含铁回收料球团金属化烧结新工艺研究

【摘要】摘要：钢厂含锌粉尘和化工厂硫酸渣具有排量大、含有多种有价金属元素和有害元素及含碳量高等特点,导致难以利用。该类含铁回收料的大量堆存不仅造成二次污染,而且浪费资源。因此,研究该类含铁回收料高效利用新技术,制备出优质高炉炉料,实现其综合利用,将具有重要的现实意义。本文以三种含铅锌粉尘和一种高砷硫酸渣为对象,系统研究了其物理化学性质及工艺矿物学特征。研究了铁氧化物还原和锌、铅氧化物及FeAsO4还原挥发热力学行为；阐明了焙烧过程中锌、铅、砷还原挥发脱除行为,分析了金属化烧结过程脱除锌、铅、砷的可行性。在此基础上开发了“含铁回收料球团金属化烧结新工艺”,研究了烧结料层中锌、铅、砷的迁移规律及其脱除行为,揭示了预还原烧结矿的固结机理。研究所用原料瓦斯灰、干法灰、转炉污泥和硫酸渣的铁品位分别为33.45%、26.40%、56.30%和46.02%；碳含量分别为33.80%、26.50%、0.57%和0.35%；锌含量分别为0.66%、5.77%、2.27%和0.25%；铅含量分别为0.15%、2.25%、0.49%和0.11%。硫酸渣中的砷含量为0.17%。三种含锌粉尘中的锌和铅主要以氧化锌和氧化铅的形式存在,它们主要以游离态吸附在铁氧化物颗粒表面。硫酸渣中的锌和铅主要以硫化物的形式存在,砷主要以FeAsO4的形式存在。因此,采用常规选矿工艺均难以有效脱除原料中的锌、铅和砷。热力学研究表明：当固体碳还原ZnO时,随着温度的升高,ZnO还原对CO含量的要求逐渐降低。当体系温度低于1085℃时,FeO比ZnO更容易还原,当还原温度高于1085℃时,ZnO比FeO更容易还原。PbO极易被还原,在还原温度为800℃时,还原反应所需要的CO/(CO+CO2)比值仅为0.52%。当还原温度为1000℃,只有在弱还原性气氛时,FeAsO4才能还原成As406挥发。若体系中CO/(CO+CO2)比值大于9.39%时,FeAsO4被还原为金属砷挥发。在球团金属化烧结过程中,由于料层中燃烧和预还原带为还原性气氛,最高温度高于1300℃,能够实现铁氧化物的金属化和锌、铅、砷的还原挥发。铁氧化物、氧化锌和氧化铅的还原动力学表明：铁氧化物还原和氧化锌还原挥发的限制环节为界面化学反应控制,其表观活化能分别为43.88KJ.mol-1和7.33KJ.mol-1。氧化铅还原挥发的限制环节为气体扩散控制,其表观活化能为18.22KJ.mol-1。高温快速还原的动力学条件,保证了铁的金属化率及锌、铅、砷的还原挥发。球团金属化烧结新工艺研究表明：在内配无烟煤,生球水分18%,造球时间13min的条件下,得到的生球落下强度、抗压强度和爆裂温度分别为7.4次/0.5m,15N/个和461℃。在总C/Fe为0.5、外配烟煤(内外还原剂按碳量分加比例为50：50)、烧结料层高度400mm及风速0.4m/s的条件下进行鼓风烧结,可得到成品率85.62%、利用系数0.471t·m-2·h-1、转鼓强度81.31%及固体燃耗309.67kg·t-1的良好指标。金属化烧结矿中全铁含量60.53%,金属化率45.23%；Zn、Pb、As含量分别为0.18%、0.015%和0.025%,Zn、Pb、As的脱除率分别为92.78%、96.37%和62.45%。金属化烧结矿总还原度为80.69%,还原粉化指数RDI+3.15为96.45%,是一种优质的高炉炉料。烟气冷凝后得到的粉尘ZnO、PbO和As205含量分别为51.49%、3.15%和1.45%。球团金属化烧结过程中锌、铅、砷迁移规律及还原挥发行为表明：烧结料层可划分为五个反应带：原始料带、过湿带、干燥预热带、燃烧和预还原带和成品矿带。在成品矿带,由于再氧化,球团周围的金属铁被氧化成浮氏体。在燃烧和预还原带,还原剂剧烈燃烧,料层温度迅速升高,最高温度大于1300℃,高温(大于1250℃)保持时间大于5mmin,料层气氛为还原性气氛,烟气中C02含量为12-15%,CO含量为10-13%,02含量为2-5%。球团内为强还原性气氛(球团内C/Fe为0.33),铁氧化物在该带还原成金属铁,ZnO、PbO和FeAsO4在该带还原成金属而挥发。在干燥预热带,料层温度急剧降低,料层气氛为氧化性气氛,金属锌、铅、砷在挥发过程中氧化,其氧化物在该带冷凝聚集,沉积在干燥预热球团表面。随着烧结过程的推进,冷凝在干燥预热球团表面的锌、铅、砷的氧化物经历再还原、再挥发氧化、再冷凝,如此不断反复循环,直至烧结过程结束而转入烟气。金属化烧结矿的固结机理研究表明：金属化烧结矿的宏观结构是呈葡萄状结构,球团被液相粘结在一起。微观结构是球团内部主要以金属铁形成的金属键相互连接,金属铁含量为39.82%；球团之间粘结相主要以液相粘结为主,主要粘结相为浮氏体、铁橄榄石和钙镁橄榄石,其中浮氏体含量为31.95%,渣相含量为24.29%。金属化烧结矿同时以金属键和液相粘结两种形态实现固结。球团金属化烧结新工艺一步实现了铁与铅、锌、砷等有色金属的分离,得到满足高炉炉料要求的预还原产品。新上艺因利用系数较高、对设备要求简单、生产成本低和对原料适应性强,具有良好的工业应用前景。本研究为大规模高效利用含锌粉尘和硫酸渣开辟了一条新的途径。图111幅,表41个,参考文献216篇
【作者】春铁军；
【导师】朱德庆；
【作者基本信息】中南大学，冶金工程，2014，博士
【关键词】含锌粉尘；硫酸渣；球团金属化烧结；锌；铅；砷；

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