轉(zhuǎn)底爐處理銅渣工藝研究

趙 杰

（南京旭陽(yáng)工程科技有限公司， 江蘇 南京 210012）

銅渣是銅冶煉渣經(jīng)選銅后拋棄的二次尾渣，每噸粗銅約產(chǎn)生2-3噸的銅渣[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界和中國(guó)每年產(chǎn)生的銅渣分別約為3600萬(wàn)噸和1600萬(wàn)噸，其綜合利用一直是世界性難題。大量的銅尾渣長(zhǎng)期堆存，不僅造成其中鐵、鋅等有價(jià)資源的浪費(fèi)和流失，同時(shí)對(duì)地下水、土壤和大氣造成了嚴(yán)重污染。

1 銅渣處理工藝綜述

1.1 傳統(tǒng)的銅渣處理工藝

隨著銅冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)煉銅工藝（包括鼓風(fēng)爐熔煉，反射爐熔煉和電爐熔煉）正逐漸被閃速熔煉取代；與此同時(shí)，熔池熔煉方法，如諾蘭達(dá)法，瓦紐科夫法，艾薩法也逐漸受到人們的重視。

我國(guó)的銅渣主要為火法熔煉渣，此外還有相當(dāng)數(shù)量的轉(zhuǎn)爐渣和濕法煉銅浸出渣。銅渣中含有鐵、鋅可利用的資源，對(duì)其回收利用日益受到人們的重視。

煉銅渣主要成分是鐵硅酸鹽和鐵氧化物相，包含鐵橄欖石(2FeO·SiO2)、磁鐵礦(Fe3O4)及一些脈石組成的無(wú)定形玻璃體。

目前處理這些廢渣的主要方法是火法分離、選礦法分離和濕法浸出三類(lèi)。

（1）火法分離法。火法分離多采用爐渣先經(jīng)火法貧化，回收的銅锍再返回?zé)掋~的主流程。針對(duì)爐渣中鈷、鎳回收，采取在主流之外的單獨(dú)還原造锍。爐渣貧化方法很多，方法選擇取決于現(xiàn)場(chǎng)條件，如資金、場(chǎng)地、副產(chǎn)品、雜質(zhì)等。

不論何種方法，其貧化的主要目的就是為了降低渣中的Fe3O4相，從而降低銅渣中的冰銅夾雜，有利于金屬銅的回收。其反應(yīng)原理如下。

從上述機(jī)理我們可以看出，提煉過(guò)銅、鎳、鈷等有價(jià)元素后，將會(huì)產(chǎn)生二次廢渣，且廢渣的主要物相為鐵橄欖石(2FeO·SiO2)。

（2）選礦法分離。該法主要依據(jù)有價(jià)金屬賦存相的表面親水、親油性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)的差別，通過(guò)磁選和浮選分離來(lái)富集有價(jià)金屬。

利用該法可以得到銅精礦，但是也因此產(chǎn)生了大量的選礦尾礦。尾渣中鐵含量30%以上，硅含量～30%，無(wú)法滿足鋼鐵燒結(jié)工藝對(duì)鐵精礦的要求。

（3）濕法浸出。對(duì)銅渣的濕法處理的技術(shù)中有多種浸出方法，如硝酸鹽浸出法，氯化浸出法，硫酸化浸出法，氰化浸出法等。對(duì)于濕法提取銅渣中不同的金屬，要用到不同的浸出方法。

對(duì)于含有稀貴的銅渣，適宜采用氰化浸出法，而對(duì)于銅渣中銅的浸出則一般采用到氯化浸出法和硫酸化浸出法。

綜上所述，從銅渣中回收銅、鎳、鈷及稀貴金屬的方法都已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。企業(yè)可以根據(jù)自己的物料性質(zhì)、場(chǎng)地及產(chǎn)品需求等條件選擇合適的方法。但是回收過(guò)程產(chǎn)生的二次渣尚未得到很好的應(yīng)用，如何解決二次廢渣的問(wèn)題是進(jìn)一步解決銅渣資源化的關(guān)鍵所在。

