OTS直接還原法處理冶金廢渣的工藝試驗與應用

2013-08-26

摘要：本文簡要介紹了OTS直接還原法——車底爐快速還原工藝處理冶金廢渣，并以銅棄渣、鎳熔融渣和黃鈉鐵釩渣為例對該工藝進行了研究和討論。
關鍵詞：處理冶金廢渣  非高爐煉鐵  OTS工藝  車底爐  直接還原鐵 

引言

       近幾年來，我國“城市礦產”資源開發(fā)的規(guī)模雖然在不斷擴大，但利用率依然很低，總體上還達不到四成，存在極大的提升空間。據(jù)估算，我國每年可以回收利用但沒有回收利用的再生資源價值達350億～400億美元，每年約有500萬噸左右的廢鋼鐵、20多萬噸廢有色金屬及貴金屬，大量的廢塑料、廢玻璃等沒有回收利用。我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，國產鐵礦石已無法滿足鋼鐵生產的需求，導致多數(shù)大型鋼鐵企業(yè)不得不高價購買澳大利亞、巴西、印度等國的鐵礦石。自2003年以來，我國鐵礦石的供需缺口進一步擴大，即使在經濟不景氣的2008年，進口鐵礦石也達4.44億t，進口依賴度仍然高達49.5%。此外，我國廢鋼資源嚴重短缺，造成不少電爐煉鋼廠處于半停產狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計，2012年廢鋼缺口達2000多萬噸。因此，尋找新的鋼鐵原料已是我國鋼鐵工業(yè)迫在眉睫的任務之一。近年來，針對某些含鐵冶金廢渣，我國相關科研工作者突破了傳統(tǒng)的選礦—燒結—高爐流程概念，提出采用先冶后選的方法即“深度還原—高效分選”工藝處理這些冶金廢渣，實現(xiàn)了鐵的有效富集和資源的綜合利用。該工藝所得的高金屬化率的鐵粉冷壓塊后，不僅可以補充廢鋼資源的不足，而且是冶煉優(yōu)質鋼、特殊鋼的優(yōu)質原料。

       正是在這樣的背景下，我們經過四年多的刻苦鉆研和試驗攻關，推出了OTS還原法即車底爐快速還原工藝體系。該工藝是在隧道窯反應罐還原工藝和其它還原工藝的優(yōu)勢基礎上，經過一系列的改進和優(yōu)化，“以車底快速還原爐為核心、以粒鐵法生產工藝為支撐、以氣氛可控技術為保障、以自動裝卸料機組和原料處理磨選礦成套工藝設備為配套”的OTS還原法體系已經形成。該工藝的最大特點就是能夠最大限度的提高冶金廢渣中鐵和有價元素的回收率，并保證較高的金屬化率。

       在本文中，我們選取了有代表性的“三渣”即銅棄渣、鎳熔融渣和黃鈉鐵釩渣的“深度還原高效分離”半工業(yè)試驗為例，對該工藝進行研究和討論。

1 試驗方法

1.1 原料準備

       試驗選用銅棄渣、鎳熔融渣和黃鈉鐵釩渣為原料，其主要化學成分見表1.1、表1.2和表1.3，還原劑選用無煙煤，其主要成分見表1.4。另外本試驗中還使用了添加劑。

表1.1 銅棄渣的主要化學成分分析及相關理化指標

1.2 試驗設備

        還原設備為唐山奧特斯科技有限公司自行設計制造的OTS-8型車底式快速還原爐，它的測溫精度為±5℃。另外本試驗還使用了XCGS—73型ф5 0磁選管和XMQ—ф240×90錐形球磨機等設備。

1.3 試驗過程

        采用裝料模具，將礦物和還原劑及一定量的添加劑混合均勻造球后，平鋪在臺車表面上，然后進入車底爐內，經過預熱、高溫還原、出爐。物料出爐后，直接進行水淬處理，水淬后的物料經磨礦磁選得到產品——還原鐵粉。在對產品進行Fe、Ni含量化驗檢測后，還對產品進行了XRD物相分析及SEM形貌觀察及EDS能譜分析，用以研究還原機理。

2 試驗結果

2.1 銅棄渣

        通過反復研究和實驗，利用車底爐還原，在還原溫度1200℃~1300℃，還原時間100~120min，實驗表明采用1#添加劑配方，結合弱磁和強磁復合磁選技術的效果最好，其弱磁精礦鐵含量達到95.44%，回收率達91.50%，金屬化率達96.19%。
 

表2.1銅棄渣半工業(yè)試驗后的產品檢測分析

2.2 鎳熔融渣

       通過試驗可以得出，采用2#添加劑配方，在還原溫度1150℃~1250℃，還原時間100~120min的條件下，采用車底爐進行還原并結合磁選技術，鎳的回收率最高，達到99.68%，精礦的全鐵品位90~93%，金屬化率97%以上。

