高活性生石灰在烧结中的应用及机理分析.pdf
高活性生石灰在烧结中的应用及机理分析 ① 杨永斌, 钟 强, 李 骞, 姜 涛, 谭奇兵 (中南大学 资源加工与生物工程学院,湖南 长沙 410083) 摘 要 通过烧结杯试验,研究了不同活性生石灰在烧结中的作用效果,并简单分析了其作用机理。 研究结果表明生石灰是铁矿 烧结中必不可少的添加剂,高活性生石灰能显著提高烧结矿产质量。 添加 5%高活性生石灰 A,烧结矿成品率为 73.65%,转鼓强度 为 66.67%,燃烧速度为 22.95 mm/ min,利用系数为 1.47 t/ (m2h),固体燃耗 55.66 kg/ t。 根据烧结矿矿物组成和微观结构,高活性 生石灰的烧结矿铁酸钙含量高,且以理想的针状结晶形态存在,针状铁酸钙分布在整个烧结矿中,以网状结构与赤铁矿和磁铁矿颗 粒紧密交织,使烧结矿内部结构均质紧密。 随着高活性生石灰用量增加,烧结矿中铁酸钙含量增多,其形态从粒状、条状转变成条 状、板状再转变成针状。 关键词 烧结; 活性生石灰; 作用机理; 铁酸钙 中图分类号 TF046文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.01.024 文章编号 0253-6099(2015)01-0088-04 Application of High⁃activity Quicklime in Iron Ore Sintering and Its Mechanism YANG Yong⁃bin, ZHONG Qiang, LI Qian, JIANG Tao, TAN Qi⁃bing (School of Mineral Processing and Bio⁃engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China) Abstract The function and mechanism of quicklime with different activities in sintering were investigated through sintering cup tests. The results show that the quicklime is an essential additive in iron ore sintering and the quicklime with high activity can significantly improve the quality of sintered products. By adding 5% high activity quicklime A, the yield ratio, tumbling index, sintering speed, capacity factor and fuel consumption can reach to 73.65%, 66.67%, 22.95 mm/ min, 1.47 t/ (m2h) and 55.66 kg/ t, respectively. According to the mineral composition and microstructure of the sintered ores, the calcium ferrite in the ore sintered by high activity quicklime is high in content and exists in an ideal morphology of acicular crystal, distributing throughout the sintered ore and closely interweaving with hematite and magnetite particles as netted structure, so that the sintered ore has a homogenous and dense