高爐灰與赤泥共還原—磁選回收鐵試驗研究

2020-04-17 11:50:26崔石巖張明慧孫永峰高恩霞盧中博

金屬礦山 2020年3期

崔石巖張明慧孫永峰蔣曼高恩霞盧中博

（1.山東理工大學資源與環境工程學院，山東淄博255000；2.山東天承礦業有限公司，山東萊州261400）

由高爐煤氣帶出的微細粉塵，經除塵裝置干法除塵后，得到的工業固體廢棄物稱為高爐灰。高爐灰中含有多種有害元素，直接堆存不僅占用土地，還使土壤變質，造成嚴重的環境污染。據統計，每生產1 t 的鐵會產生約20 kg 高爐灰，按照我國年金屬鐵產出量300～450 萬t 計算，我國高爐灰的年產出量在1 500 萬t 左右，固定碳產出量150～450 萬t［1-2］。但目前對該類資源的利用較少，資源嚴重浪費。在此背景下，如何合理高效地利用高爐灰成為新的研究方向。

赤泥是氧化鋁生產過程中產生的工業固體廢棄物，由于缺乏成熟的綜合利用技術，目前大多輸送堆場，筑壩堆存，嚴重污染了環境。此外，赤泥中含有大量有價金屬，尤其是拜耳法赤泥中鐵含量較高，鐵品位可達25%～30%［3-4］。研究表明，直接還原—磁選工藝可以實現赤泥中鐵的回收，得到鐵品位91.34%，回收率88.36%的粉末鐵［5］，但該工藝使用煤做還原劑，成本較高。因此，尋找價格低廉的還原劑對促進赤泥直接還原—磁選工藝的發展具有重要的意義。

研究表明，高爐灰可以作為鐵礦石共還原—磁選工藝的還原劑［6-7］，該工藝能夠實現固體廢物高爐灰的資源化利用，即利用碳資源的同時回收其中鐵資源，降低了冶煉成本，還減輕了環境污染。但目前高爐灰作為共還原—磁選工藝的還原劑應用于赤泥這種含鐵較高的固體廢物的研究幾乎沒有。因此，本試驗以拜耳法赤泥為原料，添加不同種類高爐灰為還原劑，驗證高爐灰與赤泥共還原—磁選回收鐵工藝的可行性，并確定最佳的工藝條件，以期獲得鐵品位大于90%、鐵回收率大于90%的直接還原鐵，為高爐灰與赤泥的綜合利用提供參考。

1 試驗原料、設備及方法

1.1 高爐灰

試驗用高爐灰取自3個不同地區的鋼鐵企業，分別為山東高爐灰（SG）、河北高爐灰（HG）和甘肅高爐灰（GG），試樣XRD 圖譜見圖1，工業性質分析結果見表1。

由圖1 可知，不同產地的高爐灰礦物組成有差異。SG和HG中的主要含鐵礦物為赤鐵礦和磁鐵礦，而GG 中主要含鐵礦物則為赤鐵礦和磁赤鐵礦。3 種高爐灰中的硅均以煅燒高嶺土形式存在，但其他礦物組成的差別較大。SG和GG中含有斜纖蛇紋石，而HG 中含有巖鹽、方解石和鉀鹽。由此可以看出，3 種高爐灰中礦物種類差異較大，在共還原過程中可能會有不同的影響。

由表1可知，3種高爐灰中的鐵均具有回收價值，SG 中Fe2O3含量最高，為46.97%；高爐灰中SiO2含量均較高，在共還原過程中易生成低熔點的硅酸鹽礦物，可促進鐵顆粒的聚集長大，有利于回收金屬鐵［8］；HG 中Al2O3含量較高，可能導致體系熔點升高［9］；HG和GG 中CaO 含量較高，可能惡化鐵的生長條件，導致粉末鐵指標變差［10-11］。

從表1還可以看到，試驗所用高爐灰中均含有一定量的固定碳，可以作為還原劑用于高爐灰與赤泥共還原—磁選提鐵工藝。但3 種高爐灰工業性質差異較大，SG和HG中固定碳的含量較高，GG中揮發分含量較高，而HG 中灰分較SG、GG 低，可能在共還原時產生不同的影響［12-13］。因此，有必要對3種來自不同地區的高爐灰進行研究。

1.2 赤泥

試驗所用赤泥由中國鋁業山東分公司經拜耳法生產（以下稱為赤泥），XRD 圖譜見圖2，主要化學成分分析結果見表2。

由圖2可知，赤泥中主要礦物有赤鐵礦、石英、方解石、三水鋁石和銳鈦礦。

由表2可知，赤泥中Fe2O3含量為31.98%，具有回收價值；赤泥中Al2O3和SiO2和CaO 含量較高，分別為18.75%、16.22%和15.28%，P、S 含量則較低，分別為0.09%和0.20%。

1.3 試驗設備

試驗所用設備主要有SX-10-13 馬弗爐、RK/BK三輥四筒智能棒磨機和CXG-99磁選管。

1.4 試驗方法

將高爐灰與赤泥按一定比例（高爐灰用量為其占赤泥的質量分數）混勻后裝入石墨坩堝，再在表面覆蓋一定質量的同種高爐灰，以隔絕空氣，營造良好的還原氣氛。待馬弗爐內溫度升至指定溫度后，將石墨坩堝置于爐中進行共還原，達到指定還原時間后取出，焙燒產物自然冷卻后進行磨礦、磁選，所得磁選產品即為直接還原鐵（以下稱還原鐵）。

