(中国地质科学院矿产综合利用研究所，四川 成都 610041) 摘要:在 800℃ 下对含硫量 50% 的硫铁矿进行了沸腾焙烧，产出的硫铁矿烧渣硫含量低于 0． 30% ，全铁含 量大于 64% 。硫铁矿烧渣的主要矿物组成为赤铁矿、磁铁矿、磁赤铁矿。硫铁矿在焙烧过程中首先发生分 解，在颗粒的表面上生成氧化产物或中间产物，体积膨胀，粒径增大，产生许多细微的裂纹，在氧气的亲和力和 SO 2 向外逃逸产生的牵引力的作用下，使硫铁矿烧渣产生空洞。当反应温度升高，反应急剧进行，硫铁矿颗粒 会发生爆炸反应，最终形成以 Fe 2 O 3 为壳的小球形烧渣; 或者形成以 Fe 3 O 4 为基体，Fe 2 O 3 为包壳，Fe 2 O 3 柱状 晶钉扎在 Fe 3 O 4 基体上的实心硫铁矿烧渣。 关键词:硫铁矿; 焙烧; 反应过程; 微观结构
中图分类号:TFTF806． 11 文献标识码:A 文章编号:1000－6532( 2012) 03－0046－03 在采用自行设计制作的小型试验用沸腾炉对 硫铁矿进行焙烧条件试验的基础上 〔1－3〕 ，在 800℃ 时 对对含硫 50% 的硫精矿进行了沸腾焙烧试验，对烧 渣的化学成分、粒度、矿物组成以及硫铁矿的焙烧过 程进行了初步研究。 纯硫精矿。 从 表 可 看 出， + 0． 147mm 2． 5% ，－ 0． 2 096mm90% ，硫精矿的粒度较细。 试验的设备为试验用小型沸腾炉。 表 2 硫铁矿精矿的粒度分布 Table 2 Particle size distribution of pyrite concentrate 原料与设备 试验的主要原料为选矿得到的硫铁矿精矿，工 艺矿物学研究表明，硫铁矿精矿的矿物组成为黄铁 矿占 93． 5% 、
高岭土占 5． 0% ，另有少量和微量的褐 铁矿、锐钛矿、白铁矿、绿泥石、水铝石、炭质等。高 岭土以单体为主，占硫精矿中高岭土量的 70% 左 右，和黄铁矿成连生体者较少占 30% 左右。其化学 成分和粒度分布分别见表 1、表 2。 表 1 原料的化学组成 / % Table 1 Chemical components of materials 1 粒度范围 / mm －0． 147+ 0． 096 －0． 096+ 0． 074 －0． 074+ 0． 043 +0． 147 －0． 043 分布率/ % 2． 5 7． 2 31． 3 20． 7 38． 3 2 试验方法 以含硫 50% 的硫铁矿精矿为原料，在设计制造 的试验用小型沸腾炉中进行沸腾焙烧试验。先将小 型沸腾炉预热到 800℃ ，空气预热器加热到 200℃ ， 保温。启动风机，产生的高压风经预热后，由风帽进 入沸腾炉管内，将烘干的物料倒入到加料装置中，开 启加料阀控制物料均匀地加入到沸腾炉管内进行燃 烧，产生的烟气由烟气管道进入烟气处理装置处理 后排放。加料完成后，继续吹入高压风 10 min，以 S TFe SiO 2 Al 2 O 3 CaO C MgO TiO 2 Pb Zn V 2 O 5 50． 61 43． 48 2． 26 1． 63 0． 045 0． 56 0． 027 0． 38 0． 028 0． 06 0． 0073 从表 1 可看出，硫铁矿精矿中含硫为 50． 61% ， 杂质主要为
二氧化硅和氧化铝，且含量较低，属于高 保证沸腾炉管内的氧化气氛，然后关闭加热电源。 等沸腾炉管内温度降到 100 ℃ 以下时，启动升降装 收稿日期:2011 －05 －04; 改回日期:2011 －05 －31 基金项目:国土资源地质大调查项目( 1212010816037) 作者简介:徐建林( 1976 －) ，男，硕士，从事冶金工作。 物理化学变化。首先是 FeS 2 分解形成 FeS 和单体 硫，其反应为: 2FeS 2 = 2FeS+S 2 。 结果与讨论 烧渣的成分与组成 硫铁矿沸腾焙烧后得到的烧渣化学多项分析结 3 3． 1 果见表 3。 表 3 烧渣的化学多项分析结果 / % Table 3 Chemical analysis results of multi－elements of slag TFe FeO S SiO 2 Al 2 O 3 CaO MgO P Cu Co 64． 54 4． 28 0． 17 3． 95 2． 94 ＜0． 01 ＜0． 01 0． 0064 0． 039 0． 