铜冶炼炉渣回收选铁的实践和探索

谢钿生，李帅伟

（赤峰金通铜业有限公司，内蒙古 赤峰 0240000）

1 引言

铜冶炼生产过程，会产生大量的炉渣，炉渣产量一般是铜产能的2～3倍，而且炉渣含有各类金属元素，尤其是含铜仍较高，一般含铜0.5%～6%，甚至更高。如果直接弃渣，将造成大量铜金属的损失，通常需要配套建设渣选矿回收铜金属，使尾砂矿含铜控制在0.3%以下才进行弃渣［1-6］。尾矿属于一般固废，由于产量巨大，堆存困难。在我国南方地区，水泥厂等建材企业诸多，可以作为水泥厂等建材企业的辅料使用；在我国北方，水泥厂等建材企业分布较少，且因气候影响，相关企业开工率低，造成铜冶炼炉渣市场需求非常有限，只能堆存，甚至额外增加成本进行处理。综上所述，迫切需要开展炉渣综合利用工艺研究开发。通过对炉渣的特性进行分析，结合各类回收利用资料及有关研究进展，发现炉渣除回收铜金属外，最有可能的综合利用方式是回收炉渣的铁金属。炉渣一般含铁38%～47%，由于炉渣属于人造矿石，且铁金属多以化合物的连生体特性存在，不同于矿山的原生铁矿，炉渣极难选矿回收，这也导致当前炉渣回收选铁技术仍停留在实验研究阶段。

铜冶炼炉渣因其特性，难以产出矿山原生铁精矿品质，故选出的铁精矿价格及市场仍有限。根据市场调研，炉渣生产的铁精矿，产品品质的主要关键指标是含Fe品位、Zn元素含量，其中铁精矿含量分为50%、55%、60%各点区间的不同品质，锌为1%、2%各点区间的不同品质。

2 渣选矿工艺

金通铜业公司地处中国北部内蒙古赤峰，金通公司渣选厂设计处理能力为2000t/d，年处理炉渣约62万t，其中熔炼渣53万t，转炉渣9万t。铜冶炼火法是采用富氧侧吹炉熔炼－智能数控吹炼炉吹炼－回转式阳极炉火法精炼的生产工艺，侧吹熔炼炉炉渣和智能数控吹炼炉炉渣经缓冷后渣选矿。采用SAB碎磨+中矿单独再磨，磨矿产品经过两次粗选、三次扫选、三次精选+中矿单独再磨返回粗选选别工艺产出铜精矿，选铜尾矿进行磁选回收炉渣中的磁铁矿。详细工艺流程见图1。

图1 炉渣选矿工艺流程

3 炉渣特性

从元素组成看，炉渣主要由铁、硅、氧组成，三种元素占总质量的80%以上，另外还含有铜、锌等有色金属元素及硫、磷、铅、砷等有害杂质元素。从矿物组成看，铜渣的主要矿物组成是铁橄榄石(Fe2SiO4)、磁铁矿 (Fe3O4)及一些脉石组成的无定形玻璃体。铜渣中铁主要存在于铁橄榄石、磁铁矿、锌铁尖晶石(ZnFe2O4)中，另有极少量以赤铁矿、金属铁等形式存在［2-6］。选取2021年6月份的一批次的生产样进行检测分析，熔炼渣与吹炼渣按照5∶1混合选矿。

3.1 入选原矿的主要化学成分分析（表1和表2）

表1 炉渣的多组分分析结果

表2 铁的化学物相分析结果 %

3.2 主要的矿物（相）组成及相对含量研究

原矿的X-射线衍射分析结果见图2。由图可知，产品中的物质主要为铁橄榄石和磁铁矿。

图2 X-射线衍射分析结果（F-铁橄榄石；M-磁铁矿）

3.3 磁铁矿嵌布分析

磁铁矿是产品中主要的铁矿物，磁铁矿含杂较多，普遍含铝、硅、钛和锌，少量含钠、镁、硫和铬。磁铁矿一般呈粒状、不规则状产出，部分呈鱼骨状及树枝状。磁铁矿一般以单体形式产出（图3）；此外，也有较多磁铁矿与铁橄榄石、玻璃质等连生（图4和图5），少量细粒磁铁矿被包裹在其中；有时磁铁矿与冰铜、硫化铅和锌铁硫化物等硫化物连生（图6）；有时磁铁矿与铅铁硅酸盐连生（图7）。

