对硫化锌精矿焙烧行为及相变过程的实验研究

《Powder Technology》：Experimental investigation of the roasting behaviour and phase transformations in a zinc sulfide concentrate

本研究通过EPMA、WDS、AMA及EDS联用技术，系统分析了600-950℃静态焙烧锌硫化物精矿的相组成随温度及时间的变化规律，发现锌矿含量在750-850℃达到峰值，低温促进尖晶石形成而高温则生成硅酸盐相，揭示了相组成与焙烧条件间的关键关联。

　　本研究聚焦于锌硫化物精矿在空气静态焙烧条件下（温度范围为600至950摄氏度，焙烧时间为1至17小时）所生成的锌焙砂中的相组成比例。通过对锌焙砂的结构进行深入分析，旨在揭示温度和焙烧时间对关键相如氧化锌（ZnO）、锌铁尖晶石（ZnFe?O?）、硅酸锌（Zn?SiO?）以及残余硫化物和硅酸盐的影响。该研究采用了一种综合的分析方法，结合电子探针X射线微分析（EPMA）与波长色散光谱（WDS）以及自动化矿物学分析（AMA）与能谱（EDS）技术，构建了一个全面的矿物学数据库，用于表征锌硫化物精矿及其焙砂的组成特征。

锌焙砂的形成是锌冶炼过程中的关键步骤，直接影响后续的浸出和电解回收效率。传统的表征方法往往存在一定的局限性，如手动扫描电镜（SEM）与能谱（EDS）测量缺乏代表性，以及X射线衍射（XRD）技术在相定量分析时可能因峰重叠而产生误差。因此，本研究引入了一种更精确的分析手段，通过集成多种技术手段，实现了对锌焙砂中元素分布和矿物学转变的详细、定量理解。这种新的方法不仅提高了数据的可靠性，还为优化锌冶炼条件提供了重要的理论依据。

在锌冶炼过程中，常见的工艺流程为焙烧-浸出-电解（RLE）流程，该流程占全球锌生产总量的90%以上。在焙烧阶段，锌硫化物精矿在氧化条件下被转化为可溶的锌氧化物，同时，其中的硫化铁（如黄铁矿FeS?）也被氧化为铁的氧化物，如赤铁矿（Fe?O?）或磁铁矿（Fe?O?）。锌氧化物和铁的氧化物在进一步的反应中可以形成锌铁尖晶石（ZnFe?O?），这是一种重要的中间产物，对锌的回收具有重要意义。然而，锌铁尖晶石在常规的浸出过程中（通常为中性或弱酸性条件）并不容易溶解，因此需要在更具攻击性的条件下（如高温强酸浸出）进行二次浸出，以提高锌的回收率。

与此同时，锌焙砂中还可能形成硅酸锌矿物，特别是硅酸锌（Zn?SiO?）。这些矿物通常是在焙烧过程中，锌氧化物与未被释放的硅酸盐矿物（如石英SiO?）发生反应形成的。硅酸锌的存在会对后续的沉降和过滤操作产生不利影响，因为其在锌溶解过程中容易形成水合二氧化硅凝胶，从而影响沉降效率和过滤性能。因此，了解锌铁尖晶石和硅酸锌的形成机制对于优化锌冶炼工艺具有重要意义。

目前，关于锌硫化物精矿焙烧的研究已经取得了一定的成果。许多研究集中在两个方面：一是主要硫化矿物如闪锌矿（ZnS）和黄铁矿（FeS?）的氧化动力学，二是通过热分析（DTA）、热重分析（TG）和差示扫描量热法（DSC）等方法研究锌铁尖晶石的形成动力学。为了补充这些研究，一些学者还利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和穆斯堡尔谱（M?ssbauer spectroscopy）等技术对生成的锌焙砂进行结构表征。然而，关于硅酸锌（Zn?SiO?）的形成及其结构的研究仍然较少。

