经改性的电炉贫化铜渣的酸浸—弱磁选试验

王福坤 黄自力 高 斯 廖军平(武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081)

社会经济的快速发展带来了资源的大量消耗，二次资源的开发利用不仅可以创造经济价值，而且可以减少环境污染。火法冶炼是目前生产铜的主要工艺，其产量占世界铜产量的80%，我国更是高达 97%[1]。按火法炼铜每生产1 t铜平均产渣2.2 t计[2]，我国每年新增铜渣大约1 500万t，仅有少量得到开发利用，大量的铜渣堆积在渣场中，不仅污染土地，而且造成资源的浪费[3-7]。不同的冶炼方法铜渣成分不尽相同，但磁铁矿、铁橄榄石、无定型硅酸盐、铜锍含量一般较高，其中铜、铁品位通常超过我国铜、铁矿石开采品位，因此，铜渣中的铜、铁具有较高的回收利用价值[8-10]。

目前，铜渣中铜等金属的回收方法主要有火法贫化、浮选、湿法冶金等[11-13]。火法贫化耗能大，成本高，弃渣含铜依然较高，部分渣的铜品位仍明显高于目前开采矿石的平均铜品位。湿法具有设备简单，耗能低，有价金属回收率高，技术成熟等特点。随着研究的深入，湿法工艺得到很大的发展，目前，主要采用的为酸浸法和碱浸法。鉴于硫酸也是铜冶炼厂的副产之一，因此，硫酸浸出法就有明显的成本优势。由于铜渣中的铁主要以铁橄榄石(Fe2SiO4)的形式存在，直接磁选回收困难，且精矿铁品位较低，要高效回收铁橄榄石中的铁就必须先将铜渣中的Fe2SiO4转变成Fe3O4，因此，采用改性焙烧—硫酸浸出—弱磁选工艺对某电炉贫化铜渣中的铜、铁进行了回收试验。

1 试验原料

试验原料为某铜冶炼厂的电炉贫化渣，主要化学成分分析结果见表1，XRD分析结果见图1。

表1 试验原料主要化学成分Table 1 Main chemical composition of raw materials %

图1 试验原料的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of copper slag1—磁铁矿；2—铁橄榄石

由表1可知，试验原料中的主要有用成分为Cu、Fe，铁品位为31.80%，铜品位为1.24%。

由图1可知，试验原料中主要可见铁橄榄石相和磁铁矿相。由于原料铜等元素含量相对较低，因此未检测出其矿物相。

2 反应原理与试验方法

2.1 反应原理

试验原料中氧化态金属化合物易与硫酸反应，氧化铜与硫酸的反应式为

H2SO4+CuO=CuSO4+H2O.

(1)

试验原料中部分铜以硫化铜及单质铜的形式存在，在不添加氧化剂的情况下主要发生的是铜氧化物的酸溶反应，铜浸出率较低。过氧化氢作为一种强氧化剂，对提高铜的浸出率具有显著的影响，硫化铜和单质铜的反应式为

CuS+2H2SO4+2H2O2=CuSO4+2H2SO3+2H2O，

(2)

H2SO3+H2O2=H2SO4+H2O，

(3)

2H2SO4+2Cu+O2=2CuSO4+2H2O.

(4)

由上述反应式可知，铜主要以Cu2+的形式进入液相。

对试验原料中以铁橄榄石形式存在的铁矿物的回收，首先需通过高温焙烧使其分解。为促进铁橄榄石分解的稳定进行，焙烧过程中需加入一定量的Na2CO3作为改性剂，反应式为

(5)

(6)

由式(6)可知，改性过程中会产生大量Na2SiO3，Na2SiO3在酸浸过程中形成硅酸，随着反应时间的延长，进入液相的硅酸分子和+1价硅酸离子间进行羟联反应形成双硅酸，由双硅酸、三硅酸……多硅酸一直聚合下去，形成硅溶胶或硅凝胶，严重影响矿浆的流动性，反应式为

Na2SiO3+H2SO4=Na2SO4+H2SiO3，

(7)

H2SiO3+H2O=H4SiO4，

(8)

(9)

上述反应形成的硅溶胶与磁铁矿黏结在一起，会对铁精矿品位的提高造成不利影响，因此，控制浸出时间非常重要。

2.2 试验方法

试验原料与碳酸钠按一定质量比5∶1混匀，在1 150 ℃下改性焙烧90 min，即得到改性的电炉贫化铜渣。将该改性铜渣碎磨至一定细度后进行氧化酸浸—弱磁选试验，分析、计算铜浸出率、铁精矿品位和回收率。

3 试验结果及分析

3.1 浸出条件试验

浸出试验的磁场强度为240 kA/m。

3.1.1 磨矿细度试验

磨矿细度对铜浸出率、铁精矿指标影响试验在硫酸浓度为200 g/L，过氧化氢添加量为200 mL/kg，液固比为5 mL/g，浸出温度为70 ℃，浸出时间为80 min的条件下进行，试验结果见表2。

表2 磨矿细度试验结果Table 2 Experimental result of different grinding fineness

由表2可知，随着磨矿细度的提高，铜浸出率呈先快后慢的上升趋势，铁精矿品位变化不大，铁回收率有所下降。综合考虑，确定磨矿细度为D90=52.6 μm，对应的铜浸出率为70.43%，铁精矿铁品位48.30%、铁回收率为58.39%。

