氯化揮發(fā)渣中鐵的直接還原和磁選回收

李正要，樂 坤，王維維

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

氧化焙燒氰化尾渣是黃金冶煉行業(yè)的主要固體廢棄物，由于此類尾渣多含有金、銀、鐵、鉛等有價金屬，所以也是寶貴的二次資源［1］。氯化揮發(fā)是利用不同金屬與氯化劑反應(yīng)生成揮發(fā)性氣態(tài)金屬氯化物進行金屬回收的方法，一些研究者用氯化揮發(fā)法回收氰化尾渣中的金、銀、鉛、鋅等，取得了好的 效 果［2－4］。 由于金、銀、鉛、鋅等金屬在溫度1000℃左右氯化揮發(fā)效果好，鐵要在溫度1250℃以上氯化揮發(fā)才能自動進行，而實際生產(chǎn)中氯化揮發(fā)溫度多在1000℃左右，所以鐵主要存在于氯化揮發(fā)渣中。多數(shù)氯化揮發(fā)渣中鐵含量在40%以上，高于國內(nèi)鐵礦石開采的原礦平均鐵品位，因此氯化揮發(fā)渣中鐵的回收十分必要。

從復(fù)雜鐵礦石、常規(guī)氰化尾渣中回收鐵的研究較多［5－7］，但從氯化揮發(fā)渣中回收鐵卻鮮見報道。氯化揮發(fā)渣中鐵的嵌布狀態(tài)十分復(fù)雜，由于經(jīng)過了氧化焙燒和高溫氯化焙燒，鐵除以赤鐵礦、磁赤鐵礦、磁鐵礦存在外，還有一部分鐵以硅酸鐵、硫酸鐵、鐵酸鹽等形態(tài)賦存，這造成了鐵的回收難度較大。西部某冶煉企業(yè)采用氯化揮發(fā)工藝回收氧化焙燒氰化尾渣中的金和銀，其氯化揮發(fā)渣中鐵含量46.72%，為了對此揮發(fā)渣中的鐵進行有效回收，作者采用直接還原－磁選工藝，對回收鐵的主要影響因素進行了研究，確定了最佳工藝指標(biāo)，為氯化揮發(fā)渣中鐵的回收利用提供了一種新途徑。

1 試驗原料及方法

1.1 試樣與氯化劑

1.1.1 氯化揮發(fā)渣

對氯化揮發(fā)渣進行了主要化學(xué)成分分析和鐵的化學(xué)物相分析，結(jié)果見表1和表2。

表1 氯化揮發(fā)渣主要化學(xué)成分分析結(jié)果／%

表2 鐵的化學(xué)物相分析結(jié)果／%

表1 表明，氯化揮發(fā)渣中銅、鉛、鋅的含量很低，鐵是揮發(fā)渣中主要回收的有價金屬，其含量為46.72%；硫、磷的含量較低，對最終鐵產(chǎn)品的質(zhì)量影響小。表2可以看出，鐵的嵌布狀態(tài)比較復(fù)雜，其中非磁性氧化鐵中鐵占81.15%，硅酸鐵中鐵占9.24%，磁性氧化鐵中鐵占4.58%，要注意硅酸鐵中鐵的回收。

結(jié)合物相分析結(jié)果，用偏光顯微鏡、掃描電鏡等進行鏡檢，氯化揮發(fā)渣中鐵礦物主要有赤鐵礦、磁赤鐵礦、磁鐵礦、鐵橄欖石、鐵尖晶石等，鐵礦物的產(chǎn)出特征十分復(fù)雜（圖1、圖2），還有部分鐵元素以鋅鐵酸鹽形態(tài)賦存；大部分鐵礦物粒徑小于0.012mm；揮發(fā)渣中脈石主要是石英、鈉長石、鉀長石及其他硅酸鹽相。

圖1 鐵礦物沿硅酸鹽礦物邊緣、間隙或裂隙產(chǎn)出

圖2 鐵礦物呈多孔狀產(chǎn)出

1.1.2 煙煤和活性石灰

試驗用還原劑選用新疆煙煤，該煙煤成分分析結(jié)果見表3。探索試驗結(jié)果表明在還原焙燒過程中加入活性石灰，可以降低揮發(fā)渣中硅酸鐵的還原溫度，促進硅酸鐵的直接還原，試驗用活性石灰為化學(xué)純。

表3 煙煤成分分析結(jié)果／%

1.2 研究方法

將氯化揮發(fā)渣（－2mm）、煙煤（－2mm）和活性石灰按一定比例混勻后置于石墨坩堝中，其中煙煤和活性石灰的用量是指煙煤或石灰與氯化揮發(fā)渣的質(zhì)量百分比。將坩堝放入馬弗爐（KSY－12－16型）中隨爐升溫進行還原焙燒。還原焙燒結(jié)束后取出自然冷卻，將冷卻后的焙燒礦破碎后進行兩段磨礦兩段磁選。兩段磨礦和兩段磁選條件：一段磨礦細(xì)度－0.074mm 85%、磁場強度96kA／m，二段磨礦細(xì)度－0.043mm 75%、磁場強度80kA／m。最終磁選獲得的鐵產(chǎn)品稱為還原鐵。化驗分析還原鐵中鐵品位和磁選尾礦中鐵品位，按下式進行鐵回收率計算。

