焙燒工藝對磁選提純氧化鐵的影響

孫孝武,王興慶,湯小泉,舒淑奇

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444)

焙燒工藝對磁選提純氧化鐵的影響

孫孝武,王興慶,湯小泉,舒淑奇

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444)

以城市生活垃圾焚燒爐渣中的廢鐵表層氧化鐵鱗為原料,通過粉碎-焙燒和磁選工藝提純,制取工業(yè)合格的氧化鐵原料,并研究了焙燒、磁場強度、粉末粒度等試驗條件對磁選效果的影響.結(jié)果表明,在還原溫度為750°C、還原時間為60 min、木炭質(zhì)量配比為7%,磁場強度為0.10和0.08 T的條件下進行二次磁選,可以獲得品位67.61%、鐵回收率85.17%的氧化鐵精粉.

還原焙燒;磁選;廢鐵回收

城市生活垃圾的處理方法主要有衛(wèi)生填埋、高溫堆肥和垃圾焚燒.隨著焚燒設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展,以及人們對生活垃圾處理“三化”(減量化、無害化、資源化)要求的提高,垃圾焚燒處理的比例快速增長.2011年我國垃圾焚燒的比例占15.9%,比2001年增長了12倍之多[1-6].城市垃圾焚燒后的爐渣中含有大量深度氧化的鐵,其中氧化鐵提純制備的納米氧化鐵粉或鐵粉可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),如納米氧化鐵粉可以用作涂料,納米鐵粉可以制成磁流體進行磁密封、磁印刷等[7-8].

目前,對焚燒爐渣中廢鐵的主要處理方式有2種:①同焚燒爐渣混合,用作填埋場的覆蓋材料或路基、路堤等的建筑填充材料[9-10],但這造成了鐵資源的浪費;②作為煉鋼原料回收,但焚燒后的鐵已深度氧化且表層含有許多對煉鋼有害的雜質(zhì),這會給鋼鐵材料帶來有害影響.為了提高焚燒爐渣中鐵的利用率,本工作采用破碎法將內(nèi)層鐵與表層的氧化鐵鱗分離,再通過焙燒和磁選工藝對氧化鐵鱗進行提純以制取純度較高的氧化鐵粉.

1 試驗

首先利用磁選方法將焚燒爐渣中的廢鐵選出,再用水清洗除去表面的廢渣;然后進行球磨,分離出廢鐵表層的氧化鐵鱗;最后通過焙燒和二次磁選,除去鑲嵌在氧化鐵鱗中的雜質(zhì).氧化鐵鱗原料、還原焙燒產(chǎn)物和二次磁選后產(chǎn)物的成分采用X射線熒光光譜(X-ray fluorescence, XRF)分析,物相組成采用X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)分析.

氧化鐵鱗的XRF分析結(jié)果如表1所示,XRD分析結(jié)果如圖1所示.由試驗分析可知,氧化鐵鱗中的主要成分為弱磁性氧化鐵粉,主要雜質(zhì)為SiO2和鈣的硅酸鹽.

表1 氧化鐵鱗的XRF分析Table 1 XRF analysis of scale oxide

圖1 氧化鐵鱗的XRD分析Fig.1 XRD analysis of scale oxide

利用QM-3SP2J行星式球磨機對鐵鱗進行粉碎,然后在SX2-4-10型箱式電阻爐中進行焙燒.原料置于密封坩堝中,每次裝料量為15 g,通過調(diào)節(jié)還原溫度、還原時間和木炭配比來研究焙燒條件對磁選的影響.還原劑為木炭,其固定炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～80%,揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%,灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2.5%,粒度為100目[11].焙燒產(chǎn)物空冷后用CXG-08SD型磁選管進行磁選.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 炭焙燒

在一定條件下,木炭與氧化鐵發(fā)生如下反應(yīng):

根據(jù)反應(yīng)(1)和(2)可知,在一定條件下木炭可將原料中的Fe2O3還原成Fe3O4.在還原溫度為750°C、還原時間為60 min、木炭質(zhì)量配比為7%的情況下,對原料和還原后產(chǎn)物進行磁性能對比,結(jié)果如圖2所示.

圖2 原料與還原后產(chǎn)物的磁性能對比Fig.2 Magnetic contrast between raw material and reduced powder

從圖2中可以看出,還原前矯頑力Hc為0.013 T,還原后減小為0.011 T,原料和還原后產(chǎn)物的矯頑力都很小.當(dāng)外加磁場減小到0時,兩種物質(zhì)仍保留少部分磁化強度, Mr1=0.702 A·m2/kg,Mr2=0.979 A·m2/kg.因此兩種物質(zhì)都為軟磁物質(zhì),易磁化也易退磁.原料和還原后產(chǎn)物的飽和磁化強度Ms1＜Ms2,說明在外加磁場足夠大時,還原后產(chǎn)物更容易被磁化,磁性能更好.

