銅渣浮選尾料中回收銅鐵的研究

劉 瑜，杜彥君

（1.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100；2.金川集團(tuán)公司貴金屬冶煉廠，甘肅 金昌 737100）

銅轉(zhuǎn)爐渣中含銅一般在1.2%～1.6%[1-5]，經(jīng)過浮選將銅轉(zhuǎn)渣進(jìn)行貧化，浮選貧化后的精礦返爐煉銅[7-9]，剩余尾渣主要成分為鐵橄欖石、磁鐵礦相、無定型硅酸鹽等[10]，其中含銅降低到0.2%～0.25%，含鐵約40%左右，大部分外賣至水泥廠做水泥[7]，造成了尾渣中銅和鐵資源的浪費(fèi)，通過碳還原的方法將銅渣浮選尾料中的銅和鐵有效回收，實(shí)現(xiàn)了資源的綜合利用。

1 實(shí)驗(yàn)原料

1.1 銅渣浮選尾料的化學(xué)分析

本次實(shí)驗(yàn)以金川銅渣浮選尾料為原料。見表中1所示。

表1 金川銅渣浮選尾料的化學(xué)成分（%）

1.2 銅渣浮選尾料的晶相結(jié)構(gòu)

圖1 金川銅渣浮選尾料的XRD分析

通過XRD分析可知金川銅渣浮選尾料主要成分為Fe2SiO4和Fe3O4。

1.2.1 鐵橄欖石Fe2SiO4

鐵橄欖石屬于斜方晶系，硬度為6.5，比重為4.32，熔點(diǎn)為1205℃，顏色深灰。鐵橄欖石是銅渣中的主要脈石礦物，含量較高，結(jié)晶粒度較粗，形狀較為規(guī)則。

1.2.2 磁鐵礦相Fe3O4

其化學(xué)組成為：FeO31.03wt%，F(xiàn)e2O368.97wt%，屬于等軸晶系，通常呈粒狀或不規(guī)則形狀，其硬度為5.5～6，比重為5.175，熔點(diǎn)為1597℃，屬于高熔點(diǎn)礦物。磁鐵礦在銅渣中常呈等軸粒狀或不規(guī)則粒狀以稀疏中等浸染狀的形式嵌布在鐵橄欖石等脈石礦相中，粒度均勻，一般0.03mm～0.06mm，個(gè)別粗粒集合體可達(dá)0.1mm左右，部分磁鐵礦晶粒內(nèi)部包含粒度0.001mm～0.003mm的硫化鐵微粒。

1.3 銅渣浮選尾料的掃描電鏡分析

將銅渣浮選尾料磨碎至粒度為200目時(shí)，做掃描電鏡分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 金川銅渣浮選尾料SEM照片

對a、b、c、d、e五點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表2所示。

表2 能譜分析結(jié)果

經(jīng)過能譜分析可知，硫化物嵌布在鐵橄欖石中或附著在鐵橄欖石表面，有較亮的光澤。

2 工藝流程及原理

（1）工藝流程。利用還原劑焦炭對銅渣浮選尾料中銅鐵等金屬的高溫熔融還原作用，實(shí)現(xiàn)銅渣浮選尾料中鐵和銅等金屬的富集。

圖3 金川銅渣浮選尾料回收銅鐵的工藝流程圖

（2）原理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)以金川銅渣浮選尾料為原料，考察試焦炭加入量、氧化鈣加入量、硼酸鈉加入量、熔煉溫度等技術(shù)參數(shù)對熔煉爐渣含銅和鐵的影響。實(shí)驗(yàn)過程中通過改變其中一種技術(shù)參數(shù)，固定其他技術(shù)參數(shù)不變來探索每種技術(shù)條件對各種熔煉爐渣含銅和鐵的影響。本次實(shí)驗(yàn)共分4組進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行。

因銅渣浮選尾料中含銅較低，含鐵較高，還原過程中銅和鐵的走向基本一致，因此主要考察還原后熔煉爐渣中鐵的含量。

3.1 焦炭加入量對熔煉爐渣含鐵的影響

把180g銅渣浮選尾料與4%硼酸鈉、20%氧化鈣、焦炭混合均勻后加入坩堝內(nèi)，其中焦炭的加入量分別為銅渣浮選尾料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5%、7%、9%、11%、13%，將坩堝放入馬弗爐中升溫至1400℃，保溫0.5h，取出隨空氣冷卻，熔煉爐渣含鐵與焦炭加入量的關(guān)系如圖4。

從圖4中可以看出，隨著焦炭加入量的增加，熔煉爐渣含鐵逐漸降低，當(dāng)焦炭加入量達(dá)到9%以上時(shí)，熔煉爐渣中含鐵不再發(fā)生大幅降低，說明在焦炭加入量達(dá)到9%時(shí)，銅渣浮選尾料中的鐵基本被還原完全，同時(shí)考慮到生產(chǎn)實(shí)際中成本，選擇焦炭的加入量為9%為宜。

