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冶金渣資源化科學技術(選擇性析出分離原理及應用) 版權信息
- ISBN：9787030675149
- 條形碼：9787030675149 ; 978-7-03-067514-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
冶金渣資源化科學技術(選擇性析出分離原理及應用) 本書特色
本書對冶金及材料領域的科技人員有參考價值，也可作為冶金工程專業的教學參考書。
冶金渣資源化科學技術(選擇性析出分離原理及應用) 內容簡介
本書基于冶金物理化學及冶金凝固理論，系統地閘述了選擇性析出分離的學術思想及其在復合礦冶金渣資源化過程中的應用。全書共分9章，即緒論、選擇性析出分離技術的理論基礎、含鈦高爐渣中鈦的資源化增值、含鈦渣增值利用技術、釩渣深加工利用技術、硼渣利用技術、銅渣中銅/鐵同步回收利用、鉻渣解毒新技術以及冶金渣理論基礎，內容側重于介紹選擇性析出分離技術及其在含鈦高爐渣、鈦渣、釩渣、硼渣、銅渣及鉻渣等復合礦治金渣資源化過程中的應用，同時收集并整理了關于冶金渣的相關理論和數據。 本書對冶金及材料領域的科技人員有參考價值，也可作為冶金工程專業的教學參考書。
冶金渣資源化科學技術(選擇性析出分離原理及應用) 目錄
目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 復合礦冶金渣 1
1.1.1 復合礦及復合礦冶金渣的特征 1
1.1.2 現行選冶工藝處理多元復合礦冶金渣 2
1.2 選擇性析出分離技術處理復合礦冶金渣 4
1.2.1 渣的功能轉換 5
1.2.2 適合我國國情的綠色清潔分離技術 6
1.3 淺析選擇性析出分離技術的應用 7
1.3.1 高鈦型高爐渣處理現狀 8
1.3.2 分離渣中鈦的產業化前景 11
1.3.3 分析兩種渣中鈦分離技術 15
1.3.4 應用選擇性析出分離技術的半工業規模擴大試驗效果 19
參考文獻 20
第2章 選擇性析出分離技術的理論基礎 23
2.1 選擇性富集 23
2.1.1 富集相的選擇與富集度的定義 23
2.1.2 選擇富集相的依據 24
2.1.3 富集相的生成反應 26
2.1.4 富集相生成反應方向與限度的調控 26
2.2 選擇性長大 27
2.2.1 熔體凝固過程中物相的結晶 27
2.2.2 凝固過程新相結晶的基礎理論 29
2.2.3 凝固過程中物相的粗化 33
2.2.4 等溫過程非平衡狀態新相結晶動力學 34
2.2.5 非等溫過程非平衡沉淀相結晶動力學 41
2.3 選擇性分離 43
2.3.1 礦物分離技術的功能 43
2.3.2 選礦方法的應用 44
參考文獻 46
第3章 含鈦高爐渣中鈦的資源化增值 47
3.1 概述 47
3.2 含鈦高爐渣的性質 50
3.2.1 含鈦高爐渣中的物相 50
3.2.2 渣中鈣鈦礦和輝石相的晶體取向關系與界面 53
3.2.3 含鈦高爐渣性質研究簡述 57
3.2.4 含鈦熔渣的電導率 58
3.3 含鈦高爐渣中鈦的選擇性富集 60
3.3.1 渣中鈦的選擇性富集 60
3.3.2 促進渣中鈦富集的調控因素 71
3.4 含鈦高爐渣中鈣鈦礦相的選擇性長大 82
3.4.1 熔渣中鈣鈦礦相的結晶 82
3.4.2 熔渣中鈣鈦礦相析出長大的動力學 86
3.4.3 熔渣中氧化反應對鈣鈦礦析出長大的影響 94
3.4.4 晶種對氧化渣中鈣鈦礦相析出的影響 101
3.4.5 半工業規模動態氧化試驗及渣中金屬鐵的沉降 104
3.4.6 氧化熔渣中鈣鈦礦相析出的動力學 108
3.5 熔渣凝固過程的模擬 116
3.5.1 熔渣凝固過程鈣鈦礦相的分形特征 116
3.5.2 熔渣凝固過程鈣鈦礦相析晶行為的模擬 121
3.5.3 數值模擬熔渣凝固過程的傳熱行為 132
3.6 改性渣中鈣鈦礦相選擇性分離 138
3.6.1 改性渣的工藝礦物 138
3.6.2 改性渣的重選分離 145
3.6.3 改性渣的浮選分離 147
3.7 富鈦料的制備 165
3.7.1 富鈦精礦制備金紅石型富鈦料 165
