无烟煤转底炉直接还原铜渣回收铁、锌研究.pdf
第3 7 卷第2 期 2 0 1 7 年0 4 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 .3 7 №2 A p r i l2 0 1 7 无烟煤转底炉直接还原铜渣回收铁、锌研究① 曹志成1 ”,孙体昌1 ,薛逊1 ”,刘占华1 2 1 .北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京1 0 0 0 8 3 ;2 .北京神雾环境能源科技集团股份有限公司,北京1 0 2 2 0 0 摘要以无烟煤作还原剂,经过配料、圆盘造球、转底炉直接还原和磨矿一磁选工艺流程,从国内某铜渣中回收铁、锌,先后进行了基 础实验和中试研究。所得最佳还原条件为铜渣无烟煤石灰石工业纯碱 1 0 0 2 1 .5 1 0 1 ,还原温度12 8 0 ℃,还原时间3 8r a i n ;转 底炉排出的金属化球团的磨选条件为一段磨矿细度- 0 .0 7 4m m 粒级占7 5 .8 8 %,磁场强度1 4 3 .3 1k A /m ,二段磨矿细度一0 .0 7 4m m 粒级占6 2 .8 9 %,磁场强度9 5 .5 4k A /m 。基于上述条件经过转底炉直接还原流程,金属化球团磁选得到金属铁粉T F e 品位9 2 .3 8 %, 铁回收率8 8 .3 9 %;布袋收尘系统所得粉尘中氧化锌含量为7 4 .2 5 %。机理研究表明,铜渣中的硅酸铁和磁铁矿经过转底炉还原后转 变为金属铁,易于通过磨矿- 磁选的方法回收。 关键词铜渣;转底炉;直接还原;金属化球团;磨矿;磁选;铁;锌 中图分类号T D 9 8 1 文献标识码A d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .0 2 5 3 6 0 9 9 .2 0 1 7 .0 2 .0 1 9 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 7 0 2 - 0 0 7 4 0 5 R e c o v e r yo fI r o na n dZ i n cf r o mC o p p e rS l a gb yR o t a r yH e a r t hF u r n a c e w i t hA n t h r a c i t ea sR e d u c t a n t C A OZ h i c h e n 9 1 ”,S U NT i .c h a n 9 1 ,X U EX u n l ”,L I UZ h a n .h u a l 2 1 .K e yL a b o r a t o r yo fH i g h , e f f i c i e n tM i n i n ga n dS a f e t yo fM e t a lM i n e s ,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ,U n i v e 瑙i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g yB e i j i n g ,B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ,C h i n a ;2 .B e i j i n gS h e n w uE n v i r o n m e n t E n e r g yT e c h n o l o g yC oL t d ,B e i j i n g 1 0 2 2 0 0 ,C h i n a A b s t r a c t T h ef u n d a m e n t a lt e s ta n dp i l o t s c a l ee x p e r i m e n tw e r ec o n d u c t e df o rr e c o v e r i n gi r o na n dz i n cf r o ms o m ec o p p e r s l a go b t a i n e da th o m eu s i n gap r o c e s s i n gf l o w s h e e tc o n s i s t i n