有研究表明，硅酸锌的形成遵循收缩核心模型，其形成速率受到固相扩散的限制。这表明，在特定的焙烧条件下，硅酸锌的形成是一个缓慢的过程。此外，有学者通过对高硅含量（10%重量）的锌硫化物精矿在810至900摄氏度之间进行焙烧，研究了硅酸锌的形成动力学。在这些实验中，样品在空气和二氧化硫的混合气体中进行焙烧，随后通过湿化学方法测定锌氧化物、硫酸锌和硅酸锌的比例。研究发现，硅酸锌的形成主要依赖于固相扩散过程，并且其形成速率与焙烧温度和时间密切相关。

另一项研究通过自动化矿物学分析（AMA）与电子探针X射线微分析（EPMA）结合，对锌硫化物精矿在不同温度下的焙烧产物进行了表征。研究发现，硅酸锌通常以包体形式存在于氧化锌的大颗粒中，也有可能作为反应边界或贫矿颗粒存在。然而，该研究在报告X射线衍射结果时，仅提供了定性描述，未能对各相的定量比例进行详细分析。

此外，有学者通过研究碱金属和碱土金属的添加对锌焙砂中锌铁尖晶石和硅酸锌形成的影响，进一步探讨了焙烧条件对矿物组成的影响。这些研究不仅涉及工业规模的焙烧实验，还包括实验室规模的静态和动态焙烧条件比较。研究发现，在静态焙烧条件下生成的锌焙砂中，锌铁尖晶石和硅酸锌的比例通常低于动态焙烧条件下生成的锌焙砂。这表明，焙烧条件的差异可能对矿物的形成产生重要影响。

尽管已有大量关于锌焙烧的研究，但关于在受控条件下硅酸盐与铁的氧化物形成比例的深入理解仍然不足。因此，本研究选择在实验室条件下对锌硫化物精矿进行焙烧实验，以评估不同焙烧温度和时间对生成的锌焙砂中相组成比例的影响。通过这种方法，研究者能够更全面地了解锌焙砂的形成机制，并为优化锌冶炼工艺提供科学依据。

研究使用的锌硫化物精矿的总体成分通过ALS Geochemistry公司采用钠过氧化物熔融与X射线荧光（XRF）方法进行测定，该方法用于测定铝、钡、钙、钾、锌、硅、铁、铜、铅、硫、砷、锑和钛等元素。同时，还采用四酸消化与电感耦合等离子体-原子发射光谱（ICP-AES）方法测定钠和镉等元素。研究者通过这些方法对锌硫化物精矿的组成进行了详细分析，并将其作为后续实验的基础。

通过扫描电镜（SEM）和电子探针X射线微分析（EPMA）技术，研究者对锌硫化物精矿中的典型颗粒结构进行了观察，并记录了其组成特征。此外，通过自动化矿物学分析（AMA）技术，研究者还对锌焙砂的组成进行了定量分析。这些分析方法的结合使得研究者能够更准确地了解锌焙砂中的相组成比例，并为后续的工艺优化提供数据支持。

在研究过程中，研究者还对生成的锌焙砂中的残余硫含量进行了测定，采用感应炉与红外光谱仪相结合的方法。残余硫含量的测定对于评估焙烧效率和浸出性能具有重要意义。通过这些实验，研究者能够更全面地了解锌焙砂的组成特征，并为优化锌冶炼工艺提供科学依据。

本研究的主要结论是，通过扫描电镜（SEM）与电子探针X射线微分析（EPMA）以及自动化矿物学分析（AMA）技术，对锌硫化物精矿在空气静态焙烧条件下生成的锌焙砂进行了深入分析，揭示了其相组成比例的变化规律。研究发现，锌焙砂中的主要脉石矿物包括重晶石（BaSO?）、石英（SiO?）、钠长石（NaAlSi?O?）、正长石（KAlSi?O?）以及钠钾长石（(K,Ba)(Si,Al)AlSi?O?）。这些矿物的存在对锌的回收和后续的处理步骤具有重要影响。

此外，研究者还发现，锌焙砂中的相组成比例与焙烧温度和时间密切相关。在较低温度下，锌氧化物的比例较高，而在较高温度下，锌铁尖晶石和硅酸锌的比例增加。这一发现对于优化锌冶炼条件具有重要意义，因为锌氧化物的高比例可能不利于后续的浸出过程，而锌铁尖晶石和硅酸锌的高比例可能影响锌的回收效率。因此，研究者建议在选择焙烧条件时，应综合考虑温度和时间对各相形成的影响，以实现最佳的锌回收效果。

