钢铁厂含锌铅粉尘中锌铅分离的半工业试验.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年6 期 7 钢铁厂含锌铅粉尘中锌铅分离的半工业试验 李明阳1 ，张丙怀1 ，阳海彬1 ，唐元位2 1 ．重庆大学材料科学与工程学院，重庆4 0 0 0 4 4 ；2 ．湖南鑫利冶金化工有限公司，祁阿4 2 6 1 0 0 摘要在实验室实验成功的基础上，采用铝浴熔融还原法对钢铁厂含锌铅粉尘中锌铅分离进行了半工业 性试验研究，试验结果表明铝浴法处理含锌铅粉尘可一次性直接得到较高品位的氧化锌粉，并对该工 艺进行了经济效益分析。 关键词含锌铅粉尘；锌铅分离；铝浴熔融还原 中围分类号T F S l 3 文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 5 0 6 0 0 0 7 0 3 S e m i - i n d u s t r i a lS t u d yo nt h eS e p a r a t i o no fZ n - P bi nt h e Z n - P b - c o n t a i n i n gD u s t sC o m i n gf r o mt h eS t e e lP l a n t L IM i n g y a n 9 1 ，Z H A N Gb i n g h u a i l ，r A N GH a l b i n l ，T A N GY u a n w e l 2 1C o l l e g eo f M a t e r i a lS c i e m c ea n d E n g l n e e r i r g 。C h o n g q i n g U n i v e r s l t y ，C h o n g q i n g4 0 0 0 4 4 ，C h i n a 2H u m a nX i n l iM e t a l l u r g i c 皿dC h e m i c a lE n g i n e e r i n gL i m i t e dC o m p a n y ．Q i y a n g4 2 6 1 0 0 ．C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h es u c c e s so fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，s e m i i n d u a t r i a le x p e r i m e n t s ，w h i c hu s e da l u m i n i u m b a t hs m e l t i n gr e d u c t i o n ，w e r ec a r r i e dO U tf o rs e p a r a t i n gZ n P bi nZ n P b c o n t a i n i n gd u s t so fs t e e l m a k i n gp l a n t T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tu s i n ga l u m i n i u mb a t hs m e l t i n gr e d u c t i o nt ot r e a tZ n - P b c o n t a i n i n gd u s t s c a nd i r e c t l yg e th i g h e rl e v e lZ n O p o w d e rb ys i n g l e - s t e pp r o c e s s ．T h ee c o n o m i cp r o f i t a b i l i t yf o rt h ep r o c e s si sa l s o a n a l i z e d ． K e y w o r d s Z n P b c o n t a i n i n gd u s t s ；S e p a r a t i o no fZ n P b ；A l u m i n i u mb a t hs m e h i n gr e d u c t i o n 含锌铅粉尘主要来源于含锌铅较高矿石的高炉 粉尘和电炉粉尘。郭兴忠．1J 等利用锌、铅及其氧化 物的物理化学性质的差异，对湖南某冶金公司生产 富锰渣的锰矿高炉炉尘进行一次性处理的实验室实 验获得成功，得到较高品位氧化锌粉和富铅铁渣。 作者在此基础上采用相同的实验原理对该公司的含 锌铅粉尘进行半工业性试验研究。结果和实验室一 样，实现了含锌铅粉尘中锌铅的一次性分离，得到了 较高品位的氧化锌粉和富铅铁渣。 1 试验设备及方法 1 ．1 试样制备及试验装置 试验采用公司高炉粉尘，其化学成分为 ％ 作者简介李明阳 1 9 8 1 一 ，男．广西南丹人．硕士研究生 Z n2 0 ．9 8 、P b8 ．7 8 、F e3 ．8 1 、C4 ．6 3 、S i O ，1 3 ．3 5 、 C a O1 ．4 0 、A l ， 2 0 ．5 、M g O1 3 ．