高炉灰与赤泥共还原—磁选回收铁试验研究_崔石岩.pdf

收稿日期2019-07-16 基金项目山东省自然科学基金博士基金项目 （编号 ZR2018BEE015） ， 国家自然科学基金青年科学基金项目 （编号 51804188） 。 作者简介崔石岩 （1987） ， 男， 硕士研究生。通讯作者高恩霞 （1991） ， 女， 讲师。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 高炉灰与赤泥共还原磁选回收铁试验研究 崔石岩 1 张明慧 1 孙永峰 1 蒋曼 1 高恩霞 1 卢中博 21 （1. 山东理工大学资源与环境工程学院， 山东 淄博 255000； 2. 山东天承矿业有限公司， 山东 莱州 261400） 摘要高炉灰与赤泥均为含铁的工业固体废弃物， 直接堆存不仅严重污染环境， 还造成资源浪费。为了综 合回收利用高炉灰和赤泥， 以拜耳法赤泥为原料， 分别添加山东高炉灰 （SG） 、 河北高炉灰 （HG） 和甘肃高炉灰 （GG） 为还原剂， 验证高炉灰与赤泥共还原磁选回收铁工艺的可行性。结果表明， 高炉灰与拜耳法赤泥共还原磁选 工艺能够实现铁资源的回收， 添加不同种类的高炉灰得到的还原铁指标差异较大， SG为还原剂时得到的还原铁指 标较好， HG次之， GG最差； 还原温度、 还原时间及磨矿细度均对还原铁指标有影响， 添加30的SG为还原剂， 在还 原温度 1 200℃、 还原时间 60 min、 磨矿细度为-74 μm 占 62 的条件下进行高炉灰与赤泥共还原磁选回收铁试 验， 最终获得铁品位92.05、 铁回收率为92.14的直接还原铁。产品的铁品位及铁回收率均大于90， 指标较优， 试验结果可以为高炉灰与赤泥的综合利用提供参考。 关键词高炉灰拜耳法赤泥共还原磁选直接还原铁 中图分类号TD951文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-102-06 DOI10.19614/ki.jsks.202003015 Research on Recovery of Iron from Blast-furnace Ash and Bayer Red Mud by Co-reduction followed by Magnetic Separation Cui Shiyan1Zhang Minghui1Sun Yongfeng1Jiang Man1Gao Enxia1Lu Zhongbo 22 （1. School of Resources and Environmental Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255000， China； 2. Shandong Tiancheng Mining Co.， Ltd.， Laizhou 261400， China） AbstractBlast furnace ash （BFA）and red mud，as industrial solid waste with iron contained，not only seriously pol- lute the environment，but also cause the waste of resources. In the condition of Bayer red mud （BRM）as the raw material and BFA from different regions as reducing agent， the feasibility of recovery of metal iron from BFA and BRM was studied us- ing co-reduction followed by magnetic separation. The results showed that iron resources could be recovered from BFA and BRM using co-reduction followed by magnetic separation. However，different types of BFA had different effects in the co-re- duction followed by magnetic separation process，which lead to great differences in the inds of direct reduced iron （DRI） . The inds of DRI was the best when SG （the BFA obtained from Shandong Province）was