富铁镍渣中铁组元氧化的物理化学机制及其迁移行为研究

发布时间：2020-04-03 06:33

【摘要】：富铁镍渣中TFe含量高达40%,且主要以结构稳定的铁橄榄石(Fe_2SiO_4)存在,因此有效提取Fe资源是实现镍渣综合利用的关键所在。本文针对铁橄榄石相中Fe组元和Si组元难以分离的问题开展研究,深入分析了熔融富铁镍渣中Fe组元氧化的物理化学机制及其迁移行为,通过Fe组元的结构重构和富集磁选实现对Fe组元的回收,突破了镍渣综合利用的瓶颈问题。(1)热力学计算表明:富铁FeO-SiO_2-MgO-CaO四元体系中Fe_2SiO_4在稳定存在的温度可高达1873K,但它可以直接与O_2反应生成Fe_3O_4,通过引入CaO可极大提升其氧化的反应趋势;Fe_3O_4进一步氧化生成Fe_2O_3的趋势会随着温度的升高而减弱,在温度高于1623K后该反应不能发生,因此在此温度以上Fe_3O_4是最稳定的铁氧化物。FeO-SiO_2-MgO-CaO四元系相图显示当w(CaO)在0-30%范围增大时,含铁相主要以Fe_3O_4和MgFe_2O_4组成的尖晶石相存在,其相区先增大后减小,硅酸盐相的组成也发生明显变化,且低温区会偏向w(SiO_2)增大、w(MgO)降低的区域。这说明CaO的加入可以起到破坏Fe_2SiO_4稳定结构的作用,使其中的Fe组元转变为Fe_3O_4,有利于解决Fe_2SiO_4中Fe-Si的分离问题。(2)熔化特性研究表明:FeO/SiO_2、MgO/SiO_2和w(CaO)对FeO-SiO_2-MgO-CaO系合成渣的软化温度(T_s)、半球温度(T_h)和流淌温度(T_f)有不同程度的影响。当FeO/SiO_2和MgO/SiO_2不变时,T_s、T_h和T_f都随w(CaO)的增大呈先显著降低后小幅升高的趋势。当体系中不含CaO时,T_s随FeO/SiO_2的增大而显著降低,但是几乎不受MgO/SiO_2影响,而T_h和T_f随FeO/SiO_2的增大先升高后降低、随MgO/SiO_2的增大而降低;当w(CaO)为6%时,T_s随FeO/SiO_2的增大而先升高后降低,但是同样不受MgO/SiO_2影响,而T_h和T_f随FeO/SiO_2的增大显著升高、随MgO/SiO_2的增大而显著降低;当w(CaO)为12%或者更高时,FeO/SiO_2和MgO/SiO_2的变化对熔化特征温度的影响较小。通过对改性富铁镍渣熔化特性的研究,确定其熔融温度应不低于1646K。这些研究不仅明晰了硅酸盐组成对镍渣熔化特性的影响规律,也补充了FeO-SiO_2-MgO-CaO体系的热力学数据,为镍渣熔融氧化过程的温度选择提供了依据。(3)物相演化研究表明:渣中Fe_2SiO_4氧化过程中Fe组元由Fe_2SiO_4迁移至Fe_3O_4中,同时有少量Mg~(2+)固溶进Fe_3O_4晶格中形成的MgFe_2O_4,Fe_3O_4和MgFe_2O_4中富集了93.1%的Fe,因而成为氧化镍渣中主要的含铁相;除少量SiO_4~(4-)以Mg_2SiO_4和CaMgSiO_4形式存在外,大部分SiO_4~(4-)则通过聚合反应和包晶反应生成氧化镍渣中主要的硅酸盐相Ca(Mg,Fe)Si_2O_6。这与FactSage 7.1的计算结果相一致。通过研究将富铁镍渣中Fe_2SiO_4的氧化条件确定为:空气流速300mL/min、碱度0.90、氧化温度1658K、氧化时间80min,可使氧化渣中w(Fe~(2+))降至7%左右。通过富铁镍渣熔融氧化的物相演化研究,明确了其中Fe组元的迁移行为和硅酸盐相的物相演化过程,解决了富铁镍渣中的Fe-Si分离问题。(4)氧化动力学研究表明:富铁镍渣中Fe_2SiO_4的等温氧化为一级反应,其表观活化能为315.16kJ/mol。通过热重法确定了富铁镍渣中Fe_2SiO_4熔融氧化的速率变化规律,并基于气液反应的双膜理论,探索了Fe_2SiO_4熔融氧化的机理。Fe_2SiO_4熔融氧化过程可分为外扩散期、化学反应期、化学反应与内扩散混合控速期、内扩散期,随着氧化反应的进行,对应的控速环节由开始的O_2向熔体的扩散控速逐渐转变为氧化反应控速,进而变为氧化反应与Fe~(2+)的内扩散共同控速,最后变为Fe~(2+)的内扩散控速。(5)显微结构和磁选工艺研究表明:氧化镍渣的显微结构主要受氧化时间和氧化温度的影响,较长的氧化时间有利于Fe_3O_4长大为饱满的粒状颗粒,而较高的氧化温度会使Fe_3O_4生长为散碎的骸骨状颗粒。粒状磁铁矿相嵌布在由普通辉石和橄榄石组成的硅酸盐基体中,经过三次破碎-磁选后,实现了Fe组元的有效回收,得到全铁品位54.08%、铁回收率75.99%、产率50.67%的磁铁矿。
【图文】：

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图 1.1 还原-磁选法回收镍渣中铁组元的工艺流程图e 1.1 Flowchart of iron recycling from nickel slag by reduction-magnetic sepmethod为我国最大的镍生产商，，金川公司早在 1987 年就开始与国内高校攻关镍铜渣综合利用的关键技术，其主要成果之一就是通过熔融还中的铁资源，但是由于经济性等原因，成果并未实现工程化[13]。白的还原动力学研究结果表明渣中 FeO 还原过程的表观活化能为 12

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1.2.2.2 浸出法Li Yunjiao等用如图1.2所示的加压氧化浸出法回收镍冶炼渣中的有价金属后发现：当酸用量为20%、固体含量为25%时，在200kPa至300kPa的氧压下于523K反应2h后，镍、钴收得率为99%以上，铜收得率大于97%，锌收得率大于91%，铁收得率不足2.2%[30]。Baghalha等用氧化酸浸法回收铁橄榄石渣中的有价金属镍、钴、铜和锌，研究结果表明常压较好，否则渣中会有大约20%的金属残留；较高温度下浸出液中的Fe和Al含量也较低；当渣中二价金属含量较高时，硫酸用量就
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD982

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