CN109022808A - 一种含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法 - Google Patents

一种含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法，它是首先将各种含锌钢铁冶金粉尘磨细后与还原剂焦炭粉混合配料至混合物料中含锌达到10％以上，然后用纸浆或粘土作粘结剂将混合物料制成球团状或砖块状，最后将其加入带微波辐射的真空炉中进行真空还原冶炼，分别获得金属锌和主要含铁和炭的金属化球团或块状的蒸馏残余物。本发明方法以含锌钢铁冶金粉尘为原料，配合本发明工艺步骤综合回收锌、铁和炭，综合回收效果好、能耗低、效率高、工艺流程短、成本低，并且整个过程中无废渣、废液产生，对环境友好。

Description

一种含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金过程产生的含锌高炉瓦斯灰或泥、电炉炼钢或转炉炼钢含锌粉尘中综合回收锌、铁、炭的技术，属于真空微波联合冶金技术领域。
背景技术
我国钢铁生产目前已达到5～7亿吨/年，每生产1吨钢铁可产粉尘10～15kg，每年产出高炉瓦斯灰或泥，炼钢粉尘合计达到几百万吨至上千万吨。其中大部分高炉瓦斯灰或泥都含有锌、铅等有色金属成分，含铁20～40％，含炭15～25％。当返回铁精矿烧结时，锌品位可富集达到5％以上，有的可达15％以上，有的甚至可达30％以上，需要进行综合回收。
根据物相分析，锌、铁等元素都主要以金属氧化物形式存在，而且ZnO主要附着于细颗粒物料上。采用重选、磁选富集回收铁精矿，浮选富集回收炭精粉都不能很好分离富集锌等有色金属成分，也不能充分回收铁和炭成分。于是国内外学者进行了含锌钢铁冶金粉尘的火法或湿法冶炼方法的大量研究。在火法冶炼方面，主要有竖炉、转底炉冶炼，分别获得含铁金属化球团，含锌的ZnO烟尘，而常用的火法处理方法为回转窑氧化还原挥发，回收的ZnO品位可达40％以上，产生的窑渣通过磁选可得50～60％品位的铁精矿。但是不管竖炉、转底炉还是回转窑冶炼都存在能耗高，综合回收不充分，烟气治理成本高，产品经济价值不高的缺点。在湿法冶金方面，人们主要研究的是硫酸浸出和碱性氨化浸出。由于钢铁冶金粉尘，特别是高炉瓦斯灰、高炉瓦斯泥含锌品位不高，浸出试剂消耗大，产生的浸出渣或中和除铁渣返回钢铁冶炼困难，粉尘中的炭也存在不易回收的问题。湿法实际上只回收了锌，而且还存在废渣、废水量大的问题。
还有人采用了非常规冶炼方法处理钢铁冶金粉尘。中国专利CN108130422A公布了用真空蓄热炉进行含锌、铁、炭的钢铁冶金粉尘的还原冶炼，然后降温至400℃以上卸真空，再将还原产物进行磁选分离锌、铁等成分。真空蓄热炉由电加热，而且真空炉内没有专门为锌等有色金属蒸气进行冷凝的冷却器，不能直接冷凝回收金属锌等有色金属。而是靠降温400℃以下，即锌的熔点温度400℃以下，冷凝回落到真空蒸馏渣中，再磁选分离。显然磁选分离是不会彻底的，获得的铁精矿会含锌，获得的铅、锌、铟等物料中也会含相当量的铁，分离效果较差。中国专利CN105543490B公开了用微波焙烧预处理钢铁冶金粉尘，然后再用氨法湿法浸出锌。该专利使用的微波技术是利用微波辐射对粉尘中的锌进行Na2CO3碱性焙烧，使之较易进行氨化浸出锌，再蒸氨结晶、煅烧就得ZnO产品。氨浸渣主要含铁和炭，但也含铵根离子，需用热水反复洗涤脱铵根后才能返回钢铁冶金使用，因此，锌、铁、炭综合回收流程长，废水量大，治理困难。北京科技大学徐刚于2015年1月4日公开的博士论文中介绍了利用微波辐射加热进行钢铁冶金粉尘的还原反应是在常压下进行的，获得金属化的还原反应物铁、锌等的混合物，必须进行磁选分离铁和锌，综合回收效率不高。
发明内容
为了克服上述各种冶炼方法存在的缺点，本发明提供了一种含锌钢铁冶金粉尘采用真空微波联合冶金方法，能够直接将其中的ZnO还原冶炼为金属锌回收和将Fe2O3、Fe3O4等铁成分冶炼为金属化物回收。原料中未反应完的炭成分随铁金属化物一起回收返回炼铁高炉。产生的废气主要是CO，经除尘过滤后由真空排气管排出回收利用。
本发明技术方案：一种含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法，具体步骤包括：
(1)将各种含锌钢铁冶金粉尘磨细至60目以上后混合配料至含Zn≥10％的混合物料；
(2)按步骤1所得的混合物料中的ZnO、Fe2O3、Fe3O4还原为金属所需炭理论量的1.5～2倍的用量加入粒度为60目以上的焦炭粉，其中包括混合物料中原有的炭含量，得到含炭混合物料；
