润磨预处理对硫酸渣精矿球团性能的影响研究.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 1 3 年0 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 哐T A L I ．U R G I C A LE N G Ⅱ_ E E R I N G V 0 1 ．3 3 №1 F e b i ％l a r y2 0 1 3 润磨预处理对硫酸渣精矿球团性能的影响研究① 庹必阳1 ”，王建丽3 ，聂光华1 ”，李龙江1 ”，杨勇1 2 1 ．贵州省非金属矿产资源综合利用省级重点实验室，贵州贵阳5 5 0 0 2 5 ；2 ．贵州大学矿业学院，贵州贵阳5 5 0 0 2 5 ；3 ．湖南工业大学冶金工程学院， 湖南株洲4 1 2 0 0 0 摘要为了研究润磨对硫酸渣精矿球团性能的影响，将配加1 ．7 ％膨润土，1 5 ％H 0 和润磨6m i n 的硫酸渣精矿进行造球，并对球 团进行预热和焙烧实验研究。结果表明，与未经润磨的硫酸渣精矿制备的球团相比较，经润磨的精矿球团的预热温度降低1 5 0o C ， 预热时问从1 2m i n 降低至6m i n ；焙烧温度可降低7 5 ℃，焙烧时间从1 5m i n 降低到8m i n 。在预热温度10 7 5 ℃，预热时间1 2m i n ， 焙烧温度l2 2 5 ℃，焙烧时间1 3r a i n 的优化条件下，成品球团的抗压强度为47 2 6N ，还原度指数达到8 7 ．5 6 ％，还原膨胀指数为 8 ．4 8 ％，润磨精矿球团的冶金性能指标能满足高炉冶炼的要求。 关键词硫酸渣；烧结球团；润磨；焙烧；铁 中圈分类号T F 0 9 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 3 ．0 1 ．0 1 5 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 1 0 0 5 6 一0 4 S t u d yo nE f f e c t so fD a m pM i l l i n go nP e l l e tP r o p e r t i e so f S u l f u r i cA c i dS l a gC o n c e n t r a t e s T U OB i ．y a n 9 1 ”，W A N GJ i a n ～l i ，N I EG u a n g ．h u a l ”，L IL o n g _ j i a n 9 1 ”，Y A N GY o n 9 1 ’2 1 ．P r o v i n c i a l 研L a b o r a t o r yo fC o m p r e h e n s i v eU t i l i z a t i o no fN o n m e t a l l i cM i n e r a lR e s o u r c e s ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，G u i z h o u ， C h i n a ；2 ．M i n i n gC o l l e g e ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，G u i z h o u ，C h i n a ；3 ．S c h o o lo fM e t a l l u r g yE n g i n e e r i n g ， H u n a nI n d u s t r i a lU n i v e r s i t y ，Z h 粥h o u4 1 2 0 0 0 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ee f f e c t so fd a m pm i l l i n go np e l l e tp r o p e r t i e so fs u l f u r i ca c i ds l a gc o n c e n t r a t e s ，s u l f u r i c a c i ds l a gc o n c e n t r a t ew a sp e l l e t i z e db ya d d i n 9 1 ．7 ％b e n t o n i t ea n d1 5 ％H 2 0 ，6m i nf o rd a m pm i l l i n g ．