5 。 制样时，将粉尘与粘结剂 褐煤 N a O H 及焦 粉按一定比例混匀，用造球机造球，制成大约4 ～1 0 r a n l 的球团，自然风干后进行试验。 试验装置如图1 所示，为自行设计的一套完整 的试验装置，其中，感应电炉 1 5 0k g 最大功率1 0 0 k w 。风机2 ．2k W ，24 0 0r ／r a i n ，石墨内衬直径2 5 0 m n l ，高5 0 0m m 。 1 ．2 试验方法 为进行比较采用3 种方法 1 直接还原法 相对于铝浴法和铜浴法而言 ， 待炉温升高到试验所需温度时将制备好的球团直接 加入到还原炉中进行还原，还原产生的锌蒸气在氧 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年6 期 化室氧化后，在收尘室收集。 3 l 一感应炉；2 一蒸汽分配饭；3 一氧化室；4 一水冷装置；5 一冷却臂；6 一祝降塞；7 ～布袋收尘室；8 一闸阿；9 一抽风机 图1 半工业性试验装置示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd r a w i n go fs e m i - i n d u s t r i a le x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 2 铝浴法，称一定量的废铝加入感应炉中加热铅分离。直接还原法收集的氧化锌粉中Z n O 含量 熔化，待温度升高到所需温度时将制备好的球团加也在9 0 ％左右，但P b O 含量也很高，渣中Z n 含量波 入到熔融的铝液中进行还原、氧化、收集氧化锌粉。动很大，且不成规律，而P b 含量却比铝浴法低，说 3 铜浴法，和铝浴法类似，将制备好的球团加明直接还原法不利于P b 的富集．难以实现锌铅分 人到熔融的铜液中进行还原，氧化、收集氧化锌粉。离。至于铜浴法，从试验结果来看收集的氧化锌粉 2 试验结果及分析 试验结果见表1 。铝浴法收集的氧化锌粉中 Z n O 含量在9 0 ％以上，最高达9 4 ．0 9 ％，P b o 含量 3 ％～6 ％ N 1 和N 2 收集物中Z n O 含量偏低是因为 是第一、第二炉，收集物中混入杂质较多 。按 Y B 8 1 0 7 7 标准- 2 1 属于一级氧化锌粉 副产品类 。 残渣中P b 含量较高，最高达1 5 ．5 4 ％，基本实现锌 中Z n O 的含量也很高，最高达到9 5 ．2 1 ％，P b O 的含 量也略低于铝浴法，而且成分比较稳定。单从产品 的收得和品位来看，铜浴法和铝浴法所得到的氧化 锌粉属于同等级的氧化锌粉。但考虑铜比铝要贵得 多，且试验中铜的消耗量远大于铝，因此，从生产成 本的角度出发，采用铝浴法优于铜浴法。从以上的 分析可知采用铝浴法处理含锌铅量较高的冶金粉尘 的工业性生产是可行的。 表1 试验结果 T a b l e1T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fs m e l t i n gr e d u c t i o n 3 讨论与分析 3 ．1 铝浴法的热传导分析 文献[ 1 ] 证明锌铅分离需要低温快速还原。本 试验中采用的铝浴有很好的导热作用，以下为铝浴 传热模型计算。根据球团非稳定态的导热微分方 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年6 期 程[ 2 ] c 矿万O T 芦1 杀 以雾 磬 q 洲- 式中T 一温度；￡一时间；p 一球团密度， k g ／m 3 ；C 。一球团热容，J ／ K - m o [ ；A 一球团有效 热传导系数，w ／ m K ；q t 一球团的内热源， W ／m 3 。 球团有效热传导系数 用下式表示 ”4 ] n 。 1≠ ， 2 ≠ 1 一日3 3 印 2 1 一口 3 式中≯一球团的空隙率，A ，一球团中气体的热 传导系数，A ；一固体成分的热传导系数，口一立方体 模型的单元结构中心长度，} 为自由结构参数 0 ≤ } ≤1 。 内热源q t m T 式表示【4J m ，钏o o 急鲁鼍掣 4 式中R z ． ～、f 一球团中氧化锌与时间和径向 有关的还原分数函数；M m 一氧化锌的摩尔质量， g ／m o l ；w z 。o 一球团中氧化锌的质量，g ；V 。一球团 体积，m 3 。 在给定一系列的初始及边界条件_ 4 1 后对采用 该热传导方程建立的数学模型进行求解 求解过程 略 得出铝浴存在可加快球团的升温速度，尽快缩 短其内部温度的分布，表现出较强的传热能力。因 此，有铝浴存在．可以实现低温快速还原。 3 ．2 还原时间对锌铅分离的影响 从表1 可知，铝浴法条件下，半工业性试验的收 集物中Z n O 含量在9 6 m i n 时达到最大．随时间的延 长有所降低。从表中也可看出随着时间的增加，渣 中P b 含量降低，即P b 或P b O 的挥发率增加，导致 收集物中P b O 含量增加Z n O 含量降低。 3 ．3 还原温度对锌铅分离的影响 从表1 可以看出，铝浴法条件下，随着温度的升 高收集物中Z n O 含量降低，而P h O 含量则增加。