沉铁渣还原熔炼高温烟化过程渣型研究.pdf

2 0 1 5 年第7 期有色金属 冶炼部分 h t t p t ／y s y L ．b g r i m m 。c n 1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 7 ．0 0 4 沉铁渣还原熔炼高温烟化过程渣型研究 胡宇杰，王宇菲，陈艺锋，沈志农，文平，陈丹妮 湖南工业大学冶金工程学院，湖南株洲4 1 2 0 0 7 摘要对沉铁渣还原熔炼一高温烟化过程的渣型进行研究。结果表明，沉铁渣的熔点介于1i 0 0 ～l2 0 0 ℃，且在C a O ／S i O 。一0 ．7 5 、l ≤F e 2 0 s ／S i O 。≤1 0 和l2 5 0 ℃的条件下，沉铁渣的黏度为0 ．6 ～o ．7P a S ， 流动性较好，铅锌挥发率较高 9 6 ％ ，可以满足烟化炉作业对炉渣性能的要求。 关键词沉铁渣；还原熔炼；烟化；锌；铅 中图分类号T F 8 1 3文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5J 0 7 0 0 1 3 0 4 S t u d yo nI r o nS l a gf o rR e d u c t i v eS m e l t i n g - F u m i n gP r o c e s s H UY u j i e ，W A N GY u f e i ，C H E NY i f e n g ，S H E NZ h i ～n o n g ，W E NP i n g ，C H E ND a n n i S c h o o lo fM e t a l l u r g yE n g i n e e r i n g ，H u n a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，Z h u z h o u4 1 2 0 0 7 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t C h a r a c t e r so fs l a gp r o d u c e db yr e d u c t i v es m e l t i n g f u m i n gp r o c e s st ot r e a ti r o ns l a gw e r es t u d i e d ． T h er e s u l t ss h o wt h a tm e l t i n gp o i n to fs l a gi s 1i 0 0 ～12 0 0 ℃，a n di t sv i s c o s i t yi s0 ．6 ～0 ．7P a Su n d e r t h ec o n d i t i o n si n c l u d i n gC a O ／S i 0 2 0 ．7 5 ，1 ≤F e 2 0 3 ／s i 0 2 ≤1 0a n ds m e l t i n gt e m p e r a t u r eo f12 5 0 ℃．T h e s l a gh a sg o o df l u i d n e s s ，h i g hv o l a t i l i z a t i o nr a t eo fl e a da n dz i n c 9 6 ％ ，a n dc a nm e e tr e q u i r e m e n to f f u m i n gf u r n a c ep r o c e s s ． K e yw o r d s i r o ns l a g ；r e d u c t i v es m e l t i n g ；f u m i n g ；z i n c ；l e a d 近年来，我国铅锌生产行业保持了较好的增长 势头，2 0 1 3 年我国铅锌产量合计9 7 8 万t 1 1J ，但也给 生态环境造成了一定的影响和破坏，严防重金属污 染已成为铅锌行业不可逾越的红线[ 2 ] 。 