高炉灰与赤泥共还原—磁选回收铁试验研究

崔石岩 张明慧 孙永峰 蒋 曼 高恩霞 卢中博

（1.山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博255000；2.山东天承矿业有限公司，山东 莱州261400）

由高炉煤气带出的微细粉尘，经除尘装置干法除尘后，得到的工业固体废弃物称为高炉灰。高炉灰中含有多种有害元素，直接堆存不仅占用土地，还使土壤变质，造成严重的环境污染。据统计，每生产1 t 的铁会产生约20 kg 高炉灰，按照我国年金属铁产出量300～450 万t 计算，我国高炉灰的年产出量在1 500 万t 左右，固定碳产出量150～450 万t［1-2］。但目前对该类资源的利用较少，资源严重浪费。在此背景下，如何合理高效地利用高炉灰成为新的研究方向。

赤泥是氧化铝生产过程中产生的工业固体废弃物，由于缺乏成熟的综合利用技术，目前大多输送堆场，筑坝堆存，严重污染了环境。此外，赤泥中含有大量有价金属，尤其是拜耳法赤泥中铁含量较高，铁品位可达25%～30%［3-4］。研究表明，直接还原—磁选工艺可以实现赤泥中铁的回收，得到铁品位91.34%，回收率88.36%的粉末铁［5］，但该工艺使用煤做还原剂，成本较高。因此，寻找价格低廉的还原剂对促进赤泥直接还原—磁选工艺的发展具有重要的意义。

研究表明，高炉灰可以作为铁矿石共还原—磁选工艺的还原剂［6-7］，该工艺能够实现固体废物高炉灰的资源化利用，即利用碳资源的同时回收其中铁资源，降低了冶炼成本，还减轻了环境污染。但目前高炉灰作为共还原—磁选工艺的还原剂应用于赤泥这种含铁较高的固体废物的研究几乎没有。因此，本试验以拜耳法赤泥为原料，添加不同种类高炉灰为还原剂，验证高炉灰与赤泥共还原—磁选回收铁工艺的可行性，并确定最佳的工艺条件，以期获得铁品位大于90%、铁回收率大于90%的直接还原铁，为高炉灰与赤泥的综合利用提供参考。

1 试验原料、设备及方法

1.1 高炉灰

试验用高炉灰取自3个不同地区的钢铁企业，分别为山东高炉灰（SG）、河北高炉灰（HG）和甘肃高炉灰（GG），试样XRD 图谱见图1，工业性质分析结果见表1。

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由图1 可知，不同产地的高炉灰矿物组成有差异。SG和HG中的主要含铁矿物为赤铁矿和磁铁矿，而GG 中主要含铁矿物则为赤铁矿和磁赤铁矿。3 种高炉灰中的硅均以煅烧高岭土形式存在，但其他矿物组成的差别较大。SG和GG中含有斜纤蛇纹石，而HG 中含有岩盐、方解石和钾盐。由此可以看出，3 种高炉灰中矿物种类差异较大，在共还原过程中可能会有不同的影响。

由表1可知，3种高炉灰中的铁均具有回收价值，SG 中Fe2O3含量最高，为46.97%；高炉灰中SiO2含量均较高，在共还原过程中易生成低熔点的硅酸盐矿物，可促进铁颗粒的聚集长大，有利于回收金属铁［8］；HG 中Al2O3含量较高，可能导致体系熔点升高［9］；HG和GG 中CaO 含量较高，可能恶化铁的生长条件，导致粉末铁指标变差［10-11］。

从表1还可以看到，试验所用高炉灰中均含有一定量的固定碳，可以作为还原剂用于高炉灰与赤泥共还原—磁选提铁工艺。但3 种高炉灰工业性质差异较大，SG和HG中固定碳的含量较高，GG中挥发分含量较高，而HG 中灰分较SG、GG 低，可能在共还原时产生不同的影响［12-13］。因此，有必要对3种来自不同地区的高炉灰进行研究。