3.7.2 富鈦精礦硫酸酸解制備富鈦料 167
3.7.3 含鈦高爐渣硫酸酸解制備富鈦料 172
3.8 含鈦高爐渣的利用 176
3.8.1 制備微晶玻璃 176
3.8.2 制備水泥 176
3.8.3 制備免燒免蒸磚 176
3.9 含鈦高爐渣的資源化增值技術 177
3.9.1 選擇性析出分離技術路線 177
3.9.2 工程上實施的程序 178
參考文獻 179
第4章 含鈦渣增值利用技術 184
4.1 含鈦渣 184
4.1.1 高鈦渣及含鈦熔分渣 184
4.1.2 高鈦渣的工藝礦物 184
4.2 高鈦渣制取金紅石型富鈦料 185
4.2.1 鈉化焙燒工藝 185
4.2.2 選擇性氧化-還原浸出方法 191
4.3 熔分渣制取金紅石型富鈦料 205
4.3.1 渣中金紅石相選擇性富集、析出與分離 205
4.3.2 磷酸銨焙燒法 214
4.4 含鈦渣制備氯化法鈦白原料的新工藝 218
4.4.1 熔分渣金紅石化 218
4.4.2 高鈦渣金紅石化 221
4.4.3 重選法分離渣中金紅石相 225
4.4.4 濕法分離渣中金紅石相 227
4.4.5 推薦工藝流程 229
4.5 低鈣鎂鈦精礦制取富鈦料 229
4.5.1 低鈣鎂鈦精礦與高鈦渣 229
4.5.2 高鈦渣的氧化-還原焙燒 231
4.5.3 氧化-還原焙燒鈦渣的酸-堿浸出 233
4.6 高鈦渣與熔分渣混合的除雜工藝 234
4.6.1 熔分渣與鈦渣混合 235
4.6.2 熔分渣與高鈦渣混合 237
參考文獻 238
第5章 釩渣深加工利用技術 240
5.1 釩渣 240
5.1.1 釩資源概況 240
5.1.2 國內外釩生產狀況 240
5.2 含釩轉爐渣中釩的選擇性富集 240
5.2.1 含釩轉爐渣的物理化學性質 241
5.2.2 含釩轉爐渣中釩富集相的設定原則 242
5.2.3 含釩合成渣中加Al2O3改性及釩的選擇性富集 244
5.2.4 Al2O3的改性作用 246
5.2.5 含釩合成渣中磷對CPVS相生成的影響 249
5.2.6 新西蘭現場鋼渣中釩的選擇性富集 250
5.3 改性含釩渣中釩富集相的選擇性長大 251
5.3.1 析晶溫度對改性渣中釩富集相析出的影響 251
5.3.2 保溫時間對改性渣中釩富集相析出的影響 253
5.3.3 新西蘭現場渣改性后渣中釩富集相的選擇性長大 254
5.3.4 含釩合成渣改性后渣中釩富集相的選擇性長大 255
5.4 釩渣鈣化焙燒反應機理與條件 257
5.4.1 釩渣化學成分及物相 257
5.4.2 影響釩渣焙燒熟料物相的因素 257
5.4.3 釩渣鈣化焙燒機理 259
5.5 含釩鐵水選擇性氧化制取優質釩渣的新技術 261
5.5.1 釩渣的物化性質 261
5.5.2 含釩鐵水選擇性脫硅保釩的理論基礎 263
5.5.3 含釩鐵水噴吹CO2(g)脫硅保釩的實踐效果 270
5.5.4 CO2(g)淺氧化含釩鉻鐵水脫硅保釩鉻 273
5.5.5 含釩鐵水脫硅過程硅的走向 275
5.5.6 二步法提釩新工藝—“先弱后強、分段氧化” 277
5.6 釩氮微合金 277
5.6.1 常壓碳化-氮化反應合成碳氮化釩 278
5.6.2 合成碳氮化釩的工藝條件 282
5.7 從HDS失活催化劑中提釩 284
5.7.1 影響失活催化劑焙燒、浸取的因素 284
5.7.2 釩的分離與提純 286
參考文獻 287
第6章 硼渣利用技術 291
6.1 硼資源及利用 291
6.1.1 硼礦 292
6.1.2 硼鎂礦的加工 294
6.1.3 硼鎂鐵礦的加工 294
6.2 硼渣結構與性質 296
6.2.1 硼渣典型成分及制品 296
6.2.2 含硼熔體結構 296
6.2.3 硼硅酸鹽熔體的結構特點 300
6.2.4 硼硅酸鹽熔體熱力學性質 302
6.3 高爐內冶煉過程硼的選擇性富集行為 310
6.3.1 渣中硼的選擇性富集 311
6.3.2 高爐內各區塊與硅、硼遷移的相關反應 314
6.3.3 硅與硼的遷移途徑 316
6.3.4 提高硼渣中硼品位的工藝條件 330
6.4 高爐外熔渣冷卻過程含硼物相的選擇性長大 332
