铜渣浮选尾料中回收铜铁的研究

刘 瑜，杜彦君

（1.甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100；2.金川集团公司贵金属冶炼厂，甘肃 金昌 737100）

铜转炉渣中含铜一般在1.2%～1.6%[1-5]，经过浮选将铜转渣进行贫化，浮选贫化后的精矿返炉炼铜[7-9]，剩余尾渣主要成分为铁橄榄石、磁铁矿相、无定型硅酸盐等[10]，其中含铜降低到0.2%～0.25%，含铁约40%左右，大部分外卖至水泥厂做水泥[7]，造成了尾渣中铜和铁资源的浪费，通过碳还原的方法将铜渣浮选尾料中的铜和铁有效回收，实现了资源的综合利用。

1 实验原料

1.1 铜渣浮选尾料的化学分析

本次实验以金川铜渣浮选尾料为原料。见表中1所示。

表1 金川铜渣浮选尾料的化学成分（%）

1.2 铜渣浮选尾料的晶相结构

图1 金川铜渣浮选尾料的XRD分析

通过XRD分析可知金川铜渣浮选尾料主要成分为Fe2SiO4和Fe3O4。

1.2.1 铁橄榄石Fe2SiO4

铁橄榄石属于斜方晶系，硬度为6.5，比重为4.32，熔点为1205℃，颜色深灰。铁橄榄石是铜渣中的主要脉石矿物，含量较高，结晶粒度较粗，形状较为规则。

1.2.2 磁铁矿相Fe3O4

其化学组成为：FeO31.03wt%，Fe2O368.97wt%，属于等轴晶系，通常呈粒状或不规则形状，其硬度为5.5～6，比重为5.175，熔点为1597℃，属于高熔点矿物。磁铁矿在铜渣中常呈等轴粒状或不规则粒状以稀疏中等浸染状的形式嵌布在铁橄榄石等脉石矿相中，粒度均匀，一般0.03mm～0.06mm，个别粗粒集合体可达0.1mm左右，部分磁铁矿晶粒内部包含粒度0.001mm～0.003mm的硫化铁微粒。

1.3 铜渣浮选尾料的扫描电镜分析

将铜渣浮选尾料磨碎至粒度为200目时，做扫描电镜分析，结果如图2所示。

图2 金川铜渣浮选尾料SEM照片

对a、b、c、d、e五点进行能谱分析，结果见表2所示。

表2 能谱分析结果

经过能谱分析可知，硫化物嵌布在铁橄榄石中或附着在铁橄榄石表面，有较亮的光泽。

2 工艺流程及原理

（1）工艺流程。利用还原剂焦炭对铜渣浮选尾料中铜铁等金属的高温熔融还原作用，实现铜渣浮选尾料中铁和铜等金属的富集。

图3 金川铜渣浮选尾料回收铜铁的工艺流程图

（2）原理。

3 实验结果与分析

本次实验以金川铜渣浮选尾料为原料，考察试焦炭加入量、氧化钙加入量、硼酸钠加入量、熔炼温度等技术参数对熔炼炉渣含铜和铁的影响。实验过程中通过改变其中一种技术参数，固定其他技术参数不变来探索每种技术条件对各种熔炼炉渣含铜和铁的影响。本次实验共分4组进行，实验在马弗炉内进行。

因铜渣浮选尾料中含铜较低，含铁较高，还原过程中铜和铁的走向基本一致，因此主要考察还原后熔炼炉渣中铁的含量。

3.1 焦炭加入量对熔炼炉渣含铁的影响

把180g铜渣浮选尾料与4%硼酸钠、20%氧化钙、焦炭混合均匀后加入坩埚内，其中焦炭的加入量分别为铜渣浮选尾料质量分数的5%、7%、9%、11%、13%，将坩埚放入马弗炉中升温至1400℃，保温0.5h，取出随空气冷却，熔炼炉渣含铁与焦炭加入量的关系如图4。

从图4中可以看出，随着焦炭加入量的增加，熔炼炉渣含铁逐渐降低，当焦炭加入量达到9%以上时，熔炼炉渣中含铁不再发生大幅降低，说明在焦炭加入量达到9%时，铜渣浮选尾料中的铁基本被还原完全，同时考虑到生产实际中成本，选择焦炭的加入量为9%为宜。