图3 磁铁矿呈半自形粒状单体产出

图4 磁铁矿与玻璃质、铁橄榄石连生

图5 磁铁矿与铁橄榄石、玻璃质和低冰铜连生

图6 磁铁矿（1）中包裹低冰铜（2）

图7 磁铁矿（1）与铅铁硅酸盐（2）连生

3.4 炉渣中铁的赋存状态

铁的元素平衡计算结果见表3。由表可知，铁主要以铁橄榄石和磁铁矿的形式存在，分别占47.80%和47.73%，另有少量分布在玻璃质、硫化铁、锌铁硫化物、冰铜等物质中。其中，硅酸铁（铁橄榄石、玻璃质和铅铁硅酸盐）中的铁占50.06%。

表3 铁在各物质中的平衡配分 %

3.5 铁相的解离特征研究

当浮选选铜给料细度为-0.045mm占84%时，开展铁相的解离特征研究，测定磁铁矿的单体解离度为50.79%，单体解离均不充分。磁铁矿单体及与非金属相富连生（＞1/2）部分占有率为75.33%，这部分磁铁矿回收相对较好，测定结果见表4。同时对磁铁矿嵌布粒度进行检测，粒度分布均较细，集中分布在0.043mm以下，详见表5。

表4 磁铁矿的解离特征

表5 磁铁矿的嵌布粒度

考虑到连生体部分是影响铁选矿指标的重要因素，特对磁铁矿的连生体部分的粒度进行了统计。统计结果显示，磁铁矿连生体集中分布在0.02～0.043mm之间，其中在-0.010mm粒级，磁铁矿连生体的占有率高达10.53%（占总磁铁矿5.18%）。这部分细粒铜、铁主要与铁橄榄石、玻璃质连生，较难单体解离。结果见表6。

表6 磁铁矿连生体的嵌布粒度

4 渣选矿生产实践

熔炼渣含铜为1%，转炉吹炼渣含铜为4%，基于熔炼渣含铜低，设计了熔炼渣与转炉渣按照4∶1进行混合选矿，采用渣缓冷和选矿工艺回收渣中的有价金属铜。熔炼渣含铁41%～45%，转炉吹炼渣含铁47%～51%，实际生产会根据两种炉渣中主要的铜、铁含量不同变化，采用不同配比后混选。通过对2021年1～10月的生产主要指标结合生产实际进行综合分析，其中1～5月份为试生产阶段，6月份以后转正常生产。尾矿含铜初期设置在选铁尾矿，指标的有效性及铜损节点不科学。6月份将尾矿含铜指标前置到选铜尾矿，经过近1年的实践生产及优化，选铜尾矿含铜基本可控制在0.23%以下，较好保证了炉渣铜的回收率；铁精矿品位也由最低45%提升到50%以上，且通过工艺控制优化及设备改造创新，磁选给矿铁精矿产率达到40%以上，折算入选原矿铁精矿产率可稳定在35%以上，主要指标详见表7。

表7 2021年1～10月份主要生产工艺及指标

4.1 原料炉渣

通过对各班次生产数据统计发现，如果想要产出50%品位的铁精矿：一是熔炼炉渣含铁不应低于42%，否则混选配料下，也难以产出50%铁精矿，且熔炼渣Fe/Si比不应低于1.5，炉渣SiO2不应高于30%；二是如果熔炼渣单选，炉渣含铁不低于44%，否则难以产出50%品位铁精矿。在实际生产中，熔炼渣与吹炼渣的配比，关键是要控制入选原矿含铜品位，不应高于3%，这样既可以保证选铜各项指标稳定且良好；又可在此基础上，进一步测算入选原矿含铁品位，更加科学配料。通常入选原矿含铁不低于43.5%，可产出50%以上品位铁精矿，实现炉渣选矿回收铜、铁经济效益最大化。