在研究过程中，研究者还采用了多种分析手段，包括电子探针X射线微分析（EPMA）与波长色散光谱（WDS）技术，以及自动化矿物学分析（AMA）与能谱（EDS）技术。这些技术的结合使得研究者能够更全面地了解锌焙砂中的元素分布和矿物学转变。此外，研究者还对生成的锌焙砂进行了X射线衍射（XRD）分析，以评估其结构特征。

通过这些分析手段，研究者发现，在静态焙烧条件下，锌焙砂中的相组成比例与焙烧时间密切相关。随着焙烧时间的延长，锌氧化物的比例逐渐降低，而锌铁尖晶石和硅酸锌的比例则增加。这一变化趋势表明，焙烧时间对锌焙砂的形成具有重要影响。因此，研究者建议在优化锌冶炼条件时，应综合考虑温度和时间对各相形成的影响，以实现最佳的锌回收效果。

在研究过程中，研究者还发现，锌焙砂中的硅酸锌含量与焙烧温度密切相关。在较低温度下，硅酸锌的形成受到限制，而在较高温度下，硅酸锌的形成更为显著。这一发现对于优化锌冶炼工艺具有重要意义，因为硅酸锌的存在可能对后续的浸出和分离步骤产生不利影响。因此，研究者建议在选择焙烧条件时，应避免过高的温度，以减少硅酸锌的形成，从而提高锌的回收效率。

此外，研究者还发现，锌焙砂中的锌铁尖晶石含量与焙烧时间密切相关。随着焙烧时间的延长，锌铁尖晶石的比例逐渐增加，而锌氧化物的比例则减少。这一变化趋势表明，焙烧时间对锌铁尖晶石的形成具有重要影响。因此，研究者建议在优化锌冶炼条件时，应合理控制焙烧时间，以实现最佳的锌回收效果。

在研究过程中，研究者还发现，锌焙砂中的残余硫含量与焙烧温度密切相关。在较低温度下，残余硫含量较高，而在较高温度下，残余硫含量较低。这一发现对于评估焙烧效率和浸出性能具有重要意义。因此，研究者建议在选择焙烧条件时，应合理控制温度，以减少残余硫的含量，从而提高锌的回收效率。

本研究的成果对于优化锌冶炼工艺具有重要意义。通过详细的实验分析，研究者揭示了焙烧温度和时间对锌焙砂中相组成比例的影响，为锌冶炼过程的优化提供了科学依据。此外，研究者还构建了一个全面的矿物学数据库，用于表征锌硫化物精矿及其焙砂的组成特征。这一数据库的建立不仅提高了数据的可靠性，还为后续的工艺优化提供了重要的参考。

研究者还发现，在静态焙烧条件下，锌焙砂中的相组成比例与焙烧时间密切相关。随着焙烧时间的延长，锌氧化物的比例逐渐降低，而锌铁尖晶石和硅酸锌的比例则增加。这一变化趋势表明，焙烧时间对锌焙砂的形成具有重要影响。因此，研究者建议在选择焙烧条件时，应合理控制时间，以实现最佳的锌回收效果。

此外，研究者还发现，在静态焙烧条件下，锌焙砂中的硅酸锌含量与焙烧温度密切相关。在较低温度下，硅酸锌的形成受到限制，而在较高温度下，硅酸锌的形成更为显著。这一发现对于优化锌冶炼工艺具有重要意义，因为硅酸锌的存在可能对后续的浸出和分离步骤产生不利影响。因此，研究者建议在选择焙烧条件时，应避免过高的温度，以减少硅酸锌的形成，从而提高锌的回收效率。

综上所述，本研究通过详细的实验分析和综合的分析手段，揭示了焙烧温度和时间对锌焙砂中相组成比例的影响。研究结果表明，在静态焙烧条件下，锌焙砂中的相组成比例与温度和时间密切相关，其中锌氧化物的比例在较低温度下较高，而锌铁尖晶石和硅酸锌的比例在较高温度下增加。这些发现为优化锌冶炼工艺提供了重要的科学依据，并为后续的工艺优化提供了数据支持。