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冷固结球团直接还原技术及其应用

作　者: 黄柱成
导　师: 邱冠周；姜涛
学　校: 中南大学
专　业: 钢铁冶金
关键词: 冷固结球团复合粘结剂直接还原浸锌渣综合利用
分类号: TF046
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

本文采用X射线衍射、电子显微镜、能谱仪和扫描电镜等现代测试分析手段系统地研究了铁精矿冷固结球团煤基直接还原新工艺的基础理论，为冷固结球团直接还原技术的应用提供了理论与实践依据，并将该技术应用于浸锌渣中有价元素的综合回收。作者运用高分子合成化学、表面化学、催化反应理论等多学科知识，系统研究了铁精矿冷固结球团的制备、冷固结球团的热态性能及直接还原机理。研究表明：F粘结剂具有粘结、催化和还原功能，成功地实现了低温（200℃～250℃）干燥固结替代高温（1200℃～1300℃）氧化固结，省去了一步高温过程：当F用量为1.5％、混合料润磨预处理时间为5min～6min，造球工艺参数：生球水份8.0％～8.5％、成球时间20min，干燥固结：风温200℃～250℃、风速1.2m／s～1.5m／s、时间20min～25min，可获得冷固结球团抗压强度212N／个～248.3N／个、落下强度4.4次／1m～5.8次／1m、耐磨指数-3mm0.8％～1.3％的良好指标。采用电子显微镜、扫描电镜及X射线衍射分析等测试手段对添加F粘结剂的冷固结球团的热态性能研究表明：在Fe₃O₄还原过程中，既无晶形转变又无晶体的各向异性效应，以至体积还略微收缩（还原膨胀率为-3.24％），且具有孔隙发达、还原性能优良等特性，能快速还原产生金属铁，较好地保证了还原过程强度。当Fe₃O₄还原产生大量FeO时（800℃～900℃），球团强度降到最低，一般为100N／个左右。为了进一步提高冷固结球团在400℃～950℃之间的还原过程中的热态强度，采用有机粘结剂和无机粘结剂复合的制备技术，开发出了新一代复合粘结剂。当F1.3％、A0.86％、膨润土0.7％复合时，获得冷固结球团抗压强度480N／个、落下强度6.6次／1m、耐磨指数-3mm 0.5％，其冷固结球团还原过程最低强度大于200N／个的良好指标。X射线衍射分析表明，复合粘结剂在冷固结球团还原过程中，Fe₃O₄还原生成的FeO的面网间距d值增大，促进了铁氧化物的还原，有效提高了冷固结球团的热态强度。冷固结球团直接还原机理研究表明：冷固结球团孔隙率高，含有多功能复合粘结剂，所以冷固结球团以体积反应模型进行还原反应，当温度低于800℃时，还原反应由界面化学反应控制，温度高于900℃时，为扩散控制，当温度在800℃～900℃之间为混合控制。应用铁精矿冷固结球团直接还原的基本原理，开发了浸锌渣冷固结成型直接还原综合回收有价元素的新工艺。浸锌渣通过成型、固结、还原焙烧、磁选，高效地实现了锌、铁、镓、锗和银的富集回收。浸锌渣采用压团成型方法，当C-5粘结剂用量为博士学位论文冷固结球团直接还原技术及其应用5%、成型压力为255 x 105Pa、成型水分为17.5%时，冷固团块抗压强度和落下强度分别为542 x 105Pa和19.2次/1m，其还原过程热态强度最低值在35xlo5Pa以上，保证了还原过程顺利进行。 X射线衍射分析表明，在900℃下还原20min，形成的主要矿物为FeO、ZnS、znZSio4、zns（六方）、ZnO、p一znZsio4等，在还原过程中生成了铁氧化物、硅酸盐矿物等粘结相，保证了良好的热态强度。在1000℃下，随着还原时间的延长，其锌的挥发量增加，铁的氧化物被还原，并形成金属铁。由于金属铁的产生，使团块的热态强度得到了进一步提高。浸锌渣冷固结团块采用还原焙烧一磁选新工艺，当浸锌渣含Ga527沙、Ge305沙、Ag5OS幼，恒温还原温度为1 100℃、还原时间为1 50min时，还原焙烧渣中铁的金属化率为95.10%、稼的回收率89.10%、锌的挥发率98.42%，还原焙烧渣经过破碎、磨矿、磁选分离获得的磁性产物中含Fe 90.16%、Ga和Ge的质量浓度为21649/t和1410s/t、Fe、Ga和Ge的回收率分别为87.78%、92.42%和99.08%，磁选尾矿中含Ag 1403沙，总的银回收率达85.85%。因此，新工艺有效地实现了锌、铁、嫁、锗和银等的综合回收利用。采用电子显微镜、能谱仪和扫描电镜等分析手段对还原焙烧渣中金属的富集行为进行了研究。结果表明:还原焙烧渣中金属铁是稼、锗的主要载体矿物相;稼、锗具有明显的亲铁特性;稼、锗在金属铁中的富集是实现浸锌渣在还原焙烧分选过程中高效分离的基础。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
