本發(fā)明屬于鋼鐵冶金領(lǐng)域，涉及煉鐵過程中鐵和鈦的分離工藝。

背景技術(shù)：

1、我國(guó)的釩鈦磁鐵礦在攀西地區(qū)和承德地區(qū)有大量的分布。據(jù)攀枝花日?qǐng)?bào)2023年4月10日?qǐng)?bào)道，攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦保有儲(chǔ)量為86.7億噸，鈦資源儲(chǔ)量世界第一，但是鈦資源利用率僅為29%。含鈦的鐵礦在高爐煉鐵過程中，需要控制高爐渣中的鈦含量，以避免熔融高爐渣的粘度太大等問題。以攀西地區(qū)的釩鈦磁鐵礦為例，其經(jīng)過選礦、成球和氧化焙燒后，得到的氧化球團(tuán)，鐵含量一般為53~55%，鈦含量以二氧化鈦計(jì)，達(dá)10%以上。完全以這樣的礦進(jìn)入高爐煉鐵，按鐵礦品位54%、鐵的回收率為100%計(jì)(實(shí)際普礦鐵回收率99%以上，釩鈦磁鐵礦鐵回收率96%左右)，沒有其它爐料加入的情況下，爐渣中二氧化鈦的含量將高達(dá)43%左右。這樣高的二氧化鈦含量，部分生成低價(jià)氧化鈦和碳化鈦，導(dǎo)致熔融態(tài)高爐渣粘度很大，必須加入普礦和/或其它造渣爐料降低高爐渣中二氧化鈦含量，將二氧化鈦含量控制在23%以下。以這樣的高爐煉鐵工藝，不但原料多樣繁復(fù)，高爐渣也不能直接用以提鈦。23%二氧化鈦含量的高爐渣，目前較先進(jìn)的工藝，是將其高溫碳熱還原做成碳化鈦，其中的碳化鈦又在較低的溫度下與氯氣反應(yīng)生成四氯化鈦，然后用于氯化法鈦白粉或者海綿鈦的生產(chǎn)。但是即使這樣的工藝，因其工藝難度比較大，目前也未大規(guī)模工業(yè)化。絕大多數(shù)的采用釩鈦磁鐵礦的鋼鐵廠，將高爐渣中的二氧化鈦控制得更低，一般在16~18%左右。其高爐渣用于生產(chǎn)水泥或者建筑用磚。里面的鈦資源就被浪費(fèi)掉了。

2、現(xiàn)有的解決辦法一般采用直接還原鐵工藝，將釩鈦磁鐵礦與碳或者氫氣在1000℃左右進(jìn)行還原反應(yīng)生產(chǎn)直接還原鐵，然后進(jìn)行熔分、磁選或者重選，將鈦和鐵分離，得到直接還原鐵和鈦渣。直接還原鐵可進(jìn)入電爐煉鋼，鈦渣用以提鈦。采用焦炭或者其它煤炭的直接還原鐵工藝，不但碳排放高，并且碳會(huì)帶入一定量的雜質(zhì)，降低得到的鈦渣中鈦的品位。關(guān)鍵是，采用焦炭或者煤炭的直接還原鐵工藝，無論回轉(zhuǎn)窯或者立窯，都很難大規(guī)模生產(chǎn)，最大的回轉(zhuǎn)窯工藝產(chǎn)能約15萬噸，設(shè)備利用率非常低。實(shí)際上也沒有形成規(guī)?；漠a(chǎn)能和工藝路線。

