一种控制添加剂粒径来实现钒渣高效提钒的方法

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一种控制添加剂粒径来实现钒渣高效提钒的方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种通过控制添加剂粒径来实现钒渣高效提钒的方法，属于提钒技术领域。具体说来，本方法采用合理的添加剂粒径及工艺参数，通过钠化焙烧和水浸处理，将钒渣中的水不溶性钒转化为水溶性的钒酸盐并得到含钒浸出液，达到高效提取钒渣中钒元素的目的。\n背景技术\n[0002] 钒是一种重要的有价金属元素，由于其优异的抗拉强度、硬度以及抗疲劳强度等物理性质，广泛应用于钢铁、有色金属、化学化工及电子等行业，在国民经济和人们日常生产生活中发挥着积极重要的作用。\n[0003] 用于提钒的原料有很多，这其中储量最丰富、应用最广泛的当属钒钛磁铁矿，世界上钒年产量的88%是从钒钛磁铁矿中获得的。从钒钛磁铁矿中回收钒，常用的方法是将钒钛磁铁矿经高炉或者电炉冶炼得到含钒铁水，通过选择性氧化铁水，使钒氧化后进入炉渣，这种具有一定钒含量的渣即所谓的钒渣。\n[0004] 钒渣是由十多种化合物组成的一种炉渣。化学分析表明，钒渣中主要的化学成分包括FeO、SiO2、V2O3、TiO2、MnO和MgO。除此之外，还含有少量的CaO、Cr2O3以及Al2O3。由于提钒原料及含钒铁水提钒工艺的不同，不同企业生产得到的钒渣成分不一。\n[0005] 从钒渣中提取钒是目前最为主要的提钒方法，具有代表性的钒渣提钒工艺有以下几种：钠化焙烧提钒法、钙化焙烧提钒法、酸浸萃取提钒法和酸浸离子交换树脂提钒法等。\n其中，应用最为广泛的当属钠化焙烧水浸提钒法。\n[0006] 在钠化焙烧水浸提钒工艺条件下，钒渣经过破碎除铁等预处理后与适量的添加剂混合均匀并入炉焙烧。焙烧是在氧化性气氛下进行的，在焙烧过程中，钒渣中低价态的钒通过氧化转化为+5价的钒化合物并与添加剂发生反应生成水溶性的钒酸盐，添加剂除了与钒渣中的钒反应外还能和其他的杂质成分部分反应。钒渣经过氧化焙烧后的物料称为熟料，描述焙烧过程的好坏主要通过“焙烧转化率”来衡量，焙烧转化率是指焙烧过后熟料中可溶性钒的量占全部钒量的比例。浸出过程主要是用水和焙烧过后的熟料接触，使钒进入溶液从而和大部分的难溶杂质分离，得到含钒浸出液。浸出的效果通常用浸出率来表示，即浸出过程中进入溶液的钒与焙烧时转化的钒的百分比。\n[0007] 在钒渣钠化焙烧过程中，添加剂起着至关重要的作用，是不可或缺的。一般情况下，添加剂的主要作用是与钒渣反应形成可溶性钒化合物，进一步研究表明其对钒渣的氧化速度也有着重大的影响。钒渣中钒的氧化反应属于区域反应，反应发生在固体界面上，反应速率与反应物的粒径密切相关，增大添加剂与钒渣之间的接触面积能够有效改善焙烧条件以及提高钒的氧化率。这种添加剂与钒渣之间的接触面积可通过改变二者的粒径大小来进行调整，而目前研究者一般通过研究钒渣的粒径来获得好的钒渣反应动力学条件，对于添加剂粒径的研究尚未见有报道。\n[0008] 众所周知，添加剂的配入量也是影响着钒渣焙烧转化率的重要因素之一。配入量过少时，钒渣氧化焙烧反应不充分，焙烧转化率低；配入量过多的话，添加剂会与钒渣中的杂质成分反应生成大量的低熔点物质，并在高温焙烧下产生大量的液相，导致焙烧物料出现粘结、包裹甚至烧结等生产故障，同样影响钒的焙烧转化率。\n[0009] 针对上述问题，基于不同的钒渣，研究者们往往通过优化焙烧过程的工艺参数，如钒渣的粒径、添加剂的用量、焙烧温度和焙烧时间等来获得合适的工艺条件从而达到较高的钒提取率。然而这种通过优化工艺参数来提高钒浸出率的方法并不能提高添加剂的利用效率，也不能从根本上减少添加剂的用量，降低生产成本。