硫酸渣磁化焙烧过程中铁的转化规律及分离试验研究①_张汉泉.pdf

硫酸渣磁化焙烧过程中铁的转化规律及分离试验研究 ① 张汉泉， 高王杰， 蔡 祥， 刘承鑫， 殷佳琪， 郭泽明， 余 洪 武汉工程大学 兴发矿业学院,湖北 武汉 430205 摘 要 采用磁化焙烧-磁选工艺回收硫酸渣中的铁,考察了焙烧温度、焙烧时间、煤粉用量以及磨矿细度等因素对铁精矿质量的影 响,最终确定了焙烧温度 750 ℃、焙烧时间 50 min、还原剂煤粉用量 8％为最佳焙烧条件。 物相分析结果表明,磁化焙烧后硫酸渣中 的铁主要以磁铁矿形式存在。 焙烧矿磨矿细度为-0.045 mm 粒级占 87.31％时,采用一粗一扫闭路磁选工艺可获得铁品位 65.58％、 回收率 96.99％的铁精矿,且精矿中的铁 99％为磁性铁。 关键词 硫酸渣； 磁化焙烧； 磁选； 铁精矿 中图分类号 TD925文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2018.04.010 文章编号 0253-6099201804-0041-04 Reclaiming of Iron Resource from Sulfuric Acid Slag by Magnetizing Roasting-Magnetic Separation and Transation of Iron Phase Therein ZHANG Han-quan, GAO Wang-jie, CAI Xiang, LIU Cheng-xin, YIN Jia-qi, GUO Ze-ming, YU Hong School of Xingfa Mining Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, Hubei, China Abstract A flowsheet of magnetizing roasting-magnetic separation was introduced to reclaim iron resource from sulfuric acid slag. After analyzing the influence of processing factors such as roasting temperature, roasting time, dosage of anthracite and grinding fineness on the quality of iron concentrate, the best roasting conditions were determined, including roasting time of 50 min, roasting temperature of 750 ℃, and dosage of anthracite of 8％. The phase analysis shows that, after magnetizing roasting, the main iron mineral is magnetite. Using a closed-circuit magnetic separation with one stage of roughing and one stage of scavenging to treat the roasted product grinded to -0.045 mm 87.31％, the iron grade and recovery of the concentrate reached 65. 58％ and 96. 99％, respectively, and magnetic iron in the concentrate accounted for 99％ of the total iron resource. Key words sulfuric acid slag； magnetizing roasting； magnetic separation； iron concentrate 硫酸渣为黄铁矿经高温焙烧制取硫酸后产生的含 铁废渣［1］。 经分析,传统的硫酸生产工艺产生的废渣 铁平均品位 50％左右,但渣中化学成分变化大,铁矿 物颗粒较细,嵌布复杂［2］,采用一般的选矿方法很难 回收其中的铁,导致硫酸渣不能直接被炼铁工业利用, 从而成为废渣,破坏环境,浪费资源。 因此,开发出能 回收硫酸渣中铁的有效方法成为硫酸生产企业迫切的 愿望［3-4］。 