從高爐除塵灰中綜合回收碳、鐵和鋅的試驗研究

楊大兵，陳 萱

（武漢科技大學冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北武漢，430081）

隨著我國鋼鐵工業的飛速發展，對鋼鐵生產過程中所產生的高爐除塵灰提出開發利用的需求，所以近年來對高爐除塵灰的回收與利用已成為業內研究的熱點[1－4]。當前高爐除塵灰的利用僅限于磁選提鐵或浮選提碳，利用價值不高。由于高爐除塵灰的常規選別研究已有報道，為此，本文基于選冶聯合工藝，對某廠排放的高爐除塵灰進行綜合回收鐵、鋅、碳的試驗研究，以期為選冶聯合工藝處理高爐除塵灰提供依據。

1 試驗

1.1 原料

本試驗所用原料為某廠排放的高爐除塵灰，先將高爐除塵灰進行混勻、溜分后，提取試樣。試樣的化學成分如表1所示，試樣的粒度篩析結果如表2所示。

表1 試樣的化學成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of the sample

表2 試樣的粒度分布和元素含量Table 2 Particle size distribution and element contents of the sample

由表2可看出，試樣粒度組成較細，－0.074 mm含量為7 0.6%，其中鐵和鋅主要分布于－0.0 7 4 mm粒級，分布率分別為8 2.5 1%和84.97%；碳主要分布于－0.065＋0.045 mm范圍，分布率為27.39%，在其他粒級中則分布較為平均。

1.2 試驗方法

本試驗采用常規浮選和磁選法分別回收碳和鐵，采用酸浸－除雜－電積流程回收鋅。所用儀器設備主要有XMQ－67φ240×90型錐形球磨機、XFD－63型單槽式浮選機和CXG－99型磁選管。所用藥劑主要有煤油、2號油、硅酸鈉、硫酸、黃鉀鐵礬、過氧化氫和鋅粉，藥劑均為工業級。

采用Pb－Ag合金板為陽極，純鋁板為陰極，以酸性硫酸鋅水溶液作為電積液，溶液pH值為5～5.5。當通以直流電時，在陰極上發生鋅的析出，在陽極上放出氧氣，得到金屬鋅產品。電積試驗前，酸浸液用黃鉀鐵礬初步除去溶液中的鐵，過濾分離黃鉀鐵礬，控制溫度為80～85℃，pH為3～4，再加H2O2深度氧化除鐵，除鐵率可達99%以上，溶液中最終鐵離子濃度低于0.5 mg／L。

2 結果與分析

2.1 碳和鐵分選效果分析

影響選礦分選指標的因素主要有磨礦細度、浮選藥劑用量、磁選場強等。根據條件試驗結果，選擇試樣－0.074 mm占76.4%、硅酸鈉用量為150 g／t、煤油用量為300 g／t、2號油用量為80 g／t、磁感應強度為400 m T為試驗工藝條件，其結果如表3和表4所示。

表3 浮選－磁選試驗結果Table 3 Results of flotation－magnetic separation test

表4 浮選－磁選后尾礦化學成分（wB／%）Table 4 Chemical compositions of tail for flotation－magnetic separation tests

由表3和表4可看出，通過此工藝處理可以獲得碳品位為86.52%、回收率為92.80%的碳精礦，可以作為優質的煤粉加以利用；可以獲得鐵品位為54.16%、回收率為45.47%的鐵精礦，可作為普通的鐵精礦利用。而兩種精礦中鋅含量較低，鋅基本富集在尾礦中，含量達到22.55%，應進一步回收。

2.2 影響鋅浸出率的因素分析

2.2.1 硫酸濃度對鋅浸出率的影響

試驗在液固比為6、酸浸溫度為80℃、酸浸時間為2 h的條件下進行，分析不同硫酸濃度對鋅浸出率的影響，其結果如圖1所示。由圖1可看出，隨著硫酸濃度的升高，鋅浸出率提高，但當硫酸濃度超過120 g／L時，鋅浸出率隨硫酸濃度升高變化不明顯。綜合考慮，選擇硫酸濃度分選指標為120 g／L。

圖1 硫酸濃度對鋅浸出率的影響Fig.1 Effect of concentration of sulfuric acid on zinc leaching rate

2.2.2 酸浸溫度對鋅浸出率的影響

硫酸濃度為120 g／L、液固比為6、酸浸時間為2 h時，分析不同酸浸溫度對鋅浸出率的影響，其結果如圖2所示。由圖2可看出，當酸浸溫度低于80℃時，鋅浸出率隨溫度升高而增大，但當溫度超過80℃時，鋅浸出率反而有所降低。這是因為隨著溫度的升高，硫酸與鋅的礦物反應速率加快，但溫度過高，反而會降低反應速率。因此，酸浸溫度以80℃為宜。

圖2 酸浸溫度對鋅浸出率的影響Fig.2 Effect of acid leaching temperature on zinc leaching rate

2.2.3 酸浸時間對鋅浸出率的影響

試驗控制硫酸濃度為120 g／L、液固比為6、酸浸溫度為80℃，分析不同酸浸時間對鋅浸出率的影響，其結果如圖3所示。由圖3可看出，隨著酸浸時間的延長，鋅浸出率升高，但酸浸時間超過2 h后，鋅浸出率變化不太明顯，所以酸浸時間以2 h為宜。