最 佳的还原温度是11 0 0 ℃，此温度下锌的挥发率和铅 的富集率都处于一个较高水平。这与文献[ 1 ] 介绍 的11 0 0 ℃一致。 3 ．4 球团入炉量对氧化锌粉中Z n O 含量的影响 从表1 可知，铝浴法条件下，当加入量逐渐增 加，收集物中Z n O 含量逐渐增高，可以预见当球团 加入量增加会提高收集物中Z n O 的含量。作者推 测工业规模生产的氧化锌粉应比试验室及半工业性 试验所得的氧化锌粉品位高。 4T E M 测试及分析 试验所得氧化锌粉T E M 测试结果如图2 所 示。从图2 可以看出，氧化锌颗粒为棒状，直径约为 5 0 - - 1 5 0n m ，长度约为0 ．4 ～1 ．0 “m 。根据纳米材 料的定义，三维空问中至少有一维处于纳米尺度范 围 小于1 0 0a m ，即属于纳米级，因此所得的氧化 锌粉可归为纳米级的氧化锌粉，即纳米棒。 ．图2 半工业性试验铝浴法氧化锌粉T E M 图 F i g ．2T E Mp h o t oo fZ n Op o w d e rb y a l u m i n i u mb a t hm e t h o di n s e m i - i n d u s t r i a le x p e r i m e n t 6 8 0 0 5 经济效益分析 采用半工业性试验获得的参数，对铝浴法处理 含锌铅粉尘进行经济效益分析。首先进行以下假 设工业性生产的单位电耗与半工业性试验相同；炉 周期为2h ；所得氧化锌粉Z n O 含量和粒度与半工 业性试验相同；工业性生产和半工业性试验氧化锌 收得率相同；工业性生产规模为半工业性试验的2 0 倍。试验中锌收得率约为8 5 ％，粉尘中锌含量 2 0 ．9 8 ％，则生产1t 氧化锌粉需要粉尘5 ．6 1t 。褐 煤加入量为6 ％、焦粉为1 ．5 ％、氢氧化钠为2 ．3 ％。 铝耗因为铝仅为还原反应提供液相，起传热作用， 消耗约为1 ％，试验时大约每1 ．3k g 球团加废铝 1k g ，则铝消耗约为4 0 妇。其他消耗如表2 所示。 表2 计算结果表明铝浴法处理含锌铅较高粉 尘的工业性生产不但可行，而且还有较高利润，每吨 氧化锌粉可获利4 3 4 ．5 元。更重要的是缓解了环境 压力，减少环境污染，有效利用了二次资源。 6 结论 1 采用铝浴法对含锌铅较高且铁比较低的冶 金粉尘进行半工业性分离处理，可一次性直接得到 符合国家标准的氧化锌粉和富铅铁渣； 2 此处理方法解决了含锌铅粉尘无处堆放的 下转2 8 页 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年6 期 从表1 ～3 可看出直接浸出锗的浸出率低，很 难达到8 0 ％，焙烧浸出锗的浸出率达8 0 ％以上，但 焙烧时锗的损失大，污染大，同时投资也较大，双氧 水氧化浸出采用全湿法浸出，锗的浸出率高达9 0 ％ 以上。根据以上试验确定锗的浸出工艺条件为双 氧水加入量1 2 ．5m L 几、始酸1 0 0g ／L 、液固比5 1 、 8 0 ～9 0 ℃、浸出时间3h 。 4 结语 采用双氧水氧化浸出锗的工艺，改善了传统的 直接浸出工艺，大大提高了锗的浸出率，和焙烧浸出 工艺相比，具有投资小，损失小，污染小，流程短的优 点。 参考文献 [ 1 ] 王吉坤，冯桂林，徐晓军有色金属矿产资源的开发及加 工技术[ M 3 昆明云南科技出版社，2 0 0 0 ． [ 2 ] 华利株冶回收锗技术的变革与展望[ J ] 有色冶炼 冶 炼部分 ，1 9 9 6 6 5 4 [ 3 ] 付运康锌浸出渣不同处理工艺浅析[ J ] 四J I 【有色金 属，2 0 0 3 1 3 5 [ 4 ] 刘中清，唐馍堂，范启明热酸浸出一铁矾法炼锌工艺中 锗的富集[ J ] 矿冶工程，2 0 0 0 ，2 0 1 4 4 [ 5 1 刘中清，潘方杰硫化锌精矿还原浸出高浸渣中锗的研 究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 4 4 2 0 上接9 页 表2 铝浴法生产1 t 氧化锌粉的经济指标 “ I ] a b l e2E c o n o m i ci n d e xo fp r o d u c i n g1t o n 瑚 p c 柑b ya l u m i n i u mb a mr t t t h o d 问题，减少环境污染，有效地利用了二次资源，而且 具有较好经济效益； 3 收集物的中Z n O 含量略微偏低，Z n 的回收 率较低，尚需进一步改进。 参考文献 [ 1 ] 张丙怀，郭兴忠．钢铁厂含锌铅粉尘中锌铅分离理论及 实践【J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 2 1 7 1 1 [ 2 ] 沈颐身，李保卫冶金传输原理基础[ M ] 北京冶金工 业出版社，2 0 0 0 1 7 0 [ 3 ] 彭兵，张传福电弧炉粉尘球团直接还原的热传导模型 [ J ] 上海金属，2 0 0 0 ，2 2 5 9 1 3 [ 4 ] 郭兴忠．锌铅分离的理论及应用研究[ D ] 重庆重庆大 学材料科学与工程学院，2 0 0 2 ． 万方数据