高爐灰與赤泥共還原—磁選回收鐵試驗(yàn)研究

崔石巖 張明慧 孫永峰 蔣 曼 高恩霞 盧中博

（1.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東淄博255000；2.山東天承礦業(yè)有限公司，山東 萊州261400）

由高爐煤氣帶出的微細(xì)粉塵，經(jīng)除塵裝置干法除塵后，得到的工業(yè)固體廢棄物稱為高爐灰。高爐灰中含有多種有害元素，直接堆存不僅占用土地，還使土壤變質(zhì)，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1 t 的鐵會(huì)產(chǎn)生約20 kg 高爐灰，按照我國(guó)年金屬鐵產(chǎn)出量300～450 萬t 計(jì)算，我國(guó)高爐灰的年產(chǎn)出量在1 500 萬t 左右，固定碳產(chǎn)出量150～450 萬t［1-2］。但目前對(duì)該類資源的利用較少，資源嚴(yán)重浪費(fèi)。在此背景下，如何合理高效地利用高爐灰成為新的研究方向。

赤泥是氧化鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物，由于缺乏成熟的綜合利用技術(shù)，目前大多輸送堆場(chǎng)，筑壩堆存，嚴(yán)重污染了環(huán)境。此外，赤泥中含有大量有價(jià)金屬，尤其是拜耳法赤泥中鐵含量較高，鐵品位可達(dá)25%～30%［3-4］。研究表明，直接還原—磁選工藝可以實(shí)現(xiàn)赤泥中鐵的回收，得到鐵品位91.34%，回收率88.36%的粉末鐵［5］，但該工藝使用煤做還原劑，成本較高。因此，尋找價(jià)格低廉的還原劑對(duì)促進(jìn)赤泥直接還原—磁選工藝的發(fā)展具有重要的意義。

研究表明，高爐灰可以作為鐵礦石共還原—磁選工藝的還原劑［6-7］，該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)固體廢物高爐灰的資源化利用，即利用碳資源的同時(shí)回收其中鐵資源，降低了冶煉成本，還減輕了環(huán)境污染。但目前高爐灰作為共還原—磁選工藝的還原劑應(yīng)用于赤泥這種含鐵較高的固體廢物的研究幾乎沒有。因此，本試驗(yàn)以拜耳法赤泥為原料，添加不同種類高爐灰為還原劑，驗(yàn)證高爐灰與赤泥共還原—磁選回收鐵工藝的可行性，并確定最佳的工藝條件，以期獲得鐵品位大于90%、鐵回收率大于90%的直接還原鐵，為高爐灰與赤泥的綜合利用提供參考。

1 試驗(yàn)原料、設(shè)備及方法

1.1 高爐灰

試驗(yàn)用高爐灰取自3個(gè)不同地區(qū)的鋼鐵企業(yè)，分別為山東高爐灰（SG）、河北高爐灰（HG）和甘肅高爐灰（GG），試樣XRD 圖譜見圖1，工業(yè)性質(zhì)分析結(jié)果見表1。

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由圖1 可知，不同產(chǎn)地的高爐灰礦物組成有差異。SG和HG中的主要含鐵礦物為赤鐵礦和磁鐵礦，而GG 中主要含鐵礦物則為赤鐵礦和磁赤鐵礦。3 種高爐灰中的硅均以煅燒高嶺土形式存在，但其他礦物組成的差別較大。SG和GG中含有斜纖蛇紋石，而HG 中含有巖鹽、方解石和鉀鹽。由此可以看出，3 種高爐灰中礦物種類差異較大，在共還原過程中可能會(huì)有不同的影響。

由表1可知，3種高爐灰中的鐵均具有回收價(jià)值，SG 中Fe2O3含量最高，為46.97%；高爐灰中SiO2含量均較高，在共還原過程中易生成低熔點(diǎn)的硅酸鹽礦物，可促進(jìn)鐵顆粒的聚集長(zhǎng)大，有利于回收金屬鐵［8］；HG 中Al2O3含量較高，可能導(dǎo)致體系熔點(diǎn)升高［9］；HG和GG 中CaO 含量較高，可能惡化鐵的生長(zhǎng)條件，導(dǎo)致粉末鐵指標(biāo)變差［10-11］。

從表1還可以看到，試驗(yàn)所用高爐灰中均含有一定量的固定碳，可以作為還原劑用于高爐灰與赤泥共還原—磁選提鐵工藝。但3 種高爐灰工業(yè)性質(zhì)差異較大，SG和HG中固定碳的含量較高，GG中揮發(fā)分含量較高，而HG 中灰分較SG、GG 低，可能在共還原時(shí)產(chǎn)生不同的影響［12-13］。因此，有必要對(duì)3種來自不同地區(qū)的高爐灰進(jìn)行研究。

