楊慧芬 張 露 馬 雯 王傳龍

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

煤基直接還原技術(shù)不僅在鐵精礦生產(chǎn)海綿鐵上應(yīng)用普遍，在世界鋼鐵工業(yè)飛速發(fā)展和國際社會對環(huán)境保護(hù)日益重視的今天，還被用以研究從難選鐵礦石和高鐵固體廢物回收鐵［1］。朱德慶［2］對超微細(xì)粒貧赤鐵礦、王靜靜［3］對云南混合型鐵礦石、謝樺［4］和Li Y L［5］分別對不同鐵品位的高磷鮞狀赤鐵礦、馬蘭等［6］對紅土鎳礦、J.W.Park 等［7］對熱軋污泥、楊慧芬等［8-9］對提釩尾渣和銅渣、Liu W C［10］和黃柱成［11］分別對高鐵赤泥、楊合等［12］對包頭稀土尾礦均進(jìn)行了煤基直接還原—磁選選鐵試驗(yàn)研究，并都取得了較為理想的指標(biāo)。因此，煤基直接還原—磁選工藝為從難選鐵礦石和高鐵固體廢物中回收鐵開辟了一條重要途徑。本試驗(yàn)開展從鉛渣中采用煤基直接還原—磁選工藝回收鐵的研究。

1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用鉛渣為云南瀾滄某鉛礦有限公司的水淬鉛渣，顆粒狀，4～0.5 mm粒級占95%左右，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 鉛渣主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

從表 1 可見，鉛渣中 Fe、Cu、Pb、Zn含量均很高，有綜合回收利用價(jià)值;鉛渣堿度為1.01，屬中性渣，在煤基直接還原過程中可不添加任何調(diào)渣劑。

經(jīng)XRD、SEM－EDS分析，鉛渣中多數(shù)礦物呈非晶態(tài)，組成非常復(fù)雜，可鑒定出的晶態(tài)礦物包括Cu、Pb、Zn、Fe的氧化物、硫化物、硅酸鹽及其復(fù)合物、合金等，主要晶態(tài)礦物有(Cu，F(xiàn)e)S2，F(xiàn)e3S4，ZnS，F(xiàn)eO，Ca3FeSi3O12等。鉛渣中 Cu、Pb、Zn 礦物粒度多在幾微米，硫化鐵粒度可達(dá)10 μm，但常常包裹Cu、Pb、Zn硫化物。因此，采用常規(guī)選礦方法難以回收鉛渣中的 Cu、Pb、Zn、Fe。

雖然還原氣氛不利于以硫化物形式存在的鐵的還原，但由于該鉛渣硫化鐵較低，因此，用煤基直接還原—磁選工藝處理該鉛渣，對鐵的回收率影響不大。

試驗(yàn)所用還原煤為瀾滄煤，工業(yè)分析結(jié)果見表2。

表2 還原煤工業(yè)分析結(jié)果 %

從表2可見，該還原煤灰分和硫含量均較低，固定碳含量較高，屬優(yōu)質(zhì)還原劑。

2 試驗(yàn)方法

將50 g鉛渣與一定量的－3 mm還原煤混勻，裝入坩堝，置于一定溫度的SXZ－10－13型馬弗爐中焙燒一定時(shí)間，取出后自然冷卻，磨至一定細(xì)度后用磁選管進(jìn)行1粗1精弱磁選得金屬鐵粉，分析、計(jì)算鐵品位和回收率。

用XRD技術(shù)對鉛渣、最佳焙燒條件下的焙燒產(chǎn)物以及金屬鐵粉進(jìn)行分析，用SEM－EDS技術(shù)比對鉛渣、最佳焙燒條件下焙燒產(chǎn)物的微觀形貌和成分。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 焙燒條件試驗(yàn)

3.1.1 還原煤用量試驗(yàn)

還原煤用量(與鉛渣的質(zhì)量比)試驗(yàn)的焙燒溫度為1 200℃、焙燒時(shí)間為40 min、焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－74 μm占90%、弱磁粗選及精選的磁場強(qiáng)度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

從圖1可見，金屬鐵粉的鐵品位受還原煤用量的影響不顯著，但金屬鐵粉的鐵回收率先隨還原煤用量的增加而快速升高，當(dāng)還原煤用量增至鉛渣質(zhì)量的30%后趨穩(wěn)。綜合考慮，確定還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%。

圖1 還原煤用量對金屬鐵粉指標(biāo)的影響

3.1.2 焙燒溫度試驗(yàn)

焙燒溫度試驗(yàn)的還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%、焙燒時(shí)間為40 min、焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－74 μm占90%、弱磁粗選及精選的磁場強(qiáng)度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 焙燒溫度對金屬鐵粉指標(biāo)的影響

從圖2可見，隨著焙燒溫度的升高，還原鐵粉的鐵品位和回收率均呈先快速上升后走平的趨勢。綜合考慮，確定焙燒溫度為1 200℃。

3.1.3 焙燒時(shí)間試驗(yàn)

焙燒時(shí)間試驗(yàn)的還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－74 μm占90%、弱磁粗選及精選的磁場強(qiáng)度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 焙燒時(shí)間對金屬鐵粉指標(biāo)的影響