used as reducing agent， followed by HG （the BFA obtained from Hebei Province）and GG （the BFA obtained from Gansu Province） . In addition，co-reduction temperature，co-reduction time and grinding fineness also had effects on the inds of DRI. Under the conditions of SG dos- age of 30，co-reduction temperature at 1 200 C，co-reduction time for 60 min，grinding fineness -74 μm accounting for 62，the DRI with iron grade of 92.05 and iron recovery rate of 92.14 could be obtained. Co-reduction followed by mag- netic separation process could provide DRI with better inds that both iron grade and iron recovery rate were more than 90， thus provides a reference for comprehensive utilization of BFA and BRM. KeywordsBlast-furnace ash，Red mud by Bayer process，Co-reduction followed by magnetic separation，Direct re- duced iron Series No. 525 March 2020 由高炉煤气带出的微细粉尘， 经除尘装置干法 除尘后， 得到的工业固体废弃物称为高炉灰。高炉 灰中含有多种有害元素， 直接堆存不仅占用土地， 还 使土壤变质， 造成严重的环境污染。据统计， 每生产 102 ChaoXing 1 t 的铁会产生约 20 kg 高炉灰， 按照我国年金属铁 产出量300～450万t计算， 我国高炉灰的年产出量在 1 500万t左右， 固定碳产出量150～450万t ［1-2］。但目 前对该类资源的利用较少， 资源严重浪费。在此背 景下， 如何合理高效地利用高炉灰成为新的研究方 向。 赤泥是氧化铝生产过程中产生的工业固体废弃 物， 由于缺乏成熟的综合利用技术， 目前大多输送堆 场， 筑坝堆存， 严重污染了环境。此外， 赤泥中含有 大量有价金属， 尤其是拜耳法赤泥中铁含量较高， 铁 品位可达25～30 ［3-4］。研究表明， 直接还原磁选 工艺可以实现赤泥中铁的回收， 得到铁品位91.34， 回收率88.36的粉末铁 ［5］， 但该工艺使用煤做还原 剂， 成本较高。因此， 寻找价格低廉的还原剂对促进 赤泥直接还原磁选工艺的发展具有重要的意义。 研究表明， 高炉灰可以作为铁矿石共还原磁 选工艺的还原剂 ［6-7］， 该工艺能够实现固体废物高炉 灰的资源化利用， 即利用碳资源的同时回收其中铁 资源， 降低了冶炼成本， 还减轻了环境污染。但目前 高炉灰作为共还原磁选工艺的还原剂应用于赤泥 这种含铁较高的固体废物的研究几乎没有。因此， 本试验以拜耳法赤泥为原料， 添加不同种类高炉灰 为还原剂， 验证高炉灰与赤泥共还原磁选回收铁 工艺的可行性， 并确定最佳的工艺条件， 以期获得铁 品位大于90、 铁回收率大于90的直接还原铁， 为 高炉灰与赤泥的综合利用提供参考。 1试验原料、 设备及方法 1. 1高炉灰 试验用高炉灰取自3个不同地区的钢铁企业， 分 别为山东高炉灰 （SG） 、 河北高炉灰 （HG） 和甘肃高炉 灰 （GG） ， 试样XRD图谱见图1， 工业性质分析结果见 表1。 由图 1 可知， 不同产地的高炉灰矿物组成有差 异。SG和HG中的主要含铁矿物为赤铁矿和磁铁矿， 而GG中主要含铁矿物则为赤铁矿和磁赤铁矿。3种 高炉灰中的硅均以煅烧高岭土形式存在， 但其他矿 物组成的差别较大。SG和GG中含有斜纤蛇纹石， 而 HG中含有岩盐、 方解石和钾盐。由此可以看出， 3种 高炉灰中矿物种类差异较大， 在共还原过程中可能 会有不同的影响。 由表1可知， 3种高炉灰中的铁均具有回收价值， SG中Fe2O3含量最高， 为46.97； 高炉灰中SiO2含量 均较高， 在共还原过程中易生成低熔点的硅酸盐矿 物， 可促进铁颗粒的聚集长大， 有利于回收金属铁 ［8］ ； HG中Al2O3含量较高， 可能导致体系熔点升高 ［9］； HG 和GG中CaO含量较高， 可能恶化铁的生长条件， 导 致粉末铁指标变差 ［10-11］ 。 