沉铁渣是铅锌冶炼企业生产过程中产生的主 要固体废物之一，其中锌含量较高，且常含有P b 、 C u 、C o 、A g 等有价金属口] 。沉铁渣的简单堆存不仅 会对环境造成重金属污染，也会造成有价金属资源 和土地资源的严重浪费和损失J 。 目前国内处理沉铁渣的主要方法为烟化炉工 艺，其实质为沉铁渣的还原熔炼一烟化挥发的过 程，即把粉煤与空气的混合物吹人烟化炉的熔渣 层内，使熔渣中的锌、铅化合物还原为金属，并挥 发进入气相，然后在炉上部空间或烟道系统再被 氧化，最后成为氧化锌、氧化铅被捕集于收尘设备 中口] 。该工艺熔炼温度高、反应速度快、生产能力 大，但由于目前缺乏相关理论基础和实验室研究 的支撑，使得工业生产上过于粗放和简单，生产效 果不够理想，其中，废渣含锌仍然较高，金属锌回 收率较低；产出的氧化锌烟灰质量较差，产品合格 率较低等。本文对沉铁渣还原熔炼一高温烟化过 程的渣型展开研究，以探明沉铁渣及其相关渣型 的物化性质，确定沉铁渣还原熔炼一高温烟化工 艺的最优渣型。 1试验原料 试验所用沉铁渣的全分析结果 ％ Z n1 4 ．4 4 、 P b2 ．3 5 、F e2 7 ．4 9 、C U1 ．1 3 、S9 ．0 3 、M n1 ．1 2 、S i 0 2 收稿日期2 0 1 5 0 1 2 6 基金项目湖南省自然科学基金资助项目 1 3 J J 5 0 3 5 ；湖南省教育厅科研基金资助项耳 1 4 C 0 3 4 9 作者简介胡宇杰 1 9 7 6 一 ，男，湖南株洲人，博士研究生． 万方数据 1 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第7 期 3 ．9 9 、C a O1 ．2 5 、A 1 2 0 30 ．7 1 、M g O0 ．4 4 、C o0 ．0 1 、 C d0 ．2 2 、G e0 ．0 0 6 、S b0 ．0 2 、A s0 ．4 6 、I n0 ．0 0 5 。 全分析结果表明，该沉铁渣中铅和锌有较高的 回收利用价值、铁和硫的含量均较高，而C a O 和 S i 0 2 的含量较低，F e 2O 。／S i 0 2 9 ．8 ，C a O ／S i 0 2 0 ．3 1 。 该沉铁渣的X R D 衍射图谱如图1 所示。 A Z n F e ，O O Z n S O ． } 一Z n S 、’- P b S 1 2 l l3 I } 4 J嗣l6 f _ ● 2 们f 。 图1 沉铁渣X R D 谱 F i g ．1 X R Dp a t t e r no fi r o ns l a g 由图1 可知，锌在沉铁渣中主要以铁酸锌的形 态存在，另外有部分锌以硫化锌、硫酸锌、氧化锌和 硅酸锌形态存在。铅主要以硫化铅和硫酸铅的形态 存在。 试验所用焦粉的成分 ％ C8 3 ．0 3 、S1 ．6 2 、 S i 0 29 ．6 6 、C a O0 ．6 4 、M g O0 ．6 4 、A 1 2 0 32 ．4 2 ，粒度 大于0 ．1 2 5m m 。二氧化硅和氧化钙均为化学纯。 2试验方法 称取5 0 0g 沉铁渣 粒度 0 ．1 2 5m m 、水分 2 ％ ，保持渣中氧化铁质量不变，通过配人氧化钙和 二氧化硅的量调节炉渣的钙硅比和铁硅比，焦粉按 W 焦粉／w 渣样一1 ／z ．8 比例配入，充分混匀后置入刚 玉坩埚中，放入1 2k W 井式坩埚电炉中进行熔炼和 烟化试验。试验中，控制炉内温度l2 5 0 ℃，反应时 间1h ，反应结束后断电自然冷却至室温后取出坩 埚，再取出渣样称重、计量和分析。铅、锌的挥发率 分别按照公式1 和2 进行计算。 铅挥发率一 锌挥发率一 堕鼍乒害立堑1 0 0 ％ 1 W l X l l 一 ⋯ 堕』k 穹生墨1 0 0 。