6.4.1 含硼熔渣中物相特征 332
6.4.2 含硼熔渣的分相 333
6.4.3 含硼熔渣的析晶 336
6.4.4 影響硼渣中遂安石相析出的因素 340
6.4.5 硼渣中的揮發 351
6.4.6 渣中富硼相—遂安石選擇性分離的實驗研究 352
參考文獻 353
第7章 銅渣中銅、鐵同步回收利用 361
7.1 銅渣 361
7.1.1 銅冶煉工藝及銅渣 361
7.1.2 典型銅渣的工藝礦物 362
7.1.3 分離銅渣中有價組分的相關技術 363
7.2 銅渣中有價組分的選擇性富集 365
7.2.1 銅渣中有價組分選擇性富集的熱力學分析 366
7.2.2 高銅渣中銅、鐵組分與氧位、硫勢的關系 374
7.2.3 低銅渣中鐵組分與氧位、硫勢的關系 375
7.2.4 低銅渣氧化性及堿度與鐵組分富集的關系 376
7.3 氧化性銅渣中磁鐵礦相析出與長大的動力學 379
7.3.1 等溫過程中磁鐵礦相的析出與長大 380
7.3.2 冷卻過程中磁鐵礦相的析出與長大 382
7.4 氧化性高銅渣中銅的析出行為 385
7.4.1 氧化時間對磁鐵礦相中銅的作用 385
7.4.2 氧化溫度對磁鐵礦相中銅的作用 387
7.4.3 氧化的銅渣中銅、鐵富集相的析出與長大 388
7.5 銅渣中銅、鐵富集相的選擇性分離 390
7.5.1 氧化改性銅渣的工藝礦物 390
7.5.2 改性渣的選礦分離 394
7.6 銅渣除鋅 399
7.6.1 銅渣中鋅的存在形態 399
7.6.2 溫度對除鋅效果的影響 400
參考文獻 400
第8章 鉻渣解毒新技術 404
8.1 鉻渣 404
8.2 鉻渣的物相及其毒性 405
8.2.1 鉻渣的物相及危害 405
8.2.2 國內外處置鉻渣的概況 406
8.3 高溫解毒鉻渣的物理化學條件 411
8.3.1 解毒鉻渣的可能性 411
8.3.2 解毒終渣的安全性 412
8.3.3 解毒還原反應的動力學條件 413
8.3.4 鉻渣解毒過程的物相變化 415
8.4 工業規模試驗鉻渣的高溫解毒及其穩定性 417
8.5 利用解毒鉻渣制造高摻量空心砌塊 420
8.5.1 鉻渣解毒后終渣制備空心砌塊 420
8.5.2 空心砌塊的Cr6+表面浸出率及毒性分析 422
8.5.3 日曬與酸雨環境對砌塊中Cr6+穩定性的影響 423
8.5.4 砌塊理化性能指標 424
參考文獻 425
第9章 冶金渣理論基礎 428
9.1 熔渣結構與性質 428
9.1.1 氧化物晶體結構 429
9.1.2 硅酸鹽晶體結構 431
9.1.3 硅酸鹽熔體結構 433
9.1.4 冶金熔渣結構 469
9.1.5 冶金熔渣熱力學 471
9.1.6 冶金熔渣動力學 492
9.1.7 相似相溶原理及其應用 496
9.2 熔渣中離子間反應 497
9.2.1 正離子間相互反應 497
9.2.2 負離子間相互反應 498
9.2.3 聚合-解聚反應 499
9.2.4 熔解反應 499
9.2.5 氧化-還原反應與耦合反應 499
9.3 熔渣物理性質 504
9.3.1 密度 504
9.3.2 黏度、電導和擴散 507
9.3.3 熱傳導與熱擴散 519
9.3.4 表面張力 523
9.4 熔渣化學性質 527
9.4.1 熔渣的堿度 527
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 復合礦冶金渣 1
1.1.1 復合礦及復合礦冶金渣的特征 1
1.1.2 現行選冶工藝處理多元復合礦冶金渣 2
1.2 選擇性析出分離技術處理復合礦冶金渣 4
1.2.1 渣的功能轉換 5
1.2.2 適合我國國情的綠色清潔分離技術 6
1.3 淺析選擇性析出分離技術的應用 7
1.3.1 高鈦型高爐渣處理現狀 8
1.3.2 分離渣中鈦的產業化前景 11
1.3.3 分析兩種渣中鈦分離技術 15
1.3.4 應用選擇性析出分離技術的半工業規模擴大試驗效果 19
參考文獻 20
第2章 選擇性析出分離技術的理論基礎 23
2.1 選擇性富集 23
2.1.1 富集相的選擇與富集度的定義 23
2.1.2 選擇富集相的依據 24
2.1.3 富集相的生成反應 26
