一种采用回转窑处理高铁含铝物料的方法与流程

本发明涉及一种高铁含铝物料的处理方法，具体涉及一种采用回转窑处理高铁含铝物料、避免回转窑结圈的方法，属于冶金工程。

背景技术：

1、高铁含铝物料越来越多，例如开采的铁铝共生矿冶炼，需要充分利用矿产中的铁和铝，需要将铁铝分开。此外，赤泥是铝土矿生产氧化铝过程中产生的强碱性固废，目前尚无有效的解决手段。赤泥中富含大量的铁资源，将其作为钢铁冶炼原料是实现其大宗消纳的有效手段。但同时赤泥中铝含量也较高，限制了直接作为钢铁冶炼原料。要实现高铁赤泥中铁的高值利用，必须解决高铁赤泥中铁铝分离的问题。

2、深度还原-磁选工艺是从难处理铁矿、冶金固废(赤泥、铜渣、高炉粉尘等)中回收铁的主要工艺，其中回转窑因具有大型化、连续性、封闭式、原料适应性强等特点，是实现深度还原的主要设备。然而，普遍存在的回转窑结圈问题限制了其连续生产。

3、已有研究结果表明，赤铁矿到金属铁的还原历程为fe2o3→fe3o4→feo→fe。当被还原至feo时，feo容易与矿石中的cao、al2o3、sio2等反应生成化合物并粘附在窑壁上。前期因窑壁上所粘附的物料较少，对回转窑的实际生产影响不大；随着结圈厚度的逐渐增加使得窑内横截面积缩小，阻碍了窑内炉料、烟气的流动，最终影响了物料的焙烧结果。

4、针对回转窑结圈物的处理方法有以下几种。发明专利cn202210445096.7提出高温清理方法，即通过提高窑内温度超过结圈物的软熔温度，使结圈物软溶后从回转窑壁脱落，达到回转窑不熄火的情况下高温快速清除窑内结圈物的目的。发明专利cn201821087824.7提高通过敲击装置对结圈物进行敲击，加快结圈物的处理。以上方法均是在窑内结圈物影响到回转窑正常生产时采取的被动清除方法，在清理过程中要停止供料或者需要降低窑内温度，不利于回转窑的顺行。

5、通过改变入料物料也可有效抑制回转窑结圈。发明专利cn202210718638.3提出通过添加mgo、cao及sio2来调控入窑物料的碱度，通过抑制球团焙烧产物中液相生成来减少回转窑结圈的目的。发明专利cn202211294285.5提出通过添加含镁物料以提高共融物熔点，从而抑制回转窑结圈，确保回转窑稳定运行。发明专利cn202110845879.x提出在回转窑内配加一定比例的含有高熔点物质的钛渣，可减轻铁矿碱性球团生产过程中低熔点液相过多导致的严重结圈现象。以上方法均是通过引入添加剂提高共融物熔点，从而抑制回转窑结圈。添加剂的引入不仅增加了回转窑的能耗，而且添加剂因不能循环利用也会增加二次尾矿量。

技术实现思路

1、针对现有技术中，采用回转窑处理高铁含铝物料时，回转窑容易结圈的技术问题，本发明提供一种采用回转窑处理高铁含铝物料的方法，该方法包括造球、一段焙烧、二段焙烧、铁铝分离；该工艺通过两段焙烧，而且严格控制每一段焙烧的温度，将铁的还原阶段与铁晶长大、铁铝分离阶段分开进行，防止中间产物feo与铝形成熔融物质，进而避免了回转窑结圈的技术问题。本发明通过工艺的精准控制，有效避免焙烧产物中液相的形成，从而避免了物料在回转窑中结圈；同时，通过工艺的精准控制实现高铁含铝物料中铁和铝的高效分离，保证回收得到铁精矿的铁品位。

