粉煤灰中提取还原铁粉的可行性研究

粉煤灰中提取还原铁粉的可行性研究重庆大学高家城何泽福张廷楷曾丁丁摘要：本文探索了从粉煤灰中提取还原铁粉的工艺流程。试验表明，采用适当的水溶液对磁选氧化铁珠进行淘析后高温短时还原，能制备出较高含铁量的还原铁粉。文章还提出了进一步提高还原铁粉质量的途径。一、前言粉煤灰处理最有效的方法是进行综合利用。在这方面，国内外科技工作者已做了许多有益的探索，并在某些方面进入了实用化阶段。如用粉煤灰制备水泥、——砖等建筑材料，用分选分级后的粉煤灰微珠为添加剂制备各种塑料、橡胶基及轻质保温材料等符合材料……。这说明粉煤灰的综合利用前景广阔，有着极大的社会效益、环境效益和经济效益。本试验是粉煤灰综合利用课题的一部分，其目的是力图从粉煤灰中提取氧化铁粉和制备还原铁粉，变废为宝造福人类。有关这方面的研究尚未见公开报道，属探索性试验。二、试验方法1、粉煤灰组成某厂粉煤灰的化学成分列于表1，粒度组成列于表2中。X线衍射分析计算，晶态物质约56%，玻璃态约44%，铁主要为Fe3O4，r—Fe2O3和2—Fe2O3三种，简称铁珠。某厂粉煤灰化学组成表1组成TFeSiO2Al2O3CaOK2OMgOTiO2Na2OC%10.5546.4717.797.451.330.690.430.186.63某厂粉煤灰粒度组成表2粒径（微米）＞145145~100100~7474~6161~5353~50＜50%5.04.66.23.74.22.274.12、工艺流程简介试验工艺流程如图1所示。将粉煤灰进行1400Oe强磁选，将选出的氧化铁珠进行湿磨8h，再经淘析尽量除去SiO2、Al2O3等非铁杂质，然后与木炭层装密封按正交表给定制度还原，出炉料用分解氨精还原10000C×2.5h，物料经破碎、磁选、过筛后作行貌及性能测定。———→磁选Ⅰ———→磁选Ⅱ———→————————粉碎←——检验←——磁选←——还原←—————烘干←——淘析←——湿磨←——二次还原——→——→粉碎——→磁选——→过筛——析测←————图1试验工艺流程3、氧化铁珠还原制度木炭还原铁氧化物制备还原铁粉主要是由木炭气化反应生成CO，再由CO与氧化铁珠直接反应进行的。影响这一还原过程的主要因素是还原温度和还原时间，根据文献制定正交表Lg（34）表头如表3所示。粉煤灰氧化铁珠木炭海绵铁铁粉还原制度试验正交表表头表3因素水平T℃ThT℃×ThⅠⅡⅢ1000950900402510三、试验结果及讨论1、还原前的物料准备经二次磁选后得到的氧化铁珠的化学成分、粒度组成和物相组成列入表4、表5和表6中，根据铁珠的显微形貌如和表4可见，铁珠中还有大量的SiO2、Al2O3等杂质，这将增加还原难度，严重影响还原铁粉的性能。从表5知，氧化铁珠的粒度较细，磁选过程中会有较强的磁性团聚效应，即单纯磁选是无法除去SiO2、Al2O3等杂质。为此，本试验选用湿磨加淘析的处理办法。不同条件下淘析三次的结果如表7所示，淘析后铁珠的显微形貌发生了变化。从表7可知，湿磨淘析能够除去氧化铁珠中的部分杂质，提高氧化铁珠中的铁的品位。