黄铁矿烧渣碱溶脱硅试验研究

高 威，张 强,2,3,4，李 莎

(1.商丘工学院 机械工程学院，河南 商丘 476000；2.贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州省冶金工程与过程节能重点试验室，贵州 贵阳 550025；4.共伴生有色金属资源加压湿法冶金技术国家重点试验室，云南 昆明 650503)

黄铁矿烧渣又称硫酸烧渣，是以黄铁矿为原料生产硫酸时所产生的废渣[1]。黄铁矿烧渣中铁质量分数一般在30%～60%之间，此外,还有少量Si、S等杂质，主要是铁氧化物、SiO2及含硫物质。通过脱硅可以提高铁质量分数并大幅简化炼铁流程、降低成本。试验根据碱溶脱硅机制[2-4]，对某企业黄铁矿烧渣进行处理，以提高烧渣中铁质量分数。

提高黄铁矿烧渣中铁质量分数，常用选矿工艺，包括物理及化学选矿。对烧渣进行磁化焙烧及磁选，有较好富集铁及脱硫效果，但焙烧温度高(700～1 000 ℃)，能耗较大[5-8]。采用磨矿—磁选—重选联合工艺也可对含硫量较低的烧渣进行处理，获得高质量铁精粉[9]。对烧渣进行单一重选处理[10]，或采用湿法-浮选联合工艺[11]及化学选矿法[12-13]处理，铁质量分数均可富集到56%以上。采用脱磁/交变磁场分选—氨/醋酸氨溶液化学浸泡法处理黄铁矿烧渣，可获得铁精粉[14]。采用磁化焙烧—磁选—球团法进行工业化处理，烧渣中铁质量分数可提高到67%[15-16]。采用酸浸—碱溶工艺处理，也可获得了较好效果[17]。但上述这些工艺或能耗大、生产成本高，或流程长、工艺复杂。黄铁矿烧渣中的主要杂质为SiO2，根据氧化铝生产中的碱溶脱硅原理[18-20]，在常压低温下对烧渣进行碱溶脱硅处理可实现铁的富集，但此法未见有文献报道。

1 试验部分

1.1 试验原料

黄铁矿烧渣：取自某炼铁企业，粒度-200目占80%以上，烘干，化学成分见表1，XRD分析结果如图1所示，各物相半定量分析结果见表2。烧渣的主要物相为赤铁矿，质量分数为57%；含硅矿物主要是石英相，质量分数为11%；还有7%含硫石膏及成分较复杂的CaFeO6Si2物相。含硅物相为石英，理论上可通过碱溶脱除，相对提高铁质量分数。

表2 黄铁矿烧渣的物相组成 %

图1 黄铁矿烧渣的XRD图谱

表1 黄铁矿烧渣的化学成分 %

试验配制碱液所用NaOH，分析纯。

1.2 试验设备

AR1140/C分析天平，DF-101型恒温磁力搅拌油浴锅，SHB-III型循环水式真空泵，202-ABS型恒温鼓风干燥箱，MXQ1100型马弗炉，X’Pert PRO MPD型X射线衍射仪，752型可见分光光度计等。

2 试验原理与方法

2.1 试验原理

黄铁矿烧渣中的含硅矿物主要为石英(SiO2)。石英在一定条件下可以与强碱发生反应生成硅酸盐进入溶液，而烧渣中的含铁矿物不与碱反应，从而可以实现脱硅及提高铁质量分数。石英与碱的化学反应为：

(1)

2.2 试验方法

取一定体积碱液倒入带塞锥形瓶中，放入磁性转子，盖紧后放到油浴锅中加热并开启搅拌；待溶液加热至预定温度后，加入一定质量黄铁矿烧渣，盖紧，保温计时；一定时间后，取出锥形瓶趁热抽滤，用热水反复洗涤滤饼，滤液稀释定容；滤饼用恒温鼓风干燥箱于95 ℃下干燥12 h，然后称重、研磨，分析其化学成分。

