高 亮,尹福興,裴增文,高起方

(云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司)

云南某黃金礦山從含金硫化磁鐵礦、褐鐵礦和硫酸渣中氰化提取金、銀,產(chǎn)出含鐵氰化尾渣約120萬t/a。這些氰化尾渣因鐵含量低、有害雜質(zhì)元素含量高、冶金性能差等原因而未能得到有效利用,僅硫化磁鐵礦氰化尾渣可低價(jià)出售給鋼鐵企業(yè)配礦使用,大量褐鐵礦、硫酸渣氰化尾渣只能就地堆存,一方面環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)壓力巨大,另一方面造成大量含鐵資源浪費(fèi)。目前,褐鐵礦和硫酸渣氰化尾渣可作為燒結(jié)配料使用,但其配加后會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)礦產(chǎn)品質(zhì)量下降[1-4],難以大量開發(fā)利用。褐鐵礦和硫酸渣氰化尾渣燒制球團(tuán)礦的特點(diǎn)是生球強(qiáng)度低、干燥過程中易爆裂,成品球團(tuán)礦鐵品位低及性能、質(zhì)量差等[4-5],這兩種物料的球團(tuán)生產(chǎn)應(yīng)用尚欠缺研究。本文以云南某黃金礦山3種復(fù)雜含鐵氰化尾渣為對(duì)象,研究其配礦造球性能,在此基礎(chǔ)上開展帶式焙燒機(jī)球團(tuán)工藝的管爐焙燒試驗(yàn),以期找到該類廢棄資源無害化和高值化綜合利用的有效方法。

1 試驗(yàn)原料

1.1 化學(xué)成分

試驗(yàn)原料為含金硫化磁鐵礦、褐鐵礦和硫酸渣氰化提取金、銀后的氰化尾渣,其化學(xué)成分如表1所示。由表1可知:原料含鐵均較低,且對(duì)鋼鐵工業(yè)來說,有害組分SiO2、K2O、Na2O、S及重金屬Pb、Zn、Cu等含量偏高,屬于多金屬?gòu)?fù)雜難利用尾渣、棄渣,不利于焙燒球團(tuán)礦的質(zhì)量,尤其褐鐵礦氰化尾渣含鐵僅48.46 %,只能少量配礦使用。

表1 原料化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.2 物理性能

原料物理性能如表2所示。由表2可知:3種原料的比表面積較大,均超過1 500 cm2/g,硫化磁鐵礦和硫酸渣氰化尾渣甚至達(dá)到3 261 cm2/g和4 363 cm2/g,這對(duì)于生球成核長(zhǎng)大較為有利。硫酸渣氰化尾渣最大毛細(xì)水、最大分子水和孔隙率均比天然礦高很多,易造成生球水分偏高。此外,3種原料的靜態(tài)成球性指數(shù)較高,均不低于0.70,有利于后續(xù)改善成球性能。

表2 原料物理性能

1.3 粒度組成

原料粒度組成如表3所示。由表3可知:3種原料粒度均較細(xì),-0.074 mm粒級(jí)占比超過70 %。其中,硫化磁鐵礦氰化尾渣粒度最細(xì),-0.038 mm粒級(jí)占比高達(dá)90.85 %?？梢娫囼?yàn)原料細(xì)粒級(jí)占比偏高,造球前不需球磨預(yù)處理。

表3 原料粒度組成 %

1.4 顆粒形貌

原料顆粒形貌如圖1所示。由圖1可知:硫化磁鐵礦氰化尾渣顆粒表面較為光滑,微細(xì)粒級(jí)較少,部分顆粒呈片狀,可改善生球性能;褐鐵礦氰化尾渣顆粒表面粗糙,微細(xì)粒顆粒較多,比表面積較大,成球性能好;硫酸渣氰化尾渣顆粒十分微細(xì),呈蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其比表面積大、吸水性能好,有利于生球長(zhǎng)大,但生球水分較一般鐵礦要高。

a,d—硫化磁鐵礦氰化尾渣 b,e—褐鐵礦氰化尾渣 c,f—硫酸渣氰化尾渣圖1 原料顆粒形貌

2 試驗(yàn)方法

2.1 配 礦

3種原料的配礦方案如表4所示,共6個(gè)配礦方案。其中,B1～B4方案配比與該礦山3種含鐵氰化尾渣產(chǎn)率相當(dāng),是本試驗(yàn)主要考察方案;B5和B6方案分別為單一硫化磁鐵礦氰化尾渣、硫酸渣氰化尾渣,僅作單一原料造球性能分析,不進(jìn)行焙燒試驗(yàn)。每次配礦以混合料4 kg計(jì),按一定比例外加膨潤(rùn)土預(yù)先混勻。

表4 試驗(yàn)配礦方案 %

2.2 造球試驗(yàn)