从表1还可以看到， 试验所用高炉灰中均含有一 定量的固定碳， 可以作为还原剂用于高炉灰与赤泥 共还原磁选提铁工艺。但3种高炉灰工业性质差 异较大， SG和HG中固定碳的含量较高， GG中挥发分 含量较高， 而HG中灰分较SG、 GG低， 可能在共还原 时产生不同的影响 ［12-13］ 。因此， 有必要对3种来自不 同地区的高炉灰进行研究。 1. 2赤泥 试验所用赤泥由中国铝业山东分公司经拜耳法 生产 （以下称为赤泥） ， XRD图谱见图2， 主要化学成 分分析结果见表2。 由图2可知， 赤泥中主要矿物有赤铁矿、 石英、 方 解石、 三水铝石和锐钛矿。 2020年第3期崔石岩等 高炉灰与赤泥共还原磁选回收铁试验研究 103 ChaoXing 由表2可知， 赤泥中Fe2O3含量为31.98， 具有回 收价值； 赤泥中Al2O3和SiO2和CaO含量较高， 分别为 18.75、 16.22 和 15.28， P、 S含量则较低， 分别为 0.09和0.20。 1. 3试验设备 试验所用设备主要有SX-10-13马弗炉、 RK/BK 三辊四筒智能棒磨机和CXG-99磁选管。 1. 4试验方法 将高炉灰与赤泥按一定比例 （高炉灰用量为其 占赤泥的质量分数） 混匀后装入石墨坩埚， 再在表面 覆盖一定质量的同种高炉灰， 以隔绝空气， 营造良好 的还原气氛。待马弗炉内温度升至指定温度后， 将 石墨坩埚置于炉中进行共还原， 达到指定还原时间 后取出， 焙烧产物自然冷却后进行磨矿、 磁选， 所得 磁选产品即为直接还原铁 （以下称还原铁） 。 2试验结果与讨论 2. 1高炉灰种类及用量对还原铁指标的影响 在铁矿物直接还原过程中， 还原温度、 还原时 间等均会影响还原铁指标， 在一定范围内还原温度 越高、 还原时间越长， 越有利于碳热还原的进行和 金属铁颗粒的长大， 得到的还原铁指标越好。研究 表明， 铁矿石直接还原过程中发生的主要化学反应 在 1 200 ℃以下均能发生， 反应时间也集中在60 min 内 ［14-17］。因此， 本文在还原温度1 200 ℃、 还原时间 60 min条件下进行高炉灰种类及用量对还原铁指标 的影响研究， 固定磨矿细度为-74 μm占64， 弱磁选 磁场强度为0.1 T， 试验结果见图3。 由图 3 可知， 在 SG、 HG 和 GG 的试验用量范围 内， 采用高炉灰与赤泥共还原磁选工艺回收铁， 均 可得到铁品位和铁回收率均大于70的还原铁。由 此可知， 高炉灰可以作为高炉灰与赤泥共还原磁 选工艺的还原剂， 用于回收高炉灰与赤泥中的铁资 源。从图3还可以看到， 不同种类的高炉灰对还原铁 指标的影响不同。图3 （a） 中， 随着SG用量的增加， 还原铁中铁品位先增加后降低， 铁回收率逐渐增加 后基本不变。当 SG 用量为 30 时， 还原铁指标较 好， 此时铁品位 91.57、 铁回收率 91.02。图 3 （b） 中， 随着HG用量的增加， 还原铁中铁品位先增加后 降低， 铁回收率逐渐增加。当HG用量为30时， 还 原 铁 指 标 较 好 ， 此 时 铁 品 位 82.85、 铁 回 收 率 80.18。图3 （c） 中， 随着GG用量的增加， 还原铁中 铁品位逐渐降低， 铁回收率逐渐增加， 当GG用量为 10时， 还原铁中铁品位最高， 但也仅为75.27， 此 时铁回收率为78.37。 表3为不同种类高炉灰的最佳用量及所得还原 铁指标。 由表3可知， 不同种类的高炉灰为还原剂时取得 最佳还原铁指标的用量不同， 且得到的还原铁指标 差异较大。SG和HG的最佳用量均为30， 但以HG 金属矿山2020年第3期总第525期 104 ChaoXing 为还原剂时， 得到的还原铁中铁品位和铁回收率均 低于SG； GG的最佳用量为10， 但GG为还原剂时得 到的还原铁中铁品位和铁回收率均低于80。 综上可知， 高炉灰与拜耳法赤泥共还原磁选工 艺能够实现铁资源的回收， 但是由于高炉灰的性质不 同， 最终得到的还原铁指标有所差异， 其中SG为还原 剂时得到的还原铁指标最好， HG次之， GG最差。考 虑到SG的效果较好， 且在未优化的工艺条件下已经 能够实现铁品位和铁回收率均大于90， 因此， 下文 将以SG为还原剂， 考察还原温度、 还原时间及磨矿细 度对还原铁指标的影响， 确定最佳工艺条件。 2. 2还原温度对还原铁指标的影响 研究表明， 在直接还原过程中， 还原温度对还 原铁指标的影响较大。在一定范围内， 还原温度越 高， 还原铁指标越好 ［14］。但还原温度过高， 焙烧体 系中易产生较多的液相， 恶化直接还原条件， 为确定 高炉灰与赤泥共还原过程中温度的影响及最佳的还 原温度， 固定还原剂SG用量30， 还原时间60 min， 磨矿细度为-74 μm 占 64， 弱磁选磁场强度为 0.1 T， 进行了还原温度对还原铁指标的影响试验， 结果 见图4。 