internal structure. With an increase in the dosage of high activity quicklime, the calcium ferrite content increases, with its morphology from granular and strip structure changed to strip and plate, then to acicular one. Key words sintering; active quicklime; mechanism; calcium ferrite 目前,我国高炉含铁炉料中烧结矿的比例达 80% 左右,烧结造块承担着为钢铁冶炼提供优质炉料的任 务[1-2]。 生石灰分散度大、具粘性、密度小,是烧结中 的常用熔剂。 随着熔剂性烧结矿在高炉中的广泛应 用,烧结中添加生石灰显得越来越重要[3]。 烧结中添 加生石灰能强化制粒过程,改善制粒效果,提高制粒小 球的强度,增强抗过湿能力,提高烧结混合料的原始透 气性;经充分与水消化后能预热混合料,提高混合料的 原始温度,减轻烧结过程的过湿现象;调控烧结矿碱 度,在烧结中参与反应生成液相铁酸钙等,直接影响烧 结矿的强度、矿物组成和内部结构等。 生石灰中氧化 钙的嵌布形态不同,则其反应活性不同。 活性度体现 了生石灰与其它物料的反应能力,是衡量生石灰活性 的重要指标。 不同活性的生石灰在铁矿烧结中的效果 差别很大[4-9]。 本试验通过烧结杯试验研究了不同活 性生石灰及其用量在烧结中的作用效果,并根据烧结 矿矿物组成和微观结构简单分析了烧结中不同活性生 石灰的作用机理。 1 原料性能与试验方法 1.1 原料性能 试验所用含铁原料为铁精矿、锰矿粉、高炉返矿和 ①收稿日期 2014-08-23 作者简介 杨永斌(1969-),男,江西萍乡人,博士,副教授,主要从事烧结球团,矿产资源综合利用研究。 第 35 卷第 1 期 2015 年 02 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №1 February 2015 杂料,熔剂为蛇纹石、白云石、石灰石和生石灰,其化学 成分见表 1。 铁精矿 TFe 品位为 65.31%,FeO 含量很 低,是典型高品位赤铁矿,为主要含铁原料,配加比例 高;锰矿粉、高炉返矿和杂料铁品位低,杂质含量高,是 次要含铁原料,配加比例低。 燃料的化学成分及工业 分析见表 2。 按 YB-T 105-2005冶金石灰物理检验 方法 [10],测定生石灰在不同转速下的活性,结果见表 3。 由表 1 可见,生石灰 A 的氧化钙含量高达 90.15%, 而生石灰 B 的氧化钙含量仅为 66.99%。 由表 3 可见, 不同转速下生石灰 A 的活性都远远高于生石灰 B。 表 1 原料的化学成分(质量分数) / % 原料TFeFeO SiO2Al2O3 CaOMgOMnO K2ONa2O PSIg 铁精矿65.310.284.041.240.260.070.130.0340.210.0250.0100.45 锰矿粉43.802.5511.831.580.130.2515.200.180.210.0610.0216.70 高炉返矿55.275.616.881.658.011.010.590.0850.320.0650.0401.05 杂料43.8019.275.481.537.151.010.620. 