前言  7-12
第一篇文献篇  12-40
  1 国内外直接还原技术与发展  12-28
    1.1 钢铁生产的长流程与短流程  12-15
    1.2 国外直接还原发展现状  15-19
    1.3 我国钢铁生产概况  19-20
    1.4 我国发展直接还原铁生产的条件与现状  20-24
      1.4.1 资源条件  20-22
      1.4.2 市场条件  22-24
    1.5 我国直接还原铁的生产现状  24-26
    1.6 直接还原技术发展方向  26-28
  2 冷固结球团回转窑直接还原新工艺现状及展望  28-40
    2.1 铁精矿冷固结球团回转窑直接还原技术  28-32
      2.1.1 新工艺现状  28-29
      2.1.2 新工艺的特点  29-31
      2.1.3 新工艺的直接效益  31
      2.1.4 新工艺的主要技术经济指标  31-32
    2.2 新工艺在复合铁矿综合利用中的应用  32-38
      2.2.1 我国复合铁矿资源情况  32
      2.2.2 钒钛磁铁矿直接还原  32-35
      2.2.3 高锡锌砷铁精矿直接还原  35-36
      2.2.4 氧化铝厂赤泥直接还原  36-38
      2.2.5 低品位褐铁矿直接还原  38
    2.3 冷固结球团回转窑直接还原新工艺发展前景  38-40
第二篇基础理论与工艺开发篇  40-104
  3 原料性能及研究方法  40-44
    3.1 原料性能  40-41
    3.2 研究方法  41-42
    3.3 测试所需设备  42-44
  4 铁精矿冷固结球团的制备技术  44-67
    4.1 F粘结剂的制备  44-48
      4.1.1 制备工艺  44-45
      4.1.2 原料煤的选择  45-47
      4.1.3 F粘结剂性能的评价  47-48
    4.2 混合料预处理技术  48-53
      4.2.1 粘结剂的作用  48-49
      4.2.2 混合料预处理工艺现状  49-50
      4.2.3 预处理方法对球团性能的影响  50-53
    4.3 高粘性铁精矿成球运动学  53-57
    4.4 工艺参数对生球强度的影响  57-61
    4.5 铁精矿冷固结球团干燥  61-66
      4.5.1 冷固结工艺方案  61-62
      4.5.2 冷固结工艺参数对球团强度的影响  62-66
    4.6 小结  66-67
  5 改善冷固结球团性能的研究  67-88
    5.1 添加F粘结剂的冷固结球团性能  67-71
      5.1.1 还原过程结构变化  67-69
      5.1.2 还原过程的强度变化  69-71
    5.2 新型复合粘结剂的开发  71-78
      5.2.1 试验原料和研究方法  72-73
        5.2.1.1 试验原料  72
        5.2.1.2 研究方法  72-73
      5.2.2 基准试验  73-75
        5.2.2.1 F粘结剂用量试验  73
        5.2.2.2 膨润土用量试验  73-74
        5.2.2.3 A添加剂用量试验  74-75
      5.2.3 复合粘结剂开发研究  75-78
        5.2.3.1 膨润土配比试验  75
        5.2.3.2 A添加剂配比试验  75-76
        5.2.3.3 F粘结剂配比试验  76-77
        5.2.3.4 无机成分中膨润土用量的影响  77
        5.2.3.5 无机成分用量试验  77-78
    5.3 冷固球团不同气氛下热态强度的研究  78-82
      5.3.1 氧化性气氛中热态强度  78-80
      5.3.2 弱氧化性气氛中热态强度  80
      5.3.3 弱还原性气氛中热态强度的变化  80-82
