铜渣资源综合利用研究现状

文/何芝成

1 引言

据世界金属统计局（WBMS）公布数据，2021 年全球精炼铜产量为2466 万吨，同比增加2.1%。目前，中国是全球精炼铜产量最大的国家，2021 年中国精炼铜产量为1049 万吨，占全球总产量的42.54%。而每生产1 吨精炼铜约排放2-3 吨铜渣，因此，2021 年我国约排放2000-3000 万吨铜渣。

各种铜冶炼方法产出熔炼铜渣中铜、铁含量见表1 所示：

表1 各种铜冶炼方法产出熔炼渣中铜、铁含量/%

为进一步降低渣中含铜，各冶炼厂采用缓冷-浮选、或火法贫化-浮选等方式，对渣中的铜进行回收，使处理后的铜渣含铜为0.2%-0.4%，含Fe30%-45%、SiO230%-40%、Al2O33%-10%、CaO2%-8%、Zn1%-2%、Pb0.5%-1%、S0.3%-0.5%、As0.1%-0.3%。尽管如此，每年随铜渣损失的金属铜在5 万吨以上，金属铁超过800 万吨。

在如此巨量的铜渣中，不仅含有铜和铁，还含有锌、铅、砷等有价元素，除了少量被回收利用，其余都被堆存处理，这不仅占用大量的土地，还会对周围的水体和土壤产生污染，造成环境危害。

2 铜渣未能直接用于高炉炼铁的原因

铜渣中含铁30%-45%，我国铁矿石平均品位为30%-35%[1]，理应成为铁精矿，但未能直接用于高炉炼铁，其原因为：

一是铜渣中Zn、Pb、As、Cu、S 含量均超过铁矿石有害元素控制标准。高炉炼铁允许铁矿石中有害元素含量及过量造成的危害见表2 所示：

表2 铁矿石有害元素控制标准及过量危害/%

二是铜渣中的铁主要以铁橄榄石(Fe2SiO4)形式存在，为难还原物质，不论是作为配矿使用还是直接入炉，都对高炉的生产造成巨大影响，如冶炼过程困难、能耗增加、炉壁结瘤、炉渣量增大等。

因此，若想要通过高炉大批量地处理、回收利用铜渣，首先得对铜渣进行预处理，使其满足高炉炼铁原料入炉标准。

3 铜渣资源综合利用及研究现状

3.1 铜渣在水泥工业中的利用

水泥的主要化学成分为：氧化钙，二氧化硅，三氧化二铝，以及少量的三氧化二铁(见表3)，水泥在生产过程中，需要向其中添加少量铁质校正剂，铁氧化物与二氧化硅反应生成较低熔点的硅酸铁，可以降低水泥熟料的烧成温度。

表3 水泥和铜渣的化学成分含量/%

铜渣中的铁若以氧化铁形式表示则高达43%-64%，二氧化硅30%-40%，向水泥中添加少量铜渣，其中的铁恰好可以作为水泥所需的铁质校正剂。但毕竟水泥和铜渣两者化学成分有差异，导致水泥工业不能大量添加铜渣，一般仅添加5%左右。

3.2 铜渣回收铁的技术研究

近些年铜渣排放量呈逐年上升趋势，有关铜渣回收铁的研究也备受关注。

3.2.1 直接磁选

常温下采用磨矿+磁选的方式回收铜渣中的铁，表4中列出了几项直接磁选回收铜渣中铁的研究。

结果表明铁精矿中含铜＞0.2%，铁的品位和回收率均不高，因此，直接磁选回收铜渣中的铁不具有明显优势。

3.2.2 氧化焙烧+磁选

在800-1400℃条件下，加入调渣剂，使铜渣中的铁向磁性铁转变，然后缓慢控制冷却速度，使磁性铁颗粒长大，再采用磨矿+磁性的方式回收铁，见表5 所示。

表5 氧化焙烧回收铜渣中的铁

结果表明铁的回收率高达90%，但铁精矿中含杂质以及存在能耗较高的问题。

3.2.3 直接还原+磁选

采用向铜渣中加入还原炭和添加剂，在1200℃-1300℃条件下，将铜渣中的铁还原为单质铁，然后采用磨矿+磁选的方式回收铁，表6 中列出了几项直接还原+磁选回收铜渣中铁的研究。