在实际的生产过程中，由于钒渣中存在着一些能与添加剂反应的杂质成分，添加剂的加入量往往都是需要过量的。而且，若钒渣与添加剂混料不够均匀，也会引起局部添加剂含量过高，导致生产率低下，对生产带来不利影响。另外，如何在不影响焙烧转化率的条件下又能适当降低添加剂的用量，降低生产成本，这些都是值得研究者考虑的问题。\n发明内容\n[0010] 针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种通过控制添加剂粒径来实现钒渣高效提钒的方法。本方法能够减少添加剂结块现象，混料更均匀，提高添加剂的利用效率及钒渣的焙烧转化率。\n[0011] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：\n[0012] 一种控制添加剂粒径来实现钒渣高效提钒的方法，本方法钒渣提钒工艺为钠化焙烧提钒法，向钒渣中添加添加剂并混合均匀，得到混合料；将混合料在氧化性气氛下焙烧，得到含钒焙烧熟料；再将焙烧熟料冷却后磨细至一定粒径，用水浸出并通过抽滤得到残渣和含钒浸出液，含钒浸出液经过沉钒工艺即可得到钒成品；其特征在于：所述添加剂粒径按如下步骤确定。\n[0013] 1）粒径的初定：假设钒渣及添加剂均为具有一定直径的球形，且钒渣粒径均一，直径为 ，且两者混合时添加剂颗粒与成正方体排列的钒渣颗粒内切；通过钒渣的堆积密度、添加剂的堆积密度以及添加剂的用量计算出钒渣与添加剂的颗粒数之比，进而得到理想添加剂粒径；\n[0014] 2）最终粒径确定：以添加剂有实际意义的最小粒径作为终极添加剂粒径，分别以钒渣粒径、原始添加剂粒径、理想添加剂粒径和终极添加剂粒径作为边界点，得到三段不同的添加剂粒径范围；将添加剂粒径作为变量，采用单因素分析法进行钠化焙烧浸出比对，以结果最优的那段粒径范围作为最终添加剂粒径范围；\n[0015] 若计算得出的理想添加剂粒径大于原始添加剂粒径，则以钒渣粒径、原始添加剂粒径和终极添加剂粒径作为边界点，得到两段不同的添加剂粒径范围；将添加剂粒径作为变量，采用单因素分析法进行钠化焙烧浸出比对，以结果最优的那段粒径范围作为最终添加剂粒径范围。\n3\n[0016] 所述钒渣的堆积密度为2.5-3g/cm，添加剂为钠盐添加剂，添加剂的堆积密度为\n3\n0.85-0.90 g/cm，添加剂用量为钒渣质量的15-20%，计算出钒渣与添加剂的颗粒数之比为\n1.5-2.4，理想添加剂粒径 (直径)为： 。\n[0017] 所述终极添加剂粒径为200目(0.075mm)。\n[0018] 采用单因素分析法进行钠化焙烧浸出比对时，以钒转浸率最高的作为最优结果。\n[0019] 所述钠盐添加剂为碳酸钠、氯化钠和硫酸钠中一种。\n[0020] 作为优选控制参数，所述钠化焙烧工艺中，焙烧温度800-850℃，焙烧时间\n1.5-2.5h；焙烧结束后，将焙烧熟料出炉冷却至室温，再将其磨细筛分并通过160目；将筛分出的熟料用水浸出，水与焙烧熟料液固比为5~10ml/g(优选为8ml/g)，浸出温度为\n80-95℃，恒温浸出时间为25-60min。\n[0021] 相比现有技术，本发明具有如下有益效果：\n[0022] (1)本方法通过采用合理的添加剂粒径，减少了添加剂的结块，并且由于添加剂粒径较小，使得其与钒渣混料及回转窑焙烧过程中不易产生偏析，即可以实现更为容易地均匀混料，从而降低因局部添加剂含量过高而导致在焙烧时出现粘结、包裹甚至烧结等生产故障；\n[0023] (2)本方法确定的添加剂粒径，能够使得其与钒渣有更为充分的接触面积，加快焙烧反应的速率，缩短焙烧时间，提高添加剂的利用效率及钒渣的焙烧转化率；\n[0024] (3)由于添加剂利用效率的提高，因而可以在保证焙烧转化率不受影响的情况下，适当减少添加剂的用量，进而降低了生产成本，实现精细化的生产。