2.2.4 液固比對鋅浸出率的影響

試驗控制硫酸濃度為120 g／L、酸浸溫度為80℃、酸浸時間為2 h，分析不同液固比對鋅浸出率的影響，其結果如圖4所示。由圖4可看出，鋅浸出率隨液固比的增大而提高，液固比增大，固液接觸機會增多，反應速率提高，因而鋅浸出率提高。但液固比超過7后，鋅浸出率變化不明顯，因此酸浸過程中總液固比以6為宜。

圖3 酸浸時間對鋅浸出率的影響Fig.3 Effect of acid leaching time on zinc leaching rate

圖4 液固比對鋅浸出率的影響Fig.4 Effect of liquid－solid ratio on zinc leaching rate

經酸性浸出，可獲得鋅的浸出率為97.7%，總回收率為94.63%。剩余殘渣的元素分析結果如表5所示。由表5可知，浸出渣的主要成分為二氧化硅，但鉛的品位也比較高，有回收利用的價值。

表5 浸出渣成分分析（wB／%）Table 5 Chemical compositions of leach residue

2.3 電積鋅的影響因素分析

2.3.1 Zn2＋初始濃度對電積鋅的影響

電積法制備金屬的關鍵在于控制陰極過電位必須在濃差擴散范圍內，因為此區間內金屬離子的擴散為控制步驟，從而導致在電沉積過程中，金屬離子不能及時補充，在陰極表面將會形成金屬粉而不會形成連續的鍍層，因此，Zn2＋的濃度是制備鋅粉的一個重要指標。表6為電積回收鋅的試驗結果。由表6可看出，隨著Zn2＋濃度的增大，鋅粉的純度和回收率逐漸增加，電流效率也越高。這是因為當陰極表面的Zn2＋被還原后，溶液中Zn2＋的濃度越大，就能夠越迅速地進行補充，有效地抑制析氫等副反應，從而提高電流效率。同樣由于Zn2＋源源不斷的補充，促成鋅晶核不斷長大，使鋅粉的粒徑增大。當Zn2＋的初始濃度高于60 g／L時，鋅的純度雖然隨Zn2＋濃度繼續增加，但鋅的回收率下降較明顯。而電流效率仍繼續增大，造成鋅粉粒徑過大，使鋅粉團聚嚴重。因此，Zn2＋的濃度用量以60 g／L為宜。

表6 Zn2＋的濃度和回收效果Table 6 Concentration of Zn2＋and recovery efficiency

2.3.2 陰極電流密度對電積鋅的影響

陰極電流密度主要影響金屬離子的成核難易程度以及成核數量。一般而言，陰極電流密度越大，過電位就越高（負），金屬離子越容易被還原形成晶核，且晶核數量越多，形成金屬粉體的粒徑就越小。

表7為陰極電流密度對鋅電積效果的影響。由表7可看出，當陰極電流密度小于4 A／dm2時，隨著陰極電流密度的增大，鋅的純度和回收率不斷增加，鋅粉粒徑不斷減小，此時Zn2＋能夠得到及時補充，促進鋅晶核長大，因此可以形成平整致密的鍍鋅層；當陰極電流密度大于4 A／dm2時，鋅晶核數量明顯增加，而粉體粒徑變化不大，而過高的電位使得析氫等副反應更為劇烈，導致電流效率下降，鋅純度和回收率也隨之下降。因此，陰極電流密度應以4 A／dm2左右為宜，此時鋅純度為95.2%，作業回收率為92.6%，總回收率達到87%以上。

表7 陰極電流密度對鋅回收效果的影響Table 7 Effect of cathode current density on zinc recovery efficiency

鋅產品純度僅達到95.2%，其原因可能是鋅浸出液除雜不夠、電流密度過大或者電積液中Zn2＋濃度偏低等。而在大規模連續生產實踐中，保持電積液組成的恒定是保證生產穩定和產品指標的前提條件，通過電積液的循環，不斷向電積槽中加入新電積液和放出廢液，廢液返回浸出工序，則可得到純度在99%以上的鋅產品。

3 結論

（1）在高爐除塵灰－0.0 7 4 mm粒級占76.4%、硅酸鈉用量為150 g／t、煤油用量為300 g／t、2號油用量為80 g／t、磁感應強度為400 m T的條件下，可獲得碳品位為8 6.5 2%、回收率為92.80%的碳精礦和鐵品位為54.16%、回收率為45.47%的鐵精礦。

（2）在硫酸濃度為120 g／L、酸浸溫度為80℃、酸浸時間為2 h、液固比為6、Zn2＋濃度為60 g／L、陰極電流密度為4 A／dm2的條件下，可獲得純度為95.2%的鋅產品，鋅總回收率達到87%以上。

[1] 王瑋，孟令和.除塵灰綜合利用技術的開發與應用[J].中國資源綜合利用，2011（2）：23－26.

[2] 陳利兵.萊鋼除塵灰綜合利用技術的開發與應用[J].萊鋼科技，2009（3）：12－14.

[3] T Yamaguchi，T Nomura.Characterization and sintering of ferrite raw material powders[M].Tokyo：Center for Academic publications Japan，1982：45.

[4] 華旭軍.氣力輸送燒結除塵灰技術應用探討[J].河南冶金，2009（1）：26－28.