富铁镍渣含碳球团直接还原磁选实验研究
2013-08-05
摘 要：通过实验对富铁镍渣和煤粉制备的含碳球团的直接还原和磁选进行了研究，考察了不同温度、C/O、碱度等参数随时间的金属化率变化情况，以及不同磨矿细度下的磁选结果。结果表明：碳氧比为1.2，碱度为0.5的富铁镍渣含碳球团，在1300℃下直接还原20min的后可以获得98.34%的金属化率，在该条件下还原后所得金属化球团磨矿到90min，-200目所占比例从46.9%增加到95.6%，磁选后精矿TFe含量从78.82%降低到74.01%，而磁选产率与铁回收率则分别从51.77%和79.02%增加到70.92%和89.80%。实验室结果表明，富铁镍渣通过含碳球团直接还原磁选的方式，利用其中的铁资源在工艺上是可行的。
关键词：富铁镍渣； 含碳球团； 直接还原；磁选
富铁镍渣是闪速炉冶炼镍的过程中副产的渣，我国金川集团每年在金属镍生产过程中副产的富铁镍渣量约60万吨，累积堆存量超过1000万吨[1]，这些废渣的长期堆弃，不仅占用了大量土地，还对环境构成了污染的威胁，因此，开发出能够处理这些富铁镍渣的工艺不仅具有巨大的经济效益还具有很大的社会效益。
针对富铁镍渣的回收利用，众多学者已经开展了深入研究如回收硅钙合金、生产微晶玻璃、熔融提铁等利用方式，但是由于技术瓶颈、生产成本等因素，富铁镍渣还没有有效的处理工艺[2-5]。富铁镍渣中TFe含量达40%以上，同时含有少量的镍、铜、钴等有价金属，因此回收其中的铁的可行性最高，由于其中铁的赋存状态，很难用磁选的方式对其进行富集供高炉冶炼。由于铁品位的限制，采用熔融还原提铁的方式需要消耗大量的能量，不具经济可行性[6]。综合来看，直接还原—磁选的方式回收利用其中的铁资源是一种在技术上和经济上较为可行的工艺，本文在实验室中采用含碳球团直接还原，然后磁选的方式回收利用富铁镍渣中的铁，探索其技术的可行性，为富铁镍渣的资源化利用提供借鉴。
1实验原料与研究方法
1.1实验原料成分
实验原料为闪速炉火法冶炼硫化镍精矿过程中副产的渣和煤粉，渣成分见表1，渣中含TFe含量为40.78%，SiO2含量比较高为34.83%。煤粉的成分见表2.
表1 高铁镍渣化学成分，%
（a） （b）
图1 富铁镍渣显微照片，（1）条状橄榄石，（2）硫化镍铁
还原时间/min
图2 还原温度对球团金属化率的影响
从图中可以看出，试样在还原前15min内，相同时间内球团还原的金属化率随着温度的升高而增加，且结果差别显著，1200℃下还原5min，球团金属化率只有31.22%，相同时间内1400℃的球团还原金属化率可以达到74.31%。还原20min后温度为1300℃下的球团还原达到最大值98.34%，温度为1350℃和1400℃的球团反而小于1300℃下的金属化率，1400℃下还原更长时间，球团内出现渣与铁分离的现象，分析认为，富铁镍渣的球团在高温下还原一定时间后球团出现液相融化阻碍了球团内的碳与氧化铁的接触以及生成气体的扩散，因此
富铁镍渣含碳球团的直接还原不宜采用过高的温度。
2.2 不同碳氧比直接还原结果
不同碳氧比对还原结果的影响见图3，碳氧比是指球团中配入煤的固定碳摩尔数与铁氧化物中含氧量的摩尔数之比，实验温度为1300℃，球团内碱度R=0.5。
从图3中实验结果可以看出，不同碳氧比的球团在还原前20min金属化率随时间的增加不断增加，且相同时间内碳氧比越高金属化率越高，碳氧比为1.4时还原20min后金属化率达到98.72%。还原20min后，球团内碳氧比为0.8和1.0的球团金属化率随时间的增加而下降，原因是球团中的碳不足；生球的碳氧比为1.2和1.4时还原20min后金属化率虽然也有稍微下降，但基本保持不变，金属化率变化的原因是高温下产生液相，妨碍了反应的进行，同时球团表层的由于发生二次氧化所致。
