黃鐵礦燒渣堿溶脫硅試驗研究

高 威，張 強,2,3,4，李 莎

(1.商丘工學院 機械工程學院，河南 商丘 476000；2.貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州省冶金工程與過程節能重點試驗室，貴州 貴陽 550025；4.共伴生有色金屬資源加壓濕法冶金技術國家重點試驗室，云南 昆明 650503)

黃鐵礦燒渣又稱硫酸燒渣，是以黃鐵礦為原料生產硫酸時所產生的廢渣[1]。黃鐵礦燒渣中鐵質量分數一般在30%～60%之間，此外,還有少量Si、S等雜質，主要是鐵氧化物、SiO2及含硫物質。通過脫硅可以提高鐵質量分數并大幅簡化煉鐵流程、降低成本。試驗根據堿溶脫硅機制[2-4]，對某企業黃鐵礦燒渣進行處理，以提高燒渣中鐵質量分數。

提高黃鐵礦燒渣中鐵質量分數，常用選礦工藝，包括物理及化學選礦。對燒渣進行磁化焙燒及磁選，有較好富集鐵及脫硫效果，但焙燒溫度高(700～1 000 ℃)，能耗較大[5-8]。采用磨礦—磁選—重選聯合工藝也可對含硫量較低的燒渣進行處理，獲得高質量鐵精粉[9]。對燒渣進行單一重選處理[10]，或采用濕法-浮選聯合工藝[11]及化學選礦法[12-13]處理，鐵質量分數均可富集到56%以上。采用脫磁/交變磁場分選—氨/醋酸氨溶液化學浸泡法處理黃鐵礦燒渣，可獲得鐵精粉[14]。采用磁化焙燒—磁選—球團法進行工業化處理，燒渣中鐵質量分數可提高到67%[15-16]。采用酸浸—堿溶工藝處理，也可獲得了較好效果[17]。但上述這些工藝或能耗大、生產成本高，或流程長、工藝復雜。黃鐵礦燒渣中的主要雜質為SiO2，根據氧化鋁生產中的堿溶脫硅原理[18-20]，在常壓低溫下對燒渣進行堿溶脫硅處理可實現鐵的富集，但此法未見有文獻報道。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

黃鐵礦燒渣：取自某煉鐵企業，粒度-200目占80%以上，烘干，化學成分見表1，XRD分析結果如圖1所示，各物相半定量分析結果見表2。燒渣的主要物相為赤鐵礦，質量分數為57%；含硅礦物主要是石英相，質量分數為11%；還有7%含硫石膏及成分較復雜的CaFeO6Si2物相。含硅物相為石英，理論上可通過堿溶脫除，相對提高鐵質量分數。

表2 黃鐵礦燒渣的物相組成 %

圖1 黃鐵礦燒渣的XRD圖譜

表1 黃鐵礦燒渣的化學成分 %

試驗配制堿液所用NaOH，分析純。

1.2 試驗設備

AR1140/C分析天平，DF-101型恒溫磁力攪拌油浴鍋，SHB-III型循環水式真空泵，202-ABS型恒溫鼓風干燥箱，MXQ1100型馬弗爐，X’Pert PRO MPD型X射線衍射儀，752型可見分光光度計等。

2 試驗原理與方法

2.1 試驗原理

黃鐵礦燒渣中的含硅礦物主要為石英(SiO2)。石英在一定條件下可以與強堿發生反應生成硅酸鹽進入溶液，而燒渣中的含鐵礦物不與堿反應，從而可以實現脫硅及提高鐵質量分數。石英與堿的化學反應為：

(1)

2.2 試驗方法

取一定體積堿液倒入帶塞錐形瓶中，放入磁性轉子，蓋緊后放到油浴鍋中加熱并開啟攪拌；待溶液加熱至預定溫度后，加入一定質量黃鐵礦燒渣，蓋緊，保溫計時；一定時間后，取出錐形瓶趁熱抽濾，用熱水反復洗滌濾餅，濾液稀釋定容；濾餅用恒溫鼓風干燥箱于95 ℃下干燥12 h，然后稱重、研磨，分析其化學成分。