T h e nt h ep e l l e t w a sp r e h e a t e da n dr o a s t e df o re x p e r i m e n t a lt e s t s ．R e s u l t ss h o w e dt h a ta sf o rt h ec o n c e n t r a t e sp e D e t sp r e p a r e dw i t hd a m p m i l l i n gp r o c e s s ．t h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ec a nb e1 5 0 ℃l o w e ra n dp r e h e a t i n gt i m ec a nb er e d u c e df r o m1 2r a i nt o6 r a i nc o m p a r e dw i t ht h ep e l l e t sw i t h o u td a m pm i l l i n g ．T h er o a s t i n gt e m p e r a t u r ea l s oc a nb e7 5o Cl o w e rw i t hr o a s t i n gt i m e r e d u c e df r o m1 5m i nt o8m i n ．U n d e rt h ef o l l o w i n go p t i m u mc o n d i t i o n s 1 2m i na tat e m p e r a t u r eo f10 7 5 ℃f o rp r e h e a t i n g a n d1 3m i na tat e m p e r a t u r eo f12 2 5o Cf o rr o a s t i n g ，t h ep e l l e t sp r o d u c tc a nh a v ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ho f47 2 6N ，w i t h r e d u c t i o ni n d e xo f8 7 ．5 6 ％a n dr e d u c t i o ns w e l l i n gi n d e xo f8 ．4 8 ％．T h em e t a l l u r g i c a lp e r f o r m a n c ei n d e xo fc o n c e n t r a t e p e H e t sw i t hd a m pm i l l i n gp r o c e s sc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fb l a s tf u r n a c es m e l t i n g ． K e yw o r d s s u l f u r i ca c i ds l a g ；s i n t e rp e l l e t s ；d a m pm i l l i n g ；r o a s t i n g ；i r o n 我国2 0 1 1 年铁矿石的进口量为6 ．9 9 亿吨，铁矿 石价格的累计涨幅1 0 年超过了2 0 0 ％1 ，表明中国国 内高品位铁矿石严重缺乏，对炼铁行业有很大的影响。 因此，如何拓展高炉铁原料的可用资源范围成为钢铁 行业急待解决的战略问题。 我国2 0 11 ．年硫酸渣的年排放量大于15 0 0 万吨， 含铁约为3 0 ％一6 0 ％，是很好的炼铁原料之一，但其 利用率不足3 0 ％，综合利用硫酸渣可产生良好的经济 效益和环境效益【2 。4 j 。由于硫酸渣精矿具有粒度粗、 比表面积低、孔隙率高和表面活性低等特殊的理化性 质和微观结构，导致其成球性能差、球团还原膨胀指数 高、抗压强度低以及焙烧温度高等，这是制约其利用的 关键因素“ - I O ] 。传统工艺生产硫酸渣精矿球团难以 满足工业生产要求H 1 。1 2J 。因此，急需开发一种能满足 高炉冶炼技术指标的硫酸渣精矿球团生产工艺。 本研究针对硫酸渣精矿的理化性质，探讨硫酸渣 精矿润磨预处理对球团预热抗压强度、焙烧抗压强度、 还原度指数、低温还原粉化率以及还原膨胀率的影响， 以期研究出一种硫酸渣精矿生产合格球团的新技术， 从而有效地利用硫酸渣中的铁元素。 