含鐵銅尾礦直接還原試驗(yàn)研究

張 峰，劉開(kāi)琪，王壽增，羅智勇

(中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司 特種陶瓷與耐火材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

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含鐵銅尾礦直接還原試驗(yàn)研究

張 峰，劉開(kāi)琪，王壽增，羅智勇

(中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司 特種陶瓷與耐火材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

進(jìn)行了含鐵銅尾礦直接還原試驗(yàn)研究。銅尾礦篩分細(xì)磨，加入煤粉造球后在高溫下還原，考察了還原溫度、還原時(shí)間、造球配碳量對(duì)鐵金屬化率的影響，得出最佳還原方案。試驗(yàn)表明，配碳量14%的球團(tuán)在1 200 ℃、還原40 min的條件下，鐵金屬化率達(dá)到83%。該試驗(yàn)為合理利用含鐵銅尾礦提供參考。

銅尾礦； 直接還原； 鐵金屬化率； 綜合利用

0 前言

銅尾礦由銅礦石經(jīng)粉碎、精選后所剩下的細(xì)粉狀沙粒組成。這些尾礦除少量作為舊礦井填充料之外，絕大多數(shù)以填充洼地或筑壩堆放的形式儲(chǔ)存。堆置的銅尾礦占用大量土地,覆蓋原有的植被，破壞生態(tài)環(huán)境。同時(shí)尾礦隨風(fēng)飛揚(yáng)，隨雨水流失，對(duì)周邊地區(qū)的環(huán)境造成污染。因此,這些廢棄銅尾礦綜合利用成為了亟待解決的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于各種銅尾礦的綜合利用進(jìn)行了深入的研究，并提出了多種資源再利用方案[1-3]。目前對(duì)于銅尾礦的綜合處理多采用濕法冶金，火法冶煉方法鮮有報(bào)道。而火法冶煉的轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝具有流程短、能耗低、污染物排放量少等優(yōu)點(diǎn)。本試驗(yàn)采用直接還原火法冶煉方法處理富含鐵元素的銅尾礦，直接還原提取鐵，將廢棄的銅尾礦變成有價(jià)值的煉鐵原料。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

含鐵銅尾礦及煤粉主要成分見(jiàn)表1和表2。

表1 尾礦成分 %

表2 煤粉成分 %

1.2 試驗(yàn)原理

直接還原是指金屬氧化物在低于熔點(diǎn)溫度下被還原劑還原生成金屬單質(zhì)的過(guò)程。根據(jù)還原劑的不同，直接還原可分為氣基直接還原和煤基直接還原。本試驗(yàn)為煤基直接還原，即將礦粉與一定比例的煤粉混合后壓制成球，煤粉中的碳在高溫下還原礦物中的金屬氧化物，得到金屬單質(zhì)。其反應(yīng)式為[4]：

MeO+C→Me+CO

(1)

從表1可知，該銅尾礦Fe的含量較低，不適合使用常規(guī)冶煉方式回收Fe,但可用直接還原的方法從中提取出大部分的Fe。另外，當(dāng)尾礦中鋅含量較高時(shí)，可在直接還原的過(guò)程中通過(guò)冷凝煙氣回收鋅。

本試驗(yàn)要提取的主要金屬是Fe，F(xiàn)e在礦石中一般以Fe2O3的形式存在，其直接還原的反應(yīng)是逐級(jí)分步進(jìn)行的[4-5]：

C+3Fe2O3→2Fe3O4+CO

(2)

C+Fe3O4→3FeO+CO

(3)

C+FeO→Fe+CO

(4)

FeO同時(shí)與CO進(jìn)行反應(yīng)，生成CO2：

CO+FeO→Fe+CO2

(5)

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)反應(yīng)式(2)～(5)，當(dāng)FeO的直接還原度最低(即氣體生成物全部為CO2時(shí))，所消耗的碳量最少，其反應(yīng)式如下：

3C+2Fe2O3→4Fe+3CO2

(6)

