硫酸渣是利用黄铁矿为原料生产硫酸时产生的一种工业废渣。硫酸渣既占用土地、污染江河，同时又损失大量的铁资源^[1]。因此对硫酸渣中的有用元素进行回收，不仅解决了环境污染问题，而且对资源的循环利用、变废为宝具有重要的意义。目前从硫酸渣中提取铁的方法有：硫酸渣的氯化处理^[2]，单一磁选法^[3]，磁化焙烧—磁选^[3]，磁选与其他选矿方法联合流程^[4-6]。但是从硫酸渣中提取铁技术存在铁产品品位低、回收率低、能耗大、成本高等问题^[7-9]，并且硫酸渣中提取铁的理论研究少，研究方法单一，尤其是焙烧过程的相关理论研究也比较薄弱，这严重制约了硫酸渣回收铁工艺技术的发展。本研究以硫酸渣为原料，研究了多因素对煤基直接还原焙—磁选工艺焙烧指标的影响，获得了合理的工艺参数，高效回收硫酸渣中的铁资源，对固体废物硫酸渣资源化再利用提供了技术支持。

1 矿样性质

对山东某厂硫酸渣的化学成分及矿物组成进行分析，化学成分分析结果见表 1。从表可知，硫酸渣中铁品位均达到了55.83%，S含量0.9%，P含量0.01%。经镜下鉴定和X-射线衍射分析表明样品中铁矿物物相主要是磁铁矿和赤铁矿，次为半假象-假象赤铁矿以及少量褐铁矿。金属硫化物主要为黄铁矿，含极少量黄铜矿。脉石矿物以石英和黑云母居多，其次为长石、透辉石、绿泥石和石膏。表 2列出了样品中主要矿物的含量。

2 硫酸渣煤基直接还原焙烧试验

根据硫酸渣主要矿物组成分析可知，硫酸渣中铁物相主要以磁铁矿和赤铁矿为主，还包含有半假象-假象赤铁矿。探索试验已表明，采用直接强磁选分离或磁化焙烧处理该硫酸渣都很难得到高铁品位的铁产品。因此本研究采用煤基直接还原焙烧—磁选法处理该硫酸渣，并添加助熔剂强化煤的还原能力，使硫酸渣中铁矿物直接还原成金属铁，再通过磁选分离的方法得到还原铁产品。工艺流程图见图 1。

具体试验过程：称取原矿40 g，还原剂为宁夏褐煤(褐煤用量为原矿质量百分比)，将两者混合均匀，放入石墨坩埚中。将坩埚放入到达设定温度的马弗炉中，焙烧一定时间后，取出石墨坩埚，自然冷却。将冷却的焙烧矿取出并称重，放入棒磨机中磨矿。将达到一定磨矿细度的矿浆采用磁选管进行磁选，磁选出的产品过滤、烘干、称重。磁选直接还原铁含量的测定执行GB/T 32786-2016，对直接还原铁的品位进行测定记录并计算其回收率。

2.1 焙烧温度对还原焙烧效果的影响

焙烧还原过程中焙烧温度是影响焙烧试验的主要研究因素，随着温度的升高，焙烧物活性增强，还原能力增强，反应速度迅速。试验初步确定宁夏褐煤用量30%，焙烧时间50 min，磨矿细度-0.074 mm占90%，磁场强度128 kA/m，焙烧温度对硫酸渣还原焙烧过程的影响规律如图 2所示。

由图 2可知，随着焙烧温度的升高，直接还原铁的铁品位变化不大，而回收率明显升高，当温度达到900 ℃时，磁选所得到的直接还原铁中铁的品位和回收率分别为77.00%和77.72%。这与还原气氛随着焙烧温度的升高，还原能力增强有关，硫酸渣中的氧化铁被还原成金属铁，从而使铁的回收率增加，但当温度达到一定值后，还原气氛达到最大值，当温度再升高时，其回收率增长缓慢，甚至不增长。因此，在焙烧温度900~1 000 ℃范围内950 ℃为最佳焙烧温度，此时直接还原铁铁品位为80.02%，铁回收率为78.15%。

2.2 还原剂用量对还原焙烧效果的影响

试验采用宁夏褐煤作为还原焙烧的还原剂，煤粒度均小于1 mm。固定焙烧温度950 ℃，焙烧时间50 min，磨矿磁选条件不变，宁夏褐煤的用量分别为20%、30%、40%、50%，考察煤用量对硫酸渣还原焙烧的影响规律，试验结果见图 3。

由图 3可知，随着还原剂用量增加，直接还原铁的铁品位变化不大，而回收率逐渐上升。这是由于随着还原剂煤用量的增加，还原气氛强，将氧化铁矿物全部还原成金属铁，增加了其回收率。综合考虑，确定最佳煤用量为30%，此时直接还原铁铁品位为76.29%，铁回收率为83.21%。