go fb l e n d i n g ,d i s cp e l l e t i z a t i o n ,d i r e c tr e d u c t i o ni nar o t a r y h e a r t hf u r n a c e R H F a n dg r i n d i n g - m a g n e t i cs e p a r a t i o n ,w i t ha n t h r a c i t ea s ar e d u c t a n t .n eo p t i m u mr e d u c t i o n c o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s c o p p e rs l a g ,a n t h r a c i t e ,l i m e s t o n ea n di n d u s t r i a ls o d i u mc a r b o n a t ei nt h em a s sr a t i o o f1 0 0 2 1 .5 1 0 1 ,t h er e d u c t i o nt e m p e r a t u r ea t12 8 0 ℃,t h er e d u c t i o nt i m eo f3 8m i n .A n dt h ec o n d i t i o n sf o rg r i n d i n g a n dm a g n e t i cs e p a r a t i o no fm e t a l i z e dp e l l e td i s c h a r g e df r o mR H Fi n c l u d e d ag r i n d i n gf i n e n e s sa t 一0 .0 7 4m m7 5 .8 8 % f o rt h ef i r s ts t a g eg r i n d i n ga n dm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t ya t1 4 3 .3l k A /m .s e c o n d a r yg r i n d i n gf i n e n e s sa t 一0 .0 7 4m m 6 2 .8 9 %,w i t hm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t ya t9 5 .5 4k A /m .A sar e s u h ,t h ed i r e c tr e d u c t i o np r o c e s si nt h eR H Fw i t ht h e a b o v e m e n t i o n e dc o n d i t i o n sr e s u l t e di na ni r o np o w d e ra p p r o a c h i n g9 2 .3 8 %T F eg r a d ea t8 8 .3 9 %r e c o v e r yf r o mt h e m a g n e t i cs e p a r a t i o no fm e t a l i z e dp e l l e t s ,d u s tc o l l e c t e di nb a g h o u s ew i t hz i n co x i d ec o n t e n ta t7 4 .2 5 %.I ti sf o u n df r o m m e c h a n i s mi n v e s t i g a t i o nt h a ti r o ns i l i c a t ea n dm a g n e t i t ei nt h ec o p p e rs l a ga r er e d u c e dt om e t a l l i ci r o na f t e rd i r e c t r e d u c t i o ni nR H F ,t h u se a s yt ob er e c o v e r e db yt h eg r i n d i n gp l u sm a g n e t i cs e p a r a t i o np r o c e s s . K e yw o r d s c o p p e rs l a g ;r o t a r yh e a r t hf u r n a c e ;d i r e c tr e d u c t i o n ;m e t a l l i z a t i o np e l l e t ;g r i n d i n g ;m a g n e t i cs e p a r a t i o n ; i r o n ;z i n c 铜渣是火法炼铜产生的废渣,一般每生产1t 铜, 约产生2 .2t 铜渣‘卜2 | 。