3.1.2 硫酸浓度试验

硫酸浓度对铜浸出率、铁精矿指标影响试验在磨矿细度为D90=52.6 μm，过氧化氢添加量为200 mL/kg，液固比为5 mL/g，浸出温度为70 ℃，浸出时间为80 min的条件下进行，试验结果见表3。

表3 硫酸浓度试验结果Table 3 Experimental result of sulfuric acid concentration

由表3可知，提高硫酸的浓度，铜浸出率呈先快后慢的上升趋势，铁精矿铁品位先升后降，铁回收率呈先快后慢的下降趋势。综合考虑，确定硫酸的浓度为150 g/L，对应的铜浸出率为69.43%，铁精矿铁品位为50.77%、铁回收率为61.48%。

3.1.3 过氧化氢添加量试验

过氧化氢添加量对铜浸出率、铁精矿指标影响试验在磨矿细度为D90=52.6 μm，硫酸浓度为150 g/L，液固比为5 mL/g，浸出温度为70 ℃，浸出时间为80 min的条件下进行，试验结果见表4。

表4 过氧化氢添加量试验结果Table 4 Experiment result of the addition of hydrogen peroxide

由表4可知，随着过氧化氢添加量的增加，铜浸出率升高，铁精矿指标变化不显著。综合考虑，确定过氧化氢添加量为150 mL/kg，对应的铜浸出率为68.57%，铁精矿铁品位为50.82%、铁回收率为61.49%。

3.1.4 液固比试验

液固比对铜浸出率、铁精矿指标影响试验在磨矿细度为D90=52.6 μm，硫酸浓度为150 g/L，过氧化氢添加量为150 mL/kg，浸出温度为70 ℃，浸出时间为80 min的条件下进行，试验结果见表5。

表5 液固比试验结果Table 5 Experimental result of liquid to solid ratio

由表5可知，随着液固比增大，铜浸出率呈先快后慢的上升趋势，铁精矿铁品位上升、铁回收率下降。液固比由3 mL/g提高至5 mL/g，铜浸出率由58.41%提高至68.56%，铁精矿品位由46.32%提高至50.82%；继续提高液固比至7 mL/g，铜浸出率升幅不大，铁精矿品位提高至55.63%。综合考虑，确定液固比为5 mL/g，对应的铜浸出率为68.57%，铁精矿铁品位为50.82%、铁回收率为61.49%。

3.1.5 浸出温度试验

浸出温度对铜浸出率、铁精矿指标影响试验在磨矿细度为D90=52.6 μm，硫酸浓度为150 g/L，过氧化氢添加量为150 mL/kg，液固比为5 mL/g，浸出时间为80 min的条件下进行，试验结果见表6。

表6 浸出温度试验结果Table 6 Experimental result of leaching temperature

由表6可知，随着浸出温度的升高，铜浸出率先显著上升后维持在高位，铁精矿铁品位先微幅上升后明显下降、铁回收率下降。综合考虑，确定浸出温度为60 ℃，对应的铜浸出率为68.42%，铁精矿铁品位为53.18%、铁回收率为61.81%。

3.1.6 浸出时间试验

浸出时间对铜浸出率、铁精矿指标影响试验在磨矿细度为D90=52.6 μm，硫酸浓度为150 g/L，过氧化氢添加量为150 mL/kg，液固比为5 mL/g，浸出温度为60 ℃的条件下进行，试验结果见表7。

由表7可知，浸出时间从30 min延长至60 min，铜浸出率从48.56%显著上升至67.15%，铁精矿铁品位从53.09%提高至55.64%、铁回收率从66.12%降至62.53%；继续延长浸出时间，铜浸出率小幅上升，铁精矿铁品位明显下降。综合考虑，确定浸出时间为60 min，对应的铜浸出率为67.15%，铁精矿铁品位为55.64%、铁回收率为62.53%。

表7 浸出时间试验结果Table 7 Experimental result of leaching time

3.2 弱磁选磁场强度试验

在确定的浸出条件下对浸渣进行了弱磁选磁场强度试验，结果见图2。

图2 磁场强度对铁精矿铁品位与铁回收率的影响Fig.2 Effect of magnetic field intensity on Fe grade and recovery of iron concentrate■—品位；●—回收率

从图3可以看出，磁场强度从80 kA/m提高至240 kA/m，铁精矿铁品位从56.82%降至55.64%，铁回收率从59.89 %提高至62.53%。综合考虑，确定的弱磁选磁场强度为160 kA/m，对应的精矿铁品位为56.01%，铁回收率为62.38%。

4 结 论

(1)某铜冶炼厂的电炉贫化渣铜、铁含量分别为1.24%和31.80%，主要可见铁橄榄石相和磁铁矿相。

(2)铜渣在磨矿细度为D90=52.6 μm，硫酸的浓度为150 g/L，过氧化氢添加量为150 mL/kg，液固比为5 mL/g，浸出温度为60 ℃，浸出时间为60 min，弱磁选磁场强度为160 kA/m情况下，可获得铜浸出率为67.15%，铁精矿铁品位为56.01%、铁回收率为62.38%的试验指标。

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