1.鋼鐵研究總院先進(jìn)流程與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2.鋼研晟華科技股份有限公司

　　1 引言

　　目前，世界上金屬鋅年產(chǎn)量的80%以上采用“焙燒-浸出-電積”的濕法冶煉工藝生產(chǎn)[1,2]。在焙燒過程中，閃鋅礦中的鋅大部分生成ZnO，采用電解液即可溶解，浸出液凈化除雜后進(jìn)行電沉積生產(chǎn)鋅，閃鋅礦中相當(dāng)部分鋅與精礦中鐵結(jié)合生成鐵酸鋅，必須采用高溫高酸條件才能浸出其中的鋅，與此同時(shí)鐵也被溶解浸出。為了實(shí)現(xiàn)鐵鋅分離，按照浸出液除鐵工藝的不同，可以分為針鐵礦法、赤鐵礦法和黃鉀鐵礬法等除鐵工藝[3-9]。

　　黃鉀鐵礬法（jarosite process）是鋅浸出液中的鐵形成黃鐵礬類晶體沉淀而被除去的鋅熱酸浸液除鐵方法。當(dāng)今，世界上濕法煉鋅企業(yè)采用黃鉀鐵礬法工藝除鐵的最多，少數(shù)企業(yè)采用其它方法。熱酸浸出黃鉀鐵礬法的產(chǎn)生工藝是鋅焙燒礦通過中性浸出后得到中性浸出渣，中浸渣經(jīng)過高溫高酸浸出，其中難溶鐵酸鋅和其它尚未溶解的鋅化物發(fā)生分解，此時(shí)溶液中存在大量的鐵離子，為了提高鋅離子的電沉積效果，避免鐵離子產(chǎn)生不利影響，使鐵以黃鉀鐵礬的形式從溶液中沉淀出來，實(shí)現(xiàn)除鐵的目的[10]。

　　中國(guó)鋅產(chǎn)量的85%是采用濕法煉鋅工藝生產(chǎn)的，所有濕法煉鋅中“熱酸浸出-鐵礬除鐵”工藝占到將近50%。黃鉀鐵礬法具有易沉淀析出、溶解度低、過濾性好、試劑消耗少和生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)成為應(yīng)用最廣泛的除鐵方法，但渣量大、渣中有價(jià)金屬含量高、堆存穩(wěn)定性差和離子浸出等是其主要缺點(diǎn)[11?13]。對(duì)于年產(chǎn)10萬噸電鋅的濕法煉鋅廠，每年可產(chǎn)出鐵礬渣約為3~5萬噸。由于當(dāng)前綜合回收技術(shù)問題，一般情況下鐵礬渣堆存在附近渣場(chǎng)。大量鐵礬渣的堆存，不僅占用大量寶貴的土地資源，而且浪費(fèi)其中有價(jià)金屬Pb、Zn、Ag和Cu等二次資源，同時(shí)鐵礬渣在自然堆存條件下Cd、Sb和As等重金屬會(huì)不斷溶出對(duì)地下水和土壤造成嚴(yán)重污染，危害人類健康[14,15]。

　　鐵礬渣的處理方法主要集中在無害化固定處理和有價(jià)金屬回收兩方面。鐵礬渣的無害化固定處理技術(shù)分為還原焙燒?磁選法、高溫?zé)Y(jié)法、高溫水解法和溶劑浸出法等[16?17]。鐵礬渣中的鐵以鐵橄欖石、鐵酸鹽或鐵氧化物等形態(tài)存在，豐富的鐵資源在顏料或建材、微晶玻璃、陶瓷材料等領(lǐng)域得到增值利用，重金屬元素得到有效回收或固化處理。這些工藝由于運(yùn)營(yíng)成本高，只處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未推廣應(yīng)用。當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的鐵礬渣處理工藝主要是煙化法，如韓國(guó)甕山冶煉廠采用兩段 Ausmelt 爐可回收渣中的有價(jià)金屬，該工藝的不足之處是固定投資和運(yùn)行成本較高，且高溫?fù)]發(fā)過程中還會(huì)造成空氣污染。因此，如何經(jīng)濟(jì)有效地處理數(shù)量龐大的濕法煉鋅固廢鐵礬渣，仍然是當(dāng)今有色冶金工業(yè)面臨的重要環(huán)保課題。