    5.4 复合粘结剂改善冷固结球团热态性能的机理  82-87
    5.5 小结  87-88
  6 冷固结球团直接还原机理  88-104
    6.1 直接还原的影响因素  88-96
      6.1.1 铁矿原料特性  88-90
      6.1.2 还原煤  90-92
      6.1.3 还原工艺参数  92-96
    6.2 冷固结球团还原机理  96-103
    6.3 小结  103-104
第三篇推广与应用篇  104-161
  7 原料性能及研究方法  104-112
    7.1 原料性能  104-107
      7.1.1 浸锌渣  104-106
      7.1.2 原煤  106-107
    7.2 研究方法  107-112
      7.2.1 工艺流程  107-108
      7.2.2 试验方法及设备  108-112
  8 浸锌渣冷固团块制备  112-119
    8.1 浸锌渣成型强度特性  112-115
      8.1.1 压力的影响  112-113
      8.1.2 水分的影响  113-114
      8.1.3 内配煤粉对浸锌渣成型的影响  114-115
    8.2 粘结剂的开发  115-118
    8.3 小结  118-119
  9 冷固结团块还原焙烧-磁选分离工艺  119-134
    9.1 回转管还原焙烧-磁选分离工艺  119-129
      9.1.1 升温制度的确立  119-121
      9.1.2 恒温温度的影响  121-122
      9.1.3 恒温时间的影响  122-124
      9.1.4 内配煤粉团块的还原焙烧试验  124-126
        9.1.4.1 煤粉配入量的影响  124-125
        9.1.4.2 恒温时间对内配煤粉团块还原焙烧的影响  125-126
      9.1.5 第二批浸锌渣原料的还原焙烧试验  126-127
      9.1.6 粘结剂的影响  127-129
        9.1.6.1 粘结剂对团块还原过程强度的作用  127
        9.1.6.2 C-5粘结剂用量的影响  127-129
    9.2 “火模”还原焙烧扩大试验  129-133
      9.2.1 恒温时间的影响  129-132
        9.2.1.1 采用对辊压团成型时恒温时间的影响  129-130
        9.2.1.2 采用圆筒造球成型时恒温时间的影响  130-132
      9.2.2 C-5粘结剂用量的影响  132-133
    9.3 小结  133-134
  10 镓在还原焙烧-磁选分离过程中的富集机理研究  134-156
    10.1 浸锌渣冷固结团块还原焙烧过程中的行为特性  134-141
      10.1.1 物相分析  134-135
      10.1.2 冷固结团块还原过程中强度的特性  135-136
      10.1.3 X射线衍射分析  136-139
      10.1.4 “火模”验证试验  139-141
    10.2 还原焙烧条件及分选指标  141-143
    10.3 矿相鉴定  143-155
      10.3.1 矿物组成、含量及粒度  143-144
      10.3.2 主要矿物成分及嵌布特点  144-147
      10.3.3 镓的存在状态  147-155
    10.4 小结  155-156
  11 有价元素的富集回收效果  156-159
    11.1 锌的挥发  156
    11.2 铁和镓的回收  156-157
    11.3 锗的回收  157
    11.4 银的回收  157-158
    11.5 小结  158-159
  12 结论  159-161
参考文献  161-168
致谢  168-169
附录一攻读博士学位期间发表的学术论文  169-170
附录二攻读博士学位期间获奖情况  170
附录三攻读博士学位期间获授权专利发明情况  170
附录四攻读博士学位期间已申报专利发明情况  170

冷固结球团直接还原技术及其应用

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