楊慧芬 張 露 馬 雯 王傳龍

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院)

煤基直接還原技術不僅在鐵精礦生產海綿鐵上應用普遍，在世界鋼鐵工業(yè)飛速發(fā)展和國際社會對環(huán)境保護日益重視的今天，還被用以研究從難選鐵礦石和高鐵固體廢物回收鐵［1］。朱德慶［2］對超微細粒貧赤鐵礦、王靜靜［3］對云南混合型鐵礦石、謝樺［4］和Li Y L［5］分別對不同鐵品位的高磷鮞狀赤鐵礦、馬蘭等［6］對紅土鎳礦、J.W.Park 等［7］對熱軋污泥、楊慧芬等［8-9］對提釩尾渣和銅渣、Liu W C［10］和黃柱成［11］分別對高鐵赤泥、楊合等［12］對包頭稀土尾礦均進行了煤基直接還原—磁選選鐵試驗研究，并都取得了較為理想的指標。因此，煤基直接還原—磁選工藝為從難選鐵礦石和高鐵固體廢物中回收鐵開辟了一條重要途徑。本試驗開展從鉛渣中采用煤基直接還原—磁選工藝回收鐵的研究。

1 試驗原料

試驗所用鉛渣為云南瀾滄某鉛礦有限公司的水淬鉛渣，顆粒狀，4～0.5 mm粒級占95%左右，主要化學成分分析結果見表1。

表1 鉛渣主要化學成分分析結果 %

從表 1 可見，鉛渣中 Fe、Cu、Pb、Zn含量均很高，有綜合回收利用價值;鉛渣堿度為1.01，屬中性渣，在煤基直接還原過程中可不添加任何調渣劑。

經XRD、SEM－EDS分析，鉛渣中多數(shù)礦物呈非晶態(tài)，組成非常復雜，可鑒定出的晶態(tài)礦物包括Cu、Pb、Zn、Fe的氧化物、硫化物、硅酸鹽及其復合物、合金等，主要晶態(tài)礦物有(Cu，F(xiàn)e)S2，F(xiàn)e3S4，ZnS，F(xiàn)eO，Ca3FeSi3O12等。鉛渣中 Cu、Pb、Zn 礦物粒度多在幾微米，硫化鐵粒度可達10 μm，但常常包裹Cu、Pb、Zn硫化物。因此，采用常規(guī)選礦方法難以回收鉛渣中的 Cu、Pb、Zn、Fe。

雖然還原氣氛不利于以硫化物形式存在的鐵的還原，但由于該鉛渣硫化鐵較低，因此，用煤基直接還原—磁選工藝處理該鉛渣，對鐵的回收率影響不大。

試驗所用還原煤為瀾滄煤，工業(yè)分析結果見表2。

表2 還原煤工業(yè)分析結果 %

從表2可見，該還原煤灰分和硫含量均較低，固定碳含量較高，屬優(yōu)質還原劑。

2 試驗方法

將50 g鉛渣與一定量的－3 mm還原煤混勻，裝入坩堝，置于一定溫度的SXZ－10－13型馬弗爐中焙燒一定時間，取出后自然冷卻，磨至一定細度后用磁選管進行1粗1精弱磁選得金屬鐵粉，分析、計算鐵品位和回收率。

用XRD技術對鉛渣、最佳焙燒條件下的焙燒產物以及金屬鐵粉進行分析，用SEM－EDS技術比對鉛渣、最佳焙燒條件下焙燒產物的微觀形貌和成分。

3 試驗結果與討論

3.1 焙燒條件試驗

3.1.1 還原煤用量試驗

還原煤用量(與鉛渣的質量比)試驗的焙燒溫度為1 200℃、焙燒時間為40 min、焙燒產物磨礦細度為－74 μm占90%、弱磁粗選及精選的磁場強度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗結果見圖1。

從圖1可見，金屬鐵粉的鐵品位受還原煤用量的影響不顯著，但金屬鐵粉的鐵回收率先隨還原煤用量的增加而快速升高，當還原煤用量增至鉛渣質量的30%后趨穩(wěn)。綜合考慮，確定還原煤用量為鉛渣質量的30%。

