硫酸渣磁铁精矿球团试验研究

硫酸渣磁铁精矿球团试验研究朱德庆，1李建，潘建，徐小锋，翟勇，唐艳云，崔瑜中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙（410083）摘要：本文对某地低品位硫酸渣经还原焙烧－磁选所得磁铁精矿进行了球团试验研究，结果表明，这种磁铁精矿添加1.5%的湖泗膨润土，在造球时间10min、生球水分16.8%的条件下，得到生球落下强度5.3次/0.5m、抗压强度31.55N/个、爆裂温度435℃的良好指标；球团在预热温度900℃、预热时间10min、焙烧温度1200℃、焙烧时间15min的条件下固结，成品球团抗压强度为2871N/个；还原度为83.38%，还原膨胀指数为17.86%，低温还原粉化指数RDI-3.156.12%。研究结果证明，使用这种磁铁矿完全能生产出可供高炉使用的优质氧化球团。既扩大了钢铁企业原料来源，又综合利用了硫酸渣中的铁资源，具有重大的环保效益。关键词：硫酸渣；磁铁精矿；球团矿；综合利用；环保中图分类号：TF046文献识别码：A1.引言中国制酸行业每年产出1200万吨含铁30%～55%左右的硫酸渣。仅有不到30%硫酸渣作为水泥添加剂得到应用，大部分作为废渣堆存[1]。以铜陵化工总厂为例，年产硫酸30多万吨，自1958年以来，烧渣已将生产厂附近面积近10km2的湖泊填塞、染红、酸化、湖中早已不见鱼虾水草。由于再生资源化水平较低，长江两岸每年数万亩土地正在被烧渣浸吞，数百平方公里的湖泊被烧渣填塞、污染[2]。与此同时，我国钢铁工业对进口铁矿的依赖程度已达50%以上，并且其价格在不断上涨。2005年中国钢铁企业被迫接受世界三大矿业巨头铁矿石涨价71.5%的要求。近期结束的铁矿石价格谈判，中国钢铁企业又不得不吞下涨价19%的苦果。加之近期钢材价格处于低谷，中国钢铁企业承受着巨大的原料成本压力。因此，综合利用硫酸渣，为钢铁企业提供优质原料具有重要的现实意义。近年，科技人员在硫酸渣综合利用方面进行了大量的研究[3-26]。主要集中在以下几方面：(1)与优质铁矿石掺烧炼铁[3]，这对综合利用铁资源和降低生铁成本有一定的积极作用，但随着钢铁企业炼铁精料方针的实施，加之烧渣质量不稳定，铁低、硫高、硅高而且含有一定量有色金属，钢铁企业一般不用；(2)选矿法[4-8]，选矿是处理硫酸渣研究最广的方法。储谦慎等[4]采用重一磁选流程处理TFe53.08%、S1.22%铜陵硫酸渣,获得含铁58%～59%、含硫0.6%的铁精矿,铁回收率在85%左右。王雪松等[5]采用酸洗－磁选－反浮选工艺研究苏州硫酸厂烧渣(TFe52.15%)，可得铁精矿品位59.75%,回收率82.72%的较好指标。吴德礼等[6]研究使用王水化学浸洗TFe57.76%、S1.63%的硫酸渣，得到TFe62.04%、S0.21%的铁精矿。但张德海作者简介：朱德庆(1964－)，男，湖南安乡人，中南大学教授，博士生导师，主要从事烧结球团、非高炉炼铁、资源综合利用、钢铁厂环保等研究，联系电话[phone]，E-mail：[e-mail]。论文联系人：李建(1979－)，男，湖南长沙人，博士研究生；电话：[phone]；E-mail：[e-mail]-1-[9]认为由于硫酸渣本身特性所限，仅通过选矿很难使铁品位和分选指标同时最佳。(3)磁化焙烧－磁选法[10-12]，胡宾生[9]采用硫酸渣直接进回转窑磁化焙烧－磁选工艺，处理TFe49.43%、S1.76%、Cu0.60%的铜陵硫酸渣，得到TFe62.96%、S0.14%、Cu0.71%的铁精矿，铁回收率80%。(4)高温氯化法回收有色金属[12－13]，适合此法处理的硫酸渣较少。(5)制备铁系颜料，包括铁红[15-17]、铁黄[16,18]等。