锌挥发窑渣提取优质还原铁粉和碳粉的工艺研究

李永华，曹明锋，曹树华，欧阳广，林琳，李春林

（鑫联环保科技股份有限公司，云南个旧651000）

锌挥发窑渣是含锌废料经威尔兹回转窑在高温下回收铅、锌等金属后残余物[1]；早期锌窑渣主要用于铺设路面、作水泥填料，大部分未得到合理使用，被堆积在全国各个冶炼锌厂，既占用大片土地资源，又容易造成环境污染，浪费社会资源[2-4]。窑渣是一种价值较高的二次资源，但其对其有价金属的综合回收利用是一个世界性技术难题。由于挥发窑焙烧过程的特殊性，部分焦炭未能完全燃烧，残存于窑渣中，且铁、金银等难挥发的金属矿物也富集于窑渣中。由于窑渣经过高温焙烧，在焙烧过程中形成了半熔化状态，许多有价元素以金属或合金态存在，或者形成各种化合物。本文针对某回转窑企业提供的锌窑渣进行了铁综合回收利用的研究，从工艺矿物学研究人手，系统地进行了选矿工艺试验研究和分析，探寻最佳处理工艺参数，提出了解决该类锌窑渣回收还原铁的工艺流程，为综合利用二次矿产资源、改善环境、提高企业生产效益和创造社会效益提供参考依据。

1 锌挥发窑渣性质

锌挥发窑渣取自浙江某企业，冷却方式为水冷，为水淬渣，颜色为灰褐色。首先把窑渣粉碎到了2mm以下，混匀后进行各项分析。窑渣多元素分析如下：

从表1可以明显看出，窑渣中主要的有用元素为C和Fe，其中残碳含量11.64%，TFe品位32.73%，金属铁高达品位25.11%，窑渣的金属化率76.72%。为了查明窑渣的主要含铁物相，对原料进行了X射线衍射分析（XRD），分析结果见图1。

从图1窑渣XRD分析结果可以看出，窑渣中的铁主要为金属铁，因为还原气氛不足，窑渣中还存在大量的Fe3O4和FeO。氧化铁中可能有部分Fe元素被Mn、Mg替代，为了查明窑渣中金属铁的粒度分布、以及与其他矿物之间的共生关系，对窑渣进行了扫描电镜和能谱分析（SEM-EDS），不同成分的SEM-EDS分析见图2。

从图2窑渣扫描电镜结果可以明显看出，窑渣中的金属铁（白色）颗粒不均匀，大部分50～100μm颗粒。从三个点的能谱分析可以看出，杂质（灰色）与金属铁（白色）分别单独富集，金属铁（白色）能谱表明其几乎没有其他杂质，这说明铁粉理论上是可以提纯的。此外，还有少量颗粒还原度较低，铁元素以氧化物和金属铁两种物相存在，但是金属铁相对颗粒较大，相对容易回收。总之，SEM分析可以推测，窑渣经过分选可以得到部分还原铁粉。

表1 回转窑渣化学组成

图1 窑渣中主要含铁矿物分析

图2 窑渣中主要物相SEM-EDS分析图

2 结果与讨论

2.1 试验方法

取1kg窑渣，磨矿浓度75%，湿磨一定时间，然后再进行磁选，磁选尾矿浮选回收碳，得到炭精粉；一段磁选精矿进行二次磨矿，提高金属铁品位，得到合格的还原铁粉，详细流程见图3。

本文重点研究了一段磨矿细度、一段磁场强度、二段磨矿细度、二段磁场强度，碳浮选捕收剂、起泡剂等因素的影响规律。

图3 工艺流程图

2.2 金属铁回收磁选条件试验研究

磁选是回收金属铁最重要的选矿方式之一，为了考察磁选条件对金属铁选矿指标的影响规律，进行了磨矿细度试验，磁场强度试验。

2.2.1 一段磨矿细度对金属铁回收的影响研究

在磁场强度1800 Gs的条件下，进行了一段磨矿细度试验，结果见图3。

图4窑渣不同磨矿细度磁选结果表明，随着磨矿细度的增加，金属铁和TFe的品位逐渐增加，相应的回收率逐渐降低；磁选精矿中碳的品位及损失率逐渐降低，当磨矿细度为-200目含量占61.76%时，金属铁品位61.76%，TFe品位74.16%，金属铁回收率95.99%，TFe回收率88.43%，磁选精矿碳损失率7.28%。综合考虑碳和金属铁的回收，确定最佳的一段磨矿细度为-200目61.76%。

