资源加工报告-田云生

1、中国地质大学（武汉）2016年矿产资源综合利用技术结题报告 论文题目：攀钢高钛型高炉渣的选矿工艺 论文作者：田云生 学 院：材料科学与化学工程学院 专 业：应用化学 班 级：031144 学 号：20141001960 指导老师：吴艳一、摘要1二、 前言12.1绪论12.2选题依据及意义12.3国内外研究现状22.4主要研究内容 22.5论文创新点331 工艺矿物学特征研究33.1.1样品描述3312 化学成分分析4313 物相分析432 样品的磁选分离5321磁选原理5四、 结果与讨论641 磨矿时间对试样细度的影响642 单一弱磁选磨矿细度对磁选效果的影响743 单一弱磁选磁场强度对磁选效

2、果的影响844 阶磨阶选二段磨矿细度对磁选效果的影响8五、 结论与心得体会95.1 结论95.2心得体会9六、 参考文献9一、摘要 高钛型高炉渣是我国攀西地区特区特有的二次资源，其大量堆积在占用土地，污染环境的同时，还可能引发潜在的自然灾害。本文以攀钢高钛型高炉渣为原料，在其化学组成、物相分析及微区成分与形貌等矿物学研究的基础上，提出高钛型高炉渣“先富集钛，再提取钛”的研究思路，在富集阶段，先通过湿式弱磁选对渣中的铁矿物进行回收，再以硫酸铵为助剂对高钛型高炉渣进行硫化焙烧水浸处理，提取其中的铝和镁等有价组分。研究硫化焙烧条件和水浸条件对铝和镁组分浸取率的影响，确定了最佳工艺条件，揭示了高钛型高

3、炉渣硫化焙烧反应机理。经硫化焙烧水浸处理后，有价组分钛主要向水浸残渣中富集，进而得到高钛型高炉渣富钛产物，采用稀硫酸酸解法对高钛型高炉渣富钛产物进行酸解，提取其中的钛组分，研究酸解条件对钛浸取率的影响，确定了最佳酸解条件，并对高钛型高炉渣富钛产物酸解过程进行了分析。 “弱磁选除铁硫化焙烧、水浸提取铝和镁酸浸提钛”工艺实现了高钛型高炉渣中多种有价组分的提取和回收，制备了相应的化工产品，资源化利用率较高，工艺可行性强。同时，工艺中助剂硫酸铵可以循环利用，既节省成本，又有效减了工艺对环境的负荷，达到高钛型高炉渣生态化利用的目的，具有较高的经济效益与环境效益。 关键词：高钛型高炉渣、硫酸铵、焙烧-水浸

4、工艺、酸浸、二氧化钛2、 前言2.1绪论 高钛型高炉渣是我国攀西地区特有的二次资源，钒钛磁铁矿经选矿处理，原矿中约有一半的Ti02进入铁精矿，铁精矿经烧结和高炉冶炼，在提取金属铁的同时，形成了富含有价组分的高钛型高炉渣1。2.2选题依据及意义 我国攀西地区蕴藏着丰富的钒钛磁铁矿资源，其中钛约占全国总储量的90542J。钒钛磁铁矿经选矿、烧结和高炉冶炼提取其中的铁组分，同时形成了高钛型高炉渣，其中含Ti02超过20%3。大量的高钛型高炉渣堆积如山，对周边环境造成了严重污染，同时还可能成为引发重大自然灾害的隐患，最主要的是目前对于这种二次资源的处理和利用方式均较为粗放，使得其中的有价组分一直未能得

5、到很好的回收和利用4J。广大科研工作者针对其综合利用开展了大量的基础研究，形成了技术路线多元化、产品多样化的综合利用模式。但在推广应用时，或经济效益差、或能耗成本高，或处理量有限等原因而使其无法投入大规模工业生产，因此，如何实现高钛型高炉渣的高效综合利用仍是一个亟待解决的难题。基于高钛型高炉渣工艺矿物学特征的研究，揭示了其资源属性，提出“先富集钛，再提取钛”的思路，在富集钛组分的过程中，采用湿式磁选的方法回收其中的铁矿物，再通过硫化焙烧水浸工艺提取其中的铝和镁等有价组分，实现钛的富集后得到高钛型高炉渣富钛产物，最后采用硫酸酸浸法对其中的钛组分进行提取。通过该工艺可实现高钛型高炉渣中多种有价组分