2.1.4 富集相生成反應方向與限度的調控 26
2.2 選擇性長大 27
2.2.1 熔體凝固過程中物相的結晶 27
2.2.2 凝固過程新相結晶的基礎理論 29
2.2.3 凝固過程中物相的粗化 33
2.2.4 等溫過程非平衡狀態新相結晶動力學 34
2.2.5 非等溫過程非平衡沉淀相結晶動力學 41
2.3 選擇性分離 43
2.3.1 礦物分離技術的功能 43
2.3.2 選礦方法的應用 44
參考文獻 46
第3章 含鈦高爐渣中鈦的資源化增值 47
3.1 概述 47
3.2 含鈦高爐渣的性質 50
3.2.1 含鈦高爐渣中的物相 50
3.2.2 渣中鈣鈦礦和輝石相的晶體取向關系與界面 53
3.2.3 含鈦高爐渣性質研究簡述 57
3.2.4 含鈦熔渣的電導率 58
3.3 含鈦高爐渣中鈦的選擇性富集 60
3.3.1 渣中鈦的選擇性富集 60
3.3.2 促進渣中鈦富集的調控因素 71
3.4 含鈦高爐渣中鈣鈦礦相的選擇性長大 82
3.4.1 熔渣中鈣鈦礦相的結晶 82
3.4.2 熔渣中鈣鈦礦相析出長大的動力學 86
3.4.3 熔渣中氧化反應對鈣鈦礦析出長大的影響 94
3.4.4 晶種對氧化渣中鈣鈦礦相析出的影響 101
3.4.5 半工業規模動態氧化試驗及渣中金屬鐵的沉降 104
3.4.6 氧化熔渣中鈣鈦礦相析出的動力學 108
3.5 熔渣凝固過程的模擬 116
3.5.1 熔渣凝固過程鈣鈦礦相的分形特征 116
3.5.2 熔渣凝固過程鈣鈦礦相析晶行為的模擬 121
3.5.3 數值模擬熔渣凝固過程的傳熱行為 132
3.6 改性渣中鈣鈦礦相選擇性分離 138
3.6.1 改性渣的工藝礦物 138
3.6.2 改性渣的重選分離 145
3.6.3 改性渣的浮選分離 147
3.7 富鈦料的制備 165
3.7.1 富鈦精礦制備金紅石型富鈦料 165
3.7.2 富鈦精礦硫酸酸解制備富鈦料 167
3.7.3 含鈦高爐渣硫酸酸解制備富鈦料 172
3.8 含鈦高爐渣的利用 176
3.8.1 制備微晶玻璃 176
3.8.2 制備水泥 176
3.8.3 制備免燒免蒸磚 176
3.9 含鈦高爐渣的資源化增值技術 177
3.9.1 選擇性析出分離技術路線 177
3.9.2 工程上實施的程序 178
參考文獻 179
第4章 含鈦渣增值利用技術 184
4.1 含鈦渣 184
4.1.1 高鈦渣及含鈦熔分渣 184
4.1.2 高鈦渣的工藝礦物 184
4.2 高鈦渣制取金紅石型富鈦料 185
4.2.1 鈉化焙燒工藝 185
4.2.2 選擇性氧化-還原浸出方法 191
4.3 熔分渣制取金紅石型富鈦料 205
4.3.1 渣中金紅石相選擇性富集、析出與分離 205
4.3.2 磷酸銨焙燒法 214
4.4 含鈦渣制備氯化法鈦白原料的新工藝 218
4.4.1 熔分渣金紅石化 218
4.4.2 高鈦渣金紅石化 221
4.4.3 重選法分離渣中金紅石相 225
4.4.4 濕法分離渣中金紅石相 227
4.4.5 推薦工藝流程 229
4.5 低鈣鎂鈦精礦制取富鈦料 229
4.5.1 低鈣鎂鈦精礦與高鈦渣 229
4.5.2 高鈦渣的氧化-還原焙燒 231
4.5.3 氧化-還原焙燒鈦渣的酸-堿浸出 233
4.6 高鈦渣與熔分渣混合的除雜工藝 234
4.6.1 熔分渣與鈦渣混合 235
4.6.2 熔分渣與高鈦渣混合 237
參考文獻 238
第5章 釩渣深加工利用技術 240
5.1 釩渣 240
5.1.1 釩資源概況 240
5.1.2 國內外釩生產狀況 240
5.2 含釩轉爐渣中釩的選擇性富集 240
5.2.1 含釩轉爐渣的物理化學性質 241
5.2.2 含釩轉爐渣中釩富集相的設定原則 242
5.2.3 含釩合成渣中加Al2O3改性及釩的選擇性富集 244
5.2.4 Al2O3的改性作用 246
5.2.5 含釩合成渣中磷對CPVS相生成的影響 249
5.2.6 新西蘭現場鋼渣中釩的選擇性富集 250
5.3 改性含釩渣中釩富集相的選擇性長大 251
5.3.1 析晶溫度對改性渣中釩富集相析出的影響 251
5.3.2 保溫時間對改性渣中釩富集相析出的影響 253