2.2.2 粗选磁场强度对金属铁回收的影响研究

为了查明粗选磁场强度对粗精矿指标的影响，在一段磨矿细度为-200目61.76%的条件下，进行了一段磁场强度试验，结果见图5。

由图5看出，随着磁场强度的增大，金属铁和TFe的回收率逐渐提高，品位逐渐降低，当磁场强度达到180mT时，金属铁品位61.76%，TFe品位74.16%，继续增加磁场强度，金属铁回收率提高不大，而金属铁回收率继续下降，故粗选磁选磁场强度定为180mT。

图4 一段窑渣磨矿细度对磁选的影响

图5 磁场强度对磁选影响试验结果

图6 二段磨矿细度对磁选的影响

图7 二段磁场强度对磁选的影响试验结果

2.2.3 二段磨矿细度对金属铁回收的影响研究

为了考察二段磨矿细度的影响，在磁场强度150mT的条件下，进行了不同磨矿细度试验，结果见图6。

由图6可看出，随着磨矿细度的增加，金属铁和TFe的回收率逐渐降低，精矿品位逐渐提高，金属铁与TFe品位之间的差距越来越小，这说明细磨过程中，金属铁与氧化铁充分解离，经过磁选实现了分离。在二段磨矿细度-200目70.24%时，单质铁含量88.58%，TFe含量90.92%，金属铁回收率95.16%，TFe回收率84.89%。再增加磨矿细度，精矿品位提高不明显，回收率下降较大，故二段磨矿细度选择为-200目70.24%。

2.2.4 二段磁选磁场强度试验影响研究

二段磨矿细度-200目70.24%时，开展了二段磁场强度对精矿指标的影响规律研究，结果见图7。

图7看出，随着磁场强度的增大，金属铁和TFe的回收率逐渐提高，品位逐渐降低，但是变化幅度不大，这说明二段磁场强度对产品指标影响不大。当磁场强度达到120mT时，金属铁品位88.96%，TFe品位91.22%，金属铁的作业回收率达到95.11%以上。综上所述，最佳的二段磁选为120mT。

2.3 残碳回收浮选条件试验研究

碳具有天然的疏水性，浮选是回收碳的最佳方式，最常用的碳捕收剂为煤油，起泡剂为2#油，因此，研究了煤油和2#对碳精矿指标的影响规律。

2.3.1 捕收剂对碳回收的影响研究

首先在2#用量500g/t的条件下，进行了煤油用量试验，结果见图8。

从图8煤油用量对碳回收的影响规律表明，在煤油用量500g/t时，浮选泡沫很少，几乎无法形成泡沫层，当煤油用量增加到1000g/t时，浮选泡沫得到明显改善。随着煤油用量的增加，精矿产率逐渐增加，精矿碳含量逐渐降低，当煤油用量增加到1500g/t时，精矿碳含量可达73.35%，回收率85.55%，继续增加煤油用量碳回收率增加不明显。因此，考虑到药剂成本，最佳的煤油用量为1500g/t。

2.3.2 起泡剂对碳回收的影响

为了考察起泡剂2#对碳回收的影响规律，在捕收剂煤油用量1500g/t的条件下进行起泡剂用量试验，结果见图9。

从图9 2#油用量对碳回收的影响规律表明，随着2#油用量从200g/t增加到600g/t，碳精矿回收率从74.09%增加到88.11%，精矿碳品位从77.18%下降到67.56%。当2#油用量超过500g/t时，碳回收率下降幅度增加，综合考虑药剂成本和碳的回收率及品位，最佳的2#油用量为500g/t。

2.4 全流程闭路试验结果

根据不同条件对金属铁回收与碳回收的影响规律，设计了窑渣回收金属铁和碳粉工艺流程，详见图10，全流程试验结果见表2。

从窑渣选铁全流程试验结果表明，在最佳条件下，可以得到金属铁品位89.23%的还原铁粉和碳含量82.31%的碳粉，金属铁回收率高达90.72%，碳回收率高达84.29%。窑渣磁浮联合选矿工艺完成了窑渣中金属铁和碳的高效分离富集，实现了金属铁与碳的资源化利用，对于类似窑渣的综合利用具有一定的指导意义。

3 结论

（1）采用选矿的方式处理锌挥发窑渣，回收其中的金属铁和碳技术上是可行的，可以得到合格的还原铁粉和碳粉，对锌挥发窑渣中的金属铁和碳的综合利用具有指导意义。

（2）通过磁选回收金属铁粉可以得到金属铁含量89.23%的还原铁粉，金属铁回收率可以达到90%以上，是优质的化工还原剂和炼钢的原料。

图8 煤油对浮选的影响试验结果

图9 2#油对浮选的影响试验结果

图10 窑渣提取还原铁粉和碳粉工艺流程图

表2 全闭路试验结果

（3）通过浮选回收碳粉可以得到碳含量82.34%的碳粉，碳回收率高达84.29%，是优质的还原剂和燃料。