高技术领域丨高炉流程冶炼含铬型钒钛磁铁矿

具有战略意义的钒钛磁铁矿

钒、钛是须臾不可或缺的战略性金属资源，在国民经济的各个领域，尤其是高技术领域应用广泛，如：国防尖端武器材料、记忆金属材料、航空航天器件、高品质钢材、钒电池材料等。全球钒钛磁铁矿藏分布广泛，除我国外，俄罗斯、南非、美国、加拿大、芬兰、挪威、瑞典、印尼、新西兰和澳大利亚等也有大量此类资源。我国攀西、承德及辽宁等地储量也十分丰富。钒钛磁铁矿不仅是铁矿的重要补充，且是钒钛资源的主要载体，同时部分矿中伴生铬、钴、钪、镓等，是钢铁、钒钛等多种稀有金属的原料，共轭钢铁和有色金属两大行业，战略和综合利用价值极高。

我国基于高炉火法分离技术的钒钛磁铁矿综合利用的生产工艺流程（高炉流程）已经形成，可从中同时回收铁、钒、钛三大资源，虽总体回收率不尽人意，但目前及相当长的历史时期内，还无法产生在回收率和产量上取代高炉流程的工业规模技术。如何使用高炉流程最大限度且高效地从钒钛磁铁矿中回收铁、钒、钛等资源仍是今后科学研究和工业实践的重要发展方向。

图1　TF4钛钒合金广泛用于F16战斗机

图2　用于重型运载火箭的钒铝合金环件

采用高炉流程冶炼含铬型钒钛磁铁矿

目前，国内利用钒钛磁铁矿主要是高炉分离—转炉吹钒渣—钒渣氧化钠化焙烧—水浸提钒—铵盐沉钒的技术路线。20世纪60年代初，国家组织的攀枝花钒钛磁铁矿资源综合利用科技攻关，首选的就是东北工学院李殷泰教授提出并在马鞍山250 M³高炉上成功实现的钒钛磁铁矿块矿高炉火法分离工业技术；20世纪90年代攀钢与杜鹤桂教授等合作完成了一座1320 M³和三座1200 M³大高炉强化冶炼钒钛磁铁矿的技术攻关；2013年建龙集团与东北大学合作实现了俄罗斯高钒高铬型钒钛磁铁矿的高炉火法分离，为年产200万吨含钒铬微合金钢和7000吨V₂O₅提供了合格的铁水。

含铬型钒钛磁铁矿作为一种特殊资源，不仅蕴含铁、钒、钛，还伴生有我国短缺的铬资源，综合利用价值较高。但与普通钒钛磁铁矿相比，含铬型钒钛磁铁矿矿相组成更加复杂，其冶炼与资源综合利用更加困难。迄今，除建龙集团外，尚无大规模利用的工业生产实践。之所以选择高炉流程冶炼含铬型钒钛磁铁矿资源，是基于以下三点：第一，钒和铬均为过渡元素，化学性质相近。钒位于元素周期表第五副族(VB族)，原子序数为23，原子量为50.94，体心立方结构；铬位于元素周期表第六副族(VIB族)，原子序数为24，原子量为52.00，体心立方结构。在高炉条件下，钒铬的迁移方向基本一致，二者的还原非常彻底，此外，钒铬在铁中的溶解度很大，且钒铬互溶；第二，因高炉內是强还原气氛，铬的氧化物不仅被还原得很彻底，而且终渣中铬的氧化物不是以有害的六价铬形式存在；第三，高炉这种反应器有高度的可靠性、可操控性，且对反应过程的突变有自适应性，同时，高炉有很高的原、燃料充填率，具有与反应介质充分接触的条件，能充分利用外部能量及反应过程所产生的能量，对所获得的冶金产品质量有自保护性，具有长的服役寿命，且对类似的冶金过程有可复制性。高炉的上述原则性优势，在处理含铬型钒钛磁铁矿时尤其明显，而且在相当长的时期内其他反应器无法替代高炉。我国不仅攀西红格地区拥有36亿吨含铬型钒钛磁铁矿资源，而且承德地区的钒钛资源以及辽西地区的200亿吨超低品位的晚期岩浆分异型钒钛磁铁矿也含有铬，这些资源均可用高炉流程加以利用。

图3　钒钛矿山

鉴于此，东北大学薛向欣团队与相关企业合作，在国家科技部、自然科学基金委等项目的大力支持下，以含铬型钒钛磁铁矿为研究对象，系统开发了含铬型钒钛磁铁矿烧结和氧化球团生产、高炉合理炉料结构、渣系优化、有价组元高效分离提取与二次资源综合利用等关键技术，取得了一批具有自主知识产权的发明专利技术。将这些成果梳理成文字，也就形成了《高炉流程冶炼含铬型钒钛磁铁矿：理论与实践》一书的基本结构和素材。将这些成果以文字形式记载下来，既是我国钒钛磁铁矿资源综合利用领域前辈们创造性科技工作的延续和传承，也是当今亲历者必须承担的责任。要对得起前辈们的贡献，也是对亲历者付出的纪念！

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作者简介

高炉流程冶炼含铬型钒钛磁铁矿：理论与实践

薛向欣，杨松陶，张勇　著

责任编辑：张淑晓，高微

北京：科学出版社，2020.3

ISBN：978-7-03-064485-5

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《高炉流程冶炼含铬型钒钛磁铁矿：理论与实践》一共分为九章，在国内外研究现状及发展的基础上，结合著者团队近年来的研究成果，系统分析、介绍了含铬型钒钛磁铁矿的物理化学和高温冶金特性、烧结矿制备和性能、氧化球团制备和性能、高炉冶炼过程、高炉冶炼渣系优化、高炉流程有价元素迁移规律、钒工业废水处理和有价组元回收等内容。该书可供有关专业的研究人员、工程技术人员、高等学校师生阅读和参考。

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