含锡锌复杂铁精矿球团弱还原焙烧的物化基础及新工艺研究

论文摘要

随着我国钢铁工业的快速发展，对国内复杂铁矿资源的开发利用具有重要的现实意义。含锡锌复杂铁矿是一类典型的难选难冶矿石，在我国储量很大。本论文以取自于内蒙古黄岗含锡锌铁精矿为研究对象，开展了含锡锌铁精矿球团弱还原焙烧制备高炉用球团矿并综合回收锡和锌的物化基础及新工艺研究。在研究含锡锌铁精矿基本物化性能的基础上，采用光学显微镜、XRD、SEM及电子探针等微观测试方法对其工艺矿物学进行了详细研究，发现锡石和闪锌矿多以微细粒单体或不规则粒状与磁铁矿构成连生体或包裹体，导致Fe与Sn、Zn的选矿分离十分困难。铁、锡和锌氧化物的还原热力学研究表明，当控制气相温度为974℃＜T＜1250℃，气相中CO浓度为7.6％＜CO％＜16.8％时，可实现铁与锡、锌的分离。SnO2被还原为SnO以气态形式挥发，ZnO可被还原为Zn蒸汽而挥发，高价铁氧化物（Pe2O3或Fe3O4）仅被还原为FeO。以CO气体为还原剂，对磁铁矿球团的Fe3O4→FeO阶段的等温及非等温还原动力学进行了研究。结果表明，非等温还原的反应控制机理与等温还原的基本一致。非等温条件下，当温度为600～920℃时，Fe3O4→FeO阶段的还原反应由界面化学反应所控制；温度大于920℃时，还原反应为界面化学反应与扩散混合控制。对含锡锌铁精矿球团中的SnO2和ZnO进行了等温还原动力学研究，结果表明：当温度为950℃和1000℃，SnO2的还原符合界面化学反应控制；温度为1050℃和1100℃时，还原反应为化学界面反应与扩散混合控制。当温度为950～1100℃时，ZnO的还原符合界面化学反应控制。在研究含锡锌铁精矿球团制备、干燥、预热及焙烧技术特性的基础上，首次提出了含锡锌铁精矿球团—弱还原焙烧综合利用Sn、Zn和Fe的工艺路线，并在链篦机—回转窑模拟装置上进行了扩大化工艺参数研究。在优化条件下，球团内配1～2％无烟煤对Sn和Zn的挥发有少许改善作用，与没有内配无烟煤的球团相比，Sn和Zn挥发率提高约0.5～1.5％，球团中Sn和Zn挥发率分别大于80％和70％，残余Sn、Zn含量均小于0.06％。成品球团矿抗压强度大于2480N／个，ISO转鼓大于97％，耐磨指数小于2％。试验结果表明，新工艺有效地实现了含锡锌铁精矿中铁、锡和锌的分离，同时球团矿抗压强度和残余Sn和Zn的含量均满足高炉生产要求。首次采用Leica图像分析软件Qwin测量人造球团矿中各主要组成矿物的实际面积，主要组成矿物经光学显微镜、XRD、SEM和X射线能谱成分分析等测试技术证实，并结合元素分析结果，计算出球团中实际矿物的质量百分含量。在此基础上，首次对弱还原焙烧球团矿的固结机理进行研究，结果表明：弱还原焙烧球团矿的固结方式是以富氏体再结晶固结为主。高温下富氏体颗粒发生再结晶，互连成片，并与充填在富氏体颗粒之间的橄榄石紧密镶嵌，使球团矿具有较高的强度。本论文的研究为含锡锌复杂铁精矿的综合利用提供了新的途径，为新工艺的工业化实施提供了可靠的技术参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 综合评述
• 1.1 国内外铁矿资源供应形势
• 1.2 我国铁矿资源特点
• 1.3 铁、锡、锌及其主要化合物的特性
• 1.3.1 金属铁、锡和锌的性质
• 1.3.2 主要铁化合物的性质
• 1.3.3 主要锡化合物的性质
• 1.3.4 主要锌化合物的性质
• 1.4 国内外含锡锌复杂铁矿的利用现状
• 1.4.1 选矿工艺
• 1.4.2 全火法工艺
• 1.4.3 选矿—火法联合工艺
• 1.5 本研究的目的及思路
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究思路
• 第二章 含锡锌铁精矿物化特性研究
• 2.1 含锡锌铁精矿的化学特性
• 2.1.1 铁精矿多元素分析
• 2.1.2 铁精矿中主要化学元素分布
• 2.2 含锡锌铁精矿的物理特性
• 2.2.1 铁精矿粒度分布
• 2.2.2 铁精矿颗粒形貌特征
• 2.2.3 铁精矿比表面积
• 2.2.4 铁精矿静态成球性指数
• 2.2.5 铁精矿密度
• 2.2.6 堆积角
• 2.3 含锡锌铁精矿工艺矿物学研究
• 2.3.1 主要矿物组成及含量
• 2.3.2 主要元素的赋存状态
• 2.3.3 主要金属矿物的嵌布特征
• 2.4 本章小结