目前，利用硫酸渣生产铁红的技术已基本成熟，关键是降低生产成本[2]；(6)制备铁盐，如硫酸亚铁[19-21]、聚合硫酸铁[22-24]、三氯化铁[25]等。上述研究主要集中在处理含铁较高的硫酸渣（TFe49.43～57.76%），而对低品位硫酸渣研究较少。为了扩大钢铁行业铁原料来源，保护环境，作者对利用硫酸渣提取铁精矿进行了深入的研究，开发了硫酸渣复合球团回转窑还原焙烧－磁选专利技术，运用该技术，处理低品位硫酸渣(TFe34.66%，Cu0.18%，S2.08%)得到了含铁62.30%、含铜0.068%、含硫0.056%的铁精矿，铁回收率为74.87%。由于此磁铁精矿特性既不同于硫酸渣物理选矿所得铁精矿，也不同于一般天然磁铁精矿，因此对其进行了球团试验研究，为强化高炉冶炼提供精料。2.原料性能及研究方法2.1原料性能造球试验所用磁铁精矿为某地低品位硫酸渣还原焙烧－磁选所得，其关键技术在于复合球团中加入添加剂，经过还原焙烧－磁选工艺，在富集铁的同时，有效的脱除了铜、硫等有害元素。保证了产出的磁铁精矿具有良好的质量。磁铁精矿化学成分见表1，成球性能和粒度组成见表2。该磁铁精矿粒度细，成球性指数高，有害元素含量低，是一种制备球团的优质原料。表1铁精矿化学成分(%)TFeFeOSiO2Al2O3CaOMgOCuPS62.3022.516.152.523.120.600.0680.0230.056表2铁精矿成球性能和粒度组成毛细水迁移速度/mm·min-1最大毛细水/%最大分子水/%K-0.074mm含量/%3.3829.9614.971.0098.4球团试验所用膨润土为武汉湖泗膨润土，其化学成分和物理性能见表3和表4，该膨润土SiO2含量低、铁含量高，对球团铁品位影响较小。此外，湖泗膨润土各项物化指标达到原冶金部颁布的铁矿球团用膨润土一级标准，是一种优质的球团用粘结剂。表3膨润土的化学成分分析/%TFeSiO2Al2O3CaOMgOK2ONa2OPLOI8.5352.3418.950.702.180.710.710.13010.76-2-膨润土的物理性能吸兰量/g.(100g)-1蒙脱石含量/%胶质价/%膨胀容/%吸水率(2h)/%PH值-0.074mm/%39.589.4100.012.0250.78.3897.42.2试验研究方法称取15kg铁精矿，膨润土按一定比例外配，将铁精矿与膨润土进行人工混匀，混匀料进入圆盘造球机造球。造球机主要技术参数为：直径Ø1000mm，圆盘边高200mm，转速28r/min，倾角45°。造好的生球通过人工筛分，8－16mm的生球为合格生球。合格生球取样测定其抗压强度、落下强度和爆裂温度，剩余生球干燥后供预热、焙烧试验用。预热、焙烧试验在Ø50×600mm的管式电炉中进行，对成品球团进行抗压强度和冶金性能测定。3.试验结果与分析3.1造球试验制备粒度合适、落下强度和抗压强度高、热稳定性好的生球是球团生产的基础。本次造球试验主要研究了膨润土用量、造球时间、造球水分对生球质量的影响。膨润土用量对生球质量的影响见图1和图2，由此可见，当造球时间为10min，生球水分为16.80％－17.00%时，随膨润土配比提高，生球抗压强度和落下强度增大，当膨润土用量为1.5％，就能获得良好的生球质量，此时生球落下强度为5.3次/0.5m，抗压强度为31.55N·个-1，生球爆裂温度为435℃。随着膨润土用量的进一步增加，生球质量得到改善，但球团铁品位会明显降低，因此，适宜的膨润土添加量为1.5％。0123456781.01.52.02.5膨润土用量/％生球落下强度/次/0.5m05101520253035生球抗压强度/N/个生球落下强度生球抗压强度2002503003504004505001.01.52.02.5膨润土用量/%生球爆裂温度/℃图1膨润土用量对生球质量的影响图2膨润土用量对生球爆裂温度的影响(生球水分16.8-17.0%，造球时间10min)(生球水分16.8-17.0%，造球时间10min)在膨润土用量1.5%，造球时间10min的条件下，生球水分对生球质量和爆裂温度的影响见图3和图4，由此可知，在所试验的生球水分范围内，随着造球水分的提高，生球的落下强度明显提高，爆裂温度稍有下降。