圖1 還原煤用量對金屬鐵粉指標的影響

3.1.2 焙燒溫度試驗

焙燒溫度試驗的還原煤用量為鉛渣質量的30%、焙燒時間為40 min、焙燒產物磨礦細度為－74 μm占90%、弱磁粗選及精選的磁場強度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗結果見圖2。

圖2 焙燒溫度對金屬鐵粉指標的影響

從圖2可見，隨著焙燒溫度的升高，還原鐵粉的鐵品位和回收率均呈先快速上升后走平的趨勢。綜合考慮，確定焙燒溫度為1 200℃。

3.1.3 焙燒時間試驗

焙燒時間試驗的還原煤用量為鉛渣質量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒產物磨礦細度為－74 μm占90%、弱磁粗選及精選的磁場強度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗結果見圖3。

圖3 焙燒時間對金屬鐵粉指標的影響

從圖3可見，在試驗時間范圍內，金屬鐵粉的鐵品位和回收率先不同程度上升而后走平。綜合考慮，確定焙燒時間為40 min。

3.2 磨選條件試驗

3.2.1 磨礦細度試驗

焙燒產物磨礦細度試驗的還原煤用量為鉛渣質量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒時間為40 min、弱磁粗選及精選的磁場強度分別為180 kA/m和64 kA/m，試驗結果見圖4。

圖4 焙燒產物磨礦細度對金屬鐵粉指標的影響

從圖4可見，隨著磨細度的提高，金屬鐵粉的鐵品位上升、鐵回收率下降。綜合考慮，確定焙燒產物的磨礦細度為－74 μm占83.92%。

3.2.2 精選磁場強度試驗

精選磁場強度試驗的還原煤用量為鉛渣質量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒時間為40 min、焙燒產物的磨礦細度為－74 μm為83.92%，粗磁選磁場強度為180 kA/m，試驗結果見圖5。

圖5 精選磁場強度對金屬鐵粉指標的影響

從圖5可見，隨著弱磁精選磁場強度的提高，金屬鐵粉的鐵品位呈先緩后快的下降趨勢，而鐵回收率明顯上升。綜合考慮，確定弱磁精選的磁場強度為56 kA/m，對應的金屬鐵粉的鐵品位為93.68%、鐵回收率為77.59%。

4 鉛渣處理前后XRD、SEM分析

4.1 XRD分析

對鉛渣、最佳焙燒—磨礦—磁選條件下的焙燒產物、金屬鐵粉進行XRD分析，結果見圖6。

圖6 鉛渣、焙燒產物、金屬鐵粉的XRD圖譜

從6可見，鉛渣中晶態(tài)礦物很少，主要為非晶態(tài)礦物;焙燒產物的主要衍射峰與鉛渣的衍射峰存在顯著差異，鉛渣的主要衍射峰在焙燒產物中已不可見，而焙燒產物中出現(xiàn)了較強的、鉛渣中沒有的金屬鐵的衍射峰，說明鉛渣中的含鐵礦物經煤基直接還原轉變成了金屬鐵;焙燒產物中的金屬鐵為強磁性物質，經磨礦、磁選而富集，因而在金屬鐵粉的XRD圖譜上表現(xiàn)出強而純的金屬鐵衍射峰。

4.2 SEM－EDS分析

鉛渣中的含鐵礦物經煤基直接還原轉變成了強磁性的金屬鐵，但這些金屬鐵能否實現(xiàn)高效回收，與生成金屬鐵的顆粒粒度及與渣相的鑲嵌關系密不可分，因此，對鉛渣及焙燒產物中的微觀形貌和成分進行了SEM－EDS分析，所得SEM照片見圖7。

圖7 鉛渣及焙燒產物的SEM照片

從圖7可見，鉛渣和焙燒產物的微觀形貌差別很大。進一步的EDS分析表明，鉛渣中大量分布的深灰色物質主要為含鐵硅酸鹽礦物，粒度多在幾十微米;而零星分布的淺灰色物質主要為銅鉛鋅的氧化物、硫化物及其合金等，它們的顆粒粒度更小，多數(shù)在幾微米，因而鉛渣很難實現(xiàn)單體解離。焙燒產物中亮色區(qū)域與深色區(qū)域界線分明，集中連片，進一步的EDS分析表明，亮色區(qū)域主要為金屬鐵，深色區(qū)域主要為硅酸鹽類脈石及其包裹的銅鉛鋅礦物，分別對應圖6中的金屬鐵衍射峰和非晶態(tài)礦物衍射峰;金屬鐵顆粒較粗大，粒度多在50 μm以上，因而焙燒產物單體解離較容易，弱磁選回收效果較好。

