摘要：本文簡要介紹了OTS直接還原法——車底爐快速還原工藝處理冶金廢渣，并以銅棄渣、鎳熔融渣和黃鈉鐵釩渣為例對該工藝進(jìn)行了研究和討論。
關(guān)鍵詞：處理冶金廢渣  非高爐煉鐵  OTS工藝  車底爐  直接還原鐵 

引言

       近幾年來，我國“城市礦產(chǎn)”資源開發(fā)的規(guī)模雖然在不斷擴(kuò)大，但利用率依然很低，總體上還達(dá)不到四成，存在極大的提升空間。據(jù)估算，我國每年可以回收利用但沒有回收利用的再生資源價值達(dá)350億～400億美元，每年約有500萬噸左右的廢鋼鐵、20多萬噸廢有色金屬及貴金屬，大量的廢塑料、廢玻璃等沒有回收利用。我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，國產(chǎn)鐵礦石已無法滿足鋼鐵生產(chǎn)的需求，導(dǎo)致多數(shù)大型鋼鐵企業(yè)不得不高價購買澳大利亞、巴西、印度等國的鐵礦石。自2003年以來，我國鐵礦石的供需缺口進(jìn)一步擴(kuò)大，即使在經(jīng)濟(jì)不景氣的2008年，進(jìn)口鐵礦石也達(dá)4.44億t，進(jìn)口依賴度仍然高達(dá)49.5%。此外，我國廢鋼資源嚴(yán)重短缺，造成不少電爐煉鋼廠處于半停產(chǎn)狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年廢鋼缺口達(dá)2000多萬噸。因此，尋找新的鋼鐵原料已是我國鋼鐵工業(yè)迫在眉睫的任務(wù)之一。近年來，針對某些含鐵冶金廢渣，我國相關(guān)科研工作者突破了傳統(tǒng)的選礦—燒結(jié)—高爐流程概念，提出采用先冶后選的方法即“深度還原—高效分選”工藝處理這些冶金廢渣，實(shí)現(xiàn)了鐵的有效富集和資源的綜合利用。該工藝所得的高金屬化率的鐵粉冷壓塊后，不僅可以補(bǔ)充廢鋼資源的不足，而且是冶煉優(yōu)質(zhì)鋼、特殊鋼的優(yōu)質(zhì)原料。

       正是在這樣的背景下，我們經(jīng)過四年多的刻苦鉆研和試驗(yàn)攻關(guān)，推出了OTS還原法即車底爐快速還原工藝體系。該工藝是在隧道窯反應(yīng)罐還原工藝和其它還原工藝的優(yōu)勢基礎(chǔ)上，經(jīng)過一系列的改進(jìn)和優(yōu)化，“以車底快速還原爐為核心、以粒鐵法生產(chǎn)工藝為支撐、以氣氛可控技術(shù)為保障、以自動裝卸料機(jī)組和原料處理磨選礦成套工藝設(shè)備為配套”的OTS還原法體系已經(jīng)形成。該工藝的最大特點(diǎn)就是能夠最大限度的提高冶金廢渣中鐵和有價元素的回收率，并保證較高的金屬化率。

       在本文中，我們選取了有代表性的“三渣”即銅棄渣、鎳熔融渣和黃鈉鐵釩渣的“深度還原高效分離”半工業(yè)試驗(yàn)為例，對該工藝進(jìn)行研究和討論。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原料準(zhǔn)備

       試驗(yàn)選用銅棄渣、鎳熔融渣和黃鈉鐵釩渣為原料，其主要化學(xué)成分見表1.1、表1.2和表1.3，還原劑選用無煙煤，其主要成分見表1.4。另外本試驗(yàn)中還使用了添加劑。

表1.1 銅棄渣的主要化學(xué)成分分析及相關(guān)理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

        還原設(shè)備為唐山奧特斯科技有限公司自行設(shè)計(jì)制造的OTS-8型車底式快速還原爐，它的測溫精度為±5℃。另外本試驗(yàn)還使用了XCGS—73型ф5 0磁選管和XMQ—ф240×90錐形球磨機(jī)等設(shè)備。

1.3 試驗(yàn)過程

        采用裝料模具，將礦物和還原劑及一定量的添加劑混合均勻造球后，平鋪在臺車表面上，然后進(jìn)入車底爐內(nèi)，經(jīng)過預(yù)熱、高溫還原、出爐。物料出爐后，直接進(jìn)行水淬處理，水淬后的物料經(jīng)磨礦磁選得到產(chǎn)品——還原鐵粉。在對產(chǎn)品進(jìn)行Fe、Ni含量化驗(yàn)檢測后，還對產(chǎn)品進(jìn)行了XRD物相分析及SEM形貌觀察及EDS能譜分析，用以研究還原機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 銅棄渣

        通過反復(fù)研究和實(shí)驗(yàn)，利用車底爐還原，在還原溫度1200℃~1300℃，還原時間100~120min，實(shí)驗(yàn)表明采用1#添加劑配方，結(jié)合弱磁和強(qiáng)磁復(fù)合磁選技術(shù)的效果最好，其弱磁精礦鐵含量達(dá)到95.44%，回收率達(dá)91.50%，金屬化率達(dá)96.19%。
 

