鋼鐵塵泥還原與窯渣選鐵研究

何 軍,鄭偉成,黃 權,李 鋼,龍紅明,4,魏汝飛

(1.馬鋼集團能源環保部；2.馬鞍山利民冶金固體廢物綜合利用科技有限公司；3.安徽工業大學冶金工程學院；4.冶金減排與資源綜合利用教育部重點實驗室(安徽工業大學)，安徽馬鞍山 243032)

前言

我國是鋼鐵大國，2020 年鋼鐵產量歷史性地突破10 億t，在鋼鐵生產的燒結、球團、高爐、轉爐和軋制等各工序的除塵以及廢水處理工藝中會產生10%左右的廢棄物塵泥，塵泥中有價鐵元素含量超過30%，回收利用潛力巨大，目前主要用于回配返燒結和煉鋼工序[1-4]。隨著鋼鐵冶煉過程中廢鋼比的提高，塵泥中鋅含量逐漸升高，含鋅較高的塵泥返回燒結生產會造成鋅在高爐和燒結之間富集循環，影響高爐順行和高爐壽命，因此一般要求返回燒結的塵泥中鋅含量必須小于1%，加大了塵泥資源化利用的難度[5-7]。含鋅含鐵塵泥利用的關鍵是先行脫除鋅元素，脫鋅的工藝較多，主要分為火法脫鋅工藝和濕法脫鋅工藝兩類，濕法脫鋅多存在成本高、二次污染等問題，火法工藝處理效率較高，是目前含鋅塵泥資源化利用的主要途徑[8-12]。本文以高鋅含鐵塵泥為原料，基于回轉窯法直接還原工藝，結合細磨、磁選工藝進行高鋅含鐵塵泥的還原和窯渣選鐵，研究還原溫度、還原時間和細磨時間等因素對含鐵塵泥回收利用效果的影響，在解決鋅含量較高問題的同時提高了窯渣的鐵品位，能夠獲得鐵精礦返回燒結生產。

1 試驗原料與方法

1.1 原料成分分析

取入窯塵泥混合料及出回轉窯窯渣于105℃恒溫鼓風干燥箱內烘干（原料水分18.51%、窯渣水分6.88%）、破碎研磨至200 目以下，取樣分析其元素、成分，其結果如表1、2所列。

表1 入窯原料成分分析 %

1.2 塵泥還原試驗方法

將塵泥和煤粉按C/O 比為1.0進行配料，煤粉作為還原劑，加熱至一定溫度時塵泥中鐵和鋅的氧化物得以還原，鋅在高溫下蒸發離開回轉窯。經過前期考察調研，固相還原溫度設定為1 050～1 150 ℃，固相還原時長大約為27 min，試驗時取25 min，以10 ℃/min 升溫速率到指定溫度（1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃），降溫時間40 min至600 ℃取樣水冷，由于小型回轉窯保溫性能較好，窯體溫度在降至650 ℃左右時便脫離控溫程序，因此試驗降溫取樣溫度設置為600 ℃，程序控溫降至600 ℃時采用氮氣吹掃使窯體溫度降至600 ℃（氮氣吹掃時間約5 min）。

表2 出窯窯渣成分分析 %

試驗結束后取出樣品在水中冷卻，隨后將試樣真空烘干檢測，以此為基準試驗，通過改變反應條件研究反應溫度、反應時間對塵泥鐵氧化物固相還原后金屬化率的影響。

試驗方法及裝置

取破碎研磨后的入窯混合料及窯渣，通過化學滴定試驗分析其全鐵含量、金屬鐵含量及金屬化率，以此作為塵泥鐵氧化物固相還原的指標。稱取12 g試樣將干燥后的試樣壓塊后放入坩堝中進而放入回轉窯中，設定反應溫度、反應時間，待試驗結束后取出樣品進行檢測分析實驗。通過改變還原溫度、反應時間，確定塵泥鐵氧化物最佳固相還原溫度和反應時間。參考現場生產工藝，在小型回轉窯上進行試驗。

1.3 磁選提鐵試驗方法

磁選屬于鈦鐵礦的精選，它是利用各種礦物磁導率的不同，使它們通過一個磁場，由于不同礦物對磁場的反應不同，磁導率高的礦物被磁盤吸起，再失磁就掉下來，經過集料漏斗將其收集，磁導率低的不被吸起，留在物料中或隨轉動著的皮帶，作為尾礦帶出去而得以分離。試驗采用XCRS-74 型鼓型濕式弱磁機進行弱磁選試驗，擬定弱磁選試驗工藝流程為：細磨—磁選—精礦（尾礦）。磁選過程如圖1所示。

