經(jīng)文波 李惟宗 吳志憲

(1.百色學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，2.百色學(xué)院 生態(tài)鋁產(chǎn)業(yè)學(xué)院，3.廣西壯族自治區(qū) 鋁基新材料工程研究中心)

赤泥[1]是氧化鋁生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的廢渣，含鐵10%～40%，每生產(chǎn)1 t氧化鋁產(chǎn)生赤泥0.8～2 t。目前我國年產(chǎn)赤泥10 000萬t以上，其中廣西壯族自治區(qū)年產(chǎn)赤泥1 400萬t，大部分堆存處理，浪費大量鐵金屬資源和土地資源，影響環(huán)境。

加強固廢資源高效回收利用是冶金工業(yè)的發(fā)展方向之一。赤泥中的鐵一般采用還原法提取生成鐵粉，因質(zhì)地純凈、成分穩(wěn)定，是一種可代替廢鋼、冶煉優(yōu)質(zhì)鋼和特殊鋼的理想爐料[2]。

針對赤泥提鐵技術(shù)國內(nèi)外學(xué)者已進行了大量研究[3-12]。高建陽等使用煤基直接還原燒成—渣鐵磁選分離—母液溶出的方法處理拜爾法赤泥，最佳焙燒溫度1 200 ℃，焙燒時間2 h，磁場強度2 000 A/m，產(chǎn)品金屬化率92.9%，含鐵品位93.7%，鐵回收率94.42%[13]。李國興等人針對赤泥使用了拜耳法進行直接還原—磁選試驗，當直接還原溫度為1 200 ℃時，還原時間2.5 h，CCO用量15%，實驗煤用量30%，NCC用量3%，得到了含鐵品位91.34%、鐵回收率88.36%的粉末鐵[14]。中國鋁業(yè)山東有限公司第二氧化鋁廠拜耳法溶出后的赤泥在實驗室配加等量的高活性碳、低灰分含量的煤，進行還原焙燒再磁選分離，所得產(chǎn)品金屬化率92.9%，含鐵品位93.7%，鐵回收率達到94.42%[15]。李佩鴻等用平果赤泥直接還原焙燒磁選，實驗配入18%的還原劑，焙燒時間120 min，焙燒溫度1 000 ℃，產(chǎn)品海綿鐵含鐵84.17%，鐵回收率86.96%[16]。崔石巖等使用添加30%的SG為還原劑，在還原溫度1 200 ℃、還原時間60 min、磨礦細度-74 μm占62%的條件下，進行高爐灰與赤泥共還原—磁選回收鐵試驗，最終獲得鐵品位92.05%、鐵回收率92.14%的直接還原鐵[17]。徐文珍等以氫氣和碳粉作還原劑，采用分段還原—磁選法對赤泥進行兩次還原，一次還原后的產(chǎn)物再配碳二次還原，在溫度1 000 ℃、焙燒時間120 min、碳粉和赤泥質(zhì)量比為1∶5的條件下，磁選后的還原鐵粉品位93.19%，回收率79.53%[18]。

文章在以前研究基礎(chǔ)[19-21]上，通過直接還原實驗降低赤泥提鐵能耗，以便于進一步提高赤泥固廢資源利用率，改善環(huán)境。

1 赤泥直接還原提鐵實驗流程

將赤泥固廢、還原煤先配料、混勻，然后破碎磨細篩分造球，粒度8～12 mm。

生球團經(jīng)篩分烘干后，進入高溫爐內(nèi)一次直接還原，還原溫度1 000～1 150 ℃，還原時間為30～50 min。生球團在還原爐內(nèi)受熱，主要進行鐵氧化物的逐級還原吸熱反應(yīng)(1)～(3)、CO2與C的溶損吸熱反應(yīng)(4)、氧化亞鐵間接還原放熱反應(yīng)(5)和CO燃燒放熱反應(yīng)(6)。

3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO-110.1 kJ/mol

(1)

Fe3O4+C=3FeO+CO-186.7 kJ/mol

(2)

FeO+C=Fe+CO-152.2 kJ/mol

(3)

CO2+C=2CO-165.8 kJ/mol

(4)

FeO+CO=Fe+CO2+ 13.6 kJ/mol

(5)

CO+1/2O2=2CO2+ 283.4 kJ/mol

(6)

出爐后的DRI球團經(jīng)過一段磨礦磁選處理，其中：磨礦時間固定為30 min，通過細磨實現(xiàn)鐵與脈石的單體解離，再通過磁選烘干的方法回收得到還原鐵粉。

2 實驗

原燃料成分如表1所示，對影響因素配煤比、焙燒溫度、焙燒時間和磁場強度按照四因素三水平設(shè)計(表2)正交實驗L9(34)，實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示。按DRI球團物理熱及煤氣熱值利用率70.00%考慮利用能耗，并按95.00%鐵品位折算：

