銅渣浮選尾料中回收銅鐵的研究

劉 瑜，杜彥君

（1.甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100；2.金川集團公司貴金屬冶煉廠，甘肅 金昌 737100）

銅轉爐渣中含銅一般在1.2%～1.6%[1-5]，經過浮選將銅轉渣進行貧化，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，通過碳還原的方法將銅渣浮選尾料中的銅和鐵有效回收，實現了資源的綜合利用。

1 實驗原料

1.1 銅渣浮選尾料的化學分析

本次實驗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成分（%）

1.2 銅渣浮選尾料的晶相結構

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，結晶粒度較粗，形狀較為規則。

1.2.2 磁鐵礦相Fe3O4

其化學組成為：FeO31.03wt%，Fe2O368.97wt%，屬于等軸晶系，通常呈粒狀或不規則形狀，其硬度為5.5～6，比重為5.175，熔點為1597℃，屬于高熔點礦物。磁鐵礦在銅渣中常呈等軸粒狀或不規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，個別粗粒集合體可達0.1mm左右，部分磁鐵礦晶粒內部包含粒度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，做掃描電鏡分析，結果如圖2所示。

圖2 金川銅渣浮選尾料SEM照片

對a、b、c、d、e五點進行能譜分析，結果見表2所示。

表2 能譜分析結果

經過能譜分析可知，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，實現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 實驗結果與分析

本次實驗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、熔煉溫度等技術參數對熔煉爐渣含銅和鐵的影響。實驗過程中通過改變其中一種技術參數，固定其他技術參數不變來探索每種技術條件對各種熔煉爐渣含銅和鐵的影響。本次實驗共分4組進行，實驗在馬弗爐內進行。

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，其中焦炭的加入量分別為銅渣浮選尾料質量分數的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，當焦炭加入量達到9%以上時，熔煉爐渣中含鐵不再發生大幅降低，說明在焦炭加入量達到9%時，銅渣浮選尾料中的鐵基本被還原完全，同時考慮到生產實際中成本，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，其中氧化鈣的加入量分別為銅渣浮選尾料質量分數的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，熔煉爐渣含鐵最低為0.85%，氧化鈣加入量繼續增加時，渣型發生變化，熔煉爐渣粘度增大，熔煉爐渣和合金分離困難，導致熔煉爐渣中渣含鐵發生波動，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，其中硼酸鈉的加入量分別為銅渣浮選尾料質量分數的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，熔煉爐渣中渣含鐵已經達到0.86%，一個較低的狀態，考慮到工業化生產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，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，考慮到實際生產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

產出的鐵合金中含鐵達到96.27%，含銅達到0.99%，含鋅達到0.008%，含碳達到1.40%，含硫達到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：金屬中存在三個相區，基底Fe和少量C、Cu區（a區），條狀區主要是Fe和少量的C（b區）以及富Fe、S區（c區），金屬鐵相分布均勻。

4 結論

通過本次銅渣浮選尾料回收銅鐵的研究，得出以下結論：

（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，熔煉爐渣中含鐵為0.86%。

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