3、在碳達(dá)峰和碳中和的大背景下，采用氣基還原煉鐵工藝生產(chǎn)直接還原鐵，應(yīng)用于釩鈦磁鐵礦，可解決鐵鈦分離的難題，同時(shí)保持低碳甚至微碳排放。但是氣基(氫氣或富氫氣體)直接還原鐵工藝，目前也存在很大的問題，至今沒有一個(gè)安全和可行的工藝。當(dāng)采用氣基直接還原煉鐵工藝時(shí)，因?yàn)闅錃膺€原三氧化二鐵為一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，為反應(yīng)供熱成為一個(gè)嚴(yán)重的問題。2021年5月，張宣科技(采用意大利tenova公司的豎爐直接還原鐵技術(shù))在張家口啟動(dòng)建設(shè)120萬噸/年氫冶金示范工程，其為氣基直接還原煉鐵工藝。該項(xiàng)目利用張家口國(guó)家級(jí)可再生能源示范區(qū)優(yōu)勢(shì)，開發(fā)氫還原新工藝，可替代傳統(tǒng)高爐碳冶金工藝，預(yù)計(jì)可減少碳排放60%。原理上，該項(xiàng)目可以采用綠電(光伏風(fēng)電水電和植物秸稈發(fā)電)和綠氫(用綠電電解水得到的氫氣)，達(dá)到90%以上的碳減排。估計(jì)是其采用焦?fàn)t煤氣作為還原劑，焦?fàn)t煤氣中還含有大量的含碳?xì)怏w，達(dá)不到碳減排90%以上的程度。另外一方面因?yàn)橐o氫氣還原赤鐵礦的反應(yīng)供熱的原因，在反應(yīng)工藝中，向原料氣中加入部分氧氣，原料氣中的部分甲烷、co或者氫氣與氧氣燃燒為反應(yīng)供熱。該項(xiàng)目的工藝流程中，為了向還原反應(yīng)供熱，還將氫氣或者焦?fàn)t煤氣加熱到850℃，然后再通入氧氣燃燒將入爐氣體加熱到950℃左右。然而氧化球團(tuán)和進(jìn)入豎爐的氣體的顯熱與反應(yīng)需要的反應(yīng)潛熱相比很小，需要過量大量的氣體來帶入熱量。而且氫氣或者富氫氣體，加熱到如此高的溫度，安全性非常低、對(duì)設(shè)備材質(zhì)耐熱和耐氫腐蝕性能要求高。再者，氧氣的燃燒反應(yīng)也并不一定發(fā)生在氫氣氧化鐵的還原反應(yīng)的部位。額外的氧氣的加入，還浪費(fèi)還原性氣體、生成的水或者co2也不利于氧化鐵的還原反應(yīng)的進(jìn)行。目前這一工藝應(yīng)該是目前氫冶金領(lǐng)域氣基直接還原鐵最先進(jìn)的工藝了。由于鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)能規(guī)模都很巨大，氫氣還原煉鐵工藝，至少也要規(guī)劃到年產(chǎn)能50萬噸以上的規(guī)模。無論采用豎窯或者回轉(zhuǎn)窯，對(duì)于大規(guī)模的吸熱反應(yīng)，這么大規(guī)模的反應(yīng)器供熱和傳熱都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。對(duì)氫氣或者富氫氣體進(jìn)行加熱存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4、綜上所述，釩鈦磁鐵礦用于高爐煉鐵，存在著高爐渣中鈦含量不能太高，高爐渣中的鈦目前不能有效利用的問題。而為了回收釩鈦磁鐵礦中的鈦采用直接還原鐵工藝，直接還原鐵工藝又不成熟也不安全可靠。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種十萬噸級(jí)以至百萬噸級(jí)規(guī)模的低碳或者微碳直接還原鐵及鐵鈦分離工藝，在煉鐵工藝中得到高品位的鈦渣，以實(shí)現(xiàn)鈦鐵分離和有效利用鈦鐵礦中的鈦資源的目的。

2、本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：通過在電熱回轉(zhuǎn)窯中用電源電極對(duì)含鈦的鐵礦或者其在反應(yīng)過程中生成的固體物料(以下稱為物料)直接通電，依靠物料料堆自身的電阻在電流的作用下發(fā)熱而加熱物料并為吸熱反應(yīng)供應(yīng)熱量。這樣使得大規(guī)模低碳煉鐵工藝得以實(shí)現(xiàn)，并且保持物料中高鈦含量，然后熔化物料進(jìn)行渣鐵分離，分離得到高鈦含量的鈦渣，同時(shí)分離后的直接還原鐵可以直接用于電爐煉鋼。