式中：m1為還原鐵質(zhì)量，g；β1為還原鐵鐵品位，%；m2為尾礦質(zhì)量，g；β2為尾礦鐵品位，%。

2 結(jié)果與分析

氯化揮發(fā)渣中鐵礦物的直接還原和磁選回收，主要影響因素是還原劑煙煤用量、活性石灰加入量、直接還原焙燒溫度、直接還原焙燒時間和磨礦細(xì)度等。

2.1 煙煤用量對鐵回收的影響

還原劑加入量直接影響還原焙燒的氣氛，還原劑不夠，則鐵礦物就不能夠充分還原，鐵回收率也不會提高，但還原劑過多，將提高成本。在活性石灰加入量10%、還原焙燒溫度1200℃、還原焙燒時間45min條件下，不同煙煤加入量對鐵回收的影響結(jié)果見圖3。

圖3表明，在還原劑煙煤用量較低時，隨著煙煤用量增加，還原鐵的鐵品位和鐵回收率迅速升高，主要原因是煙煤用量的增加使還原氣氛增強，有利于赤鐵礦、磁赤鐵礦、硅酸鐵等的直接還原。當(dāng)還原劑煙煤用量為25%時，可獲得產(chǎn)率47.66%、鐵品位80.53%、鐵回收率82.24%的還原鐵產(chǎn)品。當(dāng)增加煙煤用量至30%時，還原鐵的鐵品位和鐵回收率分別為79.57%和83.98%，和25%煙煤用量時相比，其鐵品位和和鐵回收率變化很小，表明還原氣氛已經(jīng)滿足揮發(fā)渣中鐵礦物的還原需要。而當(dāng)煙煤用量為35%時，鐵品位和鐵回收率反而有所下降。因此確定還原劑煙煤的適宜用量為25%。

2.2 活性石灰用量對鐵回收的影響

在煙煤加入量25%、焙燒溫度1200℃、焙燒時間45min條件下，活性石灰用量對氯化揮發(fā)渣中鐵礦物的直接還原影響結(jié)果見圖4。

圖3 煙煤用量對鐵品位和鐵回收率的影響

圖4 活性石灰用量對鐵品位和鐵回收率的影響

由圖4可看出，活性石灰對氯化揮發(fā)渣中鐵礦物的直接還原影響較大。在初始階段，隨著活性石灰用量增加，鐵回收率迅速升高，但鐵品位下降，當(dāng)活性石灰用量為10%，和不加活性石灰時相比，鐵的回收率由74.11%增加至82.47%，提高了8.36%。主要原因是氯化揮發(fā)渣中部分鐵以硅酸鐵礦物如鐵橄欖石（Fe2SiO4）存在，鐵橄欖石在直接還原時，若有活性石灰存在，將發(fā)生反應(yīng)Fe2SiO4＋CaO＋2C＝CaSiO3＋2Fe＋2CO，此反應(yīng)降低了Fe2SiO4的直接還原溫度，促進了還原反應(yīng)的進行，從而使鐵回收率提高。但活性石灰用量不易過大，從圖2可以看出，用量增至15%、20%時，鐵回收率和鐵品位均下降較多，原因是活性石灰加入提高了渣相的熔點，使原本利于金屬鐵擴散凝聚的液相減少，不利于大金屬鐵顆粒的形成。因此，選擇活性石灰加入量為10%。

2.3 還原焙燒溫度對鐵回收的影響

還原焙燒過程中，焙燒溫度又是一個影響焙燒效果的重要因素之一，為此對焙燒溫度進行了條件試驗，以掌握焙燒溫度與焙燒效果之間的關(guān)系。在煙煤用量25%、活性石灰加入量10%、焙燒時間45min條件下，不同焙燒溫度的影響結(jié)果見圖5。

圖5 還原焙燒溫度對鐵品位和鐵回收率的影響

圖5表明還原焙燒溫度對氯化揮發(fā)渣中鐵礦物的還原效果影響比較大。在相對低溫階段還原鐵的鐵品位和鐵回收率隨溫度的升高而增大，當(dāng)還原溫度升至1150℃時，鐵品位和回收率分別為80.36%和82.15%，繼續(xù)升溫至1200℃，鐵品位和回收率為81.03%和82.97%，其鐵品位和回收率升高幅度很小。當(dāng)焙燒溫度升至1250℃時，鐵品位和回收率為80.98%和81.57%，出現(xiàn)了下降趨勢，主要原因是溫度過高時，揮發(fā)渣中的SiO2在還原性氣氛下極易與還原生成的FeO反應(yīng)，其反應(yīng)生成物阻礙了還原氣氛向內(nèi)部擴散，從而導(dǎo)致鐵品位和回收率降低。因此，還原焙燒溫度選擇1150℃比較合適。