6、的提取，制备出系列具有高附加值的化工产品。2.3国内外研究现状 在国外，高炉冶炼的铁矿石中Ti02含量较低，一般不超过4，经高炉冶炼后产生的含钛高炉渣中Ti02的含量低于1 0，属于低钛型高炉渣，可视为普通高炉渣进行处理。这类含钛高炉渣主要用于建材的生产、采空区回填及土壤改良等方面，其排放量和处理量基本趋于平衡。日本和西欧等国家和地区对含钛高炉渣作掺和料用于水泥生产进行了大量研究，结果表明当高炉渣中Ti02含量低于1 0时对水泥强度影响不大；高于1 0时，水泥强度随Ti02含量的增加而急剧降低5。因此，国外允许水泥生产中加入部分低钛型高炉渣6.7，如法国的含钛高炉渣水泥产量占全国水泥总产量的一

7、半。总之，国外的含钛高炉渣中Ti02含量低，其利用的难度不大，综合利用率较高，历史堆积渣也在逐步消除。 我国钒钛磁铁矿床分布广泛，储量丰富，储量和开采量居全国铁矿的第三位，已探明储量983亿吨，远景储量达3 00亿吨以上，主要分布在四川攀西地区和河北承德等地区8。攀西地区钒钛磁铁矿经高炉冶炼产生的高炉渣属于高钛型(Ti02含量20)，而承德地区钒钛磁铁矿经高炉冶炼产生的高炉渣属于中钛型(1 0<Ti02含量<20)2.4主要研究内容 (1)高钛型高炉渣工艺矿物学特征及属性的研究采用X射线荧光光谱分析仪、X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电子显微镜(能谱)分析仪等现代分析测试手段，对高钛

8、型高炉渣样品的物相组成、化学成分、矿物颗粒大小及嵌布特征、颗粒形貌及有价元素的赋存状态和分布规律等进行分析表征，揭示高钛型高炉渣的资源属性，在此基础上，制定合理的有价组分提取及综合利用的方案与工艺技术。 (2)高钛型高炉渣湿式弱磁选回收金属铁高钛型高炉渣中的铁矿物主要以金属铁的形式存在，来源于高炉冶炼出渣时未有效分离的少许铁珠，属于强磁性矿物，采用湿式弱磁选工艺可回收高炉渣中大部分的铁，考察磁选工艺、磨矿细度和磁场强度等因素对磁选效果的影响，得到最佳的磁选分离条件。通过磁选，一方面可回收高钛型高炉渣中少量的金属铁，达到提纯炉渣的目的，另一方面磁选前的破碎和研磨使高炉渣达到一定的粒度，利于后续其

9、他有价组分提取工作的开展。 (3)高钛型高炉渣硫化焙烧水浸及浸取液中有价组分的分离针对高钛型高炉渣矿物相结构复杂且有价元素赋存于多种矿物相的情况，在实验室条件下，将磁选除铁后的高炉渣试样与助剂硫酸铵进行混合焙烧，可将炉渣中大部分的铝和镁转化为可溶于水的盐类，通过水浸处理得到富集铝和镁组分的浸取液和水浸残渣，通过分步沉淀实现浸取液中铝离子和镁离子的分离，制备相应的化工产品：水浸残渣经盐洗处理使钛组分进一步富集，得到高钛型高炉渣富钛产物。考察焙烧条件(焙烧温度，硫酸铵与高炉渣试样的质量比，焙烧时间)和水浸条件(水浸温度，水浸时间，水浸液固比)对铝和镁浸取率的影响，得到最佳的工艺条件。探明焙烧机理，

10、并通过实验确定浸取液中铝离子和镁离子有效分离的工艺条件。 (4)高钛型高炉渣富钛产物硫酸酸浸提钛高钛型高炉渣经磁选除铁、硫化焙烧水浸提铝和镁、盐洗除钙处理后，使其中的钛组分得到了一定程度的富集，形成一种高钛型高炉渣富钛产物。采用3070的稀H2S04对其进行酸解，探索硫酸质量分数、酸解温度、酸渣质量比和酸解时间等因素对钛的浸取率的影响，通过实验确定适宜的酸解条件，以得到钛的最佳酸解率，揭示高钛型高炉渣富钛产物的酸解反应过程。并对酸解钛液进行水解得到偏钛酸沉淀，再经煅烧制取氧化钛粉体。(5)高钛型高炉渣资源化利用与环境效益评价基于以上研究，从高钛型高炉渣的资源化属性、“弱磁选除铁硫化焙烧、水浸提

