从高炉除尘灰中综合回收碳、铁和锌的试验研究

2012-01-23杨大兵

武汉科技大学学报 2012年5期

杨大兵，陈萱

（武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北武汉，430081）

随着我国钢铁工业的飞速发展，对钢铁生产过程中所产生的高炉除尘灰提出开发利用的需求，所以近年来对高炉除尘灰的回收与利用已成为业内研究的热点[1－4]。当前高炉除尘灰的利用仅限于磁选提铁或浮选提碳，利用价值不高。由于高炉除尘灰的常规选别研究已有报道，为此，本文基于选冶联合工艺，对某厂排放的高炉除尘灰进行综合回收铁、锌、碳的试验研究，以期为选冶联合工艺处理高炉除尘灰提供依据。

1 试验

1.1 原料

本试验所用原料为某厂排放的高炉除尘灰，先将高炉除尘灰进行混匀、溜分后，提取试样。试样的化学成分如表1所示，试样的粒度筛析结果如表2所示。

表1 试样的化学成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of the sample

表2 试样的粒度分布和元素含量Table 2 Particle size distribution and element contents of the sample

由表2可看出，试样粒度组成较细，－0.074 mm含量为7 0.6%，其中铁和锌主要分布于－0.0 7 4 mm粒级，分布率分别为8 2.5 1%和84.97%；碳主要分布于－0.065＋0.045 mm范围，分布率为27.39%，在其他粒级中则分布较为平均。

1.2 试验方法

本试验采用常规浮选和磁选法分别回收碳和铁，采用酸浸－除杂－电积流程回收锌。所用仪器设备主要有XMQ－67φ240×90型锥形球磨机、XFD－63型单槽式浮选机和CXG－99型磁选管。所用药剂主要有煤油、2号油、硅酸钠、硫酸、黄钾铁矾、过氧化氢和锌粉，药剂均为工业级。

采用Pb－Ag合金板为阳极，纯铝板为阴极，以酸性硫酸锌水溶液作为电积液，溶液pH值为5～5.5。当通以直流电时，在阴极上发生锌的析出，在阳极上放出氧气，得到金属锌产品。电积试验前，酸浸液用黄钾铁矾初步除去溶液中的铁，过滤分离黄钾铁矾，控制温度为80～85℃，pH为3～4，再加H2O2深度氧化除铁，除铁率可达99%以上，溶液中最终铁离子浓度低于0.5 mg／L。

2 结果与分析

2.1 碳和铁分选效果分析

影响选矿分选指标的因素主要有磨矿细度、浮选药剂用量、磁选场强等。根据条件试验结果，选择试样－0.074 mm占76.4%、硅酸钠用量为150 g／t、煤油用量为300 g／t、2号油用量为80 g／t、磁感应强度为400 m T为试验工艺条件，其结果如表3和表4所示。

表3 浮选－磁选试验结果Table 3 Results of flotation－magnetic separation test

表4 浮选－磁选后尾矿化学成分（wB／%）Table 4 Chemical compositions of tail for flotation－magnetic separation tests

由表3和表4可看出，通过此工艺处理可以获得碳品位为86.52%、回收率为92.80%的碳精矿，可以作为优质的煤粉加以利用；可以获得铁品位为54.16%、回收率为45.47%的铁精矿，可作为普通的铁精矿利用。而两种精矿中锌含量较低，锌基本富集在尾矿中，含量达到22.55%，应进一步回收。

2.2 影响锌浸出率的因素分析

2.2.1 硫酸浓度对锌浸出率的影响

试验在液固比为6、酸浸温度为80℃、酸浸时间为2 h的条件下进行，分析不同硫酸浓度对锌浸出率的影响，其结果如图1所示。由图1可看出，随着硫酸浓度的升高，锌浸出率提高，但当硫酸浓度超过120 g／L时，锌浸出率随硫酸浓度升高变化不明显。综合考虑，选择硫酸浓度分选指标为120 g／L。

图1 硫酸浓度对锌浸出率的影响Fig.1 Effect of concentration of sulfuric acid on zinc leaching rate