\n附图说明\n[0025] 图1-钒渣理想的堆砌模型；\n[0026] 图2-钒渣与添加剂排布关系图(添加剂颗粒与成正方体排列的钒渣颗粒内切)；\n浅色的代表添加剂颗粒，黑色的代表钒渣颗粒；其中A为钒渣与添加剂整体排布关系图；B为一颗钒渣颗粒周围的添加剂分布图；C为一颗添加剂颗粒周围的钒渣分布图；\n具体实施方式\n[0027] 本发明提出了一种综合考虑添加剂粒径来实现钒渣高效焙烧浸出的方法。本方法通过确定合理添加剂的粒径范围，进而减少添加剂的结块，使得其与钒渣能够更为容易地均匀混料，防止局部添加剂含量过高或过低，从而使得添加剂能够达到较高的利用效率，并在此基础上适当降低添加剂的用量来降低生产成本，并减少生产故障，最终实现精细化的生产。\n[0028] 本发明具体技术方案为，向钒渣中添加一定合适粒径的钠盐添加剂并混合均匀，得到混合料；将混合料在氧化性气氛下焙烧，得到含钒焙烧熟料；再将焙烧熟料磨细至一定粒径，用水浸出并通过抽滤得到残渣和含钒浸出液，含钒浸出液再经过沉钒即可得到钒成品。\n[0029] 其中，添加剂钠盐可以为碳酸钠，氯化钠和硫酸钠中至少一种。\n[0030] 上述合适添加剂粒径的确定方法分为“粒径的初定”和“最终粒径确定”两个步骤。\n具体方法如下：\n[0031] (1) 添加剂粒径的初定方法\n[0032] 对于给定的某种钒渣，其粒径是既定的。一般的，根据焙烧条件的要求，我国通常以120目筛(0.074mm)测定钒渣的粒径，要求有80%的钒渣通过120目。基于具体情况，考虑到不同厂家对于钒渣的粒径要求不一致以及钒渣的成分的不同，同时为了简化计算，事先假设钒渣及添加剂是具有一定直径的球形，且钒渣粒径(直径)均一都为 。现对钒渣建立一个如图1所示简单理想的堆砌模型。\n[0033] 通过实验测得钒渣的堆积密度为2.5-3g/cm3，添加剂(以工业碳酸钠计)的堆积\n3\n密度为0.85-0.90 g/cm。添加剂的用量一般为钒渣质量的15-20%。则在此条件下，根据计算，钒渣与添加剂的颗粒数之比在1.5-2.4之间。综合该计算结果，本发明提出当钒渣与添加剂呈如图2所示排布时(添加剂颗粒与成正方体排列的钒渣颗粒内切)，两者具有较好的反应接触面积。本发明提出，该情况下的添加剂粒径为理想粒径 。\n[0034] 因此，理想的添加剂粒径 (直径)为：\n[0035] \n[0036] 综上，初步优化的添加剂粒径即粗定为上述模型计算得出的理想添加剂粒径 ，即 倍的钒渣粒径。\n[0037] (2) 添加剂最终粒径的确定方法\n[0038] 一般情况下，工业添加剂的粒径要求为70%-80%通过80目(0.180mm)或100目(0.150mm)。考虑到若添加剂粒径过低，可能会产生粉尘飞扬，反而降低了其利用率，且磨样成本也会随之增加，故设置添加剂终极粒径为200目(0.075mm)。也就是说，如果添加剂粒径小于0.075mm，则没有较大实际意义。\n[0039] 为了进一步调整合适添加剂的粒径范围，本发明提出进行相关的实验分析，以得到最终合适的添加剂粒径。分别以钒渣粒径、原始添加剂粒径、理想添加剂粒径以及终极添加剂粒径作为边界点，以它们之间的范围作为考虑的对象。具体情形如下所示：\n[0040] (a) 当上述四种粒径从大到小以原始添加剂粒径、钒渣粒径，理想添加剂粒径及终极添加剂粒径排序时，则添加剂粒径考虑的范围是：①原始添加剂粒径~钒渣粒径；②钒渣粒径~理想添加剂粒径；③理想添加剂粒径~终极添加剂粒径。\n[0041] (b) 当上述四种粒径从大到小以钒渣粒径、原始添加剂粒径、理想添加剂粒径及终极添加剂粒径排序时，则添加剂粒径考虑的范围是：①钒渣粒径~原始添加剂粒径；②原始添加剂粒径~理想添加剂粒径；③理想添加剂粒径~终极添加剂粒径。