由图4可知， 在一定范围内， 温度越高， 共还原效 果越好， 还原铁中铁品位和回收率均上升。当还原 温度由1 100 ℃升高到1 200 ℃时， 还原铁中铁品位 由76.31增加到91.57， 铁回收率由82.15增加到 91.02。继续升高温度， 还原铁中铁品位和回收率 均下降， 这可能是由于还原体系在1 250 ℃时产生了 较多液相， 阻碍了铁氧化物的还原和铁颗粒的聚集 长大， 导致还原铁指标变差。因此， 确定最佳的还原 温度为1 200 ℃。 2. 3还原时间对还原铁指标的影响 在直接还原过程中， 还原时间对还原铁指标的 影响也较大 ［18］。为研究高炉灰与赤泥共还原过程中 时间的影响并确定最佳的还原时间， 固定还原剂SG 用量30， 还原温度1 200 ℃， 磨矿细度为-74 μm占 64， 弱磁选磁场强度为0.1 T， 进行了还原时间对还 原铁指标的影响试验， 结果见图5。 由图5可知， 在试验时间范围内， 随着还原时间 的延长， 还原铁中铁品位和铁回收率逐渐增加后基 本不变。还原时间为20 min时， 还原铁中铁品位仅 为57.80， 铁回收率仅为79.02； 当延长还原时间至 60 min 时， 共还原效果较好， 还原铁中铁品位达到 91.57， 铁回收率达到91.02； 继续延长还原时间， 铁品位和铁回收率基本不变。因此， 确定还原时间 为60 min。 2. 4磨矿细度对还原铁指标的影响 为研究磨矿细度对还原铁指标的影响， 固定还 原剂 SG 用量 30， 还原温度 1 200 ℃， 还原时间 60 min， 弱磁选磁场强度为0.1 T， 进行了磨矿细度对还 原铁指标的影响试验， 结果见表4。 由表4可知， 在一定范围内， 随磨矿细度的增加， 还原铁中铁品位先增加后基本不变， 但铁回收率逐 渐降低。磨矿细度 （-74 μm含量） 由47提高至62 2020年第3期崔石岩等 高炉灰与赤泥共还原磁选回收铁试验研究 105 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ 过程中， 铁品位由 86.61 提高至 92.05， 铁回收率 由93.41降低至92.14； 继续增加磨矿细度至68， 铁品位保持在90以上， 但铁回收率降价至90以 下。综合考虑， 确定磨矿细度为-74 μm含量62为 最佳的磨矿细度， 此时还原铁中铁品位为92.05， 铁 回收率为92.14。 2. 5产品检查 为确定高炉灰与赤泥共还原磁选工艺所得产 品的物相组成， 对最佳工艺条件下的磁选产品进行 了XRD分析， 结果见图7。 由图6可知， 上述条件下所得产品中的主要铁矿 物为金属铁， 无其他含铁矿物， 纯度较高。结合上文 可知， 高炉灰与拜耳法赤泥共还原磁选工艺回收 金属铁是可行的， 且在最佳的共还原磁选条件下 所得还原铁的铁品位和铁回收率分别为 92.05 和 92.14， 指标较好， 可以为高炉灰和赤泥的综合利用 提供参考。 3结论 （1） 高炉灰可以作为高炉灰与拜耳法赤泥共还 原磁选工艺的还原剂， 用于回收赤泥和高炉灰中 的铁资源。 （2） 不同种类的高炉灰在高炉灰与赤泥共还原 磁选工艺中的影响不同， 其最佳用量及得到的还 原铁指标差异较大。在试验范围内， SG为还原剂时 得到的还原铁指标较好， HG次之， GG最差。 （3） 还原温度、 还原时间及磨矿细度均对还原铁 指标有影响， 添加30的SG为还原剂， 在还原温度 1 200℃、 还原时间 60 min、 磨矿细度-74 μm 占 62 的条件下进行高炉灰与赤泥共还原磁选回收铁试 验， 最终可获得铁品位 92.05、 铁回收率为 92.14 的直接还原铁。 参 考 文 献 曹允业， 孙体昌， 寇珏， 等.高炉灰与高磷鲕状赤铁矿共还原 回收铁的研究 ［J］ .金属矿山， 2015 （10） 67-70. Cao Yunye， Sun Tichang， Kou Jue， et al.Research on recovery of iron from blast furnace dust and high phosphorus oolitic hematite by coreduction roasting ［J］ .Metal Mine， 2015 （10） 67-70. 杨春善， 任明欣.日照钢铁固废尘泥处理实践 ［J］ .钢铁， 2019， 54 （4） 83-91， 98. Yang Chunshan， Ren Mingxin.Practice of waste dust mud treatment in Rizhao Steel ［J］ .Iron Steel， 2019， 54 （4） 83-91， 98. 李彬， 张宝华， 宁平， 等.