DOC《某镍冶炼炉渣深度还原过程中铁的成长特性研究》

某镍冶炼炉渣深度还原过程中铁的成长特性研究 韩跃新 马松勃 (1.

东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳l10004) 摘要研究了某镍冶炼炉渣深度还原过程中铁的还原特性及金属铁的生成及成长过程,重点讨论了还原温度、还原时间和氧化钙添加剂对金属铁生成及成长的影响.研究结果表明:适当的提高还原温度、延长还原时间和添加一定量氧化钙都有利于金属铁的生成及长大;

在反应过程中还原出的金属铁以小液滴聚集成大液滴的方式逐渐汇集,经过水萃降温处理后以固态铁颗粒的形式存在于还原物料中,铁颗粒的形成过程可分为还原成铁、聚集成滴、冷却成粒3个阶段. 关键词 闪速炉渣 深度还原 金属铁颗粒 中图分类号:TD 925.7 文献标志码:A Characteristics of Growth of Metallic Phase in Deep Reduction of a nickel smelting slag Han Yuexin1 Ma Songbo1 Wang Hong2 (1.Northeastern University of College of Resources and Civil Wngineering, Shenyang l10004,China;

2.Central south University School of Minerals Processing and Bioengineering, Changsha 410083, China) Abstract The characteristics of iron reduction and growth of metallic phase in deep reduction of a nickel smelting slag by carbon were discussed in the paper. The effects of the reduction temperature and time and the additive of calcium oxide on the generation and growth were investigated in detail.The results showed that raising the reduction temperature and the reduction time and adding a certain amount of calcium oxide was beneficial to the generation and growth.In the reaction process, the small droplets of metallic iron which were reduced gathered towards the larger drops and existed in the form of solid iron particles in the reduction of the material after cooling by water. The metallic phase of grain growth could be divided into three stages, reduction to iron, gathered into drops and cooling to particles stage. Keywords Nickel smelting slag,Deep reduction,Grain of metallic iron 基金项目 国家自然科学基金项目(编号:51074036-51134002),国家高科技研究发展计划(863)项目(编号:2012AA062401). 作者简介 韩跃新(1961―),男,教授,博士研究生导师;

通讯作者:马松勃(1981―),男,博士研究生. 马松勃 电话13689458117,邮箱[email protected],邮寄地址:甘肃省金昌市金川区27#区馨河苑13栋1口,邮编737100. 随着我国冶金行业的迅猛发展,累积堆存和新增的各种冶金炉渣的数量在日益增加,主要包括高炉渣、转炉渣、电炉渣和炉外精炼渣等[1],这些渣中含有各种有价元素如Fe、Mn、Cr、Mo、Ni、AI、以及Ca、Mg、Si等金属或非金属元素,是一种利用价值巨大的二次资源.渣的堆放不仅占地多而且严重污染周边环境[2].随着国家对循环经济的注重发展,冶金炉渣的回收利用越来越得到重视. 深度还原技术是指对低品位的铁矿石进行直接还原,改变其物相,将氧化铁转变为容易单体解离金属铁粒,然后再通过筛分或弱磁选得到铁粉的过程.该工艺得到的高金属化率的铁粉可直接作为转炉炼钢的原料[3-4].

1 实验原料和试验方法 1.1 试验原料 (1)炉渣.试验用的炉渣为某镍冶炼厂的闪速炉渣,炉渣出炉后立即采用水淬的方法降至常温,其粒度一般小于5mm,再采用对辊破碎机将其破碎至-2mm.炉渣化学多元素分析结果如表1所示,扫描电镜及能谱分析结果见图1-3. 表1 炉渣化学分析结果 Table

1 Chemical composition of slag (mass fraction) Fe Ni Co Cu S CaO MgO SiO2 45.40 0.15 0.13 0.24 1.59 0.92 4.80 33.50 图1 镍冶炼渣的扫描电镜图片 Fig.1 SEM images of samples 图2 点1的能谱分析图 图3 点2的能谱分析图 Fig.2 Energy spectrum diagram of point

1 Fig.3 Energy spectrum diagram of point

2 化学分析结果表明,炉渣主要元素为铁、硅和氧,含有少量的镁、钙、硫、铜、镍、钴.扫描电镜及能谱分析表明,炉渣的主要成分为铁橄榄石,含有少量的硅酸镁和铁硫化物,金属铁、镍和铜的硫化物以锍的形式不均匀分布在铁橄榄石基质中. (2)煤.还原剂采用煤,其分析成分见表2. 表2 煤的工业分析(质量分数) Table

