刚果（金）铜钴矿湿法冶金工程实例分析

张海宝，骆贞江，孟祥龙，伏晓丹，张鹏

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

近几年，中国瑞林工程技术股份有限公司（以下简称“中国瑞林”）承担了刚果（金）多个铜钴矿项目的工程设计及部分总包任务。 各项目阴极铜总产能超过550 kt/a、钴金属总产能超过60 kt/a，占刚果（金）铜钴新增产能的80%以上。目前，刚果（金）地表层中Cu 品位＞3%、Co 品位＞1%的高品位铜钴矿日益减少，且随着采矿深度的增加，氧化铜钴矿正逐步向硫化铜钴矿转变[1]。

本文通过对中国瑞林承担的刚果（金）5 个铜钴矿湿法冶炼项目的资源特点、原料成分、试验研究、工艺方案、 主要技术参数及项目运行过程中遇到的主要问题进行分析与总结， 以期对当地类似项目提出更适合资源特点及原料变化趋势的工艺方案。

1 工程实例概况

本文考察的5 个项目分别是迪兹瓦铜钴矿项目（以下简称“Deziwa 项目”）、希图鲁铜钴矿项目（以下简称“Shituru 项目”）、RTR 项目、腾科丰谷鲁美矿业股份有限公司（以下简称“TFM 项目”）、Kamoya 铜钴矿二期（以下简称“Kamoya Ⅱ项目”）。 5 个项目的具体情况如下：

1）Deziwa 项目2016 年开始可行性研究与设计，2018 年开工建设，2019 年12 月建成投产，主要处理自有矿山开采的氧化铜钴矿石， 产品为阴极铜和粗制氢氧化钴。 目前，该项目矿石处理量为15 kt/d，阴极铜产能为80 kt/a，钴金属产能为9 kt/a。

2）Shituru 项目2015 年开始可行性研究与设计，2017 年开工建设，2018 年12 月建成投产， 主要处理外购的高品位氧化铜钴矿石， 产品为阴极铜和粗制氢氧化钴。 其中，氢氧化钴生产线为新建，铜电积系统利旧。 矿石处理量为700 t/d，阴极铜产能为10 kt/a，钴金属产能为6 kt/a。

3）RTR 项目2015 年开始进行融资建设，中国瑞林承担了编制项目评价和施工图补充设计等工作。2018 年12 月，该项目一期建成投产，主要处理尾矿库中低品位氧化铜钴尾砂， 产品为阴极铜和粗制氢氧化钴。 一期矿石处理量为17 kt/d，阴极铜产能为70 kt/a， 钴金属产能为14 kt/a； 二期处理矿石量为25.5 kt/d，阴极铜产能为105 kt/a，钴金属产能为21 kt/a，2020 年4 月建成投产。

4）TFM 项目2020 年8 月建成投产，主要处理自有矿山开采的氧化铜钴矿石， 产品为阴极铜和粗制氢氧化钴。 现有生产线可处理矿石量为15 kt/d，阴极铜产能为230 kt/a，钴金属产能为15 kt/a。 因铜钴矿石品位降低，为保持现有铜、钴产量，新增了矿石量为10 kt/d 的生产线，阴极铜产能维持在230 kt/a，钴金属产能扩大至20 kt/a。

5）Kamoya Ⅱ项目主要处理自有矿山开采的氧化铜钴矿石和浮选硫化铜、钴精矿，产品为阴极铜和粗制氢氧化钴。 其生产线包括日处理3 kt 氧化铜钴矿的湿法冶金生产线和日处理300 t 硫化铜钴精矿的焙烧—烟气制酸系统。该项目阴极铜总产能为40 kt/a，钴金属总产能为10 kt/a。目前，该项目湿法冶金生产线2020 年8 月已建成投产，焙烧—制酸系统预计2023 年投产。

2 矿物成分与工艺方案

2.1 矿物成分

目前，Deziwa 项目、Shituru 项目、RTR 项目、TFM 项目的原料都为氧化铜钴矿，Kamoya Ⅱ项目的原料为氧化铜钴矿和硫化铜钴精矿。在氧化矿石中，铜矿物主要为孔雀石和假孔雀石，另含少量辉铜矿、绿松石、斑铜矿、赤铜矿、自然铜和铜蓝；钴矿物主要为水钴矿和铜钴硬锰矿， 此外褐铁矿中也含钴。 在Kamoya Ⅱ项目处理的硫化矿中，铜矿物主要为辉铜矿、硫铜钴矿、黄铜矿和斑铜矿。 这些矿物中的铜占处理总量的99%以上。钴矿物主要为硫铜钴矿、菱钴矿和水钴矿， 这些矿物中的钴占处理总量的88%以上。 各项目主要成分见表1 所示。

表1 各项目原料成分

由表1 可知，Deziwa 项目、RTR 项目、TFM 项目和Kamoya Ⅱ项目的氧化铜钴矿原料为中低品位铜钴矿，AsCu 质量分数在1.44%～2.86%，AsCo 质量分数在0.22%～0.31%。 Shituru 项目的氧化铜钴矿原料为高品位铜钴矿，AsCu 质量分数在4.95%，AsCo 质量分数在3.50%。 Kamoya Ⅱ项目的硫化铜钴矿Cu质量分数在26.47%，Co 质量分数在10.66%，S 质量分数在31.33%，为浮选精矿。

