鉛渣煤基直接還原—磁選選鐵試驗(yàn)*

楊慧芬 張 露 馬 雯 王傳龍

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

煤基直接還原技術(shù)不僅在鐵精礦生產(chǎn)海綿鐵上應(yīng)用普遍，在世界鋼鐵工業(yè)飛速發(fā)展和國(guó)際社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視的今天，還被用以研究從難選鐵礦石和高鐵固體廢物回收鐵［1］。朱德慶［2］對(duì)超微細(xì)粒貧赤鐵礦、王靜靜［3］對(duì)云南混合型鐵礦石、謝樺［4］和Li Y L［5］分別對(duì)不同鐵品位的高磷鮞狀赤鐵礦、馬蘭等［6］對(duì)紅土鎳礦、J.W.Park 等［7］對(duì)熱軋污泥、楊慧芬等［8-9］對(duì)提釩尾渣和銅渣、Liu W C［10］和黃柱成［11］分別對(duì)高鐵赤泥、楊合等［12］對(duì)包頭稀土尾礦均進(jìn)行了煤基直接還原—磁選選鐵試驗(yàn)研究，并都取得了較為理想的指標(biāo)。因此，煤基直接還原—磁選工藝為從難選鐵礦石和高鐵固體廢物中回收鐵開(kāi)辟了一條重要途徑。本試驗(yàn)開(kāi)展從鉛渣中采用煤基直接還原—磁選工藝回收鐵的研究。

1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用鉛渣為云南瀾滄某鉛礦有限公司的水淬鉛渣，顆粒狀，4～0.5 mm粒級(jí)占95%左右，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鉛渣主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

從表 1 可見(jiàn)，鉛渣中 Fe、Cu、Pb、Zn含量均很高，有綜合回收利用價(jià)值;鉛渣堿度為1.01，屬中性渣，在煤基直接還原過(guò)程中可不添加任何調(diào)渣劑。

經(jīng)XRD、SEM－EDS分析，鉛渣中多數(shù)礦物呈非晶態(tài)，組成非常復(fù)雜，可鑒定出的晶態(tài)礦物包括Cu、Pb、Zn、Fe的氧化物、硫化物、硅酸鹽及其復(fù)合物、合金等，主要晶態(tài)礦物有(Cu，F(xiàn)e)S2，F(xiàn)e3S4，ZnS，F(xiàn)eO，Ca3FeSi3O12等。鉛渣中 Cu、Pb、Zn 礦物粒度多在幾微米，硫化鐵粒度可達(dá)10 μm，但常常包裹Cu、Pb、Zn硫化物。因此，采用常規(guī)選礦方法難以回收鉛渣中的 Cu、Pb、Zn、Fe。

雖然還原氣氛不利于以硫化物形式存在的鐵的還原，但由于該鉛渣硫化鐵較低，因此，用煤基直接還原—磁選工藝處理該鉛渣，對(duì)鐵的回收率影響不大。

試驗(yàn)所用還原煤為瀾滄煤，工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 還原煤工業(yè)分析結(jié)果 %

從表2可見(jiàn)，該還原煤灰分和硫含量均較低，固定碳含量較高，屬優(yōu)質(zhì)還原劑。

2 試驗(yàn)方法

將50 g鉛渣與一定量的－3 mm還原煤混勻，裝入坩堝，置于一定溫度的SXZ－10－13型馬弗爐中焙燒一定時(shí)間，取出后自然冷卻，磨至一定細(xì)度后用磁選管進(jìn)行1粗1精弱磁選得金屬鐵粉，分析、計(jì)算鐵品位和回收率。

用XRD技術(shù)對(duì)鉛渣、最佳焙燒條件下的焙燒產(chǎn)物以及金屬鐵粉進(jìn)行分析，用SEM－EDS技術(shù)比對(duì)鉛渣、最佳焙燒條件下焙燒產(chǎn)物的微觀形貌和成分。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 焙燒條件試驗(yàn)

3.1.1 還原煤用量試驗(yàn)

還原煤用量(與鉛渣的質(zhì)量比)試驗(yàn)的焙燒溫度為1 200℃、焙燒時(shí)間為40 min、焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－74 μm占90%、弱磁粗選及精選的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1可見(jiàn)，金屬鐵粉的鐵品位受還原煤用量的影響不顯著，但金屬鐵粉的鐵回收率先隨還原煤用量的增加而快速升高，當(dāng)還原煤用量增至鉛渣質(zhì)量的30%后趨穩(wěn)。綜合考慮，確定還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%。

圖1 還原煤用量對(duì)金屬鐵粉指標(biāo)的影響

3.1.2 焙燒溫度試驗(yàn)

焙燒溫度試驗(yàn)的還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%、焙燒時(shí)間為40 min、焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－74 μm占90%、弱磁粗選及精選的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 焙燒溫度對(duì)金屬鐵粉指標(biāo)的影響

從圖2可見(jiàn)，隨著焙燒溫度的升高，還原鐵粉的鐵品位和回收率均呈先快速上升后走平的趨勢(shì)。綜合考慮，確定焙燒溫度為1 200℃。

3.1.3 焙燒時(shí)間試驗(yàn)

焙燒時(shí)間試驗(yàn)的還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－74 μm占90%、弱磁粗選及精選的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 焙燒時(shí)間對(duì)金屬鐵粉指標(biāo)的影響