1.2 赤 泥

試驗(yàn)所用赤泥由中國(guó)鋁業(yè)山東分公司經(jīng)拜耳法生產(chǎn)（以下稱為赤泥），XRD 圖譜見圖2，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。

由圖2可知，赤泥中主要礦物有赤鐵礦、石英、方解石、三水鋁石和銳鈦礦。

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由表2可知，赤泥中Fe2O3含量為31.98%，具有回收價(jià)值；赤泥中Al2O3和SiO2和CaO 含量較高，分別為18.75%、16.22%和15.28%，P、S 含量則較低，分別為0.09%和0.20%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備主要有SX-10-13 馬弗爐、RK/BK三輥四筒智能棒磨機(jī)和CXG-99磁選管。

1.4 試驗(yàn)方法

將高爐灰與赤泥按一定比例（高爐灰用量為其占赤泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）混勻后裝入石墨坩堝，再在表面覆蓋一定質(zhì)量的同種高爐灰，以隔絕空氣，營(yíng)造良好的還原氣氛。待馬弗爐內(nèi)溫度升至指定溫度后，將石墨坩堝置于爐中進(jìn)行共還原，達(dá)到指定還原時(shí)間后取出，焙燒產(chǎn)物自然冷卻后進(jìn)行磨礦、磁選，所得磁選產(chǎn)品即為直接還原鐵（以下稱還原鐵）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高爐灰種類及用量對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響

在鐵礦物直接還原過程中，還原溫度、還原時(shí)間等均會(huì)影響還原鐵指標(biāo)，在一定范圍內(nèi)還原溫度越高、還原時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于碳熱還原的進(jìn)行和金屬鐵顆粒的長(zhǎng)大，得到的還原鐵指標(biāo)越好。研究表明，鐵礦石直接還原過程中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)在1 200 ℃以下均能發(fā)生，反應(yīng)時(shí)間也集中在60 min內(nèi)［14-17］。因此，本文在還原溫度1 200 ℃、還原時(shí)間60 min 條件下進(jìn)行高爐灰種類及用量對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響研究，固定磨礦細(xì)度為-74 μm 占64%，弱磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1 T，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3 可知，在SG、HG 和GG 的試驗(yàn)用量范圍內(nèi)，采用高爐灰與赤泥共還原—磁選工藝回收鐵，均可得到鐵品位和鐵回收率均大于70%的還原鐵。由此可知，高爐灰可以作為高爐灰與赤泥共還原—磁選工藝的還原劑，用于回收高爐灰與赤泥中的鐵資源。從圖3還可以看到，不同種類的高爐灰對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響不同。圖3（a）中，隨著SG 用量的增加，還原鐵中鐵品位先增加后降低，鐵回收率逐漸增加后基本不變。當(dāng)SG 用量為30%時(shí)，還原鐵指標(biāo)較好，此時(shí)鐵品位91.57%、鐵回收率91.02%。圖3（b）中，隨著HG 用量的增加，還原鐵中鐵品位先增加后降低，鐵回收率逐漸增加。當(dāng)HG 用量為30%時(shí)，還原鐵指標(biāo)較好，此時(shí)鐵品位82.85%、鐵回收率80.18%。圖3（c）中，隨著GG 用量的增加，還原鐵中鐵品位逐漸降低，鐵回收率逐漸增加，當(dāng)GG 用量為10%時(shí)，還原鐵中鐵品位最高，但也僅為75.27%，此時(shí)鐵回收率為78.37%。

表3 為不同種類高爐灰的最佳用量及所得還原鐵指標(biāo)。

由表3可知，不同種類的高爐灰為還原劑時(shí)取得最佳還原鐵指標(biāo)的用量不同，且得到的還原鐵指標(biāo)差異較大。SG 和HG 的最佳用量均為30%，但以HG為還原劑時(shí)，得到的還原鐵中鐵品位和鐵回收率均低于SG；GG 的最佳用量為10%，但GG 為還原劑時(shí)得到的還原鐵中鐵品位和鐵回收率均低于80%。

綜上可知，高爐灰與拜耳法赤泥共還原—磁選工藝能夠?qū)崿F(xiàn)鐵資源的回收，但是由于高爐灰的性質(zhì)不同，最終得到的還原鐵指標(biāo)有所差異，其中SG為還原劑時(shí)得到的還原鐵指標(biāo)最好，HG 次之，GG 最差?？紤]到SG 的效果較好，且在未優(yōu)化的工藝條件下已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)鐵品位和鐵回收率均大于90%，因此，下文將以SG為還原劑，考察還原溫度、還原時(shí)間及磨礦細(xì)度對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響，確定最佳工藝條件。

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2.2 還原溫度對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響

