赤泥鐵精粉直接還原實驗研究①

武兵強，高建軍，萬新宇，齊淵洪

（1.鋼鐵研究總院 先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室，北京 100081；2.鋼研晟華科技股份有限公司 研發(fā)部，北京 100081）

赤泥是以鋁土礦為原料生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的極細顆粒強堿性固體廢渣，因其含鐵多而呈褐紅色，故俗稱赤泥，每生產(chǎn)1 t氧化鋁就產(chǎn)生0.8～1.5 t赤泥。隨著近年氧化鋁工業(yè)的快速發(fā)展，全球每年的氧化鋁產(chǎn)量已接近1.5億噸［1］。目前，我國赤泥累積堆存量已超過13.0億噸，赤泥大量堆存，既占用土地、浪費資源，又容易造成環(huán)境污染和安全隱患，已成為迫切需要解決的問題［2］。目前，很多學(xué)者對赤泥的利用進行了多領(lǐng)域探索，例如：從赤泥中回收有價組分［3-8］；利用赤泥制備建筑材料［9-11］、修復(fù)土壤［12］、處理污水［13-15］與廢氣［16］等。

我國鋁土礦主要從國外進口，氧化鋁生產(chǎn)以拜耳法為主，尤其是近幾年大量從幾內(nèi)亞進口高鐵鋁土礦，每年會產(chǎn)生大量的高鐵赤泥。高鐵赤泥中Fe2O3含量約50%，具有極高的綜合利用價值。筆者所在課題組針對某企業(yè)赤泥鐵精粉開展資源化利用研究，提出赤泥鐵精粉回轉(zhuǎn)窯還原-電爐熔分或作為轉(zhuǎn)爐冷卻劑使用的方案，基于此，本文開展了赤泥鐵精粉回轉(zhuǎn)窯還原實驗研究，考察還原過程中赤泥鐵精粉金屬化率的變化，以期為赤泥鐵精粉回轉(zhuǎn)窯還原工業(yè)化試驗提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗所用赤泥鐵精粉化學(xué)成分如表1所示。該赤泥鐵精粉由氧化鋁產(chǎn)生的高鐵赤泥經(jīng)磁選和重選得到，赤泥鐵精粉為赤紅色，水分含量10%～15%。赤泥鐵精粉中主要成分為鐵、鋁、硅、鈦、鈣等，其中鐵含量高達48.48%。

表1 赤泥鐵精粉主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

1.2 實驗方法

針對赤泥鐵精粉進行回轉(zhuǎn)窯還原模擬實驗。首先將赤泥鐵精粉、煤粉和氧化鈣按一定配比稱重混勻，然后壓球裝入剛玉坩堝；將裝有含碳球團的剛玉坩堝放入電阻爐內(nèi)，按照預(yù)定的升溫曲線對混合料進行加熱和直接還原。直接還原完成后，將剛玉坩堝快速從電阻爐內(nèi)取出，置于惰性氣氛中冷卻至室溫。檢測還原后的金屬化爐料TFe和MFe含量，計算金屬化率。

1.3 實驗原理

回轉(zhuǎn)窯直接還原是典型的煤基直接還原工藝，主要是利用煤粉中的碳與赤泥鐵精粉中的鐵氧化物發(fā)生反應(yīng)生成金屬鐵。鐵氧化物的還原順序是由高價鐵氧化物向低價鐵氧化物逐級還原，即：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe。還原過程中發(fā)生的反應(yīng)如下：

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 還原溫度對金屬化率的影響

還原溫度是影響鐵氧化物還原反應(yīng)的重要因素，提高溫度有利于赤泥鐵精粉中鐵氧化物的還原，同時加快還原反應(yīng)速率，但是溫度過高，會導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈。因此，合適的還原溫度不僅可以取得最佳金屬化率，而且可以避免回轉(zhuǎn)窯還原過程中出現(xiàn)結(jié)圈問題。

氧化鈣配比（相對赤泥鐵精粉質(zhì)量分數(shù)）10%、配碳量（碳氧物質(zhì)的量比）1.2、還原時間120 min條件下，考察了還原溫度對赤泥鐵精粉還原后金屬化率的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在1 000～1 150℃范圍內(nèi)，還原溫度升高對金屬化率有顯著影響。升高溫度有助于赤泥鐵精粉中鐵氧化物的還原?？紤]到后續(xù)工業(yè)生產(chǎn)中溫度太高會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題，因此選擇1 100℃作為赤泥鐵精粉回轉(zhuǎn)窯還原溫度，此時金屬化率為91.37%。

圖1 還原溫度對金屬化率的影響

2.2 氧化鈣配比對金屬化率的影響

還原溫度1 100℃，其他條件不變，氧化鈣配比對金屬化率的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著氧化鈣配比升高，赤泥鐵精粉金屬化率呈現(xiàn)先升高后小幅度降低的規(guī)律。適當(dāng)增加氧化鈣配比，有助于赤泥鐵精粉中鐵氧化物的還原，但氧化鈣配比大于10%后，則不利于提高金屬化率。因此，選擇氧化鈣配比為10%，此時金屬化率為91.37%。

圖2 氧化鈣配比對金屬化率的影響

2.3 配碳量對金屬化率的影響

配碳量主要根據(jù)赤泥鐵精粉中金屬氧化物的氧含量計算得到，通過添加煤粉來調(diào)整赤泥鐵精粉的配碳量。氧化鈣配比10%，其他條件不變，配碳量對金屬化率的影響如圖3所示。由圖3可知，配碳量1.0時，赤泥鐵精粉還原后取得較高的金屬化率，說明在實驗室條件下，赤泥鐵精粉中配加的煤粉基本滿足鐵氧化物的還原。增加配碳量，金屬化率增幅較小，但在回轉(zhuǎn)窯工業(yè)生產(chǎn)中，配加的煤粉會有燒損，因此選擇配碳量為1.2，此時金屬化率為91.37%。

圖3 配碳量對金屬化率的影響

2.4 還原時間對金屬化率的影響

配碳量為1.2，其他條件不變，還原時間對金屬化率的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著還原時間由90 min延長至120 min，金屬化率顯著提高；還原時間延長至150 min時，金屬化率略有提高；還原時間180 min時，金屬化率變化不大。延長還原時間會影響回轉(zhuǎn)窯工業(yè)生產(chǎn)實際產(chǎn)量，而且延長還原時間會增加冶煉能耗，綜合考慮，選擇還原時間120 min，此時金屬化率為91.37%。

圖4 還原時間對金屬化率的影響

2.5 優(yōu)化條件試驗

通過上述單因素試驗，確定適宜的還原條件為：還原溫度1 100℃、氧化鈣配比10%、配碳量1.2、還原時間120 min，在此條件下進行赤泥鐵精粉還原驗證試驗，得到金屬化率為91.56%。該工藝參數(shù)可為赤泥鐵精粉回轉(zhuǎn)窯還原工業(yè)化試驗提供依據(jù)。

3 結(jié) 論

1）赤泥鐵精粉中TFe含量為48.48%，鐵含量高，具有非常高的資源回收價值。

2）提高還原溫度、適當(dāng)提高氧化鈣配比以及延長還原時間均有利于赤泥鐵精粉中鐵氧化物的還原。

3）適宜的還原條件為：還原溫度1 100℃、氧化鈣配比10%、配碳量1.2、還原時間120 min，此時金屬化率為91.56%。獲得的工藝參數(shù)可為后續(xù)回轉(zhuǎn)窯還原工業(yè)化試驗提供參考。