從圖3可見(jiàn)，在試驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)，金屬鐵粉的鐵品位和回收率先不同程度上升而后走平。綜合考慮，確定焙燒時(shí)間為40 min。

3.2 磨選條件試驗(yàn)

3.2.1 磨礦細(xì)度試驗(yàn)

焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度試驗(yàn)的還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒時(shí)間為40 min、弱磁粗選及精選的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度對(duì)金屬鐵粉指標(biāo)的影響

從圖4可見(jiàn)，隨著磨細(xì)度的提高，金屬鐵粉的鐵品位上升、鐵回收率下降。綜合考慮，確定焙燒產(chǎn)物的磨礦細(xì)度為－74 μm占83.92%。

3.2.2 精選磁場(chǎng)強(qiáng)度試驗(yàn)

精選磁場(chǎng)強(qiáng)度試驗(yàn)的還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒時(shí)間為40 min、焙燒產(chǎn)物的磨礦細(xì)度為－74 μm為83.92%，粗磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度為180 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 精選磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)金屬鐵粉指標(biāo)的影響

從圖5可見(jiàn)，隨著弱磁精選磁場(chǎng)強(qiáng)度的提高，金屬鐵粉的鐵品位呈先緩后快的下降趨勢(shì)，而鐵回收率明顯上升。綜合考慮，確定弱磁精選的磁場(chǎng)強(qiáng)度為56 kA/m，對(duì)應(yīng)的金屬鐵粉的鐵品位為93.68%、鐵回收率為77.59%。

4 鉛渣處理前后XRD、SEM分析

4.1 XRD分析

對(duì)鉛渣、最佳焙燒—磨礦—磁選條件下的焙燒產(chǎn)物、金屬鐵粉進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 鉛渣、焙燒產(chǎn)物、金屬鐵粉的XRD圖譜

從6可見(jiàn)，鉛渣中晶態(tài)礦物很少，主要為非晶態(tài)礦物;焙燒產(chǎn)物的主要衍射峰與鉛渣的衍射峰存在顯著差異，鉛渣的主要衍射峰在焙燒產(chǎn)物中已不可見(jiàn)，而焙燒產(chǎn)物中出現(xiàn)了較強(qiáng)的、鉛渣中沒(méi)有的金屬鐵的衍射峰，說(shuō)明鉛渣中的含鐵礦物經(jīng)煤基直接還原轉(zhuǎn)變成了金屬鐵;焙燒產(chǎn)物中的金屬鐵為強(qiáng)磁性物質(zhì)，經(jīng)磨礦、磁選而富集，因而在金屬鐵粉的XRD圖譜上表現(xiàn)出強(qiáng)而純的金屬鐵衍射峰。

4.2 SEM－EDS分析

鉛渣中的含鐵礦物經(jīng)煤基直接還原轉(zhuǎn)變成了強(qiáng)磁性的金屬鐵，但這些金屬鐵能否實(shí)現(xiàn)高效回收，與生成金屬鐵的顆粒粒度及與渣相的鑲嵌關(guān)系密不可分，因此，對(duì)鉛渣及焙燒產(chǎn)物中的微觀形貌和成分進(jìn)行了SEM－EDS分析，所得SEM照片見(jiàn)圖7。

圖7 鉛渣及焙燒產(chǎn)物的SEM照片

從圖7可見(jiàn)，鉛渣和焙燒產(chǎn)物的微觀形貌差別很大。進(jìn)一步的EDS分析表明，鉛渣中大量分布的深灰色物質(zhì)主要為含鐵硅酸鹽礦物，粒度多在幾十微米;而零星分布的淺灰色物質(zhì)主要為銅鉛鋅的氧化物、硫化物及其合金等，它們的顆粒粒度更小，多數(shù)在幾微米，因而鉛渣很難實(shí)現(xiàn)單體解離。焙燒產(chǎn)物中亮色區(qū)域與深色區(qū)域界線分明，集中連片，進(jìn)一步的EDS分析表明，亮色區(qū)域主要為金屬鐵，深色區(qū)域主要為硅酸鹽類脈石及其包裹的銅鉛鋅礦物，分別對(duì)應(yīng)圖6中的金屬鐵衍射峰和非晶態(tài)礦物衍射峰;金屬鐵顆粒較粗大，粒度多在50 μm以上，因而焙燒產(chǎn)物單體解離較容易，弱磁選回收效果較好。

上述XRD和SEM－EDS分析結(jié)果從微觀上論證了煤基直接還原—磁選工藝是從高鐵鉛渣中回收鐵的有效工藝。

5 結(jié)論

(1)煤基直接還原—磁選可高效回收高鐵鉛渣中的鐵。在還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒時(shí)間為40 min、直接還原產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－74 μm占83.92%、1粗1精弱磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為180、56 kA/m的條件下，可獲得鐵品位為93.68%、鐵回收率為77.59%的金屬鐵粉。

(2)XRD和SEM－EDS分析結(jié)果表明，煤基直接還原可使鉛渣中粒度細(xì)微、嵌布關(guān)系復(fù)雜、磁性弱的含鐵礦物轉(zhuǎn)變成粒度粗大、與渣界限分明、磁性強(qiáng)的金屬鐵，為弱磁選分離創(chuàng)造了有利條件。

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