但抗压强度在生球水分低于16.8%时，随生球水分增加而升高，当生球水分高于16.8%后，生球抗压强度反而下降。因此，适宜的造球水分为-3-左右。硫酸渣磁铁精矿的造球水分高于天然磁铁精矿的造球水分，但又低于硫酸渣的造球水分。这主要有两个原因：一是其粒度非常细，比表面积大，能吸附更高的水分；二是这种磁铁矿的孔隙发达，通过还原焙烧，晶粒虽然有一定程度的长大，孔隙率比硫酸渣小，但相对天然磁铁矿而言，这种磁选所得磁铁矿孔隙还是很发达，能吸收更多的水[26]。0123456715.816.316.817.3生球水分/%生球落下强度/次/0.5m242526272829303132生球抗压强度/N/个生球落下强度生球抗压强度20025030035040045050015.816.316.817.3生球水分/%生球爆裂温度/℃图3生球水分对生球质量的影响图4生球水分对生球爆裂温度的影响(膨润土用量1.5%，造球时间10min)(膨润土用量1.5%，造球时间10min)造球时间对生球质量影响见表5。由此可见，随着造球时间的增加，生球落下强度和抗压强度稍有提高，但爆裂温度略微降低。随着造球时间延长，球团内部水分被挤压迁移到球团表面，生球塑性增加，从而导致其落下强度提高。同时，生球内部颗粒在毛细力作用下排列更加紧密，当生球接触到高温气体介质时，内部水分迅速蒸发，但难以及时扩散，所以爆裂温度有所降低。从增加设备生产率考虑，认为适宜的造球时间10min。此外，造球时间短，表明该精矿成球性好，球团生长速度快，生球产量高。表5造球时间对生球质量的影响（膨润土1.5%，生球水分16.8%）造球时间/min膨润土用量/%生球水份/%生球落下强度/次/0.5m生球抗压强度/N/个生球爆裂温度/℃101.516.805.331.55435151.516.885.532.34425201.516.705.631.464203.2焙烧试验焙烧试验主要考查预热温度、预热时间、焙烧温度和焙烧时间对球团抗压强度的影响，所得结果见表6。球团焙烧试验表明，在预热温度900℃、预热时间10min、焙烧温度1200℃、焙烧时间15min的条件下，球团的抗压强度到达2871N·个-1，其抗压强度能满足大型高炉要求。通过球团焙烧试验，证明这种磁铁矿可生产高强度的氧化球团，而且其焙烧温度相对天然磁铁矿低。此磁铁矿粒度细小，比表面积大，表面自由能高，晶格缺陷多，在高温作用下很容易导致晶格结构的改变，Fe3O4易于氧化成Fe2O3，新生的Fe2O3容易发生再结晶。-4-焙烧球试验结果预热温度/℃预热时间/min焙烧温度℃焙烧时间/min抗压强度/N·个-18502775.3900101200152872.15920.5102872.1900151200152840.411501023.512002872.1900101250152142.6101254.4152872.1900101200202243.5焙烧所得球团化学成分见表7。结果表明，通过焙烧后，磁铁矿氧化充分，球团固结强度好，有利于获得高强度的成品球团矿。球团铁品位较高、球团矿中硫、磷等有害元素含量均很低，能满足高炉对球团的要求。表7成品球团矿化学成分（%）成分TFeFeOSiO2Al2O3CaOMgOPS含量61.380.386.452.192.340.520.0200.0183.3球团矿冶金性能随着炼铁技术的发展，不仅要求球团矿具有好的冷态强度，而且要求具备良好的热态性能，因此各钢铁厂都十分重视所使用球团的冶金性能。本试验对成品球团矿的冶金性能进行了检测，结果如表8所示。