賈利軍，王冰，孟淑敏
山東省冶金設計院股份有限公司
前言
釩鈦磁鐵礦是一種以鐵、釩、鈦等多種有價元素的共生復合礦，也是重要的釩、鈦資源，是世界范圍內廣泛分布的一種礦產資源，其中中國、南非、俄羅斯、加拿大、新西蘭、印尼等國家為主要分布國家。釩鈦磁鐵礦也是世界公認的難冶煉礦種之一，其綜合利用難度大。截止目前，冶煉釩鈦磁鐵礦的工藝主要有傳統高爐工藝和非高爐工藝兩種，而非高爐工藝主要以新西蘭、南非的回轉窯直接還原+電爐熔分工藝最為成熟。
近年來隨著各種冶煉工藝的不斷發展成熟，國內外冶金工作者針對釩鈦磁鐵礦的冶煉及綜合利用對多種不同工藝路線進行了探索和研究，以下針對不同釩鈦磁鐵礦的冶煉工藝及特點進行分析比較。
1 傳統高爐工藝
中國攀鋼、承鋼和俄羅斯等是采用傳統高爐工藝冶煉釩鈦磁鐵礦的典型代表，其采用高爐冶煉釩鈦磁鐵礦精礦獲得鐵水，通過鐵水吹釩回收釩渣，從選礦尾礦回收鈦、鈷等稀有金屬元素。但傳統高爐工藝冶煉釩鈦磁鐵礦存在著一些問題，主要表現為資源利用率低，高爐需要配加普通鐵礦，爐渣中TiO2含量較低，從爐渣中回收鈦的技術難度大且成本較高，造成大量鈦資源丟失；且原料中的TiO2含量會降低燒結礦質量，給高爐冶煉帶來不利影響；另一方面，由于高爐內的強還原性氣氛，冶煉過程中會生成鈦的低價化合物和TiC(TiN)，它們是膠體態高度彌散的固相物，與熔渣有很好的潤濕性，會導致嚴重泡沫渣現象、爐渣粘稠、鐵水粘灌、渣鐵分離不理想等一系列問題。
目前，傳統高爐工藝中釩V的回收率約為50%[1]，無法對鈦進行回收。
2 回轉窯+電爐熔分工藝
回轉窯+電爐熔分工藝在新西蘭鋼鐵公司和南非海威爾德公司經過多年的生產實踐證明，其工藝技術較成熟，是目前釩鈦磁鐵礦冶煉的最具代表性的工藝流程。
2.1 新西蘭鋼鐵公司
新西蘭鋼鐵公司回轉窯煉鐵工藝采用海砂鐵礦為原料，以次煙煤為燃料和還原劑，原燃料按比例混合，經多層爐預熱焙燒后加入回轉窯，在回轉窯內還原為海綿鐵，再經電爐將鐵水和爐渣熔分后，將鐵水送至煉鋼車間提釩煉鋼。其工藝流程簡圖見圖1。
2.2 南非海威爾德公司工藝
南非海威爾德公司回轉窯直接還原鐵工藝與新西蘭鋼鐵公司工藝不同之處在于，在回轉窯前沒有采用多層爐預熱，釩鈦磁鐵礦、煤按照一定比例混合后直接送入回轉窯，在回轉窯內同時完成物料的預熱與還原過程。另外，南非海威爾德公司采用的原料為釩鈦磁鐵礦，粒度為6~32mm[3]，而新西蘭采用海砂礦粉，粒度為0.053~3.55mm[2]。其工藝流程簡圖見圖2
2.3 生產指標比較
2.3.1原、燃料條件比較
新西蘭鋼釩公司與南非海威爾德公司所采用原燃料指標對比[2][3] [4]，見表1、2
2.3.2 釩、鈦的提煉及利用情況
因為兩個公司工藝全部采用原礦直接預還原、電爐熔分工藝生產含釩鐵水和鈦渣，所以其產生的含釩鐵水與含鈦爐渣成分的不同是由于使用原料品位的不同導致的，與冶煉工藝無關。根據相關文獻資料得知[5]，新西蘭公司產出的鐵水含釩0.42%，含鈦爐渣中TiO2含量為33%，而海威爾德公司生產的鐵水含釩1.22%，含鈦爐渣中TiO2含量為32%。新西蘭產生的含釩鐵水采用鐵水包吹氧冶煉產生釩渣，南非采用震動罐冶煉生產釩渣，產生的釩渣作為提取五氧化二釩的原料。但是兩個公司所產生的含鈦爐渣均丟棄或者作為鋪路材料，未能得到合理利用。
3 HIsmelt熔融還原工藝
HIsmelt是一種熔融還原煉鐵工藝，該工藝可直接熔煉經預熱處理的鐵礦粉和其他適合的含鐵原料，并噴吹煤粉作為系統的還原剤及熱量來源。相對傳統的高爐煉鐵工藝，HIsmelt熔融還原煉鐵工藝省去了燒結及焦化兩個環節，在同樣產能下節省了大量的投資及運行成本，且這種工藝在生產過程中產生的大量蒸汽及富余煤氣均可以用于發電，使其生產系統的能源利用效率很高，應用前景廣闊。
3.1 HIsmelt工藝實際生產概況
HIsmelt技術經過30多年的研發和實驗室驗證，并實現工業化生產，截至目前，已經歷兩次工業化生產。
第一次：在澳大利亞奎那那工廠，2005年～2008年；約生產生鐵塊388273噸，受世界金融危機影響，HIsmelt奎那那示范廠2008年停產，且不在復產。