2、根据本发明提供的技术方案，提供一种采用回转窑处理高铁含铝物料的方法。

3、一种采用回转窑处理高铁含铝物料的方法，该方法包括以下步骤：

4、（1）造球：将高铁含铝物料与含钙矿物进行研磨、混合、造球，得到球团原料；

5、（2）一段焙烧：采用回转窑对步骤（1）得到的球团原料，在800-1150℃条件下于还原性气氛中进行焙烧，得到低温还原焙烧物料；

6、（3）二段焙烧：采用回转窑对步骤（2）得到的低温还原焙烧物料，在1150-1250℃条件下于还原性气氛中进行焙烧，得到高温还原焙烧物料；

7、（4）铁铝分离：将步骤（3）所得高温还原焙烧物料通过磁选或浸泡，得到铁精矿和含铝产品。

8、作为优选，步骤（2）中的焙烧温度为1000-1140℃；优选为1050-1130℃；例如：1100℃、1110℃、1120℃、1125℃、1130℃。

9、在本发明中，步骤（2）中的焙烧时间为20-240min，优选为30-120min，更优选为40-60min。

10、作为优选，步骤（3）中的焙烧温度为1160-1230℃；优选为1170-1200℃；例如：1150℃、1160℃、1175℃、1200℃、1250℃。

11、在本发明中，步骤（3）中的焙烧时间为20-240min，优选为30-120min，更优选为40-60min。

12、作为优选，所述球团原料中还包括燃料。

13、作为优选，所述燃料为煤。

14、作为优选，向回转窑通入还原性气体。

15、作为优选，所述还原性气体为一氧化碳和/或氢气。

16、作为优选，所述还原性气体为高温还原性气体。

17、作为优选，所述回转窑为电加热回转窑。

18、在本发明中，所述高铁含铝物料为高铝铁矿、赤泥、高炉粉尘中的一种或多种。

19、在本发明中，所述含钙矿物为碳酸钙、氧化钙、碳酸氢钙、硫酸钙、氯化钙、硅酸钙中的一种或多种。

20、在本发明中，步骤（1）中含钙矿物的加入量为使得含钙矿物中的钙与高铁含铝物料中的铝的摩尔比为1~2:1，优选为1.1~1.8:1，更优选为1.2~1.6:1。

21、作为优选，步骤（1）中所述研磨的工艺为：控制高铁含铝物料和含钙矿物的粒径小于200目的质量占比大于90%，优选为小于200目的质量占比大于95%，更优选为小于200目的质量占比大于98%。

22、作为优选，步骤（1）中所述球团原料的粒径为5-40mm，优选为8-30mm，更优选为10-20mm。

23、作为优选，所述步骤（4）具体为：铁铝分离：将步骤（3）所得高温还原焙烧物料通过研磨、磁选，得到铁精矿和尾矿。

24、作为优选，所述步骤（4）具体为：铁铝分离：将步骤（3）所得高温还原焙烧物料通过碱浸，得到铁精矿和含铝溶液。

25、作为优选，步骤（4）中所述研磨的工艺为：控制高温还原焙烧物料的粒径小于325目的质量占比大于95%，优选为小于325目的质量占比大于97%，更优选为小于325目的质量占比大于99%。

26、作为优选，所述磁选的强度为200～2000gs，优选为300～1800gs，更优选为500～1500gs。

27、作为优选，所述碱浸采用碱性溶液浸泡高温还原焙烧物料。

28、作为优选，所述碱性溶液为氢氧化钠。

29、现有技术中，处理含铁含铝物料一般采用一段时焙烧处理工艺，将含铁含铝物料经过焙烧处理，实现铁和铝的分离。一段时焙烧中，如果温度较低，则物料中的铁氧化物不能充分还原成单质铁，而且铁氧化物中的铁晶体不能长大，从焙烧后的物料中分离出铁较为困难。如果温度过高，含铁含铝物料经过焙烧处理时，铁氧化物还原的中间产物容易与铝、硅等物质反应，生成易于结窑的化合物，造成回转窑的结圈。为了提高含铁含铝物料中铁的回收率，也有采用两段式焙烧的技术方案，现将含铁含铝物料在较低的温度下还原成磁性铁（四氧化三铁），然后再将磁性铁进一步在较高的温度下还原成单质铁。该方法能够提高铁的回收率，但是该技术方案没有注意到磁性铁进一步高温还原时，产生中间产物feo与铝等物质反应，容易发生回转窑结圈的技术问题。因此，处理含铁含铝物料，如果焙烧温度过低，不能充分的视线铁、铝的分离，影响含铁含铝物料中铁的回收率和获得铁精矿的品味；如果焙烧温度较高，存在回转窑容易结圈的技术问题。