(3)将步骤2所得的含炭混合物料中加入4～6wt％的纸浆或粘土制成球团状或砖块状；
(4)将步骤3所得的球团状物或砖块状物加入到带有微波辐射元件的真空炉中，进行真空微波还原冶炼，金属锌蒸气经真空炉上部进入水循环冷凝室冷凝为金属锌液落入金属锌液池保温待铸锭。还原冶炼气体通过真空抽气管及除尘过滤器由真空泵排气管排出；
(5)步骤4真空微波冶炼结束后，关闭微波辐射及真空泵，然后通入惰性气体卸真空至常压，同时降温至480～520℃，开启真空炉的金属锌液池炉门铸锭金属锌锭；
(6)步骤5金属锌液铸锭结束后，真空炉继续通冷却水降温至200℃以下，开启真空炉清渣炉门，清扫含铁、炭金属化蒸馏残余物，清扫除尘过滤器；
(7)检斤称重，并对金属锌锭、含铁金属化蒸馏残余物、除去过滤粉尘进行取样分析。
前述的含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法中，含锌钢铁冶金粉尘包括高炉炼铁瓦斯灰、高炉炼铁瓦斯泥、电炉炼钢粉尘、转炉炼钢粉尘等。
前述的含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法中，步骤(4)使用的真空炉为卧式真空炉，其中分为真空微波冶炼腔和锌蒸气冷凝室，腔内安装有微波辐射元件；设置的冷凝室由循环水冷凝板、金属锌集液池组成，冶炼腔底部不与冷凝室相通。
前述的含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法中，真空微波冶炼条件为真空度100～600Pa，微波辐射频率5～300GHz，微波辐射功率20～50kw，真空冶炼温度700～1000℃。
前述的含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法中，真空微波冶炼结束以真空度上升至50～80Pa为条件，并通入惰性气体卸真空及降温，惰性气体优选氮气。
本发明的主要特征和工作原理是含锌钢铁冶金粉尘中的金属氧化物及炭成分都是高吸收微波的物质，而其中的SiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等则是不吸收微波的，但可透射微波的物质。因此，当进行微波照射时，只有ZnO、Fe2O3、Fe3O4及C能均匀迅速吸收微波产生瞬间高温至几百度到千余度，使其迅速发生还原反应，而且从球团或块状内外同时进行。
第二个工作原理是微波在真空中传播速度接近光速，基本没有损耗，微波能利用率高，同时不存在热传导梯度，因而微波冶炼不需要很高温度。另外微波辐射不能穿透金属物质，遇金属反射，微波辐射在真空炉中利用率高，而且安全。
第三个工作原理是绝大部分物质尤其是金属物质在真空状态下，熔沸点温度都会有所降低。锌、铅等熔沸点可降低到700℃以下。当微波辐射使球团或块状中的锌、铅等还原为金属时，能够以锌蒸气和铅蒸气迅速蒸发。由于真空炉真空度较高，金属锌蒸气不会被氧化，进入冷凝室时被冷凝为金属锌液，落入锌液池。锌液池一方面利用锌蒸气冷凝的热量维持，一方面利用锌液池用炭化硅砌筑可吸收微波辐射加热维持，也可采用电加热维持，直到降温铸锭。由于真空冶炼密闭保温效果好，ZnO及铁氧化物还原反应的能耗也会得到降低，因此真空叠加微波冶炼的能耗将大大低于常压高温冶炼。冶炼产生的废气主要为CO，基本不会泄漏，能迅速通过真空泵排出，废气中的粉尘在真空抽滤情况下，也能迅速通过除尘过滤器回收，废气的迅速排出也加快了还原反应的进行。
本发明的最大特征是能耗低、综合回收效果好，而且所得产品及蒸余物的经济价值高，工艺流程短，无废水、废渣，污染小，生产成本低。
具体实施方式
实施例1
某钢铁企业所产高炉瓦斯灰化学成分为(％)：总Fe41.32，Zn13.02，Pb0.84，C16.52，CaO8.96，SiO26.14。炼钢烟尘化学成分为(％)：总Fe32.3，Zn10.5，Pb0.75。
步骤1：以1:1方式混合细磨，过60目筛。混合后的化学成分为(％)：Fe36.81，Zn11.76，C16.3。
步骤2：混合物中铁和锌都按氧化物处理，而且铁氧化物以Fe2o3计算还原所需炭量，以100g混合物计算，Fe2o3和ZnO为金属铁和锌所需炭的理论量为14g，而混合物中C为16.3g，按理论量的2倍配炭，扣除原料中的炭16.3g，需配炭11.7g，按焦炭含炭95％计算，每100g混合物补加焦炭粉12.3g。
步骤3：按已配入焦炭粉的混合料加入原料量的5％的纸浆混合制球(球团大小为)或块块(尺寸为50×100mm)，并烘干水分。