2 試驗結果與討論

2.1 高爐灰種類及用量對還原鐵指標的影響

在鐵礦物直接還原過程中，還原溫度、還原時間等均會影響還原鐵指標，在一定范圍內還原溫度越高、還原時間越長，越有利于碳熱還原的進行和金屬鐵顆粒的長大，得到的還原鐵指標越好。研究表明，鐵礦石直接還原過程中發生的主要化學反應在1 200 ℃以下均能發生，反應時間也集中在60 min內［14-17］。因此，本文在還原溫度1 200 ℃、還原時間60 min 條件下進行高爐灰種類及用量對還原鐵指標的影響研究，固定磨礦細度為-74 μm 占64%，弱磁選磁場強度為0.1 T，試驗結果見圖3。

由圖3 可知，在SG、HG 和GG 的試驗用量范圍內，采用高爐灰與赤泥共還原—磁選工藝回收鐵，均可得到鐵品位和鐵回收率均大于70%的還原鐵。由此可知，高爐灰可以作為高爐灰與赤泥共還原—磁選工藝的還原劑，用于回收高爐灰與赤泥中的鐵資源。從圖3還可以看到，不同種類的高爐灰對還原鐵指標的影響不同。圖3（a）中，隨著SG 用量的增加，還原鐵中鐵品位先增加后降低，鐵回收率逐漸增加后基本不變。當SG 用量為30%時，還原鐵指標較好，此時鐵品位91.57%、鐵回收率91.02%。圖3（b）中，隨著HG 用量的增加，還原鐵中鐵品位先增加后降低，鐵回收率逐漸增加。當HG 用量為30%時，還原鐵指標較好，此時鐵品位82.85%、鐵回收率80.18%。圖3（c）中，隨著GG 用量的增加，還原鐵中鐵品位逐漸降低，鐵回收率逐漸增加，當GG 用量為10%時，還原鐵中鐵品位最高，但也僅為75.27%，此時鐵回收率為78.37%。

表3 為不同種類高爐灰的最佳用量及所得還原鐵指標。

由表3可知，不同種類的高爐灰為還原劑時取得最佳還原鐵指標的用量不同，且得到的還原鐵指標差異較大。SG 和HG 的最佳用量均為30%，但以HG為還原劑時，得到的還原鐵中鐵品位和鐵回收率均低于SG；GG 的最佳用量為10%，但GG 為還原劑時得到的還原鐵中鐵品位和鐵回收率均低于80%。

綜上可知，高爐灰與拜耳法赤泥共還原—磁選工藝能夠實現鐵資源的回收，但是由于高爐灰的性質不同，最終得到的還原鐵指標有所差異，其中SG為還原劑時得到的還原鐵指標最好，HG 次之，GG 最差。考慮到SG 的效果較好，且在未優化的工藝條件下已經能夠實現鐵品位和鐵回收率均大于90%，因此，下文將以SG為還原劑，考察還原溫度、還原時間及磨礦細度對還原鐵指標的影響，確定最佳工藝條件。

2.2 還原溫度對還原鐵指標的影響

研究表明，在直接還原過程中，還原溫度對還原鐵指標的影響較大。在一定范圍內，還原溫度越高，還原鐵指標越好［14］。但還原溫度過高，焙燒體系中易產生較多的液相，惡化直接還原條件，為確定高爐灰與赤泥共還原過程中溫度的影響及最佳的還原溫度，固定還原劑SG 用量30%，還原時間60 min，磨礦細度為-74 μm 占64%，弱磁選磁場強度為0.1 T，進行了還原溫度對還原鐵指標的影響試驗，結果見圖4。

由圖4可知，在一定范圍內，溫度越高，共還原效果越好，還原鐵中鐵品位和回收率均上升。當還原溫度由1 100 ℃升高到1 200 ℃時，還原鐵中鐵品位由76.31%增加到91.57%，鐵回收率由82.15%增加到91.02%。繼續升高溫度，還原鐵中鐵品位和回收率均下降，這可能是由于還原體系在1 250 ℃時產生了較多液相，阻礙了鐵氧化物的還原和鐵顆粒的聚集長大，導致還原鐵指標變差。因此，確定最佳的還原溫度為1 200 ℃。

2.3 還原時間對還原鐵指標的影響

在直接還原過程中，還原時間對還原鐵指標的影響也較大［18］。為研究高爐灰與赤泥共還原過程中時間的影響并確定最佳的還原時間，固定還原劑SG用量30%，還原溫度1 200 ℃，磨礦細度為-74 μm 占64%，弱磁選磁場強度為0.1 T，進行了還原時間對還原鐵指標的影響試驗，結果見圖5。

由圖5 可知，在試驗時間范圍內，隨著還原時間的延長，還原鐵中鐵品位和鐵回收率逐漸增加后基本不變。還原時間為20 min 時，還原鐵中鐵品位僅為57.80%，鐵回收率僅為79.02%；當延長還原時間至60 min 時，共還原效果較好，還原鐵中鐵品位達到91.57%，鐵回收率達到91.02%；繼續延長還原時間，鐵品位和鐵回收率基本不變。因此，確定還原時間為60 min。

2.4 磨礦細度對還原鐵指標的影響

為研究磨礦細度對還原鐵指標的影響，固定還原劑SG 用量30%，還原溫度1 200 ℃，還原時間60 min，弱磁選磁場強度為0.1 T，進行了磨礦細度對還原鐵指標的影響試驗，結果見表4。

由表4可知，在一定范圍內，隨磨礦細度的增加，還原鐵中鐵品位先增加后基本不變，但鐵回收率逐漸降低。磨礦細度（-74 μm 含量）由47%提高至62%過程中，鐵品位由86.61%提高至92.05%，鐵回收率由93.41%降低至92.14%；繼續增加磨礦細度至68%，鐵品位保持在90%以上，但鐵回收率降價至90%以下。綜合考慮，確定磨礦細度為-74 μm 含量62%為最佳的磨礦細度，此時還原鐵中鐵品位為92.05%，鐵回收率為92.14%。