30、发明人经过探究，采用回转窑处理含铁含铝物料（尤其是高铁含铝物料，例如铁铝共生矿、赤泥、高铝粉尘）时，回转窑结圈是因为在物料焙烧过程中，铁、铝、钙、硅共同反应，生成了容易熔化而结圈的物质。回转窑发生结圈需要同时具备两个条件：一是生成了容易熔化的物质，二是生成该物质时回转窑内该时刻的温度达到了生成物质的熔化温度。赤铁矿到金属铁的还原历程为fe2o3→fe3o4→feo→fe，发明人通过实验发现，当物料中铁氧化物被还原至feo时，生成的feo容易与矿石中的cao、al2o3、sio2等反应生成化合物，该阶段的温度越高，中间产物feo越容易与矿石中的cao、al2o3、sio2等反应，而且如果温度过高，feo与矿石中的cao、al2o3、sio2等反应生成的化合物容易粘附在回转窑窑壁上，造成回转窑的结圈。

31、发明人通过实验发现，将高铁含铝物料的焙烧分为两段进行，第一段焙烧实现物料中铁氧化物的还原，而且直接还原至单质铁；第二段焙烧实现金属铁颗粒的聚集长大，同时物料中的cao、al2o3反应生成铝酸钙，从而实现了铁和铝的分离。为了防止铁氧化物还原过程中的中间产物feo尽可能少的与cao、al2o3、sio2等反应，同时避免极少部分生成新的化合物粘接在回转窑窑壁上，必须严格控制第一段焙烧的温度。控制第一段焙烧的温度，使得该温度下，铁氧化物直接还原成单质铁，而且避免回转窑结圈物质的产生和熔化，进而解决了高铁含铝物料焙烧过程中回转窑结圈的技术问题。

32、在本发明中，发明人通过实验探究和验证，得出了控制第一段焙烧的温度不高于1150℃（优选为800-1150℃，进一步优选为1000-1140℃，更优选为1050-1130℃）时，高铁含铝物料中的铁氧化物直接还原成单质铁，而且该温度下铁氧化物还原过程的中间产物feo很少与cao、al2o3、sio2等反应，即使少部分的feo与cao、al2o3、sio2等反应生成新的化合物，在不高于1150℃时，新的化合物也不会熔化，因而不会发生回转窑的结圈。因此，控制第一段焙烧的温度不高于1150℃。同时，如果第一段焙烧的温度较低，高铁含铝物料中铁氧化物较难或者较难充分还原成单质铁，如果仅将高铁含铝物料中铁氧化物还原成磁性铁，然后磁性铁再在较高的温度下还原成单质铁，因为磁性铁还原成单质铁的过程依然需要经过feo的阶段，则依然存在feo与cao、al2o3、sio2等反应生成容易结圈的新化合物。因此，需要控制第一段焙烧的温度保证铁氧化物还原成单质铁，但是又要尽可能的避免feo与cao、al2o3、sio2等反应生成容易结圈的新化合物，同时还要尽可能的避免新化合物的熔融。发明人通过实验验证，控制第一段焙烧的温度为800-1150℃（优选为1000-1140℃，更优选为1050-1130℃）时，高铁含铝物料中的铁氧化物可以直接被还原成单质铁，而且只有极少部分feo与cao、al2o3、sio2等反应，生成新的化合物在该温度条件下也不会发生熔融，进而避免了回转窑结圈的技术问题。