表1 原燃料成分 %

表2 因素水平設(shè)計

表3 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

赤泥提鐵能耗=還原煤能耗+爐料加熱能耗+反應(yīng)能耗-利用能耗+其他能耗

3 分析

處理表3數(shù)據(jù)，得到因素影響統(tǒng)計見表4。

表4 因素影響統(tǒng)計

3.1 配煤比

當配煤比為8%～12%時，還原提鐵后平均鐵粉品位為93.88%～95.57%，極差1.69%，最高鐵品位95.57%；隨著配煤比增加，鐵回收率增加，極差9.90%，最高鐵回收率67.14%；按95.00%鐵品位折算能耗為848～1 122 kgce/t，極差264 kgce/t；雖然配煤比10%能耗最低，但考慮到鐵回收率，配煤比12%較適宜。

3.2 焙燒溫度

當焙燒溫度為1 000～1 100℃時，還原提鐵后平均鐵粉品位為92.23%～95.77%，極差3.54%，最高鐵品位95.77%；隨著焙燒溫度增加，鐵回收率增加，極差55.10%，最高鐵回收率87.02%；按95.00%鐵品位折算能耗為518～1 778 kgce/t，極差1 260 kgce/t；焙燒溫度增加，促進鐵還原反應(yīng)，焙燒溫度1 100 ℃時較適宜。

3.3 焙燒時間

當焙燒時間為35～45 min時，還原提鐵后平均鐵粉品位為93.90%～95.54%，極差1.64%，最高鐵品位95.54%；隨著焙燒時間增加，鐵回收率降低，極差13.84%，最高鐵回收率68.75%；按95.00%鐵品位折算能耗為815～1 223 kgce/t，極差408 kgce/t；焙燒時間過長，磁選后鐵回收率降低，能耗增加。綜合考慮鐵回收率和能耗，焙燒時間35 min較適宜。

3.4 磁場強度

當磁場強度為2 000～3 000 A/m時，還原提鐵后平均鐵粉品位為92.58%～95.58%，極差3.01%，最高鐵品位95.58%；隨著磁場強度增加，鐵回收率增加，極差20.40%，最高鐵回收率74.95%；按95.00%鐵品位折算能耗為706～1 183 kgce/t，極差477 kgce/t；磁場強度增加，有利于鐵回收率增加，磁場強度3 000 A/m較適宜。

根據(jù)極差數(shù)據(jù)，影響因素由強至弱為：

鐵粉品位：焙燒溫度→磁場強度→配煤比→焙燒時間；

鐵回收率：焙燒溫度→磁場強度→焙燒時間→配煤比；

能耗：焙燒溫度→磁場強度→焙燒時間→配煤比。

綜合評價：赤泥配煤12%、焙燒溫度1 100 ℃、焙燒時間35 min、磁場強度3 000 A/m，為赤泥直接還原提鐵反應(yīng)的適宜條件。

4 優(yōu)化實驗

根據(jù)實驗分析數(shù)據(jù)，以赤泥配煤12%→10%→8%、焙燒溫度1 100→1 150 ℃、焙燒時間35→30 min、磁場強度3 000A/m為反應(yīng)條件進一步優(yōu)化實驗，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)

由表5可知，當赤泥配煤8%、焙燒溫度1 150 ℃、焙燒時間30 min、磁場強度3 000 A/m時，能耗最低∶鐵粉品位96.19%，鐵回收率92.47%，能耗455 kgce/t，按95.00%鐵品位折算能耗449 kgce/；當赤泥配煤12%、焙燒溫度1 150 ℃、焙燒時間30 min、磁場強度3 000 A/m時，鐵回收率最高∶鐵粉品位96.34%，鐵回收率96.46%，能耗490 kgce/t，按95.00%鐵品位折算能耗483 kgce/t。

5 結(jié)論

(1)研究采用直接還原方法從赤泥中提取鐵粉，目的是降低赤泥提鐵能耗，以便于進一步提高赤泥固廢資源利用率，改善環(huán)境保護。

(2)對影響因素配煤比、焙燒溫度、焙燒時間和磁場強度按照四因素三水平設(shè)計正交實驗L9(34)，實驗發(fā)現(xiàn)配煤比、焙燒溫度、焙燒時間、磁場強度都會影響鐵粉品位、鐵回收率、能耗；影響能耗的因素由強至弱為：焙燒溫度→磁場強度→焙燒時間→配煤比。

(3)綜合考慮，當赤泥配煤12%、焙燒溫度1 150 ℃、焙燒時間30 min、磁場強度3 000 A/m時，鐵回收率最高：鐵粉品位96.34%，鐵回收率96.46%，能耗490 kgce/t，按95.00%鐵品位折算能耗483k gce/t。