• 第三章 含锡锌铁精矿还原焙烧的热力学基础
• 3.1 金属氧化物还原的热力学条件
• 3.2 铁氧化物还原的热力学概述
• 3.2.1 CO间接还原铁氧化物的热力学
• 3.2.2 固体碳直接还原铁氧化物的热力学
• 3.3 锡氧化物还原的热力学
• 3.4 锌氧化物还原的热力学
• 3.4.1 CO还原锌氧化物的热力学
• 3.4.2 固体碳还原锌氧化物的热力学
• 3.5 本章小结
• 第四章 含锡锌铁精矿球团还原动力学研究
• 4.1 还原动力学模型及公式
• 4.1.1 气-固还原动力学模型选择
• 4.1.2 动力学模型公式推导
• 4.2 还原试验装置及方法
• 3O₄→FeO阶段的还原动力学研究'>4.3 Fe₃O₄→FeO阶段的还原动力学研究
• 4.3.1 等温还原动力学
• 4.3.2 非等温还原动力学
• 4.4 含锡锌铁精矿球团中锡和锌的还原动力学
• 4.4.1 试验方法
• 4.4.2 锡和锌在焙烧过程中的挥发
• 4.4.3 试验结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 含锡锌铁精矿球团制备、干燥及预热特性研究
• 5.1 试验原料
• 5.1.1 铁精矿
• 5.1.2 粘结剂
• 5.1.3 还原剂
• 5.2 研究方法及设备
• 5.2.1 生球制备
• 5.2.2 球团干燥
• 5.2.3 球团预热
• 5.3 生球团的制备特性
• 5.3.1 精矿细度的影响
• 5.3.2 粘结剂的影响
• 5.3.3 混合料预处理的影响
• 5.3.4 成球时间的影响
• 5.3.5 成球水分的影响
• 5.3.6 内配添加剂种类及用量的影响
• 5.4 生球团的干燥脱水特性
• 5.4.1 干燥介质的影响
• 5.4.2 料层高度的影响
• 5.5 含锡锌磁铁矿干球团的预热特性
• 5.5.1 含锡锌磁铁矿球团的预热氧化基础
• 5.5.2 含锡锌磁铁矿球团预热的影响因素
• 5.6 本章小结
• 第六章 含锡锌铁精矿预热球团弱还原焙烧特性研究
• 6.1 试验
• 6.1.1 方法及设备
• 6.1.2 试验结果的主要评价指标
• 6.2 含锡锌铁精矿预热球团等温弱还原焙烧特性
• 6.2.1 球团特性的影响
• 6.2.2 还原剂的影响
• 6.2.3 焙烧工艺参数的影响
• 6.2.4 球团内配添加剂的影响
• 6.3 含锡锌铁精矿预热球团非等温弱还原焙烧特性
• 6.3.1 加热制度的影响
• 6.3.2 恒温温度的影响
• 6.3.3 恒温时间的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 模拟链篦机—回转窑工艺扩大试验研究
• 7.1 试验
• 7.1.1 试验基准条件选择
• 7.1.2 试验流程
• 7.1.3 试验方法及设备
• 7.1.4 球团矿强度检测
• 7.2 试验结果及分析
• 7.2.1 链篦机干燥工艺参数
• 7.2.2 链篦机预热工艺参数
• 7.2.3 回转窑弱还原焙烧工艺参数
• 7.2.4 成品球团矿化学成分
• 7.3 成品球团矿冶金性能研究
• 7.3.1 冶金性能检测方法
• 7.3.2 冶金性能测定结果
• 7.3.3 成品球团矿还原性评价
• 7.4 锡和锌的综合回收
• 7.4.1 锡和锌回收的设备
• 7.4.2 含锡、锌烟尘的处理
• 7.5 弱还原焙烧与氧化焙烧、强还原焙烧（直接还原）工艺比较
• 7.6 本章小结
• 第八章 含锡锌铁精矿球团弱还原焙烧固结机理研究
• 8.1 微观测试方法
• 8.1.1 光学显微镜下矿物的定量
• 8.1.2 X射线衍射分析
• 8.1.3 扫描电子显微镜分析
• 8.2 弱还原焙烧球团矿固结机理分析
• 8.2.1 化学成分分析
• 8.2.2 主要组成矿物、含量及物相分析
• 8.2.3 显微结构特征
• 8.2.4 弱还原焙烧球团矿的固结形式
• 8.3 影响弱还原焙烧球团矿固结的因素
• 8.3.1 还原剂
• 8.3.2 焙烧温度
• 8.3.3 焙烧时间
• 8.3.4 添加剂
• 8.4 扩大试验焙烧球团矿的矿相分析
• 8.4.1 球团矿的主要组成矿物及含量
• 8.4.2 球团矿的显微结构特征
• 8.5 本章小结
• 第九章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要成绩