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以烧结-高炉-转炉为核心的钢铁长流程生产工艺仍在我国的钢铁生产中占据主导地位,且将持续较长的时间。我国钒钛磁铁矿资源丰富,现已建成完整的以钒钛磁铁矿为原料,基于长流程的钢铁冶金、钒冶金和基于电炉流程的钛冶金工艺体系,实现了铁、钒、钛三大元素的提取和利用。钒钛磁铁矿TiO2含量较高,属于典型的难烧结铁矿,为了保证烧结矿质量,往往需要增加配碳量以提高烧结液相量,同时也增加了生产成本和环保压力。从提高钒钛资源富集率、回收率的角度考虑,在烧结过程中提高钒钛磁铁矿配比具有重要的现实意义。因此,如何在提高钒钛磁铁矿烧结配比时,既保证烧结矿质量、又降低烧结配碳量成为目前企业亟待解决的问题。在此背景下,本文以钒钛磁铁矿为研究对象,提出预制铁酸钙烧结新技术,以期强化钒钛磁铁矿的烧结过程,进一步完善钒钛磁铁矿的烧结理论,为高配比钒钛磁铁矿的低碳烧结提供理论依据和技术支撑。论文的主要工作和结论如下:(1)热力学计算表明配加铁酸钙不会显著影响烧结混合料的固相线和液相线温度,但烧结液相量呈略微增加的趋势。铁酸钙和钒钛磁铁矿混合料在焙烧过程中,液相生成量和固-液同化程度随着焙烧温度和时间的增加而提高。温度升高,体系中未反应钒钛矿比例下降,磁铁矿晶粒趋于规则;随着烧结时间增加,液相生成量增多,体系表观粘度降低,基体致密度提高,由粒状结构向熔蚀结构转变。烧结氧分压从0.005 atm增加到0.05 atm,针状铁酸钙和二次赤铁矿开始出现,烧结基体分布着大量的熔蚀结构,氧分压继续提高,铁酸钙形貌由针状转变成为块状,赤铁矿含量显著增加。铁酸钙的加入可有效增加液相量,加强固-液同化反应,促进熔蚀结构的发展,提高烧结矿中的SFCA数量,增加烧结基体致密度。混匀料在升温过程中铁酸钙液相的生成存在三个吸热峰:CF+CF2→L的共熔,SFCA-I及SFCA的熔化;预制铁酸钙的加入可降低混匀料初始液相的产生温度,促进铁氧化物向初始液相中熔解,增加烧结液相量,提高结晶过程中析出的铁酸钙含量。钒钛磁铁矿-铁酸钙体系的润湿反应后物相由Ca O·Fe2O3、Ca3TiFe2O8、和(Fe,Mg)3O4组成;相比于Fe3O4,钒钛磁铁矿中的TiO2、Mg O改变了产物成分,抑制了铁酸钙对钒钛磁铁矿的润湿作用。(2)通过固相反应法制备了钒钛烧结矿中的重要含钛物相-钛榴石(Ca3Fe2Si1.58Ti1.42O12)以及在钒钛磁铁矿-铁酸钙润湿体系中新发现的钛铁酸钙(Ca3TiFe2O8),并完善了其冶金性能基础数据。钛榴石抗压强度为11.35~16.27 Mpa,熔点为1229℃。非等温还原结果显示,钛榴石可一步还原为金属Fe、钙钛矿与硅灰石,其开始还原温度为500℃,温度升高到900℃时,钛榴石的还原度仅为25%,完全还原温度为1150℃;钛铁酸钙的开始还原温度约700℃,还原温度为900℃时,还原度可达64%;中温还原性较好,与CF、CF2较为接近,还原产物为Fe,Ca O,和Ca O·TiO2;烧结矿中典型物相的中温(900℃)还原性能顺序为:赤铁矿>磁铁矿>铁酸半钙>铁酸一钙>钛铁酸钙>铁酸二钙>钙铁橄榄石>钛榴石。测得了钛榴石和钛铁酸钙的高温热容。钛榴石与钒钛磁铁矿基板不润湿,原因是TiO2扩散进入熔体而析出大量微米级(1~2μm)的钙钛矿晶体,限制渣样在基板上的铺展;钛榴石在钒钛磁铁矿基板或磁铁矿基板上润湿结束后,渣-基界面均有宏观裂纹产生。(3)提高钒钛磁铁矿在含铁物料中的配比,成品率、转鼓强度整体呈先稳定后下降的趋势,转折点为70%。碱度由2.0增加到2.8,成品率稳步提高;烧结矿中钙钛矿和铁酸钙含量均增加。随着烧结配碳量从5.5 wt.%降低到3.4 wt.%,烧结矿成品率呈线性下降的趋势;碳含量降低后抑制烧结还原性气氛并降低烧结温度,烧结矿中磁铁矿、钙钛矿含量逐渐降低。预制铁酸钙配比由0 wt.%增加到4.64 wt.%,成品率、转鼓强度呈先稳定后升高的趋势;烧结矿中铁酸钙含量增加,呈针状或长条状,与磁铁矿共同组成熔蚀结构,烧结矿基体致密,气孔以小孔厚壁形式出现。预制铁酸钙技术可改善烧结矿还原性与低温还原粉化性能。通过降低燃料粒度以增加焦炭燃烧速率、运用返矿镶嵌以提高料层透气性均能够有效降低烧结时间,强化预制铁酸钙烧结技术,保证钒钛磁铁矿烧结利用系数、成品率和转鼓强度的稳定,可以降低烧结30 wt.%的燃料配比。(4)预制铁酸钙烧结技术的核心机理在于:增加初始铁酸钙含量,促进初始液相的生成,推动固-液同化作用的发展,增加烧结液相量,减少未反应铁矿石的比例,抑制钙钛矿的产生,提高烧结液相粘接能力,优化烧结矿微观形貌,发展针状铁酸钙和交织熔蚀结构。基于烧结热制度理论,明确了熔化区面积与烧结矿成品率、以及配碳量与熔化区面积的线性关系,提出了预制铁酸钙等效热的概念,通过烧结物料平衡、热量平衡计算得到铁酸钙的等效热量为13846.96 k J/kg;建立了传统条件与预制铁酸钙烧结条件下的热制度模式,分析了熔化区面积和成品率在不同配碳量、预制铁酸钙和燃料粒度条件下的关系,建立了配碳量与预制铁酸钙的配料模型,模型预测结果符合二次函数变化规律,MCF=0.55483·M~2Coke-6.63821·MCoke+20.92557,完善了预制铁酸钙烧结基础理论。