\n[0042] (c) 若钒渣粒径较大，计算得出的理想添加剂粒径大于原始添加剂粒径时，则以原始添加剂粒径作为合适添加剂的粒径。一般的，为了能够有较好的氧化焙烧效果，建议考虑原钒渣粒径是否过大并对其进行调整（通常调整到目前工业对钒渣的一般要求：有80%的钒渣通过120目筛），以期达到更高的钒渣焙烧转化率。\n[0043] 基于上述不同情况，将添加剂粒径作为变量，采用单因素分析法进行焙烧浸出实验，并以实验结果最优的那组作为最终合理添加剂的粒径范围。结果最优以钒转浸率来考量。\n[0044] 综上，采用上述方法即可以获得适合该钒渣的添加剂粒径范围(本方法确定的添加剂粒径可适合任意钒渣原料)。\n[0045] 基于上述方法确定的合理添加剂的粒径范围，下面将详细地描述本发明钒渣焙烧浸出的一个优选方法。具体实验步骤为：\n[0046] (1) 对钒渣进行研磨和磁选预处理，得到80%能通过120目筛且金属铁含量不超过5wt%的钒渣粉末。\n[0047] (2) 针对相应钒渣原料的粒径分布和成分结构，通过粗定方法和最终确定方法两个步骤，研究获得合理的添加剂粒径范围。将钠盐添加剂进行研磨筛分处理，得到适合该钒渣的添加剂粒径。\n[0048] (3) 向钒渣中加入一定量筛分后的钠盐添加剂(该含量根据具体钒渣成分结构而定，不在本发明考虑的范畴内)，混合均匀，得到混合料；将混合料加入到焙烧设备中进行焙烧，焙烧时保持空气气氛，焙烧温度控制在800-850℃，焙烧时间为1.5-2.5h(优选为\n2h)，得到含钒焙烧熟料。\n[0049] (4) 将经过钠化焙烧后的熟料进行磨细筛分，取160目筛下物，即使得钒渣熟料的粒径小于0.1mm。然后按液固比为5~10ml/g(优选为8ml/g)将蒸馏水与焙烧熟料混合，在恒温加热磁力搅拌水浴锅中浸出，浸出温度为80~95℃，浸出时间25~60min(优选为\n30min)。浸出结束后，采用真空抽滤装置对混合物进行抽滤，过滤得到含钒浸出液和残渣，含钒浸出液经过沉钒工艺即可得到钒成品。\n[0050] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。\n[0051] 将某企业生产的钒渣(含V2O513.6wt%，CaO4.4wt%)磨细筛分，要求有80%通过120目。通过本发明提出的方法计算得出本钒渣理想添加剂粒径为160目，现将添加剂研磨筛分为(a)原始添加剂(未经研磨筛分)、(b)-原始添加剂粒径~+120目、(c)-120目~+160目、(d)-160目~+200目四份待用。取上述四种粒径范围的添加剂各3.8g，将它们分别与\n20g钒渣混合均匀，置于马弗炉中在800℃下焙烧2h，在焙烧时保持炉门微开以保证焙烧过程处于氧化性气氛中。焙烧结束后，取出焙烧样品冷却至室温，将焙烧后的熟料研磨筛分，取160目筛下物。量取40mL蒸馏水置于三颈瓶中，并在90℃的恒温加热磁力搅拌水浴锅中加热，待三颈瓶中水温达到水浴温度后，向三颈瓶中加入5g焙烧后的熟料，浸出30min。浸出结束后，立即采用真空抽滤装置进行过滤，过滤时采用蒸馏水反复冲洗残渣，将过滤得到的钒浸出率装入500mL容量瓶内，并用蒸馏水定容至500mL，得到含钒浸出液，待检测。经滴定实验检测，并通过计算得出：(a)的钒转浸率为89.02%，(b)的钒转浸率为89.40%，(c)的钒转浸率为90.45%，(d)的钒转浸率为90.22%。综上所述，适合本钒渣的添加剂粒径范围是-120目~+160目之间。\n[0052] 本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。