编者按：为有效推动科学普及与科技创新两翼齐飞，营造尊重科学、崇尚创新的浓厚氛围，我们再次推出“科学家讲科学”系列科普讲座，在上一期邀请我省自然科学基金创新研究群体基础上，此次燕赵青年科学家项目负责人带来了他们各自研究领域基础科学知识，带你用好奇更新已知边界，用科学连接未来生活。让我们与省自然科学基金背后的专家面对面，与科学零距离，继续有料有趣的奇妙科普旅程！

　　今天让我们走进河钢材料技术研究院正高级工程师李兰杰团队，探索钒钛产业高端化与绿色化融合发展。

　　河钢钒钛产业高端化与绿色化融合发展

　　现状与展望

　　钒在钢铁工业、航空航天、新能源电池、国防军工等领域均有重要应用，有“现代工业的味精”之称。我国80%左右的钒用于钢铁工业，主要用作合金添加剂，对钢材进行微合金化，提升产品强度、韧性、耐高温性、抗腐蚀性，节约钢材消耗量。钛被誉为继铁、铝之后，在本世纪将崛起的“第三金属”，由于其具有熔点高、比重小、韧性好、抗疲劳、耐腐蚀、导热系数低等特点，被广泛应用于航空航天等领域，被称为“太空金属”。

　　钒含量约占地壳重量的0.02%，排在金属元素第2位，但资源分布很分散。中国钒储量位居世界第一，约950万吨金属钒，占全球可开采总储量的37.2%。钛金属全球远景储量估计在20亿吨以上，已探明储量约7亿吨，主要储存在钒钛磁铁矿中。钒钛磁铁矿是世界上最主要的钒钛资源，也是一种重要的战略性资源，主要分布在中国、俄罗斯、南非、澳大利亚等国家，其高效利用具有重要意义。

　　

　　

　　河钢材料技术研究院“科学家讲科学”科普讲座现场

　　目前，国内外针对钒钛磁铁矿资源中铁钒钛的开发利用，采取的方法是先对矿石进行分选，获得钒钛磁铁精矿和钛铁矿精矿两种产品。在选矿过程中约占原矿总量52%的钛和89%的钒进入钒钛磁铁精矿产品中，故钒钛磁铁精矿中铁、钒、钛综合利用价值高，但由于其成分和结构复杂，是世界公认的难选冶矿种。

　　目前，高炉冶炼是处理钒钛磁铁矿最为成熟的工艺，其流程是先将钒钛铁精矿配入烧结/球团后作为高炉炉料进行冶炼，得到含钒铁水和含二氧化钛的高炉渣，然后利用转炉吹炼法处理含钒铁水生产出钒渣和半钢，采用湿法冶金方式处理钒渣得到合格钒产品，而半钢则经过再次加工能获得合格的钢材。在此过程中钒资源能够得到较好利用，但产生的高炉渣由于其钛含量低，难以利用，造成了钛资源的浪费，是亟需解决的科学问题。基于非高炉工艺处理钒钛磁铁矿，如煤基回转窑还原-电炉熔分、转底炉直接还原-电炉熔分工艺存在生产稳定性差、能耗高，且钛渣品位易被煤灰分稀释难利用等缺点，未被规模化利用。

　　双碳目标约束下，以氢代碳冶炼成为钢铁行业低碳发展的必然趋势。氢还原钒钛磁铁矿具有如下优势：一是从热力学角度，除铁之外其他元素很难被氢还原，为纯净钢生产奠定基础；二是氢还原不使用固体炭还原剂，带入磷、硫少，冶炼过程杂质少，产品纯净；三是氢还原的气体产物（水）易分离处理，可实现清洁生产，处理复合矿具有优势，可同时提铁和富集其他有价组元；四是氢还原钒钛磁铁矿时，二氧化钛不会被还原，避免氮化钛、碳化钛生成，有利于后续工序铁和钛组元分离。

　　基于此，依托河钢集团全球首例基于焦炉煤气零重整的氢基竖炉示范工程，研究团队提出钒钛磁铁矿氢基竖炉还原-电炉熔分-熔分钛渣短流程提钛的技术研发路线。以黑山钒钛磁铁矿、朝阳钒钛磁铁矿等为研究对象，得到适用于不同种类型钒钛磁铁矿的最优配矿方案，直接还原铁金属化率接近90%；钒钛矿金属化球团经熔分后，金属铁、钛、钒的收得率皆达到90%以上，钛渣品位超过40%。以熔分钛渣为原料，开展了“碳热还原-熔盐电解制备金属钛”“熔分钛渣低温碳化-低温氯化制备四氯化钛”和“铝热自蔓延法制备钛铁合金”技术研究，分别得到金属钛产品、合格的碳化钛中间产物和符合国标要求的30、40钛铁合金产品。通过以上研究，初步打通了钒钛磁铁矿氢基竖炉还原-电炉熔分-熔分钛渣短流程提钛全流程工艺路线。

　　下一步，研究团队将进一步优化从钒钛磁铁矿到铁、钒、钛产品全流程工艺参数，完成技术工业化试验验证，加速推动我国钒钛产业高质量发展。

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