碱液及脱硅碱液中苛性碱质量浓度采用《联合法生产氧化铝(控制分析)》中“苛性碱测定方法”进行测定，烧渣、脱硅渣及脱硅碱液中Al2O3采用EDTA配合滴定法[21]测定，SiO2采用硅钼蓝分光光度法[22]测定，∑Fe采用邻菲罗啉分光光度法[23]测定。脱硅率根据脱硅渣与烧渣中硅质量分数计算。

3 试验结果与讨论

3.1 溶出温度对烧渣脱硅的影响

试验条件：苛性碱质量浓度100 g/L，溶出时间60 min，液固体积质量比8/1。溶出温度对烧渣脱硅的影响试验结果如图2所示。

图2 溶出温度对烧渣脱硅的影响

由图2看出：随温度升高，铁质量分数及脱硅率均先升高后下降，且二者呈正相关关系；温度升至95 ℃，脱硅率提高到55.97%，脱硅渣中铁质量分数达63.42%；继续升温，脱硅率及铁质量分数均变化不大。脱硅反应为液固相之间的反应，升温有利于传质，使反应速度加快，脱硅率及铁质量分数提高[24-25]；温度升至95 ℃，反应基本达到上限，继续升温，脱硅率及铁质量分数提高幅度均不大；温度再升高，脱硅率及铁质量分数反而下降，这可能是溶液达到沸点而蒸发，使体系黏度增大，不利于传质进行所致。综合考虑，确定溶出温度以95 ℃为宜。

3.2 苛性碱质量浓度对烧渣脱硅的影响

试验条件：溶出温度95 ℃，溶出时间60 min，液固体积质量比8/1。苛性碱质量浓度对烧渣脱硅的影响试验结果如图3所示。

图3 苛性碱质量浓度对烧渣脱硅的影响

由图3看出：随苛性碱质量浓度升高，脱硅率提高，铁质量分数提高；苛碱质量浓度升高到100 g/L， 脱硅渣中铁质量分数达63.48%，脱硅率提高到55.87%。随苛性碱质量浓度升高，体系中OH-浓度增大，有利于SiO2反应生成硅酸钠，从而提高脱硅率；苛碱质量浓度继续升高，脱硅率和铁质量分数增幅较小。综合考虑，确定苛性碱质量浓度以100 g/L为宜。

3.3 液固体积质量比对烧渣脱硅的影响

试验条件：溶出温度95 ℃，苛性碱质量浓度100 g/L，时间60 min。液固体积质量比对烧渣脱硅的影响试验结果如图4所示。

图4 液固体积质量比对烧渣脱硅的影响

由图4看出：随液固体积质量比增大，烧渣脱硅率提高，脱硅渣铁质量分数提高；液固体积质量比增大至12/1，脱硅率提高到56.57%，脱硅渣中铁质量分数达63.90%。随液固体积质量比增大，体系黏度降低，OH-相对增多，有利于SiO2反应生成Na2SiO3进入溶液；液固体积质量比继续增大，脱硅率增幅不明显，脱硅渣中铁质量分数变化不大。综合考虑，确定液固体积质量比以10/1为宜。

3.4 溶出时间对烧渣脱硅的影响

试验条件：溶出温度95 ℃，苛碱质量浓度100 g/L，液固体积质量比10/1。溶出时间对烧渣脱硅的影响试验结果如图5所示。可以看出：随溶出时间延长，烧渣脱硅率大幅提高，脱硅渣中铁质量分数提高；反应60 min时，烧渣脱硅率达56.46%，脱硅渣铁质量分数提高至63.86%；继续反应，烧渣脱硅率及脱硅渣中铁质量分数均提高幅度不大；反应80 min后，脱硅率和铁质量分数有所下降，推断其原因为已生成的Na2SiO3会与溶液中反应生成的NaAl(OH)4反应生成钠硅渣，又重新进入固相[26]。Na2SiO3与NaAl(OH)4反应生成钠硅渣的机制十分复杂，在此给出可能的一种形式，见反应式(2)。

图5 溶出时间对烧渣脱硅的影响

(2)

4 结论

采用碱溶法脱除黄铁矿烧渣中的硅以提高铁质量分数是可行的，工艺可行性较好，工艺流程简单、操作方便、能耗低。适宜条件下，烧渣中脱硅率可达56.46%，铁相对富集到63.86%，富集效果较好。此法具有非常好的应用前景。