1.2 赤 泥

试验所用赤泥由中国铝业山东分公司经拜耳法生产（以下称为赤泥），XRD 图谱见图2，主要化学成分分析结果见表2。

由图2可知，赤泥中主要矿物有赤铁矿、石英、方解石、三水铝石和锐钛矿。

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由表2可知，赤泥中Fe2O3含量为31.98%，具有回收价值；赤泥中Al2O3和SiO2和CaO 含量较高，分别为18.75%、16.22%和15.28%，P、S 含量则较低，分别为0.09%和0.20%。

1.3 试验设备

试验所用设备主要有SX-10-13 马弗炉、RK/BK三辊四筒智能棒磨机和CXG-99磁选管。

1.4 试验方法

将高炉灰与赤泥按一定比例（高炉灰用量为其占赤泥的质量分数）混匀后装入石墨坩埚，再在表面覆盖一定质量的同种高炉灰，以隔绝空气，营造良好的还原气氛。待马弗炉内温度升至指定温度后，将石墨坩埚置于炉中进行共还原，达到指定还原时间后取出，焙烧产物自然冷却后进行磨矿、磁选，所得磁选产品即为直接还原铁（以下称还原铁）。

2 试验结果与讨论

2.1 高炉灰种类及用量对还原铁指标的影响

在铁矿物直接还原过程中，还原温度、还原时间等均会影响还原铁指标，在一定范围内还原温度越高、还原时间越长，越有利于碳热还原的进行和金属铁颗粒的长大，得到的还原铁指标越好。研究表明，铁矿石直接还原过程中发生的主要化学反应在1 200 ℃以下均能发生，反应时间也集中在60 min内［14-17］。因此，本文在还原温度1 200 ℃、还原时间60 min 条件下进行高炉灰种类及用量对还原铁指标的影响研究，固定磨矿细度为-74 μm 占64%，弱磁选磁场强度为0.1 T，试验结果见图3。

由图3 可知，在SG、HG 和GG 的试验用量范围内，采用高炉灰与赤泥共还原—磁选工艺回收铁，均可得到铁品位和铁回收率均大于70%的还原铁。由此可知，高炉灰可以作为高炉灰与赤泥共还原—磁选工艺的还原剂，用于回收高炉灰与赤泥中的铁资源。从图3还可以看到，不同种类的高炉灰对还原铁指标的影响不同。图3（a）中，随着SG 用量的增加，还原铁中铁品位先增加后降低，铁回收率逐渐增加后基本不变。当SG 用量为30%时，还原铁指标较好，此时铁品位91.57%、铁回收率91.02%。图3（b）中，随着HG 用量的增加，还原铁中铁品位先增加后降低，铁回收率逐渐增加。当HG 用量为30%时，还原铁指标较好，此时铁品位82.85%、铁回收率80.18%。图3（c）中，随着GG 用量的增加，还原铁中铁品位逐渐降低，铁回收率逐渐增加，当GG 用量为10%时，还原铁中铁品位最高，但也仅为75.27%，此时铁回收率为78.37%。

表3 为不同种类高炉灰的最佳用量及所得还原铁指标。

由表3可知，不同种类的高炉灰为还原剂时取得最佳还原铁指标的用量不同，且得到的还原铁指标差异较大。SG 和HG 的最佳用量均为30%，但以HG为还原剂时，得到的还原铁中铁品位和铁回收率均低于SG；GG 的最佳用量为10%，但GG 为还原剂时得到的还原铁中铁品位和铁回收率均低于80%。

综上可知，高炉灰与拜耳法赤泥共还原—磁选工艺能够实现铁资源的回收，但是由于高炉灰的性质不同，最终得到的还原铁指标有所差异，其中SG为还原剂时得到的还原铁指标最好，HG 次之，GG 最差。考虑到SG 的效果较好，且在未优化的工艺条件下已经能够实现铁品位和铁回收率均大于90%，因此，下文将以SG为还原剂，考察还原温度、还原时间及磨矿细度对还原铁指标的影响，确定最佳工艺条件。

