底吹熔煉渣工藝礦物學(xué)研究

汪金良 周 瑞 劉 遠(yuǎn) 劉彥青 羅仙平4

（1.江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西贛州341000；2.西部礦業(yè)集團(tuán)科技發(fā)展有限公司，青海西寧810006；3.青海銅業(yè)有限責(zé)任公司，青海西寧810006；4.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000）

銅冶金在有色金屬行業(yè)占有重要地位，由于銅礦原礦品位不斷降低，礦產(chǎn)開(kāi)采難度越來(lái)越大，精礦成分日益復(fù)雜，國(guó)家對(duì)環(huán)境法規(guī)更加嚴(yán)格，對(duì)銅冶煉提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求，研究開(kāi)發(fā)高效節(jié)能的強(qiáng)化煉銅方法是未來(lái)發(fā)展的主要方向［1-3］。目前富氧底吹熔煉法是我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代熔池強(qiáng)化熔煉技術(shù)，該技術(shù)具有高氧濃、高熔煉強(qiáng)度、高氧壓、高負(fù)壓、自熱程度高、資源利用水平高等特點(diǎn)［2，4-5］，具有節(jié)能、高效、投資少、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，不僅提高了資源的利用率，增加了社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，還符合國(guó)家節(jié)能減排、科學(xué)發(fā)展的要求。因此氧氣底吹熔煉的相關(guān)理論研究成為重要的應(yīng)用理論課題。

青海銅業(yè)是我國(guó)較早引進(jìn)雙底吹連續(xù)煉銅工藝的企業(yè)之一，年產(chǎn)陰極銅10萬(wàn)t，然而在生產(chǎn)過(guò)程中由于物料多雜，返塵偏多，造成底吹熔煉渣含銅偏高（5%～8%），明顯高于底吹爐設(shè)計(jì)渣含銅量（≤3.5%），而渣含銅高的問(wèn)題與爐渣組成、冶煉工藝、熔渣性質(zhì)、渣型的選擇等因素密切相關(guān)。目前研究多集中在反射爐和頂吹爐等傳統(tǒng)的熔煉渣中銅賦存狀態(tài)［6-9］、爐渣渣型研究［10-11］，轉(zhuǎn)爐吹煉渣礦相特征研究［12-14］，對(duì)雙底吹連續(xù)煉銅熔煉渣研究還比較少。王親猛等［15-18］對(duì)氧氣底吹銅熔煉中冰銅對(duì)渣中銅的影響、多組元造渣行為及渣型優(yōu)化、渣中各組元含量之間的映射關(guān)系等進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明爐渣中Cu、Fe、S等組元造渣行為具有相互關(guān)聯(lián)性，渣中SiO2含量和Fe含量對(duì)Cu含量耦合作用明顯，通過(guò)渣型優(yōu)化，得到了流動(dòng)較好的渣型；劉柳等［19］分析了底吹熔煉過(guò)程產(chǎn)物，重點(diǎn)通過(guò)產(chǎn)物的微觀物相分析底吹熔煉過(guò)程機(jī)理；趙體茂等［20］和邊瑞民等［21］從雙底吹連續(xù)煉銅工藝實(shí)踐對(duì)渣中銅損失方式的影響，及生產(chǎn)過(guò)程中降低渣含銅方面所采取措施進(jìn)行了總結(jié)。以上研究均未對(duì)底吹熔煉渣有價(jià)金屬的礦物相嵌布特征進(jìn)行詳細(xì)分析。

本研究以青海某銅業(yè)公司底吹熔煉渣為研究對(duì)象，通過(guò)XRF、XRD、SEM、EDS和BPMA自動(dòng)礦物分析系統(tǒng)等手段研究熔煉渣中各礦物組成、賦存狀態(tài)、嵌布粒度以及主要含銅礦物相解離度特征，研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)企業(yè)回收銅渣中的有價(jià)金屬和提高銅的直收率具有重要意義。

1 熔煉渣試樣性質(zhì)

1.1 熔煉渣主要化學(xué)成分

試驗(yàn)樣品為高海拔地區(qū)青海某銅業(yè)公司底吹熔煉爐放渣口扒出的熔煉渣，該熔煉渣是在熔煉溫度為1 180℃、氧濃度為75%的條件下產(chǎn)出。各成分在渣中的含量與生產(chǎn)過(guò)程中工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)變化有關(guān)。采用XRF檢測(cè)該熔煉渣主要化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，該冶煉廠產(chǎn)出的熔煉渣主要有價(jià)金屬為Cu、Fe、Pb、Zn等，雜質(zhì)成分主要為SiO2。

