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锌系统沉铁渣综合回收工艺优化研究 ① 文 平１， 肖永强２， 陈艺锋１， 王宇菲１ （１．湖南工业大学 冶金工程学院，湖南 株洲 ４１２００７； ２．株洲冶炼集团股份有限公司，湖南 株洲 ４１２００４） 摘 要 对侧吹烟化炉中处理锌系统沉铁渣时粉煤用量、Ｆｅ２Ｏ３／ ＳｉＯ２比、ＣａＯ／ ＳｉＯ２比、反应温度、反应时间对熔炼过程的影响进行了 研究，确定了最优工艺技术参数。 结果表明，在 ｍ粉煤／ ｍ渣样＝ １／２．８，ＣａＯ／ ＳｉＯ２＝ ０．７５，Ｆｅ２Ｏ３／ ＳｉＯ２＞１，烟化温度 １ ２５０ ℃，烟化时间 １ ｈ 条件下获得铅锌挥发率均大于 ９６％。 关键词 沉铁渣； 挥发率； 工艺优化 中图分类号 ＴＦ１１１文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１６．０２．０２６ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１６）０２－００９６－０４ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｉｒｏｎ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ Ｓｌａｇ ＷＥＮ Ｐｉｎｇ１， ＸＩＡＯ Ｙｏｎｇ⁃ｑｉａｎｇ２， ＣＨＥＮ Ｙｉ⁃ｆｅｎｇ１， ＷＡＮＧ Ｙｕ⁃ｆｅｉ１ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００７， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｓｍｅｌｔｅｒ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００４， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇ ｉｒｏｎ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ ｓｌａｇ ｆｒｏｍ ｚｉｎｃ ｓｍｅｌｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｉｔｈ ｓｉｄｅ⁃ｂｌｏｗｎ ｆｕｍｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ， ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｐｏｗｄｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ， Ｆｅ２Ｏ３／ ＳｉＯ２ｒａｔｉｏ ａｎｄ ＣａＯ／ ＳｉＯ２ｒａｔｉｏ， ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｍｅｌｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｆｉｎａｌｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｗｉｔｈ ｃｏａｌ ｐｏｗｄｅｒ ａｎｄ ｓｌａｇ ｓａｍｐｌｅ ａｔ ａ ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ １ ∶２．８， ＣａＯ／ ＳｉＯ２ｒａｔｉｏ ｏｆ ０．