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含锡铁精矿CO还原分离锡铁的行为研究

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第32卷第4期 2012年08月 矿 冶 工 程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEEIUNG V01.32№4 August 2012 含锡铁精矿GO还原分离锡铁的行为研究① 李光辉,贾志鹏,张元波,姜 涛 (中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙410083) 摘要:以含锡铁精矿(Sn:0.26%,TFe:65.7%)为研究对象进行还原焙烧。在分析还原焙烧过程中锡、铁氧化物行为的基础上, 重点研究了预氧化、焙烧温度、焙烧时问以及还原气氛(气相中C0含量)对锡脱除效果的影响。实验结 表明,锡的脱除主要发生 在弱还原气氛焙烧阶段。在优化条件下(焙烧温度925~950 oC,焙烧时间30 min,还原介质中CO体积浓度为40%~50%),球团 矿中锡的残余量为0.031%,锡的挥发率达到88.88%。 关键词:锡;复杂铁矿;还原焙烧;锡铁分离 中图分类号:TF11l 文献标识码:A 文章编号:0253—6099(2012)04—0083—04 Research on Separating Tin and.Iron from Tin-bearing Iron Concentrate by CO Reduction LI Guang—hui,JIA Zhi—peng,ZHANG Yuan—bo,JIANG Tao (School of Minerals Processing and Bioengineering,Central South University,Changsha 4 1 0083,Hunan,China) Abstract:The experiment of reduction roasting was carried out for tin—bearing iron concentrate(Sn:0.26%,TFe: 65.7%).Based on the analysis of behavior of tin and iron oxides during reduction roasting,the effects of pre—oxidation, roasting temperature and roasting time,as well as reduction atmosphere(CO content in gas phase)on tin removal were investigated emphatically.The experimental results showed that the tin removal principally occurred in weak reduction roasting stage.Under the optimum conditions that the roasting temperature was 925~950 oC,roasting time was 30 min and the volume concentration of CO in reduction medium was 40%一50%,the residual content of tin in the pellets was 0.031%and the volatilization rate of tin reached 88.88%. Key words:tin;complex iron ores;reduction roasting;tin and iron separation 我国铁矿资源较为丰富,但是贫矿多,富矿少,复 杂矿和难处理矿多。含锡复杂铁矿是一种典型的难处 理矿,国外储量较少,而我国含锡铁矿资源较为丰富, 染;还原熔炼法虽然对原料的适应性强,但是难以实现 锡铁的有效分离,而且能耗也高;煤基直接还原技术可 以得到供电炉生产用的金属化球团(DRI),但该法存 在焙烧时问长、能耗高、生产率低、成本高等问题,目前 在工业生产中仍未得到应用。因而,该类含锡铁矿资 源至今仍未得到大规模开发和利用。 自2004年开始,中南大学以内蒙古含锡铁矿为研 究对象,以无烟煤或焦炭为还原剂,开发了含锡铁矿球 团链篦机一回转窑弱还原焙烧综合利用新工艺,脱锡效 果良好(焙烧产品中残余sn的含量低于0.08%)[6 J。 