5.3.3 新西蘭現場渣改性后渣中釩富集相的選擇性長大 254
5.3.4 含釩合成渣改性后渣中釩富集相的選擇性長大 255
5.4 釩渣鈣化焙燒反應機理與條件 257
5.4.1 釩渣化學成分及物相 257
5.4.2 影響釩渣焙燒熟料物相的因素 257
5.4.3 釩渣鈣化焙燒機理 259
5.5 含釩鐵水選擇性氧化制取優質釩渣的新技術 261
5.5.1 釩渣的物化性質 261
5.5.2 含釩鐵水選擇性脫硅保釩的理論基礎 263
5.5.3 含釩鐵水噴吹CO2(g)脫硅保釩的實踐效果 270
5.5.4 CO2(g)淺氧化含釩鉻鐵水脫硅保釩鉻 273
5.5.5 含釩鐵水脫硅過程硅的走向 275
5.5.6 二步法提釩新工藝—“先弱后強、分段氧化” 277
5.6 釩氮微合金 277
5.6.1 常壓碳化-氮化反應合成碳氮化釩 278
5.6.2 合成碳氮化釩的工藝條件 282
5.7 從HDS失活催化劑中提釩 284
5.7.1 影響失活催化劑焙燒、浸取的因素 284
5.7.2 釩的分離與提純 286
參考文獻 287
第6章 硼渣利用技術 291
6.1 硼資源及利用 291
6.1.1 硼礦 292
6.1.2 硼鎂礦的加工 294
6.1.3 硼鎂鐵礦的加工 294
6.2 硼渣結構與性質 296
6.2.1 硼渣典型成分及制品 296
6.2.2 含硼熔體結構 296
6.2.3 硼硅酸鹽熔體的結構特點 300
6.2.4 硼硅酸鹽熔體熱力學性質 302
6.3 高爐內冶煉過程硼的選擇性富集行為 310
6.3.1 渣中硼的選擇性富集 311
6.3.2 高爐內各區塊與硅、硼遷移的相關反應 314
6.3.3 硅與硼的遷移途徑 316
6.3.4 提高硼渣中硼品位的工藝條件 330
6.4 高爐外熔渣冷卻過程含硼物相的選擇性長大 332
6.4.1 含硼熔渣中物相特征 332
6.4.2 含硼熔渣的分相 333
6.4.3 含硼熔渣的析晶 336
6.4.4 影響硼渣中遂安石相析出的因素 340
6.4.5 硼渣中的揮發 351
6.4.6 渣中富硼相—遂安石選擇性分離的實驗研究 352
參考文獻 353
第7章 銅渣中銅、鐵同步回收利用 361
7.1 銅渣 361
7.1.1 銅冶煉工藝及銅渣 361
7.1.2 典型銅渣的工藝礦物 362
7.1.3 分離銅渣中有價組分的相關技術 363
7.2 銅渣中有價組分的選擇性富集 365
7.2.1 銅渣中有價組分選擇性富集的熱力學分析 366
7.2.2 高銅渣中銅、鐵組分與氧位、硫勢的關系 374
7.2.3 低銅渣中鐵組分與氧位、硫勢的關系 375
7.2.4 低銅渣氧化性及堿度與鐵組分富集的關系 376
7.3 氧化性銅渣中磁鐵礦相析出與長大的動力學 379
7.3.1 等溫過程中磁鐵礦相的析出與長大 380
7.3.2 冷卻過程中磁鐵礦相的析出與長大 382
7.4 氧化性高銅渣中銅的析出行為 385
7.4.1 氧化時間對磁鐵礦相中銅的作用 385
7.4.2 氧化溫度對磁鐵礦相中銅的作用 387
7.4.3 氧化的銅渣中銅、鐵富集相的析出與長大 388
7.5 銅渣中銅、鐵富集相的選擇性分離 390
7.5.1 氧化改性銅渣的工藝礦物 390
7.5.2 改性渣的選礦分離 394
7.6 銅渣除鋅 399
7.6.1 銅渣中鋅的存在形態 399
7.6.2 溫度對除鋅效果的影響 400
參考文獻 400
第8章 鉻渣解毒新技術 404
8.1 鉻渣 404
8.2 鉻渣的物相及其毒性 405
8.2.1 鉻渣的物相及危害 405
8.2.2 國內外處置鉻渣的概況 406
8.3 高溫解毒鉻渣的物理化學條件 411
8.3.1 解毒鉻渣的可能性 411
8.3.2 解毒終渣的安全性 412
8.3.3 解毒還原反應的動力學條件 413
8.3.4 鉻渣解毒過程的物相變化 415
8.4 工業規模試驗鉻渣的高溫解毒及其穩定性 417
8.5 利用解毒鉻渣制造高摻量空心砌塊 420
8.5.1 鉻渣解毒后終渣制備空心砌塊 420
8.5.2 空心砌塊的Cr6+表面浸出率及毒性分析 422
