從高爐除塵灰中綜合回收碳、鐵和鋅的試驗(yàn)研究

楊大兵，陳 萱

（武漢科技大學(xué)冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430081）

隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的高爐除塵灰提出開(kāi)發(fā)利用的需求，所以近年來(lái)對(duì)高爐除塵灰的回收與利用已成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)[1－4]。當(dāng)前高爐除塵灰的利用僅限于磁選提鐵或浮選提碳，利用價(jià)值不高。由于高爐除塵灰的常規(guī)選別研究已有報(bào)道，為此，本文基于選冶聯(lián)合工藝，對(duì)某廠排放的高爐除塵灰進(jìn)行綜合回收鐵、鋅、碳的試驗(yàn)研究，以期為選冶聯(lián)合工藝處理高爐除塵灰提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

本試驗(yàn)所用原料為某廠排放的高爐除塵灰，先將高爐除塵灰進(jìn)行混勻、溜分后，提取試樣。試樣的化學(xué)成分如表1所示，試樣的粒度篩析結(jié)果如表2所示。

表1 試樣的化學(xué)成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of the sample

表2 試樣的粒度分布和元素含量Table 2 Particle size distribution and element contents of the sample

由表2可看出，試樣粒度組成較細(xì)，－0.074 mm含量為7 0.6%，其中鐵和鋅主要分布于－0.0 7 4 mm粒級(jí)，分布率分別為8 2.5 1%和84.97%；碳主要分布于－0.065＋0.045 mm范圍，分布率為27.39%，在其他粒級(jí)中則分布較為平均。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用常規(guī)浮選和磁選法分別回收碳和鐵，采用酸浸－除雜－電積流程回收鋅。所用儀器設(shè)備主要有XMQ－67φ240×90型錐形球磨機(jī)、XFD－63型單槽式浮選機(jī)和CXG－99型磁選管。所用藥劑主要有煤油、2號(hào)油、硅酸鈉、硫酸、黃鉀鐵礬、過(guò)氧化氫和鋅粉，藥劑均為工業(yè)級(jí)。

采用Pb－Ag合金板為陽(yáng)極，純鋁板為陰極，以酸性硫酸鋅水溶液作為電積液，溶液pH值為5～5.5。當(dāng)通以直流電時(shí)，在陰極上發(fā)生鋅的析出，在陽(yáng)極上放出氧氣，得到金屬鋅產(chǎn)品。電積試驗(yàn)前，酸浸液用黃鉀鐵礬初步除去溶液中的鐵，過(guò)濾分離黃鉀鐵礬，控制溫度為80～85℃，pH為3～4，再加H2O2深度氧化除鐵，除鐵率可達(dá)99%以上，溶液中最終鐵離子濃度低于0.5 mg／L。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳和鐵分選效果分析

影響選礦分選指標(biāo)的因素主要有磨礦細(xì)度、浮選藥劑用量、磁選場(chǎng)強(qiáng)等。根據(jù)條件試驗(yàn)結(jié)果，選擇試樣－0.074 mm占76.4%、硅酸鈉用量為150 g／t、煤油用量為300 g／t、2號(hào)油用量為80 g／t、磁感應(yīng)強(qiáng)度為400 m T為試驗(yàn)工藝條件，其結(jié)果如表3和表4所示。

表3 浮選－磁選試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of flotation－magnetic separation test

表4 浮選－磁選后尾礦化學(xué)成分（wB／%）Table 4 Chemical compositions of tail for flotation－magnetic separation tests

由表3和表4可看出，通過(guò)此工藝處理可以獲得碳品位為86.52%、回收率為92.80%的碳精礦，可以作為優(yōu)質(zhì)的煤粉加以利用；可以獲得鐵品位為54.16%、回收率為45.47%的鐵精礦，可作為普通的鐵精礦利用。而兩種精礦中鋅含量較低，鋅基本富集在尾礦中，含量達(dá)到22.55%，應(yīng)進(jìn)一步回收。