７５， Ｆｅ２Ｏ３／ ＳｉＯ２ｒａｔｉｏ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ １， ｆｕｍｉｎｇ ａｔ １ ２５０ ℃ ｆｏｒ １ ｈ， ｔｈｅ ｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｌｅａｄ ａｎｄ ｚｉｎｃ ｅｘｃｅｅｄｓ ９６％． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｉｒｏｎ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ ｓｌａｇ； ｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ； ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 铅锌金属冶炼过程中会产生大量的沉铁渣，渣中 含有铅、锌、铜、铁、银等有价金属［１］，若长期以废渣的 形式堆弃，一方面会造成有价金属的严重损失，另一方 面会污染环境。 从沉铁渣中回收有价元素铅、锌等，不 仅能变废为宝，获得经济效益，也有利于环境保护。 对 沉铁渣的综合利用目前在国内外都是一个难题［２－８］。 湖南某冶炼公司利用铅系统的侧吹烟化炉进行沉 铁渣熔池熔炼，以解决铅锌冶炼过程中渣料处置问题， 生产流程比较顺畅，但存在工艺条件不确定、回收率偏 低等问题，生产效率有待进一步提高。 本文针对该公 司沉铁渣开展综合利用工艺研究，以期提升铅、锌冶炼 综合效益，并实现环保生产。 １ 试 验 １．１ 试验原料 沉铁渣为湖南某公司炼锌系统产出的含锌渣料， 渣块度为 １～１０ ｍｍ，渣中没有其它夹杂的金属物品， 渣为淡棕色，较潮湿，在试验之前需进行预处理。 沉铁 渣成分分析结果如表 １ 所示。 表 １ 沉铁渣化学成分（质量分数） ／ ％ ＦｅＺｎＰｂ ＳｉＯ２ ＣａＯ ２７．４９１０．８１０．８９３．９９１．２５ 由表 １ 可见，沉铁渣为 ＦｅＯ⁃ＣａＯ⁃ＳｉＯ２系高锌高铁 型渣料，Ｚｎ 含量较高，具有很高的 Ｚｎ 回收价值。 沉铁 渣含铁较高，大部分为 Ｆｅ ３＋ ，在高温强还原气氛下易被 还原成单质铁，形成“积铁”现象，影响烟化炉的正常 操作。 故可使用微分反应装置，以针铁矿法从湿法炼 锌浸出液中除铁，采用 ＺｎＳ 将 Ｚｎ ２＋ 溶液中的 Ｆｅ ３＋ 还原 为 Ｆｅ ２＋ ，再用空气氧化为 Ｆｅ ３＋ ，以针铁矿沉淀的形式除 去 Ｆｅ。 此法除铁易于工业实践，除铁效果好。 ①收稿日期 ２０１５－１０－１２ 作者简介 文 平（１９８８－），女，湖南益阳人，硕士研究生，主要从事有色金属冶炼工艺与综合回收研究工作。 第 ３６ 卷第 ２ 期 ２０１６ 年 ０４ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３６ №２ Ａｐｒｉｌ ２０１６ １．２ 试验仪器与方法 １．２．１ 试验仪器 试验仪器有 ＣＳＫ－１３－１３ 型井式坩 埚电炉、ＸＪ－２０００－Ｔ３ 型高温恒温箱、ＤＨ－１０１－２ＢＳ 型 鼓风干燥箱、Ｘ７２０ 型荧光光谱分析仪、６１００ 型 Ｘ 射线 衍射仪、ＪＳＭ－６５１０ 型扫描电镜、Ｘ 射线能谱仪、制样粉 碎机、电子天平等。 １．２．２ 试验方法 称取 ５００ ｇ 沉铁渣（渣料粒度－０．１２ ｍｍ 粒级占 ９０％、渣料水分小于 ２％），保持渣中氧化铁 质量恒定不变，通过配入 ＣａＯ 和 ＳｉＯ２的量来调节炉渣 的钙硅比及铁硅比，粉煤按 ｍ粉煤／ ｍ渣样＝ １／２．８ 的比例 配入，充分搅拌混匀后，放入刚玉舟皿中，随后放入真 空气氛管式电炉内进行熔炼和烟化吹炼试验。 