2.2 试验研究

各项目前期都进行了大量的试验研究， 主要集中在铜钴浸出、除铁方式和沉钴方式上。

1）氧化矿铜、钴浸出试验情况。

一段浸出采用先浸铜后加还原剂浸钴[2]，二段浸出采用先浸铜[3]，固液分离后浸出渣再继续加还原剂浸出钴。 铜、钴浸出过程主要反应如下所示：

各项目氧化矿铜、钴浸出试验结果如表2 所示。氧化矿中Cu 浸出率主要受粒度影响，粒度越细，Cu浸出率越高。 氧化矿中Co 浸出率主要受Co 质量分数影响，Co 的质量分数越高， 其浸出率越高。 在Kamoya Ⅱ项目中，Co 质量分数是由多个矿体配矿取平均值而成， 其中某些矿体中Co 质量分数＜0.10%，降低了Co 的平均浸出率。 而当浸出液固比在＞3、浸出温度＞35 ℃时，Co 质量分数对铜钴浸出率影响较小。

表2 各项目氧化矿铜、钴浸出主要试验结果

2）除铁试验。

刚果（金）多个在生产的氧化铜钴生产线采用的是普通中和沉铁法。 采用该法，Fe2+不能完全氧化为Fe3+，除铁终点pH 高达4.5～5.0，导致有5%以上的钴生成氢氧化钴进入铁渣，造成了钴的损失[4-7]。低浓度SO2除铁锰技术仅在TFM 项目得到应用， 另外在Deziwa 项目前期也进行了该项试验。 两个项目主要试验结果如表3 所示。

表3 Deziwa 和TFM 项目低浓度SO2 除铁锰试验结果

由表3 可以看出，当SO2体积浓度为1.5%～2.0%，反应终点pH 值小于4 时，除铁率大于99%，除锰率仅有30%。随着温度的升高，反应时间相应减少。 除铁锰过程主要反应如下所示[4]。

（1）中和反应：

（2）铁、锰氧化沉淀反应：

（3）铝、铜沉淀反应：

3）沉钴试验。

为提高产品钴含量和降低杂质含量， 采用二段沉钴法：一段加入活性氧化镁，氢氧化钴沉淀作为产品；二段加入氧化钙，沉淀剩余钴离子；二段沉钴渣返回除铁段做中和剂，回收钴离子。Deziwa 项目前期进行了二段沉钴试验，主要试验结果如表4 所示。

表4 Deziwa 项目前期二段沉钴试验结果

由表4 可以看出，二段沉钴产生的粗制氢氧化钴含钴较高，吨钴氧化镁消耗高于800 kg，同时也需要消耗较高的氧化钙。 沉钴过程主要反应如下所示[8-9]。

（1）一段沉钴反应：

（2）二段沉钴反应：

4）硫化精矿浸出试验。

为利用氧化铜钴生产线处理硫化铜钴精矿，减少投资和提高铜钴回收率， 在Kamoya Ⅱ项目前期对硫化铜钴精矿分别进行了焙烧—浸出[10]和氧压浸出试验[11]，主要试验结果如表5 所示。

表5 硫化铜钴精矿焙烧—浸出和氧压浸出试验结果

由表5 可知，氧压浸出方案的铜、钴浸出率明显优于焙烧—浸出方案的。

2.3 工艺方案

1）中低品位氧化铜钴矿。

Deziwa 项目、TFM 项目扩建和Kamoya Ⅱ期的氧化矿生产线处理原料都为中低品位氧化铜钴矿，并且w(Co)/w(Mn)＜2。根据试验数据和产品方案，这3个项目的工艺技术方案采用了相似流程， 都包含破磨、一段浸出、CCD 逆流洗涤、高低铜萃取、电积、低浓度SO2除铁锰、二段沉钴、闪蒸干燥等工序，具体流程见图1。

图1 中低品位氧化铜钴矿处理流程

中国瑞林参与RTR 项目续建时，该项目主体设备已经安装完成，不具备改造条件，因此其工艺方案中除铁采用了“空气氧化+石灰中和”工艺，沉钴为一段沉钴。

2）高品位氧化铜钴矿。

Shituru 项目生产线处理的原料为高品位氧化铜钴矿，w(Co)/w(Mn)=7。 根据试验数据和产品方案，工艺技术方案采用破磨、两段浸出、CCD 逆流洗涤、高低铜萃取、电积、低浓度SO2除铁锰、常规二段沉钴、闪蒸干燥等工序。

Shituru 项目浸出液中Cu 质量浓度超过了10 g/L，为减少进入CCD 的Cu 含量，提高Co 浸出率，该项目采用二段浸出工艺，且由于该项目处理原料中Mn的质量分数较小， 因此采用常规二段沉钴即可获得合格产品。常规二段沉钴较置换法二段沉钴，不仅反应时间少（6～8 h），还可减少设备和土建投资。

