改质镍渣熔融还原提铁过程中组元迁移行为的研究

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镍渣作为冶炼金属镍时所产生的工业废渣,其含铁量较高,故可作为二次资源进行回收利用。镍渣中的铁主要以铁橄榄石稳定物相形式存在,导致渣中含铁相活度低、可还原性差。因此,本文提出了利用高碱度转炉钢渣对镍渣进行改质处理、再通过铝灰还原改质熔融镍渣进行提铁的工艺,该工艺不仅能有效提高改质熔融镍渣中含铁相的活度,同时还具有以废治废的特点,有利于冶金渣的循环利用。本文基于分子离子共存理论,针对铝灰还原改质熔融镍所涉及的主要渣系,构建了CaO-SiO2-Al2O3-‘FeO’-MgO-P2O5-MnO-Cu2O熔渣体系活度模型。研究了镍渣改质以及还原过程中熔渣组元活度的演变规律,从而为改质熔融镍渣还原提铁工艺的制定与优化提供理论依据。在此基础上,采用高温实验探究了铝灰还原改质熔融镍渣过程中组元的迁移规律。所得主要结论如下。(1)基于所构建的CaO-SiO2-Al2O3-‘FeO’-MgO-P2O5-MnO-Cu2O熔渣体系活度模型研究表明,一定温度条件下,渣中(CaO)、(Al2O3)、(3CaO·P2O5)、(MnO)及(Cu2O)组元活度随熔渣碱度的增加而逐渐增大,但(SiO2)活度则随熔渣碱度的增加而逐渐减小,(‘FeO’)活度在碱度为1.00达到最大值。由此确定改质镍渣碱度为1.00。当改质碱度一定时,随还原温度的升高,熔渣中组元(CaO)、(Al2O3)、(SiO2)、(‘FeO’)、(MnO)以及(Cu2O)活度无显著变化,而渣中(3CaO·P2O5)活度则随还原温度的升高而逐渐降低。(2)还原进程中改质碱度和‘FeO’还原度对熔渣组元活度影响的研究结果表明,1773 K条件下,渣中(‘FeO’)活度在碱度为1.00时达到最大值0.66,因此,镍渣的改质碱度选择为1.00时,更有利于改质镍渣的还原。在同一改质碱度条件下,渣中(3CaO·P2O5)活度随着‘FeO’还原度的增加而增加;而当还原度一定时,渣中(3CaO·P2O5)活度亦随碱度升高而逐渐增加,并且在碱度为0.75~1.00时其增加量相对较少。在同一改质碱度条件下,MnO活度均随着‘FeO’还原度的增加无显著变化;在还原度一定时,MnO活度随碱度的升高逐渐增大。(3)CaO-SiO2-Al2O3-‘FeO’-MgO-P2O5-MnO-Cu2O熔渣体系活度模型的预测精度较高,可为铝灰还原熔融改质镍渣过程中组元迁移规律的研究提供理论依据。(4)熔渣中铝灰加入量(即Al/‘FeO’比)对改质镍渣还原过程组元迁移规律的研究结果表明,改质镍渣在熔融还原过程中组元的还原顺序为(Cu2O)→(‘FeO’)→(3CaO·P2O5)→(MnO)→(SiO2)。并且随渣中 Al/‘FeO’比从 0.40 升至 0.71,(Cu2O)同时伴随(‘FeO’)被铝灰还原。渣中(3CaO·P2O5)在Al/‘FeO’比大于0.67后被大量还原、而(MnO)最终才会被还原。(5)还原保温时间对改质镍渣组元迁移规律的研究结果表明,当还原保温时间从10 min延长至90min时,熔渣中P被大量还原至金属相中,而金属相中未出现Mn元素的明显富集,表明渣中(3CaO·P2O5)优先于(MnO)被还原,且延长还原保温时间对还原过程中改质镍渣组元的迁移规律无显著影响。(6)改质碱度对还原过程中改质镍渣组元迁移规律的研究结果表明,在渣中Al/‘FeO’比为0.71、还原保温时间为90min条件下,随着改质碱度从0.75增加至1.25,渣中P元素被大量还原并富集于金属相中,但Mn元素在金属相中未有明显富集,说明渣中(3CaO·P2O5)优先于(MnO)被还原,但改质碱度的变化对改质镍渣组元的迁移顺序无显著影响。此外,当改质碱度为1.00时,还原过程中熔渣中组元向金属相的迁移更为充分,有利于获得较高的有价元素回收率。
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