表2.2鎳熔融渣半工業(yè)試驗后的產品檢測分析

2.3 黃鈉鐵釩渣

        通過試驗的研究，黃鈉鐵礬渣在還原的前期需要首先進行分解反應，只有渣中的Ni、Fe、Cu物相轉變?yōu)檠趸锖蟛拍芘c還原劑發(fā)生反應進行還原，因此為了能夠使得物料還原徹底，在還原的前期需要一段足夠時間的低溫焙燒階段，低溫焙燒后的物料在還原溫度1150℃~1250℃，還原時間120~180min的條件下，采用車底爐進行還原并結合磁選技術，Ni的回收率最高，達到95.01%，鐵粉的金屬化率最高可達94.67%。

表2.3黃鈉鐵釩渣半工業(yè)試驗后的產品檢測分析

 

3 還原機理分析

       銅棄渣主要成分是鐵硅酸鹽和磁性氧化鐵，鐵橄欖石（2FeO•SiO2）、磁鐵礦（Fe3O4）及一些脈石組成的無定形玻璃體。熔煉渣中的銅主要以冰銅或單純的輝銅礦（Cu2S）狀態(tài)存在，幾乎不含金屬銅，多見銅的硫化物呈細小珠滴形態(tài)不連續(xù)分布在鐵橄欖石和玻璃相間。與銅棄渣相似，鎳熔融渣中的鐵物相基本也是以鐵橄欖石（2FeO•SiO2）相存在。黃鈉鐵釩渣為大分子聚合物，低溫焙燒分解后主要成分為Fe2O3，NiO，CuO，H2O等物質。

       根據(jù)銅、鎳、鐵氧化物還原的吉布斯自由能可知，銅、鎳和鐵都很容易還原，其中鎳在500℃左右時就開始還原，鐵緊隨其后；而SiO2、MgO等脈石氧化物的還原溫度都在1300℃以上。因此，可利用鎳和鐵氧化物先還原的特點，控制還原溫度，使得脈石氧化物還未開始還原，而銅、鎳和鐵已經得到徹底還原。經過深度還原后再經磁選分離，鎳鐵便能與脈石成分等雜質分離。而整個還原過程中的難點在于鐵橄欖石的還原，因為鐵橄欖石還原反應是個強吸熱過程，而且反應開始溫度高，反應速度慢。對于上述銅棄渣和鎳熔融渣而言，鐵橄欖石的還原是整個還原過程中的關鍵環(huán)節(jié)。因此為了加過還原速度，降低還原溫度，通常需要加入一定的添加劑來促進鐵橄欖石的還原。

      可能發(fā)生的化學反應有
 

C+CO₂=2CO

△G=166550-171T, J·mol^-1                                   （1）

NiO+C=Ni+CO↑

△G=134610-179.08T, J·mol^-1                                                      （2）

NiO+CO=Ni+CO₂

△G=-40590-0.42T, J·mol^-1                                   （3）

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂

△G=-52195.1-41.05T, J·mol^-1                                 （4）

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂

△G=35120-41.55T, J·mol^-1                                   （5）

FeO+CO= Fe+CO₂

△G=-17500+21T, J·mol^-1                                    （6）

2FeO·SiO₂+2C=2Fe+SiO2+2CO                              （7）

△G=332041-321.53T, J·mol^-1 

 
圖1  黃鈉鐵釩渣還原試樣精礦XRD物相分析圖譜

圖2  銅棄渣還原試樣精礦XRD物相分析圖譜                圖3  車底爐還原產品——冷壓塊

4 結論

     （1）應用OTS還原法能夠實現(xiàn)對銅棄渣的還原處理，能夠最大限度的實現(xiàn)鐵的回收，還原鐵的全鐵品位95.44%，回收率達91.50%，金屬化率達96.19%。

     （2）應用OTS還原法能夠實現(xiàn)對鎳熔融渣的還原處理，鐵的回收率達到92.10%，Ni的回收率達到99.68%，還原鐵的全鐵品位90.50%，金屬化率97.01%。

     （3）應用OTS還原法能夠實現(xiàn)對黃鈉鐵釩渣的還原處理， Ni的回收率達到95.01%，鐵粉的金屬化率最高可達94.67%。

     （4）OTS還原法由于其本身的特點，除了能夠實現(xiàn)對上述“三渣”的還原處理之外，還能夠對其他低品位復雜難選礦、多金屬伴生礦以及冶金廢渣等鐵系氧化物進行深度還原高效分離的處理，并能保證產品的較高的金屬化率和有價元素的回收率。

     （5）OTS還原法壓塊工藝的冷壓塊產品見圖3所示，該產品達到了國家規(guī)定的H92及H94產品標準。

參考文獻

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