3、一種自熱式鈦鐵礦低碳鐵鈦分離方法，其特征在于：將含鈦的鐵礦進(jìn)料到電熱回轉(zhuǎn)窯中加熱，加熱過程中氧化態(tài)的鐵與氫氣或富氫氣體進(jìn)行還原反應(yīng)得到金屬態(tài)的鐵，出電熱回轉(zhuǎn)窯的還原鐵礦再經(jīng)過渣鐵分離過程即熔化分離得到鐵水和鈦渣。所述的加熱過程為：在電熱回轉(zhuǎn)窯的加熱段中通過電源電極對(duì)處于其中的所述鈦鐵礦和/或其在所述的加熱過程中變化所得的物料(以下稱為物料)直接通電，物料料堆以自身的電阻發(fā)熱，物料在電熱回轉(zhuǎn)窯中依次經(jīng)過預(yù)熱段、加熱段、降溫段，然后出料；并且所述的物料在電熱回轉(zhuǎn)窯中經(jīng)過的最高溫度不低于650℃；物料在預(yù)熱段中被撤出加熱段的氣體預(yù)熱并被部分預(yù)還原從而使得其導(dǎo)電性得到提高；氧化鐵在加熱段中被還原生成直接還原鐵或者海綿鐵。所述的含鈦的鐵礦為海砂礦、鈦鐵礦、釩鈦磁鐵礦、以及前述礦的精礦、球團(tuán)、燒結(jié)礦、燒結(jié)的球團(tuán)中的一種或者多種。本發(fā)明的技術(shù)方案對(duì)原料礦的種類、原料礦中鐵、釩、鈦的賦存形式或者晶相并無特殊要求，對(duì)礦中的常見雜質(zhì)和其存在形式也沒有特別的要求，但是對(duì)礦中的鐵含量有一定的要求，要求電熱回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料的各種含鐵原料總平均總鐵含量40%以上，優(yōu)選的是45%以上。所述的電熱回轉(zhuǎn)窯中氣體的氣壓小于1mpa。

4、進(jìn)一步的是，所述的富氫氣體為純氫氣，其進(jìn)入電熱回轉(zhuǎn)窯后依次經(jīng)過所述的降溫段、加熱段和預(yù)熱段，然后撤出電熱回轉(zhuǎn)窯；氫氣在降溫段中與從加熱段撤出的物料進(jìn)行熱交換被預(yù)熱?；蛘咚龅母粴錃怏w為煤氣、頁巖氣、煤層氣、焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、水煤氣、合成氣、甲醇、氨氣、秸稈氣化氣、天然氣中的一種或多種，或者在上述氣體中再加入氫氣。

5、進(jìn)一步的是，所述的分離過程為將出電熱回轉(zhuǎn)窯的還原鐵礦進(jìn)行熔分過程，即加熱熔化，分成鐵水和含氧化態(tài)的鈦的渣，并進(jìn)行渣鐵分離。當(dāng)采用的富氫氣體中含有碳時(shí)，氣相中的部分碳會(huì)進(jìn)入還原鐵中，生成碳化鐵，一并統(tǒng)稱為還原鐵。對(duì)于釩鈦磁鐵礦，其中的釩和部分未還原的鐵進(jìn)入鈦渣中。

6、或者，在熔分過程中，還原鐵礦中殘留的碳或者額外加入的碳或者硅，進(jìn)一步的對(duì)還原后的釩鈦磁鐵礦中的氧化態(tài)的釩和部分未還原的鐵進(jìn)行深度還原或者精還原，使得釩進(jìn)入鐵水中，以供現(xiàn)有的轉(zhuǎn)爐提釩或者霧化提釩工藝提釩。部分未還原的鐵的進(jìn)一步還原，也提高了鐵的回收率。

