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从铬、钒渣中提取有价金属 ① 王 贞1, 袁守谦1, 张忠元2, 宋春林2, 马 栓1, 任宇君1 (1.西安建筑科技大学 冶金工程学院,陕西 西安 710055; 2.甘肃锦世化工有限责任公司,甘肃 张掖 734500) 摘 要 以煤为还原剂,对铬盐生产中产生的废渣进行还原,按铬渣∶大河煤 ∶石英砂配比为25 ∶5.5 ∶2.5 冶炼铬盐废渣时,冶炼情况 良好,可以回收 85%左右的铬。 高温碳还原法可有效处理无钙焙烧工艺产生的铬盐废渣。 关键词 无钙焙烧工艺; 铬渣; 钒渣; 碳还原法 中图分类号 TF111文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2016.03.022 文章编号 0253-6099(2016)03-0084-03 Recovery of Valuable Metals from Chromium and Vanadium Slag WANG Zhen1, YUAN Shou⁃qian1, ZHANG Zhong⁃yuan2, SONG Chun⁃lin2, MA Shuan1, REN Yu⁃jun1 (1.School of Metallurgical Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, Shaanxi, China; 2.Gansu Jinshi Chemical Co Ltd, Zhangye 734500, Gansu, China) Abstract Slag generated from the production of chromium salts was reduced with coal as reductant. With the chromium slag, coal from Dahe place and quartz sand at the proportion of 25 ∶5.5 ∶2.5 in the test, 85% chromium was recovered from the slag after metallurgical process. It is concluded that the process of high temperature carbon reduction is effective for processing the chromium slag from calcium⁃free roasting process. Key words calcium⁃free roasting; chromium slag; vanadium slag; carbon reduction process 铬盐的生产方法分为有钙焙烧工艺和无钙焙烧工 艺[1]。 有钙焙烧工艺资源利用率低且含钙铬渣严重 污染环境,因此发达国家一般不采用该工艺[2]。 甘肃 锦世化工有限责任公司是一个以铬盐为主要产品的化 工企业,也是我国首家使用无钙焙烧工艺生产铬盐的 化工企业[3-7]。 本文通过冶炼还原法处理该公司无钙 焙烧工艺产生的废渣,以实现铬渣无害化处理并得到 有价产品的目的。 1 试 验 1.1 试验原料 本试验原料铬渣和钒渣为无钙焙烧工艺产生的解 毒渣,回收过程如图 1 所示。 1.1.1 铬 渣 甘肃锦世化工有限公司在利用无钙 焙烧工艺生产铬盐的过程中,每吨产品会排出 0.65~ 1 t 铬渣[8],通过光谱分析及化学分析得到铬渣的主要 成分见表 1。 利用 X 射线衍射仪对铬渣进行物相分析,该铬渣 包含 65%铬铁矿、2%赤铁矿、3%钠铝硅氧水合物、3% 钙铁铬氧水合物以及非晶相。 0/ ;6 ,0 .5.5 -B D/ .5 1, -3*0 ; 1*1 ,B D/0 86 DA 1,B /B0 图 1 无钙焙烧工艺原则工艺流程 表 1 铬渣主要成分(质量分数) / % Cr2O3Fe2O3CaOMgOSiO2Al2O3V2O5 10.5837.370.5410.964.2616.070.05 1.1.2 钒 渣 采用无钙焙烧工艺生产铬盐时,铬铁 ①收稿日期 2015-12-23 基金项目 陕西教育厅产业化项目(2012jc15) 作者简介 王 贞(1990-),女,陕西西安人,硕士研究生,主要从事铁合金方面的研究。 第 36 卷第 3 期 2016 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.36 №3 June 2016 矿中的钒随铬一起进入浸出液,添加石灰除钒后将产 生大量含铬钒渣,存在严重的环境污染隐患[7]。 通过 光谱分析及化学分析,其主要成分见表 2。 