OTS直接还原法处理冶金废渣的工艺试验与应用

2013-08-26   作者：佚名   网友评论 0 条

摘要：本文简要介绍了OTS直接还原法——车底炉快速还原工艺处理冶金废渣，并以铜弃渣、镍熔融渣和黄钠铁钒渣为例对该工艺进行了研究和讨论。
关键词：处理冶金废渣  非高炉炼铁  OTS工艺  车底炉  直接还原铁 

引言

       近几年来，我国“城市矿产”资源开发的规模虽然在不断扩大，但利用率依然很低，总体上还达不到四成，存在极大的提升空间。据估算，我国每年可以回收利用但没有回收利用的再生资源价值达350亿～400亿美元，每年约有500万吨左右的废钢铁、20多万吨废有色金属及贵金属，大量的废塑料、废玻璃等没有回收利用。我国钢铁工业的快速发展，国产铁矿石已无法满足钢铁生产的需求，导致多数大型钢铁企业不得不高价购买澳大利亚、巴西、印度等国的铁矿石。自2003年以来，我国铁矿石的供需缺口进一步扩大，即使在经济不景气的2008年，进口铁矿石也达4.44亿t，进口依赖度仍然高达49.5%。此外，我国废钢资源严重短缺，造成不少电炉炼钢厂处于半停产状态，据统计，2012年废钢缺口达2000多万吨。因此，寻找新的钢铁原料已是我国钢铁工业迫在眉睫的任务之一。近年来，针对某些含铁冶金废渣，我国相关科研工作者突破了传统的选矿—烧结—高炉流程概念，提出采用先冶后选的方法即“深度还原—高效分选”工艺处理这些冶金废渣，实现了铁的有效富集和资源的综合利用。该工艺所得的高金属化率的铁粉冷压块后，不仅可以补充废钢资源的不足，而且是冶炼优质钢、特殊钢的优质原料。

       正是在这样的背景下，我们经过四年多的刻苦钻研和试验攻关，推出了OTS还原法即车底炉快速还原工艺体系。该工艺是在隧道窑反应罐还原工艺和其它还原工艺的优势基础上，经过一系列的改进和优化，“以车底快速还原炉为核心、以粒铁法生产工艺为支撑、以气氛可控技术为保障、以自动装卸料机组和原料处理磨选矿成套工艺设备为配套”的OTS还原法体系已经形成。该工艺的最大特点就是能够最大限度的提高冶金废渣中铁和有价元素的回收率，并保证较高的金属化率。

       在本文中，我们选取了有代表性的“三渣”即铜弃渣、镍熔融渣和黄钠铁钒渣的“深度还原高效分离”半工业试验为例，对该工艺进行研究和讨论。

1 试验方法

1.1 原料准备

       试验选用铜弃渣、镍熔融渣和黄钠铁钒渣为原料，其主要化学成分见表1.1、表1.2和表1.3，还原剂选用无烟煤，其主要成分见表1.4。另外本试验中还使用了添加剂。

表1.1 铜弃渣的主要化学成分分析及相关理化指标

1.2 试验设备

        还原设备为唐山奥特斯科技有限公司自行设计制造的OTS-8型车底式快速还原炉，它的测温精度为±5℃。另外本试验还使用了XCGS—73型ф5 0磁选管和XMQ—ф240×90锥形球磨机等设备。

1.3 试验过程

        采用装料模具，将矿物和还原剂及一定量的添加剂混合均匀造球后，平铺在台车表面上，然后进入车底炉内，经过预热、高温还原、出炉。物料出炉后，直接进行水淬处理，水淬后的物料经磨矿磁选得到产品——还原铁粉。在对产品进行Fe、Ni含量化验检测后，还对产品进行了XRD物相分析及SEM形貌观察及EDS能谱分析，用以研究还原机理。

2 试验结果

2.1 铜弃渣

        通过反复研究和实验，利用车底炉还原，在还原温度1200℃~1300℃，还原时间100~120min，实验表明采用1#添加剂配方，结合弱磁和强磁复合磁选技术的效果最好，其弱磁精矿铁含量达到95.44%，回收率达91.50%，金属化率达96.19%。
 

表2.1铜弃渣半工业试验后的产品检测分析

2.2 镍熔融渣

       通过试验可以得出，采用2#添加剂配方，在还原温度1150℃~1250℃，还原时间100~120min的条件下，采用车底炉进行还原并结合磁选技术，镍的回收率最高，达到99.68%，精矿的全铁品位90~93%，金属化率97%以上。