赤泥资源化利用和安全处理现状 与展望 ［J］ .化工进展， 2018， 37 （2） 714-723. Li Bin， Zhang Baohua， Ning Ping， et al.Present status and prospect of red mud resource utilization and safety treatment［J］ .Chemical Industry and Engineering Progress， 2018， 37 （2） 714-723. 欧玉静， 赵丹， 李小龙， 等.铝灰和赤泥的应用研究现状 ［J］ .化 工科技， 2019， 27 （5） 66-70. Ou Yujing， Zhao Dan， Li Xiaolong， et al.Research status of utiliza- tion of aluminum ash and red mud［J］ .Science Technology in Chemical Industry， 2019， 27 （5） 66-70. 李国兴， 王化军， 胡文韬， 等.拜耳法赤泥直接还原磁选试验 ［J］ .现代矿业， 2013 （9） 31-34. Li Guoxing， Wang Huajun， Hu Wentao， et al.Tests of direct reduc- tionmagnetic separation on a Bayer red mud ［J］ .Modern Mining， 2013 （9） 31-34. 胡天洋， 孙体昌， 寇珏， 等.高炉灰为还原剂对海滨钛磁铁矿 直接还原焙烧磁选钛铁分离的影响 ［J］ .工程科学学报， 2016， 38 （5） 609-616. Hu Tianyang， Sun Tichang， Kou Jue， et al.Effect of blast furnace dust as a reductant on direct reduction roasting for separating titani- um and iron in seaside titanomagnetite ［J］ .Chinese Journal of Engi- neering， 2016， 38 （5） 609-616. Hu Tianyang， Sun Tichang， Kou Jue， et al.Effects and mechanisms of fluorite on the co-reduction of blast furnace dust and seaside tit- anomagnetite［J］ .International Journal of Minerals Metallurgy and Materials， 2017 （11） 3-12. Jiang Man， Sun Tichang， Liu Zhiguo， et al.Mechanism of sodium sulfate in promoting selective reduction of nickel laterite ore during reduction roasting process ［J］ .International Journal of Mineral Pro- cessing， 2013， 12332-38. 刘牡丹， 姜涛， 李光辉， 等.硫酸钠和碳酸钠对高铝铁矿中铝 铁分离作用的差异 ［J］ .中国有色金属学报， 2014， 24 （8） 2129- 2136. Liu Mudan，Jiang Tao，Li Guanghui，et al. Difference between Na2SO4and Na2CO3on Al-Fe separation of high aluminum iron ores ［J］ .The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2014， 24 （8） 2129- 2136. Yu Wen， Sun Tichang， Kou Jue， et al.The function of Ca （OH） 2and Na2CO3as additive on the reduction of high-phosphorus oolitic he- matite-coal mixed pellets ［J］ .ISIJ International， 2013， 53 （3） 427- 433. 刘凤霞， 李国栋.铜尾渣直接还原焙烧磁选回收铁的试验 ［J］ . 