此時(shí)還原100 g尾礦中全部Fe所需的最小配碳量為：

當(dāng)FeO的直接還原度最高(即氣體生成物全部為CO時(shí))，所消耗的碳量最多，其加和反應(yīng)式如下：

3C+Fe2O3→2Fe+3CO

(7)

此時(shí)還原100 g尾礦中所含全部Fe需要的最大配碳量為：

根據(jù)表2中煤粉的含碳量，可以計(jì)算出配煤量的最小值和最大值，分別為8.4 g和16.8 g。考慮到含碳球團(tuán)在高溫還原過(guò)程中有一部分碳會(huì)被氧化燒損，碳氧比可以提高到1.2∶1，那么最大配煤量可以到20 g。通過(guò)以上的計(jì)算，本次試驗(yàn)造球配碳量分別取8.5%、12%、14%、16%、20%。

在煤基直接還原過(guò)程中，還原溫度也是關(guān)鍵因素之一。普通鐵礦石的還原溫度在1 150 ℃以上，還原的速度相對(duì)較快，因此本次試驗(yàn)選取1 150 ℃、1 200 ℃、1 250 ℃ 3個(gè)溫度段。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)還原時(shí)間定在20～60 min。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用壓球設(shè)備為WHY-1000型微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖1)，最大試驗(yàn)壓力可達(dá)1 000 kN。所用高溫電爐為升降式圓形爐(見(jiàn)圖2)，最高溫度可達(dá)1 600 ℃。

圖1 試驗(yàn)用壓球設(shè)備

圖2 試驗(yàn)用高溫電爐

1.5 試驗(yàn)步驟

(1)壓球成型。壓球時(shí)外加結(jié)合劑6%，加水量不大于5%，液壓機(jī)壓球壓力350 kN，球團(tuán)直徑20 mm，保壓20 s。壓出來(lái)的球在120 ℃烘箱中烘烤12 h，然后取出冷卻至室溫備用。

(2)高溫還原。將相同配煤量的烘干球團(tuán)分批放入高溫電爐中，電爐的溫度分別取1 150 ℃、1 200 ℃、1 250 ℃ 3個(gè)溫度段，每個(gè)溫度段球團(tuán)還原時(shí)間分別取20 min、30 min、40 min以及60 min。還原完成的球團(tuán)在高溫下迅速取出并投入盛有酒精溶液的容器中冷卻，蓋上濕布以防止二次氧化。

(3)化學(xué)檢測(cè)。酒精溶液中的球團(tuán)完全冷卻后取出涼干并破碎，檢測(cè)其中金屬鐵和全鐵含量，計(jì)算金屬化率。

2 結(jié)果與討論

2.1 還原溫度對(duì)球團(tuán)金屬化率的影響

還原時(shí)間為40 min時(shí)，不同配碳量的球團(tuán)在不同溫度下還原后的金屬化率如表3所示。

表3 還原溫度對(duì)球團(tuán)金屬化率的影響

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，較低溫度下(1 150 ℃)還原時(shí)，配碳量不同，球團(tuán)金屬化率保持在73%～74%左右。還原溫度升高到1 200 ℃后，金屬化率明顯提高，從73%左右提高到83%，說(shuō)明提高還原溫度能夠提高球團(tuán)金屬化率。還原溫度進(jìn)一步提高至1 250 ℃，球團(tuán)金屬化率從83%提高到84%，提升并不明顯，而且在1 250 ℃的高溫下，球團(tuán)容易變形、熔化，導(dǎo)致金屬化率急劇降低。故還原溫度控制在1 200 ℃左右比較適宜。