目前,大部分铜渣被堆存,不 仅占用大量土地,而且容易造成环境污染睁5 I 。铜渣 中除了含有4 0 %左右的F e ,还有大量z n 、P b 等有价金 属,极具回收价值‘6 。8 1 。目前,仅有少量铜渣用于水泥 配料‘9 | 。从铜渣中直接选矿回收铁‘1 0 1 或者直接还原 回收铁‘1 1 。1 2 1 的研究仅停留在基础试验阶段,尚无大规 模工业化中试的报道。为此,本文针对国内某铜渣,采 用转底炉‘1 3 1 43 直接还原.磨矿.磁选工艺回收其中铁与 锌,先后进行了基础实验以及中试研究,为我国乃至全 ①收稿日期2 0 1 6 1 0 1 2 基金项目北京市科技专项项目 Z 1 5 1 1 0 0 0 0 1 6 1 5 0 2 7 作者简介曹志成 1 9 7 4 一 ,男,河北张家口人,博士研究生,主要研究方向为煤基转底炉直接还原和气基竖炉直接还原。 通讯作者孙体昌 1 9 5 8 - ,男,河北蠡县人,教授,主要从事复杂难选矿及冶金渣综合利用研究。 万方数据 第2 期曹志成等无烟煤转底炉直接还原铜渣回收铁、锌研究 7 5 球铜渣的大规模利用提供了一种新的设备和工艺 路线。 l 实验 1 .1 实验原料及设备 表1 为实验用国内某铜渣选铜后的尾矿 简称铜 渣 ,其有价金属F e 、z n 、P b 含量均较高。该铜渣粒度 较细,- 0 .0 7 4m i l l 粒级占8 9 .5 2 %。图1 为铜渣的X R D 图谱,由图1 可见,铜渣中含铁矿物主要为铁橄榄石 F e S i O 。 及少量磁铁矿 F e ,0 。 ,属于较难还原的矿 物。实验中以无烟煤作为还原剂,其工业分析结果如 表2 所示。无烟煤固定碳含量为7 0 .9 3 %,发热量为 2 8 .4 5 7k J /k g ,灰熔点为12 5 0q c ,适合作为铜渣的还 原剂。此外,选用工业石灰石作助熔剂,其中C a C O , 含量为9 1 .0 7 %;工业纯碱N a 2 C 0 3 含量为9 8 .5 l %。 表1 铜渣化学成分 质量分数 /% T F e F e OC uC a O M s o S i 0 2A 1 2 0 3 3 6 .9 2 3 5 .3 1O .3 13 .5 91 .4 53 5 .0 83 .4 7 N a 2 0K 2 0 P bZ nP’S O .2 00 .5 90 .6 72 .8 50 .0 30 .6 9 t £蓑簇攀麓譬m 4 ; 。J I l I i 盘 岚一 啊T 甲旷I 1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 2 0 / 。 图1 铜渣的X R D 衍射图谱 表2 无烟煤煤质工业分析结果/% 水分挥发分灰分固定碳 硫 5 .9 0 1 0 .5 l1 2 .6 67 0 .9 30 .7 3 基础实验设备包括模拟转底炉顶部辐射加热的还 原炉、棒磨机、磁选管等;中试实验设备包括混料机、圆 盘造球机、烘干机、转底炉、磨矿一磁选系统等。 1 .2 实验方法 先进行小型基础实验,后进行转底炉中试验证,实 验工艺流程见图2 。将铜渣、无烟煤和添加剂按比例 进行配料混合,混合料采用圆盘造球机进行造球,造好 的含碳球团经烘干后均匀地布入转底炉进行还原,由 转底炉排出的金属化球团直接水淬冷却后进行两段磨 矿.磁选,得到金属铁粉和尾矿。实验重点考察所得铁 粉品位和回收率、铜渣经过转底炉还原后的脱锌率。 铁粉回收率与锌的脱除率计算公式为 占F 。 W 1 口 / W a 1 0 0 % 1 占,。 [ 1 一G .a / G b ] X1 0 0 % 2 式中s n 为铁回收率,%;W 。为磁选铁粉质量,g ;J B 为铁 粉中铁品位,%;W 为铜渣质量,g ;a 为铜渣中铁品 位,%;占。