　　目前國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)底爐工藝的研究與應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向有色工藝廢渣（銅渣、鎳渣、赤泥等）綜合利用及回收領(lǐng)域。鋼鐵研究總院國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝成功的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了鏈篦機(jī)-轉(zhuǎn)底爐直接還原處理廢有色金屬?gòu)U渣的工藝技術(shù)，該工藝比單純采用轉(zhuǎn)底爐工藝可以減少煤氣消耗30%以上，成本噸成本可以降低200元左右，CO2排放可以減少15%以上，而且生產(chǎn)效率也可以大幅度提高。本文在此基礎(chǔ)上提出采用內(nèi)配碳球團(tuán)直接還原-熔分工藝對(duì)鐵礬渣進(jìn)行鐵和鉛鋅的綜合回收，開發(fā)鐵礬渣含碳球團(tuán)轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝。

　　2 實(shí)驗(yàn)原料和實(shí)驗(yàn)方法

　　2.1 鐵礬渣化學(xué)成分

　　本研究選取某鉛鋅廠濕法煉鋅工藝產(chǎn)生的鐵礬渣，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）、容量法進(jìn)行分析，化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。可以看出，濕法煉鋅工藝產(chǎn)生的鐵礬渣屬于酸性渣，有價(jià)元素包括Fe、Zn、Pb和Ag，脈石成分為CaO、SiO2、MgO和Al2O3，二元堿度CaO/SiO2=0.31。

　 　　　表1 鐵礬渣化學(xué)成分（%）

\　　1）-單位為g/t；2）-H2O為渣場(chǎng)取樣結(jié)果。

　　2.2 鐵礬渣物理性質(zhì)

　　2.2.1 鐵礬渣物理形貌

　　鐵礬渣物理形貌如圖1所示。鐵礬渣是濕法工藝產(chǎn)物，含水量相對(duì)較大，達(dá)到35%以上，渣場(chǎng)形態(tài)為濕土泥塊狀，顏色呈土黃色，強(qiáng)度相對(duì)較差；經(jīng)過120℃鼓風(fēng)干燥箱干燥后，呈現(xiàn)土黃色粉末和致密小塊狀渣；烘干態(tài)渣樣經(jīng)過5s振動(dòng)研磨變成細(xì)粉末狀態(tài)。

　　2.2.2 鐵礬渣粒度分析

　　由于濕法煉鋅工藝前期經(jīng)過磨礦工序，故鐵礬渣粒度較細(xì)，又因干燥試樣密度較輕，導(dǎo)致傳統(tǒng)篩分法無法準(zhǔn)確測(cè)定鐵礬渣粒度。本實(shí)驗(yàn)采用MASTERSIZE2000激光粒度分析儀（試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：ISO 13320；分散劑：純凈水）研究鐵礬渣的粒度分布情況，測(cè)試結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，鐵礬渣平均粒度為2.756μm；粒度小于1μm的比例占15.94%，1-6.31μm的比例高達(dá)70.29%，6.31-10μm的比例占8.03%，大于10μm的比例僅為5.74%。

　　Particle Size (μm)

　　圖2  鐵礬渣粒徑分布

　　2.3 還原劑煤粉和消石灰熔劑

　　2.3.1 煤粉

　　煤基直接還原使用無煙煤，經(jīng)國(guó)家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心分析，結(jié)果如表2所示。還原劑無煙煤固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78.73%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.16%，揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.55%，硫含量為0.28%，P含量幾乎為零，該煤粉符合直接還原用煤的一般要求（GB/T 15224.1-2004），是一種良好的還原劑。灰分采用化學(xué)容量法和分光光度法進(jìn)行成分測(cè)定，灰分主要由SiO2和Al2O3組成，二者之和達(dá)到79.35%。

　　表2 煤粉空氣干燥基化學(xué)成分/%

　　2.3.2 消石灰

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