11、取铝和镁酸浸提钛”工艺可行性以及环境效益等方面进行了评价。2.5论文创新点 (1)思路创新：基于高钛型高炉渣难于资源化利用的现状，在高钛型高炉渣工艺矿物特征和资源属性系统研究的基础上，提出“先富集钛、再提取钛”的研究思路，通过渣中铁、铝和镁等有价组分的提取分离，使钛组分以易于提取的形式进行富集，再进行有价组分钛的提取。 (2)技术创新：基于“先富集钛、再提取钛”的研究思路，提出高钛型高炉渣“弱磁选除铁硫化焙烧、水浸提取铝和镁酸浸提钛”的资源化工艺技术流程，实现了高钛型高炉渣中多种有价组分的提取，并制备了系列具有高附加值的化工产品。硫化焙烧工艺中助剂的循环使用，既达到了降低生产成本和原料消耗的目

12、的，又避免了二次环境污染的产生。 高钛型高炉渣工艺矿物学特征研究及前处理31 工艺矿物学特征研究 工艺矿物学是研究矿石的矿物组成、矿物含量、矿物粒度及粒度分布概率，矿物之间的嵌布关系，有价元素的赋存状态等矿物属性的学科。工艺矿物学研究不仅具有理论意义，而且对矿物资源的开发和利用有重要的实际意义。高钛型高炉渣属于我国特有的二次矿物资源，对高钛型高炉渣的工艺矿物学特征进行表征与研究有利于揭示其资源属性，对渣中有价组分的提取及综合利用方案与工艺技术的选择和设计具有重要的指导作用和实际意义。3.1.1样品描述在我国攀西地区，钒钛磁铁矿经选矿处理，得到铁精矿，铁精矿在高炉冶炼过程中，未被还原的氧化钛、氧

13、化硅、氧化钙、氧化铝和氧化镁等物质，夹带着少量未完全分离的铁水(珠)和在炉内早期结晶的高温矿物以高温熔融状态从渣口喷出炉体，经渣沟流入渣罐。在常温常压下，熔融体表面会很快形成一层“硬壳”，而内部的熔融物质仍处于高温和还原状态。在逐渐冷却的过程中，大部分物质会在较高的温度下结晶形成各种矿物，玻璃质极少。 经以上过程便形成了富含有价元素的高钛型高炉渣，是我国特有的二次资源。实验所用样品采自攀钢含钛高炉渣渣场，出渣后经自然冷却而成，编号为PT。样品呈不规则块状，表观灰黑色，多孔状构造，图21为高钛型高炉渣样品外观的数码照片。 312 化学成分分析 样品的化学成分分析在西南科技大学分析测试中心完成，测

14、试仪器为荷兰帕纳科公司生产的Axios型波长色散型X射线荧光光谱仪(XRF)。测试结果以各元素的氧化物百分含量计。结果如表31所示。 由表2-1可知，高钛型高炉渣主要成分为CaO、Si02、Ti02和A1203，其次是少量MgO和Fe203，此外，还含有极少量的MnO、K20、S 03等。与普通高炉渣相比，高钛型高炉渣具有以下特点： (1)Si02的含量相对较低，酸性组分不饱和； (2)Ti02的含量高，相当于普通高炉渣的数倍至十倍； (3)碱金属极其缺乏，而富含碱土金属CaO。 313 物相分析 在西南科技大学分析测试中心采用荷兰帕纳科公司Xpert PRO型x射线衍射仪对样品进行物相测试。

15、测试条件：Cu靶，管压40 kV，管流40 mA，狭缝系统：DS 120，S S 004 rad，AAS 55 mm。扫描范围：2030800，连续扫描。图2-2为实验用高钛型高炉渣样品的XRD图谱。可以看出，样品中主要矿物有钙钛矿，特征衍射峰有：2703 、191300 、2720、2690 和1910等；透辉石，特征衍射峰有：2994、2.551 、1.4115 和2131等；镁铝尖晶石，特征衍射峰有：243 6 h、2021、1.429和1.555等。钙钛矿的衍射峰最强，透辉石次之，镁铝尖晶石的衍射峰相对较弱，三者的衍射峰均较尖锐，表明结晶程度良好。32 样品的磁选分离高钛型高炉渣的工艺