150.290.0540.02321.30 蛇纹石5.5439.651.802.3732.470.0040.01311.93 白云石2.331.500.4526.8119.310.0050.01644.11 石灰石0.784.050.7650.850.420.1000.08040.42 生石灰 A0.272.130.4990.150.450.0920.0453.64 生石灰 B1.090.2566.992.3524.76 表 2 燃料的化学成分及工业分析 燃料 化学组成/ %工业分析/ % TFeSiO2Al2O3CaOMgOIg灰分挥发分 固定碳 焦炭2.7210.225.151.290.3577.5222.484.4173.11 无烟煤 1.218.573.650.610.1584.1615.847.7376.46 表 3 不同转速下的生石灰活性测定结果 转速/ (rmin -1 ) HCL 消耗量 VHCL/ mL 生石灰 A生石灰 B 300283.6122.5 400341.5172.4 500390.2243.6 600442.3292.2 1.2 试验方法 试验在 Φ170 mm 700 mm 的烧结杯中进行。 试 验流程包括配料→混合→制粒→点火保温→烧结→冷 却→破碎→落下试验→筛分→取样→转鼓试验、矿物组 成及微观结构检测。 试验配料采用质量配料法,混合料 基准配比如表 4 所示,该配比中外配 41.64%返矿,总量 为 141.64%。 在调整生石灰用量时,保证烧结矿碱度 为 1.7,其他配入物料相对比例不变。 采用一混人工混 合,二混圆筒混合工艺。 试验后按不同粒级取样,样品 按国标进行矿物组成分析,按试验要求将样品放在光 学显微镜和扫描电镜下观察烧结矿微观结构。 表 4 混合料配料比例(质量分数) / % 铁精矿锰矿杂料高炉返矿石灰石白云石 71.312.373.234.273.853.47 蛇纹石生石灰焦粉无烟煤返矿(外配) 1.005.002.203.3041.64 烧结试验按照国内常用的铁矿石烧结的一般试 验方法及参数进行,主要试验工艺参数如表 5 所示。 表 5 试验的基准工艺参数 料 高 / mm 点火 温度 / ℃ 时间 / min 负压 / KPa 烧结 负压 / kPa 保温 温度 / ℃ 时间 / min 冷却 时间 / min 7001 050501512>95013 2 试验结果及分析 2.1 不同活性生石灰在烧结中的作用效果 在混合料水分为 6.7%左右,负压 12 kPa,碱度 1.7 的条件下,研究低活性生石灰 B 和高活性生石灰 A 配 比对烧结过程的影响。 为有效比较生石灰 A 与生石 灰 B 在烧结中的作用效果,试验中保证配入生石灰中 的氧化钙含量一致。 通过氧化钙质量守恒计算,当一 组试验中生石灰 A 配比为 5%时,另一组试验中生石 灰 B 配比为 6.7%,试验结果如表 6 所示。 表 6 不同活性生石灰对烧结的影响 配比 / % 烧结速度 / (mmmin -1 ) 成品率 / % 转鼓强度 / % 利用系数 / t(m2h) -1 JPU 固体燃耗 / (kgt -1 ) B 5.022.0170.359.071.310.16461.31 B 6.721.6568.8265.231.240.12462.70 B 8.022.5872.7861.071.330.1458.03 A 5.022.3473.6566.671.470.18555.66 由表 6 可见,低活性生石灰 B 用量或者其总氧化 钙含量跟高活性生石灰 A 一致或者更多,得到的烧结 矿成品率和转鼓强度都不如配加生石灰 A。 同时,配 入高活性生石灰 A 的利用系数更高,固体燃耗更少。 98第 1 期杨永斌等 高活性生石灰在烧结中的应用及机理分析 烧结中配入的生石灰用量或者氧化钙含量一样,但生 石灰活性不同,其对烧结的作用效果也不同。 说明生 石灰性能不是由其用量或总氧化钙含量决定,而是由 活性氧化钙含量决定,活性氧化钙含量由生石灰活性 来体现。 生石灰活性越高则活性氧化钙含量越高,反 应性越好,越易参与烧结过程[8]。 2.2 高活性生石灰用量对烧结过程的影响 在混合料水分为 6.7%左右,负压 12 kPa,碱度 1.7 的条件下,研究了生石灰 A 用量对烧结作用效果的影 响。 为使烧结矿碱度保持不变,在改变生石灰用量时, 对石灰石的配比也进行相应的调整。 试验结果见图 1。 图 1 生石灰 A 配比对烧结的影响 与石灰石等含 CaO 的熔剂相比,生石灰的高分散 性和粘附性,有利于 CaO 与 Fe2O3固相反应的进行, 有利于液相的形成与发展,保证烧结矿中有足够的铁 酸钙生成。 