2.3 助熔剂对还原焙烧效果的影响

从以上试验数据分析得出，通过直接还原—磁选工艺得到的直接还原铁的铁品位较低，不能满足电炉炼钢原料的要求。查阅文献^[10]及类似焙烧试验得知氧化钙和硫酸钠都可作为助熔剂，在还原焙烧中有提高铁品位的作用，故采用CaO和Na₂SO₄作为助熔剂。参考相关试验数据^[11]，将CaO的用量定为15%，Na₂SO₄的用量分别为10%、20%、30%、40%，考察助熔剂对还原焙烧效果的影响规律，试验结果如图 4所示。

由图 4可知，直接还原铁铁的回收率下降速度快，随着硫酸钠用量的增加，铁的回收率从86.38%下降到61.15%；铁品位随着硫酸钠用量的增加，上升速度快，之后趋于平缓。这是由于硫酸钠对铁的还原能力强使得硫酸渣中氧化铁矿物全部被还原成金属铁。综合考虑，选择氧化钙和硫酸钠为助熔剂，助熔剂最佳用量分别为15%和20%，此时直接还原铁的铁品位为92.32%，铁的回收率为80.57%。

2.4 焙烧时间对还原焙烧效果的影响

根据查阅的文献^[11]，焙烧时间在20~80 min之间，硫酸渣焙烧效果好，因此考察焙烧时间分别为20、40、50、80 min时对还原焙烧效果的影响规律，试验结果如图 5所示。

从图 5可知，直接还原铁的铁品位和回收率随着焙烧时间的增长先上升后下降，当焙烧时间为50 min时，铁的品位和回收率最高，此时直接还原铁的TFe品位为74.19%，TFe的回收率为74.95%，因此最佳焙烧时间为50 min。

2.5 磨矿细度试验

原矿40 g，还原剂煤30%，添加剂CaO用量15%，Na₂SO₄用量20%，在焙烧温度950 ℃的条件下焙烧50 min，采用一段磨矿—磁选工艺，磨矿浓度为60%，考察磨矿细度对硫酸渣还原焙烧—磁选效果的影响，磨矿细度对铁品位、回收率的影响见图 6。

从图 6可知，磨矿细度对直接还原铁的铁品位、回收率有较大影响。随着磨矿细度-0.074 mm粒级所占比例增加，直接还原铁的铁品位及回收率均先增加后降低。当磨矿细度-0.074 mm粒级从96.57%提高至97.31%时，铁品位及回收率下降显著，说明磨矿过程中过磨严重。因此，磨矿细度-0.074 mm粒级96.57%为最佳磨矿细度，此时直接还原铁的铁品位为92.86%，铁的回收率为81.04%。

2.6 磁选强度试验

磁场强度对直接还原铁的铁品位及回收率的影响规律见图 7。

由图 7可知，随着磁场强度的增加，直接还原铁的铁品位下降，铁的回收率上升。这是由于随着磁场强度增加出现机械夹杂现象，将部分脉石选出造成铁品位下降。综合考虑，磁场强度不易过高，最佳磁场强度为128 kA/m，此时直接还原铁的铁品位为92.86%，铁的回收率为81.04%。

2.7 最佳条件验证

煤基直接还原硫酸渣回收铁试验的最佳条件为：还原剂用量30%，助熔剂Na₂SO₄用量为20%，CaO用量为15%，焙烧温度为950 ℃，焙烧时间为50 min。焙烧矿自然冷却后采用一段磨矿一段磁选，磨矿浓度为60%，磨矿细度-0.074 mm粒级占96.57%，磁场强度为128 kA/m。在此最佳工艺条件下，获得了铁品位为91.89%，铁回收率为82.26%的直接还原铁，经化验分析得出，该直接还原铁的S含量为0.03%，满足电炉炼钢原料的指标要求。硫酸渣煤基直接还原焙烧—磁选数质量流程图如图 8所示。

3 结论

(1) 煤基直接还原焙烧—磁选工艺可综合回收硫酸渣中铁，但仅添加还原剂，无助熔剂作用时，磁选所得直接还原铁的铁品位及回收率较低。

(2) 硫酸渣煤基直接还原焙烧过程中Na₂SO₄有提高直接还原铁铁品位的作用，而CaO具有提高铁回收率的作用。助熔剂试验表明，CaO用量为15%、Na₂SO₄用量为20%时，此时直接还原铁的铁品位为92.32%，铁的回收率为80.57%

(3) 硫酸渣煤基直接还原焙烧—磁选的最佳工艺条件为：还原剂用量为30%，助熔剂CaO用量为15%和Na₂SO₄用量为20%，焙烧温度为950 ℃，焙烧时间为50 min，一段磨矿浓度为60%，磨矿细度为-0.074 mm粒级占96.57%，磁场强度为128 kA/m。在最佳工艺条件下，所得直接还原铁的铁品位为91.89%，铁的回收率为82.26%，S残余含量0.03%。