【铜渣利用】转底炉处理铜渣工艺研究
摘 要：总结当前铜渣处理工艺，介绍转底炉处理铜渣的两种工艺流程及应用实例，验证转底炉处理铜渣的可行性。
关键词：转底炉；铜渣；磁选；熔分
铜渣是铜冶炼渣经选铜后抛弃的二次尾渣，每吨粗铜约产生2-3 吨的铜渣[1]。据不完全统计，全世界和中国每年产生的铜渣分别约为3600 万吨和1600 万吨，其综合利用一直是世界性难题。大量的铜尾渣长期堆存，不仅造成其中铁、锌等有价资源的浪费和流失，同时对地下水、土壤和大气造成了严重污染。
1 铜渣处理工艺综述
1.1 传统的铜渣处理工艺
随着铜冶金技术的不断发展，传统炼铜工艺（包括鼓风炉熔炼，反射炉熔炼和电炉熔炼）正逐渐被闪速熔炼取代；与此同时，熔池熔炼方法，如诺兰达法，瓦纽科夫法，艾萨法也逐渐受到人们的重视。
我国的铜渣主要为火法熔炼渣，此外还有相当数量的转炉渣和湿法炼铜浸出渣。铜渣中含有铁、锌可利用的资源，对其回收利用日益受到人们的重视。
炼铜渣主要成分是铁硅酸盐和铁氧化物相，包含铁橄榄石(2FeO·SiO2)、磁铁矿(Fe3O4) 及一些脉石组成的无定形玻璃体。
目前处理这些废渣的主要方法是火法分离、选矿法分离和湿法浸出三类。
（1）火法分离法。火法分离多采用炉渣先经火法贫化，回收的铜锍再返回炼铜的主流程。针对炉渣中钴、镍回收，采取在主流之外的单独还原造锍。炉渣贫化方法很多，方法选择取决于现场条件，如资金、场地、副产品、杂质等。不论何种方法，其贫化的主要目的就是为了降低渣中的Fe3O4 相，从而降低铜渣中的冰铜夹杂，有利于金属铜的回收。其反应原理如下。
从上述机理我们可以看出，提炼过铜、镍、钴等有价元素后，将会产生二次废渣，且废渣的主要物相为铁橄榄石(2FeO·SiO2)。
（2）选矿法分离。该法主要依据有价金属赋存相的表面亲水、亲油性质和磁学性质的差别，通过磁选和浮选分离来富集有价金属。利用该法可以得到铜精矿，但是也因此产生了大量的选矿尾矿。尾渣中铁含量30% 以上，硅含量~30%，无法满足钢铁烧结工艺对铁精矿的要求。
（3）湿法浸出。对铜渣的湿法处理的技术中有多种浸出方法，如硝酸盐浸出法，氯化浸出法，硫酸化浸出法，氰化浸出法等。对于湿法提取铜渣中不同的金属，要用到不同的浸出方法。
对于含有稀贵的铜渣，适宜采用氰化浸出法，而对于铜渣中铜的浸出则一般采用到氯化浸出法和硫酸化浸出法。
综上所述，从铜渣中回收铜、镍、钴及稀贵金属的方法都已经得到了很好的应用。企业可以根据自己的物料性质、场地及产品需求等条件选择合适的方法。但是回收过程产生的二次渣尚未得到很好的应用，如何解决二次废渣的问题是进一步解决铜渣资源化的关键所在。
1.2 铜渣提铁工艺
铜渣中的铁主要以铁橄榄石相存在，伴有少量磁铁矿。目前铜渣提铁的方式主要有：铜渣直接选矿提铁、铜渣氧化改性提铁、铜渣熔融还原提铁、铜渣直接还原提铁等。其中，铜渣直接还原提铁工艺被认为是较为可行的工艺，是最有可能实现大规模工业化的工艺[2]。
（1）选矿提铁。直接选矿方法回收铜经济有效，但铁的回收率太低。主要原因在于铜渣含铁物相中磁性氧化铁含量较少，仅为20% ～ 30％，主要含铁物相铁橄榄石等硅酸盐相在磁选过程中进入尾矿。