矿山机械， 2019， 47 （11） 45-48. Liu Fengxia， Li Guodong.Study on recovering iron by direct reduc- tion roastingmagnetic separation of copper tail slag ［J］ .Mining Processing Equipment， 2019， 47 （11） 45-48. 金属矿山2020年第3期总第525期 106 ChaoXing ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ 曹允业， 孙体昌， 高恩霞， 等.煤的挥发分对高磷鲕状赤铁矿直 接还原焙烧的影响 ［J］ . 东北大学学报 自然科学版， 2014， 35 （9） 1346-1349. Cao Yunye， Sun Tichang， Gao Enxia， et al.Effects of volatile compo- nent in coal on high phosphorus oolitic hematite in direct reduction roasting process ［J］ .Journal of Northeastern University Natural Sci- ence Edition， 2014， 35 （9） 1346-1349. 徐承焱， 孙体昌， 寇珏， 等.还原剂组分对高磷鲕状赤铁矿直 接还原效果的影响 ［J］ .金属矿山， 2014 （12） 61-65. Xu Chengyan， Sun Tichang， Kou Jue， et al.Effects of components of reductants on direct reduction of high-phosphorus oolitic hematite ［J］ .Metal Mine， 2014 （12） 61-65. 张浩， 王广， 张诗瀚， 等.铜渣直接还原动力学 ［J］ .有色金属 科学与工程， 2019， 10 （1） 28-33. Zhang Hao， Wang Guang， Zhang Shihan， et al.Direct reduction ki- netics of copper slag ［J］ .Nonferrous Metals Science and Engineer- ing， 2019， 10 （1） 28-33. 彭宁， 邱朝阳.南非钒钛磁铁矿流化床直接还原实验研究 ［J］ . 矿冶工程， 2018， 38 （2） 95-98. Peng Ning， Qiu Chaoyang.Experimental research on direct reduc- tion of vanadium-bearing titanomagnetite from south Africa in fluid- ized bed ［J］ .Mining and Metallurgical Engineering， 2018， 38 （2） 95-98. Hu Tianyang， Sun Tichang， Kou Jue， et al.Effects and mechanisms of fluorite on the co-reduction of blast furnace dust and seaside tit- anomagnetite［J］ .International Journal of Minerals Metallurgy and Materials， 2017， 24 （11） 1201-1210. 陈伟鹏， 张天睿， 李光卫， 等.添加剂对褐铁矿煤基直接还原强 化作用研究 ［J］ .矿冶工程， 2018， 38 （1） 76-80. Chen Weipeng， Zhang Tianrui， Li Guangwei， et al.Strengthening ef- fects of different additives on coal-based direct reduction of limonite ［J］ .Mining and Metallurgical Engineering， 2018， 38 （1） 76-80. Geng Chao， Sun Tichang， MaYouwen， et al.Effects of embedding di- rect reduction followed by magnetic separation on recovering titani- um and iron of beach titanomagnetite concentrate［J］ . Journal of Iron and Steel Research， International， 2017， 24 （2） 156-164. 2020年第3期崔石岩等 高炉灰与赤泥共还原磁选回收铁试验研究 107 ChaoXing