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 9 1 6 基金项目贵州省科学基金资助 Z 1 2 3 0 8 2 ；贵阳市科技攻关项目资助 Z 1 0 4 0 3 5 作者简介庹必阳 1 9 7 9 一 ，男，云南昭通人，博士研究生，副教授，主要研究方向为选矿、矿物材料、烧结球团及钢铁冶金。 万方数据 第1 期 庹必阳等润磨预处理对硫酸渣精矿球团性能的影响研究 1 原料的性质及生球制备条件 1 ．1 硫酸渣精矿的组成成分 表1 为硫酸渣精矿成分。由表l 可知，硫酸渣精 矿的T F e 含量为5 8 ．2 6 ％，F e O 含量为2 ．5 0 ％，二元碱 度R 为0 ．4 ，S 含量为0 ．2 9 ％，烧损为2 ．6 ％，此硫酸渣 精矿W e 和F e O 含量低，硫含量略高。 表1 硫酸渣精矿成分 质量分数 ／％ T E eF e O S i 0 2A 1 2 0 3 C a O M g o S L O I 1 ．2 膨润土的物化性质 表2 为膨润土成分及物理性能。由表2 可知，该 膨润土的N a 2 0 含量为2 ．4 5 ％，其值较高，属于钠基膨 润土。膨润土的吸水量较大，一0 ．0 4 5m i l l 粒级的质量 分数占8 4 ．3 6 ％，属于较优质的膨润土。前期对膨润 土添加量对生球质量的影响研究表明[ t 33 ，随着润土配 比的增加，生球的落下强度和抗压强度均增大，爆裂温 度降低，当膨润土配比超过1 ．7 ％后，生球的落下强度 和抗压强度增大变缓。综合考虑生球的抗压强度、落 下强度和爆裂温度，膨润土的配比为1 ．7 ％时较佳。 1 ．3 硫酸渣精矿的物理性质 硫酸渣精矿的物理性质见表3 。 表2 膨润土成分及物理性能 由表3 可知，此硫酸渣精矿的真密度为4 ．4 8 g ／e m 3 ，比表面积为4 9 8c m 2 ／g ，最大分子水1 8 ．6 8 ％， 最大毛细水为3 2 ．9 6 ％，一0 ．0 4 5m i l l 粒级的质量分数 为7 5 ．8 3 ％，静态成球性指数为1 ．0 6 ，表明成球性能 优。前期对润磨时间对生球质量影响的研究表明【1 3J ， 随着润磨时间从0 增大1 0r a i n ，生球落下强度由未润 磨的7 次／O ．5 m 增大到4 4 次／0 ．5 m ，抗压强度由未润 磨的7 ．2N 增大到1 5 ．2N ，润磨6r a i n 前增幅较大，而 后增幅较缓慢，因此，选择润磨时间为6m i n 。 2 实验方法 球团制备条件为将称取4k g 硫酸渣精矿配加 1 。7 ％的膨润土混匀后，置于q b 5 0 0m m 5 2 01 1 1 ／ l q 无级 调速润磨机中，使混合料水分达到1 5 ％，润磨6m i n 后，将其倒出，采用中l0 0 0m mX 2 0 0m m 的圆盘造球 机 转速4 0r ／m i n ，倾角4 7 0 进行造球，造球时间为 1 5m i n 。 硫酸渣精矿球团的预热和焙烧实验在中1 2 0m m 12 0 0m m 硅碳棒电阻高温管式电炉中进行，其炉温 可调节控制。 采用全自动球团矿抗压强度测定仪 Q T K Y - 4 ， 按I S 0 4 7 0 0 2 0 0 7 标准对成品球进行检测，压力机最大 压力为1 0 4N ，压杆速度为1 5m m ／m i n ，试样粒度为1 0 一1 2 ．5m m ，每种试样取3 0 个球检测，取平均值作为 检测指标。 3 实验结果与讨论 3 。l 生球预热 图1 为预热温度、预热时间对预热球团抗压强度 的影响。由图l 可知，润磨6m i n 的硫酸渣精矿制备 的球团，预热时间为1 2r a i n ，其抗压强度曲线处于未润 磨原料所造球团的上方，且随着预热温度的升高，球团 的抗压强度急剧上升，当温度升高到10 7 5 ℃后，抗压 强度基本上达到理想值。而未润磨的硫酸渣精矿制备 的球团随着预热温度升高，尽管抗压强度也是先逐渐 升高，然后处于缓增趋势，但抗压强度升高的速率较 低。综上可知，预热温度为l0 7 5 ℃时，润磨后的预热 球团的抗压强度较高。预热温度为9 5 0 ℃时，未润磨 精矿生产的球团随着预热时间的延长其抗压强度增大 很小，当预热时间由6r a i n 增大到1 2m i n 时，抗压强度 从1 9 9N 增大到2 4 5N ，仅增大了4 6N ，故对未润磨精 矿制备的球团而言，预热时问对其抗压强度影响较小。 