造球試驗(yàn)在圓盤造球機(jī)中進(jìn)行,其主要技術(shù)參數(shù)為:直徑1 000 mm,轉(zhuǎn)速28 r/min,邊高150 mm,傾角47°。造球經(jīng)人工篩分,粒徑9～16 mm的生球作為合格生球?？疾觳煌涞V方案,膨潤(rùn)土用量、造球水分、造球時(shí)間和高壓輥磨對(duì)生球落下強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和爆裂溫度的影響,其中爆裂溫度以生球破裂4 %所能承受的最高溫度為基準(zhǔn)。

2.3 焙燒試驗(yàn)

生球先在烘箱中于105 ℃下干燥4 h,然后在臥式管爐內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱焙燒試驗(yàn),包括升溫、預(yù)熱、焙燒及均熱階段,室溫冷卻。成品球團(tuán)礦進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和耐磨指數(shù)等機(jī)械性能的檢測(cè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 造球試驗(yàn)

3.1.1 膨潤(rùn)土用量

在造球水分12.0 %、造球時(shí)間10 min條件下,考察膨潤(rùn)土用量對(duì)6個(gè)配礦方案生球性能的影響,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:隨膨潤(rùn)土用量的增加,生球的落下強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和熱穩(wěn)定均提高。原因是添加膨潤(rùn)土后,生球內(nèi)部毛細(xì)管徑變小,毛細(xì)力增大,增加了顆粒之間的分子黏結(jié)力,因此生球強(qiáng)度得到提高[6]。單一硫化磁鐵礦氰化尾渣的B5方案生球強(qiáng)度高,但爆裂溫度低;單一硫酸渣氰化尾渣的B6方案生球強(qiáng)度低,但爆裂溫度高;配礦造球能改善單一鐵礦粉生球性能,有利于得到合格生球。當(dāng)膨潤(rùn)土用量為1.2 %時(shí),除B6方案外,其他方案生球落下強(qiáng)度超過4.0次/(0.5 m),抗壓強(qiáng)度超過10 N/個(gè);除B5方案外,其他方案生球爆裂溫度均達(dá)400 ℃以上,滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。為減少膨潤(rùn)土添加造成成品球脈石礦物增加和總鐵含量降低,選擇適宜的膨潤(rùn)土用量為1.2 %。

圖2 膨潤(rùn)土用量對(duì)生球性能的影響

3.1.2 造球水分

在膨潤(rùn)土用量1.2 %、造球時(shí)間10 min條件下,考察造球水分對(duì)生球性能的影響,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:隨造球水分的增加,生球落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度先上升后下降,而爆裂溫度整體下降。原因是隨造球水分增加,顆粒間的空隙被水填充,顆粒接觸更加緊密,生球強(qiáng)度提高;然而,造球水分增加后,生球干燥過程中,其內(nèi)部蒸氣壓變大,導(dǎo)致爆裂溫度迅速降低[7]。相比于常規(guī)鐵礦石造球,除B5方案外,其他方案造球水分偏高,這主要是由于硫酸渣氰化尾渣孔隙率高,吸水性強(qiáng)。綜合考慮,選擇適宜的造球水分為12.0 %～12.4 %。

圖3 造球水分對(duì)生球性能的影響

3.1.3 造球時(shí)間

在膨潤(rùn)土用量1.2 %、造球水分12.0 %條件下,考察造球時(shí)間對(duì)生球性能的影響,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:隨造球時(shí)間的延長(zhǎng),生球抗壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度呈升高趨勢(shì),而爆裂溫度顯著降低。這是因?yàn)殡S著造球時(shí)間的延長(zhǎng),生球內(nèi)礦石顆粒間接觸愈加緊密,毛細(xì)孔徑變小,毛細(xì)引力增大,導(dǎo)致生球落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度升高;但隨著造球時(shí)間延長(zhǎng),生球愈加緊密,孔隙體積減少,干燥過程中水蒸氣從生球內(nèi)部排出阻力變大,導(dǎo)致生球爆裂溫度降低[8]。因此,適宜的造球時(shí)間為10～12 min。

圖4 造球時(shí)間對(duì)生球性能的影響

3.1.4 高壓輥磨

在輥磨1次、輥磨壓力1.17 N/mm2、給料速度6 kg/min的條件下,固定膨潤(rùn)土用量1.2 %、造球水分12.0 %、造球時(shí)間10 min,考察高壓輥磨對(duì)生球性能的影響,結(jié)果如表5所示。由表5可知:高壓輥磨能大幅提高生球落下強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度,但會(huì)顯著降低生球爆裂溫度,影響其熱穩(wěn)定性。這主要是由于經(jīng)過高壓輥磨后,微細(xì)粒級(jí)含量增加,生球毛細(xì)管變細(xì)[9],干燥過程中,水分蒸發(fā)和擴(kuò)散的阻力變大,生球內(nèi)部蒸氣壓變大,導(dǎo)致爆裂溫度顯著降低。基于3種含鐵氰化尾渣高比表面積和良好造球性能,可不進(jìn)行高壓輥磨預(yù)處理。