为锌脱除率,%;G 。为铜渣金属化球团质量, g ;a 为金属化球团中锌品位,%;G 为还原前含碳球团 质量,g ;b 为含碳球团中锌品位,%。 璧趋屋£ 图2 工艺流程 2 实验结果与讨论 首先进行的小型基础实验重点考察了无烟煤用 量、石灰石与工业纯碱用量、还原温度、还原时间等因 素对球团金属化率、直接还原铁粉品位和回收率的影 响。之后按照基础实验得到的最佳条件进行中试验证 实验,对最终产品进行化学多元素分析,通过X R D 衍 射揭示铜渣、金属化球团、铁粉产品中物相变化规律。 2 .1 无烟煤用量的影响 前期探索实验表明,添加石灰石作为熔剂能有效提 高球团的金属化率,从而提高磨矿- 磁选所得铁粉的品 位和回收率。经实验确定较佳石灰石用量为铜渣质量 的1 0 %,在此条件下考察C /O 比对球团金属化率、剩碳 量、铁粉品位和回收率指标的影响,其中布料厚度为 3 层含碳球团 约4 2r a m ,焙烧温度12 8 0 ℃,焙烧时 间4 2r a i n ,一段磨矿细度- 0 .0 7 4m m 粒级占7 2 .1 0 %, 磁场强度1 4 3 .3 1k A /m ;二段磨矿细度一0 .0 7 4m m 粒 级占5 0 .8 9 %,磁场强度9 5 .5 4k A /m ,结果见图3 。从 图3 可以看出,随着C /O 比增加,球团金属化率、铁粉 品位、回收率均呈先上升后趋于平缓的规律,而金属化 万方数据 7 6 矿冶工程第3 7 卷 球团中的碳含量呈上升趋势,当C /O 比为1 .8 煤用量 为2 1 .5 % 时,球团金属化率、铁粉品位和回收率分别 为8 9 .1 8 %、9 1 .9 5 %和8 3 .6 4 %。继续增加煤用量,所得 指标变化不大,综合考虑,选择C /O 比为1 .8 。 图3 无烟煤用量的影响 2 .2 工业纯碱用量的影响 为了进一步提高磨选铁粉中铁的回收率,进行了 石灰石用量实验,发现石灰石用量较大时,含碳球团在 焙烧过程中容易熔化和粉化,金属化率较低。在铜渣 无烟煤石灰石 1 0 0 2 1 .5 1 0 质量比 ,焙烧温度 12 8 0 ℃,焙烧时间4 2r a i n ,一段磨矿细度一0 .0 7 4m m 粒级占7 2 .1 0 %、磁场强度1 4 3 .3 1k A /m ,二段磨矿细度 - 0 .0 7 4m m 粒级占5 0 .8 9 %、磁场强度9 5 .5 4k A /m 时, 研究了工业纯碱用量对还原效果的影响,结果见图4 。 工业纯碱用量/% 图4 工业纯碱用量的影响 从图4 可以看出,随着工业纯碱用量增加,球团金 属化率先升高,后稳定在9 1 %左右;铁粉品位在9 l %一 9 3 %之间;回收率在工业纯碱用量小于1 %前随用量增 加而明显上升,后变化不大。综合考虑经济成本等因 素,选择最佳工业纯碱用量为1 %。 2 _ 3 还原温度的影响 铜渣无烟煤石灰石工业纯碱 1 0 0 2 1 .5 1 0 1 , 还原时间为3 8m i n ,一段磨矿细度- 0 .0 7 4m m 粒级占 7 2 .1 0 %、磁场强度1 4 3 .3 1k A /m ,二段磨矿细度- 0 .0 7 4 m m 粒级占5 0 .8 9 %、磁场强度9 5 .5 4k A /m 时,还原温 度对还原指标的影响见图5 。 还原温度/x z 图5 还原温度的影响 从图5 可以看出,随着还原温度升高,球团金属化 率和铁回收率呈先上升后下降的趋势,当还原温度为 12 8 0 ℃时,球团金属化率最高为9 1 .3 7 %,此时铁粉品 位为9 1 .8 7 %,铁回收率最高为8 7 .8 1 %。继续升高温度, 上层球团出现熔化现象,阻碍了下层球团受热还原,导 致金属化率下降,因此最佳还原温度为12 8 0 ℃。 2 .4 还原时间的影响 铜渣无烟煤石灰石工业纯碱 1 0 0 2 1 .5 1 0 1 , 还原温度12 8 0 ℃,一段磨矿细度- 0 .0 7 4m m 粒级占 7 2 .1 0 %、磁场强度1 4 3 .3 1k A /m ,二段磨矿细度一0 .0 7 4 m m 粒级占5 0 .8 9 %、磁场强度9 5 .5 4k A /m 时,还原时 间对还原指标的影响见图6 。 图6 还原时间的影晌 图6 结果表明,随着还原时间增加,球团金属化率 和铁粉中铁回收率先上升后下降,铁粉品位变化不大。 