两段硫酸化焙烧法分离冶金废渣中铁锰研究.pdf

第 3 6卷第 5期 2 0 1 4年 l 0月 甘肃冶金 GANS U MET ALLURGY Vo 1 ． 3 6 No． 5 0c t ． ． 201 4 文章编号 1 6 7 2 4 4 6 1 2 0 1 4 0 5 0 0 5 0 0 4 两段硫 酸化焙烧 法分 离冶金废渣 中铁锰研 究 魏 晓玲 ， 吴斌 1 ． 白银矿冶职业技术学院 ， 甘肃白银7 3 0 9 0 0 ； 2 ． 西北矿 冶研究 院， 甘肃白银7 3 0 9 0 0 摘要 研究了两段硫酸化焙烧一 水浸出工艺分离冶金废渣中的铁锰， 分析了硫酸浓度及用量、 第一段焙烧时问及 温度、 第二段焙烧时问及温度 、 烧结块水浸出温度等工艺因素对铁锰分离效果的影响。采用的 5 0 ％硫酸与冶金废 渣混合， 在 2 0 0℃焙烧 6 0 m i n后升温至 7 5 0℃焙烧 1 2 0 m i n ， 烧结块在 7 0℃水浴浸出 1 2 0 m i n 后过滤， 滤液中铁锰 质量比达到 3 2 0 9 ， 比原废渣中的锰铁质量比提高近 4 4 6 0倍， 锰铁分离效果 良好 ， 铁浸出率仅为 O ． 0 1 ％。 关键词 冶金废渣； 两段硫酸化焙烧； 铁锰分离 中图分类号 T F 8 0 3 ． 2 文献标识码 A S e p e r a t i o n o f I r o n a n d M a n g a n e s e f r o m M e t a l l u r g i c a l Re s i d u e b y Two - s t a g e S u l p h a t i n g Ro a s t W EI Xi a o l i n g ， WU Bi n 1 ． B a i y i n Mi n i n g I n d u s t r y V o c a t i o n a l T e c h n i c a l I n s t i t u t e ， B a i y i n 7 3 0 9 0 0， C h i n a 2． No r t h w e s t I n s t i t u t e o f Mi n i n g＆ Me t a l l u r g y． Ba i y i n 7 3 0 9 0 0 C h i n a Ab s t r a c t S e p e r a t i o n o f i r o n a n d ma n g a n e s e f r o m me t a l l u r g i c a l r e s i d u e b y t wo s t a g e s u l p h a t i n g r o a s t a n d s u b s e q u e n t w a t e r l e a c h i ng wa s i nv e s t i g a t e d．Ef f e c t i n g o f t e c h n o l o g y f a c t o r s，s uc h a s c o n c e n t r a t i o n a n d d o s a g e o f s ul f u r i c a c i d，r o a s t i ng t i me a n d t e mp e r a t u r e o f f i r s t s e c t i o n ，r o a s t i n g t i me a n d t e mp e r a t u r e o f s e c o n d s e c t i o n， l e a c h i n g t e mp e r a t u r e o f a g g l o me r a t i o n，o n t h e s e p a r a t i o n e f f e c t o f i r o n a n d ma n g a n e s e wa s a n aly z e d ． Me t a l l u r g i c a l r e s i d u e mi x e d w i t h 5 0 ％ o f s u l f u r i c a c i d a d d e d b y 1 2 0 ％ t h e o r e t i c a l a mo u n t s ．