在预热时间6m i n ，精矿润磨6r a i n 后生产的球团，其 抗压强度比未润磨制备的球团高3 3 1N ，且随着预热 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 时间的延长，其抗压强度几乎呈线性增大，当预热时间 为1 2m i n 时，其抗压强度为8 0 1N ，比预热6m i n 时增 大了3 0 1N 。显然，润磨能显著提升球团的抗压强度， 减少预热时间。 预热温度／x z预热时间／m i n 图1预热温度、预热时间对预热球团抗压强度的影响 3 ．2 生球焙烧 预热温度9 5 0 ℃，预热时间6m i n 时，焙烧温度、 焙烧时间对成品球团抗压强度的影响见图2 。由图2 可知，焙烧时间1 2m i n ，当焙烧温度为11 5 0 ℃时，润 磨和未润磨的精矿，其对应成品球团矿的抗压强度分 别为26 0 7N 和9 2 0N ，虽然两者的抗压强度均随着焙 烧温度的升高逐渐增大，但润磨精矿生产的球团的抗 压强度随着焙烧温度的增幅大，且开始焙烧时抗压强 度相差就比较大，焙烧结束时抗压强度相差更大。当 焙烧温度为12 2 5 ℃时，润磨精矿与未润磨精矿所生 产成品球团的抗压强度分别为47 2 6N 和14 9 6N ，显 然，硫酸渣精矿经润磨处理能提升球团的抗压强度。 其主要原因是硫酸渣中的铁主要以F e O 。形式存在， 在高温下球团矿的固结形式以F e O ，晶粒长大和高温 下再结晶为主，故只有焙烧温度升高到13 0 0 ℃附近， 晶体颗粒长大才明显，晶粒之间才开始形成初期的连 接桥引。硫酸渣精矿经润磨处理后，人造的硫酸渣颗 粒的晶格发生变异，同时在畸变点上贮存能量，并形成 化学活性点1 l ，增强并改变矿物晶体的化学反应活 性，同时促进了固相扩散反应。因此，硫酸渣精矿经过 润磨处理后，其抗压强度能显著提高。 焙烧温度12 1 0 ℃，当焙烧时间为5m i n 时，润磨 与未润磨的硫酸渣精矿制备的成品球团矿，其抗压强 度分别为16 7 1N 和5 2 2N 。随着焙烧时间的增加，球 团矿的抗压强度都逐渐增大，但润磨精矿生产的球团 矿，其抗压强度的增加幅度较大。当焙烧时间为1 5 m i n 时，润磨与未润磨精矿生产的球团矿抗压强度分 别为2 6 5 0N 和13 2 1N 。主要原因是经润磨的硫酸渣 精矿颗粒更细，比表面积增大，接触面积增大，在润磨 过程中晶格发生畸变，相对于未润磨的硫酸渣精矿而 言，更有利于发生球团固结的固相扩散反应。由上可 知，随着焙烧时间的延长，F e O ，的结晶、高温再结晶 和晶粒长大更加彻底，故润磨精矿生产的球团矿，其抗 压强度更高。 焙烧温度／x z焙烧时间／嘣n 图2 焙烧温度、焙烧时间对成品球团抗压强度的影响 3 ．3 球团的优化焙烧实验及分析 为了考察润磨和未润磨精矿生产的球团在较优焙 烧实验条件下获得的球团性能，对较佳造球条件下获 得的球团进行筛分，将粒度为l O 一1 2 ．5m m 球团置于 硝0m mX 6 0 0m m 的立式电阻管炉中进行预热、焙烧 实验研究。球团的优化焙烧实验条件为生球预热时 间1 2m i n ，预热温度10 7 5 ℃，焙烧温度12 2 5 ℃，焙烧 时间1 3r a i n 。 表4 为不同处理方式所得硫酸渣精矿球团的冶金 性能。由表4 可知，经润磨硫酸渣精矿制备的成品球 团，其还原膨胀指数比未经润磨制备的球团低 9 ．3 8 ％。从低温还原粉化率饼地，一、肼n ，，。。、 研．。，。。也可看出，润磨后的硫酸渣精矿生产的成品球 团，其致密度较好，颗粒之间的结晶长大，再结晶及固相 反应较好，因此，润磨硫酸渣精矿球团的还原粉化指数 较优。此外，硫酸渣精矿润磨制备的球团矿，其软熔开 始温度较高，滴落温度较适宜，表明该球团矿具有较好 的软熔滴落性能。 表4 硫酸渣精矿球团冶金性能 处理抗压 R ／R S I 方式强度／N ／％／％ 低温还原粉化率／％T s 叫 6 ．3 衄D ， 31 5 蛐D I n 5 m m ／℃ 豫 ／℃ 润磨6r a i n4 7 2 6 8 7 ．5 68 ．4 89 7 ．7 59 9 ．4 6O ．3 811 3 614 6 2 未润磨 14 9 6 7 8 ．6 91 7 ．8 68 8 ．8 89 1 ．4 86 ．1 8 一一 在较佳焙烧实验条件下获得的成品球团矿，其抗 压强度达到47 2 6N ，其抗压强度远高于未经预磨处理 球团的l4 9 6N 。显然，未经润磨硫酸渣精矿生产的球 团，其抗压强度达不到高炉冶炼球团的指标，而硫酸渣 精矿经润磨后生产的球团可以满足高炉球团抗压强度 指标的要求。 