2.2.2 酸浸温度对锌浸出率的影响

硫酸浓度为120 g／L、液固比为6、酸浸时间为2 h时，分析不同酸浸温度对锌浸出率的影响，其结果如图2所示。由图2可看出，当酸浸温度低于80℃时，锌浸出率随温度升高而增大，但当温度超过80℃时，锌浸出率反而有所降低。这是因为随着温度的升高，硫酸与锌的矿物反应速率加快，但温度过高，反而会降低反应速率。因此，酸浸温度以80℃为宜。

图2 酸浸温度对锌浸出率的影响Fig.2 Effect of acid leaching temperature on zinc leaching rate

2.2.3 酸浸时间对锌浸出率的影响

试验控制硫酸浓度为120 g／L、液固比为6、酸浸温度为80℃，分析不同酸浸时间对锌浸出率的影响，其结果如图3所示。由图3可看出，随着酸浸时间的延长，锌浸出率升高，但酸浸时间超过2 h后，锌浸出率变化不太明显，所以酸浸时间以2 h为宜。

2.2.4 液固比对锌浸出率的影响

试验控制硫酸浓度为120 g／L、酸浸温度为80℃、酸浸时间为2 h，分析不同液固比对锌浸出率的影响，其结果如图4所示。由图4可看出，锌浸出率随液固比的增大而提高，液固比增大，固液接触机会增多，反应速率提高，因而锌浸出率提高。但液固比超过7后，锌浸出率变化不明显，因此酸浸过程中总液固比以6为宜。

图3 酸浸时间对锌浸出率的影响Fig.3 Effect of acid leaching time on zinc leaching rate

图4 液固比对锌浸出率的影响Fig.4 Effect of liquid－solid ratio on zinc leaching rate

经酸性浸出，可获得锌的浸出率为97.7%，总回收率为94.63%。剩余残渣的元素分析结果如表5所示。由表5可知，浸出渣的主要成分为二氧化硅，但铅的品位也比较高，有回收利用的价值。

表5 浸出渣成分分析（wB／%）Table 5 Chemical compositions of leach residue

2.3 电积锌的影响因素分析

2.3.1 Zn2＋初始浓度对电积锌的影响

电积法制备金属的关键在于控制阴极过电位必须在浓差扩散范围内，因为此区间内金属离子的扩散为控制步骤，从而导致在电沉积过程中，金属离子不能及时补充，在阴极表面将会形成金属粉而不会形成连续的镀层，因此，Zn2＋的浓度是制备锌粉的一个重要指标。表6为电积回收锌的试验结果。由表6可看出，随着Zn2＋浓度的增大，锌粉的纯度和回收率逐渐增加，电流效率也越高。这是因为当阴极表面的Zn2＋被还原后，溶液中Zn2＋的浓度越大，就能够越迅速地进行补充，有效地抑制析氢等副反应，从而提高电流效率。同样由于Zn2＋源源不断的补充，促成锌晶核不断长大，使锌粉的粒径增大。当Zn2＋的初始浓度高于60 g／L时，锌的纯度虽然随Zn2＋浓度继续增加，但锌的回收率下降较明显。而电流效率仍继续增大，造成锌粉粒径过大，使锌粉团聚严重。因此，Zn2＋的浓度用量以60 g／L为宜。

表6 Zn2＋的浓度和回收效果Table 6 Concentration of Zn2＋and recovery efficiency

2.3.2 阴极电流密度对电积锌的影响

阴极电流密度主要影响金属离子的成核难易程度以及成核数量。一般而言，阴极电流密度越大，过电位就越高（负），金属离子越容易被还原形成晶核，且晶核数量越多，形成金属粉体的粒径就越小。

表7为阴极电流密度对锌电积效果的影响。由表7可看出，当阴极电流密度小于4 A／dm2时，随着阴极电流密度的增大，锌的纯度和回收率不断增加，锌粉粒径不断减小，此时Zn2＋能够得到及时补充，促进锌晶核长大，因此可以形成平整致密的镀锌层；当阴极电流密度大于4 A／dm2时，锌晶核数量明显增加，而粉体粒径变化不大，而过高的电位使得析氢等副反应更为剧烈，导致电流效率下降，锌纯度和回收率也随之下降。因此，阴极电流密度应以4 A／dm2左右为宜，此时锌纯度为95.2%，作业回收率为92.6%，总回收率达到87%以上。