武兵強(qiáng)，高建軍，萬新宇，齊淵洪

（1.鋼鐵研究總院 先進(jìn)鋼鐵流程及材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.鋼研晟華科技股份有限公司 研發(fā)部，北京 100081）

赤泥是以鋁土礦為原料生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的極細(xì)顆粒強(qiáng)堿性固體廢渣，因其含鐵多而呈褐紅色，故俗稱赤泥，每生產(chǎn)1 t氧化鋁就產(chǎn)生0.8～1.5 t赤泥。隨著近年氧化鋁工業(yè)的快速發(fā)展，全球每年的氧化鋁產(chǎn)量已接近1.5億噸［1］。目前，我國(guó)赤泥累積堆存量已超過13.0億噸，赤泥大量堆存，既占用土地、浪費(fèi)資源，又容易造成環(huán)境污染和安全隱患，已成為迫切需要解決的問題［2］。目前，很多學(xué)者對(duì)赤泥的利用進(jìn)行了多領(lǐng)域探索，例如：從赤泥中回收有價(jià)組分［3-8］；利用赤泥制備建筑材料［9-11］、修復(fù)土壤［12］、處理污水［13-15］與廢氣［16］等。

我國(guó)鋁土礦主要從國(guó)外進(jìn)口，氧化鋁生產(chǎn)以拜耳法為主，尤其是近幾年大量從幾內(nèi)亞進(jìn)口高鐵鋁土礦，每年會(huì)產(chǎn)生大量的高鐵赤泥。高鐵赤泥中Fe2O3含量約50%，具有極高的綜合利用價(jià)值。筆者所在課題組針對(duì)某企業(yè)赤泥鐵精粉開展資源化利用研究，提出赤泥鐵精粉回轉(zhuǎn)窯還原-電爐熔分或作為轉(zhuǎn)爐冷卻劑使用的方案，基于此，本文開展了赤泥鐵精粉回轉(zhuǎn)窯還原實(shí)驗(yàn)研究，考察還原過程中赤泥鐵精粉金屬化率的變化，以期為赤泥鐵精粉回轉(zhuǎn)窯還原工業(yè)化試驗(yàn)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用赤泥鐵精粉化學(xué)成分如表1所示。該赤泥鐵精粉由氧化鋁產(chǎn)生的高鐵赤泥經(jīng)磁選和重選得到，赤泥鐵精粉為赤紅色，水分含量10%～15%。赤泥鐵精粉中主要成分為鐵、鋁、硅、鈦、鈣等，其中鐵含量高達(dá)48.48%。

表1 赤泥鐵精粉主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)赤泥鐵精粉進(jìn)行回轉(zhuǎn)窯還原模擬實(shí)驗(yàn)。首先將赤泥鐵精粉、煤粉和氧化鈣按一定配比稱重混勻，然后壓球裝入剛玉坩堝；將裝有含碳球團(tuán)的剛玉坩堝放入電阻爐內(nèi)，按照預(yù)定的升溫曲線對(duì)混合料進(jìn)行加熱和直接還原。直接還原完成后，將剛玉坩堝快速?gòu)碾娮锠t內(nèi)取出，置于惰性氣氛中冷卻至室溫。檢測(cè)還原后的金屬化爐料TFe和MFe含量，計(jì)算金屬化率。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

回轉(zhuǎn)窯直接還原是典型的煤基直接還原工藝，主要是利用煤粉中的碳與赤泥鐵精粉中的鐵氧化物發(fā)生反應(yīng)生成金屬鐵。鐵氧化物的還原順序是由高價(jià)鐵氧化物向低價(jià)鐵氧化物逐級(jí)還原，即：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe。還原過程中發(fā)生的反應(yīng)如下：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 還原溫度對(duì)金屬化率的影響

還原溫度是影響鐵氧化物還原反應(yīng)的重要因素，提高溫度有利于赤泥鐵精粉中鐵氧化物的還原，同時(shí)加快還原反應(yīng)速率，但是溫度過高，會(huì)導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈。因此，合適的還原溫度不僅可以取得最佳金屬化率，而且可以避免回轉(zhuǎn)窯還原過程中出現(xiàn)結(jié)圈問題。