表2.2镍熔融渣半工业试验后的产品检测分析

2.3 黄钠铁钒渣

        通过试验的研究，黄钠铁矾渣在还原的前期需要首先进行分解反应，只有渣中的Ni、Fe、Cu物相转变为氧化物后才能与还原剂发生反应进行还原，因此为了能够使得物料还原彻底，在还原的前期需要一段足够时间的低温焙烧阶段，低温焙烧后的物料在还原温度1150℃~1250℃，还原时间120~180min的条件下，采用车底炉进行还原并结合磁选技术，Ni的回收率最高，达到95.01%，铁粉的金属化率最高可达94.67%。

表2.3黄钠铁钒渣半工业试验后的产品检测分析

 

3 还原机理分析

       铜弃渣主要成分是铁硅酸盐和磁性氧化铁，铁橄榄石（2FeO•SiO2）、磁铁矿（Fe3O4）及一些脉石组成的无定形玻璃体。熔炼渣中的铜主要以冰铜或单纯的辉铜矿（Cu2S）状态存在，几乎不含金属铜，多见铜的硫化物呈细小珠滴形态不连续分布在铁橄榄石和玻璃相间。与铜弃渣相似，镍熔融渣中的铁物相基本也是以铁橄榄石（2FeO•SiO2）相存在。黄钠铁钒渣为大分子聚合物，低温焙烧分解后主要成分为Fe2O3，NiO，CuO，H2O等物质。

       根据铜、镍、铁氧化物还原的吉布斯自由能可知，铜、镍和铁都很容易还原，其中镍在500℃左右时就开始还原，铁紧随其后；而SiO2、MgO等脉石氧化物的还原温度都在1300℃以上。因此，可利用镍和铁氧化物先还原的特点，控制还原温度，使得脉石氧化物还未开始还原，而铜、镍和铁已经得到彻底还原。经过深度还原后再经磁选分离，镍铁便能与脉石成分等杂质分离。而整个还原过程中的难点在于铁橄榄石的还原，因为铁橄榄石还原反应是个强吸热过程，而且反应开始温度高，反应速度慢。对于上述铜弃渣和镍熔融渣而言，铁橄榄石的还原是整个还原过程中的关键环节。因此为了加过还原速度，降低还原温度，通常需要加入一定的添加剂来促进铁橄榄石的还原。

      可能发生的化学反应有
 

C+CO₂=2CO

△G=166550-171T, J·mol^-1                                   （1）

NiO+C=Ni+CO↑

△G=134610-179.08T, J·mol^-1                                                      （2）

NiO+CO=Ni+CO₂

△G=-40590-0.42T, J·mol^-1                                   （3）

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂

△G=-52195.1-41.05T, J·mol^-1                                 （4）

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂

△G=35120-41.55T, J·mol^-1                                   （5）

FeO+CO= Fe+CO₂

△G=-17500+21T, J·mol^-1                                    （6）

2FeO·SiO₂+2C=2Fe+SiO2+2CO                              （7）

△G=332041-321.53T, J·mol^-1 

 
图1  黄钠铁钒渣还原试样精矿XRD物相分析图谱

图2  铜弃渣还原试样精矿XRD物相分析图谱                图3  车底炉还原产品——冷压块

4 结论

     （1）应用OTS还原法能够实现对铜弃渣的还原处理，能够最大限度的实现铁的回收，还原铁的全铁品位95.44%，回收率达91.50%，金属化率达96.19%。

     （2）应用OTS还原法能够实现对镍熔融渣的还原处理，铁的回收率达到92.10%，Ni的回收率达到99.68%，还原铁的全铁品位90.50%，金属化率97.01%。

     （3）应用OTS还原法能够实现对黄钠铁钒渣的还原处理， Ni的回收率达到95.01%，铁粉的金属化率最高可达94.67%。

     （4）OTS还原法由于其本身的特点，除了能够实现对上述“三渣”的还原处理之外，还能够对其他低品位复杂难选矿、多金属伴生矿以及冶金废渣等铁系氧化物进行深度还原高效分离的处理，并能保证产品的较高的金属化率和有价元素的回收率。

     （5）OTS还原法压块工艺的冷压块产品见图3所示，该产品达到了国家规定的H92及H94产品标准。

参考文献

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