2.2 影響鋅浸出率的因素分析

2.2.1 硫酸濃度對(duì)鋅浸出率的影響

試驗(yàn)在液固比為6、酸浸溫度為80℃、酸浸時(shí)間為2 h的條件下進(jìn)行，分析不同硫酸濃度對(duì)鋅浸出率的影響，其結(jié)果如圖1所示。由圖1可看出，隨著硫酸濃度的升高，鋅浸出率提高，但當(dāng)硫酸濃度超過(guò)120 g／L時(shí)，鋅浸出率隨硫酸濃度升高變化不明顯。綜合考慮，選擇硫酸濃度分選指標(biāo)為120 g／L。

圖1 硫酸濃度對(duì)鋅浸出率的影響Fig.1 Effect of concentration of sulfuric acid on zinc leaching rate

2.2.2 酸浸溫度對(duì)鋅浸出率的影響

硫酸濃度為120 g／L、液固比為6、酸浸時(shí)間為2 h時(shí)，分析不同酸浸溫度對(duì)鋅浸出率的影響，其結(jié)果如圖2所示。由圖2可看出，當(dāng)酸浸溫度低于80℃時(shí)，鋅浸出率隨溫度升高而增大，但當(dāng)溫度超過(guò)80℃時(shí)，鋅浸出率反而有所降低。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，硫酸與鋅的礦物反應(yīng)速率加快，但溫度過(guò)高，反而會(huì)降低反應(yīng)速率。因此，酸浸溫度以80℃為宜。

圖2 酸浸溫度對(duì)鋅浸出率的影響Fig.2 Effect of acid leaching temperature on zinc leaching rate

2.2.3 酸浸時(shí)間對(duì)鋅浸出率的影響

試驗(yàn)控制硫酸濃度為120 g／L、液固比為6、酸浸溫度為80℃，分析不同酸浸時(shí)間對(duì)鋅浸出率的影響，其結(jié)果如圖3所示。由圖3可看出，隨著酸浸時(shí)間的延長(zhǎng)，鋅浸出率升高，但酸浸時(shí)間超過(guò)2 h后，鋅浸出率變化不太明顯，所以酸浸時(shí)間以2 h為宜。

2.2.4 液固比對(duì)鋅浸出率的影響

試驗(yàn)控制硫酸濃度為120 g／L、酸浸溫度為80℃、酸浸時(shí)間為2 h，分析不同液固比對(duì)鋅浸出率的影響，其結(jié)果如圖4所示。由圖4可看出，鋅浸出率隨液固比的增大而提高，液固比增大，固液接觸機(jī)會(huì)增多，反應(yīng)速率提高，因而鋅浸出率提高。但液固比超過(guò)7后，鋅浸出率變化不明顯，因此酸浸過(guò)程中總液固比以6為宜。

圖3 酸浸時(shí)間對(duì)鋅浸出率的影響Fig.3 Effect of acid leaching time on zinc leaching rate

圖4 液固比對(duì)鋅浸出率的影響Fig.4 Effect of liquid－solid ratio on zinc leaching rate

經(jīng)酸性浸出，可獲得鋅的浸出率為97.7%，總回收率為94.63%。剩余殘?jiān)脑胤治鼋Y(jié)果如表5所示。由表5可知，浸出渣的主要成分為二氧化硅，但鉛的品位也比較高，有回收利用的價(jià)值。

