熔融钒渣中钒、钛化合物超重力富集与分离的基础研究

Aiming to promote the energy conservation and the emission reduction for hydrometallurgical vanadium-extraction process and the trailing recycle in the enterprise, an innovative method for separating the vanadium and titanium compounds from molten vanadium slag using super gravity is studied to surround the key scientific issues of high recovery valuable components and physical sensible heat according to the characteristics of vanadium slag and the vanadium-extraction process in our country. Base on the effect of temperature and components in vanadium slag on phases compositions, physicochemical properties as well as generation and growth mechanism of spinels, the work studies that temperature, gravity coefficient and separation time have an influence on the rules and mechanisms of concentration and separation of the vanadium and titanium compounds to obtain metallurgical behavior of selective enrichment and separation process of elements for determining the limit link of concentration and separation process. In addition, the corrosion mechanism of refractories with vanadium slag under the super gravity condition will be studied to obtain the theoretical basis of process development and suitable parameter of concentration and separation of the vanadium and titanium. The study explores a innovative method for vanadium slag utilization which embodies the ecological characteristics of resource and energy and owns high academic value. And its results will promote efficient resource utilization of vanadium slag, trailing recycle as well as energy conservation and emissions reduction, which are important for the enterprise.

针对我国转炉钒渣特点及现有提钒工艺的利弊，围绕钒渣中有价组元高效回收和物理显热有效利用的关键科学问题，以促进钒渣后序湿法提钒的节能减排及尾渣在企业内部循环利用为目标，开展熔融钒渣热处理及超重力选择性分离钒、钛化合物的基础研究。本项目通过热力学分析与实验研究，在考察温度和组元含量对物相组成、钒渣性质及尖晶石生成与长大机制影响的基础上，研究温度、超重力系数与分离时间对钒、钛富集与分离的影响规律与作用机制，掌握渣中组元在选择性富集与分离过程中的冶金行为，确定富集与分离过程的限制环节，并在此基础上研究超重条件下熔融钒渣对耐火材料侵蚀机理，为超重力富集与分离熔融钒渣中钒、钛资源的工艺开发及合理参数制定提供理论依据。本项目探索一种钒渣高效利用的新方法，兼顾“资源+能源”生态化特色，具有较高的学术价值，研究结果对促进钒渣高效资源化与尾渣循环再利用及节能减排均具有十分重要的意义。

针对我国转炉钒渣特点及现有提钒工艺的利弊，围绕钒渣中有价组元高效回收和物理显热有效利用的关键科学问题，以促进钒渣后序湿法提钒的节能减排及尾渣在企业内部循环利用为目标，通过热力学分析与实验研究，并得出以下结论：钒渣中主要物相组成为(FeV2O4)、(2FeO·SiO2)及少量铁辉石相(FeO·SiO2)，尖晶石在含钒渣中的结晶顺序和能力为FeCr2O4→FeV2O4→Fe2TiO4，渣中微量的Cr2O3全部固溶于FeV2O4，TiO2主要固溶于FeV2O4，温度从1773K降到1723K时，细小的钒尖晶石转变为块状和带状，进一步降温到1673K，钛尖晶石开始从熔渣中结晶，确保熔渣中析出单一钒尖晶石和钛尖晶石沉淀温度为1723K和1623K。在超重力系数G=700，处理温度T=1723K分离10分钟，含钒相被碳毡截留形成富钒渣，残余熔体通过碳毡进入下部坩埚形成含钛渣，富钒渣中V2O3和含钛渣中TiO2的质量分数分别为32.98%和19.41%，V2O3和TiO2的回收率分别为86.50%和76.80%。分离含钒尖晶石后的含钛渣在1623K、重力系数G=500、分离10分钟，富钛渣中TiO2为30.83wt%，回收率为89.80%，尾矿中TiO2仅为4.55wt%，整个分离过程中TiO2的综合回收率可达68.97%。超重力分离炉衬用镁碳砖，镁碳砖的抗高氧化渣能力较差，这是由于氧化脱碳层的形成所致，脱碳层在钒渣处理温度下不能有效烧结，导致结构疏松，结合强度差。采用挂渣保护技术对炉衬进行保护时，炉渣与耐火材料之间存在明显的分离，冶炼过程中由于熔池的冲刷，脱碳层和粘渣层容易脱落，不仅对镁碳砖造成破坏，且降低了钒渣的质量；钒渣中SiO2和TiO2含量较高，可以形成低熔点化合物，增加脱碳厚度，提高镁碳耐火材料的侵蚀速率。相反，随着炉渣中V2O5的增加，高熔点化合物的形成降低了侵蚀速率和侵蚀深度。通过以上研究，掌握熔渣物相组成、物化性质、结构与组元含量、温度之间的作用机制，揭示超重力富集分离时熔渣中元素迁移行为；确定钒渣中钒铁、钛铁尖晶石形核率、长大速率、等积圆直径及结晶量与温度和时间的量化关系，掌握超重力作用下钒渣中钒、钛选择性富集与分离的规律；明确了钒渣对镁碳砖耐火材料的损毁机理，为耐火材料的开发与改进提供理论。