畢秀榮 劉 綱 王慧霞 朱 榮 郭亞光

(1：北京蒂本斯工程技術(shù)有限公司 北京100071；2：北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 北京100083；3：鋼鐵研究總院 北京100081)

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釩渣去鈉提鐵基礎(chǔ)性能實(shí)驗(yàn)研究

畢秀榮①1劉 綱2，3王慧霞1朱 榮2郭亞光2

(1：北京蒂本斯工程技術(shù)有限公司 北京100071；2：北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 北京100083；3：鋼鐵研究總院 北京100081)

國(guó)內(nèi)某鋼廠(chǎng)提釩尾渣中TFe高達(dá)24.44%，如何采取有效措施提取釩尾渣中Fe，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用是鋼廠(chǎng)重點(diǎn)攻關(guān)的課題。以提釩尾渣為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)提釩尾渣成分化學(xué)分析及礦相組成分析，設(shè)計(jì)配碳、CaCl2焙燒-磁選實(shí)驗(yàn)及熔分實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)鐵元素的富集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熔分實(shí)驗(yàn)可以最大程度地實(shí)現(xiàn)去鈉提鐵，實(shí)現(xiàn)鋼廠(chǎng)廢棄物的有效循環(huán)利用，本研究的產(chǎn)業(yè)化推廣將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

提釩尾渣 固體廢棄物 堿金屬

1 概述

隨著冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼鐵企業(yè)固體廢棄物處理成為維持生態(tài)環(huán)境亟待解決的問(wèn)題。大量固體廢棄物的堆存不僅影響美觀(guān)、占用大量空間資源，更對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。鋼鐵行業(yè)固體廢棄物主要指冶煉后剩余的尾渣。尾渣中往往含有含量可觀(guān)的有益資源，在大力倡導(dǎo)綠色冶金的今天，將這些資源加以回收利用，變廢為寶，必將成為未來(lái)發(fā)展的一種趨勢(shì)。

提釩尾渣為釩鈦磁鐵礦經(jīng)高爐冶煉、轉(zhuǎn)爐提釩后剩余釩渣，再經(jīng)Na2CO3、Na2SO4氧化焙燒提釩后剩余的殘?jiān)Ｆ渲泻写罅縏Fe及少量V2O5，是一種重要的提取TFe的廢物資源。但由于提釩過(guò)程中加入大量Na2CO3、Na2SO4，導(dǎo)致棄渣中Na含量過(guò)高，很難返回高爐流程繼續(xù)利用[1-3]。國(guó)內(nèi)某鋼廠(chǎng)提釩尾渣中TFe高達(dá)24.44%，如將其中的TFe回收，將是一筆可觀(guān)的TFe資源，但提釩尾渣中堿金屬Na含量過(guò)高，遠(yuǎn)超過(guò)煉鐵界公認(rèn)的堿金屬危害界限(4.5kg/t，即0.45%)[4,5]。以國(guó)內(nèi)某鋼廠(chǎng)提釩尾渣為研究對(duì)象，分別進(jìn)行磁選實(shí)驗(yàn)及熔分實(shí)驗(yàn)，尋求適合生產(chǎn)實(shí)際的提釩尾渣去鈉提鐵處理方法。

2 實(shí)驗(yàn)原理

提釩尾渣主要成分如表1所示。

表1 提釩尾渣主要成分

對(duì)提釩尾渣進(jìn)行礦相分析(圖1)，結(jié)果表明，提釩尾渣中60%～65%為釩鈦磁鐵礦(圖1中1)和鈦鐵晶石(圖1中2)；5%左右的金屬鐵(圖1中4)；30%～35%的硅酸鹽液相渣(圖1中3)。Na基本上存在于脈石里，以復(fù)雜硅酸鹽類(lèi)礦物存在，幾乎不和Fe結(jié)合。

圖1 釩渣顯微照片，反光

1-釩鈦磁鐵礦； 2-鈦鐵晶石； 3-硅酸鹽液相渣； 4-金屬鐵

復(fù)雜硅酸鹽類(lèi)礦物熔點(diǎn)都很低，在800℃～1000℃間將熔化分解成簡(jiǎn)單硅酸鹽類(lèi)化合物。而硅酸鹽類(lèi)化合物很難還原，在高配碳條件下僅可脫除少量堿金屬[6]。堿金屬硅酸鹽在高溫時(shí)(1550℃以上)按下式發(fā)生還原反應(yīng)：