当还原时间为3 8m i n 时,球团金属化率最高为9 1 .2 5 %, 此时铁回收率最大为8 8 .2 5 %。继续延长还原时间,上 层球团出现部分熔化现象,不利于下层球团受热,影响 了还原效果,导致指标变差。因此最佳还原时间为 3 8m i n 。 通过上述小型基础实验研究,获得最佳配料及还 原条件为铜渣还原煤石灰石3 1 业纯碱 1 0 0 2 1 .5 1 0 1 ,还原温度12 8 0 ℃,还原时间3 8m i n ,此时球团 万方数据 第2 期曹志成等无烟煤转底炉直接还原铜渣回收铁、锌研究 金属化率为9 1 .2 5 %。经过两段磨矿一磁选流程优化实 验,在一段磨矿细度- 0 .0 7 4m n a 粒级占7 5 .8 8 %、磁场 强度1 4 3 .3 1k A /m ,二段磨矿细度- 0 .0 7 4m m 粒级占 6 2 .8 9 %、磁场强度9 5 .5 4k A /m 时,最终得到金属铁粉 T F e 品位9 2 .3 5 %,铁回收率8 8 .6 8 %的指标。 2 。5 中试实验及产品化学分析 按照基础实验获得的最佳工艺条件进行中试。铜 渣、还原煤、添加剂按照比例混合均匀,采用圆盘造球 的方式生产含碳球团,布入转底炉进行还原,球团中的 含锌矿物被还原成金属锌挥发出来,通过烟气除尘系 统将其收集起来,得到氧化锌粉;还原后的金属化球团 采用水淬冷却一磨矿一磁选得到金属铁粉。中试转底炉 外径1 0I l l ,中径8m ,炉底布料宽度为2m ,小时处理 量2t 。 采用转底炉直接还原一磨矿.磁选工艺,获得金属 铁粉T F e 品位为9 2 .3 8 %,铁回收率为8 8 .3 9 %;工艺过 程中,z n 脱除率为9 9 。3 1 %,通过布袋收尘系统得到的 富锌粉尘中,氧化锌含量达到7 4 .2 5 %,可以作为副产 品销售给锌冶炼厂。表3 ~4 为最终产品的主要化学 多元素分析结果。 表3 磁选金属铁粉化学成分 质量分数 /% 2 .6 机理分析 为了揭示铜渣中的铁矿物 硅酸铁和磁铁矿 经 过转底炉直接还原、磨矿一磁选工艺流程后其矿相变化 原理,对铜渣、C /O 比分别为1 .8 和2 .0 时的金属化球 团、磨矿.磁选所得铁粉产品进行了X R D 衍射图谱分 析,结果见图7 。从图7 可以看出,经过转底炉直接还 原,铜渣原矿中的铁橄榄石和氧化铁相发生转变,在 C /O 比为1 .8 和2 .0 的金属化球团中以金属铁、二氧 化硅、少量辉石相存在,最终铁粉产品中无二氧化硅的 衍射峰,且铁的衍射主峰相比金属化球团有明显增强, 说明金属化球团经过磨矿一磁选使大部分二氧化硅以 杂质的形式进入尾矿中,从而使铁在最终产品中得到 富集。 图7 铜渣、金属化球团与铁粉产品X R D 图谱 对布袋收尘系统收集到的粉尘进行了X R D 衍射 图谱分析,结果见图8 。 l ,22 』。札.U 丸。L 乙j 姒 3 04 05 06 07 08 09 01 0 0 2 0 / 。 图8 氧化锌粉尘X R D 图谱 从图8 可以看出,铜渣经过转底炉直接还原,布袋 收尘系统收集到的粉尘中主要为Z n O 和P b S O 。,这与 氧化锌粉尘化学成分分析结果一致,进一步说明了采 用无烟煤作为还原剂,通过转底炉直接还原回收铜渣 中铁、锌是完全可行的。 3 结论 1 铜渣中含铁矿物主要为铁橄榄石 F e S i O 。 及 少量磁铁矿 F e ,O 。 ,属于较难还原的矿物。 2 采用无烟煤作为还原剂,通过转底炉直接还 原.磨矿.磁选中试实验,获得T F e 品位为9 2 .3 8 %、铁回 收率为8 8 .3 9 %的优质金属铁粉;工艺过程中,z n 脱除 率为9 9 .3 1 %,通过布袋收尘系统得到的富锌粉尘中, 氧化锌含量达到7 4 .2 5 %。 3 机理研究表明,经过转底炉直接还原,铜渣中 的硅酸铁和磁铁矿均转变为金属铁,金属化球团中的 万方数据 7 8矿冶工程第3 7 卷 铁经过磨矿易于与脉石实现单体解离,从而通过磁选 的方法回收;布袋收尘系统所得粉尘中,锌和铅以Z n O 和P b S O 。的形式存在。 参考文献i [ 1 ] 姜平国,吴朋飞,胡晓军,等.铜渣综合利用研究现状及其新技术 的提出[ J ] .中国矿业,2 0 1 5 ,2 5 2 7 6 7 7 . 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