在试验中，采用单因素试验法改变焦碳配入量、熔 炼温度、反应时间、渣料粒度及渣料含水等条件，考察 上述因素对铅锌挥发率及熔炼过程的影响，确定最优 工艺条件。 ２ 试验结果与分析 ２．１ 渣型的选择 ２．１．１ ＣａＯ／ ＳｉＯ２比对铅锌挥发率的影响 ＣａＯ／ ＳｉＯ２ 比对铅锌挥发率的影响如图 １ 所示。 CaO / SiO2  98 96 94 92 90 0.60.70.80.91.0 /,5             Pb Zn 图 １ ＣａＯ／ ＳｉＯ２比对铅锌挥发率的影响 由图１ 可知，在该反应条件下，当 ＣａＯ／ ＳｉＯ２＜０．７５ 时， 铅锌挥发率随 ＣａＯ／ ＳｉＯ２比增大而提高，且当 ＣａＯ／ ＳｉＯ２＝ ０．７５ 时，铅和锌挥发率均达到最大值。 当 ＣａＯ／ ＳｉＯ２＞０．７５ 时，铅锌挥发率显著下降，这主要是因为炉渣的黏度和 熔点急剧增加所造成的，因此确定炉渣 ＣａＯ／ ＳｉＯ２最优 比为 ０．７５。 ２．１．２ Ｆｅ２Ｏ３／ ＳｉＯ２比对铅锌挥发率的影响 Ｆｅ２Ｏ３／ ＳｉＯ２ 比对铅锌挥发率的影响如图 ２ 所示。 由图 ２ 可知，在该 反应条件下，当 Ｆｅ２Ｏ３／ ＳｉＯ２＞１ 时，铅锌挥发率基本上 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 Ｆｅ２Ｏ３／ ＳｉＯ２＜１ 时，随着炉渣中铁硅比不断增 大，铅锌挥发率显著提高，说明此时炉渣的熔点和黏度 会显著下降，有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（Ｆｅ２Ｏ３／ ＳｉＯ２比约为 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。 Fe2O3 / SiO2  100 96 92 88 84 2046810 /,5             Pb Zn 图 ２ Ｆｅ２Ｏ３／ ＳｉＯ２比对铅锌挥发率的影响 ２．２ 单因素条件试验 为了能在工业上采用浸没熔池熔炼⁃高温烟化工 艺处理复杂沉铁渣料，针对沉铁渣的特性和烟化炉作 业条件，进行了液态烟化小型试验以便确定工艺条件。 ２．２．１ 粉煤加入量的影响 在渣料粒度－０．１２ ｍｍ 粒 级占 ９０％、渣料水分 ２％、烟化温度 １ ２５０ ℃，烟化时间 １ ｈ 条件下，考察了粉煤加入量对铅锌挥发率的影响， 结果如图 ３ 所示。 m,5 / mB  99 96 93 90 1/11/1.51/21/2.51/2.81/3.2 /,5              Pb Zn 图 ３ 粉煤加入量对铅锌挥发率的影响 由图 ３ 可知，在该条件下，铅锌挥发率随粉煤量增 加而提高，当 ｍ粉煤／ ｍ渣样＝ １／２．８ 时，铅、锌挥发率均达 到最高值，此后继续增加粉煤量，铅、锌挥发率反而会 下降，主要原因是粉煤中灰分过多会增加熔渣的黏度 和熔点，因此确定粉煤配入量的最优值为 ｍ粉煤／ ｍ渣样＝ １／２．８。 ２．２．２ 烟化温度的影响 在渣料粒度－０．１２ ｍｍ 粒级占 ９０％、渣料水分 ２％、ｍ粉煤／ ｍ渣样＝１／２．８、烟化时间 １ ｈ 条 件下，考察了烟化温度对铅锌挥发率的影响，结果如图 ４ 所示。 由图 ４ 可知，在该反应条件下，烟化温度对铅 锌挥发率和挥发速度有着重要影响，随着温度升高，铅 ７９第 ２ 期文 平等 锌系统沉铁渣综合回收工艺优化研究 锌挥发率增大，挥发速度加快。 但温度也不宜过高，当 温度高于 １ ３００ ℃ 左右时，烟化渣中铅锌挥发率反而 会下降，这可能是因为炉渣中的主要造渣成分氧化铁 会被还原成单质铁或以锌⁃铁合金的形式析出，影响了 烟化过程的传质和传热，从而造成铅锌挥发率下降。 