【摘要】：對于已磁選出金屬鐵的冷態(tài)工業(yè)轉爐渣,渣中鐵氧化物中的鐵的回收一直是冶金領域的一個難題。本文的研究思路是將其轉變成鎂鐵尖晶石(MgFe_2O_4尖晶石相),然后磁選選出從而回收再利用。主要研究內容如下:MgFe_2O_4尖晶石相的可分離性研究、合成轉爐渣中MgFe_2O_4尖晶石相的形成影響因素研究以及工業(yè)轉爐渣改質、磁選和經(jīng)濟性分析。通過燒成試驗,即采用化學純試劑Fe_2O_3和MgO在1400℃空氣氣氛下煅燒2h合成MgFe_2O_4尖晶石相。結果表明,試驗合成了 MgFe_2O_4尖晶石相,其Fe與Mg原子百分比之比為2.48～2.65。此外,MgFe_2O_4尖晶石相的顆粒為不規(guī)則的多面體,平均尺寸為12.89μm。Factsage熱力學模擬結果顯示MgFe_2O_4尖晶石相主要在900℃～1400℃通過固相反應形成,在1716.76℃開始出現(xiàn)液相,說明其為高熔點物質。對MgFe_2O_4尖晶石相進行了磁化特性測試,并對其磁性來源進行了理論分析。結果表明,MgFe_2O_4尖晶石相的比磁化率為(8.03～206.84)×10-5m3/kg,屬于強磁性礦物,其磁性來源于A離子(Mg_(0.1)~(2+)Fe_(0.9)~(3+))和B離子(Mg_(0.68)~(2+)Fe_(0.22)~(2+)Fe_(1.1)~(3+))未抵消的平行反向磁矩,分子磁矩為1.88μB。相比之下,工業(yè)轉爐渣的比磁化率僅為(0.024～0.136)×10-5m3/kg,屬于弱磁性礦物,因此工業(yè)轉爐渣中的MgFe_2O_4尖晶石相具有可分離性。采用化學純試劑CaO、SiO_2、Fe_2O_3和MgO在不同的煅燒溫度,空氣氣氛下煅燒2h合成了轉爐渣,研究了煅燒溫度對渣中MgFe_2O_4尖晶石相形成過程的影響。結果表明,理想的煅燒溫度為1250℃和1300℃,渣中只含有β-C2S和MgFe_2O_4尖晶石相,為工業(yè)轉爐渣磁選MgFe_2O_4尖晶石相提供了可行性。在1200℃～1300℃,MgFe_2O_4尖晶石相生成反應的化學反應活化能Ea為54.30kJ·mol-l。提高煅燒溫度有利于MgFe_2O_4尖晶石相的形成和長大,其平均直徑與煅燒溫度呈指數(shù)增加的關系。研究了恒溫時間對合成轉爐渣中MgFe_2O_4尖晶石相形成過程的影響。結果表明,在1300℃空氣氣氛下煅燒并恒溫不同的時間,合成轉爐渣中只含有β-C2S和MgFe_2O_4尖晶石相。假設MgFe_2O_4尖晶石相由固相反應形成,則其形成動力學過程受擴散控制,滿足Glinstling方程,并且反應的速率常數(shù)為9.51202×10-4s-1。增加恒溫時間有利于MgFe_2O_4尖晶石相顆粒的長大,其平均直徑與恒溫時間t1/2呈線性增加的關系。研究了主要化學成分對合成轉爐渣中MgFe_2O_4尖晶石相形成過程的影響。結果表明:1)堿度對MgFe_2O_4尖晶石相的形成有重要的影響,試驗中合適的渣堿度為2;2)合成轉爐渣中Fe_2O_3的含量較高時有利于提高其熔化性,能夠促進MgFe_2O_4尖晶石相的形成、長大和聚集。試驗中合適的Fe_2O_3含量為33.30%和38.67%;3)合成轉爐渣中MgO的含量較低時渣的熔化性較好。試驗中合適的MgO含量為3.95%和5.80%;4)MgFe_2O_4尖晶石相的生成量隨合成轉爐渣中Fe_2O_3與MgO總量的增加而增加,并且當總量為30.31%～55.07%時,MgFe_2O_4尖晶石相的生成率在80%以上;5)不論轉爐渣中鐵含量的高低,均可通過適當?shù)馗馁|使其形成MgFe_2O_4尖晶石相,這種方法對轉爐渣具有普遍適用性。對工業(yè)轉爐渣進行了改質、磁選并分析了其經(jīng)濟性。結果表明,向工業(yè)轉爐渣中加入質量分數(shù)為6%的SiO_2來降低渣堿度,在1400℃空氣氣氛下恒溫15min,然后以1℃/min的速度緩慢冷卻到1270℃,可使改質轉爐渣形成MgFe_2O_4尖晶石相,其顆粒尺寸大于30μm。干法磁選后,磁性渣中的全鐵含量從工業(yè)轉爐渣中的21.20%增加到37.00%,提高了 15.80%,比未經(jīng)改質直接磁選渣中鐵氧化物的效果(僅提高了 1.55%～8.10%)要好,說明本試驗的研究方法有利于冷態(tài)工業(yè)轉爐渣中鐵氧化物中鐵的回收。非磁性渣可用于生產(chǎn)高附加值的建筑材料。改質1噸工業(yè)轉爐渣,需要投入159.62元,但可節(jié)省其他費用373.83元,合計節(jié)省214.21元。此外,采用該方法還可節(jié)省大量的自然資源和占地面積,減少了CO2的排放。由此可見,對工業(yè)轉爐渣進行改質磁選MgFe_2O_4尖晶石相的方法具有巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益,有利于實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
[Abstract]:The recovery of iron from iron oxide in cold industrial converter slag has always been a difficult problem in metallurgical field. The research idea of this paper is to transform it into mafic spinel (MgFe_2O_4 spinel phase) and then select it by magnetic separation for recycling. Separation study, formation of MgFe_2O_4 spinel phase in Synthetic Converter slag, modification of industrial converter slag, magnetic separation and economic analysis were carried out. MgFe_2O_4 spinel phase was synthesized by calcining chemical pure reagent Fe_2O_3 and MgO in air atmosphere at 1400 C for 2 hours. The ratio of Fe to Mg atoms is 2.48 to 2.65. In addition, the particles of MgFe_2O_4 spinel phase are irregular polyhedron with an average size of 12.89 micron. Factsage thermodynamic simulation results show that MgFe_2O_4 spinel phase is mainly formed by solid-state reaction at 900 ~1400 ~1716.76 ~C, indicating that MgFe_2O_4 spinel phase is a high melting point material. Magnetization characteristics of MgFe_2O_4 spinel phase were tested and its magnetic source was theoretically analyzed. The results show that the specific susceptibility of MgFe_2O_4 spinel phase is (8.03~206.84)*10-5m3/kg, which belongs to