T h e mi x t u r e r o a s t e d a t 2 0 0℃ f o r 6 0 mi n s ． T h e n t h e r o a s t i n g t e mp e r a t u r e r o s e t o 7 5 0℃ a n d e n s u r e d 1 2 0 mi n s h o l di n g t i me ．Th e r o a s t e d p r o d uc t l e a c h e d a t 7 0 o C f o r 1 2 0mi n s a n d t h e n fil t e r e d． The ma s s r a t i o o f i r on a nd ma n g a n e s e i n f i l t r a t e c a me t o 3 2 0 9，up n e a r l y 44 6 0 t i me s h i g h e r t h a n t h a t o f o rig i na l r e s i d u e．I t s h o ws g o o d s e p a r a t i o n e ffe c t o t i r o n a n d ma n g a ne s e ．And l e a c hi ng r a t e o f i r on wa s o n l y 0． 0l ％ ． Ke y W o r d s me t a l l u r g i c a l r e s i d u e； t wo s t a g e s u l f a t i n g r o a s t i n g； s e p a r a t i o n o f i r o n a n d ma n g a n e s e 1 引言 自 2 0 0 2年 以来 ， 在 国内需 求快速增长 的刺 激 下， 中国粗钢产量逐年递增 ， 2 0 1 3 年达到 7 ． 8 2 亿 吨， 超过全球总产量 的 5 0 ％以上 ， 近年来我 国虽陆续 发 现多处大型铁矿 ， 但这些铁矿 由于品位 和埋深等问 题 的影响 ， 能直接开发利用的少 ， 短期内无法解决国 内铁 资 源 的 供 需 矛 盾 ， 扭 转 铁 矿 进 口的 被 动 局 面 j 。锰系铁 合金及锰 的各种 化合物是 当今现代 工业发展中应用最广泛的材料之一 ， 而 中国是世 界 最大 的锰系合金生产 国， 也是世界上电池生产量最 大的国家 ， 然而中国锰资源储量虽 占全球第 6位 ， 但 由于锰资源“ 贫 、 薄 、 杂 、 细 ” 等特点 ， 使得我 国一 半 以上的资源需求依赖 国外进 口l 2 J 。因此 ， 二次资源 的利用对铁 、 锰工业相当重要 。 铁 、 锰均在不同氧化还原环境中呈多种价态， 因 此在 自然界中铁锰矿物无所不在， 其 中铁与氧 、 硫具 有很强的亲和力， 而锰与氧的亲和力远远超过硫。因 此在大多数金属矿中都含有锰 、 铁元素。经冶炼提取 其 中的主要金属后 ， 矿 中的铁锰大多进入冶炼三废 中， 特别是不少冶炼废渣中的锰铁含量都达到了较高 的水平。为达到资源循环综合利用以及缓解资源压 力的目的， 从冶炼废渣中回收铁和锰制备锰铁化工产 品， 也成为铁锰冶金中的重要课题， 而 由于铁锰及其 化合物的性质在铁、 锰回收工艺 中锰 、 铁的分离将是 关键。不少冶金工作者开展了锰 、 铁的分离的研究工 作 J ， 本文作者采用两段硫酸化焙烧法处理 含铁锰 的冶炼废渣， 从而实现铁锰的分离与回收。 E- m 咖 a i l G S L YJ L 1 6 2 6 第 5期 魏晓玲， 等 两段硫酸化焙烧法分离冶金废渣中 铁锰研究 5 1 2 ． 