相关研究表明,硫酸渣作为二次资源可用作制备 含铁颜料、水泥工业的助溶剂、制成烧渣砖用作建筑材 料、制备磁铁精矿、提取有用金属等［5-7］。 还有研究者 采用硫酸渣制备成催化剂用作处理废水等［8］。 但利 用规模与其堆存量之间还有较大差距。 其中磁化焙 烧-磁选分离方法可以大量处理硫酸渣,提高硫酸渣中 铁的品位［9-11］。 本文采用磁化焙烧-磁选工艺对某硫 酸渣进行了试验研究,详细分析了硫酸渣的元素组成、 粒度组成及铁分布率、铁物相组成及转化规律等,探讨 了磁化焙烧的工艺条件,在最佳工艺条件下,进行了闭 路试验,可为企业综合利用硫酸渣提供实践指导。 1 试验原料及试验方法 1.1 试验原料 硫酸渣矿样取自某硫酸生产企业,试样为粉 样,紫红色,其化学多元素分析结果见表 1,粒度及铁 ①收稿日期 2018-01-16 基金项目 国家自然科学基金51474161；湖北省教育厅科学技术研究项目B2017055；武汉工程大学科学研究基金项目K201735 作者简介 张汉泉1971-,男,湖北浠水人,博士,副教授,主要研究方向为矿产资源综合利用。 通讯作者 余 洪1986-,男,四川达州人,博士,主要研究方为矿产资源综合利用。 第 38 卷第 4 期 2018 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №4 August 2018 ChaoXing 分布率见表 2。 表 1 硫酸渣化学多元素分析结果质量分数 / TFeFeOSCuPAsSiO2Al2O3CaOMgO 56.111.090.850.290.035 ＜0.017.610.793.313.51 表 2 硫酸渣粒度筛析 粒级/ mm产率/ ％TFe 品位/ ％铁分布率/ ％ ＋0.074 18.4147.9715.74 -0.074＋0.04532.52 57.2533.18 -0.045＋0.0380.87 59.070.91 -0.038＋0.02510.40 59.1510.96 -0.025 37.8058.2139.21 合计100.0056.11100.00 由表 1 可得,硫酸渣中铁品位为 56.11％,其中 TFe/ FeO 比值为 51.47,大于 3.5；碱性系数CaO ＋ MgO / SiO2 ＋Al 2O3为 0.81,此渣为半自熔性铁矿渣。 需要排除的主要造渣组分为 SiO2,其次为 MgO。 硫酸 渣中有害杂质 P 含量较低。 从表 2 可以看出,硫酸渣样中-0.074 mm 粒级含 量为 81.59％,铁分布率 84.26％,表明硫酸渣样中铁嵌 布粒度较细,无需破碎即可直接进行磁化焙烧。 物相分析发现,硫酸渣中铁矿物主要为磁铁矿及 赤铁矿,可见少量磁黄铁矿、微量黄铁矿及褐铁矿等。 其中,赤铁矿约占 50％,以不规则粒状为主,少量为半 自形针状或板状结构,部分不规则粒状赤铁矿集合体 呈胶状结构,半自形赤铁矿交代磁铁矿为主,局部交代 磁铁矿完全呈残余或假象结构,少见赤铁矿单晶体,与 磁黄铁矿、褐铁矿及透明矿物等连生,集合体粒径 0.002～0.2 mm。 磁铁矿约占 12％,不规则粒状,少量 为单晶体,磁铁矿多与赤铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿及透 明矿物等连生,粒径 0.002～0.2 mm。 磁黄铁矿少量, 为不规则粒状,与磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿及透明矿物 等连生,粒径 0.002～0.1 mm。 褐铁矿少量,为不规则 粒状或胶状集合体,与赤铁矿、黄铁矿及透明矿物等连 生,集合体粒径 0.002～0.02 mm。 磁化还原焙烧试验所用固体燃料为煤粉,热值 25.307 kJ/ g,其工业分析指标见表 3。 表 3 试验用煤粉工业分析结果质量分数 / 水分挥发分灰分固定碳硫 7.729.0710.1152.590.64 1.2 试验方法 1.2.1 焙烧原理 褐铁矿加热到 300～400 ℃时,还原反应即开始进 行,并显示出磁性增强,但还原速度慢。 温度达到 570 ℃ 后可完成磁化焙烧过程,其化学反应为 3Fe2O3＋ CO→ 2Fe3O4＋ CO2 3Fe2O3 ＋ H 2 → 2Fe3O4 ＋ H 2O 1.2.2 磁化焙烧-磁选工艺流程 磁化焙烧-磁选工艺流程如图 1 所示。 将煤粉按 一定质量比加入硫酸渣中,充分混匀后,将物料置于马 弗炉内在确定的温度下焙烧一段时间后,将焙烧产物 取出进行水冷,冷却后物料进行磨矿,磨矿后调节矿浆 浓度,再进行磁选。 