磁化率χ為磁化強度與外磁場強度之比,是表示磁體磁性強弱的一個參量,通過比較磁化率可以看出原料和還原后產(chǎn)物磁性能的差異.圖3為原料的磁化率χ與還原后產(chǎn)物的磁化率χ的對比.可以看出,在有外加磁場存在的情況下χ1＜χ2,因此在磁場作用下Fe3O4的磁性更好.雜質(zhì)中的SiO2,Ca2SiO4等是沒有磁性的,因此在磁選時Fe3O4更容易與雜質(zhì)分離.

圖3 原料和還原后產(chǎn)物的磁化率對比Fig.3 Magnetic susceptibility contrast between raw material and reduced powder

2.2 焙燒時間

在固定焙燒溫度為700°C,木炭質(zhì)量配比為7%,在焙燒時間為15,30,45,60和90 min的條件下分別進行焙燒試驗.還原后產(chǎn)物的XRD分析如圖4所示.焙燒時間對磁選精粉的品位和鐵的回收率的影響如表2所示.由表2可知,隨著還原時間的增加,精粉的回收率和品位均呈先增大后減小的趨勢,且在60 min時鐵的品位達到最大值64.09%.

圖4 不同焙燒時間下還原后產(chǎn)物的XRD分析Fig.4 XRD analysis of reduced powders with different roasting time

表2 不同焙燒時間下的磁選試驗結(jié)果Table 2 Trial results of magnetic separation with different roasting time

由圖4可知:當(dāng)還原時間較短時,還原焙燒不充分,部分Fe2O3沒有被完全還原成Fe3O4;當(dāng)還原時間較長時,還原炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小,坩堝中CO分壓降低,CO2分壓相應(yīng)升高,還原氣氛減弱,氧化氣氛加強,因此出現(xiàn)少部分的Fe3O4重新被氧化的現(xiàn)象.

2.3 炭添加量

在固定焙燒溫度為700°C,焙燒時間為60 min,木炭質(zhì)量配比分別為3%,5%,7%,9%和11%的條件下進行焙燒試驗.還原后產(chǎn)物的XRD分析如圖5所示,木炭質(zhì)量配比對磁選精粉的品位和鐵的回收率的影響如表3所示.由表3可以看出,隨著配炭量的增加,回收率呈升高后降低的趨勢.鐵的品位隨配炭量的增加而增大,在木炭質(zhì)量配比為7%時精粉品位最高,之后隨著配炭量的繼續(xù)增加,精粉品位逐漸降低.

圖5 不同木炭配比下還原后產(chǎn)物的XRD分析Fig.5 XRD analysis of reduced powders with different charcoal ratios

表3 不同木炭配比下的磁選試驗結(jié)果Table 3 Trial results of magnetic separation with different charcoal ratios

由圖5可知,當(dāng)木炭用量較少時還原不夠充分,但是若過多,就會造成過還原,使得部分磁鐵礦被還原成方鐵礦,從而減弱還原后產(chǎn)物的磁性,降低了磁選精粉的品位和鐵的回收率.因此配炭量選擇7%效果最好.

2.4 焙燒溫度

圖6 不同還原溫度下還原后產(chǎn)物的XRD分析Fig.6 XRD analysis of reduced powders with different reduction temperatures

表4 不同焙燒溫度下的磁選試驗結(jié)果Table 4 Trial results of magnetic separation with different roasting temperatures

從圖6可以看出:當(dāng)溫度較低時部分氧化鐵未充分還原,這是因為氧化鐵還原是吸熱反應(yīng),升高溫度可以加速還原反應(yīng)的進行,促進磁鐵礦的生成;當(dāng)溫度超過655°C時,還原生成的FeO有可能會與SiO2反應(yīng)生成無磁性的硅酸鐵,從而減弱焙燒產(chǎn)物的磁性,使鐵的回收率逐步降低;當(dāng)焙燒溫度為800°C時,焙燒產(chǎn)物中的磁鐵礦已經(jīng)基本轉(zhuǎn)變成為弱磁性的方鐵礦,這是造成磁選時鐵的回收率顯著降低的原因.

由表4可以看出:當(dāng)焙燒溫度為800°C時,還原后產(chǎn)物的磁性迅速減弱,導(dǎo)致磁選的回收率急劇降低,因此經(jīng)濟價值較低;當(dāng)溫度為600～750°C時,隨著溫度的不斷升高,磁選精粉鐵的品位不斷提高,在750°C時鐵的品位最高,而鐵的回收率呈先升高后降低的趨勢.

2.5 球磨時間

固定還原時間為60 min,木炭質(zhì)量配比為7%,焙燒溫度為750°C,磁場強度為0.10 T,分析球磨時間對粉末粒度和磁選結(jié)果的影響.圖7為球磨時間與粉末粒度的關(guān)系,表5為不同粉末粒度下的磁選試驗結(jié)果.