故为获得良好的烧结指标,在烧结原料中 要配入一定量的生石灰。 由图 1 可见,不加生石灰时, 烧结矿成品率、转鼓强度、利用系数分别只有 26.82%、 30.80%、0.30 t/ (m2h);加入 3%生石灰时,3 项指标 分别提高到 68.83%、62.00%、1.41 t/ (m2h);将生石 灰配比增加到 5% 时, 三项烧结指标分别提高到 73 65%、64.71%、1.47 t/ (m2h);进一步增加生石灰 用量,各项烧结指标基本不变。 2.3 高活性生石灰作用机理研究 2.3.1 矿物组成研究 将不同活性生石灰和不同生 石灰用量的烧结矿取样,用扫描电镜能谱分析矿样矿 物组成,结果见表 7。 由表 7 可见,5 个矿样的矿物组 成种类大致相同,主要矿物有磁铁矿、赤铁矿和铁酸 钙,除此之外还有钙铁橄榄石、铁酸镁、硅酸钙,软锰矿 和玻璃质等。 表 7 配加不同活性生石灰的烧结矿矿物组成(质量分数) / % 配比 磁铁矿 赤铁矿 铁酸钙 铁酸镁 钙铁橄榄石 硅酸钙 软锰矿 玻璃质 无28.3430.1215.792.3913.216.320.762.80 A 3%29.4028.1828.652.436.332.120.781.94 A 5%27.3226.4731.682.337.591.810.731.55 A 7%27.6926.6431.312.347.671.760.811.63 B 6.7% 27.6827.4826.342.368.573.650.792.36 添加 5%生石灰 A 与 6.7%生石灰 B 相比,添加 5%生石灰 A 的铁酸钙含量多,而低强度的玻璃质、硅 酸钙等含量少。 高活性生石灰的 CaO 越易与 Fe2O3 进行固相反应,烧结矿液相的形成和发展越良好,生成 的粘结相铁酸钙等越多,低强度的玻璃质等越少。 对比不同生石灰 A 用量的烧结矿矿物组成,烧结 原料 中 未 配 入 生 石 灰, 烧 结 矿 的 铁 酸 钙 量 仅 为 15 79%;生石灰 A 用量为 5%时,烧结矿铁酸钙含量 为 31.68%;继续增加用量,烧结矿矿物组成基本不变。 故烧结原料中必须配入生石灰,生石灰在烧结中的作 用无可替代[3-4,6]。 2.3.2 微观结构研究 将不同活性生石灰和不同生石 灰用量的烧结矿取样,用光学显微镜对矿样进行矿相鉴 定。 添加不同活性生石灰的烧结矿矿相见图 2,配加 5%生石灰 A 得到的烧结矿的扫描电镜及能谱分析见 图 3,添加不同生石灰 A 得到的烧结矿矿相见图 4。 图 2 添加不同活性生石灰的烧结矿矿相 (a)生石灰 A ;(b)生石灰 B 由图 2 可见,添加生石灰 A 所得烧结矿中铁酸钙 含量较多且为针状,针状铁酸钙强度高、还原性好,是 理想的铁酸钙结晶形态。 且针状铁酸钙与磁铁矿和赤 铁矿均质的紧密交织,起到良好的固相固结和液相粘 结作用,使得烧结矿结构均质紧密,烧结矿质量好。 添 加生石灰 B 所得烧结矿中铁酸钙含量少且主要为板 09矿 冶 工 程第 35 卷 状,这种形态铁酸钙强度和还原性都不如针状铁酸钙。 另外,很大一部分赤铁矿和磁铁矿以大颗粒的骸晶状 存在,铁酸钙、赤铁矿和磁铁矿颗粒分散分布,没有熔 融交织在一起,使得烧结矿结构疏松、不均质,不利于 烧结矿质量的提高。 元素质量分数/ %原子分数/ % O30.7857.21 Mg0.630.77 Al1.681.85 Si4.214.46 Ca11.188.29 Fe51.5227.43 图 3 配加 5%生石灰 A 的烧结矿的扫描电镜及能谱分析图 由图 3 可见,配加 5%生石灰 A 的烧结矿的主要 元素为 Ca、Fe 和 O,相对原子含量分别为 8.29%、 27 43%和 57.21%,这 3 种元素的组合物就是铁酸钙。 针状铁酸钙均匀的分布在整个烧结矿中,并形成网状 与赤铁矿和磁铁矿颗粒紧密交织,起到良好的固相固 结和液相粘结作用,使烧结矿结构均质紧密。 另外针 状物中还含有少量的 Si、Al 和 Mg 等元素,为硅酸盐、 MgO 和 Al2O3等矿物。 