这是因为微细粒子在液体中运动遵循斯托克斯运动方程：氧化铁珠的化学成分表4组成TFeCSiO2Al2O3CaOMgO%40.561.7328.610.363.930.67氧化铁珠的粒度组成表5目+60—60+100—100+140—140+200—200+250—250+400—400%0.219.919.919.920.020.10氧化铁珠的物相分析表6组成磁黄铁矿磁铁矿碳酸铁赤铁矿黄铁矿硅酸铁%0.3137.24＜0.11＜0.110.210.42淘析试验结果淘析溶液淘析时间（sec）淘析后氧化铁珠主要成分（%）Fe3O4SiO2Al2O3水酒精10%甘油水溶液20~3040~60120~18059.2561.3171.6326.3325.3011.088.097.060＊TFe换算值（stokes）方程：To(ρ—ρo)gV=(1—e—t/to)ρ4to=πr2ρ/6πη3式中，V—粒子运动速度；ρ—粒子的密度；r—粒子的半径；ρo—溶液的密度；n—溶液的粘度。即微细粒子在粘性溶液中运动时，其运动状态与液体粘度、粒子半径、液体密度等有关。当粒子半径相同时，两种不同微粒的运动速度之比可表示为：由此可见，当溶液粘度越大、比重越大时，相同粒径的不同物质粒子的沉降速度差别越大，即越易分开，所以用10%甘油水溶液淘析时效果较好。从有关资料知：10%甘油水溶液η=1.3厘泊，Po=1g/cm3，PSiO2=2.65g/cm3，PAl2O3=3.9g/cm3，PFe3O4=5.2g/cm3;假定r=70n，沉降距离约10cm，代入前式计算得：TFe3O4=4min，TAl2O3=8min，TSiO2=11min。试验表明，甘油水溶液选用2~3min淘析时间的效果较好。2、还原工艺参数试验氧化铁珠炭还原工艺参数的正交试验计算结果见表8，还原温度和还原时间对还原程度的影响如图2所示。从表8和图2知，随着还原温度升高和还原时间延长，还原程度均提高，而且温度的影响是最主要的因素，其次是还原时间，温度时间的交互作用影响并不明显。如在同一还原温度下，还原时间从25h延长到40h时，还原管理方式提高很少。为此，本试验进一步选用1150℃×25h高温短时炭还原＋分解氨二次还原。3、还原铁粉分析还原铁粉的化学成分列入表9中，其显微形貌、X光衍射分析谱线分析，如图3所示。还原铁粉颗粒呈现出还原烧结铁海绵体外观特征，但尚有少许SiO2等杂质粘结难于除尽，这是磁选氧化铁珠中尚未磨碎及未分离的部分，当然也不能完全排队高温烧结的原因。从图3知，经二次还原后的铁粉主要为90%以上的2——Fe和5%以下的SiO2,这与化学分析符合较好。还原铁粉粒度组成及物理工艺性能如表10所示。用二次还原铁粉制造的耐磨含油轴承，其性能指标见表Ⅱ。从表10、11知，还原铁粉的工艺性能较差，与国家标准还有一定距离，这可能与纯度不够、粒度较细等有关。显然，还应在还原前的物料准备上下功夫，如提高氧化铁珠的纯度、将氧化铁珠分级、合理选择还原工艺和设备，以及还原铁粉退火处理，寻出还原铁粉的新用途等等。笔者认为进一步提高还原铁的质量是可行的，本工作有继续研究的价值。MF2/0806040209009501000图2温度时间对还原程度的影响正交试验计算表表8因素试验号T℃ThT×hFeFeOFe/FeO123456789900900900950950950100010001000102540102540102540①②③②③①③②①①②③③①②②③①5.568.659.355.2822.7120.7123.4223.7531.1346.4445.3542.6546.7237.726.943.2336.4746.1111.9719.0721.9211.3060.2176.9856.865.2167.51Ⅰ/3Ⅱ/3Ⅲ/317.6549.5063.1426.6940.1355.4751.3632.6346.3146.5650.9532.78R45.4928.7018.7318