strong magnetic mineral. The magnetic properties of MgFe_2O_4 spinel phase come from A ion (Mg_ (0.1)~ (2+) Fe_ (0.9)~ (3+) and B ion (Mg_ (0.68)~ (2+) Fe_ (0.22)~ (2+) Fe_ (1.1+) Fe_ (1). In contrast, the specific magnetic susceptibility of industrial converter slag is only (0.024-0.136)*10-5m3/kg, so the MgFe_2O_4 spinel phase in industrial converter slag is separable. Chemical pure reagents CaO, SiO_2, Fe_2O_3 and MgO are used at different calcination temperatures in air. The converter slag was synthesized by calcination in atmosphere for 2 h. The effect of calcination temperature on the formation of MgFe_2O_4 spinel phase in the slag was studied. The results show that the ideal calcination temperature is 1250 C and 1300 C, and the slag contains only beta-C2S and MgFe_2O_4 spinel phase. It is feasible for magnetic separation of MgFe_2O_4 spinel phase from industrial converter slag. The activation energy Ea of spinel formation reaction is 54.30 kJ The spinel phase of MgFe_2O_4 is assumed to be formed by solid state reaction. The formation kinetics of spinel phase is controlled by diffusion, and the reaction rate constant is 9.51202 6550 The average diameter of Fe_2O_4 spinel phase increases linearly with the constant temperature time t_1/2. The effect of main chemical composition on the formation of MgFe_2O_4 spinel phase in converter slag was studied. The results show that: (1) basicity has an important effect on the formation of MgFe_2O_4 spinel phase, and the suitable basicity of slag is 2; When the content of Fe_2O_3 in converter slag is high, the meltability of the slag can be improved, and the formation, growth and aggregation of MgFe_2O_4 spinel phase can be promoted. The amount of spinel formation increases with the increase of the total amount of Fe_2O_3 and MgO in the converter slag, and when the total amount of Fe_2O_3 and MgO is 30.31%-55.07%, the formation rate of MgFe_2O_4 spinel phase is above 80%. 5) Regardless of the iron content in the converter slag, the spinel phase of MgFe_2O_4 can be formed by proper modification, which is generally suitable for the converter slag. The results show that adding 6% SiO_2 into the converter slag can reduce the basicity of the slag. The slag is cooled at 1400 C for 15 min and then slowly cooling to 1270 C at 1 C/min. The MgFe_2O_4 spinel phase is formed in the converter slag. After dry magnetic separation, the total iron content in magnetic slag increased from 21.20% to 37.00% and 15.80% respectively, which was better than that of iron oxide in direct magnetic separation slag without modification (only 1.55% ~ 8.10%). It shows that the research method of this experiment is beneficial to iron oxide in cold industrial converter slag. Recovery. Non-magnetic slag can be used to produce high value-added building materials. Modification of one ton of industrial converter slag requires investment of 159.62 yuan, but other costs can be saved by 373.83 yuan, a total of 214.21 yuan. In addition, this method can save a lot of natural resources and land area, and reduce CO2 emissions. Modified magnetic separation of MgFe_2O_4 spinel phase has great economic and environmental benefits and is conducive to the sustainable development of iron and steel industry.
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD951;TD924

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本文編號：2194199