釩渣去鈉提鐵基礎性能實驗研究

畢秀榮 劉 綱 王慧霞 朱 榮 郭亞光

(1：北京蒂本斯工程技術有限公司 北京100071；2：北京科技大學冶金與生態工程學院 北京100083；3：鋼鐵研究總院 北京100081)

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釩渣去鈉提鐵基礎性能實驗研究

畢秀榮①1劉 綱2，3王慧霞1朱 榮2郭亞光2

(1：北京蒂本斯工程技術有限公司 北京100071；2：北京科技大學冶金與生態工程學院 北京100083；3：鋼鐵研究總院 北京100081)

國內某鋼廠提釩尾渣中TFe高達24.44%，如何采取有效措施提取釩尾渣中Fe，實現資源的循環利用是鋼廠重點攻關的課題。以提釩尾渣為研究對象，通過對提釩尾渣成分化學分析及礦相組成分析，設計配碳、CaCl2焙燒-磁選實驗及熔分實驗，實現鐵元素的富集。實驗結果表明，熔分實驗可以最大程度地實現去鈉提鐵，實現鋼廠廢棄物的有效循環利用，本研究的產業化推廣將產生巨大的經濟效益。

提釩尾渣 固體廢棄物 堿金屬

1 概述

隨著冶金技術的不斷發展，鋼鐵企業固體廢棄物處理成為維持生態環境亟待解決的問題。大量固體廢棄物的堆存不僅影響美觀、占用大量空間資源，更對生態環境造成破壞。鋼鐵行業固體廢棄物主要指冶煉后剩余的尾渣。尾渣中往往含有含量可觀的有益資源，在大力倡導綠色冶金的今天，將這些資源加以回收利用，變廢為寶，必將成為未來發展的一種趨勢。

提釩尾渣為釩鈦磁鐵礦經高爐冶煉、轉爐提釩后剩余釩渣，再經Na2CO3、Na2SO4氧化焙燒提釩后剩余的殘渣。其中含有大量TFe及少量V2O5，是一種重要的提取TFe的廢物資源。但由于提釩過程中加入大量Na2CO3、Na2SO4，導致棄渣中Na含量過高，很難返回高爐流程繼續利用[1-3]。國內某鋼廠提釩尾渣中TFe高達24.44%，如將其中的TFe回收，將是一筆可觀的TFe資源，但提釩尾渣中堿金屬Na含量過高，遠超過煉鐵界公認的堿金屬危害界限(4.5kg/t，即0.45%)[4,5]。以國內某鋼廠提釩尾渣為研究對象，分別進行磁選實驗及熔分實驗，尋求適合生產實際的提釩尾渣去鈉提鐵處理方法。

2 實驗原理

提釩尾渣主要成分如表1所示。

表1 提釩尾渣主要成分

對提釩尾渣進行礦相分析(圖1)，結果表明，提釩尾渣中60%～65%為釩鈦磁鐵礦(圖1中1)和鈦鐵晶石(圖1中2)；5%左右的金屬鐵(圖1中4)；30%～35%的硅酸鹽液相渣(圖1中3)。Na基本上存在于脈石里，以復雜硅酸鹽類礦物存在，幾乎不和Fe結合。

圖1 釩渣顯微照片，反光

1-釩鈦磁鐵礦； 2-鈦鐵晶石； 3-硅酸鹽液相渣； 4-金屬鐵

復雜硅酸鹽類礦物熔點都很低，在800℃～1000℃間將熔化分解成簡單硅酸鹽類化合物。而硅酸鹽類化合物很難還原，在高配碳條件下僅可脫除少量堿金屬[6]。堿金屬硅酸鹽在高溫時(1550℃以上)按下式發生還原反應：

Na2SiO3+C→2Na(g)+3CO(g)+SiO2

(1)

(1)式還原溫度大于1550℃，因而僅經過焙燒不能有效降低堿金屬鈉含量。

據文獻報導，焙燒過程加入CaCl2進行氯化脫堿是有效的方法之一[7]。以硅酸鹽狀態存在的堿金屬，當加入氯化劑(CaCl2)時，可以發生下述反應。

Na2SiO3+CaCl2→CaO·SiO2+2NaClΔrGom= 415624-293.6TJ/mol

(2)

上述反應(2)中ΔrGmo為反應的標準吉布斯自由能，依此計算反應開始進行的溫度約為1415.6℃。熱力學計算結果表明：高溫焙燒過程中加入CaCl2能夠將其中的堿金屬轉變成相應的氯化物。生成物NaCl的熔點很低(800℃)，沸點也低(1465℃)，而蒸汽壓(1300℃時為27.58kPa)卻很高。這樣，在高溫下的NaCl便很容易揮發并被廢氣帶走。

3 實驗過程及結果分析

3.1配碳、CaCl2焙燒-磁選實驗

3.1.1實驗方案及步驟

根據提釩尾渣成分及實驗室所用煤粉成分，設計實驗方案如表2所示。

表2 實驗方案

實驗步驟如下：

1)將提釩尾渣、煤粉、(CaCl2)均勻混合后壓球，濕球放于烘干箱內烘干。

2)干球稱量，入爐焙燒還原。

3)焙燒溫度設定為1200℃，還原時間為40min，焙燒結束后取出冷卻至室溫。

4)將還原后的球團破碎，磨粉至350目，再進行磁選，磁感應強度為350mT。

5)將磁選所得含鐵精粉水樣進行抽濾、烘干處理，稱量，最后送熒光分析。

3.1.2 實驗設備

圖2 焙燒裝置-箱式升溫電阻爐

圖3 磁選裝置-磁選機

3.1.3 實驗結果分析

取磨細至350目的添加CaCl2與不添加CaCl2的樣品各40g，在磁感應強度350mT的條件下進行磁選，所得精礦質量如表3所示。

表3 磁選后精礦、尾礦質量/g

熒光分析結果如表4所示。

表4 熒光分析結果/%

如表4所示，加CaCl2焙燒磁選所得精礦中TFe=39.14%，Na=1.32%，Fe回收率為89.56%，Na較原礦降低69.15%。

不加CaCl2焙燒磁選所得精礦中TFe=36.18%，Na=1.95%，Fe回收率為82.30%，Na較原礦降低54.42%。可見，添加CaCl2后磁選效果稍優于未添加CaCl2的磁選效果，但堿金屬鈉含量仍遠高于煉鐵界公認的堿金屬危害界限(4.5kg/t，即0.45%)。