.17铁粉的化学成分表9目数TFeMnPSiCS+100—10090.4586.770.220.130.120.133.275.600.180.280.030.03α—Feα—Feα—Feα—Feα—FeSiO213012011010090807060504030图3铁粉X射线衍射谱线图（+100目）还原铁粉的物理工艺性能表10松装密度g/cm3摇实密度g/cm3流动性s/50g压缩性g/cm3粒度组成（目、%）+100—100+200—200+300—3001.21.8574.710.59.559.021.0含油轴承性能比较表11粉末原料密度g/cm3压溃强度MPaHB试验还原铁粉国家Ⅰ级铁粉4.25.212627069.252.6四、结论1、用木炭作还原剂，采用高温短时还原工艺，多粉煤灰磁选、淘析后的氧化铁珠进行还原制备还原铁粉是可行的。2、在本试验条件下，采用1150℃×25h木炭还原+分解氨二次还原可以制备总F＞90%的还原铁粉。3、淘析能除去氧化铁珠中的AL2O3,但除掉的SiO2量则与湿磨程度有关，湿磨充分时，SiO2除去量就多些。参考文献（略）（发表日期：1989年第4期）漂珠的形成、性能及其应用某些燃煤厂灰池中漂浮的轻质灰颗粒是一种空心硅酸盐玻璃微珠（漂珠）。它是一种有用的宝贵资源。本文叙述了漂珠的物理化学性能、矿物组成、结构特征及其应用。一、漂珠的形成燃烧煤中夹有多种矿物质，如煤矸石、岩石碎屑、石英、长石、云母、黄铁矿和粘土等，因而使硅铝成为漂珠的主要物质来源。漂珠壳内的封闭气体主要成分为CO2和N2。CO2的来源可能是碳酸盐的分解和含炭物质的燃烧所致。在生成飘珠及气体时，需要含碳物质和含硅物质的接触，并且氧化铁的含量是必不可少的。一般氧化铁的含量不能少于5%。当小于5%时生成漂珠很少。氧化铁含量超过8%时漂珠含量显著增加。其反应过程为：2Fe2O3+C=4FeO+CO3↑2FeO+1/2O2=Fe2O3而N2可能是由煤或矿物中氧化物生成的。长石的膨胀是因所含少量氧化硅分解造成的。此时仍需要有Fe2O3生成气体：1/2Si3N4+3Fe2O3=11/2SiO2+6FeO+N2当煤在锅炉内燃烧时，由于炉内温度很高（漂珠形成的最佳温度约1400℃）使硅铝等氧化物处在高温熔融状态。而炉内的湍流作用使这些物质悬浮在气流中，而过高的温度和过大的湍流速度使熔融了的物质迅速膨胀，当温度下降时，外界的气压从四面八方均匀地压向这种物质，使其表面以最大张力来承受。湍流作用使这些物质在冷凝过程处在悬浮旋转状态。因而形成球状体。并由于内部气体的扩散，往往形成中空微珠，而当冷却速度过快时，壁薄的空心微珠会破裂，成为不规则的碎片。所以要获得含珠量高的优质漂珠，除了要有优良的煤矿以外，还要严格控制燃烧温度（在1400℃以上），并调节好冷却速度。二、漂珠的化学成份湖南某电厂漂珠的多元素分析结果见表Ⅰ由表Ⅰ可知：漂珠的主要化学成份为二氧化硅、三氧化铝。含碳量为1.07%。经光谱半定量分析结果表明：漂珠中除含有表Ⅰ所列的元素外，还含有微量锰、铝、铬、镍、铜、锘、钻、钇等元素。多元素分析结果表Ⅰ成份SiO2Al2203CaOMgONa2OK2O含量%59.5329.620.0240.550.2216.1成份TiO2Fe2O3SO3PV2O5烧失量含量%0.943.560.010.060.051.07三、漂珠的物性组成通过偏光显微镜及电子指针对漂珠试样的观察可知：漂珠主要是由空心微珠（空心玻璃硅铝球体）、微珠碎片、煤渣碎片等组成。各组分列于表2