研究表明，在直接還原過程中，還原溫度對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響較大。在一定范圍內(nèi)，還原溫度越高，還原鐵指標(biāo)越好［14］。但還原溫度過高，焙燒體系中易產(chǎn)生較多的液相，惡化直接還原條件，為確定高爐灰與赤泥共還原過程中溫度的影響及最佳的還原溫度，固定還原劑SG 用量30%，還原時(shí)間60 min，磨礦細(xì)度為-74 μm 占64%，弱磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1 T，進(jìn)行了還原溫度對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響試驗(yàn)，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，在一定范圍內(nèi)，溫度越高，共還原效果越好，還原鐵中鐵品位和回收率均上升。當(dāng)還原溫度由1 100 ℃升高到1 200 ℃時(shí)，還原鐵中鐵品位由76.31%增加到91.57%，鐵回收率由82.15%增加到91.02%。繼續(xù)升高溫度，還原鐵中鐵品位和回收率均下降，這可能是由于還原體系在1 250 ℃時(shí)產(chǎn)生了較多液相，阻礙了鐵氧化物的還原和鐵顆粒的聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致還原鐵指標(biāo)變差。因此，確定最佳的還原溫度為1 200 ℃。

2.3 還原時(shí)間對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響

在直接還原過程中，還原時(shí)間對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響也較大［18］。為研究高爐灰與赤泥共還原過程中時(shí)間的影響并確定最佳的還原時(shí)間，固定還原劑SG用量30%，還原溫度1 200 ℃，磨礦細(xì)度為-74 μm 占64%，弱磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1 T，進(jìn)行了還原時(shí)間對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響試驗(yàn)，結(jié)果見圖5。

由圖5 可知，在試驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)，隨著還原時(shí)間的延長(zhǎng)，還原鐵中鐵品位和鐵回收率逐漸增加后基本不變。還原時(shí)間為20 min 時(shí)，還原鐵中鐵品位僅為57.80%，鐵回收率僅為79.02%；當(dāng)延長(zhǎng)還原時(shí)間至60 min 時(shí)，共還原效果較好，還原鐵中鐵品位達(dá)到91.57%，鐵回收率達(dá)到91.02%；繼續(xù)延長(zhǎng)還原時(shí)間，鐵品位和鐵回收率基本不變。因此，確定還原時(shí)間為60 min。

2.4 磨礦細(xì)度對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響

為研究磨礦細(xì)度對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響，固定還原劑SG 用量30%，還原溫度1 200 ℃，還原時(shí)間60 min，弱磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1 T，進(jìn)行了磨礦細(xì)度對(duì)還原鐵指標(biāo)的影響試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

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由表4可知，在一定范圍內(nèi)，隨磨礦細(xì)度的增加，還原鐵中鐵品位先增加后基本不變，但鐵回收率逐漸降低。磨礦細(xì)度（-74 μm 含量）由47%提高至62%過程中，鐵品位由86.61%提高至92.05%，鐵回收率由93.41%降低至92.14%；繼續(xù)增加磨礦細(xì)度至68%，鐵品位保持在90%以上，但鐵回收率降價(jià)至90%以下。綜合考慮，確定磨礦細(xì)度為-74 μm 含量62%為最佳的磨礦細(xì)度，此時(shí)還原鐵中鐵品位為92.05%，鐵回收率為92.14%。

2.5 產(chǎn)品檢查

為確定高爐灰與赤泥共還原—磁選工藝所得產(chǎn)品的物相組成，對(duì)最佳工藝條件下的磁選產(chǎn)品進(jìn)行了XRD分析，結(jié)果見圖7。

由圖6可知，上述條件下所得產(chǎn)品中的主要鐵礦物為金屬鐵，無其他含鐵礦物，純度較高。結(jié)合上文可知，高爐灰與拜耳法赤泥共還原—磁選工藝回收金屬鐵是可行的，且在最佳的共還原—磁選條件下所得還原鐵的鐵品位和鐵回收率分別為92.05%和92.14%，指標(biāo)較好，可以為高爐灰和赤泥的綜合利用提供參考。

3 結(jié) 論

（1）高爐灰可以作為高爐灰與拜耳法赤泥共還原—磁選工藝的還原劑，用于回收赤泥和高爐灰中的鐵資源。

（2）不同種類的高爐灰在高爐灰與赤泥共還原—磁選工藝中的影響不同，其最佳用量及得到的還原鐵指標(biāo)差異較大。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，SG 為還原劑時(shí)得到的還原鐵指標(biāo)較好，HG次之，GG最差。

（3）還原溫度、還原時(shí)間及磨礦細(xì)度均對(duì)還原鐵指標(biāo)有影響，添加30%的SG 為還原劑，在還原溫度1 200℃、還原時(shí)間60 min、磨礦細(xì)度-74 μm 占62%的條件下進(jìn)行高爐灰與赤泥共還原—磁選回收鐵試驗(yàn)，最終可獲得鐵品位92.05%、鐵回收率為92.14%的直接還原鐵。