我国金属矿产资源中贫矿、共伴生的复合矿多,冶炼分离难度大,综合利用率不高,资源保障能力不足,矿产资源对外依存度很高。以焦炭为能源的高炉冶炼工艺技术成熟,能耗低,但只能以高品位的铁精矿为原料,无法处理低品位复合矿;低品位的复合矿只能通过高温的矿热电炉冶炼。但以电力为能源的一步法矿热电炉大量消耗高品位的二次能源,考虑到发电能源转换效率,处理低品位复合矿时综合能效低,经济性不高。为了降低冶炼综合能耗、高效利用低品位多金属复合矿产资源,本论文采用直接还原-熔分二步法工艺进行研究以实现不同矿相中铁氧化物的分级还原和其他有价元素的富集。在直接还原工序中,采用一次能源煤炭进行物料升温和铁氧化物还原过程;在熔分工序中以高品质的电力(二次能源)为能源,对以高晶格能稳定存在的Fe2+离子进行深度还原并进行铁水/有价元素的熔化分离,在最大限度提取铁金属的同时提升了其他有价元素的富集度,铁水后续可用于高品质的合金冶炼,富集的有价元素可采用现有成熟的有色金属冶炼工艺进行提取。本论文以精选海砂钒钛磁铁矿、含铁选铜尾矿、红土镍铁矿三种典型低品位复合矿为原料,首先进行复合矿物的还原反应特性基础实验,分别研究了碳氧摩尔比、还原温度和还原时间对复合矿中铁氧化物金属化率的影响。实验结果表明,海砂钒钛磁铁矿、含铁选铜尾矿和红土镍铁矿三种典型矿物合理的直接还原工艺参数如下:碳氧摩尔比分别为1.8、1.2和0.85左右;还原温度分别是在1300℃、1200℃和1250℃左右;还原时间分别是在30min、40min和20min左右;动力学研究表明,海砂钒钛磁铁矿和含铁选铜尾矿还原反应前期受化学反应控制,中期受化学反应和内扩散混合控制,后期受内扩散控制;红土镍铁矿还原反应前期受化学反应控制,中、后期受化学反应和内扩散的混合控制,为低品位复合矿的工业化利用提供了基础性设计依据。以工业化应用为目标,设计了以转底炉还原-矿热电炉熔分的节能型复合矿冶炼工艺:以冶炼难度最大的海砂钒钛磁铁矿为原料,在转底炉中通过碳热法完成物料加热升温的同时完成绝大部分还原反应,用一次能源煤炭替代了传统一步法矿热电炉中物料升温的巨大电耗;还原后的热态物料热送热装至矿热电炉熔池内,物料在高温液态熔池内会快速熔化并进行深度还原,这大大缩短了矿热电炉的还原时间,具有显著的节能效果。本文在转底炉直接还原-矿热熔分工艺中试生产线上进行了试验研究,并创新性的开发了往熔池液态渣层内喷煤补碳还原技术,实现了偏钛酸亚铁(FeTiO3)晶格中的低价Fe离子的深度还原。中试试验结果表明:以Fe元素含量为22.4%~24.5%,TiO2含量为55.3%~57.0%精选海砂钒钛磁铁矿为原料进行试生产可得到TiO2含量高达82.5%的高钛渣产品和含钒铁水,富集了TiO2的高钛渣产品后续采用现有成熟的工艺路线生产钛白粉,含钒铁水可进行高品质的合金冶炼或采用转炉炼钢提钒,实现了海砂矿钒钛磁铁矿的高值化利用。中试线生产的高钛渣单位产品能耗为1462.4(kW·h)/t,比现有一步法矿热电炉工艺生产高钛渣产品的单耗降低了 36.4%,具有明显的综合能效优势。