A 2 W 1 X 12 一 ⋯ 式中，W ，和w 分别代表沉铁渣和烟化渣的质 量 g ；X ，。和X ，。分别代表沉铁渣中的铅和锌的质 量百分含量 o A ；X ，、X 。分别代表烟化渣中铅和 锌的质量百分含量 ％ 。 利用H R - 1 型熔点测试仪采用试样变形法分别 测定沉铁渣的变形温度、软化温度和流动温度，从而 获得其熔化温度区间。采用R T W 一1 0 型熔体物性 测试仪测定沉铁渣的黏度，密度采用阿基米德法 测定。 3 熔炼一烟化过程的渣型研究 由沉铁渣的化学成分可知，该渣中主要的造渣 成分为F e O 、S i O 。和C a O 等氧化物。试验初期，用 坩埚电炉将沉铁渣升温至12 0 0 ℃保温3 0m i n 左 右，观察到炉渣熔化的速度较慢，流动性较差，说明 该沉铁渣的熔点较高，黏度较大，需通过配料、调整 渣型，以降低炉渣的熔点和黏度。 3 ．1 炉渣体系和熔炼温度的选择 F e O S i O 一C a O 三元渣系状态图表明，C a O 的 初晶区和S i O 的初晶区的熔点都很高，只有在状态 图的中部并且靠近2 F e O S i O 。的一个四边形区域 内组成的炉渣熔点较低 在12 0 0 ℃以下 ，熔炼铅 锌渣的成分范围宜控制在此区域内。 由F e O - S i O 一C a O 三元系在不同温度下的等黏 度曲线图可知，在C a O ／S i O 一0 ．7 ～1 ．0 之间的熔 渣黏度最低，当F e O 含量稳定时，改变C a O ／S i O z 都 将增大熔渣黏度。当C a O ／S i O 。的值固定，增加F e O 含量有利于炉渣黏度的降低。当温度从12 5 0 ℃上 升到13 0 0 ℃时，渣样所处炉渣黏度较小区域 0 ．2P a s 并未明显增大，从节能降耗的角度考虑， 熔炼温度控制在12 5 0 ℃左右较为理想。 由于本试验所用沉铁渣中含C a O 较低，且 C a O ／S i O 。仅为0 ．3 左右，因此在配料计算时，应考 虑适当提高渣中C a O 含量，控制C a O ／S i O 。在0 ．7 ～1 ．0 ，使熔渣具有较小的黏度和适当的酸碱度， 且熔炼温度控制在12 5 0 ℃左右。此外，由于沉铁 渣中的铁含量较高，达到2 0 ％以上，而C a O 和 S i O 含量相对较低，渣型为F e O 含量较高的碱性 渣，因此试验中无需添加氧化铁作为渣型调整剂。 3 ．2 不同配比渣型物化性质研究 根据不同的C a O ／S i O 和F e 。O 。／S i O 值配制了 表1 所示4 种渣型的炉渣，并对4 种渣型的主要物 化性质进行了测试，包括熔点、黏度和密度，结果见 表1 和图2 。 万方数据 2 0 1 5 年第7 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ] ／y s y [ ．b g r i m m ．o n 1 5 表1试验配制的4 种渣型及其熔化温度和密度 T a b l e1F o u rt y p es l a g sa n dt h e i ro f m e l t i n gp o i n ta n dd e n s i t y 芷 、 越 嘏 趔 S 图24 种炉渣的黏度一温度曲线图 F i b2V t s c o s i t y - t e m p e r a t u r ep a t t e r n so ff o u rf l a g 从表1 可看出，在1 ≤F e 。0 3 ／S i 2 ≤1 0 、0 ．3 ≤C a O ／ 0 2 ≤1 的范围内，4 种测试渣型的熔点均在11 0 0 12 0 0 ℃，能够满足烟化作业对渣型熔点的要求。其 中，编号X S - 4 的沉铁渣具有最低的测试熔点，说明本 次试验可通过调整铁硅比和钙硅比等手段降低炉渣 熔点，且烟化作业温度应控制在12 0 0 ℃以上。4 种 渣型的密度介于6 ．3 ～7 ．