1.2 熔煉渣礦物組成及銅物相分析

熔煉渣中礦物組成比較復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行XRD、礦物組成及銅物相分析，結(jié)果分別見(jiàn)圖1、表2、表3。

由圖1和表2可知，熔煉渣中主要礦物為冰銅、鐵橄欖石、鐵酸鹽和玻璃相，另有少量或微量未反應(yīng)的黃銅礦、氧化銅、金屬銅、石英、云母和長(zhǎng)石等；熔煉渣中含銅礦物主要有冰銅、金屬銅、黃銅礦和氧化銅等，以冰銅含量最高。

由表3可知，熔煉渣中銅主要以冰銅（Cu2S）形式存在，其分布率達(dá)92.69%，同時(shí)含有少量的金屬銅。

2 渣中主要礦物相賦存狀態(tài)

2.1 冰銅

由熔煉渣化學(xué)物相分析結(jié)果可知，冰銅是熔煉渣中礦物含量最大的含銅礦物（相）。對(duì)冰銅多個(gè)區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，冰銅含銅較高，成分分布比較均勻，部分冰銅成分含有微量Al。

為確定冰銅與其他礦物相之間的嵌布關(guān)系，對(duì)熔煉渣進(jìn)行掃描電鏡分析（SEM），結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，熔煉渣中冰銅粒度分布不均勻，主要呈粗細(xì)不等的粒狀或圓點(diǎn)狀分布于渣中，與硫化鉛、鐵橄欖石、玻璃相、鐵酸鹽等礦物嵌布關(guān)系密切。圖2（a）表明冰銅與鐵酸鹽包裹或連生；圖2（b）表明冰銅與鐵酸鹽和鐵橄欖石連生邊界具有明顯的裂縫，在后續(xù)磨礦過(guò)程中有助于冰銅的解離；圖2（c）表明冰銅呈圓粒狀嵌布于玻璃相中；圖2（d）表明冰銅內(nèi)部包裹白色的微粒硫化鉛和多金屬合金。圖2（e）表明冰銅包裹或連生白色的硫化鉛相；圖2（f）表明冰銅內(nèi)部包裹Cu-Sb合金；圖2（g）表明冰銅包裹或連生金屬銅、硫化鉛。在硅酸鹽和鐵橄欖石包裹的細(xì)冰銅顆粒度大多小于0.010 mm，這部分微細(xì)冰銅難以被回收，約占6.67%?？偠灾?，冰銅在熔煉渣中嵌布關(guān)系非常復(fù)雜，粒度分布不均，難以全部回收。

2.2 金屬銅

金屬銅（銅基合金）是熔煉渣中礦物量?jī)H次于冰銅的含銅礦物（相），含量為0.13%，熔煉渣中的金屬銅主要由Cu組成，部分含微量的Fe、Sb、S、Al、Mg元素。為確定金屬銅的形態(tài)及其礦物間的嵌布關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行掃描電鏡分析（SEM），結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，熔煉渣中金屬銅主要呈長(zhǎng)粒狀和圓粒狀，產(chǎn)出的多數(shù)金屬銅被鐵酸鹽、鐵橄欖石、玻璃相等礦物包裹或連生。圖3（a）表明金屬銅包裹于鐵酸鹽中；圖3（b）表明熔煉渣中鐵酸鹽、玻璃相、金屬銅相互緊密共生；圖3（c）表明金屬銅內(nèi)部包裹白色點(diǎn)狀硫化鉛、Cu-Sb合金顆粒；圖3（d）表明渣中鐵橄欖石內(nèi)部包裹金屬銅；圖3（e）表明金屬銅、Cu-Sb合金、鐵酸鹽嵌布于玻璃相中，這部分包裹的銅解離比較困難，難以回收。

2.3 鐵酸鹽

鐵酸鹽是熔煉渣中主要礦物相之一，熔煉渣中鐵酸鹽主要由Fe、O元素組成，并含有微量的Al、Si、Mg、Zn等元素。熔煉渣中的鐵酸鹽在放大后呈葉狀雛晶，其與金屬銅和冰銅關(guān)系密切，容易與鐵橄欖石和其他硫化礦緊密共生（見(jiàn)圖4），在熔煉渣中，其分布在鐵橄欖石晶粒間，結(jié)晶粒度一般小于10 μm。

2.4 鐵橄欖石

鐵橄欖石是熔煉渣中主要礦物相之一，主要成分為Fe2SiO4，與玻璃相關(guān)系密切，在玻璃相中呈塊狀，放大后呈平行帶狀或柱狀結(jié)晶。在熔煉渣中，鐵橄欖石與金屬銅和冰銅關(guān)系密切，與鐵酸鹽相相互包裹、夾雜，連生組成熔渣的基底物相。