表5 浸出渣成分分析（wB／%）Table 5 Chemical compositions of leach residue

2.3 電積鋅的影響因素分析

2.3.1 Zn2＋初始濃度對(duì)電積鋅的影響

電積法制備金屬的關(guān)鍵在于控制陰極過(guò)電位必須在濃差擴(kuò)散范圍內(nèi)，因?yàn)榇藚^(qū)間內(nèi)金屬離子的擴(kuò)散為控制步驟，從而導(dǎo)致在電沉積過(guò)程中，金屬離子不能及時(shí)補(bǔ)充，在陰極表面將會(huì)形成金屬粉而不會(huì)形成連續(xù)的鍍層，因此，Zn2＋的濃度是制備鋅粉的一個(gè)重要指標(biāo)。表6為電積回收鋅的試驗(yàn)結(jié)果。由表6可看出，隨著Zn2＋濃度的增大，鋅粉的純度和回收率逐漸增加，電流效率也越高。這是因?yàn)楫?dāng)陰極表面的Zn2＋被還原后，溶液中Zn2＋的濃度越大，就能夠越迅速地進(jìn)行補(bǔ)充，有效地抑制析氫等副反應(yīng)，從而提高電流效率。同樣由于Zn2＋源源不斷的補(bǔ)充，促成鋅晶核不斷長(zhǎng)大，使鋅粉的粒徑增大。當(dāng)Zn2＋的初始濃度高于60 g／L時(shí)，鋅的純度雖然隨Zn2＋濃度繼續(xù)增加，但鋅的回收率下降較明顯。而電流效率仍繼續(xù)增大，造成鋅粉粒徑過(guò)大，使鋅粉團(tuán)聚嚴(yán)重。因此，Zn2＋的濃度用量以60 g／L為宜。

表6 Zn2＋的濃度和回收效果Table 6 Concentration of Zn2＋and recovery efficiency

2.3.2 陰極電流密度對(duì)電積鋅的影響

陰極電流密度主要影響金屬離子的成核難易程度以及成核數(shù)量。一般而言，陰極電流密度越大，過(guò)電位就越高（負(fù)），金屬離子越容易被還原形成晶核，且晶核數(shù)量越多，形成金屬粉體的粒徑就越小。

表7為陰極電流密度對(duì)鋅電積效果的影響。由表7可看出，當(dāng)陰極電流密度小于4 A／dm2時(shí)，隨著陰極電流密度的增大，鋅的純度和回收率不斷增加，鋅粉粒徑不斷減小，此時(shí)Zn2＋能夠得到及時(shí)補(bǔ)充，促進(jìn)鋅晶核長(zhǎng)大，因此可以形成平整致密的鍍鋅層；當(dāng)陰極電流密度大于4 A／dm2時(shí)，鋅晶核數(shù)量明顯增加，而粉體粒徑變化不大，而過(guò)高的電位使得析氫等副反應(yīng)更為劇烈，導(dǎo)致電流效率下降，鋅純度和回收率也隨之下降。因此，陰極電流密度應(yīng)以4 A／dm2左右為宜，此時(shí)鋅純度為95.2%，作業(yè)回收率為92.6%，總回收率達(dá)到87%以上。

表7 陰極電流密度對(duì)鋅回收效果的影響Table 7 Effect of cathode current density on zinc recovery efficiency

鋅產(chǎn)品純度僅達(dá)到95.2%，其原因可能是鋅浸出液除雜不夠、電流密度過(guò)大或者電積液中Zn2＋濃度偏低等。而在大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐中，保持電積液組成的恒定是保證生產(chǎn)穩(wěn)定和產(chǎn)品指標(biāo)的前提條件，通過(guò)電積液的循環(huán)，不斷向電積槽中加入新電積液和放出廢液，廢液返回浸出工序，則可得到純度在99%以上的鋅產(chǎn)品。

3 結(jié)論

（1）在高爐除塵灰－0.0 7 4 mm粒級(jí)占76.4%、硅酸鈉用量為150 g／t、煤油用量為300 g／t、2號(hào)油用量為80 g／t、磁感應(yīng)強(qiáng)度為400 m T的條件下，可獲得碳品位為8 6.5 2%、回收率為92.80%的碳精礦和鐵品位為54.16%、回收率為45.47%的鐵精礦。

（2）在硫酸濃度為120 g／L、酸浸溫度為80℃、酸浸時(shí)間為2 h、液固比為6、Zn2＋濃度為60 g／L、陰極電流密度為4 A／dm2的條件下，可獲得純度為95.2%的鋅產(chǎn)品，鋅總回收率達(dá)到87%以上。

[1] 王瑋，孟令和.除塵灰綜合利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].中國(guó)資源綜合利用，2011（2）：23－26.

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