表 2 含铬钒渣主要成分(质量分数) / % Cr2O3Fe2O3CaOMgOSiO2Al2O3V2O5 1.271.7254.801.161.474.260.37 1.1.3 红土镍矿 目前没有高温碳还原法处理铬渣和 钒渣的成功案例,甘肃锦世化工有限责任公司选用与铬 渣的熔点同样在 1 600~1 700 K 左右[9-10]、并且成功作 为生产镍铁原料的红土镍矿作为参照物,进行对比试 验。 光谱分析及化学分析得到红土镍矿主要成分见表3。 表 3 红土镍矿主要成分(质量分数) / % Cr2O3Fe2O3CaOMgOSiO2Al2O3Ni2O3 2.1038.0514.6018.053.329.507.50 1.1.4 还原剂 此次试验选择试验地附近产的大河 煤作为还原剂,其主要指标为固定碳 67.15%,挥发份 15.63%,灰份 13.92%,内含水分 3.30%。 1.1.5 造渣剂 铬渣含有较高的 MgO、Al2O3,钒渣含 有较高的 CaO,因此试验中处理铬渣和钒渣时均选用 成分以 SiO2为主的石英砂作为造渣剂;在冶炼红土镍 矿时选择石灰作造渣剂。 1.2 试验设备 选用一台小型单相电炉作为试验设备,该电炉额定 功率80 kVA;常用功率66 kVA;顶电极直径0.1 m;底 电极由石墨棒和铜板组成;电压档位0 V、35 V、40 V、 45 V。 电炉示意图见图 2。 ,0 HH ;6 ;6, 604 52 图 2 电炉示意 石墨坩埚总高为0.39 m,其中坩埚底厚0.09 m;坩 埚外径为 0.355 m,坩埚上口内径为 0.28 m,下口内径 为 0.2 m。 1.3 试验步骤 1) 根据物料平衡及热平衡计算,计算出冶炼 25 kg 铬渣、钒渣、红土镍矿时所需要的还原剂及造渣剂的 量,得到配料单。 2) 根据配料单计算出每种渣分别冶炼 16 炉所需 要的原料量,并一次性将所需的配料充分混合拌匀后人 工造球,筛选粒度为 0.005~0.01 m 的球团作为原料。 3) 每种渣分别冶炼 4 天,每天冶炼 4 炉,并记录 每炉的冶炼时间、电耗及成品量。 4) 为了保证数据的可靠性,将每天冶炼得到的数 据进行平均,即每天得到 1 组数据。 5) 对上述数据进行总结分析,并得到结论。 2 试验结果及讨论 2.1 试验原理 无钙焙烧工艺是将铬铁矿、纯碱和渣混合后在 1 000~1 150 ℃下进行氧化焙烧,使铬铁矿中的三价铬 (Cr 3+ )转换成了水溶性的铬酸钠(Na2CrO4)。 无钙焙 烧工艺生产过程中不添加石灰,其铬渣物相与有钙铬 渣大为不同。 无钙铬渣中无泥化物质,含有极少的 Cr 6+ 固溶体成分,易于高效浸洗;渣中不含致癌物铬酸 钙,排渣量从有钙焙烧的 1.5~3.0 kg/ kg 下降到 0.65~ 1 kg/ kg,大幅减少了排渣量[1]。 虽然无钙焙烧工艺得 到的铬渣毒性、危害性大大降低,但它仍然对环境具有 一定的破坏性,同样需要处理[11]。 国外无钙焙烧工艺几乎都采用旋液分离(即重 选)方法将浸渣分为粗、细两级渣,粗渣返回工艺流程 利用,细渣则经过解毒后排放处理[12]。 但是在该处理 方法中,排放的细渣中仍然存在有价金属,没有完全达 到资源综合利用的目的。 本试验原料为无钙焙烧工艺产生的铬渣和钒渣, 其中的有价金属为铬、铁、钒,分别以 Cr2O3、Fe2O3、 V2O5形式存在。 试验中利用煤作为还原剂,加热还原 提取原料中的有价金属,主要反应如下 Cr2O3(s)+3C(s)2[Cr]+3CO(g)(1) Fe2O3(s)+3C(s)2[Fe]+3CO(g)(2) V2O5(s)+5C(s)2[V]+5CO(g)(3) 2.2 试验数据 铬渣、钒渣及红土镍矿冶炼试验数据分别见表4~6。 表 4 铬渣冶炼试验数据 批次 铬渣 / kg 大河煤 / kg 石英砂 / kg 冶炼时间 min 冶炼电耗 / (kWh) 成品 / kg 1255.52.5801057.4 2255.52.580907.2 3255.52.59097.57.75 4255.52.5851058.2 58第 3 期王 贞等 从铬、钒渣中提取有价金属 表 5 钒渣冶炼试验数据 批次 钒渣 / kg 大河煤 / kg 石英砂 / kg 冶炼时间 / min 冶炼电耗 / (kWh) 成品 / kg 1251.20.0751101050.9 2251.20.0759597.51 3251.20.07580900.8 4251.20.07585901 表 6 红土镍矿冶炼试验数据 批次 红土镍矿 / kg 大河煤 / kg 石灰 / kg 冶炼时间 / min 冶炼电耗 / (kWh) 成品 / kg 1252.3611101204 2252.361105112.53.4 3252.361951053.2 4252.361901053.8 2.3 数据分析 2.3.1 冶炼时间 3 种原料的冶炼时间对比见图 3。 -B ,B /63 A47*d 120 100 80 60 40 20 0 1234 A4;0min 图 3 冶炼时间对比 由图 3 可以看出,3 种原料的冶炼时间差距并不 大,其中冶炼时间最长的是红土镍矿,其次是钒渣,冶 炼时间最短的是铬渣。 2.3.2 冶炼电耗 3 种原料的冶炼电耗对比见图 4。 -B ,B /63 A47*d 140 120 100 80 60 40 20 0 1234 A4/kW h 图 4 冶炼电耗对比 从图 4 可以看出,3 种原料的冶炼电耗大小次序 为红土镍矿>铬渣>钒渣。 2.3.3 成品量 铬渣、钒渣和红土镍矿的冶炼成品量 见图 5。 A47*d 10 8 6 4 2 0 1234 A484kg -B ,B /63 图 5 冶炼成品量对比 从图 5 可以看出,在冶炼电耗和冶炼时间相同时, 铬渣冶炼后得到的成品量最多,其次是红土镍矿,而钒 渣冶炼后得到的成品量很少。 2.4 铬渣冶炼产品分析 根据上述试验不难看出,铬渣更适合用高温碳还 原法处理。 对冶炼铬渣得到的铬铁产品进行分析,主 要成分见表 7。 表 7 铬铁成分(质量分数) / % CSiCrPS 4.300~5.8100.450~0.72017.54~23.230.016~0.0580.042~0.140 由表 7 可知,由于试验用含硫量较高的大河煤作 为还原剂,造成硫含量较高;因原料铬渣含铬低,虽铬 的回收率平均达到了 85%,但成品中的铬含量仍在 20%左右;磷含量波动较大,但大部分 P 含量不高于 0.04%。 这说明在今后工业电炉生产时应该用焦炭或 兰炭代替大河煤,要适当调整炉渣碱度和炉渣温度来 取得更好的脱硫磷效果。 冶炼所得低铬高碳合金可用 于铸造行业生产高铬铸铁件。 在本次试验条件下,成功还原出了铬渣中的有价 元素,但试验还需要进一步优化。 3 结 论 1) 按铬渣∶大河煤 ∶石英砂配比为25 ∶5.5 ∶2.5 进 行熔炼,可以使铬渣中的铬和铁得到充分还原,其中铬 回收率可达到 85%左右,试验表明,用高温碳还原处 理无钙焙烧产生的铬渣是可行的。 2) 冶炼铬渣、钒渣比冶炼红土矿时间略短、电耗 略低;冶炼铬渣产品量较高,钒渣的产品量相对较低。 参考文献 [1] 杨得军. 铬盐无钙焙烧工艺中钒、铬的分离富集研究[D]. 昆明 昆明理工大学国土资源工程学院,2012. (下转第 90 页) 68矿 冶 工 程第 36 卷 表 3 综合性试验结果 试验编号渣率/ % 渣中 WO3含量/ % 钨浸出率/ % 169.550.2599.39 263.800.3999.12 364.550.3499.42 平均值65.970.3399.31 表 3 显示,在优化条件下,渣中 WO3含量小于 0.4%,渣率小于 70%,钨浸出率可达 99%以上,试验重 现性较好,钨浸出率高。 得到的浸出母液中钨含量为 65.15 g/ L、锡含量为 0.57 mg/ L。 浸出渣主要化学成 分分析结果列于表 4。 表 4 浸出渣主要化学成分分析结果(质量分数) / % WO3SiSSnFeZnMnPMo 0.224.480.158.528.893.912.400.030.02 浸出渣中 WO3含量为 0.22%、锡含量为 8.52%、 锌含量为 3.91%,钨基本上以钨酸钠形式进入溶液中, 部分硫、磷、硅也进入了溶液中,锡、锌等有价金属富集 在渣中。 3 结 论 1) 采用苏打氧压工艺浸出低品位锡钨混合粗精 矿,能有效提取其中的钨,优化工艺条件为碳酸钠加 入量为化学反应理论量 1.5 倍,添加剂 A 用量为矿量 15%,浸出液固比 5 ∶1,氧分压 0.5 MPa,温度 180 ℃, 反应时间 2 h,搅拌速度 700 r/ min,在此条件下,钨浸 出率可达 99%以上。 2) 苏打氧压浸出工艺不仅能缩短工艺流程,减少 环境污染,而且能有效提高钨浸出率,实现钨和锡的分 离,也有利于锡、锌等其他元素的富集。 参考文献 [1] 贾成厂, 周武平. 钨 熔点最高的稀有金属[J]. 金属世界, 2013(6)11-15. [2] 李良福. 钢结硬质合金在工业中的应用[J]. 硬质合金,2000(2) 120-124. [3] 周武平,吕大铭. 钨铜材料应用和生产的发展现状[J]. 粉末冶金 材料科学与工程,2005(1)21-25. [4] 余良晖,马茁卉,周东海. 我国钨矿资源开发利用现状与发展建议 [J]. 中国钨业,2013(4)6-9. [5] 文 昱,冯金强. 我国钨业发展现状与展望[J]. 科技广场,2014 (4)224-227. 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