【摘要】：富鐵鎳渣中TFe含量高達(dá)40%,且主要以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鐵橄欖石(Fe_2SiO_4)存在,因此有效提取Fe資源是實(shí)現(xiàn)鎳渣綜合利用的關(guān)鍵所在。本文針對鐵橄欖石相中Fe組元和Si組元難以分離的問題開展研究,深入分析了熔融富鐵鎳渣中Fe組元氧化的物理化學(xué)機(jī)制及其遷移行為,通過Fe組元的結(jié)構(gòu)重構(gòu)和富集磁選實(shí)現(xiàn)對Fe組元的回收,突破了鎳渣綜合利用的瓶頸問題。(1)熱力學(xué)計(jì)算表明:富鐵FeO-SiO_2-MgO-CaO四元體系中Fe_2SiO_4在穩(wěn)定存在的溫度可高達(dá)1873K,但它可以直接與O_2反應(yīng)生成Fe_3O_4,通過引入CaO可極大提升其氧化的反應(yīng)趨勢;Fe_3O_4進(jìn)一步氧化生成Fe_2O_3的趨勢會隨著溫度的升高而減弱,在溫度高于1623K后該反應(yīng)不能發(fā)生,因此在此溫度以上Fe_3O_4是最穩(wěn)定的鐵氧化物。FeO-SiO_2-MgO-CaO四元系相圖顯示當(dāng)w(CaO)在0-30%范圍增大時(shí),含鐵相主要以Fe_3O_4和MgFe_2O_4組成的尖晶石相存在,其相區(qū)先增大后減小,硅酸鹽相的組成也發(fā)生明顯變化,且低溫區(qū)會偏向w(SiO_2)增大、w(MgO)降低的區(qū)域。這說明CaO的加入可以起到破壞Fe_2SiO_4穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用,使其中的Fe組元轉(zhuǎn)變?yōu)镕e_3O_4,有利于解決Fe_2SiO_4中Fe-Si的分離問題。(2)熔化特性研究表明:FeO/SiO_2、MgO/SiO_2和w(CaO)對FeO-SiO_2-MgO-CaO系合成渣的軟化溫度(T_s)、半球溫度(T_h)和流淌溫度(T_f)有不同程度的影響。當(dāng)FeO/SiO_2和MgO/SiO_2不變時(shí),T_s、T_h和T_f都隨w(CaO)的增大呈先顯著降低后小幅升高的趨勢。當(dāng)體系中不含CaO時(shí),T_s隨FeO/SiO_2的增大而顯著降低,但是幾乎不受MgO/SiO_2影響,而T_h和T_f隨FeO/SiO_2的增大先升高后降低、隨MgO/SiO_2的增大而降低;當(dāng)w(CaO)為6%時(shí),T_s隨FeO/SiO_2的增大而先升高后降低,但是同樣不受MgO/SiO_2影響,而T_h和T_f隨FeO/SiO_2的增大顯著升高、隨MgO/SiO_2的增大而顯著降低;當(dāng)w(CaO)為12%或者更高時(shí),FeO/SiO_2和MgO/SiO_2的變化對熔化特征溫度的影響較小。通過對改性富鐵鎳渣熔化特性的研究,確定其熔融溫度應(yīng)不低于1646K。這些研究不僅明晰了硅酸鹽組成對鎳渣熔化特性的影響規(guī)律,也補(bǔ)充了FeO-SiO_2-MgO-CaO體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù),為鎳渣熔融氧化過程的溫度選擇提供了依據(jù)。(3)物相演化研究表明:渣中Fe_2SiO_4氧化過程中Fe組元由Fe_2SiO_4遷移至Fe_3O_4中,同時(shí)有少量Mg~(2+)固溶進(jìn)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,因而成為氧化鎳渣中主要的含鐵相;除少量SiO_4~(4-)以Mg_2SiO_4和CaMgSiO_4形式存在外,大部分SiO_4~(4-)則通過聚合反應(yīng)和包晶反應(yīng)生成氧化鎳渣中主要的硅酸鹽相Ca(Mg,Fe)Si_2O_6。這與FactSage 7.1的計(jì)算結(jié)果相一致。通過研究將富鐵鎳渣中Fe_2SiO_4的氧化條件確定為:空氣流速300mL/min、堿度0.90、氧化溫度1658K、氧化時(shí)間80min,可使氧化渣中w(Fe~(2+))降至7%左右。通過富鐵鎳渣熔融氧化的物相演化研究,明確了其中Fe組元的遷移行為和硅酸鹽相的物相演化過程,解決了富鐵鎳渣中的Fe-Si分離問題。(4)氧化動(dòng)力學(xué)研究表明:富鐵鎳渣中Fe_2SiO_4的等溫氧化為一級反應(yīng),其表觀活化能為315.16kJ/mol。通過熱重法確定了富鐵鎳渣中Fe_2SiO_4熔融氧化的速率變化規(guī)律,并基于氣液反應(yīng)的雙膜理論,探索了Fe_2SiO_4熔融氧化的機(jī)理。Fe_2SiO_4熔融氧化過程可分為外擴(kuò)散期、化學(xué)反應(yīng)期、化學(xué)反應(yīng)與內(nèi)擴(kuò)散混合控速期、內(nèi)擴(kuò)散期,隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)行,對應(yīng)的控速環(huán)節(jié)由開始的O_2向熔體的擴(kuò)散控速逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸磻?yīng)控速,進(jìn)而變?yōu)檠趸磻?yīng)與Fe~(2+)的內(nèi)擴(kuò)散共同控速,最后變?yōu)镕e~(2+)的內(nèi)擴(kuò)散控速。(5)顯微結(jié)構(gòu)和磁選工藝研究表明:氧化鎳渣的顯微結(jié)構(gòu)主要受氧化時(shí)間和氧化溫度的影響,較長的氧化時(shí)間有利于Fe_3O_4長大為飽滿的粒狀顆粒,而較高的氧化溫度會使Fe_3O_4生長為散碎的骸骨狀顆粒。粒狀磁鐵礦相嵌布在由普通輝石和橄欖石組成的硅酸鹽基體中,經(jīng)過三次破碎-磁選后,實(shí)現(xiàn)了Fe組元的有效回收,得到全鐵品位54.08%、鐵回收率75.99%、產(chǎn)率50.67%的磁鐵礦。
【圖文】：