表6 直接还原+磁选回收铜渣中的铁

结果表明可直接获得金属铁粉，品位＞92%，回收率也较高，但仍然存在铁粉中含铜，能耗高的问题。

3.2.4 熔融还原

向铜渣中配入还原剂和造渣剂，在＞1250℃条件下将铁还原为液态铁水并进行回收，表7 中列出了熔融还原铁的研究。

表7 熔融还原回收铜渣中的铁

结果表明铁的品位和回收率都高，但存在铁产品含铜的问题。

3.3 铜渣铁硅分离研究

3.3.1 氧化焙烧+碱浸

铜渣在800℃氧化焙烧60min，焙烧渣采用L:S=5:1，NaOH 浓度160g/L，T=110℃，t=180min 条件下浸出，硅的浸出率为87.33%，渣中硅含量降至4.08%，铁未被浸出留于渣中[10]，浸出渣成分见表8 所示。

表8 氧化焙烧渣碱浸所得焙烧渣化学成分/%

采用氧化焙烧+碱浸的方式，能有效分离铁和硅，硅可以从浸出液进一步提取得到硅的产品，渣中含铁品位较高，但渣中Zn、Pb、Cu 远高于高炉炼铁杂质元素控制标准。

3.3.2 碳热还原+碱浸

含铁43.91%、二氧化硅33.61%的铜渣配入碳，在1200℃下还原60min，Zn、Pb 挥发进入烟尘，还原产物在L:S=6:1，NaOH 浓 度160g/L，T=110 ℃，t=150min 条件下浸出，可得到铁品位78.17% 的铁精矿[11]，实现铁硅分离。

采用碳热还原+碱浸的方式，铜渣中的Zn、Pb 挥发进入烟尘，可极大降低碱浸渣中铁粉Zn、Pb 含量，但Cu仍在铁粉中。

3.4 铜渣制备不锈钢资源综合利用研究

由东北大学张廷安教授团队、东北大学有色固废技术研究院(辽宁)有限公司等单位完成的“熔融铜渣适度贫化-涡流还原制备含铜抗菌不锈钢/耐磨铸铁关键技术与装备开发”项目，在中国有色金属工业协会召开的科技成果评价会上通过鉴定，与会专家一致认为，此项科技成果创新性强。该项目技术成果已形成国家发明专利10 余项、国际PCT 专利3 项。

据悉，铜渣在1150℃-1350℃经过这一新工艺处理后，渣含铜量降至0.28%-0.5%范围，渣中部分铜被还原进入铁水，含铜铁水在1650℃冶炼成含铜抗菌不锈钢，涡流还原技术与装备可使还原渣中的铜、铁、锌含量分别降至0.06%、0.2%、0.03%以下，使得铜渣中有价金属铜、铁、锌的利用率分别达到95%、98%、90%。铜渣中的铅、锌等进入收尘系统，贫化尾渣可用于水泥工业。

表9 铜渣资源综合利用比较

3.5 铜渣资源综合利用比较

由上可知，大多数的铜渣处理方法，存在能耗高，铁精矿或铁产品杂质含量高，经济效益不明显等问题；熔融还原制不锈钢，铜渣中的铜得到充分利用，铅锌进入烟尘回收，贫化尾渣制造水泥，提高了产品附加值，资源得到综合利用，具有推广和应用价值。

4 结语

目前，虽然铜渣在回收铁的技术及资源综合利用方面的研究取得了一些成果，但大多数都只停留在实验室研究和专利申请，真正进行了工业扩大试验并成功应用于生产稳定运行的还鲜见报道。因此，需要加大力度，助推铜渣资源综合利用产业化。