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《重庆大学》 2002年
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锌铅分离的理论及应用研究

郭兴忠  
【摘要】:世界各国钢铁厂粉尘产生量约为钢产量的1%(2%,其中大多含有锌和铅,这类粉尘已经被确定为有毒固体废物,不能返回原工艺处理,对其回收处理工艺的研究已经成为冶金界的热点之一。目前国内外处理工艺尚无法处理含铅高、含铁低的含锌铅粉尘。低品位氧化锌矿含有铅、硫、砷等杂质,现有处理该类氧化锌矿的工艺发展较为缓慢,有必要研制新的处理方法。 本文在回顾了含锌铅粉尘和低品位氧化锌矿处理工艺的特点及现状的基础上,并结合近年来冶金及材料领域的新技术,对这两种含锌物料的处理提出新的理论及方法。首先提出锌铅分离理论,并对其理论依据以及分离方法的选择进行阐述;其次对锌铅分离理论及方法所涉及到的含碳球团还原的动力学以及热传导模型进行研究;最后在两种含锌物料基本特性研究的基础上,对含锌铅粉尘中锌、铅分离并分别回收,以及从低品位氧化锌矿直接获取高等级超细氧化锌粉分别进行实验研究。 锌铅分离是利用锌、铅以及氧化物在一些物理化学性质的差异,将粉尘中锌、铅氧化物还原成金属锌、铅,金属锌以锌蒸气形式挥发并进行氧化收集;金属铅很少挥发,留在渣中以铅渣形式回收,从而达到锌铅一次性分离及分别回收的目的。锌、铅及其氧化物的热分析试验和蒸气压研究表明,要抑制Pb元素的挥发失重,实现锌铅分离,需要锌、铅氧化物在低温下快速还原。含碳球团的还原特性和铝浴的传热可以解决低温与氧化物快速还原的矛盾,并就此提出实现锌铅分离的方法--含碳球团铝浴熔融还原法(简称“铝浴法”)。 开展了锌铅分离的基本理论研究,对含碳纯氧化锌和氧化铅球团等温还原动力学的研究表明,在1000~1150℃范围内,还原温度愈高,氧化锌的还原速度愈快,而氧化铅则变化不大或有所降低;各控制环节下氧化锌和氧化铅还原反应的活化能都不大,但氧化铅还原的活化能比氧化锌小;气相扩散是含碳锌、铅氧化物球团还原反应主要的控制环节,其还原反应的活化能分别为46.548~53.280kJ?mol-1和43.338~48.802kJ?mol-1。其它试验结果表明,改善外扩散条件、有铝浴存在都能提高含碳纯氧化锌球团的还原速度;在1000~1250℃温度范围内,铝基本不参与氧化锌的还原,铝浴对氧化锌还原的作用主要表现在传热上。 在含碳球团还原机理研究的基础上,对含碳氧化锌球团还原的热传导模型及球团内部温度测试的研究表明,在还原初期,球团内部的温度快速升高,当达到开始还原温度时,温度的增长幅度明显减慢;球团内部的温度分布和还原分数分布都不均;随球团尺寸增加,球团内部温度和球团平均还原分数都降低;随还原温度的增加,球团内部温度和球团平均还原分数都增加;在一定还原温度和球团尺寸下,有铝浴存在时球团的升温速度和还原分数都要高于无铝浴存在。球团内部温度和平均 WP=6 还原分数的模型计算值与试验值比较得,球团内部温度的计算值与试验值是比较吻合的;平均还原分数的模型计算值与试验值在前5min较为吻合;但5min后,计算值要大于试验值。铝浴传热是含碳氧化锌球团低温下实现快速还原的重要条件。 对含锌铅粉尘的基本特性,氧化锌矿的特性及焙烧预处理进行研究表明,粉尘中Zn、Pb主要是以ZnO、PbO的形态存在,粉尘的成球性好,并含有一定量的碳,可以利用含碳球团还原的特性来进行锌、铅氧化物的还原;粉尘的熔点在1150℃左右,随粉尘碱度的降低,熔点有所降低。氧化锌矿属低品位矿石,含有一定量铅、硫、砷、镉等杂质,锌的物相主要是碳酸盐和硅酸盐;采用高温氧化焙烧方法进行焙烧,提高焙烧温度、焙烧时间和矿石粒度都有利于脱铅率、脱砷率、脱硫率以及锌富集率的提高,合理的焙烧条件为:温度1200℃、时间120min、粒度15~20mm;焙烧矿中锌的主要物相是氧化锌和硅酸锌。 采用单因素和二次回归正交设计方案对铝浴法实现锌铅分离进行详细试验研究,并进行了含碳球团自还原、含碳球团铁浴熔融还原法(简称“铁浴法”)的对比试验。试验结果表明,从试验条件和各项指标的角度上,铝浴法最适合用于锌铅分离及粉尘的处理,可一次性直接得到符合标准的较高级别氧化锌粉产品和富铅铁渣副产品。实现锌铅分离的适宜试验条件:铝浴法,还原温度1100℃,还原时间45min,球团碱度0.44(自然碱度),粘结剂配比0.5%。在此试验条件下,氧化锌粉中ZnO在90%以上(最高达92.52%),PbO小于5%,渣中Pb含量15%左右,锌挥发率和铅富集率都在90%以上,基本上实现了锌铅分离的目的以及含锌铅粉尘的处理。 