16、矿物学特征研究表明，渣中含有少量的铁矿物，主要以金属铁的形式分散在透辉石和钙钛矿等矿物颗粒中，对高钛型高炉渣进行破碎和研磨可使其中的金属铁有效解离，因金属铁属于强磁性矿物，实验采用湿式弱磁选的方式实现高钛型高炉渣中渣铁的分离。通过磁力分选不仅可回收高钛型高炉渣中的铁矿物，同时可使炉渣试样达到一定的粒度，便于后续其他有价组分的提取和综合利用研究工作的开展。321磁选原理 磁力分选是利用不同矿物间磁性的差异及其在磁场中受磁力作用大小的不同，在不同磁力作用下实现矿物分离的选矿方法。分选过程在磁选设备所提供的非均匀磁场中进行。待选物料进入分选空间后，同时受到磁场磁力和机械力的共同作用，使磁性不同的矿物

17、颗粒沿着不同的路径运动，对矿浆分别截取，即可实现不同矿物颗粒的分选9。磁性矿物颗粒通过磁选实现成功分选的必要条件为：作用在强磁性矿物颗粒上的磁力Fm 1必须大于磁力相反方向的机械合力F 机1，同时，还需满足作用在弱磁性矿物颗粒上的磁力Fm2必须小于与磁力反向的机械合力F机2即： Fml>F 机1；Fm2<F机2 式中：Fml一作用于强磁性矿物颗粒上的磁力；F机l一所有与磁力方向相反的机械合力；Fm2一作用于弱磁性矿物颗粒上的磁力；F机2一与磁力反向的机械合力。实验中所采用的磁选设备为XCRS-q)400 x240型电磁湿法多用鼓形弱磁选机，磁性矿物颗粒的磁选设备中的分离属于吸住型，

18、高钛型高炉渣试样在磁场中分离的示意图见图3-3。 图3-3高钛型高炉渣磁选分离的示意图 高钛型高炉渣试样进入分选空间后，强磁性矿物颗粒与弱磁选矿物颗粒在磁力(Fm)作用下，强磁性矿物颗粒所受磁力大于其他机械力的合力，吸住时间更长，而弱磁选矿物颗粒所受磁力小于其他机械力的合力，因此，强磁性矿物颗粒与弱磁选矿物颗粒将以不同的路径运动，进而实现有效分离。5、 结果与讨论41 磨矿时间对试样细度的影响高钛型高炉渣试样经鄂式破碎机和对辊粉碎机破碎后，得到粒度小于3mm的粉粒，采用XMQ型球磨机，每次磨矿1 kg，磨矿细度以一0074mm粉粒所占的质量比例作为指标，得到试样中0074mm粉粒含量与磨矿时间

19、的关系，绘制试样的磨矿曲线，见4-1图。 图4-1 高钛型高炉渣的磨矿曲线由图4.1，随磨矿时间的延长，0074mm粉粒所占质量比例逐渐增加；当磨矿时间超过18min时，0074mm粉粒所占质量分数的增加逐渐趋于平缓，当磨矿时间为26min时，0074mm粉粒所占质量分数接近97.5。从磨矿曲线的变化趋势可知，当磨矿时间超过26min后，0.074mm粉粒所占质量分数变化很小。由于高钛型高炉渣中金属铁粒度分布极不均匀，粒度较大的金属铁在较短的磨矿时间内即可有效解离，粒度较小的金属铁则需要细磨时才能解离。根据磨矿曲线，可通过控制磨矿时间得到不同细度的高钛型高炉渣试样。42 单一弱磁选磨矿细度对磁

20、选效果的影响固定磁场强度为01 7T，考察磨矿细度对铁精矿品位和回收率的影响，结果见图27。由图27，随磨矿细度的增加，铁精矿的品位和回收率均呈上升趋势，当0074mm粉粒占80时，品位达5 0以上，但回收率较低。当0074mm粉粒占95时，铁品位和回收率分别达到5 86和6 15。当0074mm粉粒含量超过95以后，铁品位和回收率的增加趋势趋于平缓。这是由于随磨矿细度的增大，金属铁解离度不断增加，使铁精矿的品位和回收率得到提高。兼顾铁品位和回收率，综合考虑磨矿成本，选择磨矿细度为0074mm粉粒占95较适宜。 图4-2磨矿细度对铁精矿品质、回 图4-3 磁场强度对铁精矿品味、 收率的影响 回