2 实验 过 程 将废渣与适量的 5 0 ％～ 9 0 ％硫酸溶液在瓷坩锅 中混合均匀为黑色的糊状物， 瓷坩锅置于马弗炉中， 炉温控制在 1 8 0 ～ 2 8 0 o C， 焙烧 3 0 ～1 5 0 rai n ， 然后升 温至 6 0 0 ～ 8 0 0 ℃， 焙烧 6 0 ～1 8 0 mi n ， 获得 的焙烧料 在电热恒温水浴锅 中 2 5 ～ 9 5℃搅拌浸 出 2 h ， 过滤 后 ， 采用分光光度法分析浸出液中锰和铁的含量。 2 ． 3 实验 结 果及讨 论 本实验以浸出液中铁与锰的质量 比[ I T I F e IT I Mn ] 考察工艺条件对铁锰分离效果的影响。 2 ． 3 ． 1 两段焙烧产物的物相分析 采用 x衍射分析 法分别分析 了低温硫酸化焙 烧产物和高温焙烧产物 的水浸 出渣 ， 结果分别见 图 1 及 图 2 。 山 2 0 图 1 低温硫酸化焙烧产物 X R D图谱 图 2 高温焙烧产物水浸 出渣 X R D图谱 由图 1 可见 ， 低温硫酸化焙烧使原料中的铁 、 锰 氧化物转 化 为硫 酸盐 ， 杂质 C a生 成 难 溶 于水 的 C a S O ， 而硅以 S i O 形态存在 。由图 2可见 ， 高温焙 烧产物经水浸出后的渣 中主要成分为 C a S O 、 F e 0 及 S i O 。由此可知 ， 低温焙烧形成的硫 酸铁在高温 焙烧阶段分解为 F e 0 ， ， 而硫酸锰的分解温度为 8 5 0 ℃ ， 因此 ， 当二段焙烧温度在 6 0 0 ～ 8 0 0℃范围内时 ， 硫酸锰不分解 ， 而硫酸铁分解产生氧化物 ， 从而可在 后续的浸 出中实现铁锰的分离。 2 ． 3 ． 2硫 酸 用量及 浓度 对铁 锰分 离效果 的影 响 硫酸用量及浓度对铁锰分离效果 的影响见 图 3 及 图 4 蚓 S 廿 弭 噬 蟠 廿 楚 _j j 1． 4 1． 5 1． 6 1． 7 1． 8 硫 酸 用 量理 论 用 量 的 倍数 图 3 硫酸用量对铁锰分离效果 的影 响 40 50 60 7 0 8 0 硫 酸浓 度 ％ 图 4 硫酸浓度对铁锰分 离效 果的影响 露一E -．m 咖arl T el o m 竹 巍 鹏 自 U 土 婚 o 5 2 甘肃冶金 第 3 6卷 从图 3和图 4中的数据可看 出， 硫酸用量和浓 度对铁锰分离效果有较大的影响。增大硫酸用量有 利于铁锰分离 ， 在硫酸用量为理论用量 1 ． 8倍 时铁 锰分离效果可达到最大 ， 且锰的浸出率也达到最大 。 硫酸浓度的增大则不利于铁锰分离 ， 但硫酸浓度增 大有利于锰的浸出。 综合考虑铁锰的分离效果 和铁锰的浸 出率 ， 实 验 中采用 5 0 ％硫酸 ， 用量为理论用量的 1 ． 8 倍 。 2 ． 3 ． 3第一段 焙 烧 时 间及 温 度 对 铁 锰 分 离效 果 的 影响 第一段焙烧时间及温度对铁锰分离效果的影响 见 图 5及 图 6 。 可 ’ 妲 导 著 0 20 40 60 80 1 O0 1 2 0 第 段 焙 烧 时 m i n 图 5 第一段焙烧时间对铁锰分离效果的影响 1 80 2O0 220 240 260 280 第 段焙 烧 温度 ℃ 图 6 第一段焙烧温度对铁锰分 离效 果的影响 从 图 5和图 6可以看出第一段焙烧时间延长及 温度的升高有利于铁锰的分离。焙烧温度到达 2 0 0 ℃后浸 出液 中的锰铁质量 比随温度升高而增大的趋 势减弱 ， 这是因为温度越高反应速率越快 ， 在一定时 间里铁锰的氧化物与硫酸反应也越完全 ， 而焙烧 时 间超过 6 0 mi n后浸 出液 中的锰铁质量 比随时间延 长而增大的趋势减弱 ， 其原因在于一定 的时 间内铁 锰的氧化物与硫酸反应基本完成 ， 继续升高温度和 延长时间是没有必要 的。 综合考虑铁锰 的分离效果和铁锰的浸 出率 ， 实 验中采用第一段焙烧温度为 2 0 0℃ ， 焙烧时 间为 6 0 mi n0 2 ． 3 ． 4第二 段 焙 烧 时 间及 温 度 对 铁 锰 分 离效 果 的 影 响 第二段焙烧时问及温度对铁锰分离效果的影响 见 图 7及 图 8 。 