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高炉块状带区钒氧化物的还原机理
高炉块状带区钒氧化物的还原机理 严嘉荣1谢兵1王永红1,2曾小义1 黄青云1 (1重庆大学材料科学与工程学院,400044; 2 沙钢钢铁研究院,215625) 摘 要:钒钛磁铁矿是攀枝花高炉冶炼的主要原料之一。本文通过实验模拟高炉实际冶炼情况,探索钒在高炉块状带区的还原机理。热力学计算表明,钒可以无限溶于铁相中;随着铁相的出现,钒氧化物还原的pCO/pCO2临界值将明显降低。模拟实验在还原炉中进行,研究了钒钛磁铁矿在不同温度、粒度和钒钛矿配比条件下的还原过程。结果表明提高铁还原度有利于钒氧化物的还原。当铁还原度达到85%时,钒开始被还原。当铁还原度达到97.4%时,被还原的钒在铁中的最大含量可达0.083%。 关键词:高炉,钒钛磁铁矿,钒还原,块状带 1引言 钒是一种重要的资源,被广泛地运用在许多工业领域[1,2]。世界上98%的钒赋存于钒钛磁铁矿中。中国四川的攀西地区有大量的钒钛磁铁矿,攀钢是国内最大的钒生产企业[3,4]。攀钢高炉生产过程中,铁水钒收得率仅为70%,远低于俄罗斯同类企业的80%[5]。由此可见,攀钢高炉的钒回收仍然有很大的空间。要提高钒的收得率,必须要清楚钒氧化物在高炉内的还原机理。钒氧化物的在高炉中的还原主要发生在三个区域:块状带区、软熔滴落区、炉缸区[6]。目前关于块状带区内铁氧化物的还原状况对钒氧化物还原的影响研究不多。 本文将通过热力学计算和模拟实验来研究钒在高炉块状带的还原机理以及钒氧化物和铁氧化物还原的关系。模拟实验主要考察钒钛磁铁矿的配比、矿石粒度和还原温度对钒氧化物还原的影响。 2热力学计算 高炉块状带区发生的还原反应主要是CO与矿石的间接还原。热力学计算结果表明,在标准状态下CO只能把钒氧化物还原为非零价的低价态(如VO)。 图1 相关反应的标准吉布斯自由能与温度关系图 Fig.1 The relationship between Gibbs free energy and temperature 如图1所示,在标准状态下铁氧化物的还原先于钒氧化物的还原。在非标准状态下,钒氧化物的还原反应主要有两类,如下面的方程式(1)和(2)[7]: VO(s)+CO=V(s)+CO21) VO(s)+CO=[V]+CO22) 由式(1)和(2)可以分析,在900℃下,(1)反应能够发生的条件是pCO/pCO2的临界值大于1.35×106。但是,在实际条件下,该条件很难达到。根据反应(1)和(2),将反应pCO/pCO2值与温度的关系绘制成图,如图2所示。从图2可以看出,反应(2)的pCO/pCO2值远小于反应(1)。例如,当钒在金属铁中含量达到0.01%时,式(2)中的pCO/pCO2的临界值能减小到1.3×103,在这种情况下,反应(2)更容易发生。由于铁和钒有相近的原子半径[8],钒可以无限制的溶解于铁相中,因此铁的还原改变了钒氧化物还原的热力学条件,促进了钒氧化物的还原,即钒氧化物的还原依据(2)式进行。由此可见,铁氧化物的充分还原,有利于钒氧化物的还原。 图2 pCO/pCO2在不同的温度下的变化 Fig.2 The different pCO/pCO2 value with different temperature 图2同时也反映了反应(1)和反应(2)在不同的温度下,pCO/pCO2值的变化情况。从图可知,温度由1073K(800℃)升到1273K(1000℃)时,pCO/pCO2值降低。由此得出结论:温度的提高有利于铁氧化和钒氧化物的还原,铁氧化物的充分还原能够改善钒氧化物还原的热力学条件。 3 模拟研究 3.1实验方案 本研究采用三段式还原炉模拟高炉块状带的实际情况。还原设备的示意图如图3所示,实验所用的烧结矿和球团矿的化学成分如表1所示。采用控制变量法来变化钒钛矿配比、反应温度和矿石粒度三个因素。钒钛矿配比的实验研究点分别是50%、65%、70%、75%、100%,矿石粒度采用5-10mm、10-15mm、20mm,实验温度分别为800℃、850℃、900℃。 图3 还原设备示意图 Fig.3 The schematic diagram of reduction facility 表1 烧结矿和球团矿的化学成分(wt%) Table 1 The chemical composition(wt%) of sinter and pellet TFe FeO SiO2 CaO S V2O5 TiO2 烧结矿 49.23 6.68 5.56 12.15 0.038 0.349 6.5 球团矿 46.99 4.44 3.5 0.61 0.055 0.67 11.41 本研究使用的还原气组成为30%±0.5%、CO20.2%、O20.1
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