第二次：國內墨龍公司于2012年確定引進HIsmelt熔融還原煉鐵技術，在原工藝流程的基礎上經過優化、升級等措施，該項目與2016年6月建成投產，投產至今經過不斷的優化完善，累積操作經驗，優化生產指標， 先后經歷十多次的停開爐探索實踐，通過不斷調試摸索，隨著現場工作人員對工藝流程和生產操作的逐步熟悉，以及對故障設備的檢修更換、工藝流程的進一步修改完善， ML-HIsmelt工藝無論從作業率、操作穩定性以及能耗指標方面都有了質的提高，截至目前共計產出約90萬噸產品，當前日最高產量達到1930噸、月產量達到53000噸，設備不間斷作業已達到157天，其各項生產指標均超過澳大利亞奎那那的HIsmelt工廠,所生產高純鑄造生鐵含磷量低（平均在0.015%-0.03%之間），基本不含硅、錳等元素，五害元素（鉛、錫、砷、銻、鉍）含量非常低，經過脫硫過后，滿足高端制造行業以及高端鑄造產品的需求。
ML-HIsmelt技術自投產以來的典型操作參數見下表3。
通過兩次生產指標的對比可以看出，引進后的技術指標均超過原澳大利亞工廠生產指標，究其原因可以從兩方面考慮：一、國內的HIsmelt工廠設計是基于原澳大利亞工廠設計生產實踐經驗低基礎上完成的，使得工藝流程更加完善、設備配置及選型更加合理。二，隨著HIsmelt工藝技術在國內的深入發展，以及從業人員對HIsmelt工藝技術更加熟悉，操作經驗的逐步積累優化，對工藝工操作參數的選取以及優化控制變得更加成熟。
另外，通過生產實踐檢驗，HIsmelt工藝的優越性得到充分體現，無論是原、燃料選取的靈活性適應性、較低的冶煉成本、操作簡單靈活、環境友好型還是鐵水質量的穩定和優質等優點均得到了很好的驗證，也更進一步說明HIsmelt技術是可行的。
3.2 HIsmelt工藝冶煉釩鈦礦的優勢
HIsmelt工藝在處理釩鈦礦方面具有顯著優勢[5]，其主要原因：
1）HIsmelt工藝可以直接使用粉料，避免因Ti02存在對燒結礦、球團塊礦質量的影響。
2）其獨特的強氧化性氣氛，使渣中的氧勢較高，足以有效抑制TiO2還原和高熔點TiC(TiN)生成，同時由于鐵水中碳含量較低，也可以避免形成大量TiC/TiN 等難熔化合物。同時，鐵水所具備的還原勢也可以較好地實現釩的回收。
3）鐵礦石在熔融狀態下發生直接還原，反應速度快，爐渣粘度較低，渣內不會殘留大量氣體，所以爐內不會產生嚴重的泡沫渣。
4）獨立渣口設計為處理粘度更大的爐渣提供了條件。在HIsmelt熔融還原爐中，鐵水通過前置爐連續排出，爐渣則通過渣口單獨排出，無需像高爐那樣在鐵溝中進行分離，避免因渣鐵分離困難對操作的影響；另外，該工藝已經證明其承受高粘度爐渣的能力區間為2.5~5 泊，而傳統高爐的上限為2.5 泊。
5）冶煉釩鈦礦還有利于SRV爐水冷壁的掛渣和形成渣皮保護耐材,有助于提高SRV爐爐襯的壽命。
3.3 HIsmelt工藝冶煉釩鈦礦工藝流程
HIsmelt熔融還原煉鐵工藝流程：原料釩鈦精礦粉經物料輸送送入礦粉預熱裝置，經干燥預熱后進入預還原裝置進行預還原，經預還原的礦粉通過轉運輸送設備送入礦粉噴吹系統，經過熱礦噴吹管路噴入SRV爐內鐵水熔池內，燃料煤及石灰通過煤粉噴吹系統，經煤粉噴吹管道噴入SRV內熔池內，進入SRV爐的礦粉與煤粉在高溫熔池內發生反應，完成鐵水熔煉過程，生產含釩鐵水與鈦渣。其工藝流程簡圖見下圖3。
4 不同工藝釩鈦磁鐵礦冶煉技術比較
以上所述的三種釩鈦磁鐵礦冶煉工藝，因工藝流程截然不同，其主要內容比較見下表4。
我國擁有非常豐富的釩鈦磁鐵礦資源，如何實現釩鈦磁鐵礦資源的合理利用，選擇合理、可行的工藝路線是關鍵。就以上工藝而言，高爐+轉爐和回轉窯+電爐工藝雖然歷史悠久，工藝成熟，但是高爐+轉爐工藝因為長流程對焦炭資源的依賴、焦化燒結對環境污染、含鈦爐料對操作的影響以及爐渣中TiO2的含量低，鈦未回收等問題，不太適合作為釩鈦綜合回收的工藝路線。而回轉窯+電爐工藝因裝置也存在規模小、成本高以及球團礦粉化、回轉窯結圈、還原時間長等問題。近幾年，國內在處理鋼鐵廠粉塵以及有色冶金中均有采用，工藝路線及設備方面都取得了很大的進步，但在釩鈦磁鐵礦的冶煉方面仍沒有大型工業化工廠。
HIsmelt熔融還原工藝是商業化的熔融還原煉鐵工藝之一，也是截止目前唯一不使用焦炭的熔融還原煉鐵技術，通過國外、國內兩座商業化工廠的實踐檢驗，其工藝可行性無容置疑，隨著國內工廠、工作人員對工藝路線以及操作的不斷熟悉，再加上中國冶金行業的強大設備制造能力和工藝技術創新能力，HIsmelt熔融還原工藝必將成為我國未來煉鐵技術的發展的方向。筆者認為，因其在釩鈦礦冶煉方面獨有的優勢，HIsmelt工藝在處理釩鈦礦方面會有更廣闊的應用前景。
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