温度过高还会消耗过多的还原剂，降低烟化炉寿命。 同时烟化温度过低，也会使熔渣黏度增大，炉渣流动性 变坏，金属氧化物还原速度减慢，金属挥发速度降低， 炉温下降，燃料利用率也有所下降，放渣时还可能造成 结炉。 综合考虑，确定最优烟化温度为 １ ２５０ ℃。 /,  100 98 96 94 92 90 88 86 110011501200125013001350 /,5            Pb Zn 图 ４ 烟化温度对铅锌挥发率的影响 ２．２．３ 烟化时间的影响 在渣料粒度－０．１２ ｍｍ 粒级 占 ９０％、渣料水分小于 ２％、ｍ粉煤／ ｍ渣样＝１／２．８、烟化温 度 １ ２５０ ℃条件下，考察了烟化时间对铅锌挥发率的 影响，结果如图 ５ 所示。 /;0min  99 96 93 90 30507090 /,5         Pb Zn 图 ５ 烟化时间对铅锌挥发率的影响 由图 ５ 可知，在该反应条件下，随着烟化时间延 长，锌铅挥发率不断升高，但烟化 ６０ ｍｉｎ 以后，锌、铅 挥发率基本保持恒定，因此可以确定沉铁渣适宜的烟 化时间为 ６０ ｍｉｎ，炉渣中锌挥发率可达 ９７．８９％，铅挥 发率也可达 ９６．１７％。 ２．２．４ 渣料粒度的影响 在渣料水分 ２％、ｍ粉煤／ ｍ渣样＝ １／２．８、烟化温度 １ ２５０ ℃ 条件下，考察了渣料粒度对 铅、锌挥发速度的影响，结果如图 ６ 所示。 ,A;0min  98 95 92 89 86 83 80 20406080 8/,5                  2 mm 0.182 mm 0.120.18 mm -0.12 mm ,A;0min  98 95 92 89 86 83 80 20406080 /,5                    2 mm 0.182 mm 0.120.18 mm -0.12 mm 图 ６ 渣料粒度对铅锌挥发率的影响 由图 ６ 可知，在该反应条件下，铅、锌挥发速度随 着渣料粒度减小而提高，说明减小渣料粒度有利于提 高渣料熔化和烟化反应速度，但渣料粒度过细，其随烟 尘的逸散率也会增加，导致 ＺｎＯ 烟灰质量下降。 从图 ６ 可以看出，在反应时间大于 ４０ ｍｉｎ 后，－０．１２ ｍｍ 粒 级占 ９０％和 ０．１２～２ ｍｍ 渣料的铅锌挥发速度差别不 大，因此进行烟化作业渣料的粒度宜控制在 ０．１２ ～ ２ ｍｍ。 ２．２．５ 渣料水分的影响 在渣料粒度－０．１２ ｍｍ 粒级 占 ９０％、ｍ粉煤／ ｍ渣样＝１／２．８、烟化温度 １ ２５０ ℃条件下， 考察了渣料水分对铅锌挥发速度的影响，结果如图 ７ 所示。 由图 ７ 可知，在该反应条件下，水分对铅、锌挥 发速度影响较大，渣料含水越低，铅锌挥发速度越快， 说明降低渣料水分有利于提高渣料熔化和烟化反应速 度，但渣料过干，其随烟尘的逸散率也会增加。 渣料含 水小于 １０％后，铅锌挥发速度变化不大，因此进行烟 化作业的渣料含水宜低于 １０％。 ２．３ 综合条件扩大试验 在 ｍ粉煤／ ｍ渣样＝１／２．８、烟化温度 １ ２５０ ℃、烟化时 间 １ ｈ 条件下，进行了 ３ 次综合条件试验，结果如表 ２ 所示。 由表 ２ 可知，３ 次综合条件试验所获得的主要 技术指标波动不大，尾渣中铅锌含量均低于 ０．５％，铅 锌挥发率均大于 ９６％，结果与单因素条件试验结果吻 合较好，说明本试验所取得的数据可靠。 ８９矿 冶 工 程第 ３６ 卷 ,A;0min  98 94 90 86 82 78 74 20406080 8/,5                 /;2 /;10 /;20 /;30 ,A;0min  98 94 90 86 82 78 74 20406080 /,5                  /;2 /;10 /;20 /;30 图 ７ 渣料水分对铅锌挥发率的影响 表 ２ 综合条件试验主要技术指标 试验 编号 尾渣含铅 ／ ％ 尾渣含锌 ／ ％ 铅挥发率 ／ ％ 锌挥发率 ／ ％ Ｋ⁃１０．０３１０．３２９６．７１９７．５０ Ｋ⁃２０．０３５０．３７９６．２２９６．６３ Ｋ⁃３０．０３４０．３４９６．２３９７．０４ 为了进一步探求铅、锌、铁、钙、硅、硫等元素在烟化 过程中的行为，对烟化渣特性进行了研究。 选择试验编 号 Ｋ⁃１ 的烟化渣进行了化学元素分析，结果见表 ３。 表 ３ Ｋ⁃１ 烟化渣主要化学成分（质量分数） ／ ％ ＰｂＺｎＦｅＣａＯＳｉＯ２Ａｌ２Ｏ３Ｓ ０．０３１０．３２２８．３３１４．０６５．７３４．９６４．５ 由表 ３ 可见，沉铁渣经过烟化处理后，所获得的烟 化尾渣含铅 ０．０３１％、含锌 ０．３２％，说明按确定的配料 及工艺条件烟化处理沉铁渣是可行的。 选择编号 Ｋ⁃１ 的烟化渣进行了 Ｘ⁃射线衍射分析 （ＸＲＤ），结果如图 ８ 所示。 由图 ８ 可知，烟化渣中的 主要物相包括 Ｃａ５（ＳｉＯ４）２ＳＯ４、铁橄榄石（Ｆｅ２ＳｉＯ４）、 ＦｅＳ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃａ３ＳｉＯ５及磁性氧化铁等。 铁在烟化渣中 主要以铁橄榄石、ＦｅＳ 和磁性氧化铁的形态存在，硫在 烟化渣中主要分布在 ＦｅＳ 和 Ｃａ５（ＳｉＯ４）２ＳＯ４中，Ａｌ２Ｏ３ 则伴生在铁橄榄石、Ｃａ５（ＳｉＯ４）２ＳＯ４、Ｃａ３ＳｉＯ５等硅酸盐 中。 Ｘ 射线未检测到铅、锌的物相，说明烟化渣中铅、 锌含量很低。 20301040 Ca2SiO42SO4 RR; FeS Al2O3 Ca3SiO5 Fe3O4 506070 2 / θ                                      图 ８ Ｋ⁃１ 烟化渣的 ＸＲＤ 衍射图谱 ３ 结 论 １） 确定炉渣钙硅比最优值为 ０．７５，铁硅比最优值 大于 １。 由于本次试验所用沉铁渣的铁硅比较高 （Ｆｅ２Ｏ３／ ＳｉＯ２比约为 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。 ２） 由单因素条件试验结果可知，用烟化炉熔池熔 炼工艺处理 Ｋ⁃２ 类沉铁渣（即渣型优化后的沉铁渣） 的优化工艺条件为ｍ粉煤／ ｍ渣样＝１／２．８、烟化温度１ ２５０ ℃、烟化时间 １ ｈ，在该条件下所获得的烟化渣铅锌的 挥发率均大于 ９６％。 为了提高炉料熔化和烟化反应 速度，炉料粒度宜控制在 ０．１２～２ ｍｍ 范围内，渣料含 水宜低于 １０％。 ３） 烟化渣的主要成分为铁、钙、硅、硫等元素，铅 锌含量非常低。 铁在烟化渣中主要分布在铁橄榄石、 ＦｅＳ 和磁性氧化铁中，硫在烟化渣中主要分布在 ＦｅＳ 和 Ｃａ５（ＳｉＯ４）２ＳＯ４中。 参考文献 ［１］ 杨鑫农，戴惠新，李 想． 沉铁渣中回收有价元素的方法及研究现 状［Ｊ］． 国土与自然资源研究，２０１４，１９（１）２２－２５． ［２］ 魏 威，陈海清． 湿法炼锌浸出渣处理现状［Ｊ］． 湖南有色金属， ２０１２，２８（６）３７－３９． ［３］ 侯晓波． 沉铁渣处理的系统分析与研究［Ｊ］． 云南冶金，２０１１，４０ （３）４２－４６． ［４］ 丁倩倩，吴克明． 高温挥发法从沉铁渣中回收锌的试验研究［Ｊ］． 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