研究发现,锡的还原挥发主要集中在预热球团人窑后 的升温阶段(即900~1 050 qC),但对升温过程中Sn 集中分布在内蒙古、湖南、广东、, 西、云南等地区。这 类矿石一般铁品位30%一55%,锡品位0.2%~ 1.2%,均达到了工业开采品位。内蒙古黄岗地区铁锡 矿资源储量大,富含铁、锡、锌、钨、砷等多种金属元 素¨ 。随着易选冶铁矿资源的日益减少,研究开发 含锡复杂铁矿综合利用新方法具有重要的现实意义。 针对该类矿产资源的综合利用,许多学者进行了 大量的研究¨’。 ,结果表明:选矿工艺一般采用重 选、磁选和浮选相结合的方式,但获得的含锡铁精矿并 不能满足高炉炼铁原料的要求(Sn<0.08%)。硫化 的具体挥发行为未进行深入研究。 本试验采用CO与CO 混合气体为还原介质,重 点开展CO还原脱除含锡铁精矿中锡的行为研究,旨 焙烧和氯化焙烧法主要适用于处理锡中矿和贫锡精 矿,且能耗高,产生的SO,和氯对环境产生严重的污 ①收稿日期:2012-04-04 基金项目:国家杰出青年科学基金(50725416) 作者简介:李光辉(1972一),男,湖南益阳人,教授,博士,主要从事烧结球团及复杂矿综合利用方面的研究。 在进一步优化新工艺的升温制度,推进该工艺的工业 化进程。 1 原料特性和试验方法 1.1 原料特性 试验用铁精矿取自内蒙古黄冈矿业公司,其主要 成分及其含量见表1。 表1 含锡铁精矿的主要化学成分(质量分数)/% TFe FeO Sn SiO2 A12O3 CaO MgO Pb S 65.7O 28.O9 0.26 1.7l 1.95 】.69 0.33 0.O13 0.07 从表1可以看出,该铁精矿TFe含量为65.70%, 其中FeO含量为28.09%,表明该矿属于典型的磁铁 矿。而其中的杂质锡的含量为0.26%,超过高炉冶炼 要求(<0.08%)。文献表明 ,“' J,铁精矿中锡石常 以3种形式存在:呈不规则的单体粒状、呈微细粒包裹 体嵌布于磁铁矿中或呈不规则状沿磁铁矿边缘镶嵌。 利用电子探针对磁铁矿中的锡含量进行了测 定 ,结果表明磁铁矿中的锡绝大部分为锡石的微细 粒包裹体,这是导致锡与铁采用单一磨选法分离困难 的主要原因。 1.2试验方法 还原试验所用装置如图1所示。 图1还原装置示意 所用气体纯度为:N2>99.99%,CO >99.99%, CO>99.99%。还原试验主要步骤如下: 1)将已装好试样的刚玉瓷舟(80 mm×10 mm× 10 mm)推入石英管中至指定确定位置(试样只放置在 瓷舟中间的4 CITI)。 2)通入N2 3 min,流量为4 L/min。 3)将石英管缓慢推至已升温至目标温度的卧式 管炉某一确定位置处。 4)点燃出气口烟气,调节CO,至所需流量,关闭 第32卷 N ,调节CO至所需流量,开始计时。 5)还原结束后,先停止通人CO,再关闭CO,,同 时通人N:。然后将石英管缓慢取出,保持石英管内N 流量在4 L/min,冷却至室温(约25 min)。 6)待石英管冷却至室温后,停止通人N ,取出刚 玉瓷舟,称重,然后收集样品。 2 CO还原Fe、Sn氧化物的行为分析 工艺矿物学研究表明,含锡铁精矿中的铁主要以 Fe,O 形式存在,锡主要以SnO 的形式存在。文献分 析表明 '惶 ,锡石和铁氧化物的还原是从高价到低 价进行的,即: SnO2—÷SnO Sn (1) Fe2O3 Fe O4—}FeO Fe (2) CO还原含锡铁精矿球团中Fe、sn氧化物的主要 反应如下 '挖 : 3Fe2O3+CO一2Fe3O4+CO2 (3) Fe3O4+CO一3FeO+CO2 (4) FeO十CO——Fe+CO2 (5) SnO2(S)+CO===SnO(g)+CO2 (6) SnO+CO—Sn+CO2 (7) 文献表明 , :在高温弱还原性气氛下,SnO 发生的主要反应如式(6),SnO在高温下具有较大的 蒸汽压,将以气态SnO的形式挥发进入气相;在高温 强还原气氛下,由于铁和锡氧化物的标准生成吉布斯 自由能很接近,两者易被同时还原为金属铁和锡。由 于铁和锡的亲和力强,一旦形成锡铁合金后,就难以实 现Fe、Sn的有效分离。 文献指出 , :为使锡、铁得以有效分离,需 控制适宜的气氛和温度条件,使SnO 仅被还原到SnO 阶段,而铁氧化物还原到FeO阶段。高温下,SnO以气 态的形式挥发,而Fe主要以FeO的形式存在。 3试验结果及讨论 本试验研究采用高纯度的CO和CO:混合气体为 还原介质,通过控制还原焙烧时间、还原焙烧温度和 CO气体的含量,得到最优的锡铁分离条件。 3.1预氧化试验 工业生产中拟采用含锡铁精矿球团链篦机预氧 化.回转窑弱还原焙烧工艺。预氧化的目的是为了使 预氧化球团内部产生微晶连接,增强人窑球团的强度, 减少窑内粉末量。 