2.4 還原焙燒時間對鐵回收的影響

焙燒時間從宏觀上反映反應(yīng)的速度，時間越長表明反應(yīng)速度越慢，時間越短表明反應(yīng)速度越快，但焙燒時間過長將導(dǎo)致能耗升高。在煙煤用量25%、活性石灰用量10%、焙燒溫度1150℃條件下，還原焙燒時間對鐵礦物的直接還原影響結(jié)果見圖6。

由圖6可以看出，隨著焙燒時間增加還原鐵的鐵品位先升高后有所降低，而鐵回收率呈上升至穩(wěn)定趨勢。當(dāng)焙燒時間40min時，由于焙燒時間不夠，鐵回收率為78.61%，當(dāng)焙燒時間延長至55min時，鐵回收率增加至88.91%，鐵的回收率提高了10.3個百分點。繼續(xù)延長焙燒時間至60min，鐵回收率增至89.10%，但鐵品位開始下降，主要原因在于還原劑用量一定的條件下焙燒時間過長時還原性氣氛變?nèi)酰趸詺夥赵鰪姡瑥亩挂驯贿€原的鐵再次被氧化，導(dǎo)致鐵的品位降低。因此選擇還原焙燒時間為55min，此焙燒時間下可獲得產(chǎn)率49.20%、鐵品位84.45%、鐵回收率88.91%的還原鐵。

2.5 磨礦細(xì)度對鐵回收的影響

為了進一步提高還原鐵的鐵品位，進行了磨礦細(xì)度試驗。一段磨礦細(xì)度和磁場強度試驗結(jié)果表明，一段磨礦細(xì)度－0.074mm 85%、磁場強度96kA／m時指標(biāo)較佳。在二段磁場強度80kA／m條件下，進行了二段磨礦細(xì)度試驗，試驗結(jié)果見圖7。

圖6 還原焙燒時間對鐵品位和鐵回收率的影響

圖7 二段磨礦細(xì)度對鐵品位和鐵回收率的影響

圖7表明，隨著二段磨礦細(xì)度的提高，還原鐵的鐵品位不斷升高，而鐵回收率卻不斷下降。當(dāng)二段磨礦細(xì)度為－0.043mm 90%時，其還原鐵的鐵品位達(dá)到91.24%，鐵回收率為85.24%，此時綜合指標(biāo)最佳。因此確定二段磨礦細(xì)度為－0.043mm 90%。

2.6 全流程試驗

根據(jù)條件試驗結(jié)果，確定氯化揮發(fā)渣中鐵的直接還原和磁選的最佳工藝參數(shù)為：煙煤用量25%，活性石灰用量10%，還原焙燒溫度1150℃，還原焙燒時間55min；焙砂進行兩段磨礦兩段選別，一段磨礦細(xì)度－0.074mm 85%、磁場強度96kA／m，二段磨礦細(xì)度－0.043mm 90%、磁場強度80kA／m。

最佳條件的全流程試驗見圖8。全流程試驗獲得了產(chǎn)率43.59%、鐵品位91.20%、硫含量0.05%、磷含量0.03%、鐵回收率85.18%的還原鐵。還原鐵中殘存的硫主要是少部分粒徑小于0.001mm的呈被包裹狀的黃鐵礦所致，損失于尾礦中的鐵主要是嵌布粒度極細(xì)的呈浸染狀的鐵礦物及部分難以被還原的硅酸鐵、鐵尖晶石和鐵酸鹽等。產(chǎn)品還原鐵的主要成分分析結(jié)果見表4，表4表明磁選獲得的還原鐵質(zhì)量基本達(dá)到煉鋼用直接還原鐵國家標(biāo)準(zhǔn)（YB／T 4170－2008），可用作煉鋼的原料。

表4 還原鐵主要化學(xué)成分分析結(jié)果／%

圖8 全流程試驗流程

3 結(jié) 論

1）氯化揮發(fā)渣含鐵46.72%，鐵的嵌布狀態(tài)復(fù)雜，以非磁性氧化鐵存在的鐵占81.15%，9.24%的鐵以硅酸鐵存在，磁性氧化鐵中鐵占4.58%，大部分鐵礦物粒徑小于0.012mm。

2）通過系統(tǒng)試驗得到了氯化揮發(fā)渣中鐵的直接還原和磁選回收的最佳工藝參數(shù)：還原劑煙煤用量25%，活性石灰用量10%，焙燒溫度1150℃，焙燒時間55min；采用兩段磨礦兩段磁選流程，一段磨礦細(xì)度－0.074mm 85%、磁場強度96kA／m，二段磨礦細(xì)度－0.043mm 90%、磁場強度80kA／m。

3）全流程試驗獲得了產(chǎn)率43.59%、鐵品位91.20%、硫含量0.05%、磷含量0.03%、鐵回收率85.18%的還原鐵，可用作煉鋼的原料，實現(xiàn)了氯化揮發(fā)渣中鐵的資源化。

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