其中磁选采用一粗一扫流程。 原矿 磨矿 磁 选 磁选精矿磁选尾矿 焙烧 图 1 磁化焙烧-磁选试验流程 2 结果与讨论 2.1 焙烧温度 煤粉添加量 8％,焙烧时间 50 min,焙烧后磨矿, 磨矿细度-0.045 mm 粒级占 87.31％,粗选磁场强度 144 kA/ m,脱磁后扫选磁场强度 120 kA/ m,焙烧温度 试验结果见图 2。 焙烧温度/℃ 66 65 64 63 100 98 96 94 92 90 88 650700750800850 Fe品位/ Fe回收率/ ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● 图 2 焙烧温度对磁选铁精矿品位及回收率的影响 由图 2 可以看出,随着温度升高,铁精矿品位先逐 步上升, 随后急剧下降, 在 750 ℃ 时达到最大值 65.83％；铁精矿回收率与铁品位有相同的变化趋 势,先升高后降低,在 800 ℃时达到最大值98.80％。 综合考虑铁精矿品位和回收率以及能耗等因素,选取 750 ℃进行后续的焙烧试验。 2.2 焙烧时间 焙烧温度 750 ℃,其他条件不变,焙烧时间试验结 24矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing 果见图 3。 焙烧时间/min 66 65 64 63 100 99 98 97 96 95 94 20304050706080 Fe品位/ Fe回收率/ ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● 图 3 焙烧时间对磁选铁精矿品位及回收率的影响 由图 3 可知,随着焙烧时间增加,精矿中 Fe 回收率 总体变化较小,但铁品位在50 min 时达到最大65.45％。 在初始焙烧阶段即可达到较好的分选指标,这是由于 硫酸渣粒度较细,反应物接触面积大,气固反应迅速。 在 50 min 后,精矿铁品位和回收率降低,表明 50 min 时已反应完全。 因此选用焙烧时间 50 min,此时精矿 TFe 品位 65.45％,回收率 98.80％。 2.3 煤粉用量 焙烧时间 50 min,其他条件不变,煤粉用量试验结 果见图 4。 煤粉添加量/ 66.0 65.5 65.0 64.5 64.0 100 90 80 70 60 50 40 30 4681012 Fe品位/ Fe回收率/ ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● 图 4 煤粉用量对磁选铁精矿品位及回收率的影响 由图 4 可知,随着煤粉用量增加,铁精矿品位先迅 速上升,在配比为 8％时达到最大值65.75％,随后迅 速下降；而铁精矿回收率则先缓慢上升,在煤配比为 8％ 时达到最大值97.51％,随后缓慢下降。 主要原因可 能是煤粉用量过少时,还原气氛不够,反应不完全,随着 煤粉用量增加,反应进行的程度增大,而当煤粉配比达 到一定值后,还原剂过量,导致过还原,使强磁性的 Fe3O4形成弱磁性的 FeO,从而使精矿回收率逐渐变 小［12］。 从铁精矿品位和回收率以及能耗等综合因素 考虑,选取煤配比 8％,此时精矿铁品位 65.75％,回收 率 97.51％。 2.4 磨矿细度 煤粉加入量 8％、焙烧温度 750 ℃、焙烧时间 50 min 条件下进行焙烧获得焙烧矿,考察了焙烧矿磨矿 细度对磁选的影响。 粗选磁场强度 144 kA/ m,脱磁后 扫选磁场强度 96 kA/ m,试验结果见表 4。 表 4 磨矿细度对磁选铁精矿品位及回收率的影响 磨矿细度产品名称产率/ ％TFe 品位/ ％回收率/ ％ -0.075 mm 74.27％ 精矿86.0662.5195.88 尾矿13.9416.584.12 给矿100.0056.11100.00 -0.075 mm 86.38％ 精矿85.9363.7197.57 尾矿14.079.692.43 给矿100.0056.11100.00 -0.045 mm 74.55％ 精矿84.2265.1497.77 尾矿15.787.932.23 给矿100.0056.11100.00 -0.045 mm 87.31％ 精矿82.9865.5896.99 尾矿17.029.923.01 给矿100.0056.11100.00 -0.045 mm 93.14％ 精矿83.4164.6496.09 尾矿16.5913.223.91 给矿100.0056.11100.00 -0.025 mm 95.43％ 精矿82.4365.2295.81 尾矿17.5713.384.19 给矿100.0056.11100.00 由表 4 可知,随着磨矿细度增加,磁选铁精矿产率 不断下降,但铁精矿品位逐渐上升,总铁回收率下降。 