3.2 氧化鈣加入量對熔煉爐渣含鐵的影響

把180g銅渣浮選尾料與4%硼酸鈉、氧化鈣、9%焦炭混合均勻后加入坩堝內(nèi)，其中氧化鈣的加入量分別為銅渣浮選尾料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的16%、18%、20%、22%、24%，將坩堝放入馬弗爐中升溫至1400℃，保溫0.5h，取出隨空氣冷卻，熔煉爐渣含鐵與氧化鈣加入量的關(guān)系如圖5。

圖4 焦炭加入量對熔煉爐渣含鐵的影響

圖5 氧化鈣加入量對熔煉爐渣含鐵的影響

從圖5中可以看出，隨著氧化鈣加入量的增加，熔煉爐渣含鐵先降低后升高，氧化鈣加入量22%時(shí)，熔煉爐渣含鐵最低為0.85%，氧化鈣加入量繼續(xù)增加時(shí)，渣型發(fā)生變化，熔煉爐渣粘度增大，熔煉爐渣和合金分離困難，導(dǎo)致熔煉爐渣中渣含鐵發(fā)生波動，因此選擇氧化鈣的加入量為22%。

3.3 硼酸鈉對熔煉爐渣含鐵的影響

把180g銅渣浮選尾料與硼酸鈉、22%氧化鈣、9%焦炭混合均勻后加入坩堝內(nèi)，其中硼酸鈉的加入量分別為銅渣浮選尾料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0%、2%、4%、6%，將坩堝放入馬弗爐中升溫至1400℃，保溫0.5h，取出隨空氣冷卻，熔煉爐渣含鐵與硼酸鈉加入量的關(guān)系如圖6。

圖6 硼酸鈉加入量對熔煉爐渣含鐵的影響

從圖6可以看出，隨著硼酸鈉加入量的增加，熔煉爐渣渣含鐵逐漸降低，硼酸鈉加入量2%時(shí)，熔煉爐渣中渣含鐵已經(jīng)達(dá)到0.86%，一個(gè)較低的狀態(tài)，考慮到工業(yè)化生產(chǎn)中硼酸鈉加入量過大對爐襯侵蝕較快，因此確定硼酸鈉的加入量為2%。

3.4 熔煉溫度對熔煉爐渣含鐵的影響

把180g銅渣浮選尾料與2%硼酸鈉、22%氧化鈣、9%焦炭混合均勻后加入坩堝內(nèi)，將坩堝放入馬弗爐中升溫至1375℃、1400℃、1425℃、1450℃，保溫0.5h，取出隨空氣冷卻，熔煉爐渣含鐵與熔煉溫度的關(guān)系如圖7。

圖7 熔煉溫度對熔煉爐渣含鐵的影響

從圖7可以看出，隨著熔煉溫度的增加，熔煉爐渣粘度降低，流動性增大，渣和合金分離效果較好，熔煉爐渣含鐵逐漸降低，考慮到實(shí)際生產(chǎn)中爐溫過高對爐壽命影響較大，因此確定熔煉溫度為1425℃。

3.5 鐵合金成分

產(chǎn)出的鐵合金中含鐵達(dá)到96.27%，含銅達(dá)到0.99%，含鋅達(dá)到0.008%，含碳達(dá)到1.40%，含硫達(dá)到1.06%，可以作為提鐵的高品位原料煉鐵或作為特殊新能不銹鋼的原料[6]。

表3 鐵合金的化學(xué)成分（%）

用拋光后的金屬縱剖面作掃面電鏡成分分析，如圖8。

圖8 金屬縱剖面SEM照片

由圖8可知：金屬中存在三個(gè)相區(qū)，基底Fe和少量C、Cu區(qū)（a區(qū)），條狀區(qū)主要是Fe和少量的C（b區(qū)）以及富Fe、S區(qū)（c區(qū)），金屬鐵相分布均勻。

4 結(jié)論

通過本次銅渣浮選尾料回收銅鐵的研究，得出以下結(jié)論：

（1）銅渣浮選尾料回收銅鐵的過程中，影響熔煉爐渣中含鐵的主要因素有焦炭加入量、氧化鈣加入量、硼酸鈉加入量、熔煉溫度。最佳工藝條件為焦炭加入量9%、氧化鈣加入量22%、硼酸鈉加入量2%、熔煉溫度1425℃，此時(shí)，熔煉爐渣中含鐵為0.86%。

（2）在最佳工藝條件下產(chǎn)出的鐵合金含鐵達(dá)到96.27%，含銅達(dá)到0.99%，含鋅達(dá)到0.008%，含碳達(dá)到1.40%，含硫達(dá)到1.06%，實(shí)現(xiàn)了銅渣浮選尾料中銅和鐵的有效回收[11]。