3）氧硫混合矿。

Kamoya Ⅱ期项目投产后前3 年主要处理氧化铜钴精矿，从第4 年开始，开始增加处理硫化铜钴精矿。 该矿处理氧化铜钴矿生产线的萃取、电积、氢氧化钴过滤干燥等系统均预留了一定产能以满足新增硫化铜钴精矿处理的需求。

采用氧压浸出工艺处理硫化铜钴精矿，具有铜、钴回收率高的优点，但也存在投资大、设备维修保养困难和安全隐患较高等缺点。 考虑到刚果（金）当地的维修能力、工人操作水平和安全意识难以在短期内得到有效提升，暂不建议该项目针对硫化铜钴精矿采用氧压浸出方案，推荐采用硫酸化焙烧—浸出和烟气制酸方案，即焙砂浆化液进入氧化矿浸出系统，利用氧化矿生产线预留能力产出产品。其工艺流程详见图2。

图2 氧硫混合矿处理工艺流程

3 主要技术参数及投产运行情况

3.1 主要技术参数

上述5 个项目的主要技术参数对比，见表6。

表6 主要技术参数

3.2 投产运行情况

截至2021 年12 月底， 上述5 个项目都已投产运行，大多数技术指标达到或超过设计值，部分未达到。

1）Deziwa 项目。 该项目投产初期多项技术指标优于设计值，但铜、钴回收率分别仅为90%和61%左右，低于设计值。 这是由于：1）投产初期所处理的铜钴矿为地表矿，风化严重，细料比例高，磨矿后-0.074 mm 占90%，高于设计值70%。2）浸后浓密机和CCD 洗涤浓密机底流浓度仅为50%左右，导致洗涤效率降低，部分铜、钴离子随CCD 末级浓密机底流排入尾矿库。 尾矿库水位较低，不能回水，导致这部分铜、钴损失。 随着高风化氧化铜钴矿的消耗、低风化率氧化铜钴矿的补充和尾矿库液位升高、 回水增加，目前铜、钴回收率已经达到设计值。

2）Shituru 项目。 该项目目前矿石处理量已达到700 t/d，但因矿石中铜、钴品位降低，产品未达产。该项目在试生产阶段， 二段浸出槽和搅拌桨发生过严重腐蚀，一度停产检修和更换相关设备和材质。经研究发现，腐蚀原因主要是试生产阶段，使用焦亚硫酸钠替代了供应不足的浸钴还原剂二氧化硫， 结果因加入量过剩而生成了多余的SO2溶解于矿浆中，从而提供了强烈的还原性腐蚀环境，搅拌槽的底板、侧板和搅拌桨叶片因此受到严重腐蚀而变薄。 该项目采取了在搅拌槽内衬2205 双相不锈钢、 更换2205双相不锈钢桨叶和减少焦亚硫酸钠加入量等措施后，重新进行了试车并逐步投产。

3）RTR 项目。该项目目前矿石处理量达到22.5 kt/d，阴极铜产量和回收率达到设计值，但由于矿石钴品位低于设计值，钴产量和回收率低于设计值。除此之外，分析发现，该项目采用常规中和法除铁，氧化剂为空气，终点pH 值为4.5～5.0，此时有约8%～10%的钴离子生成氢氧化钴进入铁渣， 增加了钴的损失率。 由于缺乏SO2，除铁方式未能改造成设计的低浓度SO2除铁方式。

4）TFM 项目。 该项目扩产后矿石处理量为25 kt/d，阴极铜产能为260 kt/a，钴金属产能为15 kt/a。各项生产指标达到设计值。

5）Kamoya Ⅱ项目。 该项目氧化矿湿法生产线2020 年8 月进入生产阶段，矿石处理量为3 kt/d，因硫化铜钴矿处理线未投产，铜钴产能尚不能达产。

4 技术展望

1）氧化矿铜钴矿处理。目前，刚果（金）大部分氧化铜钴矿铜钴含量分别降低至2%和0.3%以下，如何提高钴回收率和粗制氢氧化钴中钴含量是当前各企业面临的重要问题。 低浓度SO2除铁锰和置换法二段沉钴可以提高钴回收率和粗制氢氧化钴中钴含量， 该方法在今后铜钴矿湿法冶金项目上具有良好的推广前景。

2）硫化铜钴精矿。 目前，刚果（金）处理硫化铜、钴精矿的方式十分单一， 已建成和在建项目选择的都是硫酸化焙烧—浸出、烟气制酸工艺方案。该工艺成熟、运行可靠，但是铜、钴回收率偏低。氧压浸出方案的铜、钴回收率高，但受限于当前条件，氧压釜运行风险较大。 随着当地工人操作水平的不断提高和供电条件的完善， 可在有条件的项目上开展小规模试验，推广氧压浸出工艺方案，提高对铜、钴资源的利用率。 硫化铜钴矿处理流程中的硫大部分以硫酸产出，需与氧化铜钴矿项目进行联合生产。