Na2SiO3+C→2Na(g)+3CO(g)+SiO2

(1)

(1)式還原溫度大于1550℃，因而僅經(jīng)過(guò)焙燒不能有效降低堿金屬鈉含量。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，焙燒過(guò)程加入CaCl2進(jìn)行氯化脫堿是有效的方法之一[7]。以硅酸鹽狀態(tài)存在的堿金屬，當(dāng)加入氯化劑(CaCl2)時(shí)，可以發(fā)生下述反應(yīng)。

Na2SiO3+CaCl2→CaO·SiO2+2NaClΔrGom= 415624-293.6TJ/mol

(2)

上述反應(yīng)(2)中ΔrGmo為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能，依此計(jì)算反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行的溫度約為1415.6℃。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明：高溫焙燒過(guò)程中加入CaCl2能夠?qū)⑵渲械膲A金屬轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的氯化物。生成物NaCl的熔點(diǎn)很低(800℃)，沸點(diǎn)也低(1465℃)，而蒸汽壓(1300℃時(shí)為27.58kPa)卻很高。這樣，在高溫下的NaCl便很容易揮發(fā)并被廢氣帶走。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

3.1配碳、CaCl2焙燒-磁選實(shí)驗(yàn)

3.1.1實(shí)驗(yàn)方案及步驟

根據(jù)提釩尾渣成分及實(shí)驗(yàn)室所用煤粉成分，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)將提釩尾渣、煤粉、(CaCl2)均勻混合后壓球，濕球放于烘干箱內(nèi)烘干。

2)干球稱(chēng)量，入爐焙燒還原。

3)焙燒溫度設(shè)定為1200℃，還原時(shí)間為40min，焙燒結(jié)束后取出冷卻至室溫。

4)將還原后的球團(tuán)破碎，磨粉至350目，再進(jìn)行磁選，磁感應(yīng)強(qiáng)度為350mT。

5)將磁選所得含鐵精粉水樣進(jìn)行抽濾、烘干處理，稱(chēng)量，最后送熒光分析。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖2 焙燒裝置-箱式升溫電阻爐

圖3 磁選裝置-磁選機(jī)

3.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

取磨細(xì)至350目的添加CaCl2與不添加CaCl2的樣品各40g，在磁感應(yīng)強(qiáng)度350mT的條件下進(jìn)行磁選，所得精礦質(zhì)量如表3所示。

表3 磁選后精礦、尾礦質(zhì)量/g

熒光分析結(jié)果如表4所示。

表4 熒光分析結(jié)果/%

如表4所示，加CaCl2焙燒磁選所得精礦中TFe=39.14%，Na=1.32%，F(xiàn)e回收率為89.56%，Na較原礦降低69.15%。

不加CaCl2焙燒磁選所得精礦中TFe=36.18%，Na=1.95%，F(xiàn)e回收率為82.30%，Na較原礦降低54.42%?？梢?jiàn)，添加CaCl2后磁選效果稍?xún)?yōu)于未添加CaCl2的磁選效果，但堿金屬鈉含量仍遠(yuǎn)高于煉鐵界公認(rèn)的堿金屬危害界限(4.5kg/t，即0.45%)。

圖4 焙燒后球團(tuán)

圖4為焙燒后球團(tuán)。從圖4可以看出，添加CaCl2和不添加CaCl2在1200℃下球團(tuán)均已開(kāi)始熔分出小鐵珠，故進(jìn)行熔分實(shí)驗(yàn)，觀(guān)察渣鐵分離情況。

3.2 熔分實(shí)驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

利用高溫下Fe2O3與C反應(yīng)還原出Fe，并配CaO將渣堿度配至合適范圍，使渣流動(dòng)性最佳，從而實(shí)現(xiàn)渣鐵分離。

實(shí)驗(yàn)方案如表5所示，其中煤粉按C：O=1.1進(jìn)行配取，堿度取二元堿度。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)將提釩尾渣、煤粉、CaO均勻混合后壓球，濕球放于烘干箱內(nèi)烘干。

2)干球稱(chēng)量，入爐焙燒熔分。

3)熔分溫度設(shè)定為1450℃，熔分時(shí)間為45min，熔分結(jié)束后取出冷卻至室溫。

4)將分離開(kāi)的渣與鐵磨細(xì)、制樣，進(jìn)行熒光分析。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同堿度時(shí)熒光分析結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，堿度R=0.6時(shí)，鐵中TFe=79.96%，Na=0.6%，鐵回收率為89.62%，Na較原礦降低66.48%。