表2.1銅棄渣半工業(yè)試驗(yàn)后的產(chǎn)品檢測分析

2.2 鎳熔融渣

       通過試驗(yàn)可以得出，采用2#添加劑配方，在還原溫度1150℃~1250℃，還原時間100~120min的條件下，采用車底爐進(jìn)行還原并結(jié)合磁選技術(shù)，鎳的回收率最高，達(dá)到99.68%，精礦的全鐵品位90~93%，金屬化率97%以上。

表2.2鎳熔融渣半工業(yè)試驗(yàn)后的產(chǎn)品檢測分析

2.3 黃鈉鐵釩渣

        通過試驗(yàn)的研究，黃鈉鐵礬渣在還原的前期需要首先進(jìn)行分解反應(yīng)，只有渣中的Ni、Fe、Cu物相轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸锖蟛拍芘c還原劑發(fā)生反應(yīng)進(jìn)行還原，因此為了能夠使得物料還原徹底，在還原的前期需要一段足夠時間的低溫焙燒階段，低溫焙燒后的物料在還原溫度1150℃~1250℃，還原時間120~180min的條件下，采用車底爐進(jìn)行還原并結(jié)合磁選技術(shù)，Ni的回收率最高，達(dá)到95.01%，鐵粉的金屬化率最高可達(dá)94.67%。

表2.3黃鈉鐵釩渣半工業(yè)試驗(yàn)后的產(chǎn)品檢測分析

 

3 還原機(jī)理分析

       銅棄渣主要成分是鐵硅酸鹽和磁性氧化鐵，鐵橄欖石（2FeO•SiO2）、磁鐵礦（Fe3O4）及一些脈石組成的無定形玻璃體。熔煉渣中的銅主要以冰銅或單純的輝銅礦（Cu2S）狀態(tài)存在，幾乎不含金屬銅，多見銅的硫化物呈細(xì)小珠滴形態(tài)不連續(xù)分布在鐵橄欖石和玻璃相間。與銅棄渣相似，鎳熔融渣中的鐵物相基本也是以鐵橄欖石（2FeO•SiO2）相存在。黃鈉鐵釩渣為大分子聚合物，低溫焙燒分解后主要成分為Fe2O3，NiO，CuO，H2O等物質(zhì)。

       根據(jù)銅、鎳、鐵氧化物還原的吉布斯自由能可知，銅、鎳和鐵都很容易還原，其中鎳在500℃左右時就開始還原，鐵緊隨其后；而SiO2、MgO等脈石氧化物的還原溫度都在1300℃以上。因此，可利用鎳和鐵氧化物先還原的特點(diǎn)，控制還原溫度，使得脈石氧化物還未開始還原，而銅、鎳和鐵已經(jīng)得到徹底還原。經(jīng)過深度還原后再經(jīng)磁選分離，鎳鐵便能與脈石成分等雜質(zhì)分離。而整個還原過程中的難點(diǎn)在于鐵橄欖石的還原，因?yàn)殍F橄欖石還原反應(yīng)是個強(qiáng)吸熱過程，而且反應(yīng)開始溫度高，反應(yīng)速度慢。對于上述銅棄渣和鎳熔融渣而言，鐵橄欖石的還原是整個還原過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此為了加過還原速度，降低還原溫度，通常需要加入一定的添加劑來促進(jìn)鐵橄欖石的還原。

      可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)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 

 
圖1  黃鈉鐵釩渣還原試樣精礦XRD物相分析圖譜

圖2  銅棄渣還原試樣精礦XRD物相分析圖譜                圖3  車底爐還原產(chǎn)品——冷壓塊

4 結(jié)論

     （1）應(yīng)用OTS還原法能夠?qū)崿F(xiàn)對銅棄渣的還原處理，能夠最大限度的實(shí)現(xiàn)鐵的回收，還原鐵的全鐵品位95.44%，回收率達(dá)91.50%，金屬化率達(dá)96.19%。

     （2）應(yīng)用OTS還原法能夠?qū)崿F(xiàn)對鎳熔融渣的還原處理，鐵的回收率達(dá)到92.10%，Ni的回收率達(dá)到99.68%，還原鐵的全鐵品位90.50%，金屬化率97.01%。

     （3）應(yīng)用OTS還原法能夠?qū)崿F(xiàn)對黃鈉鐵釩渣的還原處理， Ni的回收率達(dá)到95.01%，鐵粉的金屬化率最高可達(dá)94.67%。

     （4）OTS還原法由于其本身的特點(diǎn)，除了能夠?qū)崿F(xiàn)對上述“三渣”的還原處理之外，還能夠?qū)ζ渌推肺粡?fù)雜難選礦、多金屬伴生礦以及冶金廢渣等鐵系氧化物進(jìn)行深度還原高效分離的處理，并能保證產(chǎn)品的較高的金屬化率和有價元素的回收率。

     （5）OTS還原法壓塊工藝的冷壓塊產(chǎn)品見圖3所示，該產(chǎn)品達(dá)到了國家規(guī)定的H92及H94產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

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