8.5.3 日曬與酸雨環境對砌塊中Cr6+穩定性的影響 423
8.5.4 砌塊理化性能指標 424
參考文獻 425
第9章 冶金渣理論基礎 428
9.1 熔渣結構與性質 428
9.1.1 氧化物晶體結構 429
9.1.2 硅酸鹽晶體結構 431
9.1.3 硅酸鹽熔體結構 433
9.1.4 冶金熔渣結構 469
9.1.5 冶金熔渣熱力學 471
9.1.6 冶金熔渣動力學 492
9.1.7 相似相溶原理及其應用 496
9.2 熔渣中離子間反應 497
9.2.1 正離子間相互反應 497
9.2.2 負離子間相互反應 498
9.2.3 聚合-解聚反應 499
9.2.4 熔解反應 499
9.2.5 氧化-還原反應與耦合反應 499
9.3 熔渣物理性質 504
9.3.1 密度 504
9.3.2 黏度、電導和擴散 507
9.3.3 熱傳導與熱擴散 519
9.3.4 表面張力 523
9.4 熔渣化學性質 527
9.4.1 熔渣的堿度 527
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冶金渣資源化科學技術(選擇性析出分離原理及應用) 節選
第1章 緒論 中國金屬礦產資源品種齊全、儲量豐富、分布廣泛，但貧礦多、富礦少，多元共、伴生有價組分的復合礦居多，單一礦偏少，礦物呈現貧、散、雜、細、難選的特點。許多戰略性關鍵礦產資源(如稀土、釩、鈦、鉻、鎳、鈷)多賦存于復合礦中，獨立礦床少。采用現行選冶工藝處理多元復合礦時，主體金屬的提取與共、伴生有價組分的回收未能兼顧。礦中共、伴生有價組分多為過渡元素或稀土元素，與氧(或硫)親和力強，生成的氧(或硫)化物化學穩定性高，在火法還原熔煉過程中不易被還原進入金屬相，大部分隨同脈石成分進入渣相，成為富含共、伴生有價組分的復合礦冶金渣，被視作不可利用的固廢而丟棄，不僅浪費寶貴資源，而且嚴重污染環境、占用土地。事實上，冶金二次資源綜合利用受到國內外學術界高度重視。1994年TMS在美國加利福尼亞州召開的第二屆“21世紀冶金”國際研討會上，將循環再生、廢物處理及環境問題列為“21世紀冶金”的重要研究領域，大會主旨演講之一就是“人造資源冶金”。隋智通教授參加了此屆會議，頗受啟發，于是在國內該領域開展了廣泛的研究與技術開發，并取得諸多成果[1-4]。 我國礦物資源的特點是：貧礦多、富礦少，多元共、伴生有價組分的復合礦居多、單一礦偏少。眾所周知，冶煉低品位復合礦的工藝流程冗長，技術難度大，技術指標偏低，廢棄物排放量大，致使環境污染嚴重。例如，高爐冶煉釩鈦磁鐵礦生產1t鐵水排放的高爐渣可達400～600kg，其中TiO2質量分數為0.16%～22%，而冶煉普通鐵礦的渣量多在300kg左右。普通高爐渣的資源化已超過95%，而TiO2質量分數約20%的含鈦高爐渣至今尚未有效回收利用，每年隨渣丟棄的TiO2超過100萬t。有色金屬復合礦冶煉過程排放的渣量更大，如火法銅冶煉工藝用的精礦品位偏低，生產1t銅水時排放含銅、鐵的爐渣2～3t[4]。因此，當務之急是加大對復合礦冶金渣二次資源綜合利用的研究力度，立足我國復合礦資源，盡早開發出具有獨立知識產權、適合國情的綠色清潔技術。隋智通針對我國復合礦冶金渣中的有價組分研發出選擇性析出分離技術，應用它可回收利用復合礦冶金渣中的有價組分，如含鈦高爐渣中的鈦，熔分渣中的鈦，銅冶煉渣中的銅與鐵，含釩鋼渣中的釩等，實現復合礦冶金渣的資源化。期望本書能為相關技術的深化與完善提供有價值的科學依據，促進復合礦冶金渣資源綜合利用的產業化。 1.1 復合礦冶金渣 1.1.1 復合礦及復合礦冶金渣的特征 礦石中共存的礦物稱為礦物組合，礦物組合中的礦物若屬于同一成因和同一成礦期形成的就稱為共生礦物，相反，成因和成礦期不同的則稱為伴生礦物。 賦存共生、伴生礦物的多元礦稱為復合礦，如攀西釩鈦磁鐵礦、丹東硼鎂鐵礦、包頭含稀土鐵礦、貴溪銅礦等。復合礦的礦物成分復雜，經選礦工藝產出的精礦中共、伴生有價組分在火法還原熔煉過程中絕大部分隨同脈石成分進入渣相，成為富含共、伴生有價組分的復合礦冶金渣。 復合礦冶金渣既是二次資源也是礦，是一種富含戰略性關鍵礦產資源的人造礦。復合礦中的共、伴生有價元素的經濟價值通常高于主體金屬，故稱為有價組分。