2.3 不同碱度下直接还原结果
在1300℃下还原，球团内C:O=1.2条件下，不同碱度球团的直接还原金属化率随时间的变化关系如图4所示。
从图中可以看出，不同碱度的球团在还原前20min内还原金属化率随时间的变化趋势是一致的，都是随着时间的增加而不断增加，在碱度小于0.5的情况下，随着碱度的增加金属化率不断增加还原20min，自然碱度的球团金属化率只有87.53%，而碱度为0.5的球团金属化率可以达到97.62%，碱度继续增加达到0.8时，金属化率增加并不明显，只增加了0.26%，说明碱度超过0.5以后继续增加碱度对相同时间金属化的增加贡献不大，因此，考虑到成本因素，球团的碱度控制在0.5即可。继续增加还原时间，自然碱度的球团的金属化有稍微增加的趋势，其他碱度球团反而略有降低，综合不同温度、碳氧比等条件下的实验结果可以认为对于富铁镍渣含碳球团的直接还原时间宜选择20min。
金属化率/%
还原时间/min
图3 不同碳氧比对球团金属化率的影响
2.4磁选实验结果分析
还原时间/min
-200目含量/%
磨矿时间/min
图5 球团磨矿细度随时间变化关系
2.4.2磁选实验结果及分析
图6显示的是不同磨矿细度下磁选精矿TFe含量，产率与铁回收率的实验结果。
百分比/%
从图中可以看出，直接还原后球团磨矿磁选TFe含量随着磨矿细度的增加而不断降低，从10min的78.82%到120min的73.88%，而磁选产率与铁回收率在0~90min内随着磨矿细度的增加而不断增加，磨矿10min精矿产率与铁回收率分别为51.77%和79.02%，磨矿时间增加到90min，精矿产率与铁回收率分别增加到70.92%和89.80%，磨矿120min时精矿产率与铁回收率反而有略微降低。
3结论
1）不同温度条件下直接还原实验结果表明，温度对直接还原金属化率影响非常大，在直接还原前15min，随着温度的增加金属化率不断增加，还原至20min，1300℃下金属化率达到98.34%，1350℃以上球团出现渣铁分离现象，无法用金属化率来衡量还原结果。
2）球团内不同碳氧比直接还原实验结果表明球团内碳氧比在1.0以下还原20min后碳会出现不足现象，球团内碳氧比超过1.2后，碳含量对球团的金属化率影响不大。
3）不同碱度条件下直接还原实验结果表明，球团内碱度在0.5以下时还原20min内，相同时间还原金属化率随碱度的增加而增加，球团内碱度超过0.5后，碱度对金属化率的影响不大。
4）直接还原后的金属化球团磨矿试验表明，磨矿的前90min内，矿粉中-200目所占比例随时间的增加基本呈线性增加关系，磁选结果显示，磁选TFe含量随着磨矿细度的增加而不断降低，而磁选产率与铁回收率在0~90min内随着磨矿细度的增加而不断增加。磨矿时间到120min，磁选产率与铁回收率趋势有所降低。
参考文献
[2]王亚力，倪文，马明生等. 金川镍渣熔融炼铁及熔渣制备微晶玻璃的研究[J]矿产保护与利用, 2008, (2):55-58.
[3] 刘伟波.金川炼镍渣提铁的研究[D]北京：西安建筑科技大学, 2001.
[4] 卢学峰，南雪丽，郭鑫. 利用镍渣冶炼回收硅钙合金的研究[J]矿产保护与利用, 2009, (2): 55-58.
[5]白彦贵,朱果灵,张柏汀. 金川提镍弃渣提铁基础研究[J]. 钢铁研究学报. 1994(S1)
[6]倪文，马明生，王亚力等. 熔融还原法镍渣炼铁的热力学与动力学[J]北京科技大学学报, 2009, 32(2):163-168.
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