氧化鈣配比（相對(duì)赤泥鐵精粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)）10%、配碳量（碳氧物質(zhì)的量比）1.2、還原時(shí)間120 min條件下，考察了還原溫度對(duì)赤泥鐵精粉還原后金屬化率的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在1 000～1 150℃范圍內(nèi)，還原溫度升高對(duì)金屬化率有顯著影響。升高溫度有助于赤泥鐵精粉中鐵氧化物的還原?？紤]到后續(xù)工業(yè)生產(chǎn)中溫度太高會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題，因此選擇1 100℃作為赤泥鐵精粉回轉(zhuǎn)窯還原溫度，此時(shí)金屬化率為91.37%。

圖1 還原溫度對(duì)金屬化率的影響

2.2 氧化鈣配比對(duì)金屬化率的影響

還原溫度1 100℃，其他條件不變，氧化鈣配比對(duì)金屬化率的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著氧化鈣配比升高，赤泥鐵精粉金屬化率呈現(xiàn)先升高后小幅度降低的規(guī)律。適當(dāng)增加氧化鈣配比，有助于赤泥鐵精粉中鐵氧化物的還原，但氧化鈣配比大于10%后，則不利于提高金屬化率。因此，選擇氧化鈣配比為10%，此時(shí)金屬化率為91.37%。

圖2 氧化鈣配比對(duì)金屬化率的影響

2.3 配碳量對(duì)金屬化率的影響

配碳量主要根據(jù)赤泥鐵精粉中金屬氧化物的氧含量計(jì)算得到，通過添加煤粉來調(diào)整赤泥鐵精粉的配碳量。氧化鈣配比10%，其他條件不變，配碳量對(duì)金屬化率的影響如圖3所示。由圖3可知，配碳量1.0時(shí)，赤泥鐵精粉還原后取得較高的金屬化率，說明在實(shí)驗(yàn)室條件下，赤泥鐵精粉中配加的煤粉基本滿足鐵氧化物的還原。增加配碳量，金屬化率增幅較小，但在回轉(zhuǎn)窯工業(yè)生產(chǎn)中，配加的煤粉會(huì)有燒損，因此選擇配碳量為1.2，此時(shí)金屬化率為91.37%。

圖3 配碳量對(duì)金屬化率的影響

2.4 還原時(shí)間對(duì)金屬化率的影響

配碳量為1.2，其他條件不變，還原時(shí)間對(duì)金屬化率的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著還原時(shí)間由90 min延長(zhǎng)至120 min，金屬化率顯著提高；還原時(shí)間延長(zhǎng)至150 min時(shí)，金屬化率略有提高；還原時(shí)間180 min時(shí)，金屬化率變化不大。延長(zhǎng)還原時(shí)間會(huì)影響回轉(zhuǎn)窯工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)量，而且延長(zhǎng)還原時(shí)間會(huì)增加冶煉能耗，綜合考慮，選擇還原時(shí)間120 min，此時(shí)金屬化率為91.37%。

圖4 還原時(shí)間對(duì)金屬化率的影響

2.5 優(yōu)化條件試驗(yàn)

通過上述單因素試驗(yàn)，確定適宜的還原條件為：還原溫度1 100℃、氧化鈣配比10%、配碳量1.2、還原時(shí)間120 min，在此條件下進(jìn)行赤泥鐵精粉還原驗(yàn)證試驗(yàn)，得到金屬化率為91.56%。該工藝參數(shù)可為赤泥鐵精粉回轉(zhuǎn)窯還原工業(yè)化試驗(yàn)提供依據(jù)。

3 結(jié) 論

1）赤泥鐵精粉中TFe含量為48.48%，鐵含量高，具有非常高的資源回收價(jià)值。

2）提高還原溫度、適當(dāng)提高氧化鈣配比以及延長(zhǎng)還原時(shí)間均有利于赤泥鐵精粉中鐵氧化物的還原。

3）適宜的還原條件為：還原溫度1 100℃、氧化鈣配比10%、配碳量1.2、還原時(shí)間120 min，此時(shí)金屬化率為91.56%。獲得的工藝參數(shù)可為后續(xù)回轉(zhuǎn)窯還原工業(yè)化試驗(yàn)提供參考。