大部分有色金屬礦屬于多金屬共生的復合礦，提取主體金屬后的冶金渣也屬于復合礦冶金渣。 復合礦冶金渣與普通冶金渣的主要差別如下：后者基本不含有價組分，絕大部分用作建筑輔助材料消耗掉；但前者既不適于用作建筑材料，又難以采用單一的選礦或冶金工藝從中分離出有價組分，它屬于難處理渣。從復合礦冶金渣中回收有價組分不僅技術難度大、成本高，而且社會與經濟效益難以兼顧，資源與環境矛盾也十分突出。加之國外復合礦冶金渣數量少，更無先進的處理技術可借鑒或引進，復合礦冶金渣往往作為無用的固體廢物被丟棄。當前，國家大力倡導循環經濟，鼓勵礦冶學科研發出先進的綠色清潔技術，目標之一就是從復合礦冶金渣中將有價組分賦存的礦物相經濟、高效地分離出來，作為新型的礦物原料循環再利用。2018年7月6日，科技部正式發布國家重點研發計劃“固廢資源化”等12項重點專項，推進資源全面節約和循環利用。雖然現已開發出從復合礦冶金渣中分離、分選出有價組分的一些相關技術，但應用的范圍還不廣，實現產業化的還不多，大部分復合礦冶金渣仍然堆積存放，已累積數千萬噸。因此，研發出經濟、高效地分離出復合礦冶金渣中有價組分，適合國情的綠色清潔技術，勢在必行，時不我待。 1.1.2 現行選冶工藝處理多元復合礦冶金渣 1. 概況 我國蘊藏量豐富的復合礦中，大部分共、伴生有價組分的品位低，分散于多種礦物相中，且礦物相的嵌布粒度細小，呈現貧、散、雜、細、難選的特點。典型多元復合鐵礦的化學組成見表1.1。 表1.1 典型多元復合鐵礦化學組成(質量分數，單位：%) 注：TFe指全鐵，REOx指稀土氧化物 當前我國處理多元復合礦采用的選冶工藝流程如圖1.1所示。 圖1.1 選冶工藝處理多元復合礦的流程 由圖1.1知，現行選冶工藝處理多元復合礦的流程是，先采用礦物分離技術將礦中主體金屬富集在精礦中，其中有價組分則分布在精礦與尾礦兩種產物中。精礦經高爐(或鼓風爐)還原熔煉時，有價組分少部分熔入主體金屬，大部分隨脈石進入冶金渣。典型高爐(或鼓風爐)渣的化學成分見表1.2。 表1.2 典型高爐(或鼓風爐)渣化學成分(質量分數，單位：%) 例如，攀西釩鈦磁鐵礦的原礦中約含11.4%TiO2，選礦過程使得其中75%鐵、53%鈦與 80%釩進入鐵精礦，剩余約 47%鈦則以鈦鐵礦形式賦存于尾礦中，其品位低、嵌布粒度細、物相種類多，難選別。即便經多種選礦技術聯合處理尾礦，得到含46.6%～48.4%TiO2的鈦精礦，也僅回收了其中2.4%的鈦，這表示在尾礦選鈦流程中丟掉了原礦中40%以上的鈦。之后高爐冶煉釩鈦磁鐵礦的鐵精礦時，鐵精礦中95%鈦進入高爐渣(渣中約含20%TiO2)，其余5%鈦和76%釩熔入鐵水，顯然，釩鈦磁鐵原礦中一多半的鈦又留在高爐渣中。 由上例可知，現行選冶工藝處理釩鈦磁鐵礦時，其中鐵、釩的回收率較為理想，而鈦的則低。原因是現行冶金流程旨在獲得主體金屬鐵，理論上就無法兼顧其中有價組分的提取與回收。因此，其絕大部分隨渣而棄。為此需要針對我國復合礦資源的特殊性，開發出適合國情、有獨立知識產權、可經濟、高效地從渣中分離出有價組分的綠色清潔技術，實現多元復合礦的全組分回收，無污染，零排放。 2. 從復合礦冶金渣中分離出有價組分的方法 1) 分離方法 分離方法多種多樣，如火法冶金、濕法冶金、化學分離、選礦等技術。其中采用選礦技術分離復合礦冶金渣中有價組分為首選，因為它的處理量大、成本低、設備配套、環境污染較輕。曾經有采用選礦工藝分離渣中有價組分的嘗試，但技術指標不理想，這與渣中有價組分特殊的性質及形態密切相關，需要根據其特殊性開發出有針對性的分離技術。 2) 選擇性析出分離技術的研發 20世紀90年代，隋智通曾參與并完成國家自然科學基金資助的重點項目“硼鐵礦資源綜合利用研究課題”—含硼渣的物理化學性質和熱力學參數研究，在實驗過程中觀察到有趣的現象[4]：硼提取率與渣中含硼組分的析出形態密切相關。若渣中含硼組分以隧安石(2MgO*B2O3)主晶相析出，則渣的活性高，硼的提取率也高；反之，若以非晶態(玻璃態)存在，則渣的活性低，硼的提取率也低。這種明顯的差別源于渣中含硼組分或呈晶態或呈非晶態，即兩種形態間的相互競爭。顯然，促進渣中含硼組分以晶態析出，抑制非晶態生成是改善硼渣活性、提高硼提取率的關鍵。