图 4 添加不同生石灰 A 所得烧结矿矿相 生石灰 A 用量(a) 0;(b) 3%;(c) 5%;(d) 7% 由图 4 可见,不加生石灰 A 的矿相与添加生石灰 A 的矿相有本质区别。 不加生石灰的烧结矿没有成规 模的铁酸钙,少量条状和粒状铁酸钙在磁铁矿颗粒表 面或者颗粒间生成。 骸晶状赤铁矿和磁铁矿互联交 织,在赤铁矿和磁铁矿间隙间又填充较多的钙铁橄榄 石和硅酸钙等硅酸盐矿物。 添加 3%生石灰 A 的烧结 矿有成规模的条状和板状的铁酸钙,铁酸钙、赤铁矿和 磁铁矿三相较好的互联交织。 添加 5%生石灰 A 和 7%生石灰 A 的烧结矿相基本相同,有成规模的针状铁 酸钙,铁酸钙、赤铁矿和磁铁矿三相很好的互联交织成 一个整体,结构紧密。 随着生石灰 A 配比增加,铁酸 钙含量增多,形态从粒状、条状转变成条状、板状再转 变成针状;赤铁矿和磁铁矿粒度减小,且这两相与铁酸 钙越来越好的互联交织;钙铁橄榄石和硅酸钙等硅酸 盐矿物含量减少[1,3,11-14]。 3 结 论 1) 生石灰是烧结中必不可少的添加剂,添加适量 的高活性生石灰能降低烧结中生石灰的用量,显著提 高烧结矿产质量。 添加 5%高活性生石灰得到的烧结 矿成品率为 73.65%,转鼓强度为 66.67%,燃烧速度为 22.95 mm/ min,利用系数为 1.47 t/ (m2h),固体燃耗 55.66 kg/ t。 2) 高活性生石灰烧结矿中低强度的玻璃质、硅酸 钙等含量少,高强度的铁酸钙含量高;铁酸钙以理想的 针状结晶形态存在,针状铁酸钙分布在整个烧结矿中, 以网状结构与赤铁矿和磁铁矿颗粒紧密交织,使烧结 矿内部结构均质紧密。 3) 随着高活性生石灰用量增加,烧结矿中铁酸钙 含量增多,其形态从粒状、条状转变成条状、板状再转 变成针状。 参考文献 [1] 范晓慧,孟 君,陈许玲,等. 铁矿烧结中铁酸钙形成的影响因素 [J]. 中南大学学报(自然科学版),2008,39(6)1127-1130. [2] 李青松,张念炳. 恒定碱度条件下生石灰配比对烧结矿强度的影 响研究[J]. 贵州师范大学学报(自然科学版),2009,27(1)102- 103. [3] 傅菊英,姜 涛,朱德庆. 烧结球团学[M]. 长沙中南大学出版 社,1996. [4] 陈杰初,迟洪芝. 关于生石灰强化烧结过程若干问题的探讨[J]. 烧结球团,1990(5)63-65. [5] 白彦东,郝素菊,张玉柱,等.不同活性石灰的性能[J]. 河北理工 大学学报(自然科学版),2008,30(3)21-22. [6] 梁迪超. 生石灰对烧结生产的强化作用与存在问题[J]. 鞍钢技 术,1995(4)5-6. [7] 张代华,何志军,金永龙. 生石灰用量对 MBR 矿粉生产烧结矿影 响的实验研究[J]. 烧结球团,2009,34(1)20-22. (下转第 96 页) 19第 1 期杨永斌等 高活性生石灰在烧结中的应用及机理分析 剂浓度,金、银浸出率随着试剂添加量增加而增大,在 补加量为 10 kg/ t 时,金、银浸出率为 97.47%和 48.74%, 继续补加 Sandioss 至 14 kg/ t 时,金浸出率变化较为缓 慢,在 Sandioss 补加量为 18 kg/ t 时,金浸出率高达 98 32%。 因此通过贫液调浆优化试验后,充分利用了 贵液中残余的试剂来降低 Sandioss 消耗量,在确保较 好浸出率前提下,Sandioss 用量降低至10 kg/ t,通过吸 附过程中活性炭对贵液有害金属离子的吸附,减弱了 对浸出过程的不良影响,减少了浸出过程中试剂的用 量,降低了浸出试剂成本,提高了 Sandioss 提金优势, 浸出过程完全可以与氰化法相媲美。 图 8 返液调浆优化试验结果 3 结 论 1) 金精矿含硫、铜较高,金被黄铁矿与黄铜矿包 裹,导致金、银难以与浸出试剂充分接触,采用硫酸化 焙烧⁃酸浸除铜预处理后,酸浸渣的孔隙得到了很好的 改善,利于后续浸出作业。 2) 以 Sandioss 浸出后的含金贵液为原料,在椰壳 活性炭用量 30 g/ L,pH 值为 11~12 条件下进行吸附 试验,吸附时间为 6 h 时,活性炭对金的吸附率接近 100%,银吸附率高达 99.53%。 