富氧焙燒對高銅低硫精礦浸出和脫硫的影響

周克榮 張漢彪 季尚軍

(華剛礦業(yè)股份有限公司，北京 100039)

現(xiàn)代銅冶煉工藝主要分為兩大類，一類是以處理氧化銅精礦為代表的浸出—萃取—電積濕法提取工藝，另一類是以處理硫化銅精礦為代表的熔煉爐—冰銅吹煉—粗銅電積火法工藝，后者較為成熟。對于某些工業(yè)基礎(chǔ)薄弱欠發(fā)達的非洲國家，濕法冶煉與火法冶煉相比具有成本低和風(fēng)險小的優(yōu)勢，因此焙燒—浸出—萃取—電積工藝在處理硫化銅精礦方面日益盛行。剛果金某礦業(yè)公司生產(chǎn)的硫化銅精礦具有銅品位高、硫含量底、雜質(zhì)含量極低的特點，在該地區(qū)比較適合采用焙燒—浸出—萃取—電積工藝生產(chǎn)陰極銅。因該類型精礦中硫含量偏低，增加了焙燒工藝難度。經(jīng)過我們團隊長期的研究和論證特提出采用富氧焙燒硫化銅精礦的方法，該方法目前還沒有相關(guān)的研究和報道[1-8]。本文結(jié)合前期的技術(shù)研究和生產(chǎn)實踐結(jié)果，對高銅低硫銅精礦富氧焙燒的研究和實踐進行一定的闡述。

1 實驗

1.1 原料

實驗用原料為自產(chǎn)硫化銅精礦(實驗所用精礦含銅60%，含硫12%)，硫酸為工業(yè)純，其余試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 焙燒實驗

焙燒實驗在氣氛爐進行。首先將一定量的精礦放入瓷舟內(nèi)，然后放入升溫到一定溫度的焙燒爐內(nèi)。實驗過程中用鼓風(fēng)機緩慢鼓入混有一定濃度氧氣的空氣，每隔20 min翻料一次，保證銅精礦充分氧化。達到設(shè)定時間后停爐冷卻，取冷卻后樣品送檢，檢測焙砂中的硫含量，并計算脫硫率。

1.2.2 浸出實驗

浸出實驗在燒杯中進行，采用水浴鍋控溫。浸出液為新配置50 g/L稀硫酸溶液，浸出液固比20∶1、浸出溫度60 ℃、浸出時間8 h。稱取50 g焙砂，加入大燒杯，然后倒入1 000 mL浸出液，將燒杯放入恒溫水浴鍋中恒溫60 ℃，開啟攪拌使焙砂和浸出液混合均勻進行浸出。浸出攪拌時間達到預(yù)定時間8 h后，停止攪拌，分析濾液中銅濃度，并計算浸出率。

采用島津原子吸收光譜儀(AA-6800)分析樣品的化學(xué)成分，1HW(T)紅外碳硫分析儀分析樣品硫含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 焙燒時間的影響

固定焙燒溫度750 ℃、焙燒爐入爐氣氛氧濃度(體積濃度)30%，考察了焙燒時間對焙砂浸出率和脫硫率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 焙燒時間對焙砂浸出率和脫硫率的影響Fig.1 Effects of roasting time on leaching rate and desulfurization rate of calcine

從圖1可以看出，隨著焙燒時間的延長，焙砂的脫硫率逐漸升高之后趨于平衡，當(dāng)焙燒時間超過8 h后，焙砂的脫硫率處于穩(wěn)定狀態(tài)，焙燒時間為8 h時焙砂的脫硫率約70%。浸出率的變化規(guī)律與脫硫率的相同，焙燒時間為8 h時，浸出率為97.5%，當(dāng)焙燒時間超過8 h后焙砂的浸出率趨于平穩(wěn)，增加不顯著。這是因為，銅精礦中含有大量易反應(yīng)的銅硫化合物和少部分難反應(yīng)的銅復(fù)雜化合物，而焙燒過程為一個復(fù)雜過程，在此過程中，精礦中的硫主要參與兩種反應(yīng)，一種是硫以SO2形式進入煙氣，另一種是硫以硫酸鹽的形式存在于焙砂中，隨著焙燒時間的延長，精礦不斷與空氣中的氧氣進行反應(yīng)，銅精礦中易反應(yīng)的銅硫化合物與焙燒氣氛中的氧充分反應(yīng)生成銅的可浸出物，而剩下難反應(yīng)的銅復(fù)雜化合物則需較長的反應(yīng)時間，反應(yīng)速度較緩慢，因此出現(xiàn)超過一定焙燒時間后，焙砂浸出率增加不顯著。從圖1可以看出，最佳焙燒時間為8 h。

2.2 焙燒溫度的影響

固定焙燒時間為8 h、焙燒爐入爐氣氛氧濃度(體積濃度)30%，在該條件下，考察了焙燒溫度對焙砂浸出率和脫硫率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 焙燒溫度對焙砂浸出率和脫硫率的影響Fig.2 Effects of roasting temperature on leaching rate and desulfurization rate of calcine