圖7 球磨時間與粉末粒徑的關(guān)系Fig.7 Relationship between grinding time and powder particle size

表5 不同粉末粒徑下的磁選試驗結(jié)果Table 5 Trial results of magnetic separation with diffenent powder particle sizes

由表5可以看出,細(xì)磨原料并沒有提高磁選精粉的品位,相反隨著粉末粒徑的減小,磁選精粉的品位呈明顯下降趨勢,而鐵的回收率呈升高趨勢.細(xì)磨還原后產(chǎn)物可以使粉末中的鐵氧化物和雜質(zhì)更好地分離,在磁選時更有效地除去雜質(zhì).但是在磁選過程中可能會發(fā)生磁團聚,這是由于磁性顆粒在外磁場的作用下強烈聚集形成磁團,在磁團內(nèi)除磁性顆粒外,還會夾雜著品位較低的伴生雜質(zhì)及單體雜質(zhì),從而降低了精粉的品位[12-13].

2.6 磁場強度

固定還原時間為60 min,木炭質(zhì)量配比為7%,焙燒溫度為750°C,對原料進行還原焙燒,在不同磁場強度下對還原后產(chǎn)物進行磁選,結(jié)果如表6所示.

表6 不同磁場強度下的磁選試驗結(jié)果Table 6 Trial results of magnetic separation with different magnetic intensities

由表6可知,隨著磁場強度的增強,磁選精粉中鐵的品位先升高后降低,因此磁場強度的增強有利于鐵回收率的提高.當(dāng)磁場強度偏低時,還原后產(chǎn)物中弱磁性的氧化鐵不能被磁選出來,因此影響了磁選精粉品位和鐵的回收率.在粉末中鐵的氧化物和雜質(zhì)不可能完全以單體的形式存在,而是相互伴生的.增強磁場強度可以在磁選出弱磁性氧化鐵的同時,磁選出伴生在氧化鐵中的雜質(zhì),從而降低了磁選精粉的品位.

案例研究法是實地研究的一種，研究者選擇一個或幾個場景為對象，系統(tǒng)地收集數(shù)據(jù)和資料，進行深入地研究，用以探討某一現(xiàn)象在實際生活環(huán)境下的狀況，適合研究者無法設(shè)計準(zhǔn)確、直接又具系統(tǒng)性控制的變量的時候，回答“為什么”和“怎么樣”的問題。

多次磁選后的試驗結(jié)果如表7所示.由表7可以看出,增加磁選次數(shù),磁選精粉的品位會相應(yīng)提高.由于磁選之后試樣中Fe3O4的含量增加,試樣的磁性也會隨之增強,因此在重復(fù)磁選時應(yīng)適當(dāng)?shù)亟档痛艌鰪姸?

表7 多次磁選后的試驗結(jié)果Table 7 Trial results of magnetic separation for many times

另外,隨著磁選次數(shù)的增加,磁選精粉的品位逐漸升高,但趨勢逐漸變緩.因為在磁選過程中以及精粉回收時會有部分損失,所以鐵的回收率逐漸降低,又由于磁選次數(shù)過多會使工藝流程變得復(fù)雜,所以綜合考慮以磁選2次為宜.2次磁選后精粉的XRF分析如表8所示.

表8 2次磁選后的試驗結(jié)果Table 8 Trial results of secondary magnetic separation

3 結(jié)束語

本工作通過對焚燒爐渣中廢鐵球磨粉進行礦相分析,結(jié)果表明原料中主要含有弱磁性的赤鐵礦,若對其采用直接進行磁選的方式,難以有效回收廢鐵中的氧化鐵.焙燒-磁選工藝試驗的結(jié)果表明:①焙燒的最佳試驗條件為還原時間60 min,木炭質(zhì)量配比7%,焙燒溫度750°C,該條件下原料中的赤鐵礦基本轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦,此時粉末的磁性較強,有利于磁選;②在初始磁場強度為0.10 T、二次磁場強度為0.08 T的情況下進行磁選,獲得的精粉品位達到67.61%,鐵的回收率達到85.17%,基本滿足鐵氧化物的有效回收;③磁選時粉末粒度不宜過細(xì),因為細(xì)粉雖然可以提高鐵的回收率,但是降低了精粉的品位,因此需要根據(jù)工業(yè)需要適當(dāng)選擇粉末的粒度.

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Influence of roasting condition on purification of iron oxide by magnetic separation

SUN Xiaowu,WANG Xingqing,TANG Xiaoquan,SHU Shuqi
(School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Scale on the surface of iron in incinerated municipal solid waste scrap as raw materials was purified by roast magnetic beneficiation to produce iron oxide up to industry standard.The effects of reduction roasting,magnetic field strength,particle size and other test conditions on magnetic beneficiation were researched.The results show that magnetite powder with TFe content of 67.61%and 85.17%iron recovery can be obtained by secondary magnetic separation under the conditions of reduction temperature of 750°C,reduction time of 60 min,charcoal ratio of 7%and magnetic field strength of 0.10 and 0.08 T, respectively.

reduction roasting;magnetic separation;waste iron recovery

TF 046;TD 924.1

A

1007-2861(2017)02-0192-09

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.04.013

2015-03-03

王興慶(1956—),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向為粉末冶金.E-mail:xqwang@mail.shu.edu.cn