在950℃、CO体积浓度为50%、60 arin的还原条件 下,固定预氧化温度为920。【=,时间为10 rain,研究了预 氧化对含锡铁精矿球团还原的影响,试验结果见表2。 第4期 李光辉等:岔锡铁精矿CO还原分离锡铁的行为研究 表2预氧化对含锡铁精矿球团脱锡效果的影响 从表2可以看出,未预氧化球 还原焙烧脱锡效 果比预氧化球团好,未预氧化球团还原焙烧产物中残 余锡含量降至0.037%,锡挥发率达86.71%,而预氧 化球团还原焙烧产物中残余锡含量为0.20%,锡挥发 率只有28.88%。由此可见预氧化不利于锡的脱除。 究其原因是:预氧化球L才I首先按式(3)反应,其次才发 生式(4)反应,而预氧化球团由于Fe,O 结晶较好,结 构相对致密,孔隙率低,小利于气体扩散,导致SnO 与 CO接触不利,式(6)的反应不充分;末预氧化球团还 原过程中主要发生式(4)的反应,球团未经过预热阶 段Fe O 的结晶过程,孑L隙率较高,冈而有利丁反应式 (6)的发生。 以下试验均在末预氧化条件下进干『。 3.2焙烧时间试验 控制还原介质中CO体积浓度为50%,嘲定焙烧 温度为950℃,考查了焙烧时问对含锡铁精 球团还 原的影响,结果见图2。 \ 缸 = ∞ 焙烧时间/mhl 图2焙烧时间对含锡铁精矿球团脱锡效果的影响 从图2可以看出,球 在此焙烧时间范围内的脱 锡效果明 ,球团q_j残余锡的含 均低于0.08%。球 团中残余含锡量和锡的挥发率在20~30 rain时的变 化幅度较大,30 rain以后变化幅度较小。这足由于当 CO气体进入球团进行反J、 、,,球团外层锡石首先被还 原为SnO 挥发,随着反应时问的延长,还原反应逐 渐向内层进行。当焙烧时间为30 rain时的残余含锡 量为0.043%,锡的挥发率达到85.58%;当焙烧时间 进一步延长,锡的挥发率提高幅度并不大。从』二述试 验结果来看,继续延长时间还可以提高锡的挥发率,但 是实际生产中意义并不大。较佳的还原时间为30 min 左右 3.3焙烧温度试验 控制还原介质中CO体积浓度为50%,固定焙烧 时间为30 min,考查了焙烧温度对含锡铁精矿球团还 原的影响,结果见图3。 焙烧温度/℃ 图3焙烧温度对含锡铁精矿球团脱锡效果的影响 从图3可以看出,球团在此焙烧温度范围内的脱 锡效果变化明显。随着温度的升高,产物中残余锡含 量呈先降低后升高趋势,锡的挥发率呈先升高后降低 趋势。当温度为875~925℃时,SnO,被还原为SnO 而挥发。而随着温度的升高,少量的锡石逐渐被还原 成金属锡,一定程度上影响了氧化亚锡的挥发效果,使 锡的脱除率降低 J。当焙烧温度为925℃时,产物中 残余锡含量最低,达到0.031%,锡的挥发率最高,达 到88.88%。因此,较佳的焙烧温度为925~950 cc。 3.4还原气氛试验 固定焙烧温度为950℃,焙烧时问为30 min,研究 了还原介质中CO的含量对含锡铁精矿球团还原的影 响,结果见图4。 co含量/% 图4 CO含量对含锡铁精矿球团脱锡效果的影响 从图4可以看出,球团在CO体积浓度为35%~ 80%的还原气氛范围内脱锡效果明显。随着还原气氛 的增强,产物中残余锡含量呈先降低后升高趋势,锡的 挥发率呈先升高后降低趋势。从锡氧化物还原的热力 学图 可知,当温度为1 223 K时,SnO稳定存在的C0 矿冶工程 炼铁用球团矿的研究[J].钢铁,2009,44(6):8—13. 第32卷 平衡浓度范围为13%~17.5%。而在实际还原过程 中,球团内部的CO实际浓度远低于还原气相中CO浓 度。当还原气相中CO体积浓度为35%一80%时,球 团内部CO的实际浓度接近SnO稳定存在所需的气氛 条件。因此,球团的脱锡效果在CO体积浓度为35% ~[3] 张元波.陈丽勇.李光辉.含锡锌铁矿的矿物学特性及其综合利 用新技术[J].中南大学学报,2011,42(6):1501—1508. [4]Zhang Y B,Jiang T,Li G H,et a1.Tin and zinc separation from tin, zinc beating complex iron ores by selective reduction process[J]. Ironmaking and Steelmaking,201 1,38(8):613—619. 80%时相对比较明显。当CO体积浓度为40%时, [5]刘凤国,张福光.内蒙铁矿资源状况及包钢“十五”铁平衡浅析 [J].包钢科技,2003,29(1):7—10. [6] 张元波.含锡锌复杂铁精矿球团弱还原焙烧的物化基础及新工 产物中残余锡含量最低,达到0.039%,锡的挥发率最 高,达到85.94%。 艺研究[D].长沙:中南大学资源加工与生物工程学院,2006. [7] 马存安.