圖1 試驗流程

具體試驗過程為：以還原后的窯渣作為磁選回收鐵的給礦進行實驗研究，對窯渣分別進行球磨10 min、25 min、40 min、55 min，球磨后進行篩分，每次用上述篩分出的礦粉500 g 在XCRS-74 型鼓型濕式弱磁機磁選管中進行弱磁選試驗，得出不同礦粉粒度條件下精礦和尾礦，對磁選后的尾礦和精礦真空烘干、稱量并對其進行化學分析，計算出精礦的品位、回收率、金屬化率等。

2 結果與討論

2.1 還原結果分析

試驗開展了在1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃三個溫度下以及15 min、20 min、25 min、30 min 四個時間段的實驗，計算其金屬化率，試驗數據如表格3。

表3 金屬化率試驗數據

（1）反應溫度對還原的影響

以入回轉窯混合料為原料，在1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃三個溫度下試驗，反應氣氛吹入氮氣，降溫至600 ℃左右取出樣品，對此還原產品進行制樣、檢測、分析，其結果如圖2 所示，由圖可知，隨溫度升高塵泥金屬化率呈現逐漸增加的趨勢，且在溫度1 100 ℃與1 150 ℃之間金屬化率提高更加明顯，繼續升高溫度可提高塵泥固相還原金屬化率，但溫度的升高勢必會增加能耗。

圖2 反應溫度對還原的影響（N2，15 min，600 ℃水淬）

（2）反應時間對還原的影響

研究反應時間對塵泥鐵氧化物還原效果影響時，以固相反應溫度1 150 ℃為基準、控溫程序以及反應氣氛不變，分別進行不同反應時間的試驗，反應進行至固相還原保溫結束，降溫至600 ℃取樣分析，其反應時間分別為15 min、20 min、25 min、30 min，還原后樣品金屬化率如圖3所示。

圖3 反應時間對還原的影響（N2，1 150 ℃，600 ℃水淬）

通過圖3中不同反應時間塵泥固相還原金屬化率的分析可知，延長固相還原反應時間有利于提高塵泥金屬化率，但時間過長必將增加還原成本，需根據自身需要選擇合適的反應時間。

2.2 選鐵結果分析

試驗對窯渣分別進行球磨10 min、25 min、40 min、55 min，磁選前測定其全鐵含量，在激磁電流強度為4 A 時進行磁選試驗，收集精礦、尾礦，真空烘干后檢測精礦的全鐵、金屬鐵、回收率、金屬化率以及尾礦的全鐵含量，試驗具體數據如表4。

表4 磁選試驗數據

從圖4可以看出，隨著球磨時間的增長，精礦的品位逐漸增加且趨于平緩，而磁選的回收率和金屬化率都呈現先增加后下降的趨勢。給礦粒度過細時不利于鐵精礦的選別，因為粒度越細礦物在磁場中所受磁力越小，磁選過程損失也較多，因而精礦品位越高、回收率越低，綜合考慮磁選精礦鐵品位和鐵回收率等因素，選擇在產品球磨時間40 min時，在激磁電流強度為4A 條件下進行磁選，可獲得鐵品位75.17%、作業回收率82.02%的最終鐵精礦。

圖4 磨礦時間對鐵回收率和金屬化率的影響

3 結論

通過對以上試驗的研究，可以得出以下結論：

（1）提高還原溫度、延長還原時間均可以提高塵泥固相還原的金屬化率，在反應溫度為1 150 ℃、反應時間為30 min 時的金屬化率達到98.76%，鋅還原率達到94.77%。

（2）隨著窯渣細磨時間的延長，粒度降低有利于精礦品位的提高，但同時給礦粒度過細導致所受磁力減小，磁選過程損失較多，鐵回收率降低。綜合考慮磁選精礦鐵品位和鐵回收率等因素，選擇球磨時間40 min、激磁電流強度為4 A 條件下進行磁選，可獲得鐵品位75.17%、作業回收率82.02%的鐵精礦。

（3）塵泥焙燒還原提鋅-細磨-磁選工藝不僅解決了鋅含量較高問題，同時能夠獲得高品位鐵精礦，對高鋅含鐵塵泥的大規模資源化利用提供了參考。