钒、钛、铬是世界公认的重要战略资源,是国民经济发展和国家安全的重要物质保障,广泛应用于冶金、化工、航空航天、国防军事等领域。高铬型钒钛磁铁矿作为钒、钛、铬资源的重要载体,在我国储量十分丰富,具有极高的综合利用价值。但高铬型钒钛磁铁矿属于典型的多金属共(伴)生复合矿,具有“贫、细、散、杂”的特点,且有价矿物种类繁多、矿物结构复杂、赋存尺度微细且相互间紧密共生,故矿物加工和利用难度大。目前,高铬型钒钛磁铁矿主要采用高炉-转炉流程冶炼,有价组元利用率较低,环境负荷大。因此,如何高效清洁综合利用高铬型钒钛磁铁矿,提高有价组元利用率,是我国解决钒、钛、铬等资源战略需求的重要途径,对我钢铁行业乃至国民经济意义重大。在总结和回顾前人研究的基础上,本研究提出了高铬型钒钛磁铁矿气基竖炉直接还原-熔分新工艺。针对新工艺的关键环节,以某进口高铬型钒钛磁铁矿为研究对象,进行球团氧化焙烧行为及固结机理、有价组元在球团氧化焙烧过程中的耦合作用机制、气基竖炉直接还原相变历程及还原行为、气基竖炉直接还原动力学、熔分关键参数控制及其机理、熔分过程优化及熔分行为等研究。高铬型钒钛磁铁矿球团氧化焙烧行为及固结机理研究表明,提高焙烧温度和延长焙烧时间,均有助于提球团抗压强度,适宜焙烧参数为:焙烧温度1300℃和焙烧时间20 min。氧化焙烧过程中,有价组元的物相迁移规律为:Fe3O4 →Fe2O3;Fe2.75Ti0.25O4 → Fe9TiO15 + FeTiO3 → Fe9TiO15 + Fe2Ti3O9;Fe2VO4 →V2O3 → V2O3 + V1.7Cr0.3O3;FeCr2O4 → Cr2O3 → Fe1.2Cr0.8O3 + V1.7Cr0.3O3。高铬型钒钛磁铁矿球团的氧化固结过程可分为氧化(低于900℃)、再结晶-固结发育(900～1100℃)和再结晶-固结互联(1100～1300℃)三个阶段。高铬型钒钛磁铁矿有价组元在球团氧化焙烧过程中的耦合作用机制研究表明,铁精矿中TiO2、V2O5、Cr2O3含量增加时,球团强度呈降低趋势。Ti02有助于降低球团还原膨胀,而V205和Cr203含量增多,球团膨胀增大。TiO2&V2O5耦合作用时,两者恶化球团强度的作用进一步加剧。TiO2&V2O5&Cr2O3耦合作用时,球团强度均低于TiO2、V2O5、Cr2O3单组元影响条件下的球团强度。高铬型钒钛磁铁矿球团气基竖炉直接还原相变历程及还原行为研究表明,对于高铬型钒钛磁铁矿这类较难还原的复合铁矿资源,宜采用高还原温度和高氢还原气氛,推荐使用HYL-ZR气基竖炉直接还原工艺。随着还原温度提高和还原气氛中H2含量增多,球团还原率不断增大。在1100℃、H2/CO=5/2、CO2=5%条件下还原35 min,球团还原率能达到95%。还原过程中,有价组元迁移规律为:Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe;Fe9TiO15+Fe2Ti3O9 → Fe2.75Ti0.25O4 → FeTiO3→ TiO2;V1.7Cr0.3O3 + V2O3 → V2O3 → Fe2VO4;Fe1.2Cr0.8O3 → Cr2O3 → FeCr2O4。还原初期球团膨胀率急剧增大,而后出现一个转折点,膨胀率增大变缓,接着球团收缩。而在还原初期,球团强度急剧下降,强度损失近80%。适当增加还原气中H2含量,有助于球团获得良好的还原膨胀及强度。高铬型钒钛磁铁矿球团气基竖炉直接还原动力学研究表明,提高还原温度和增大还原气氛中H2含量,可有效改善还原动力学条件。基于多反应界面的未反应核模型,建立了高铬型钒钛磁铁矿球团气基竖炉非等温还原动力学模型。当给定还原气氛及升温速率时,即可获得任意还原条件下的动力学模型,其相关系数均高于0.99,该模型能准确描述高铬型钒钛磁铁矿球团气基竖炉非等温还原过程。高铬型钒钛磁铁矿金属化球团熔分关键参数控制及机理研究表明,通过熔分,可获得含钒铬铁和含钛渣。配碳量太少,深还原及渗碳无法充分进行,但过量的碳会导致钛的过还原及渣黏度增大,不利于熔分进行。CaF2可显著降低渣的黏度,改善熔分动力学条件。温度对熔分过程动力学的影响程度大于对热力学的影响,适当升高熔分温度和延长熔分时间,可有效改善熔分效果。在适宜范围内提高碱度,有助于增大渣系液相区域面积、降低熔分渣黏度、增大渣表面张力、降低渣熔点,改善熔分动力学条件。但碱度过高会引起渣熔点上升和过多渣量形成,不利于提高有价组元回收率。采用多指标综合加权评分法优化高铬型钒钛磁铁矿金属化球团熔分工艺研究表明,适宜工艺参数为:配碳比1.20、CaF2添加量2%、熔分温度1650℃、熔分时间45 min、碱度1.10;对熔分效果影响主次为:碱度>熔分温度>熔分时间。适宜条件下,Fe、V、Cr和Ti02的回收率分别为99.87%,98.26%,95.32%和95.04%,其相应的质量分数分别为94.16%,0.94%,0.76%和38.21%,实现了铁、钒、铬与钛的高效分离。高铬型钒钛磁铁金属化球团熔分过程包括Fe-C熔体及铁液形成、渣熔化开始及熔渣形成、渣铁开始分离、铁熔滴或熔渣持续聚集长大及渣铁分离四个关键行为,而铁熔滴聚集长大须经过铁熔滴自发形核、反应界面形成和扩大、反应界面缩小及铁熔滴聚集长大三个过程。本研究提出的新工艺实现了高铬型钒钛磁铁矿资源综合利用的理论完善和方法创新,为攀枝花高铬型钒钛磁铁矿大规模综合利用工艺的设计开发与产业化应用提供重要的理论依据和借鉴,有助于促进高铬型钒钛磁铁矿综合利用技术的发展。