铜渣转底炉直接还原回收铁锌工艺研究_刘占华.pdf

铜渣转底炉直接还原回收铁锌工艺研究 刘占华 1 陈文亮 1 丁银贵 1 曹志成 1 吴道洪 1 余文 2 （1. 江苏省冶金设计院有限公司北京分公司， 北京 102200； 2. 江西理工大学资源与环境工程学院， 江西 赣州 341000） 摘要为解决国内某铜渣的开发利用问题， 以兰炭为还原剂、 白云石为添加剂， 采用模拟转底炉直接还原 磨矿磁选工艺， 对有价元素铁、 锌的回收及杂质硫的脱除进行了研究。结果表明 在兰炭用量为25， 白云石用 量为10， 还原温度为1 300 ℃， 还原时间为35 min情况下， 直接还原过程的锌脱除率为99.14， 可获得ZnO含量为 79.59的氧化锌粉， 金属化球团经磨矿、 磁选后， 获得了铁品位为92.79、 铁回收率为88.12、 硫含量为0.08的金 属铁粉。机理分析表明， 铜渣中的铁橄榄石、 磁铁矿相大部分已转变为金属铁相， 金属铁颗粒明显聚集长大， 最大 粒度超过100 μm， 且与脉石矿物等存在清晰平滑的界面， 有利于后续磨矿、 磁选工序得到高品位的金属铁粉。 关键词铜渣转底炉直接还原金属铁粉 中图分类号TD925.7文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-183-05 DOI10.19614/ki.jsks.201905029 Study on Recovery of Iron and Zinc from Copper Slag by Direct Reduction Process in Rotary Hearth Furnace Liu Zhanhua1Chen Wenliang1Ding Yingui1Cao Zhicheng1Wu Daohong1Yu Wen22 （1. Beijing Branch of Jiangsu Metallurgical Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 102200 ， China； 2. School of Resources and Environmental Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000 ， China） AbstractIn order to solve the problem of development and utilization of a copper slag in China，the recovery of valu- able element iron and zinc，and as well as the removal of impurity sulfur were studied by direct reduction-grinding magnetic separation process in simulated rotary hearth furnace with semi-coke as reducing agent and dolomite as additive. The results showed that the removal rate of zinc in direct reduction process was 99.14， the ZnO content was 79.59 in zinc oxide pow- der under the conditions of 25 semi-coke， 10 dolomite， 1 300 ℃ reduction temperature and 35 minutes reduction time， and the metallic iron powder with 92.79 iron grade and 0.08 sulfur content was obtained with an iron recovery of 88.12 by grinding and magnetic separation from metallized pellets. The mechanism analysis showed that most of the iron-bearing minerals in copper slag had been transed into metallic iron phases， which presented obvious aggregation and growth. The maximum metal iron particles could reach more than 100 microns，and there was a clear edge between the iron and gangue minerals，which would be propitious to obtain high-grade metallic iron powder by subsequent grinding and magnetic separa- tion processes. KeywordsCopper slag， Rotary hearth furnace， Direct reduction， Metallic iron powder 收稿日期2019-03-12 基金项目江西省自然科学基金资助项目 （编号 20171BAB216021） ， 中国博士后基金面上资助项目 （编号 2018M642591） 。 