受此啟發，隋智通萌生“復合礦冶金渣中有價組分選擇性析出”的學術思想，并特別關注熔渣冷卻過程含硼組分的物相演變、物理特征與其化學活性之間的關系，探索含硼組分析出形態的選擇性。基于此，隋智通在后續的系列研究中逐漸理解與掌握渣中有價組分選擇性析出的原理和規律。在國家多個部門及相關企業的大力資助下，經多年努力與多方合作，經過理論分析與科學實踐的不斷融合，逐步構建并完善選擇性析出分離技術。圍繞該技術應用于復合礦冶金渣中有價組分的分離利用共有兩部分研究內容。 (1) 理論上，以冶金物理化學與熔體凝固理論為基礎，針對有價組分的性質與特征，預設賦存有價組分的目標相，分析并優化目標相生成、富集、析出和長大的熱力學與動力學條件。 (2) 實踐上，通過調控并優化熔渣的物理化學性質及外部環境參數，促進渣中目標相生成、富集、析出與長大，使得經歷緩冷得到的凝渣兼備三個特點：①渣中礦物相數目少，目標相成分簡單；②目標相中有價組分的富集度高；③目標相晶粒粗大，且與基體相間界面清晰，利于單體解離。這三個特點為后續采用選礦工藝從凝渣中分離出目標相創造了十分有利的條件。 總體而言，選擇性析出分離技術就是基于冶金物理化學原理與方法來改變熔渣中目標相的分布與形貌，再借助選礦工藝與設備分離出改性凝渣中的目標相。因此，它是冶金與選礦兩種技術相結合，經學科交叉衍生出的一種選冶聯合的新型分離技術。 1.2 選擇性析出分離技術處理復合礦冶金渣 無論熔煉精礦排放的冶煉渣還是精煉粗金屬的精煉渣，它們在火法冶金過程中均具備重要的冶金功能，包括調控金屬液中各元素的化學反應，如脫碳、脫磷、脫氧、脫硫等；吸納非金屬夾雜物、凈化金屬液；減少金屬液的熱損失并防止它吸納有害氣體等。因此，熔渣是實現冶煉優質金屬、高產、低耗的重要條件。正因為冶金渣承載著冶煉過程的冶金功能，國內外冶金學者與工程技術人員都十分關注渣的作用原理與效果，在理論與應用方面皆有大量著作與研究成果的報道[5-22]。與此相反，完成冶金功能之后排放出爐體的渣多數情況作為建材輔料使用甚至丟棄，鮮見繼續關注、跟蹤研究熔渣冷卻過程中結構、性質及功能演變方面的報道。 對普通冶金渣的處理這樣做合理合規，但對于富含有價組分的復合礦冶金渣則不然。雖然有價組分在冶煉過程中未必發揮了相關的冶金功能，但排放后渣中有價組分的性質及形態則直接關系后續的分離與利用，十分重要。換言之，冶金渣在排放后如何向材料功能轉換，轉變成可用又好用的材料，則是渣中有價組分能否有效分離的關鍵。 冶金渣的功能轉換是新概念，亦是新課題，需要研究與其相關的理論和轉換的客觀規律，為應用選擇性析出分離技術提供科學依據。 1.2.1 渣的功能轉換 眾所周知，處理大宗礦物*有效的方法是“選”，即選礦分離。前人也曾嘗試過，但效果不佳。分析其原因倒不是選礦工藝不完善、不適用，而是人造礦的性質和形態與天然礦截然不同，使得它不適用、不好用。復合礦冶金渣屬于人造礦，渣中有價組分的性質、物相組成及形態十分獨特，可簡單歸納為三個主要特征：分散、細小和連體。 (1) 分散是指渣中有價組分往往不是賦存于一種礦物相中，而是分散在多種礦物相中。 (2) 細小是指這些含有價組分礦物相的嵌布粒度非常細小(通常為10m左右)。 (3) 連體是指含有價組分的礦物相與基體脈石相致密連接，界面不清晰。當磨礦機械破碎它時往往不是沿界面破裂而是穿晶斷裂，造成復合礦冶金渣的可選性差，屬極難處理礦。采用單一的選礦方法直接處理它，分離有價組分效果自然差。顯然，改變人造礦不利于分離分選的三個特征，使它滿足選礦工藝對礦石性質與形態的要求是解決問題的核心。 1. 技術路線 技術出路源于技術思路。思路就是問題出在哪兒就去哪兒找出路。人造礦的性質與形態可人為地改變，就從人造礦的礦物性質與形態切入，揚長避短。揚長就是充分發揚液態熔渣處于高溫度、高活性、高能量的“三高”之所長；補短就是彌補渣中有價組分細小、分散和連體之“三短”，抓住時機，揚所長，補所短，使之滿足選礦工藝對礦的要求。這就是冶金渣的功能轉換，也是選擇性析出分離技術處理復合礦冶金渣的技術路線。 具體做法是，首先充分利用熔渣從爐內剛放出“三高”時的機會，通過人為調控熱渣的溫度、成分
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