匠 醴 ’ 号 茁 吲 蕊 ’ 姻 导 亏 j 6 0 8 0 1 0 O 1 2O 1 4 0 1 60 1 8 0 第二段 焙 烧 时 问 mi n 图 7 第二段焙烧时 间对铁锰分离效果 的影 响 60 0 6 50 7 0 0 7 5 0 8 00 第 二段 焙烧 温 度℃ 图 8 第二段焙烧温 度对铁锰 分离效果的影响 由图 7可见 ， 第二段焙烧时间达到 1 2 0 m i n时 ， 铁锰的分离效果达 到最佳。这是 因为焙烧 时问过 短 ， 分解会不完全 ， 但是焙烧时间过长可能导致硫酸 锰的分解 ， 也会 增加能耗 ， 图 7表明焙烧 时间达到 1 2 0 m i n时铁的氧化物 已基本转化为硫酸盐。 从图 8可以看 出， 铁锰的分离效果随第二段焙 烧温度升高而增大 ， 温度达到 8 0 0℃时可达到最佳 分离效果 。焙烧温度过低硫酸铁分解不完全或不分 解 ， 温度过高硫酸锰会分解 ， 对分解设备 的要求也会 增加 ， 而温度大于 7 0 0℃以后有一部分硫酸锰开始 分解 。 综合考虑铁锰的分离效果和铁锰 的浸出率 ， 实 验 中采用第 二段焙 烧温 度为 7 5 0 o C， 焙烧 时 间为 曼 6 ． c o rnl el UY；J 蹦懈 胸蚋蛳娥 i 一 噎 0 8 6 5 3 2 0 廿鬃习 第 5期 魏晓玲 ， 等 两段硫酸化焙烧法分离冶金废渣中铁锰研究 5 3 1 2 0 rai n。 2 _ 3 ． 5浸 出温度 对铁 锰分 离效果 的影 响 浸出温度对铁锰分离效果的影响见图 9 。 6 6 曲 s s 4 4 50 60 7 0 80 90 1 00 浸出温度，℃ 图 9 浸 出温度对铁锰分离效果 的影响 由图 9可知 ， 当浸出温度达到 7 0℃时铁锰可以 得到较好的分离效果。根据硫酸锰在水中的溶解度 曲线 ， 温度为 7 0℃时 1 0 0 g 水 中可溶解硫酸锰约 5 0 g ， 9 5℃时溶解度降至 4 0 g 以下， 因此实验条件下焙 烧料中硫酸锰在溶液中的浸出不受其溶解度影响。 综合考虑铁锰的分离效果和铁锰的浸 出率 ， 实验 中 采用水浸 出温度为 7 0℃。 2 ． 3 ． 6优 化 实验 综合各 因素的影 响， 确定两段焙烧分离铁锰 的 最佳条件为 分析滤液中的铁锰含量 ， 得到的结果见 表 2 表 2 优化实验结果 3 结语 1 研究了两段硫酸化焙烧一 水浸 出工艺分离冶 金废渣中的铁锰。研究表 明， 工艺过程 中硫酸浓度 及用量 、 第一段焙烧时间及温度 、 第二段焙烧时间及 温度、 浸 出温度对铁锰分离效果有较大影响。 2 在硫 酸浓度 5 0 ％、 硫酸用量 为理论量 的 1 ． 8 倍 、 第一段焙烧时间为 6 0 m i n 、 焙烧温度为 2 0 0 o C、 第二段焙烧时间为 1 2 0 ra i n 、 焙烧温度为 8 0 0 o C、 水 浸 出温度为 7 0 q C的条件下 ， 浸出液中锰铁质量比可 达 3 2 0 9， 比原废渣 中的锰铁质量 比提高近 4 4 6 0倍 ， 该工艺对渣 中的铁锰具有很好 的分离效果。 参考文献 [ 1 ] 张承帅 ， 李莉， 李厚民． 世界铁资源利用现状评述 [ J ] ． 资源与产业 ， 2 0 1 1 1 3 3 4 4 3 ． [ 2 ] 徐昱， 王建平 ， 吴景荣， 等． 我国锰资源存在的问题 及可持续开发对策[ J ] ． 矿业研究与开发， 2 0 1 3 3 ． [ 3 ] 王成彦， 王含渊 ， 江培海， 等． P 2 0 4萃取分离钴锰铁实 验研究[ J ] ． 有色金属 冶炼部分 ， 2 0 0 6 5 2 - 5 ． [ 4 ] 郑雅杰 ， 彭映林， 乐红春， 等． 酸性矿山废水中锌铁锰 的分离及回收[ J ] ． 中南大学学报 自然科学版， 2 0 1 1 ， 4 2 7 1 8 5 8 1 8 6 4 ． [ 5 ] 王艳，周春 山． 含钻废渣硫酸化焙砂浸出液中钴、 铁、 锰分离研究[ J ] ． 化学世界 ， 2 0 0 1 6 2 8 9 3 0 5 ． [ 6 ] 原金海． 富锰渣的综合利用工艺研究[ D] ． 重庆 重庆 大学 ， 2 0 0 5 ． 0 5 0 1 ． [ 7 ] 黄叔梅 ， 封雪松 ， 谢朝香． 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