白云鄂博矿中镧在钢铁冶金过程的传承行为研究

发布时间：2020-05-06 11:45

【摘要】：白云鄂博矿是世界上最大的稀土资源储量的共生矿,同时也是包头钢铁集团主要铁矿石来源之一。上世纪90年代末,我国科学家研究了中国铁矿石留在钢中的残留痕量元素,最后发现使用了白云鄂博铁矿作为原料后在最后钢材产品中稀土铜和铺的总量约为5ppm～10ppm。但是,铁矿石中的稀土在钢铁冶金过程是如何残留到最终的钢铁产品中,这种行为过程受哪些因素的影响及影响规律,整个过程能否控制,从而发挥优势资源的作用,均未有系统的研究。本文研究了基于白云鄂博铁矿中稀土镧在钢铁冶金过程的传承行为。首先研究了稀土镧在原料中的存在状态以及各冶金流程中的存在状态和流向趋势,探索出控制稀土镧传承行为的关键性工艺过程。然后,分析了关键性工艺过程中稀土镧的传承机理和关键性影响因素及其影响规律。最后,探索了含稀土高炉渣二次资源在炼钢过程中的直接合金化利用。研究结果表明:稀土镧在铁精矿中主要以氟碳铈(镧)矿(LaCO_3F)和独居石(LaPO_4)两种状态存在。在烧结和球团矿中主要以氧化镧和未分解的独居石两种状态存在。经过高炉炼铁后稀土镧主要进入到高炉渣中。铁水中残留的稀土镧经过转炉吹炼后,全部变为氧化物形式存在并上浮进入炉渣中。吹炼完成后钢水经过脱氧过程后,钢水中的[La]有所升高,继续在钢水中往后传承,最终以逐渐下降的趋势直至凝固成坯,最终在连铸坯中传承的稀土镧含量为0.1～1.1ppm。其中高炉炼铁过程和转炉吹炼完成后的脱氧过程决定了稀土镧在钢水中的传承量是整个冶金流程中的关键性工艺过程。高炉炼铁过程中,烧结和球团矿中的稀土镧均以氧化物的形式参与造渣,在熔渣中主要以硅氧四面体为基础可以自由移动的(La_2O_3)状态参与渣、铁反应,然后(La_2O_3)被碳元素逐渐脱氧,最终还原成LaC_2,部分LaC_2可以溶入到铁水中,在铁水中的[La]被铁水中未能上浮的多孔状石墨化的焦炭上的含氧官能团吸附,最终以石墨相的形式存在于铁水中,从而继续往后续工艺过程传承。稀土镧在高炉炼铁过程中往铁水中的传承量随着碱度的提高而下降;随着炉渣中稀土含量的提高而增加,而且效果最为显著,为关键影响因素;炉内温度升高有助于还原反应的进行,传承量随之增加。经过转炉吹炼后,钢水中的的镧全部以氧化物形式存在,并上浮至炉渣中,从而使得稀土镧难以往后传承。在转炉脱氧过程中钢水中未完全上浮的镧的氧化物可以被脱氧剂中的Al和Si还原成Al_(11)La_3和La_3Si_2中间化合物,以及被Ca还原成La,再溶入钢水中继续往后传承。LF精炼工序中,保护渣中稀土镧主要以硅氧四面体为基础可以自由移动的(La_2O_3)形式参与反应。往保护渣中加入铝粒后,炉渣中的(La_2O_3)可以被还原成(Ca_(0.8)La_(0.2))Si_2。LF精炼钢水中的[La]的传承主要受到炉渣中(FeO+MnO)的间接氧化行为所影响,熔渣中(FeO+MnO)含量越高,镧在钢水中越难传承。增加LF精炼渣中(La_2O_3)的活度以及降低(FeO)和(MnO)活度,均有利于提高稀土镧在钢水中的传承量。最显著的影响因素就是熔渣中La_2O_3的含量、FeO和MnO的含量。高炉渣中的稀土元素可以被铝逐步还原,首先铝可以将高炉渣中的氧化硅还原成单质硅,然后,硅作为还原剂可以将高炉渣中的钙和稀土还原成(Ca_(0.8)RE_(0.2))Si_2,从而高炉渣可以在钢水中进行直接合金化。使用高炉渣进行直接合金化时,影响因素重要性排名为:还原剂量保护渣量取样时间高炉渣量。其中还原剂的量和保护渣的量影响非常显著,取样时间和高炉渣的量影响显著。
【图文】：

１．２．１白云鄂博矿的形成逡逑白云鄂博铁矿床地处华北陆块北缘，地跨华北地块及内蒙海西地块两大构逡逑造单元，之间被白云鄂博北面的乌兰宝力格深大断裂所隔开（图１．１所示），以北逡逑为内蒙海西地槽区。它是全世界最大的轻稀土矿床，其轻稀土储量占全球总储逡逑量的５０％左右，该矿床的铌储量位居世界第二，且又是一个大型的铁矿。该矿逡逑床的地质历史复杂，从地层沉积至今经历了至少１１次的地质事件。自从１９２７逡逑年丁道衡先生发现该矿床以来，已经展开了大量的地质、勘探、矿物学、地球逡逑化学和地质年代学工作，取得了显著的成果逡逑士．邋－一一逡逑／逦［１０中摹逡逑／逦（Ｓ＾ｌ邋ＫＶ．Ｓ逡逑ｖｉｏｒａｏ－逦＼ｉｎｒｏｏ，逦逦逡逑图１．１白云鄂博地区断裂构造示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｆａｕｌｔ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｉｎ邋ｂａｙａｎ邋ｅｂｏ邋ａｒｅａ逡逑尤其是在何作霖先生等发现稀土和铌矿物后，吸引了国内外许多学者及地逡逑质学家对其形成的原因进行了大量的研宄。前人对于白云岩成因的认识存在严逡逑重分歧。导致人们得出不同认识的关键现象是赋矿白云岩具有纹层状构造

Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｒａｒｅ邋ｅａｒｔｈ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｂａｙａｎ邋ｏｂｏ邋ｍｉｎｅ逡逑业上具有直接利用价值的则主要是氟碳铈矿和独居石，同一种元若干种不同的矿物中，矿石的类型较多，嵌布的粒度较细，矿物切，矿石中有大约９０％以上的稀土元素存在于独立的矿物中，的稀土元素则分布在铁矿物和萤石中。由于稀土矿物的可浮性与石、重晶石和萤石等相近，另外磁性与赤铁矿、钠辉石和钠闪石与铁矿物和重晶石相近，，因而选别分离稀土矿物的难度极大［２５］。因云鄂博铁矿作为铁前原料时，其中一部分的稀土元素会随着铁矿工序中。逡逑云鄂博矿应用现状逡逑鄂博矿自发现和开采以来，一直以铁矿需求量定产，原矿石年开到千万吨级，主东矿己经开采过半。白云鄂博铁矿基本不生产专
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TF4

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本文编号：2651208