2.2 還原時(shí)間對(duì)球團(tuán)金屬化率的影響

1 200 ℃的還原溫度下，不同配碳量的球團(tuán)經(jīng)過(guò)不同時(shí)間還原后的金屬化率如表4所示。

表4 還原時(shí)間對(duì)球團(tuán)金屬化率的影響

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，在相同的溫度和配碳量下，隨著還原時(shí)間的延長(zhǎng)，球團(tuán)的金屬化率增加。還原時(shí)間較短時(shí)，球團(tuán)中的還原劑C還未與鐵氧化物完全反應(yīng)，因此金屬化率相對(duì)較低。還原時(shí)間達(dá)到40 min，C和鐵氧化物反應(yīng)比較充分，金屬化率在80%以上。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間到60 min，球團(tuán)的金屬化率有所提升，但是提升不明顯。考慮到在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，球團(tuán)在高溫下還原時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易發(fā)生軟化現(xiàn)象，球團(tuán)會(huì)粘結(jié)，影響正常生產(chǎn)；同時(shí)還原時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，如果配碳不夠，球團(tuán)容易發(fā)生二次氧化；并且還原時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也影響產(chǎn)能，浪費(fèi)能源。因此，還原時(shí)間控制在40 min，保證金屬化率在80%以上為宜。

2.3 配碳量對(duì)球團(tuán)金屬化率的影響

在1 200 ℃下還原40 min后，不同配碳量的球團(tuán)的金屬化率如表5所示。

表5 配碳量對(duì)球團(tuán)金屬化率的影響

從表5中數(shù)據(jù)可以看出，在一定溫度和反應(yīng)時(shí)間下，配碳量和金屬化率成正比，球團(tuán)配碳越多，金屬化率越高；但配碳量增加到一定程度后，再提高配碳量，金屬化率的增加不明顯，文獻(xiàn)[4]的研究中也有類似現(xiàn)象。本試驗(yàn)配碳量達(dá)到14%后，再增加配碳量，金屬化率增加幅度較小。因此對(duì)于該尾礦，配碳量14%比較適宜。實(shí)際生產(chǎn)中，直接還原的短流程工藝可以采用轉(zhuǎn)底爐加磁選，尾礦里Zn含量較高時(shí)，也可以在轉(zhuǎn)底爐中加以回收[6]。

3 結(jié)論

(1)含鐵銅尾礦可以采用直接還原工藝，使其所含的大部分鐵成為有用的煉鐵原料提取出來(lái)。

(2)還原溫度、還原時(shí)間以及配碳量對(duì)球團(tuán)的形態(tài)和金屬化率都有重要的影響。直接還原的溫度為1 200 ℃、還原時(shí)間為40 min、配碳量為14%時(shí)，球團(tuán)的還原過(guò)程比較穩(wěn)定，鐵的金屬化率能夠達(dá)到80%以上。

[1] 戴惠新,張宗華,王春秀.銅尾礦綜合利用研究[J].有色金屬(選礦部分),2001，(1):38-40.

[2] 關(guān)紅艷,徐利華,周冰,等.我國(guó)銅尾礦二次資源再利用技術(shù)現(xiàn)狀[J].金屬礦山,2010，(10):185-188.

[3] 鐘文慧,張興昌,祝小紅.某選銅尾礦回收鐵試驗(yàn)[J].現(xiàn)代礦業(yè),2012，(4):68-70.

[4] 楊紹利,盛繼孚.鈦鐵礦熔煉鈦渣與生鐵技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006:7-8.

[5] 汪琦.鐵礦含碳球團(tuán)技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006:35-38.

[6] 張魯芳.我國(guó)轉(zhuǎn)底爐處理鋼鐵廠含鋅粉塵技術(shù)研究[J].燒結(jié)球團(tuán),2012，37(3):57-60.

Experimental study on direct reduction of iron-bearing copper tailings

ZHANG Feng,LIU Kai-qi,WANG Shou-zeng,LUO Zhi-yong

The direct reduction of iron-bearing copper tailings was studied.After screening and grinding,the copper tailings was pelletized by adding pulverized coal,then,it was reduced at high temperature.The effects of reaction temperature,reaction time and carbonaceous proportions of palletizing on iron metallization rate was tested,and the proper reduction plan was obtained.The test results show that the iron metallization rate can be achieved 83% when the palletizing of 14% of carbonaceous proportion was reducted at temperature of 1 200 ℃ for 40 min.The test provides a reference for reasonable utilization of iron-bearing copper tailings.

copper tailings; direct reduction; iron metallization rate; comprehensive utilization

張 峰(1979—)，男，浙江龍泉人，工程師。

2014-01-03

X756

A

1672-6103(2015)01-0074-03