33、通过第一段焙烧处理，高铁含铝物料中的铁氧化物被还原成了单质铁，但是此时物料中的单质铁不能长大，依然为微细颗粒，铁和铝没有完全分开，不能采用磁选等技术手段很好的实现铁和铝的分离。为了实现铁和铝的分离，需要将经过第一段焙烧处理后的物料进一步在较高的温度下进行焙烧，在较高的温度下，金属铁颗粒会聚集长大，从而实现了铁和铝在物相中的分离，便于后续进一步采用磁选或浸泡等技术手段实现铁和铝的物理分离。同时，在较高温度焙烧的条件下，由于物料中的铁氧化物均被还原成了单质铁，没有feo的存在，含铝、含硅矿物因与含钙矿物反应过程中因没有feo参与反应而避免了低熔点共融物的形成，物料中的氧化铝和含钙矿物发生反应，生成铝酸钙或铝硅酸钙，从而实现了在物相中，铁和铝的分离。在该阶段中，发明人进一步通过实验验证，需要控制第二段焙烧的温度范围为1150-1250℃。如果该段焙烧的温度较低，金属铁不能长大，影响后续铁铝分离工序，进而影响铁的回收率；如果该段温度过高，生成的铝酸钙或铝硅酸钙容易发生熔融，也会造成回转窑的结圈。因此，控制第二段焙烧的温度为1150-1250℃（优选为1160-1230℃；优选为1170-1200℃），既可以保证单质铁的聚集长大，铁和铝在物相中的分离，也能保证生产的铝化物不会发生熔融。

34、发明人通过实验验证，采用本发明的工艺，是通过探究物料的变化过程，从根源上避免了回转窑的结圈，只要是含铁含铝物料，无论物料中铁和铝的成分如何变化，均可以通过控制焙烧温度实现铁、铝的充分分离，而且尽可能的避免了回转窑的结圈。任何成分含量不同的含铁含铝物料，均会发生铁氧化物的还原、铝化物形成的阶段，只要通过控制不同阶段的焙烧，保证铁氧化物还原的中间产物feo尽可能的不与cao、al2o3、sio2等反应，保证即使少部分反应生成的新化合物不熔融，即可极可能的避免回转窑的结圈。因此，采用本发明的技术方案，能处理所有含铁含铝物料，与含铁含铝物料中铁的含量、铝的含量无关。

35、在本发明中，加入含钙矿物是为了与物料中的氧化铝反应，生成新的化合物铝酸钙或铝硅酸钙，在物料的物相中实现铁和铝的分离。

36、在本发明中，已经从物相上实现铁、铝分离的高温还原焙烧物料，可以通过物理或化学的方法实现铁、铝的物理分离。例如，采用磁选可以从高温还原焙烧物料中直接选出铁精矿，剩余的尾矿为含铝产品。采用浸泡高温还原焙烧物料，高温还原焙烧物料中的铝化物溶于碱性溶液，而被还原成单质的铁不溶于碱性溶液，通过碱性溶液的浸泡，然后过滤，得到的固相即为铁精矿，液相即为含铝产品。也就是说，还原焙烧产物中的金属铁通过磨矿-磁选或者浸泡而被有效回收。

37、在本发明中，只要控制一段焙烧和二段焙烧的温度即可实现铁氧化物被充分还原为单质铁和保证铁、铝的物相分离，同时避免回转窑内容易结圈物质的生成。在实际生产工艺中，一段焙烧和二段焙烧的时间通常独立为20-240min，优选为30-120min。

38、在本发明中，采用的回转窑为现有技术，可以是固体碳的燃烧提供热源和还原剂的回转窑；可以是气基回转窑，通过还原气体提供反应温度和还原剂的回转窑；还可以是固定碳/还原气体+电加热回转窑。只要能够保证回转窑内的还原气氛和温度即可。回转窑的还原气氛可以通过固体碳（例如煤）提供，也可以直接向回转窑内融入还原性气体。回转窑内的温度可以通过固体碳的燃烧提供，可以通过直接输入高温还原性气体提供，还可以通过电加热等方式提供。

39、如果通过固体碳提供还原气氛和热量，则在球团原料中直接配入部分固体碳，制备成含碳球团，还原过程再加入部分固体碳作为补充还原剂。通常的，球团原料中固体碳的配入量按照其中含c量与原料中fe含量的重量比值计，c/fe为0-0.2，优选为0.05-0.1，配入球团和还原过程加入的总碳量为1:0-2，优选为1:0.1-1，更优选为1:0.4-0.5。