上述XRD和SEM－EDS分析結果從微觀上論證了煤基直接還原—磁選工藝是從高鐵鉛渣中回收鐵的有效工藝。

5 結論

(1)煤基直接還原—磁選可高效回收高鐵鉛渣中的鐵。在還原煤用量為鉛渣質量的30%、焙燒溫度為1 200℃、焙燒時間為40 min、直接還原產物磨礦細度為－74 μm占83.92%、1粗1精弱磁選磁場強度分別為180、56 kA/m的條件下，可獲得鐵品位為93.68%、鐵回收率為77.59%的金屬鐵粉。

(2)XRD和SEM－EDS分析結果表明，煤基直接還原可使鉛渣中粒度細微、嵌布關系復雜、磁性弱的含鐵礦物轉變成粒度粗大、與渣界限分明、磁性強的金屬鐵，為弱磁選分離創(chuàng)造了有利條件。

［1］ 劉松利，白晨光.直接還原技術的進展與展望［J］.鋼鐵研究學報，2011，23(3):1-5.

［2］ 朱德慶，翟 勇，潘 建，等.煤基直接還原—磁選超微細貧赤鐵礦新工藝［J］.中南大學學報:自然科學版，2008，39(6):1132-1138.

［3］ 王靜靜，楊慧芬，曹志成，等.云南某難選鐵礦石煤基直接還原—弱磁選試驗［J］.金屬礦山，2012(6):50-53.

［4］ 謝 樺.高磷鮞狀赤鐵礦直接還原制鐵工藝研究［J］.現(xiàn)代化工，2012，32(6):87-90.

［5］ Li Y L，Sun T C，Zou A H，et al.Effect of coal levels during direct reduction roasting of high phosphorus oolitic hematite ore in a tunnel kiln［J］.International Journal of Mining Science and Technology，2012，22(3):323-328.

［6］ 馬 蘭，饒春紅，張 廷.低品位紅土鎳礦轉底爐煤基直接還原—磁選富集鎳鐵工藝實驗研究［J］.中國有色冶金，2011(6):70-72.

［7］ Park J W，Ahn J C，et al.Reduction characteristics of oily hot rolling mill sludge by direct reduced iron method［J］.Resources，Conservation and Recycling，2002，34:129-140.

［8］ Yang H F，Jing L L，Zhang B G.Recovery of iron from vanadium tailings with coal-based direct reduction followed by magnetic separation［J］.Journal of Hazardous Materials，2011，18(2/3):1405-1411.

［9］ 楊慧芬，王靜靜，景麗麗，等.銅渣中鐵的直接還原與磁選回收［J］. 中國有色金屬學報，2011，21(5):1-6.

［10］ Liu W C，Yang J K，Xiao B.Application of Bayer red mud for iron recovery and building material production from alumosilicate residues［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，16(1):474-478.

［11］ 黃柱成，蔡凌波，張元波，等.拜耳法高鐵赤泥直接還原制備海綿鐵的研究［J］.金屬礦山，2009(3):173-177.

［12］ 楊 合，榮 宜，薛向欣，等.包頭稀土尾礦回收鐵的直接還原研究［J］. 中國稀土學報，2012，30(4):470-475.

［13］ 李衛(wèi)鋒，楊安國，陳會成，等.液態(tài)高鉛渣直接還原試驗研究［J］. 有色金屬:冶煉部分，2011(4):10-13.

［14］ 李羅久.鉛鼓風爐渣中鉛鋅等有價金屬回收的設計和生產實踐［J］. 湖南有色金屬，2003，19(2):27-29.

［15］ 王振東，雷 霆，施 哲，等.煙化法處理鼓風爐煉鉛爐渣試驗研究［J］. 云南冶金，2007，36(1):45-47.

［16］ 冉俊銘，史文革，鄭燕瓊，等.鉛銻冶煉水淬渣綜合回收有價金屬工藝實踐［J］.有色金屬:冶煉部分，2008(5):10-12.