2.5 玻璃相

熔煉渣中除鐵酸鹽和鐵橄欖石外還有一種礦物量較大的非晶態(tài)硅酸鹽礦物，呈膠水狀，稱為玻璃相，是渣相中最晚結(jié)晶出來(lái)的部分［19］，它主要充填于鐵酸鹽、鐵橄欖石、金屬銅、冰銅粒間起膠黏作用，其礦物量為25.74%。除含較高的Si、O、Fe、Al、Ca外，玻璃相中還含一定量的Zn。

3 熔煉渣中主要含銅礦物粒度分布及單體解離度

3.1 主要含銅礦物粒度分布

熔煉渣選別工藝的確定與渣中主要礦物嵌布粒度有直接關(guān)系［22-24］，本研究采用BPMA中最小夾長(zhǎng)粒度參數(shù)表征熔煉渣的粒度。采用BPMA工藝礦物參數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)熔煉渣中主要含銅物相（冰銅和金屬銅）的粒度進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可知，冰銅和金屬銅在熔煉渣中的嵌布粒度差異較大，金屬銅顆粒多數(shù)分布在0.053 mm以下，平均粒徑為0.030 mm，嵌布粒度較細(xì)，屬細(xì)粒嵌布。相比較金屬銅，冰銅嵌布粒度較大，分布于0.053 mm粒級(jí)以上的冰銅達(dá)到18.28%，通過(guò)浮選工藝易于回收，對(duì)于多數(shù)分布在-0.038+0.020 mm粒級(jí)內(nèi)的冰銅在較細(xì)磨礦條件下可浮選回收，-0.015 mm粒級(jí)的冰銅很難單體解離，大部分銅將損失于尾礦中?；谝陨戏治隹芍?，熔煉渣的銅回收工藝需要在適宜的磨礦細(xì)度條件下進(jìn)行，保證有用礦物的單體解離。

3.2 主要含銅礦物單體解離度測(cè)定

保證冰銅、金屬銅的有效解離是提高銅回收率的關(guān)鍵。為進(jìn)一步了解熔煉渣中冰銅、金屬銅在磨礦過(guò)程中的單體解離特性，測(cè)定了其在不同粒度下的解離度，結(jié)果分別見(jiàn)表5、表6。

由表5可知，熔煉渣中冰銅解離度為46.13%，在-0.074 mm+0.044 mm粒級(jí)范圍內(nèi)有51.58%單體解離，冰銅在-0.038 mm粒級(jí)也僅有30.11%單體解離，說(shuō)明有部分冰銅嵌布粒度非常細(xì)，冰銅有一部分被鐵橄欖石、鐵酸鹽或玻璃相包裹。冰銅在熔煉渣中主要與鐵橄欖石或者玻璃相連生，其和鐵橄欖石或玻璃相連生量分別為14.20%和35.55%。其次是與鐵酸鹽連生，連生量約為4.12%。

由表6可知，金屬銅的解離較冰銅差，雖然-0.044+0.038 mm粒級(jí)單體含量達(dá)到61.55%，但在-0.038 mm粒級(jí)也未完全解離，金屬銅總體單體解離度僅33.81%，對(duì)金屬銅的回收極為不利，需要細(xì)磨才能單體解離，連生或者被包裹部分較多，其在熔煉渣中基本不與冰銅、黃銅礦等連生，與鐵橄欖石、鐵酸鹽連生量分別為13.04%、3.35%，金屬銅與其他脈石（硫化鉛）在粗粒級(jí)連生量較大。因此，在回收銅方面，對(duì)粗粒冰銅和金屬銅進(jìn)行回收的同時(shí)，也應(yīng)注重細(xì)粒冰銅和金屬銅的回收。

4 結(jié) 論

（1）熔煉渣主要由冰銅、鐵橄欖石、玻璃相、鐵酸鹽組成，冰銅和金屬銅是熔煉渣中主要銅礦物相，其中冰銅分布率達(dá)92.69%。

（2）熔煉渣中冰銅主要呈粒狀產(chǎn)出，部分冰銅顆粒被鐵橄欖石、玻璃相、鐵酸鹽、锍化鉛等礦物相包裹或連生，冰銅與鐵酸鹽和鐵橄欖石邊界有明顯裂隙，有助于冰銅的解離，其單體解離度為46.13%；熔煉渣中金屬銅平均粒徑0.030 mm，多數(shù)分布在-0.038 mm+0.020 mm粒級(jí)內(nèi)，其銅單體解離度為33.81%。從粒度和嵌布狀態(tài)看，冰銅較金屬銅易于回收。