40、如果通过还原性气体提供还原性气氛和热量，直接向回转窑内通入对应温度的还原性气体即可。

41、在本发明中，还可以采用固体碳+电加热、还原气+电加热、固体碳+还原气、固体碳+还原气+电加热的方式对含铁含铝进行处理。

42、在本发明中，所述高铁含铝物料为所有含铁和含铝的物料。例如高铝铁矿、赤泥、高炉粉尘中的一种或多种。高铁含铝物料中铁含量或铝含量不影响本发明的技术方案。

43、在本发明中，所述含钙矿物的作用提高钙，与高铁含铝物料中的铝发生反应，使得物料中铁和铝实现物相分离，只要是含钙的物质均可应用本发明的技术方案。

44、在本发明中，为了保证高铁含铝物料中铁和铝在物相中尽可能的分离彻底，控制高铁含铝物料的粒径小于200目的质量占比大于90%，优选为小于200目的质量占比大于95%，更优选为小于200目的质量占比大于98%。控制含钙矿物的粒径小于200目的质量占比大于90%，优选为小于200目的质量占比大于95%，更优选为小于200目的质量占比大于98%。步骤制备的球团原料的粒径为5-40mm，优选为8-30mm，更优选为10-20mm。

45、在本发明中，步骤（4）的目的是实现铁和铝的物理分离，可以物理方法（例如磁选）或化学方法（例如碱浸）。为了保证铁和铝的物理分离效果，进行磁选前，先对高温还原焙烧物料进行研磨。作为优选，控制高温还原焙烧物料的粒径小于325目的质量占比大于95%，优选为小于325目的质量占比大于97%，更优选为小于325目的质量占比大于99%。为了保证磁选效果，控制磁选的强度为200～2000gs，优选为300～1800gs，更优选为500～1500gs。若采用碱浸分离铁和铝，采用碱性溶液浸泡高温还原焙烧物料；作为优选，所述碱性溶液为氢氧化钠。作为优选，氢氧化钠的浓度为0.1-10mol/l，优选为0.5-8mol/l，更优选为1-5mol/l。

46、在本发明中，一段焙烧和二段焙烧可以在两个回转窑内处理，也可以在同一个回转窑内进行处理。如果一段焙烧和二段焙烧在两个不同的回转窑内进行处理，分别控制一段焙烧的回转窑和二段焙烧的回转窑内的焙烧温度即可。如果一段焙烧和二段焙烧采用同一个回转窑进行处理，可以将一段焙烧和二段焙烧分时间阶段进行，可以在回转窑的长度方向分为两段，其中一段（物料的上游段）进行一段焙烧，另一段（物料的下游段）进行二段焙烧。焙烧分时间阶段进行具体为：物料先输送至回转窑，控制整个回转窑内的温度为一段焙烧的温度；一段焙烧进行完后，控制整个回转窑内的温度为二段焙烧的温度。沿回转窑的长度方向分为两段进行焙烧具体为：将物料输送至回转窑，回转窑进料端的温度为一段焙烧的温度，回转窑出料端的温度为二段焙烧的温度，通过物料中燃料的添加量、回转窑的进风量、还原气分阶段进入等手段控制回转窑内不同位置的温度，以完全一段焙烧和二段焙烧。

47、与现有技术相比较，本发明提供的技术方案具有以下有益技术效果：

48、1、本发明提供的方法包括造球、一段焙烧、二段焙烧、铁铝分离；该工艺通过两段焙烧，而且严格控制每一段焙烧的温度，将铁的还原阶段与铁晶长大、铁铝分离阶段分开进行，防止中间产物feo与铝形成熔融物质，进而避免了回转窑结圈的技术问题。

49、2、采用本发明的方法，保证了物料中铁和铝的分离效果，而且避免了铁和铝共生化合物的形成，保证了铁的回收率和回收铁精矿的铁品位；所得铁精矿中铁含量>90%，可作为炼钢原料直接使用。

50、3、采用本发明的技术方案，尾矿中主要物相为钙铝化合物，可作为高铝水泥原料或炼钢添加剂使用。

51、4、本发明在不影响回转窑运行及引入高熔点添加剂的条件下可有效避免回转窑结圈，还原焙烧产物经磨矿-磁选或浸泡而实现铁和铝的高效分离，获得满足炼钢要求的金属铁粉及高铝水泥要求的含铝产品。有效提高高铁含铝物料的附加值，减少废物排放，经济效益显著。