其他條件不變，堿度R=1.0的條件下，熔分后鐵中TFe=80.28%，Na=0.46%，鐵回收率為90.82%，Na較原礦降低78.40%。由此可見(jiàn)，在合適的堿度下，通過(guò)熔分，有效進(jìn)行渣鐵分離?？梢院芎玫剡_(dá)到去鈉提鐵的目的，從而將提釩尾渣變廢為寶，最大程度地進(jìn)行資源化利用。

表5 熔分實(shí)驗(yàn)方案

表6 熒光分析結(jié)果/%

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比配碳、CaCl2焙燒-磁選實(shí)驗(yàn)及熔分實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，高溫下配碳、CaCl2焙燒-磁選雖可降低堿金屬鈉含量，但堿金屬鈉含量仍遠(yuǎn)高于煉鐵界公認(rèn)的堿金屬危害界限(4.5kg/t，即0.45%)，且工藝過(guò)程復(fù)雜，投資大。

熔分實(shí)驗(yàn)在堿度合適的條件下可有效進(jìn)行渣鐵分離，從而將堿金屬硅酸鹽與鐵分離開(kāi)來(lái)，達(dá)到提鐵去鈉的目的，避免堿金屬對(duì)后續(xù)處理工序造成影響。且工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，投資小，易于實(shí)現(xiàn)。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為熔分實(shí)驗(yàn)是解決提釩尾渣堿金屬過(guò)高的行之有效的方法，可最大程度地實(shí)現(xiàn)去鈉提鐵的目的，將提釩尾渣資源化利用，符合當(dāng)前綠色冶金的理念。

該工藝還未大面積工業(yè)利用，但隨著節(jié)能環(huán)保，循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念在鋼鐵工業(yè)中的利用，熔分工藝處理提釩尾渣，并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化利用具有可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1]翁慶強(qiáng)，張煒.高爐消化提釩二次尾渣可行性分析[J].礦產(chǎn)綜合利用，2012(3)：59-61.

[2]吳瑞琴，安慶志.堿金屬高爐生產(chǎn)影響分析[J].新疆鋼鐵，2009(2)：17-20.

[3]王慶祥，尹堅(jiān).湘鋼1號(hào)高爐堿金屬行為[J].中國(guó)冶金，2005，Vol.15(2)：21-23.

[4]柏凌，張建良，郭豪，張雪松，張曦東.高爐內(nèi)堿金屬的富集循環(huán)[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2008，Vol.20(9)：5-8.

[5]吳恩輝，黃平，楊紹利，馬蘭，張樹(shù)立.提釩尾渣內(nèi)配碳球團(tuán)直接還原試驗(yàn)研究[J].有色金屬，2011(11)：17-20.

[6]張建良，王傳琳，國(guó)宏偉，尹慧超，李凈.國(guó)豐1780m3高爐燒結(jié)-高爐系統(tǒng)堿金屬平衡的研究[J].鋼鐵研究，2010，Vol.38(2)：5-7.

[7]沐繼光，余明揚(yáng).球團(tuán)礦的氯化脫堿.煉鐵，1984(5).

Experimental Research on Extracting Iron and Removing Sodium from Extract Vanadium Tailings

Bi Xiurong1Liu Gang2，3Wang Huixia1Zhu Rong2Guo Yaguang2

(1:Beijing Toppings Engineering and Technologies Co., Ltd., Beijing 10083； 2:Metallurgical and Ecological Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083; 3:Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081)

The content of TFe in extract vanadium tailings at some steel work reaches up to 24.44%, how To extract TFe From extract vanadium tailings and to achieve the recycling of resources is the most important research topic for steel works. In this paper, take the extract vanadium tailings as research object, send them to lab for chemical analysis and phase analysis, by which the roasting-magnetic separation experiment with right scale carbon and CaCl2and the reduction and melting experiment are performed. Then realize the concentration of Fe. Results show that reduction and melting process is the efficient solution to achieve Fe extracted and Na removed to the greatest extent, realize resource utilization and accord with the current green metallurgy concept, which will acquire huge economic benefits ifindustrialization extension.

Extract vanadium tailings Solid wastes Alkalis

畢秀榮，女，1986年出生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)冶金工程專(zhuān)業(yè)，碩士，助理工程師

TF03+1

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.006

2013-09-21)