從圖2可以看出，隨著焙燒溫度的升高，焙砂的脫硫率先上升后保持不變，當(dāng)焙燒溫度超過750 ℃后，焙砂的脫硫率變化不大，焙砂在焙燒溫度為750 ℃時的脫硫率約70%。浸出率的變化規(guī)律與脫硫率的相同，當(dāng)焙燒溫度為750 ℃，浸出率為97.5%，焙燒溫度超過750 ℃后，焙砂的浸出率變化趨于平穩(wěn)，增加不顯著。這是因為低溫條件下，焙燒反應(yīng)主要以硫酸化焙燒為主，硫以硫酸鹽的形態(tài)存在于焙砂中，使得焙砂含硫量偏高；在高溫條件下，焙燒反應(yīng)主要以氧化焙燒反應(yīng)為主，硫以氧化物的形式從焙砂中脫出，使焙砂中的硫含量偏低。因此可以確定最佳焙燒溫度為750 ℃。

2.3 焙燒氣氛的影響

設(shè)定焙燒時間為8 h、焙燒溫度750 ℃，考察了焙燒氛圍中氧含量(體積濃度)對焙砂浸出率和脫硫率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 氧氣體積濃度對焙砂浸出率和脫硫率的影響Fig.3 Effects of oxygen volume concentration on leaching rate and desulfurization rate of calcine

從圖3可以看出，增加氧氣濃度有利于降低焙砂中的硫含量，隨著氧氣濃度的增加，脫硫率逐漸增加。這是因為在焙燒初期，空氣中的氧主要和礦物中的硫反應(yīng)生成SO2，隨著反應(yīng)的不斷進行，氣氛中的SO2濃度不斷增加，生成的SO2則會和剩余的氧發(fā)生反應(yīng)生成SO3，降低氣氛中的氧含量，同時SO2濃度增加也會共同影響脫硫反應(yīng)的正向進行。

此外，從圖3還可知，氧濃度從20% 增加到30%的過程中，焙砂浸出率上升較為顯著，增幅達12.6%，當(dāng)氧濃度超過30%以后，焙砂的浸出率增加不顯著。因此選用氧體積濃度為30%的富氧空氣作為焙燒氣氛。

2.4 富氧焙燒與非富氧焙燒條件下焙砂浸出率和精礦脫硫率比較

分別研究了焙燒溫度為750 ℃、不同焙燒時間以及焙燒時間為8 h、不同焙燒溫度時，富氧濃度為30%和非富氧條件下，焙燒時間和焙燒溫度對焙砂浸出率和脫硫率的影響，結(jié)果見表1～2。

表1 富氧與非富氧條件下焙燒時間對焙砂浸出率和精礦脫硫率的影響Table 1 Effect of roasting time on calcine leaching rate and concentrate desulfurization rate under oxygen enriched and non-oxygen enriched conditions /%

表2 富氧與非富氧條件下焙燒溫度對焙砂浸出率和精礦脫硫率的影響Table 2 Effect of roasting temperature on calcine leaching rate and concentrate desulfurization rate under oxygen enriched and non-oxygen enriched conditions /%

由表1可知，在富氧條件下，焙燒時間在8 h左右即可達到最佳焙燒狀態(tài)，此時的浸出率為98.1%，脫硫率為70.0%。在非富氧條件下，焙燒時間在12 h左右才能達到最佳焙燒狀態(tài)，此時的浸出率為97.5%，脫硫率為43.0%。富氧焙燒不但大幅度縮短了焙燒時間，而且所得焙砂的浸出率和脫硫率還更高，說明富氧焙燒可大幅度提高焙燒效率。

由表2可知，在焙燒時間一定的條件下，富氧焙燒能夠在較低溫度條件下達到最佳焙燒效果，表明富氧焙燒有利于降低焙燒溫度。

2.5 驗證實驗

實驗條件：溫度750 ℃、焙燒富氧量(體積濃度)30%、焙燒時間8 h，在該條件下進行了6組平行實驗，所得結(jié)果見表3。

表3 驗證實驗結(jié)果Table 3 Results of the verification experiments /%

由表3可知，6組平行實驗所得實驗值比較穩(wěn)定，可重復(fù)性強，焙燒脫硫率平均值為69.96%，浸出率平均值為97.46%。

2.6 擴大實驗結(jié)果

焙燒擴大實驗在直徑為200 mm 的小型沸騰爐中進行。實驗前加入冷焙砂，然后將爐溫升至設(shè)定溫度后開始投料鼓風(fēng)，并定期取樣。實驗條件：焙燒溫度750 ℃、鼓風(fēng)時空氣線速度0.5 m/s、投料量為10 kg/h，富氧焙燒過程中控制氣氛中含氧量(體積濃度)為30%。實驗結(jié)果見表4。

表4 擴大試驗結(jié)果Table 4 Results of the pilot scale experiments

由表4可知，擴大試驗焙砂的平均浸出率為97.77%，平均脫硫率69.8%，該數(shù)據(jù)與小型實驗數(shù)據(jù)基本上吻合，表明該結(jié)果具備一定的工業(yè)應(yīng)用可靠性。

3 結(jié)論

1)采用富氧焙燒技術(shù)處理高銅低硫精礦，能夠有效縮短焙燒時間、降低焙燒溫度、顯著提升焙燒效率。

2)最佳焙燒條件為：焙燒時間8 h、焙燒溫度750 ℃、30%富氧空氣，在此條件下焙砂脫硫率約為70%、浸出率約為97.5%。

3)重復(fù)性驗證實驗和擴大實驗研究結(jié)果均表明，實驗的可重復(fù)性強，在最佳條件下所得實數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。研究結(jié)果對實際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。