21、收率的影响43 单一弱磁选磁场强度对磁选效果的影响 固定磨矿细度为0074mm粉粒占95，考察磁场强度对铁精矿品位和回收率的影响，结果见图4-3。由图4-3，随磁场强度的增加，铁精矿品位缓慢下降，而回收率则快速上升；当磁场强度超过019T时，品位下降速度变快，回收率无明显上升。这是由于在较弱的磁场强度下，所选精矿多为强磁性金属铁，所以铁精矿的品位较高，但回收率很低。随磁场强度的增加，更多的磁性物质被选出，导致铁品位缓慢降低，但回收率却得到了较大幅度的提高。综合考虑铁精矿的品位和回收率，确定最佳的磁场强度为01 9T，此条件下可获得品位和回收率分别为5 89和633的铁精矿选别指标。 44 阶磨

22、阶选二段磨矿细度对磁选效果的影响 控制一段磨矿细度为0074mm粉粒占60时，可使炉渣中颗粒较大的金属铁有效解离，经筛分即可有效选出。在单一弱磁选最佳磁场强度(01 9T)下，考察二段磨矿细度对铁精矿品位和回收率的影响，结果见图4-4。由图4-4可见，随二段磨矿细度的增加，铁品位先升高后降低，当一0074mm粉粒含量为90时达最大值635。回收率随二段磨矿细度的增加而增加，当0074mm粉粒含量超过90，增加趋势趋于平缓。兼顾磁选铁精矿的品位和回收率，综合考虑磨矿成本，二段磨矿的细度为0074mm粉粒占90为宜。 图4-4 二段磨矿细度对铁精矿品味、 图4-5 磁选铁精矿样品的XRD图谱 回收

23、率的影响在最佳磁选工艺条件下得到的铁精矿品位为635，回收率为642。铁精矿XRD图谱见图4-5。由图4-5可见，磁选精矿中主要物相为铁，特征衍射峰为2030和1440；磁铁矿，特征衍射峰为2.530、1.614 、1483 、2966等；钙钛矿，特征衍射峰为2.703、19 13、2720 等。由于磨矿过程中钙钛矿与铁矿物不可能完全发生解离，故在磁选铁精矿的XRD图谱中出现了钙钛矿较弱的特征衍射峰。通过弱磁选可实现高钛型高炉渣中铁矿物回收，获得的铁精矿可用于回收炼钢。与此同时，磁选前的破碎和研磨使得炉渣试样达到了一定的细度，这将有利于其他有价组分的提取和分离。6、 结论与心得体会5.1 结论

24、 采用X射线荧光光谱仪、X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电镜一能谱仪等现代分析测试手段对高钛型高炉渣试样的主要化学成分、矿物组成及嵌布情况、微区形貌和微区成分等工艺矿物学特征进行了研究，并通过湿式弱磁选的方式对高钛型高炉渣试样中的铁矿物进行了回收，考察了磁选方式、磨矿细度、磁场强度等因素对磁选指标的影响，获得如下结论： (1)高钛型高炉渣主要化学组成为CaO、Si02、Ti02、A12 O3，含少量MgO、Fe20 3和MnO等，其中有价组分Ti02的含量超过20。 (2)高钛型高炉渣主要为自形半自形晶粒状结构，以浸染状构造为主。主要矿物组成为钙钛矿、透辉石和镁铝尖晶石，铁矿物主要以金属铁的形式存在，粒度分布不均，多以球粒状、弯月状和椭球状等分散在透辉石和钙钛矿等矿物颗粒中，属于强磁性矿物，通过弱磁选可实现有效分离，此外在金属铁的周围还有极少量碳氮化钛固溶体的产出，各矿物的能谱测试结果表明，高钛型高炉渣中所有矿物均含钛，主要含钛矿物为钙钛矿和透辉石。 (3)采用阶段磨矿阶段弱磁选工艺对高钛型高炉渣中的铁矿物进行回收，当一段磨矿细度为0074mm粉粒