未经磨矿的焙烧矿粗颗粒所占比例较高,直接磁选与 采用磨矿后磁选铁矿产率相差不大,但品位较低,铁回 收率降低。 磨矿细度-0.045 mm 粒级占 87.31％时,铁 精矿品位达到最大值65.58％,此时铁精矿回收率为 96.99％。 2.5 矿样焙烧前后铁物相分析 矿物在高温下经过焙烧后,其晶体结构可能发生 变化。 最优条件下焙烧前后物料的 XRD 分析图谱见 图5,物相分析结果见表5。 由图5 可知,硫酸渣样中铁 物相主要以 Fe2O3形式存在,并包含有少量的磁铁矿和 黄铁矿,脉石主要为石英、白云石及硫酸钙等。 原矿中 的赤铁矿经磁化焙烧后,赤铁矿峰减弱,出现磁铁矿峰, 焙烧后的样品中铁物相主要以 Fe3O4形式存在,磁性显 著提高。 而原矿中少量的铁白云石峰消失,说明焙烧过 程中铁白云石分解,分解产物 Fe2O3被还原成 Fe3O4有 利于磁选。 由于该矿为硫酸烧渣,故矿物中还存在部 分黄铁矿,经过焙烧后,该物相也发生了转变,与之对 应的是在焙烧矿中出现了多水铜铁钒。 从表 5 可以看 出,硫酸渣经磁化焙烧后,铁主要以磁性铁为主,含量 占 95％以上,经过磁选后,铁精矿 99％为磁性铁。 34第 4 期张汉泉等 硫酸渣磁化焙烧过程中铁的转化规律及分离试验研究 ChaoXing 2010304050607080 2 / θ Do Ch Gu Ma Ch Gu Ma Ch He Ma Ch Ma Ch Ma Ch Ma He He An An An An Py Py He Py He An Py He An Ma He Do Qu He Do Ma He He An Do Qu Qu Ma Ma Ma He Fe2O3 Py FeS2 Qu SiO2 Ma Fe3O4 Do CaMgCo32 An CaSO4 An Mg0.43Fe0.588Cr1.19Al0.77Ti0.038O32 Gu CuFe3SO42OH4H2O a 20103040506070 2 / θ b Ma Fe3O4 He Fe2O3 图 5 硫酸渣焙烧前后 X 射线衍射图谱 a 焙烧前； b 焙烧后 表 5 焙烧矿铁物相分析结果 铁物相品位/ ％分布率/ ％ 磁性铁中铁54.4395.02 碳酸铁中铁0.430.75 氧化铁中铁1.011.76 硫化铁中铁1.282.23 硅酸铁中铁0.130.24 合计57.28100.00 2.6 闭路试验 对硫酸渣进行了磁化焙烧-磨矿-磁选闭路试验, 试验条件为磁化焙烧温度 750 ℃,焙烧时间 50 min, 煤粉添加量 8％,焙烧矿磨矿细度为-0.045 mm 粒级占 87.31％。 闭路试验结果见图 6。 由图 6 可得,硫酸渣 经过高温焙烧后,有所损失,这部分损失主要是烧失量 导致。 最终,硫酸渣通过闭路试验可以得到铁品位 65.48％、铁回收率 94.23％、产率 80.75％的磁选铁精矿。 3 结 论 1 某硫酸渣化学分析表明,铁品位为 56.11％。 矿样中的铁主要以赤铁矿和少量磁铁矿存在,且嵌布 粒度较细。 硫酸渣焙烧矿分析表明,铁主要以磁性铁 的形式存在,矿物磁性得到显著提高。 2 硫酸渣TFe 品位 56.11％在焙烧温度 750 ℃、 焙烧时间 50 min、还原煤粉配比 8％条件下焙烧,焙烧矿 磨矿 磁 选1 铁精矿 磁化焙烧 56.11 100.00;100.00 57.28 97.65;99.68 41.50 38.03;28.13 65.48 80.75;94.23 磁 选2 尾矿 18.09 16.90;5.45 60.23 21.13;22.68 57.80 118.78;122.37 硫酸渣 Fe品位 产率;Fe回收率 图例 -0.045 mm占87.31 图 6 硫酸渣磁化焙烧-磨矿-磁选闭路试验流程 磨矿至-0.045 mm 粒级占 87.31％时,通过闭路试验可以 得到铁品位 65.48％、铁回收率 94.23％、产率 80.75％的 磁选铁精矿,且 99％的铁为磁性铁。 参考文献 ［1］ 尤大海,张亚辉. 含金硫酸渣硫酸盐化焙烧氯盐浸出试验研究［J］. 黄金, 20161 67-71. ［2］ Zhang Hanquan, Lu Manman, Hu Dingguo. 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