛磁铁矿是我国重要的战略矿产资源。目前钒钛磁铁矿精矿主要通过高炉冶炼-转炉提钒-转炉炼钢的工艺进行处理,该流程的优势在于规模大,能够有效回收钒钛磁铁矿精矿中的Fe和V,但其工艺流程长,对焦炭依赖严重,同时资源利用率低,高炉渣中Ti O2无法回收。“直接还原-熔分”非高炉冶炼资源利用率高,一直是国内外研究的热点。但钛铁有效分离是限制直接还原技术发展的关键瓶颈。本论文从热力学分析、对比实验、介电测试、Ti-Fe分离作用机制4个方面开展研究,以期揭示钒钛磁铁矿微波碳热还原过程中Ti-Fe分离机理:1)钒钛磁铁矿碳热还原过程热力学分析。构建了由固相还原和间接气相还原组成的碳热还原反应系统,从单位氧原子生成焓的角度确定了钒钛磁铁矿及相关钛铁氧化物的还原难易度(从易到难:Fe O＜Fe2O3＜Fe3O4＜Fe3-xTixO4（x=0.476）＜Fe2Ti O5＜Fe2Ti O4＜Fe Ti O3＜Fe Ti2O5);发现Ti元素浓度的增大会增加还原难度,特别的钒钛磁铁矿Fe3-xTixO4（x=0.476）的还原难度比Fe3O4高出了10.48%,即Ti-Fe分离能够强化钒钛磁铁矿的还原过程。2)钒钛磁铁矿碳热还原微波加热与常规加热对比实验。单因素对比实验结果表明钒钛磁铁矿常规碳热还原过程中配碳量20%（以钒钛磁铁矿质量100%计）、还原温度1250℃、还原时间60min条件下可以得到Fe元素金属化率93.68%的直接还原铁产品;微波碳热还原过程中配碳量20%（以钒钛磁铁矿质量100%计）、还原温度1200℃、还原时间30min条件下可以得到Fe元素金属化率93.96%的直接还原铁产品,在配碳量20%、1100℃、30min条件下Ti-Fe分离明显。3)钒钛磁铁矿介电性能测试研究。研究了室温条件下表观密度对钒钛磁铁矿介电参数的影响,以及不同配碳量的钒钛磁铁矿在升温过程中介电参数的变化情况;结果表明,铁氧化物(Fe3O4:′=19.998,′′=3.421)介电性能远高于钛氧化物(Ti O2:′=2.824,′′=0.03906),这会导致铁氧化物对微波的响应模式多样性和响应强度要远远高于钛氧化物,而这一现象主要与Fe元素d轨道中局域自由电子的运动有关,铁氧化物中活跃的局域自由电子运动使得两种物相（铁氧化物和钛氧化物）间形成热应力,有利于Ti-Fe分离。4)微波加热强化钒钛磁铁矿碳热还原过程中Ti-Fe分离机制。通过能带态密度计算对比分析了钛氧化物和铁氧化物五种物质14种晶体结构（不同晶体结构的Fe2O3、Fe3O4、Fe O、Fe、Ti O2）的局域导电性,最终确定化学反应过程中,由钛氧化物和铁氧化物介电性能的差异引起的相间热应力,和局域导电性能差异引起的铁氧化物中临近Fe原子的同向环状电流牵引力,是钒钛磁铁矿微波碳热还原Ti-Fe分离作用机制的动力来源。
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