4.2 浓度控制

根据磁选机设备设计要求，给矿浓度为25%～45%。在试生产阶段，入磁选浓度偏高，最高达到50%，导致磁铁矿跑尾高。虽然磁选机设计在分料箱上方有补水管，但因该位置距离入磁选滚筒距离过近，造成补水稀释浓度不够均匀。通过将调浆补水管改造前置到选铜尾矿溢流箱出口，提高了入磁选矿浆浓度均匀性，实际生产入磁选浓度控制为35%～45%，效果更佳。

4.3 细度控制

在试生产阶段，各工艺控制条件不够稳定，波动较大，入浮选浓度0.045mm仅占80%。6月份依据工艺矿物学研究基础，进一步优化工艺控制，根据铜、铁及化合物分布粒度范围，强化磨矿浓度、适合的球比、细度指标控制，将入浮选细度提升了0.045mm占比达到84%以上，有效提高矿物解离效果。通过生产实践，在保持成本可控条件下，制定了各磨矿环节细度控制要求：半自磨出口细度0.074mm占比50%以上，球磨机出口细度0.045mm占比75%以上，立磨机出口细度0.030mm占比90%以上，入浮选细度0.045mm占比83%以上，入磁选细度0.045占比80%以上。

4.4 磁选设备改进优化

初期使用的是CTB-1200×3000永磁筒式磁选机，其磁系由铁氧体磁块组成，适于分选强磁性矿物，根据各种矿物不同的比磁化系数，利用磁力进行分选。

经过近半年的生产，通过提高给矿含铁品位，该磁选机可以产出50%品位铁精矿，但通过试验及比较分析可知：一是经磁选机选铁后，尾矿含铁仍很高，且磁性铁含量高，表明磁铁矿跑尾高；二是该磁选机产率偏低，通常是20%～27%，铁回收率低。为此，在8月份开展了磁选机磁系场强试验。研究表明该原料及工况条件下，磁系场强提升到2400GS更为适宜。8月份将磁选机的磁系场强由1500GS改造提升至2400GS，其磁系由稀土永磁磁块组成；三是对磁选机铁精矿卸料装置进行技术创新改造，使磁选机高效卸料，卸料率超过99%。从9月、10月生产结果看，效果显著，铁精矿品位保持在50%以上，产率提升至35%以上，磁选尾矿含铁品位也进一步降低。

4.5 优化建立完善生产管理体系

一是从生产管理着手，完善了生产管理标准、建立生产管理制度。厂部每天审批下发生产指令书，细化生产关键工艺控制参数的稳定性，选取合适的炉渣配比方案，保障选铁原矿含铁品位。二是强化生产工艺控制标准及参数设置，建立了《金通渣选厂选矿生产管理体系》手册，精确组织生产管理。自6月份以来，持续每周开展生产分析例会，精准和系统地管控生产过程。三是强化设备预防保全管理，细化管道、泵类、磨机大型设备的维保，保障生产持续稳定运行。四是强化技术革新和科技攻关，以《炉渣选铁提品增效综合技术研究》课题为平台，先后开展大量技术研究工作，强化技术方案的集智研讨，提升技改效能，目前已申报2项发明专利。

5 结语

项目于2020年11月份投料试生产，采用熔炼渣与转炉渣混选生产。经过近一年的生产实践与优化改进，通过持续的技术攻关与优化，渣选主要技术经济指标良好，尾矿含铜＜0.23%，炉渣混选回收选铁效益显著，铁精矿品位从最低的45%提升到50%以上，产率从最初的10%不到提升到35%以上，大幅度实现尾矿减量化。按照目前铁精矿产量及50%品位市价测算，仅铁精矿产品为企业年增效益千万元。

从当前的铁精矿生产情况看，只达到铁精矿第一阶段的品质要求，根据有关资料与技术方案，结合炉渣的工艺矿物学研究，铁精矿品质还有进一步的提升空间；另外针对转炉渣含铁已达到50%左右，如何在保障炉渣回收选铜各项指标下，更有效地回收选铁与创造更高效益，还有待进一步研究、探索与实践。