采用化学气相反应法(CVD)和锌铅分离的理论及方法,从低品位氧化锌矿中用火法冶金方法直接获取高等级超细氧化锌粉的试验研究表明,与碳还原法和铁浴法相比,铝浴法更适合用于从氧化锌矿制备高等级超细氧化锌粉。其适宜试验条件:含碳焙烧球团矿,还原温度1100℃,还原时间45min,球团碱度1.1。在此试验条件下,获得的氧化锌粉中ZnO大于98%,PbO在1%左右,锌挥发率在90%以上。铝浴法所得的氧化锌颗粒尺寸径向上在20~50nm之间,长度上在50~500nm之间,长径比为1~15,主要晶形为棒状或长柱状。收集系统前段的氧化锌粉体的粒度分布范围比中段和后段窄,100nm的尺寸所占比例高于中段和后段,且团聚现象
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TF81

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【引证文献】
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10 程红伟;鲁雄刚;李谦;陈朝轶;周国治;;含碳球团还原动力学机理[A];2008年全国冶金物理化学学术会议专辑(上册)[C];2008年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 徐萌 赵志星 赵民革 张卫东;以含碳球团为原料的炼铁工艺[N];世界金属导报;2009年
2 本报记者 耀辉;昆理工与飞龙“校企恋”更张:新增产值十数亿[N];云南经济日报;2009年
3 记者 罗霞;萃取技术支撑从渣中回收锌零排放[N];云南日报;2009年
4 本报记者 李跃辉;杨龙:靠专利插上腾飞翅膀[N];中国知识产权报;2009年
5 赵进发;云南永昌新增铅浮选项目试生产成功[N];中国有色金属报;2005年
6 董文煌;飞龙公司:抓专利促企业做大做强[N];云南科技报;2009年
7 通讯员 李树华;祥云县22件自主发明技术获国家专利[N];大理日报(汉);2009年
8 通讯员 李树华;科技创新助祥云工业经济腾飞[N];大理日报(汉);2007年
9 李振洪;高炉炼铁与熔融还原[N];世界金属导报;2007年
10 本报记者  周渝;G宏达 受益于锌 受制于锌[N];中国证券报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郭兴忠;锌铅分离的理论及应用研究[D];重庆大学;2002年
2 张亚莉;铁酸锌型含银低品位氧化锌矿处理新工艺与理论研究[D];中南大学;2012年
3 李明晓;基于循环经济的低品位难处理氧化锌矿选冶联合新工艺研究[D];昆明理工大学;2011年
4 窦爱春;碱性亚氨基二乙酸盐体系处理低品位氧化锌矿的基础理论及工艺研究[D];中南大学;2012年
5 徐萌;转底炉煤基热风熔融炼铁工艺的基础性研究[D];北京科技大学;2006年
6 沈庆峰;从低品位氧化锌矿浸出渣中回收锌的工艺研究及其产业化[D];昆明理工大学;2007年
7 王瑞祥;MACA体系中处理低品位氧化锌矿制取电锌的理论与工艺研究[D];中南大学;2009年
8 丁治英;氧化锌矿物在氨性溶液中的溶解行为研究[D];中南大学;2011年
9 彭及;不锈钢冶炼粉尘形成机理及直接回收基础理论和工艺研究[D];中南大学;2007年
10 杨大锦;低品位锌矿堆浸—萃取—电积工艺研究[D];昆明理工大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 阳海彬;低品位含锌物料直接制备纳米氧化锌的半工业性试验研究[D];重庆大学;2004年
2 宋健;还原剂反应性对含碳球团还原过程的影响[D];辽宁科技大学;2012年
3 沈维华;以含铁海砂为原料的含碳球团直接还原研究[D];重庆大学;2010年
4 任晋;碱性谷氨酸钠体系处理低品位氧化锌矿的基础理论和工艺[D];中南大学;2010年
5 杨柳毅;兰坪低品位高钙氧化锌矿保锌脱钙预富集试验研究[D];昆明理工大学;2011年
6 章小明;废锌催化剂综合利用的过程研究[D];南昌大学;2012年
7 罗艺;低品位氧化锌矿的浸出工艺研究及活性氧化锌的制备[D];中南大学;2011年
8 蒲雪丽;云南某低品位氧化锌矿浮选试验研究[D];昆明理工大学;2008年
9 廖基强;氧化锌矿水热硫化转化研究[D];昆明理工大学;2011年
10 黎维中;溶剂萃取法从低品位氧化锌矿回收锌[D];中南大学;2002年
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