步骤4：将烘干的球团或块块加入真空炉的微波冶炼腔内到一定量，以不妨碍微波辐射元件操作为原则。然后关闭各炉门，开启真空泵抽真空至100～200Pa，开启微波辐射，调控微波辐射频率至50～100GHz，辐射功率20～30Kw。反应温度达到500℃时，开启冷却循环水调节真空炉内温度。最终控制反应腔内温度至750℃，冷凝室温度500～650℃，直到冶炼结束才降温。
步骤5：在线监测真空炉内真空度的变化，冶炼高峰时真空度会降至600Pa以上，随着反应进行至尾声，真空度开始上升，直至升到80Pa时，视为冶炼结束，冶炼时间为2.5小时。
步骤6：冶炼结束后，关闭微波辐射和真空泵，通入氮气降温和卸真空，调节冷凝室冷却水大小，使锌液池锌温度保持480～520℃。
步骤7：开启锌液池炉门铸锌锭，铸锭完成后，继续对真空炉降温至200℃以下，开启清扫炉门，清扫金属化的蒸馏残余物，开启除尘过滤器，清扫粉尘。
步骤8：对锌锭、蒸残物、过滤粉尘取样化验。
锌锭含Zn97.5％，Pb1.2％，Fe0.12％，In0.03％。
金属化蒸残物，含Fe68.7％，C5.2％，CaO12.3％，SiO211.5％。Zn0.23％，Pb0.15％。
过滤粉尘含Zn73.2％，产出率3.5％。
实施例2
分别采用如下的各种含锌钢铁冶金粉尘配料：
配制的混合料含Zn11.3％，Fe25.8％，C10.5％，CaO2.3％，SiO25.3％。以100g料计算混合料完全还原Zn和Fe为金属需要C元素7.8g，按理论量的1.5倍配入还原炭，需要还原炭11.7g，焦炭粉以95％含量计，需使用2.3g焦炭粉。扣除混合料中的10.5g炭，需补充焦炭粉1.26g。混合料焦炭粉后按原料重量的5.5％加入粘土制球烘干后加入实例1之真空炉中，真空微波冶炼条件为真空度150～200Pa，微波辐射频率20～50GHz，功率30～40Kw，真空冶炼温度800～900℃，冷凝室控制温度550～600℃，其余操作按实例1的条件和步骤进行，获得金属锌含zn97.2％，Zn直收率95.8％，获得金属化球团含Fe60.5％，其中金属铁98.7％，FeO1.3％，含C2.3％，含ZnO0.12％，获得过滤粉尘产率4％，含锌75.5％，锌总回收率98.5％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将各种含锌钢铁冶金粉尘磨细至60目以上后混合配料至含Zn≥10％的混合物料；
(2)按步骤1所得的混合物料中的ZnO、Fe2O3、Fe3O4还原为金属所需炭理论量的1.5～2倍的用量加入粒度为60目以上的焦炭粉，其中包括混合物料中原有的炭含量，得到含炭混合物料；
(3)将步骤2所得的含炭混合物料中加入4～6wt％的纸浆或粘土制成球团状或砖块状；
(4)将步骤3所得的球团状物或砖块状物加入到带有微波辐射元件的真空炉中，进行真空微波还原冶炼，金属锌蒸气经真空炉上部进入水循环冷凝室冷凝为金属锌液落入金属锌液池保温待铸锭；还原冶炼气体通过真空抽气管及除尘过滤器由真空泵排气管排出；
(5)步骤4真空微波冶炼结束后，关闭微波辐射及真空泵，然后通入惰性气体卸真空至常压，同时降温至480～520℃，开启真空炉的金属锌液池炉门铸锭金属锌锭；
(6)步骤5金属锌液铸锭结束后，真空炉继续通冷却水降温至200℃以下，开启真空炉清渣炉门，清扫含铁、炭金属化蒸馏残余物，清扫除尘过滤器；
(7)检斤称重，并对金属锌锭、含铁金属化蒸馏残余物、除去过滤粉尘进行取样分析。
2.如权利要求1所述的含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法，其特征在于，含锌钢铁冶金粉尘包括高炉炼铁瓦斯灰、高炉炼铁瓦斯泥、电炉炼钢粉尘、转炉炼钢粉尘等。
3.如权利要求1所述的含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法，其特征在于，步骤(4)使用的真空炉为卧式真空炉，其中分为真空微波冶炼腔和锌蒸气冷凝室，腔内安装有微波辐射元件；设置的冷凝室由循环水冷凝板、金属锌集液池组成，冶炼腔底部不与冷凝室相通。
4.如权利要求1或3所述的含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法，其特征在于，真空微波冶炼条件为真空度100～600Pa，微波辐射频率5～300GHz，微波辐射功率20～50kw，真空冶炼温度700～1000℃。
5.如权利要求书1或4所述的含锌钢铁冶金粉尘的综合回收方法，其特征在于，真空微波冶炼结束以真空度上升至50～80Pa为条件，并通入惰性气体卸真空及降温，惰性气体优选氮气。
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