堿液及脫硅堿液中苛性堿質量濃度采用《聯合法生產氧化鋁(控制分析)》中“苛性堿測定方法”進行測定，燒渣、脫硅渣及脫硅堿液中Al2O3采用EDTA配合滴定法[21]測定，SiO2采用硅鉬藍分光光度法[22]測定，∑Fe采用鄰菲羅啉分光光度法[23]測定。脫硅率根據脫硅渣與燒渣中硅質量分數計算。

3 試驗結果與討論

3.1 溶出溫度對燒渣脫硅的影響

試驗條件：苛性堿質量濃度100 g/L，溶出時間60 min，液固體積質量比8/1。溶出溫度對燒渣脫硅的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 溶出溫度對燒渣脫硅的影響

由圖2看出：隨溫度升高，鐵質量分數及脫硅率均先升高后下降，且二者呈正相關關系；溫度升至95 ℃，脫硅率提高到55.97%，脫硅渣中鐵質量分數達63.42%；繼續升溫，脫硅率及鐵質量分數均變化不大。脫硅反應為液固相之間的反應，升溫有利于傳質，使反應速度加快，脫硅率及鐵質量分數提高[24-25]；溫度升至95 ℃，反應基本達到上限，繼續升溫，脫硅率及鐵質量分數提高幅度均不大；溫度再升高，脫硅率及鐵質量分數反而下降，這可能是溶液達到沸點而蒸發，使體系黏度增大，不利于傳質進行所致。綜合考慮，確定溶出溫度以95 ℃為宜。

3.2 苛性堿質量濃度對燒渣脫硅的影響

試驗條件：溶出溫度95 ℃，溶出時間60 min，液固體積質量比8/1。苛性堿質量濃度對燒渣脫硅的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 苛性堿質量濃度對燒渣脫硅的影響

由圖3看出：隨苛性堿質量濃度升高，脫硅率提高，鐵質量分數提高；苛堿質量濃度升高到100 g/L， 脫硅渣中鐵質量分數達63.48%，脫硅率提高到55.87%。隨苛性堿質量濃度升高，體系中OH-濃度增大，有利于SiO2反應生成硅酸鈉，從而提高脫硅率；苛堿質量濃度繼續升高，脫硅率和鐵質量分數增幅較小。綜合考慮，確定苛性堿質量濃度以100 g/L為宜。

3.3 液固體積質量比對燒渣脫硅的影響

試驗條件：溶出溫度95 ℃，苛性堿質量濃度100 g/L，時間60 min。液固體積質量比對燒渣脫硅的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 液固體積質量比對燒渣脫硅的影響

由圖4看出：隨液固體積質量比增大，燒渣脫硅率提高，脫硅渣鐵質量分數提高；液固體積質量比增大至12/1，脫硅率提高到56.57%，脫硅渣中鐵質量分數達63.90%。隨液固體積質量比增大，體系黏度降低，OH-相對增多，有利于SiO2反應生成Na2SiO3進入溶液；液固體積質量比繼續增大，脫硅率增幅不明顯，脫硅渣中鐵質量分數變化不大。綜合考慮，確定液固體積質量比以10/1為宜。

3.4 溶出時間對燒渣脫硅的影響

試驗條件：溶出溫度95 ℃，苛堿質量濃度100 g/L，液固體積質量比10/1。溶出時間對燒渣脫硅的影響試驗結果如圖5所示。可以看出：隨溶出時間延長，燒渣脫硅率大幅提高，脫硅渣中鐵質量分數提高；反應60 min時，燒渣脫硅率達56.46%，脫硅渣鐵質量分數提高至63.86%；繼續反應，燒渣脫硅率及脫硅渣中鐵質量分數均提高幅度不大；反應80 min后，脫硅率和鐵質量分數有所下降，推斷其原因為已生成的Na2SiO3會與溶液中反應生成的NaAl(OH)4反應生成鈉硅渣，又重新進入固相[26]。Na2SiO3與NaAl(OH)4反應生成鈉硅渣的機制十分復雜，在此給出可能的一種形式，見反應式(2)。

圖5 溶出時間對燒渣脫硅的影響

(2)

4 結論

采用堿溶法脫除黃鐵礦燒渣中的硅以提高鐵質量分數是可行的，工藝可行性較好，工藝流程簡單、操作方便、能耗低。適宜條件下，燒渣中脫硅率可達56.46%，鐵相對富集到63.86%，富集效果較好。此法具有非常好的應用前景。