（2）铜渣氧化改性提铁。根据铜渣的物相分析和铁橄榄石的氧化原理，对铜冶炼贫化渣焙烧富集Fe3O4, 有氧气氛下加入CaO 高温焙烧铜渣，加入CaO 能有效促进铁橄榄石（Fe2SiO4）分解，转化为Fe3O4 矿相富集和析出。铜渣氧化改性焙烧时间较长，一般2h 以上；且最终选出的产品为Fe3O4，经济性较差。
（3）铜渣熔融还原提铁。熔融还原工艺过程为将铜选矿尾渣和碳质还原剂进行造块，在矿热炉中熔化还原，冶炼低牌号硅铁，再将热态的含硅铁水与热态的镍熔融渣兑入摇炉，并加石灰控制碱度，冶炼出还原铁水。但该工艺在生产中容易形成泡沫渣，不能安全生产，且还原剂和熔剂消耗量较大，能耗较高。
（4）铜渣直接还原提铁。直接还原按照还原剂的种类可以分为煤基直接还原和气基直接还原。气基直接还原工业化的主要是Midrex 法。
研究表明，对于以铁橄榄石为主要物相的铜渣而言，氢气还原时间过长，技术上可行，经济性较差。
铜渣煤基直接还原方面，很多高校和企业进行了大量卓有成效的工作，并取得了较好的技术效果：直接还原- 磨矿磁选获得金属铁粉品位大于90%，铁回收率大于80%。但这些试验仅仅局限于实验室的小型试验，没有进行大规模中试验证试验；另外也没有考虑铜渣中锌元素的回收，以及整个工艺过程中如铜、硫等全元素的去向及分布规律。
煤基直接还原已经工业化的设备有隧道窑、回转窑、车底炉、转底炉等，隧道窑直接还原技术能耗太高，现场污染严重，产能每年不足5 万吨，无法大规模处理铜渣。回转窑直接还原产能较低，且在还原过程中，铜渣熔点低，与窑壁产生摩擦，不可避免地产生粉末熔化，最终导致结圈现象，被迫停产。
2 转底炉处理铜渣工艺技术介绍及实例
转底炉最早由加拿大国际镍（集团）公司（INCO）和美国Midrex 公司分别开发，前者被称为Inmetco 工艺，后者称为Fastmet 工艺。该工艺使用廉价的煤做为还原剂，炉料在炉子内无相对运动，温度控制灵活。
转底炉技术的基本原理是：将含铁、锌物料配加还原剂、添加剂等制成含碳球团，烘干后布入转底炉、在炉内1200~1400℃的还原区将含碳球团还原为金属化球团，球团中的ZnO 还原成金属Zn，金属锌挥发，进入烟气中再氧化生成ZnO，通过对烟尘的收集可以得到富含ZnO 的二次粉尘，而生产出的转底炉金属化球团采用磨矿磁选或熔分工艺，实现铁与脉石的单体解离，铁粉压块直接供给炼钢使用。
转底炉+ 熔分及转底炉+ 磁选的工艺路线如图1 和图2所示。
在上面三案例中，采用转底炉+ 磁选或转底炉+ 熔分都能得到较好的产品，磁选综合铁回收率平均~86%，熔分铁回收率~93%。具体转底炉在铜渣的应用情况如下。
2.1 铜渣1
2.2 铜渣2
2.3 案例3
3 问题及结论
转底炉铜渣处理属于环保项目， 有两点需重点关注：铜渣中含有铜、砷等有害金属，在还原过程中无法完全脱除；产品不属于大宗商品，无产品标准，故定价非常关键，前期市场调研尤为重要。总体来说，转底炉处理铜渣工艺可有效回收其中的铁和锌等有价金属，具有较好的经济效益、社会效益和环境效益，符合我国当前的可持续发展和战略，对促进中国乃至世界有色行业业固废处理具有重要意义。
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