2 Industrial analysis of coal (mass fraction) 还原剂 水分 Hr 挥发份 Vdaf 固定碳 Cd 灰份 Aad 硫含量 % 洗精煤 1.48 18.45 67.83 12.02 0.028 从其组成可以看出,煤的灰分及硫含量相对较低,为低灰分、低硫磷的优质煤. 1.2 研究方法 将40克炉渣与煤粉(≤2mm)进行充分混合后放入100ml的坩埚中,再将盛有混合物的坩埚放入电阻炉内,控制电阻炉迅速升温,达到实验要求温度后开始计时,控制反应温度不变,待反应时间到达后,将高温的反应产物从电阻炉中取出并迅速浸入冷水中冷却到常温,再进行烘干,破碎至-2mm后缩分、取样进行光学显微镜和扫描电子显微镜及能谱分析.在实验过程中,为保证反应的还原气氛,使混入的煤粉量在反应结束后扔有剩余.反应时,未参加反应的煤粉由于熔点很高呈固体状态,炉渣呈融化状态,固体状态的煤粉对熔融态的炉渣起到了支撑和隔离的作用. (1)光学显微镜分析 试样磨平抛光,在光学显微镜下观察还原产物的存在特征. (2)扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析 对样品进行显微结构的研究,查明不同反应条件下金属颗粒形状及生长变化,并由此判断金属铁颗粒的生产过程.采用的扫描电镜型号为S-3500n,配有英国Oxford公司生产的Inca型X射线能谱仪.

2 实验结果与分析 2.1 还原温度对还原过程中铁颗粒长大的影响 在反应时间60分钟,还原温度分别为1200℃,1250℃、1300℃和1350℃下还原产物的扫描电镜如图4,各点的能谱分析图见图5.根据扫描电镜和能谱分析图可知,被还原的铁是从铁橄榄石的基质中逐渐汇集并长大形成颗粒,最终从基质中分离出来.还原温度对深度还原过程中铁颗粒长大的影响非常明显,是影响铁颗粒长大的重要因素,在其他条件相同的情况下,随着温度的升高,铁颗粒逐渐增多且尺寸明显变大.一是由于温度的升高提高了还原反应速度.二是由于本文的还原物料组成主要为铁橄榄石,属硅酸盐类熔体.硅酸盐熔体中硅和氧形成了稳定的硅氧四面体SiO44-结构以及更为复杂的硅氧阴离子团,如Si2O76-、Si3O96-、Si6O1812-等[5].根据硅酸盐熔体结构的聚合物理论,聚合物的种类、大小和数量随熔体的组成和温度而变化.在熔体组成不变的情况下,随着温度的升高,部分高聚合物的硅氧阴离子团解体成低聚物,成为尺寸较小的流动单元,从而降低了熔体的黏度,增加了还原铁的扩散和迁移速度. (a)1200℃b)1250℃ (c)1300℃d)1350℃ 图4 不同温度下的扫描电镜图 Fig.4 SEM images in different temperatures 2.2 还原时间对还原过程中铁颗粒长大的影响 在反应温度1300℃下,反应时间分别为10分钟、20分钟、40分钟和60分钟下还原产物的扫描电镜如图6,各点的能谱分析图见图7.从扫描电镜和能谱分析图可以看出,被还原的铁从铁橄榄石的基质中逐渐汇集并长大形成颗粒.还原时间对深度还原过程中铁颗粒长大的影响也非常明显,是影响铁颗粒长大的重要因素,在其他条件相同的情况下,随着反应时间的延长,铁颗粒尺寸逐渐变大.这是由于当反应时间延长后,还原铁有更多的时间进行扩散和迁移,并汇集长大成较大颗粒[6]. (a)10分钟 (b)20分钟 (c)40分钟 (d)60分钟 图6 不同时间下的扫描电镜图 Fig.6 SEM images in different times 2.3 氧化钙添加剂对还原过程中铁颗粒长大的影响 在反应温度1300℃下,氧化钙添加量为炉渣质量分数的25%,反应时间分别为10分钟、20分钟、40分钟和60分钟下还原产物的扫描电镜如图8,各点的能谱分析图见图9.从扫描电镜和能谱分析图可以看出,被还原的铁从铁橄榄石的基质中分离出来,与不添加氧化钙相比,添加了氧化钙之后的铁颗粒与基质的分离界面更加清晰,反应速度也更快,以10........