炼铜烟灰加压浸出试验研究①

陈荣升， 谌宏海， 王细军， 李亚杰， 廖诗佳， 李 杰

（湖北大江环保科技股份有限公司，湖北 黄石435005）

铜是一种玫瑰红色重金属，广泛用于电气、国防等各个领域［1-2］，目前绝大部分金属铜是通过火法工艺产出的［3-5］。 火法炼铜底吹炉造锍熔炼是将含铜物料与溶剂一起加入底吹炉内，通入富氧空气使物料在高温下熔化，发生一系列物理化学反应后得到冰铜和炉渣［6-8］，铜精矿中伴生的Pb、Zn 等易挥发组分进入烟气中［9］。 因底吹炉特殊的结构，铜烟灰中元素种类多且含有较多的金属硫化物，增加了烟灰的处理难度。 目前国内外对底吹炉烟灰的研究较少，处理时存在工艺流程长、回收率低、有害物质难于开路等难题［10-12］。 本文针对底吹炉炼铜烟灰的组成特性，采用加压浸出法，实现铜、锌两种金属元素的提取，主要研究了温度、压力、始酸浓度、浸出时间对铜、锌浸出效果的影响，为后续分离提取提供参考。

1 试 验

1.1 试验原料

试验所用原料来自我国某铜冶炼企业底吹炉熔炼过程产生的铜烟灰，样品经干燥、缩分、混匀后取样，粉磨和筛分处理，保证物料粒度小于0.074 mm。 铜烟灰粒度较细，在2 ～4 μm、10 ～20 μm 和60 ～70 μm 粒级呈现相对部分集中分布，平均粒度为3.86 μm，比表面积为979.3 m2/kg，有利于湿法浸出过程。

铜烟灰样品的主要化学元素组成见表1，其X 射线衍射图见图1。

表1 铜烟灰主要化学元素组成（质量分数）/%

图1 铜烟灰XRD 图谱

为进一步查明铜烟灰中铜、铅、铁和砷的赋存状态，进行了物相定量分析，结果见表2。

表2 铜烟灰中Pb、Cu、As、Fe 的物相分布

1.2 反应原理

根据铜烟灰中铜、铅、砷和铁等金属的含量及物相分析结果，拟采用氧压浸出法将铜、锌与砷、铁、铅分离。 反应可分为3 个阶段：第一阶段为易溶于酸的氧化锌、氧化铜、氧化铁和氧化铅等物质与硫酸反应；第二阶段为金属硫化物在有氧条件下溶出，以及低价态砷、铁被氧化为高价，此时烟灰中大部分铜、砷、铁、锌以可溶性硫酸盐形式进入溶液中；第三阶段为溶液中砷、铁反应生成砷酸铁沉淀，与锌、铜分离［13］。 由于铜烟灰原料中砷与铁的比例相当，砷与铁基本沉淀，故本文只讨论温度、压力、始酸浓度、浸出时间对铜、锌浸出率的影响。

1.3 试验方法

称取一定量的铜烟灰，按照一定的温度、压力、始酸浓度及浸出时间在反应釜（威海宏协化工机械有限公司CJK-2L 磁力反应釜，内衬锆材）中进行反应，待反应结束后，过滤、洗涤，滤渣干燥后进行化学分析检测，微量元素成分采用ICP-MS （Agilent 7500）检测，铜、锌浸出率根据渣的成分数据进行计算。

采用日本岛津公司DIFFRACTO METER-6000 型X 射线衍射仪（XRD）进行矿物组成分析；采用百特BT-9300S 型激光粒度仪进行粒度分析。

2 结果与分析讨论

2.1 温度的影响

压力1.1 MPa、始酸浓度100 g/L、浸出时间1 h 条件下，不同温度对铜、锌浸出率的影响见图2。 从图2可看出，当温度从120 ℃增大到160 ℃时，铜、锌浸出率逐步提高。 这是因为随着温度不断升高，烟灰中可溶物质在溶液中的溶解度增大，从而使浸出速度加快；同时，升高温度可以降低浸出液黏度，有利于物质扩散，从而促进浸出反应。 但当温度增大到180 ℃时，铜、锌浸出率出现略微下降的趋势。 因此选择温度为160 ℃。

图2 温度对铜烟灰浸出的影响

2.2 压力的影响

温度160 ℃，其他条件不变，不同压力下铜、锌浸出率如图3 所示。 从图3 可知，压力从0.8 MPa 提高到1.2 MPa 时，铜浸出率有了明显提高，继续增大压力时，铜浸出率上升缓慢；锌浸出率变化趋势与铜非常类似。 故选取压力为1.2 MPa。

图3 压力对铜烟灰浸出的影响

2.3 始酸浓度的影响

始酸浓度对保证生产中的处理能力至关重要。 压力1.2 MPa，其他条件不变，不同始酸浓度时铜、锌浸出率如图4 所示。 由图4 可知，当始酸浓度从90 g/L增大到130 g/L 时，铜、锌浸出率均明显提高；进一步增大始酸浓度时，铜、锌浸出率变化平缓。 这说明始酸浓度达到130 g/L 时，铜烟灰与酸的接触反应已经比较充分。 因此确定始酸浓度为130 g/L。

图4 始酸浓度对铜烟灰浸出的影响

2.4 浸出时间的影响

始酸浓度130 g/L，其他条件不变，浸出时间对铜、锌浸出率的影响如图5 所示。 从图5 可看出，当浸出时间从1 h 延长至3 h 时，铜、锌浸出率逐渐上升，继续延长浸出时间至4 h 时，铜、锌浸出率基本保持不变，因此浸出时间选择为3 h。

图5 浸出时间对浸出的影响

2.5 综合试验及浸出渣元素分析

根据单因素实验，在温度160 ℃、压力1.2 MPa、始酸浓度130 g/L、浸出时间3 h 条件下，进行了铜烟灰加压浸出综合试验，铜、锌浸出率分别达到98.9%和97.8%。

对浸出渣进行了化学元素分析，结果如表3 所示。浸出渣中Cu、Zn 含量皆为微量，Pb、Fe、As 含量较高，可以作为铅火法冶炼原料。

表3 浸出渣主要化学元素组成（质量分数）/%

浸出液可通过除铜-除铁-除锰-除镉等净化工序得到纯净的硫酸锌溶液，再通过蒸发结晶制成一水硫酸锌或七水硫酸锌产品。

3 结 论

1） 采用氧压浸出法处理铜冶炼底吹炉造锍熔炼过程中产生的铜烟灰，可有效浸出铜、锌，实现铜烟灰中有价资源的回收。

2） 加压浸出的最佳条件为：温度160 ℃、压力1.2 MPa、始酸浓度130 g/L、浸出时间3 h，该条件下铜、锌浸出率可达到98.9%和97.8%，浸出效果好。