表5 高壓輥磨對(duì)生球性能的影響

3.2 焙燒試驗(yàn)

3.2.1 預(yù)熱溫度

在預(yù)熱時(shí)間9 min、焙燒溫度1 250 ℃、焙燒時(shí)間9 min、均熱溫度1 000 ℃、均熱時(shí)間3 min條件下,考察預(yù)熱溫度對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度隨預(yù)熱溫度升高而升高,但在預(yù)熱溫度達(dá)到700 ℃后,球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度提高趨于平緩或有下降趨勢(shì)。原因是適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度能改善球團(tuán)礦致密度,從而顯著提高球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度,但溫度過高,球團(tuán)礦表面氧化速度過快,形成致密外殼,影響球團(tuán)礦內(nèi)部還原性鐵的氧化,導(dǎo)致球團(tuán)礦容易出現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu),抗壓強(qiáng)度反而下降[10-11]。整體來看,這些原料由于粒度細(xì)、比表面積大、活性高,其預(yù)熱溫度比常規(guī)鐵礦球團(tuán)的預(yù)熱溫度低,但抗壓強(qiáng)度較高。綜上,B1方案適宜的預(yù)熱溫度為650 ℃,此時(shí)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度已達(dá)3 361 N/個(gè);其他方案適宜的預(yù)熱溫度為700 ℃,球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度≥3 103 N/個(gè)。

圖5 預(yù)熱溫度對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響

3.2.2 預(yù)熱時(shí)間

在上述優(yōu)化條件及焙燒溫度1 250 ℃、焙燒時(shí)間9 min、均熱溫度1 000 ℃、均熱時(shí)間3 min條件下,考察預(yù)熱時(shí)間對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:隨著預(yù)熱時(shí)間的延長(zhǎng),球團(tuán)礦中還原性鐵氧化更加充分,球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度增加;但預(yù)熱時(shí)間過長(zhǎng),球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度會(huì)下降。綜合考慮,B1方案適宜的預(yù)熱時(shí)間為6 min,此時(shí)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度為3 317 N/個(gè);其他方案適宜的預(yù)熱時(shí)間為9 min,球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度≥3 103 N/個(gè)。

圖6 預(yù)熱時(shí)間對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響

3.2.3 焙燒溫度

在上述優(yōu)化條件及焙燒時(shí)間9 min、均熱溫度1 000 ℃、均熱時(shí)間3 min條件下,考察焙燒溫度對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:隨焙燒溫度的提高,球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度顯著上升。原因是提高焙燒溫度,有利于Fe2O3再結(jié)晶和晶粒的聚集長(zhǎng)大,強(qiáng)化連晶,使顆粒間間距縮小,球團(tuán)礦致密度提高,從而球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度增加[12]。當(dāng)焙燒溫度為1 250 ℃時(shí),所有方案球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度≥3 103 N/個(gè)。因此,選擇適宜的焙燒溫度為1 250 ℃。

圖7 焙燒溫度對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響

3.2.4 焙燒時(shí)間

在上述優(yōu)化條件及均熱溫度1 000 ℃、均熱時(shí)間3 min條件下,考察焙燒時(shí)間對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知:隨焙燒時(shí)間的延長(zhǎng),球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度逐漸提高。適當(dāng)延長(zhǎng)焙燒時(shí)間有利于球團(tuán)礦充分固結(jié),有利于Fe2O3晶粒擴(kuò)散、遷移和長(zhǎng)大,促進(jìn)其高溫再結(jié)晶,從而降低球團(tuán)礦孔隙率,提高球團(tuán)礦致密度和抗壓強(qiáng)度[12-13]。當(dāng)焙燒時(shí)間為6 min時(shí),所有方案球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度≥2 793 N/個(gè);當(dāng)焙燒時(shí)間超過9 min時(shí),除B1方案外,其他球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度有下降趨勢(shì)。因此,適宜的焙燒時(shí)間為6 min。

圖8 焙燒時(shí)間對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響

3.2.5 均熱溫度

在上述優(yōu)化條件及均熱時(shí)間3 min條件下,考察均熱溫度對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知:球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度隨均熱溫度升高而提高。原因是提高均熱溫度有助于改善球團(tuán)礦固結(jié)效果,進(jìn)一步穩(wěn)定礦粒晶格,提高其抗壓強(qiáng)度。當(dāng)均熱溫度達(dá)1 000 ℃時(shí),所有方案球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度≥2 793 N/個(gè)。因此,適宜的均熱溫度為1 000 ℃。