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2.2 还原温度对还原铁指标的影响

研究表明，在直接还原过程中，还原温度对还原铁指标的影响较大。在一定范围内，还原温度越高，还原铁指标越好［14］。但还原温度过高，焙烧体系中易产生较多的液相，恶化直接还原条件，为确定高炉灰与赤泥共还原过程中温度的影响及最佳的还原温度，固定还原剂SG 用量30%，还原时间60 min，磨矿细度为-74 μm 占64%，弱磁选磁场强度为0.1 T，进行了还原温度对还原铁指标的影响试验，结果见图4。

由图4可知，在一定范围内，温度越高，共还原效果越好，还原铁中铁品位和回收率均上升。当还原温度由1 100 ℃升高到1 200 ℃时，还原铁中铁品位由76.31%增加到91.57%，铁回收率由82.15%增加到91.02%。继续升高温度，还原铁中铁品位和回收率均下降，这可能是由于还原体系在1 250 ℃时产生了较多液相，阻碍了铁氧化物的还原和铁颗粒的聚集长大，导致还原铁指标变差。因此，确定最佳的还原温度为1 200 ℃。

2.3 还原时间对还原铁指标的影响

在直接还原过程中，还原时间对还原铁指标的影响也较大［18］。为研究高炉灰与赤泥共还原过程中时间的影响并确定最佳的还原时间，固定还原剂SG用量30%，还原温度1 200 ℃，磨矿细度为-74 μm 占64%，弱磁选磁场强度为0.1 T，进行了还原时间对还原铁指标的影响试验，结果见图5。

由图5 可知，在试验时间范围内，随着还原时间的延长，还原铁中铁品位和铁回收率逐渐增加后基本不变。还原时间为20 min 时，还原铁中铁品位仅为57.80%，铁回收率仅为79.02%；当延长还原时间至60 min 时，共还原效果较好，还原铁中铁品位达到91.57%，铁回收率达到91.02%；继续延长还原时间，铁品位和铁回收率基本不变。因此，确定还原时间为60 min。

2.4 磨矿细度对还原铁指标的影响

为研究磨矿细度对还原铁指标的影响，固定还原剂SG 用量30%，还原温度1 200 ℃，还原时间60 min，弱磁选磁场强度为0.1 T，进行了磨矿细度对还原铁指标的影响试验，结果见表4。

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由表4可知，在一定范围内，随磨矿细度的增加，还原铁中铁品位先增加后基本不变，但铁回收率逐渐降低。磨矿细度（-74 μm 含量）由47%提高至62%过程中，铁品位由86.61%提高至92.05%，铁回收率由93.41%降低至92.14%；继续增加磨矿细度至68%，铁品位保持在90%以上，但铁回收率降价至90%以下。综合考虑，确定磨矿细度为-74 μm 含量62%为最佳的磨矿细度，此时还原铁中铁品位为92.05%，铁回收率为92.14%。

2.5 产品检查

为确定高炉灰与赤泥共还原—磁选工艺所得产品的物相组成，对最佳工艺条件下的磁选产品进行了XRD分析，结果见图7。

由图6可知，上述条件下所得产品中的主要铁矿物为金属铁，无其他含铁矿物，纯度较高。结合上文可知，高炉灰与拜耳法赤泥共还原—磁选工艺回收金属铁是可行的，且在最佳的共还原—磁选条件下所得还原铁的铁品位和铁回收率分别为92.05%和92.14%，指标较好，可以为高炉灰和赤泥的综合利用提供参考。

3 结 论

（1）高炉灰可以作为高炉灰与拜耳法赤泥共还原—磁选工艺的还原剂，用于回收赤泥和高炉灰中的铁资源。

（2）不同种类的高炉灰在高炉灰与赤泥共还原—磁选工艺中的影响不同，其最佳用量及得到的还原铁指标差异较大。在试验范围内，SG 为还原剂时得到的还原铁指标较好，HG次之，GG最差。

（3）还原温度、还原时间及磨矿细度均对还原铁指标有影响，添加30%的SG 为还原剂，在还原温度1 200℃、还原时间60 min、磨矿细度-74 μm 占62%的条件下进行高炉灰与赤泥共还原—磁选回收铁试验，最终可获得铁品位92.05%、铁回收率为92.14%的直接还原铁。