0g ／c m 3 。随着炉温的升高， 由于渣中粒子运动的加强，质点间距离加大，炉渣的 密度还会有所降低。在烟化过程中，由于不存在金属 熔体与熔渣的分离，因此炉渣的密度对熔炼过程影 响程度不明显。 由图2 可知，在12 0 0 14 8 G ℃的范围内，编号 X S - 2 和X S - 4 的沉铁渣具有较低的黏度，且黏度一 温度曲线变化趋势几乎一致，说明该炉渣在C a ／ S i O 。一0 ．7 5 和1 ≤F e 。0 。／S i O ≤1 0 的条件下均保 持有较好的流动性。 综上可知，编号X S 一1 的沉铁渣熔化性温度虽 然较低，但12 5 0 ℃所对应的黏度达到1 ．5 8P a S ， 流动性最差，需要的烟化温度最高 约13 3 0o C 。 编号X S - 3 的沉铁渣熔化性温度和黏度均相对较 高，需要的烟化温度约为12 9 0o C 。编号X S 一2 和 X S 一4 的沉铁渣的熔化性温度较低，且在l2 5 0 ℃时 所对应的黏度介于0 ．6 ～o ．7P a S ，流动性较好，可 以满足烟化作业对熔渣黏度的要求，是本次试验宜 采用的两种渣型。 4 小型验证试验结果 固定试验条件沉铁渣5 0 0g 、w 焦粉／W 渣榉一 1 ／2 ．8 、熔炼温度12 5 0 ℃、烟化时间1h 。 4 ．1C a O ／S i O 对铅、锌挥发率的影响 在保证F e 2O 。／S i O 。一1 0 的前提下，C a O ／S i 0 2 和铅、锌挥发率的关系如表2 所示。 由表2 可见，在反应条件下，当C a O ／S i O 控制 在0 ．7 ～1 ．0 时，尾渣含锌均小于1 ％，且当C a O ／ S i O 。 0 ．7 5 时，铅和锌的挥发率均达到最大值。当 C a O ／S i O 。 1 时，尾渣中铅、锌的质量分数和挥发率基本 上保持不变，说明此时铁硅比对炉渣的熔点和黏度 影响不大。当F e 。O 。／S i O 1 时，随着炉渣中钙、 硅含量的不断增加，尾渣中铅、锌的质量分数也显著 增加，铅、锌挥发率则显著下降，说明此时炉渣的熔 点和黏度会显著上升，不利于熔炼过程的进行。由 于本次试验所用沉铁渣的铁硅比较高 F e 。O 。／S i O 。 蜘一一一眠呲吼派眩 瓤票燃一 纂蔫黧瓣鳖罢篡鬻攀专篙 鲎攀瓣一 3 一尾 一 表 沁一 蚕I竺筹X嘶 万方数据 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第7 期 约为9 ．8 ，因此在进行配料计算时，不需要再另外 添加氧化铁和二氧化硅作为反应熔剂。 5结论 1 在1 ≤F e 2 0 。／S i O 。≤1 0 、0 ．3 ≤C a O ／S i 0 2 ≤1 的条件下，沉铁渣的熔点介于11 0 0 ～12 0 0 ℃，烟 化作业温度应控制在12 0 0 ℃以上。 2 在C a o ／s i 0 2 0 ．7 5 、1 ≤F e 2 0 3 ／S i 0 2 ≤1 0 的 条件下，沉铁渣具有较小的黏度，且在12 5 0 ℃下， 炉渣的黏度介于0 ．6 ～0 ．7P a S ，流动性较好，铅、 锌挥发率较高，可以满足烟化炉作业对炉渣性能的 要求。 3 本试验所用沉铁渣铁硅比较高，而钙硅比较 低，配料时只需加入氧化钙作为渣型调整剂。 参考文献 [ 1 ] 娄永刚，彭涛．铅锌工业喜中有忧[ J ] ．中国有色金属， 2 0 1 4 9 7 5 7 7 ． [ 2 ] 彭涛．中国铅锌工业现状及发展趋势[ J ] ．中国有色金 属，2 0 1 3 2 2 4 6 4 8 ． [ 3 ] 刘群，谭军，陈启元，等．沉铁渣回收利用中的脱硫试验 研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 2 1 - 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