3) 金精矿经过 2 h 硫酸化焙烧⁃酸浸除铜预处理 后,助浸剂 SD⁃1010 用量 20 kg/ t,液固比 1.5,采用活 性炭吸附后贫液,用氢氧化钠调节矿浆 pH 值至 12, Sandioss 用量 10 kg/ t,浸出 48 h 时金浸出率高达 97 47%。 在不改变原有浸出工艺及设备的前提下,浸 出过程完全可以替代氰化法。 参考文献 [1] 王立川,濮存珊,史守民. 关于金银浸出时电化学催化[J]. 黄金, 1991,12(3)17-20. [2] 潘志兵. 堆浸提金新进展[J]. 矿产综合利用,1996(3)25-30. [3] 蔡淑霞,张 云. 堆浸提金原理和试验研究[J]. 贵金属地质, 1992(4)236-242. [4] 范 斌. 矿石中金的硫脲浸出研究[J]. 湿法冶金,1999(2)23-25. [5] 秦海山,任忠杰. 岩金堆浸含氰废渣污染及其防护措施[J]. 青海 环境,2000,10(2)78-80. [6] 邱延省,罗仙平, 付丽珠. 磁场强化硫脲浸金试验研究[J]. 黄金, 1999,20(9)32-34. [7] 石同吉. 氰化提金技术发展现状评述[J]. 黄金科学技术,2001,9 (6)22-29. [8] 吕超飞,党晓娥,贠亚新,等. 环保型浸出剂处理金精矿的试验研 究[J]. 黄金,2014,35(5)60-63. [9] 刘谟禧. 氰化法、硫脲法、水氯化法的比较与展望[J]. 黄金, 1989,10(4)25-29. [10] Murth D S R, Prasad P M. Leaching of gold and silver from Miller process dross through non⁃cyanide leachants[J]. Hydrometallurgy, 1996,42(1)27-33. [11] Hisshion R J, Waller C G. Recovering gold with thiourea[J]. Min⁃ ing Magazine,1984,151(3)237-243. [12] 宋岷蔚. 硫氰酸铵法提金工艺研究[J]. 矿冶工程,2013,33(2) 84-87. [13] 王周谭. 无氰浸金技术在我国的研究应用现状[J]. 黄金科学技 术,1995,3(6)9-14. [14] 李德良. 浸金药剂研究(Ⅰ)非氰药剂的进展[J]. 黄金,1992,13 (10)32-36. [15] 王政德. 氨性硫代硫酸盐对提高低品位金矿浸出率的试验研究 [J]. 黄金,1995(2)42-45. [16] 孙传尧. 黄金生产工艺指南[M]. 北京 地质出版社,2000. [17] 梁晓春,薛 光. 从高铜、铅金精矿中氰化提取金、银的试验研究 [J]. 黄金,2006,27(8)36-38. (上接第 91 页) [8] 袁晓丽,唐斐斐,李 凡,等. 生石灰活性度对烧结性能的影响 [J]. 重庆科技学院学报(自然科学版),2012,14(4)107-108. [9] 王建国. 烧结配加生石灰替代生熔剂矿的生产实践[J]. 矿冶工 程,2001,21(3)69-71. [10] YB-T 105-2005,冶金石灰物理检验方法[S]. [11] 陈耀明,陈 锐. 烧结球团矿微观结构[M]. 长沙中南大学出版 社,2011. [12] Julin D. Mineral composition and quality of iron ore sinter[J]. Sinte⁃ ring and Pelletizing,1984(4)79-82. [13] 范晓慧,李文琦,甘 敏,等. MgO 对高碱度烧结矿强度的影响 及机理[J]. 中南大学学报(自然科学版),2012,43(9)3328- 3329. [14] 谢路奔. 结晶水含量对褐铁矿烧结性能的影响及分析[J]. 矿冶 工程,2012,32(6)93-95. 69矿 冶 工 程第 35 卷