高杂再生铜精炼脱杂实验研究

何芝成

（江西铜业集团有限公司贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

0 引言

随着世界对铜需求量的增长，原生矿产铜量虽逐年提升，但仍然满足不了铜市场需求，再生铜的回收利用越来越受到重视。由于再生铜来源广泛，成分复杂，其杂质元素种类较多，例如，Fe、Zn、Pb、Ni、Sn、As和Si 等，通常需要将这些元素脱除至一定含量，甚至经过电解精炼后才可再利用。本文对高杂再生铜中Zn、Fe、Pb、Ni、Sn 和As 等杂质脱除情况进行实验研究，以期为加大再生铜协同冶炼提供参考。

1 实验部分

1.1 杂质氧化顺序

精炼过程发生的铜及杂质氧化反应吉布斯自由能ΔG 与温度T 的关系，如图1 所示。

图1 铜及杂质氧化ΔG 与T 关系

杂质随温度变化的吉布斯自由能曲线都位于Cu之下，且吉布斯自由能越负，杂质越容易被氧化。因此，杂质氧化顺序为：Zn、Fe、Sn、Ni、Pb 和As。随着温度升高，杂质氧化吉布斯自由能绝对值减小，表明温度过高,不利于杂质脱除。

1.2 原料配制

实验过程采用的高杂再生铜来自国内某铜冶炼厂，其成分如表1 所示。

表1 高杂再生铜化学成分

1.3 实验设备及方法

实验设备有：马弗炉、天平、刚玉坩埚、耐高温空气导管、空压机、减压阀和流量计等。

实验方法为：用天平称取100 g 高杂再生铜，将其放入坩埚，并按比例添加SiO2、Na2CO3和CaCO3等熔剂，将其放入马弗炉中升至目标温度，并通入空气进行脱杂反应，至反应终点拔出空气导管恒温静置1 h，冷却后脱杂精炼铜位于下方，渣浮于表面，将铜和渣剥离，称重、化验、计算杂质脱除率。

2 结果与分析

2.1 温度对杂质脱除的影响

控制m（SiO2）/m（Fe）=0.9，氧化时间为240 min，空气流量为800 ml/min，考察温度对杂质脱除率的影响，结果如图2 所示。

图2 温度对杂质脱除的影响

由图2 可知，随着温度升高，杂质脱除率上升，当温度高于1 473 K 时，Zn、Fe 脱除率未受影响，而Sn、Ni、Pb 和As 脱除率随温度上升而下降，这是因为温度升高、杂质氧化吉布斯自由能绝对值减小，不利于杂质脱除。因此，最佳温度确定为1 473 K。

2.2 硅铁比对杂质脱除的影响

控制温度为1 473 K，氧化时间为240 min，空气流量为800 mL/min，考察m（SiO2）/m（Fe）对杂质脱除率的影响，结果如图3 所示。

图3 硅铁比对杂质脱除的影响

由图3 可知，随着SiO2配入量增加，硅铁比增大，杂质脱除率上升，当m（SiO2）/m（Fe）为1 之后，各杂质元素脱除率没有明显变化。因此，最佳m（SiO2）/m（Fe）确定为1。

2.3 Na2CO3 对杂质脱除的影响

高杂再生铜在1 473 K 配入SiO2，Zn、Fe 的脱除率很高，但Sn、Ni、Pb 和As 的脱除率高低不一。因此，需要针对性添加熔剂进行脱除。陈曦曦[1]在粗铜火法精炼深度除砷锑研究中，向粗铜中加入4.5%的Na2CO3，能深度脱除砷、锑。闫允涛等[2]研究表明，在基于Na2CO3碱性渣系下，对锡、镍有较好的脱除效果。但火法炼铜通常采用的是镁铬砖，当Na2CO3加入量过多时，其分解产生的Na2O 会破坏镁铬砖[3]。因此，需要控制Na2CO3的加入量。

控制温度为1 473 K，m（SiO2）/m（Fe）=1，氧化时间为240 min，空气流量为800 mL/min，Na2CO3以SiO2质量的百分比加入，考察Na2CO3对杂质脱除率的影响，结果如图4 所示。

图4 Na2CO3 对杂质脱除的影响

如图4 所示，随着Na2CO3添加量提升，Sn、Ni、Pb和As 的脱除率上升，当Na2CO3添加量超过10%，各杂质元素脱除率变化减缓。因此，最佳Na2CO3添加量为SiO2质量的10%。

2.4 CaCO3 对杂质脱除的影响

通过向粗铜中以8∶2 质量比例添加CaCO3和Na2CO3混合物，实现了对砷较好的脱除。但火法炼铜以SiO2为主进行造渣，钙铁比应适当控制，避免生成过多的铁酸钙或硅酸钙渣，腐蚀炉衬。

控制温度为1 473 K，m（SiO2）/m（Fe）=1，氧化时间为240 min，空气流量为800 mL/min，Na2CO3以SiO2质量的10%加入，CaCO3以SiO2质量的百分比配入，考察CaCO3对杂质脱除率的影响，结果如图5 所示。

图5 CaCO3 对杂质脱除的影响

如图5 所示，随着CaCO3添加量增加，Sn、Ni、Pb和As 的脱除率在添加Na2CO3的基础上有所提升，当CaCO3添加量超过30%，各杂质元素脱除率变化减小。因此，最佳CaCO3添加量为SiO2量的30%。

2.5 空气流量对杂质脱除的影响

控制温度为1 473 K，m（SiO2）/m（Fe）=1，氧化时间为240 min，Na2CO3、CaCO3分别以SiO2量的10%、30%配入，考察空气流量对杂质脱除率的影响，结果如图6 所示。

图6 空气流量对杂质脱除的影响

如图6 所示，随着空气流量增加，Pb、As 脱除率提升较为明显，这是因Pb、As 氧化后在气流带动下易挥发，空气流量在1 000 mL/min 后，杂质脱除减缓，且铜飞溅损失增加，渣中铜含量上升。因此，最佳空气流量确定为1 000 mL/min。

2.6 氧化时间对杂质脱除的影响

控制温度为1 473 K，m（SiO2）/m（Fe）=1，空气流量为1 000 ml/min，Na2CO3、CaCO3分别以SiO2质量的10%、30%加入，考察氧化时间对杂质脱除率的影响，结果如图7 所示。

图7 氧化时间对杂质脱除的影响

如图7 所示，随着氧化时间延长，杂质脱除率有小幅提升，当氧化时间为300 min 之后，杂质脱除没有明显变化，继续延长时间会降低生产效率。因此，最佳氧化时间确定为300 min。

2.7 最佳脱杂实验

控制温度为1 473 K，m（SiO2）/m（Fe）=1，Na2CO3、CaCO3分别以SiO2质量的10%、30%加入，空气流量为1 000 mL/min，氧化时间300 min，在最佳条件下，杂质Zn、Fe、Sn、Ni、Pb 和As 脱除率分别为99.5%、99%、90.84%、86.8%、93.42%和60.63%。

3 结论

通过控制合适的冶炼温度、硅铁比以及向高杂再生铜中添加一定量的Na2CO3、CaCO3，并控制鼓入空气流量及脱杂时间，能有效脱除Zn、Fe、Sn、Ni、Pb 和As 等杂质。未来，铜精矿含铜量不断降低，杂质成分增加已成为趋势，铜冶炼企业可以考虑在合适工序添加辅助熔剂，加大高杂再生铜的协同处理量。