022 Pb Zn TiO 2 F Na 2 O K 2 O MnO 2 Ni As 图 1 显微镜下 800℃ 烧渣 反光 200 × 0． 022 0． 018 0． 61 0． 068 0． 016 0． 0040 0． 039 0． 039 0． 0022 Fig． 1 Slag at 800℃ under microscope 200 × reflection 从表 3 可看出，烧渣中全铁含量为 64． 45% ， FeO 质量百分含量为 4． 28 % ，推算出 Fe 2 O 3 的质量 百分含量为 87． 44% ，其中 FeO 主要以 Fe 3 O 4 的形 式存在。烧渣中铁氧化物的质量百分含量为 91． 72% ，主要杂质为 SiO 2 和 Al 2 O 3 ，铁氧化物、SiO 2 和 Al 2 O 3 三者总和为 98． 61% ，硫含量较低，为 0． 17% ， 烧渣质量达到了高品位铁精矿的要求。 烧渣的主要矿物组成为赤铁矿、磁铁矿、磁赤铁 矿，含量 93% 左右; 其次为偏高岭石，其含量为 5． 5% 左右，另有少量和微量的石英。 烧渣的粒度分析结果见表 4。 表 4 烧渣的粒度分布 Table 4 Particle size distribution of slag 当温度在单质硫熔点 ( 120 ℃ ) 与 沸 点 ( 444 ． 6 ℃ ) 之间时，分解形成的硫呈液态，而 FeS 以固体形式 存在，由于液态硫的表面张力，硫铁矿颗粒变成球 形，FeS 固体微粒则弥散分布在液态硫中。在球表 面，硫发生蒸发和氧化反应，裸露出来的 FeS 也被 氧化成 Fe 2 O 3 ，反应为: 4 FeS+7 O 2 = 2 Fe 2 O 3 +4 SO 2 ↑ 由于硫的蒸发和氧化，球体积收缩变小，表面 形成的 Fe 2 O 3 相互靠拢而结成一个带有裂纹的壳。 氧则通过裂纹向小球内部扩散，与 FeS 反应生成 SO 2 ，SO 2 向外逃逸时带动 Fe 2 O 3 向外迁移。 同时 与液态硫反应生成的 SO 2 向外逃逸时也会推动 Fe 2 O 3 向外迁移。另外，反应过程中还会发生如下 的反应: FeS+ 10Fe 2 O 3 = 7 Fe 3 O 4 +SO 2 ↑ 由于外部的氧势较高，对 FeS 的亲和力较强，也 粒级 / mm +0． 2 －0． 2+0． 074 －0． 074+0． 043 －0． 043 分布率 / % 8． 6 51． 3 24． 7 15． 4 从表 4 看出，+ 0 ． 074 mm 的颗粒占 69 ． 9 % ，+ 0 ． 043 mm 的颗粒占 84 ． 4 % ，－ 0 ． 043 mm 的颗粒仅 占 15 ． 4 % 。 与 表 2 对 比，焙 烧 后，颗 粒 的 直 径 变 大。 会造成 FeS 向外迁移。上述各反应产生的推动力， 促进了空洞的形成。 在图 1 中，呈椭圆形实心颗粒的边缘和内部条 纹均为 Fe 2 O 3 ，内部略显暗白色的是 Fe 3 O 4 。当反应 温度较高时，焙烧反应剧烈进行，部分硫铁矿来不及 分解，直接发生燃烧反应: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 ↑。生成的 Fe 2 O 3 以极快的速度向颗粒内部生 反应过程初探 硫铁矿烧渣属于人造矿物，在焙烧时很容易形 成球形颗粒，由于有大量气体逸出，矿物颗粒变得疏 松多孔，呈蜂窝状，显微镜下的微观结构见图 1。 3． 2 体积也会发生变化。Fe 2 O 3 柱状晶会与剩余的 FeS 2 继续发生反应: FeS 2 + 16Fe 2 O 3 = 11Fe 3 O 4 + 2SO 2 ↑ 。 反应产生的 SO 2 通过颗粒上的细微裂纹排出，这时 部分先生成的 Fe 2 O 3 成为反应的中间体，担负着传 递氧的角色。最终形成以 Fe 3 O 4 为基体，Fe 2 O 3 为 包壳，Fe 2 O 3 柱状晶钉扎在 Fe 3 O 4 为基体上的硫铁 矿烧渣。 在图 1 中左角处，有类似个