作者简介刘占华 （1986） ， 男， 首席专家， 工程师， 硕士。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 随着金属铜需求量的逐年增长， 铜渣产量几乎 与精炼铜产量同步增长。2016年我国精炼铜产量 844万t， 推算铜渣产量约2 000万t ［1］， 我国铜渣累计 堆存量达1.4亿t ［2］。这些铜渣富含Fe、 Cu、 Zn和S等 元素， 长期堆存不仅造成资源的浪费， 还会占用土 地、 污染环境 ［3-5］。以Fe元素为例， 铜渣一般含铁约 40， 远高于我国铁矿石可采品位 ［6］， 因此， 铜渣具有 较高的回收利用价值。但铜渣中的铁主要以铁橄榄 石 （Fe2SiO4） 和极微细粒磁铁矿 （Fe3O4） 形式存在， 无 法直接作为传统高炉炼铁的原料， 而采用传统选矿 工艺进行处理时， 难以实现铁矿物的有效回收 ［7-9］。 因此， 铜渣除少部分用作水泥配料外 ［10-13］， 其余大部 分目前仍未得到有效的利用。 近年来， 转底炉直接还原工艺得到了越来越广 183 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 泛的关注。全世界至少建有50座转底炉， 它们主要 被用于处理钢铁厂的含铁粉尘等固体废弃物 ［14］。铜 渣作为有色行业产生的一种典型固废， 虽与含铁锌粉 尘具有一定的相似性， 但其工业化综合利用仍存在一 定问题。为此， 国内外学者进行了大量的研究工作。 王爽等 ［15］以焦粉为还原剂， 获得了铁品位为92.96、 铁回收率为93.49的金属铁粉。曹志成等 ［2］采用转 底炉直接还原－磨矿磁选流程完成了转底炉中 试， 并在金川建成了年处理80万t铜渣转底炉示范生 产线。 本研究以国内某铜渣为原料进行了模拟转底炉 直接还原磨矿磁选试验， 考察了兰炭用量、 白云 石用量、 模拟转底炉高温区还原温度 （以下简称 “还 原温度” ） 和炉内还原时间 （以下简称 “还原时间” ） 等 对金属铁粉铁品位、 铁回收率和硫含量的影响， 同时 关注了模拟转底炉直接还原过程对锌回收的影响， 从而为转底炉直接还原处理铜渣工艺的工程化和生 产优化提供参考。 1试验原料、 装置和方法 1. 1试验原料 （1） 试验所用铜渣为国内某铜冶炼渣经缓冷 细磨浮选回收铜后的尾矿 （以下简称 “铜渣” ） ， 其 化学成分见表1， XRD图谱见图1， 粒度分析结果见表 2。 由表 1 可知， 铜渣铁品位为 39.85、 锌品位为 2.38、 硫含量为0.29。 由图1可知， 铜渣的主要含铁矿物为铁橄榄石 （Fe2SiO4） 及少量磁铁矿 （Fe3O4） 。 由表2可知， 铜渣粒度较细， -0.045 mm粒级产率 达69.34。 （2） 还原剂为某兰炭， 工业分析结果见表3。 由表3可知， 兰炭的固定碳含量为71.38， 硫含 量较高， 为0.42。 （3） 添加剂白云石化学成分分析见表4。 由表4可知， 白云石CaO含量为29.85、 MgO含 量为19.64。 （4） 粘结剂膨润土主要化学成分分析见表5。 1. 2试验设备及装置 试验设备及装置主要有电子天平 （精度为0.01 g） 、 EIRCH R05T型强力混料机、ϕ1.5 m造球盘、 YH- 4BS型远红外线恒温干燥箱、 KLX-167型模拟转底炉 顶部辐射加热还原炉、 RK/BM型三辊四筒智能棒磨 机、 CXG-08SD型磁选管、 RK/ZL-ϕ260/ϕ200型多功 能真空过滤机、 ZEISS EVO18型光学显微镜、 耐火盘、 标准筛等。 1. 3试验方法 首先将铜渣、 兰炭、 白云石和膨润土按一定的比 例混匀， 造球、 烘干后平铺在耐火盘上， 置于预设好温 度和时间的还原炉中， 并通过设置在还原炉侧壁烟道 口的收尘装置收尘 （回收锌） ， 将金属化球团破碎至 2～0 mm， 然后棒磨1 （-0.074 mm占85） 弱磁粗选 （143.31 kA/m） 棒磨2 （-0.045 mm占60） 弱磁精 选 （95.54 kA/m） ， 得金属铁粉。试验流程见图2。 2试验结果与讨论 2. 1兰炭用量对金属铁粉指标的影响 探索试验表明， 当还原剂用量过低时， 铜渣中的 铁矿物不能被充分还原成金属铁， 导致铁回收率较 低； 当还原剂用量过高时， 会阻碍还原析出金属铁相 的聚集、 长大， 增大磁选回收的难度 ［4］。因此， 首先进 184 ChaoXing 刘占华等 铜渣转底炉直接还原回收铁锌工艺研究2019年第5期 行兰炭用量试验。兰炭用量试验固定白云石的用量 （与铜渣的质量比， 下同） 为8， 还原温度为1 280 ℃， 还原时间为35 min， 试验结果见图3。 由图3可知， 兰炭用量由18提高至28， 金属 铁粉铁品位由 92.91降至 90.92、 铁回收率由 83.85升至88.02、 硫含量升高； 兰炭用量超过25 后， 金属铁粉指标明显变差。