攀西红格矿区钒钛磁铁矿资源储量35.45亿t,是目前我国最大的钒钛磁铁矿矿床,除含有铁、钒、钛之外,还伴生有较高含量的铬资源,Cr2O3储量达900万t,具有极高的综合利用价值和重要的战略地位。现有钒钛磁铁矿综合利用工艺中,高炉-转炉流程存在有价组元利用率低、资源浪费严重、环境污染大等问题,煤基直接还原工艺具有能耗高、效率低、钛渣活性差等一系列缺点,未能实现大规模工业化生产。我国《钒钛资源综合利用和产业发展“十二五”规划》中指出,在共伴生金属资源实现规模化回收之前,红格矿南矿区作为国家重要战略资源储备,暂实行封闭保护。基于此,本研究提出采用气基竖炉冶炼红格钒钛磁铁矿,对涉及该工艺的关键环节,利用XRD、SEM、EDS等多种现代分析测试技术,围绕红格钒钛磁铁矿球团氧化焙烧和气基直接还原过程,开展了深入且系统的基础性研究工作。主要研究内容和所获得结果如下:(1)在红格钒钛磁铁矿基础特性研究基础上,开展了红格钒钛磁铁矿氧化球团制备工艺实验研究。结果表明,一定范围内提高预热和焙烧温度,延长预热和焙烧时间可提高预热球团和焙烧球团的抗压强度,获得较佳的氧化球团制备工艺参数为:预热温度900℃、预热时间10 min、焙烧温度1200℃、焙烧时间15~20 min,在此条件下预热球团和焙烧球团抗压强度分别可达448 N和2893 N(焙烧时间15 min)。(2)研究了红格钒钛磁铁矿球团氧化固结过程和非等温氧化动力学。结果表明,氧化固结过程含铁、钛、钒和铬物相的转变历程分别为:Fe3O4→Fe2O3,Fe2.75Ti0.25O4→FeTiO3→Fe9TiO15,Fe2VO4→(Cr0.15V0.85)2O3,FeCr2O4→(Fe0.6Cr0.4)2O3/Fe0.7Cr1.3O3/(Cr0.15V0.85)2O3。氧化固结过程可分为三个阶段,第一阶段在300~500℃,主要是磁铁矿和钛磁铁矿的氧化;第二阶段在500~900℃,主要是第一阶段氧化反应的延续,同时生成铁铬固溶体和铬钒固溶体;第三阶段在900~1200℃,是焙烧球团抗压强度急剧增加的阶段。基于Flynn-Wall-Ozawa法求得非等温氧化过程的活化能先随转化率的增加而增大,当转化率超过0.4时,活化能减小,平均活化能为69.33 kJ/mol。(3)红格钒钛磁铁矿氧化球团气基直接还原行为研究。等温还原结果表明:①升高还原温度、增大还原气氛中φ(H2)/φ(CO)比值和减小球团直径均可促进还原过程的进行。本研究条件下,适宜的还原工艺参数为:还原温度1050℃、还原气氛中φ(H2)/φ(CO)比值2.5、球团直径8~11 mm。②还原过程含铁、钛、钒和铬物相的转变历程分别为:Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe,Fe9TiO15→Fe2.75Ti0.25O4→Fe2TiO4→FeTiO3→TiO2,(Cr0.15V0.85)2O3→Fe2VO4,(Fe0.6Cr0.4)2O3/Fe0.7Cr1.3O3/(Cr0.15V0.85)2O3→FeCr2O4。③相同还原条件下,一定范围内提高球团氧化焙烧过程中的预热和焙烧温度,延长预热和焙烧时间均可促进还原过程的进行,还原度增大,且有利于抑制球团的还原膨胀。虽然预热和焙烧条件不同,但获得的还原后球团的物相组成却是相同的。焙烧球团的孔隙度和还原球团的膨胀指数具有一定的相关性,焙烧球团孔隙度越高,还原球团膨胀指数越大。④还原初期,还原过程受界面化学反应控制,随着还原的进行,还原过程受界面化学反应和气体通过产物层的内扩散混合控制。随着还原温度的升高和φ(H2)/φ(CO)比值的减小,球团的还原膨胀增大。非等温还原结果表明,还原过程含铁、钒、铬物相的转变历程与等温还原条件下相同,但含钛物相没有还原为TiO2,只还原到Fe2TiO4。(4)研究了有价组元对红格钒钛磁铁矿球团氧化焙烧和气基直接还原行为的影响。结果表明,随着V2O5(0%~6%)、TiO2(0%~9%)、Cr2O3(0%~12%)添加量的增加,焙烧球团抗压强度降低,孔隙度增大,不利于球团的氧化固结,且影响机理各有差异,主要与球团的孔隙度、物相组成和微观形貌密切相关。在相同还原条件下,还原初始阶段随V2O5添加量的增加,还原度逐渐增大,此后V2O5添加量的增加抑制了还原过程的进行,还原度减小。TiO2添加量的增加不利于还原过程的进行,还原度减小,尤其在还原中后期影响显著。Cr2O3对还原过程的影响较为复杂,不同还原阶段影响程度各不相同。V2O5和Cr2O3不利于含钛物相的还原和金属铁颗粒的聚集长大,加剧了还原后球团的膨胀并降低抗压强度,但TiO2有利于改善球团的还原膨胀和提高抗压强度。