乒乓球的硫铁矿烧 渣颗粒，其外壁厚度均匀，在焙烧过程中，由于温度 较高，硫铁矿以极快的速度分解，使硫激剧气化而发 生爆炸，先形成一个以 FeS 为壳的小球，然后再发生 反应而形成一个以 Fe 2 O 3 为壳的小球。 在颗粒的表面上生成氧化产物或中间产物，同时发 生体积膨胀，粒径增大，产生许多细微的裂纹，在氧 气的亲和力和 SO 2 向外逃逸产生的牵引力的作用 下，使硫铁矿烧渣产生空洞。 4． 当反应温度较高，反应急剧进行时，硫铁矿颗 粒会发生爆炸反应，最终形成一个以 Fe 2 O 3 为壳的 小球形烧渣; 或者一部分 FeS 2 直接氧化生成 Fe 2 O 3 ， Fe 2 O 3 与剩余的 FeS 2 发生反应生成 Fe 3 O 4 ，形成一 个以 Fe 3 O 4 为基体，Fe 2 O 3 为包壳，Fe 2 O 3 柱状晶钉 扎在 Fe 3 O 4 基体上的实心硫铁矿烧渣。 参考文 献: 〔1〕徐建林，史光大，李元坤． 试验用小型沸腾炉的设计与实 践〔J〕． 甘肃冶金． 2011，33( 2) : 30－33． 〔2〕徐建林，李元坤． 一种试验用小型沸腾炉〔P〕． 中国: ZL201020157305． 0． 2010－04－13． 〔3〕徐建林，史光大，李元坤． 试验用小型沸腾炉焙烧硫铁 矿试验研究〔J〕． 矿产综合利用，2012( 01) : 43 －45． 结 论 4 1． 烧渣中全铁含量为 64． 45% ，硫含量较低，为 0． 17% ，大部分铁以 Fe 2 O 3 形式存在，质量百分含量 为 87． 44% ，烧渣质量达到了高品位铁精矿的要求。 2． 硫铁矿焙烧后，颗粒直径变大，烧渣的矿物组 Preliminary Study on Roasting and Reaction Process of Pyrite XU Jian－lin，LI Yuan－kun，SHI Guang－da，LUO Yu－zhi，YU Ping ，ZHONG Qing－wen ( Institute of Multipurpose Utilization of Mineral Resources，CAGS，Chengdu，Sichuan，China) Abstract: The experiment on the pyrite concentrate containing 50% ( wt) sulfur at 800℃ in fluidized －bed roaster was described in the paper． The content of sulfur was under 0． 30% ( wt) and the total iron was over 64% in the cinder of pyrite，the main minerals of which were hematite，magnetite and maghemite． The pyrite was first decom- posed in the process of roasting，producing oxidized or intermediate products on the surface of the pyrites particles with volume expanded，grain diameter increased and many microcracks produced． Under the affinity of the oxygen and traction effect generated by the escaped
sulfur dioxide many cavities were produced in the cinder of pyrite． Ex- plosive reactions of the pyrites particles happened at high temperature and rapid reaction rate so that little spherical cinders taking Fe 2 O 3 as shell were produced or solid pyrite cinders with Fe 2 O 3 shell and Fe 3 O 4 substrate which was pinned by some Fe 2 O 3 columnar crystals were produced． Key words: Pyrite; Roasting; Reaction process; Microstructure
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