從圖3可見，在試驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)，金屬鐵粉的鐵品位和回收率先不同程度上升而后走平。綜合考慮，確定焙燒時(shí)間為40 min。

3.2 磨選條件試驗(yàn)

3.2.1 磨礦細(xì)度試驗(yàn)

焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度試驗(yàn)的還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒時(shí)間為40 min、弱磁粗選及精選的磁場強(qiáng)度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度對金屬鐵粉指標(biāo)的影響

從圖4可見，隨著磨細(xì)度的提高，金屬鐵粉的鐵品位上升、鐵回收率下降。綜合考慮，確定焙燒產(chǎn)物的磨礦細(xì)度為－74 μm占83.92%。

3.2.2 精選磁場強(qiáng)度試驗(yàn)

精選磁場強(qiáng)度試驗(yàn)的還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒時(shí)間為40 min、焙燒產(chǎn)物的磨礦細(xì)度為－74 μm為83.92%，粗磁選磁場強(qiáng)度為180 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 精選磁場強(qiáng)度對金屬鐵粉指標(biāo)的影響

從圖5可見，隨著弱磁精選磁場強(qiáng)度的提高，金屬鐵粉的鐵品位呈先緩后快的下降趨勢，而鐵回收率明顯上升。綜合考慮，確定弱磁精選的磁場強(qiáng)度為56 kA/m，對應(yīng)的金屬鐵粉的鐵品位為93.68%、鐵回收率為77.59%。

4 鉛渣處理前后XRD、SEM分析

4.1 XRD分析

對鉛渣、最佳焙燒—磨礦—磁選條件下的焙燒產(chǎn)物、金屬鐵粉進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖6。

圖6 鉛渣、焙燒產(chǎn)物、金屬鐵粉的XRD圖譜

從6可見，鉛渣中晶態(tài)礦物很少，主要為非晶態(tài)礦物;焙燒產(chǎn)物的主要衍射峰與鉛渣的衍射峰存在顯著差異，鉛渣的主要衍射峰在焙燒產(chǎn)物中已不可見，而焙燒產(chǎn)物中出現(xiàn)了較強(qiáng)的、鉛渣中沒有的金屬鐵的衍射峰，說明鉛渣中的含鐵礦物經(jīng)煤基直接還原轉(zhuǎn)變成了金屬鐵;焙燒產(chǎn)物中的金屬鐵為強(qiáng)磁性物質(zhì)，經(jīng)磨礦、磁選而富集，因而在金屬鐵粉的XRD圖譜上表現(xiàn)出強(qiáng)而純的金屬鐵衍射峰。

4.2 SEM－EDS分析

鉛渣中的含鐵礦物經(jīng)煤基直接還原轉(zhuǎn)變成了強(qiáng)磁性的金屬鐵，但這些金屬鐵能否實(shí)現(xiàn)高效回收，與生成金屬鐵的顆粒粒度及與渣相的鑲嵌關(guān)系密不可分，因此，對鉛渣及焙燒產(chǎn)物中的微觀形貌和成分進(jìn)行了SEM－EDS分析，所得SEM照片見圖7。

圖7 鉛渣及焙燒產(chǎn)物的SEM照片

從圖7可見，鉛渣和焙燒產(chǎn)物的微觀形貌差別很大。進(jìn)一步的EDS分析表明，鉛渣中大量分布的深灰色物質(zhì)主要為含鐵硅酸鹽礦物，粒度多在幾十微米;而零星分布的淺灰色物質(zhì)主要為銅鉛鋅的氧化物、硫化物及其合金等，它們的顆粒粒度更小，多數(shù)在幾微米，因而鉛渣很難實(shí)現(xiàn)單體解離。焙燒產(chǎn)物中亮色區(qū)域與深色區(qū)域界線分明，集中連片，進(jìn)一步的EDS分析表明，亮色區(qū)域主要為金屬鐵，深色區(qū)域主要為硅酸鹽類脈石及其包裹的銅鉛鋅礦物，分別對應(yīng)圖6中的金屬鐵衍射峰和非晶態(tài)礦物衍射峰;金屬鐵顆粒較粗大，粒度多在50 μm以上，因而焙燒產(chǎn)物單體解離較容易，弱磁選回收效果較好。

上述XRD和SEM－EDS分析結(jié)果從微觀上論證了煤基直接還原—磁選工藝是從高鐵鉛渣中回收鐵的有效工藝。

5 結(jié)論

(1)煤基直接還原—磁選可高效回收高鐵鉛渣中的鐵。在還原煤用量為鉛渣質(zhì)量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒時(shí)間為40 min、直接還原產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－74 μm占83.92%、1粗1精弱磁選磁場強(qiáng)度分別為180、56 kA/m的條件下，可獲得鐵品位為93.68%、鐵回收率為77.59%的金屬鐵粉。

(2)XRD和SEM－EDS分析結(jié)果表明，煤基直接還原可使鉛渣中粒度細(xì)微、嵌布關(guān)系復(fù)雜、磁性弱的含鐵礦物轉(zhuǎn)變成粒度粗大、與渣界限分明、磁性強(qiáng)的金屬鐵，為弱磁選分離創(chuàng)造了有利條件。

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