3.2 氧化钙加入量对熔炼炉渣含铁的影响

把180g铜渣浮选尾料与4%硼酸钠、氧化钙、9%焦炭混合均匀后加入坩埚内，其中氧化钙的加入量分别为铜渣浮选尾料质量分数的16%、18%、20%、22%、24%，将坩埚放入马弗炉中升温至1400℃，保温0.5h，取出随空气冷却，熔炼炉渣含铁与氧化钙加入量的关系如图5。

图4 焦炭加入量对熔炼炉渣含铁的影响

图5 氧化钙加入量对熔炼炉渣含铁的影响

从图5中可以看出，随着氧化钙加入量的增加，熔炼炉渣含铁先降低后升高，氧化钙加入量22%时，熔炼炉渣含铁最低为0.85%，氧化钙加入量继续增加时，渣型发生变化，熔炼炉渣粘度增大，熔炼炉渣和合金分离困难，导致熔炼炉渣中渣含铁发生波动，因此选择氧化钙的加入量为22%。

3.3 硼酸钠对熔炼炉渣含铁的影响

把180g铜渣浮选尾料与硼酸钠、22%氧化钙、9%焦炭混合均匀后加入坩埚内，其中硼酸钠的加入量分别为铜渣浮选尾料质量分数的0%、2%、4%、6%，将坩埚放入马弗炉中升温至1400℃，保温0.5h，取出随空气冷却，熔炼炉渣含铁与硼酸钠加入量的关系如图6。

图6 硼酸钠加入量对熔炼炉渣含铁的影响

从图6可以看出，随着硼酸钠加入量的增加，熔炼炉渣渣含铁逐渐降低，硼酸钠加入量2%时，熔炼炉渣中渣含铁已经达到0.86%，一个较低的状态，考虑到工业化生产中硼酸钠加入量过大对炉衬侵蚀较快，因此确定硼酸钠的加入量为2%。

3.4 熔炼温度对熔炼炉渣含铁的影响

把180g铜渣浮选尾料与2%硼酸钠、22%氧化钙、9%焦炭混合均匀后加入坩埚内，将坩埚放入马弗炉中升温至1375℃、1400℃、1425℃、1450℃，保温0.5h，取出随空气冷却，熔炼炉渣含铁与熔炼温度的关系如图7。

图7 熔炼温度对熔炼炉渣含铁的影响

从图7可以看出，随着熔炼温度的增加，熔炼炉渣粘度降低，流动性增大，渣和合金分离效果较好，熔炼炉渣含铁逐渐降低，考虑到实际生产中炉温过高对炉寿命影响较大，因此确定熔炼温度为1425℃。

3.5 铁合金成分

产出的铁合金中含铁达到96.27%，含铜达到0.99%，含锌达到0.008%，含碳达到1.40%，含硫达到1.06%，可以作为提铁的高品位原料炼铁或作为特殊新能不锈钢的原料[6]。

表3 铁合金的化学成分（%）

用抛光后的金属纵剖面作扫面电镜成分分析，如图8。

图8 金属纵剖面SEM照片

由图8可知：金属中存在三个相区，基底Fe和少量C、Cu区（a区），条状区主要是Fe和少量的C（b区）以及富Fe、S区（c区），金属铁相分布均匀。

4 结论

通过本次铜渣浮选尾料回收铜铁的研究，得出以下结论：

（1）铜渣浮选尾料回收铜铁的过程中，影响熔炼炉渣中含铁的主要因素有焦炭加入量、氧化钙加入量、硼酸钠加入量、熔炼温度。最佳工艺条件为焦炭加入量9%、氧化钙加入量22%、硼酸钠加入量2%、熔炼温度1425℃，此时，熔炼炉渣中含铁为0.86%。

（2）在最佳工艺条件下产出的铁合金含铁达到96.27%，含铜达到0.99%，含锌达到0.008%，含碳达到1.40%，含硫达到1.06%，实现了铜渣浮选尾料中铜和铁的有效回收[11]。