高铁锡精矿磁选除铁的探讨[J].有色冶金,1994(2): 44—45. 4结 语 1)含锡铁精矿中锡的脱除主要发生在弱还原阶 段,焙烧温度、焙烧时间和还原气相中CO浓度是影响 锡脱除效果的主要因素。 2)预氧化球团相对于未预氧化球团结构比较致 密,不利于后续弱还原过程中锡的挥发脱除。 [8] 罗琳,王淑秋.用浮.磁工艺回收锌铁矿的试验研究[J].矿冶, 1998,7(4):26—29. [9] 王振文,王成彦,卢惠民.含锡铁精矿还原焙烧脱锡试验研究 [J].矿冶,2005,14(2):63—66. [1O]付正.锡在还原焙烧中的挥发过程[J].有色金属(冶炼部 分),1980(2):23—25. 3)在含锡铁精矿球团未预氧化的条件下,试验优 化条件为:焙烧温度925~950℃,焙烧时间30 rain,还 原介质中CO体积浓度为40%~50%。上述条件下, 锡的挥发率达到88.88%,还原球团中残余锡的含量 为0.031%,远低于工业化生产要求的锡含量最低值 (Sn<0.08%)。 [11]黄位森.锡[M].北京:冶金工业出版社,2001. [12]魏寿昆.冶金过程热力学[M].上海:科学技术出版社,1980. [13] 陈丽勇.含锡铁矿还原焙烧锡铁分离的基础研究[D].长沙:中 南大学资源加工与生物工程学院,2010. [14]王振文.含锡铁精矿脱锡工艺及理论研究[D].北京:北京科技 大学,2005. [15]Zhang Yuanbo,Guo Yufeng,Li Guanghui,et a1.Study on tin and zinc recovery and pellet preparation for blast furnace from iron con— 参考文献: [1] 谢长江.关于矽卡岩型铁锡矿的选 冶工艺研究[J].湖南有色金 属,1996,12(6):13—15. 『2] 韩桂洪.张元波,姜涛.等.含锡锌铁精矿链篦机 回转窑法制备 eentrate containing tin and zinc[c]∥EPD Congress 2005,Edited by Mark E.Schlesinger:TMS,2005:417—426. [16] 陈耀明,徐经仓,姜涛.高锡锌砷铁精矿球团直接还原的研 究[J].烧结球团,1997,22(3):17—20. (上接第82页) 和皮革的脱灰剂,还可用于生产双氧水,可以用来制过 硫酸铵,或用于电镀等行业。 ~0.030%,且产品比表面积为l2~19 m /g,达到了高 3结 论 比表四氧化三锰的要求。 5)进行了副产品硫酸铵回收工艺研究,制备的硫 酸铵产品质量达到了GB 535—1995标准优等品指标。 6)用原生菱锰矿直接制备四氧化三锰工艺与氧 化法相比,省去了电解工序,节省了大量的电力资源, 1)研究了采用菱锰矿为原料直接制备四氧化三 锰的新工艺,确定菱锰矿浸出一氧化除铁一硫化沉淀法 除重金属一氟化沉淀法除钙镁一絮凝除硅.氨水沉淀一脱 硫一氧化制备四氧化三锰的工艺流程及工艺条件,制备 出电子级四氧化三锰,均达到电子级四氧化三锰的质 大大降低了四氧化三锰的生产成本,提高了四氧化三 锰的生产利润及产品的竞争力。 参考文献: [1] 崔益顺.低品位软锰矿制备硫酸锰绿色工艺研究[J].化工矿物 与加工,2011(9):17—19. 量标准,且比表面积较大。 2)硫酸浸出菱锰矿,可在室温下浸出,反应时间 短,浸出30 min时锰的浸出率达99%以上,回收率达 88%以上。 [2] 邹兴,朱鸿民.硫酸锰在氨性介质中制备四氧化三锰的研究 宁,韩英,等.氧化沉淀法制备纳米级Mn O 粉体 超,等.用软锰矿直接制备高纯高比表面四氧化 [J].中国锰业,2009,27(4):4—6. [3]索鎏敏,华及影响因素[J].微纳电子技术,2009,46(1):23—28. [4] 田甜,罗红玉,杨三锰[J].地球科学(中国地质大学学报),2OO7,31(1):119—122. [5] 崔国星,朱建伟,张启卫.硫酸锰氧化法制备四氧化三锰的研究 [J].矿冶工程,2008,28(4):72—76. [6] 陈飞宇,梅光贵,谭柱中.硫酸锰溶液制备电子级四氧化三锰的 研究『J].中国锰、 2003,21(3):14—16. 3)用空气氧化法除铁、硫化物除重金属、氟化物 沉淀除钙镁、絮凝法除硅,能有效地除去硫酸锰溶液中 的各种杂质,达到制备高纯四氧化三锰的工艺要求,锰 的综合回收率大于95%。 4)氨水沉淀-脱硫一氧化沉淀法制备四氧化三锰, 能有效脱除产品中硫,使产品中硫含量达到0.018% 

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