因此， 确定后续试验的 兰炭用量为25。 2. 2白云石用量对金属铁粉指标的影响 白云石用量试验固定兰炭用量为25， 还原温度 为1 280 ℃， 还原时间为35 min， 试验结果见图4。 由图4可知， 随着白云石用量的增加， 金属铁粉 铁品位下降， 铁回收率先微幅上升后明显下降， 硫含 量下降。综合考虑， 确定白云石用量为10。 2. 3还原温度对金属铁粉指标的影响 还原温度试验固定兰炭用量为25， 白云石用量 为10， 还原时间为35 min， 试验结果见图5。 由图5可知， 当还原温度升高至1 300 ℃时， 金属 铁粉铁回收率提高到88.09， 硫含量下降至0.08； 继续提高还原温度， 金属铁粉铁品位和铁回收率均 明显下降， 这主要与金属化球团出现明显的粉化和 二次氧化有关。因此， 确定还原温度为1 300 ℃。 2. 4还原时间对金属铁粉指标的影响 还原时间试验固定兰炭用量为25， 白云石用量 为10， 还原温度为1 300 ℃， 试验结果见图6。确定 条件下金属化球团的微观相貌见图7， 金属铁粉主要 化学成分分析结果见表6， 从还原炉侧壁烟道口收集 的氧化锌粉尘主要化学成分分析结果见表7。 185 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ 金属矿山2019年第5期总第515期 由图6可知， 延长还原时间， 金属铁粉铁品位和 铁回收率均先升后降， 硫含量呈先快后慢的下降趋 势。综合考虑， 确定还原时间为35 min， 对应的铁品 位为92.79、 铁回收率为88.12、 硫含量为0.08。 由图7可看出， 铜渣中的铁橄榄石、 磁铁矿相大 部分已转变为金属铁相， 金属铁颗粒明显聚集并长 大， 最大粒度超过100 μm， 且与脉石矿物存在清晰、 平滑的接触面， 有利于通过磨矿实现铁颗粒与脉石 的分离， 为磁选分离创造良好的条件。 由表6可知， 金属铁粉铁含量高达92.79， 且硫 含量低至0.08， 可作为炼钢辅料使用。 由表7可知， 氧化锌粉纯度较高， 杂质含量较低， ZnO含量79.59， 可作为副产品销售给锌冶炼厂。 进一步分析表明， 直接还原过程中锌的脱除率 达99.14。 2. 5机理分析 在直接还原过程中， 铜渣与兰炭、 白云石等发生 了反应， 且随着白云石的分解， CaO和MgO的助熔作 用、 C和CO的还原作用得到充分发挥， 铜渣中的含铁 矿物逐渐生成金属铁， 主要反应如下 ［16］ CaMg （CO3）2 CaO （s） MgO （s） 2CO2（g） ↑ Fe3O4（s） C （s） 3FeO （s） CO （g） ↑ Fe3O4（s） 2C （s） 3Fe （s） 2CO2（g） ↑ Fe3O4（s） CO （g） 3FeO （s） CO2（g） ↑ Fe3O4（s） 4CO （g） 3Fe （s） 4CO2（g） ↑ 2FeO （s） C （s） 2Fe （s） CO2（g） ↑ FeO （s） CO （g） Fe （s） CO2（g） ↑ Fe2SiO4（s） 2CaO （s） 2C （s） 2Fe （s） Ca2SiO4（s） 2CO （g） ↑ Fe2SiO4（s） 2MgO （s） 2C （s） 2Fe （s） Mg2SiO4（s） 2CO （g） ↑ Fe2SiO4（s） 2CaO （s） 2CO （g） 2Fe （s） Ca2SiO4（s） 2CO2（g） ↑ Fe2SiO4（s） 2MgO （s） 2CO （g） 2Fe （s） Mg2SiO4（s） 2CO2（g） ↑ 此外， 铜渣中的含锌矿物则经还原、 挥发、 再氧 化， 收尘后得到富含ZnO的氧化锌粉 ［2］； 杂质硫则在 CaO和MgO等的作用下， 大部分进入脉石矿物中， 并 经由后续磨矿、 磁选工序进入尾矿中。 3结论 （1）试验用铜渣铁品位为 39.85、 锌品位为 2.38、 杂质硫含量为0.29， 主要含铁矿物为铁橄榄 石 （Fe2SiO4） ， 磁铁矿 （Fe3O4） 少量。 （2） 采用模拟转底炉直接还原磨矿磁选工 艺处理铜渣， 在兰炭用量为25， 白云石用量为10， 还原温度为1 300 ℃， 还原时间为35 min情况下， 直 接还原过程的锌脱除率为99.14， 可获得ZnO含量 为79.59的氧化锌粉， 金属化球团经磨矿、 磁选后， 获得了铁品位为92.79、 铁回收率为88.12、 硫含量 为0.08的金属铁粉。 （3） 在转底炉直接还原处理铜渣工艺中， 兰炭作 为还原剂、 白云石作为添加剂的可行性得到了验证， 可为工程化提供参考。 （4） 机理分析表明， 铜渣中的铁橄榄石、 磁铁矿 相大部分已转变为金属铁相， 金属铁颗粒明显聚集 长大， 最大粒度超过100 μm， 且与脉石矿物等存在清 晰、 平滑的界面， 有利于后续磨矿、 磁选工序得到高 品位的金属铁粉。 参 考 文 献 赖祥生， 黄红军.铜渣资源化利用技术现状 ［J］ .金属矿山， 2017 （11） 205-208. 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