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《北京科技大学》 2018年
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三相焙烧反应提取钢渣中钒和铬研究

季益龙  
【摘要】:对国内某钢厂不锈钢尾渣进行了物性分析,研究发现不锈钢渣主要由硅酸二钙、镁硅钙石和基质相组成,同时含有少量的方镁石、镁铬尖晶石、铝酸钙等相。钢渣中铬含量以Cr2O3计为3.9%,铬主要存在于镁铬尖晶石相、金属相、方镁石相和部分硅酸盐相中,TCLP毒性浸出实验结果显示不锈钢渣中铬的浸出浓度高于环保上限,存在环境风险。采用了粉样焙烧-水浸法提取不锈钢渣中铬元素,研究发现相同焙烧温度、钠铬摩尔比和焙烧时间条件下,NaOH焙烧所得铬提取率显著大于Na2CO3焙烧。采用NaOH粉样焙烧,当焙烧温度为800℃,碱渣比0.6,焙烧时间为30min时,铬提取率可达76.5%,对粉样采用造块处理,铬提取率进一步提高至85.7%。采用NaOH块样焙烧-水浸法提取不锈钢渣中铬元素,工艺优化条件为焙烧温度800℃,碱渣质量比0.6,焙烧时间120min,此时铬提取率为96.0%。采用NaOH块样焙烧-水浸法提取不锈钢渣中铬,500-700℃下,块样焙烧产物中含铬相主要为Na3CrO4;800℃下,焙烧产物中含铬相主要为CaCrO3。不锈钢渣经优化工艺提铬后,渣中残留铬主要以Fe-Cr-O相存在,TCLP毒性浸出实验结果显示提铬后的残渣对环境没有风险;水浸渣中硅含量下降,但有效硅含量增大,NaOH焙烧具有活化渣中硅元素作用,水浸过程是硅元素流失的主要环节。钒渣中的主要物相为(Mn,Fe)(V,Cr)2O4,(Fe,Mn)2SiO4和Fe2.5Ti0.5O4,三者相互包裹组成钒渣颗粒,同时含有少量的Fe3O4,Ca2SiO4和CaAl2Si2O8。V和Cr元素均匀分布于尖晶石相(Mn,Fe)(V,Cr)2O4中。采用NaOH块样焙烧-水浸法提取钒渣中钒和铬,实现了钒和铬的同时高效提取,当焙烧温度为700℃,碱渣比为0.5时,焙烧15min钒提取率达到99.2%;焙烧120min铬提取率达到97.5%。块样在600℃下焙烧5min,产物中含钒物相包括(Cr0.15V0.85)2O3和NaVO2,铬主要分布于三价氧化物固溶体和含铬钠盐中;在700℃下焙烧2h后,部分NaVO2进一步转化为Na3VO4,铬主要以Na3CrO4形式存在。块样焙烧过程是典型的气-液-固三相反应,造块处理为反应塑造了介观尺度的多孔结构,不但缩小了固液两相之间的距离,而且有效改善了气液两相的传质条件,从而强化钒铬的提取。三相焙烧反应中液相NaOH的传质包括颗粒间渗流和颗粒内扩散两种途径。本文建立了非液相渗流传质控速条件下的气-液-固三相未反应核模型,通过动力学数据拟合和实验过程样分析发现,当焙烧温度为400-600℃时,三相焙烧反应速率受液相NaOH在颗粒间渗流传质控制;当反应温度达到600℃时,三相焙烧反应速率受液相NaOH在固相反应层中扩散传质控制。三相焙烧法提取钒渣中钒铬时,反应过程中钒优先于铬氧化,从而造成相同条件下,钒铬提取率的差异化。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TF841.3;TF791

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