圖9 均熱溫度對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響

3.2.6 均熱時(shí)間

在上述優(yōu)化條件下,考察均熱時(shí)間對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖10所示。由圖10可知:球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度隨均熱時(shí)間延長(zhǎng)而提高,當(dāng)均熱時(shí)間達(dá)3 min時(shí),所有方案球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度≥2 793 N/個(gè);再延長(zhǎng)均熱時(shí)間,方案B2和B4球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度提升不明顯。因此,適宜的均熱時(shí)間為3 min。

圖10 均熱時(shí)間對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響

3.3 成品球團(tuán)礦性能

3.3.1 化學(xué)成分

成品球團(tuán)礦化學(xué)成分分析結(jié)果如表6所示。由表6可知:所得成品球團(tuán)礦鐵品位約為61 %,含F(xiàn)eO均低于1 %,Al2O3、CaO和MgO含量較低,有害元素S、P含量也較低。但K2O和Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高,約為0.30 %和0.15 %,對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有一定影響。此外,3種原料中易釋放氰化物經(jīng)高溫分解實(shí)現(xiàn)了無害化處置;褐鐵礦和硫酸渣氰化尾渣中As經(jīng)配礦及高溫?fù)]發(fā)后,成品球團(tuán)礦中As含量較低;由于3種原料均為高硅礦粉,球團(tuán)礦中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,均超過8 %?？傮w來看,雖然制備的成品球團(tuán)礦鐵品位稍低、SiO2含量偏高,但基本達(dá)到高爐用酸性鐵球團(tuán)礦三級(jí)球團(tuán)礦化學(xué)成分要求。

3.3.2 冶金性能與物理特性

成品球團(tuán)礦冶金性能指標(biāo)和物理特性指標(biāo)如表7所示。由表7可知:各方案成品球團(tuán)礦還原度指數(shù)RI接近,約為65 %,還原性能略低與原料粒度過細(xì),球團(tuán)礦內(nèi)部緊密、孔隙率低,不利于氣體擴(kuò)散有關(guān)。此外,所有成品球團(tuán)礦還原膨脹指數(shù)RSI均較低,為6.79 %～8.87 %;低溫還原粉化RDI+3.15 mm維持在較高水平,超過98 %。通常,低溫還原粉化RDI+3.15 mm越高,在高爐中上部產(chǎn)生的粉末率越少,高爐料柱透氣性越好。此外,所制備的成品球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度≥2 793 N/個(gè)、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度≥94.64 %、耐磨指數(shù)≤3.13 %,完全滿足工業(yè)生產(chǎn)要求,具備良好的冷態(tài)強(qiáng)度和熱態(tài)性能。

表7 成品球團(tuán)礦冶金性能與物理特性

4 結(jié) 論

1)3種原料屬于低鐵高硅及含有多種有害金屬元素的復(fù)雜氰化尾渣,不利于焙燒球團(tuán)礦質(zhì)量。研究表明,單一硫化磁鐵礦氰化尾渣生球強(qiáng)度高,但爆裂溫度低;單一硫酸渣氰化尾渣生球強(qiáng)度低,但爆裂溫度高;配礦造球能改善單一鐵礦粉生球性能,有利于得到合格生球。

2)造球試驗(yàn)表明:在膨潤(rùn)土用量1.2 %、造球水分12.0 %～12.4 %、造球時(shí)間10～12 min、無需高壓輥磨的條件下,各配礦方案均能制備出合格生球,落下強(qiáng)度超過4.0次/(0.5 m),抗壓強(qiáng)度超過10 N/個(gè),爆裂溫度超過400 ℃,滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

3)焙燒試驗(yàn)表明:在焙燒溫度1 250 ℃、焙燒時(shí)間6 min、均熱溫度1 000 ℃、均熱時(shí)間3 min條件下,B1方案預(yù)熱溫度650 ℃、預(yù)熱時(shí)間6 min,B2～B4方案預(yù)熱溫度700 ℃、預(yù)熱時(shí)間9 min,所獲得的成品球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度≥2 793 N/個(gè)。

4)成品球團(tuán)礦鐵品位稍低,氧化較完全,有害元素As、S、P和重金屬含量較低,易釋放氰化物經(jīng)高溫分解后在產(chǎn)品中未檢出。雖然受原料SiO2、K2O和Na2O含量偏高影響,但產(chǎn)品基本達(dá)到高爐用酸性鐵球團(tuán)礦三級(jí)球團(tuán)礦化學(xué)成分要求。

5)各方案成品球團(tuán)礦還原度指數(shù)RI接近,約為65 %;還原膨脹指數(shù)RSI均較低,為6.79 %～8.87 %;低溫還原粉化RDI+3.15 mm維持在較高水平,超過98 %;球團(tuán)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度≥94.64 %、耐磨指數(shù)≤3.13 %,完全滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。