7、進(jìn)一步的是，對(duì)于釩鈦磁鐵礦，渣鐵分離分兩步進(jìn)行，第一步如前所述，先將大量的還原鐵和渣進(jìn)行分離，其中的釩和部分未還原的鐵進(jìn)入鈦渣中。然后在高溫下對(duì)渣進(jìn)行深度還原，將其中大部分釩和鐵還原，并進(jìn)行二次熔分，得到高鈦含量的鈦渣和含釩鐵水。深度還原所需的碳由含碳的富氫氣體反應(yīng)沉積而來，或者外加碳。深度還原的還原劑也可以是外加的金屬硅。進(jìn)行深度還原，一般需要將鈦渣的溫度提高到1400℃以上，優(yōu)選的是1600℃以上，以降低渣的粘度。

8、進(jìn)一步的是，所述的電熱回轉(zhuǎn)窯為：爐膛具有加熱段的電加熱回轉(zhuǎn)窯(下稱電熱回轉(zhuǎn)窯)，其中加熱段設(shè)置有加熱電源的多個(gè)電極，通過該電極在被加熱的物料上施加電壓從而向被加熱的物料饋入電流，利用在加熱段堆積的被加熱的物料的電阻發(fā)熱加熱被加熱的物料；所述的電熱回轉(zhuǎn)窯還具有預(yù)熱段和降溫段；所述的物料在電熱回轉(zhuǎn)窯中依次經(jīng)過預(yù)熱段、加熱段和降溫段；所述的電熱回轉(zhuǎn)窯在降溫段一端設(shè)置有氣體入口、在預(yù)熱段一端設(shè)置有氣體出口。

9、本發(fā)明的工藝可以采用含鈦的低品位鐵礦作為原料。所述的含鈦的鐵礦也包括精礦、原礦和鐵品位在45%以上的尾礦以及它們的燒結(jié)礦或氧化球團(tuán)。

10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

11、與傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝相比，本發(fā)明所述煉鐵工藝碳排放可減少60%，或者選用全氫氣體作為還原氣時(shí)，碳排放減少90%以上。

12、在采用熔分過程時(shí)，可以一步得到鐵水和高鈦渣。對(duì)于釩鈦磁鐵礦，根據(jù)后續(xù)的提釩提鈦工藝的要求，釩可以進(jìn)入鐵水，也可以進(jìn)入鈦渣。

13、與現(xiàn)有釩鈦磁鐵礦高爐煉鐵工藝相比，可以有效的利用鐵礦中的鈦資源。避免了鐵精礦中鈦資源的浪費(fèi)。對(duì)攀西地區(qū)的釩鈦磁鐵礦直接還原后進(jìn)行渣鐵分離，得到的鈦渣中鈦的含量可達(dá)40%以上，接近鈦精礦中47%鈦含量，而且其中的鐵含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于攀西地區(qū)的鈦精礦中的鐵含量，有利于后續(xù)對(duì)鈦的提取。

14、由于能夠利用釩鈦磁鐵礦中的鈦資源，本發(fā)明的工藝成本比較相應(yīng)的高爐煉鐵成本相若甚至更優(yōu)，具有經(jīng)濟(jì)可行性。

15、與現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵工藝相比，由于采用直接向物料通電加熱的電熱回轉(zhuǎn)窯，消除了傳熱對(duì)物料堆料厚度的限制，加熱段的物料填充率可以大幅提高，提高了回轉(zhuǎn)窯的窯膛利用率和設(shè)備產(chǎn)能。

16、與豎爐直接還原鐵工藝相比，避免了加熱段即反應(yīng)段中物料的粘接問題，避免了堵料或者堵窯的發(fā)生，工藝可靠性得到提高。還可以將反應(yīng)溫度提高到足夠高，提高了鐵板鈦礦中鐵的還原百分比。

17、本發(fā)明的工藝和設(shè)備得以簡(jiǎn)化、安全性提高，設(shè)備投資減少、運(yùn)轉(zhuǎn)成本降低，大規(guī)模生產(chǎn)不存在難以克服的技術(shù)困難。具有技術(shù)可行性、安全性和經(jīng)濟(jì)可行性。

18、總之，本發(fā)明為釩鈦磁鐵礦或者其它鈦鐵礦中鈦資源的利用開辟了一條碳排放低、安全性高、投資和運(yùn)轉(zhuǎn)成本低、可靠性高、技術(shù)切實(shí)可行、鈦資源利用率高的技術(shù)路線。