圖4 焙燒后球團

圖4為焙燒后球團。從圖4可以看出，添加CaCl2和不添加CaCl2在1200℃下球團均已開始熔分出小鐵珠，故進行熔分實驗，觀察渣鐵分離情況。

3.2 熔分實驗

3.2.1 實驗方案及步驟

利用高溫下Fe2O3與C反應還原出Fe，并配CaO將渣堿度配至合適范圍，使渣流動性最佳，從而實現渣鐵分離。

實驗方案如表5所示，其中煤粉按C：O=1.1進行配取，堿度取二元堿度。

實驗步驟如下：

1)將提釩尾渣、煤粉、CaO均勻混合后壓球，濕球放于烘干箱內烘干。

2)干球稱量，入爐焙燒熔分。

3)熔分溫度設定為1450℃，熔分時間為45min，熔分結束后取出冷卻至室溫。

4)將分離開的渣與鐵磨細、制樣，進行熒光分析。

3.2.2 實驗結果分析

不同堿度時熒光分析結果見表6。

由表6可知，堿度R=0.6時，鐵中TFe=79.96%，Na=0.6%，鐵回收率為89.62%，Na較原礦降低66.48%。

其他條件不變，堿度R=1.0的條件下，熔分后鐵中TFe=80.28%，Na=0.46%，鐵回收率為90.82%，Na較原礦降低78.40%。由此可見，在合適的堿度下，通過熔分，有效進行渣鐵分離。可以很好地達到去鈉提鐵的目的，從而將提釩尾渣變廢為寶，最大程度地進行資源化利用。

表5 熔分實驗方案

表6 熒光分析結果/%

4 結論

通過對比配碳、CaCl2焙燒-磁選實驗及熔分實驗結果可知，高溫下配碳、CaCl2焙燒-磁選雖可降低堿金屬鈉含量，但堿金屬鈉含量仍遠高于煉鐵界公認的堿金屬危害界限(4.5kg/t，即0.45%)，且工藝過程復雜，投資大。

熔分實驗在堿度合適的條件下可有效進行渣鐵分離，從而將堿金屬硅酸鹽與鐵分離開來，達到提鐵去鈉的目的，避免堿金屬對后續處理工序造成影響。且工藝過程簡單，投資小，易于實現。

綜合上述實驗結果，認為熔分實驗是解決提釩尾渣堿金屬過高的行之有效的方法，可最大程度地實現去鈉提鐵的目的，將提釩尾渣資源化利用，符合當前綠色冶金的理念。

該工藝還未大面積工業利用，但隨著節能環保，循環經濟理念在鋼鐵工業中的利用，熔分工藝處理提釩尾渣，并進行產業化利用具有可觀的經濟和社會效益。

[1]翁慶強，張煒.高爐消化提釩二次尾渣可行性分析[J].礦產綜合利用，2012(3)：59-61.

[2]吳瑞琴，安慶志.堿金屬高爐生產影響分析[J].新疆鋼鐵，2009(2)：17-20.

[3]王慶祥，尹堅.湘鋼1號高爐堿金屬行為[J].中國冶金，2005，Vol.15(2)：21-23.

[4]柏凌，張建良，郭豪，張雪松，張曦東.高爐內堿金屬的富集循環[J].鋼鐵研究學報，2008，Vol.20(9)：5-8.

[5]吳恩輝，黃平，楊紹利，馬蘭，張樹立.提釩尾渣內配碳球團直接還原試驗研究[J].有色金屬，2011(11)：17-20.

[6]張建良，王傳琳，國宏偉，尹慧超，李凈.國豐1780m3高爐燒結-高爐系統堿金屬平衡的研究[J].鋼鐵研究，2010，Vol.38(2)：5-7.

[7]沐繼光，余明揚.球團礦的氯化脫堿.煉鐵，1984(5).

Experimental Research on Extracting Iron and Removing Sodium from Extract Vanadium Tailings

Bi Xiurong1Liu Gang2，3Wang Huixia1Zhu Rong2Guo Yaguang2

(1:Beijing Toppings Engineering and Technologies Co., Ltd., Beijing 10083； 2:Metallurgical and Ecological Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083; 3:Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081)

The content of TFe in extract vanadium tailings at some steel work reaches up to 24.44%, how To extract TFe From extract vanadium tailings and to achieve the recycling of resources is the most important research topic for steel works. In this paper, take the extract vanadium tailings as research object, send them to lab for chemical analysis and phase analysis, by which the roasting-magnetic separation experiment with right scale carbon and CaCl2and the reduction and melting experiment are performed. Then realize the concentration of Fe. Results show that reduction and melting process is the efficient solution to achieve Fe extracted and Na removed to the greatest extent, realize resource utilization and accord with the current green metallurgy concept, which will acquire huge economic benefits ifindustrialization extension.

Extract vanadium tailings Solid wastes Alkalis

畢秀榮，女，1986年出生，畢業于北京科技大學冶金工程專業，碩士，助理工程師

TF03+1

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.006

2013-09-21)