万方数据 第1 期庹必阳等润磨预处理对硫酸渣精矿球团性能的影响研究 5 9 图3 为润磨硫酸渣成品球团的矿相照片，由图可 知，硫酸渣精矿经润磨预处理后，赤铁矿的结晶、高温 再结晶和晶粒长大及固相扩散的作用较明显，呈现他 形晶结构，其成品球团矿中F e 0 ，颗粒的尺寸较大，已 生长胶结连成大块，且颗粒之间紧密相连，晶状结构一 般，F e 0 ，因渣相的生成而收缩成“圆化”的颗粒板块， 球团矿中板状F e O ，形成一个牢固的骨架整体。此 外，从板状到圆化颗粒状的F e O ，在相当宽的范围内 连续存在。因此，硫酸渣经预处理后，成品球团矿的抗 压强度大幅度增加。 图3 润磨硫酸渣成品球团照片 图4 为润磨硫酸渣精矿所造成品球团在温度为 9 5 0 ℃，还原气氛为3 0 ％C O ，7 0 ％N ，的条件下，还原后 球团矿的矿相图，其还原度指数脚为8 7 ．5 6 ％，明显 高于未润磨球团的7 8 ．6 9 ％。图4 中白色区域为还原 产生的金属海绵铁，金属铁已成片状交织在一起，主要 是由于F e ，O ，在还原前已经过结晶、高温再结晶和晶 粒长大及固相扩散使F e O ，联结在一起，再经过还原 过程中F e O 与脉石矿物发生固相反应，最终使球团还 原后金属铁成片状区域存在。经润磨后的硫酸渣精矿 制备的球团矿，其颗粒生长胶结连成大块，且颗粒之间 紧密相连，F e ，0 ，因初渣相的生成而收缩成“圆化”的 颗粒板块，球团矿中板状F e ，0 ，形成一个牢固的骨架 整体，故其抗压强度较好。此外，由于润磨硫酸渣精矿 制备的球团矿，其组成颗粒较细，故C O 与铁氧化物颗 图4 润磨硫酸渣成品球团还原后照片 粒的接触面积较大，在相同温度和气氛下还原速率较 快，因此，经润磨后的硫酸渣精矿制备的球团矿其还原 度指数较高。 4 结论 1 润磨预处理可强化硫酸渣精矿球团的预热性 能，在相同预热时间下，润磨6r a i n 生产的球团，其在 9 5 0c c 预热后抗压强度大于未润磨硫酸渣精矿球团在 11 0 0o C 预热后的抗压强度；在预热温度9 5 0 ℃下，润 磨6m i n 生产的球团，其预热时间可以从未润磨精矿 球团的1 2m i n 减小到6r a i n 。 2 润磨预处理可强化球团的焙烧性能，球团焙烧 温度降低。经润磨6m i n 生产的球团，在相同焙烧时 间下，其在11 5 0o C 焙烧后抗压强度大于未润磨硫酸 渣精矿球团在l2 2 5o C 焙烧后的抗压强度；在相同焙 烧温度下，经润磨6r a i n 生产的球团，其焙烧时间可以 从未润磨精矿球团的1 5m i n 减小到8m i n 。 3 硫酸渣精矿经润磨后，其颗粒粒度变细，比表面 积和表面活性均增大，膨润土配比与造球水分均降低。 润磨精矿生产的球团，其还原度指数较好，低温还原粉 化率和还原膨胀率较低，具有较好的高温冶金性能。 参考文献 [ 1 ] 王维兴，黄沽．中国高炉炼铁技术发展评述[ J ] ．钢铁，2 0 0 7 ，4 2 3 1 4 ． [ 2 ] 朱晓波，张一敏，刘涛，等．石煤提钒配煤焙烧试验研究[ J ] 矿冶工程，2 0 1 0 ，3 0 1 5 1 5 4 ． [ 3J F e l t e tG ，M a r e h i o lL ．T h ea p p l i c a t i o no fp h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y i nas o i lc o n t a m i n a t e db yp y r i t ec i n d e r s [ J ] ．E c o l o g i c a lE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 3 5 2 0 7 2 1 4 [ 4 ]陈铁军，邱冠周，朱德庆．石煤提钒焙烧过程钒的价态变化及氧 化动力学[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 8 ，2 8 3 6 4 6 7 [ 5 ]白国华，周晓青，范晓慧，等润磨强化硫酸渣制备氧化球团的技 术及机理[ J ] ．中南大学学报，2 0 1 1 ，4 2 6 1 5 0 9 1 5 1 5 ． [ 6 ] L I UZ h a oc h e n g ，Z H E N GY a - 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