为拓宽我国铁、钛矿石资源来源,避免国际矿石价格异常虚高时受制于人,本文以一种大储量、易开采、低成本的滨海砂矿——海砂矿为研究对象,期望可通过矿物特性研究、磁选、预氧化处理、气基直接还原以及高温熔分等方法,分级提取海砂矿中的铁、钛资源,并最终形成以铁水、高钛渣以及钛铁合金为回收形式的钛、铁资源终端产品。本文首先对海砂矿的矿物基础特性进行了研究,结果表明,海砂矿是一种钛铁固溶体矿,以钛磁铁矿和钛赤铁矿为主要物相,并包含少量钛铁矿,其最高氧化态形式为铁板钛矿和亚铁板钛矿所构成的固溶体系,海砂矿颗粒表面光滑,内部致密,粒度分布较为集中,形状以椭球形为主。鉴于海砂矿在应用过程中出现的品位偏低以及还原性较差的问题,本文提出两种预处理方式:(1)通过磁选提高海砂矿的品位;(2)通过预氧化提高海砂矿的还原性。粗选后的海砂矿全铁及钛氧化物品位分别为55wt%和11wt%,磁选后可提高至60wt%和13wt%;通过建立物理力学模型,给出了磁选过程中矿物颗粒受力与矿物颗粒直径的关系,从而得到可以被磁鼓回收的最小海砂矿颗粒直径,给磨矿粒度的选择提供了理论依据。对海砂矿进行预氧化处理,可以使钛磁铁矿物相向钛赤铁矿和铁板钛矿物相转化。在这个过程中,铁、氧元素逐步与钛元素分离并富集于赤铁矿物相中,从而实现了钛元素与铁、氧元素的部分分离,降低了后续还原时钛对铁、氧元素迁移的阻碍作用,从而提高了海砂矿的还原性。此外,XRD晶胞精修、氮气吸附脱附、微观形貌以及动力学分析的结果表明,预氧化使得海砂矿中主要物相的晶胞尺寸收缩,导致矿物孔隙率增大,从而在气基还原初期为反应产物提供了充分的形核与长大空间,在气基还原末期为气体产物提供了充分的扩散通道,改变了海砂矿气基还原控速机理,削减了海砂矿气基还原过程中的限制性环节,从而使得海砂矿还原性得到提高。微观上看,预氧化造成的微裂纹使得还原过程由一核反应模式(中心未完全反应核)变化至多核同时反应模式(细小随机分布的未完全反应核),并最终提高了海砂矿的表观反应速率常数,降低了海砂矿的表观还原反应活化能,.从而改善了海砂矿的还原动力学条件。提高氢气浓度与反应温度可以促进海砂矿的气基还原反应,通过对比单位氢气浓度和反应温度增量条件下的还原度增加梯度,发现40vol%氢气浓度和900℃反应温度为适宜的海砂矿气基还原参数。海砂矿在气基还原过程中经历了复杂的物相转变与固溶度变化,本文给出了不同还原时刻下海砂矿中的物相组成与变化,以及固溶体系的固溶度变化。总体来看,钛含量越低的物相优先发生还原反应。预还原度是联结气基预还原和高温熔分的重要参数,本文利用原位红外观察、旋转粘度仪、拉曼光谱分析以及Factsage热力学理论计算等方法,通过研究70-100%预还原度范围内熔分炉渣的熔化特性、粘度以及结构特征,认为90%预还原度条件下预还原海砂矿在高温熔分时产生的炉渣具有较好的冶炼特性,从而确保充分的渣铁熔融分离和高效的渣铁化学反应。以90%预还原度的海砂矿为原料,通过配加适量的助熔剂CaF2,探索出适宜的高温熔分条件,并且在高温熔分结束后可以获得成分合格的铁水和钛氧化物品位为～43wt%的高钛渣,以该钛渣为基础原料,依据预实验和热力学计算结果,配入相应的还原剂(金属铝)和发热剂(赤铁矿),利用铝热还原反应,得到了成分为35wt%Ti-55wt%Fe-6wt%Al-2wt%Si的钛铁合金,该合金成分符合国家钛铁合金FeTi30-B牌号的标准,十分接近FeTi40-A牌号的标准。