圖 1.1 還原-磁選法回收鎳渣中鐵組元的工藝流程圖e 1.1 Flowchart of iron recycling from nickel slag by reduction-magnetic sepmethod為我國最大的鎳生產(chǎn)商，，金川公司早在 1987 年就開始與國內(nèi)高校攻關(guān)鎳銅渣綜合利用的關(guān)鍵技術(shù)，其主要成果之一就是通過熔融還中的鐵資源，但是由于經(jīng)濟(jì)性等原因，成果并未實(shí)現(xiàn)工程化[13]。白的還原動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明渣中 FeO 還原過程的表觀活化能為 12

1.2.2.2 浸出法Li Yunjiao等用如圖1.2所示的加壓氧化浸出法回收鎳冶煉渣中的有價(jià)金屬后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)酸用量為20%、固體含量為25%時(shí)，在200kPa至300kPa的氧壓下于523K反應(yīng)2h后，鎳、鈷收得率為99%以上，銅收得率大于97%，鋅收得率大于91%，鐵收得率不足2.2%[30]。Baghalha等用氧化酸浸法回收鐵橄欖石渣中的有價(jià)金屬鎳、鈷、銅和鋅，研究結(jié)果表明常壓較好，否則渣中會有大約20%的金屬殘留；較高溫度下浸出液中的Fe和Al含量也較低；當(dāng)渣中二價(jià)金屬含量較高時(shí)，硫酸用量就
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD982

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本文編號：2613066