1.2 銅渣提鐵工藝

銅渣中的鐵主要以鐵橄欖石相存在，伴有少量磁鐵礦。目前銅渣提鐵的方式主要有：銅渣直接選礦提鐵、銅渣氧化改性提鐵、銅渣熔融還原提鐵、銅渣直接還原提鐵等。其中，銅渣直接還原提鐵工藝被認(rèn)為是較為可行的工藝，是最有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化的工藝[2]。

（1）選礦提鐵。直接選礦方法回收銅經(jīng)濟(jì)有效，但鐵的回收率太低。主要原因在于銅渣含鐵物相中磁性氧化鐵含量較少，僅為20%～30%，主要含鐵物相鐵橄欖石等硅酸鹽相在磁選過(guò)程中進(jìn)入尾礦。

（2）銅渣氧化改性提鐵。根據(jù)銅渣的物相分析和鐵橄欖石的氧化原理，對(duì)銅冶煉貧化渣焙燒富集Fe3O4,有氧氣氛下加入CaO高溫焙燒銅渣，加入CaO能有效促進(jìn)鐵橄欖石（Fe2SiO4）分解，轉(zhuǎn)化為Fe3O4礦相富集和析出。銅渣氧化改性焙燒時(shí)間較長(zhǎng)，一般2h以上；且最終選出的產(chǎn)品為Fe3O4，經(jīng)濟(jì)性較差。

（3）銅渣熔融還原提鐵。熔融還原工藝過(guò)程為將銅選礦尾渣和碳質(zhì)還原劑進(jìn)行造塊，在礦熱爐中熔化還原，冶煉低牌號(hào)硅鐵，再將熱態(tài)的含硅鐵水與熱態(tài)的鎳熔融渣兌入搖爐，并加石灰控制堿度，冶煉出還原鐵水。但該工藝在生產(chǎn)中容易形成泡沫渣，不能安全生產(chǎn)，且還原劑和熔劑消耗量較大，能耗較高。

（4）銅渣直接還原提鐵。直接還原按照還原劑的種類(lèi)可以分為煤基直接還原和氣基直接還原。氣基直接還原工業(yè)化的主要是Midrex法。

研究表明，對(duì)于以鐵橄欖石為主要物相的銅渣而言，氫氣還原時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)性較差。

銅渣煤基直接還原方面，很多高校和企業(yè)進(jìn)行了大量卓有成效的工作，并取得了較好的技術(shù)效果：直接還原-磨礦磁選獲得金屬鐵粉品位大于90%，鐵回收率大于80%。但這些試驗(yàn)僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室的小型試驗(yàn)，沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模中試驗(yàn)證試驗(yàn)；另外也沒(méi)有考慮銅渣中鋅元素的回收，以及整個(gè)工藝過(guò)程中如銅、硫等全元素的去向及分布規(guī)律。

煤基直接還原已經(jīng)工業(yè)化的設(shè)備有隧道窯、回轉(zhuǎn)窯、車(chē)底爐、轉(zhuǎn)底爐等，隧道窯直接還原技術(shù)能耗太高，現(xiàn)場(chǎng)污染嚴(yán)重，產(chǎn)能每年不足5萬(wàn)噸，無(wú)法大規(guī)模處理銅渣。回轉(zhuǎn)窯直接還原產(chǎn)能較低，且在還原過(guò)程中，銅渣熔點(diǎn)低，與窯壁產(chǎn)生摩擦，不可避免地產(chǎn)生粉末熔化，最終導(dǎo)致結(jié)圈現(xiàn)象，被迫停產(chǎn)。

2 轉(zhuǎn)底爐處理銅渣工藝技術(shù)介紹及實(shí)例

轉(zhuǎn)底爐最早由加拿大國(guó)際鎳（集團(tuán)）公司（INCO）和美國(guó)Midrex 公司分別開(kāi)發(fā)，前者被稱為Inmetco工藝，后者稱為Fastmet 工藝。該工藝使用廉價(jià)的煤做為還原劑，爐料在爐子內(nèi)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，溫度控制靈活。

轉(zhuǎn)底爐技術(shù)的基本原理是：將含鐵、鋅物料配加還原劑、添加劑等制成含碳球團(tuán)，烘干后布入轉(zhuǎn)底爐、在爐內(nèi)1200～1400℃的還原區(qū)將含碳球團(tuán)還原為金屬化球團(tuán)，球團(tuán)中的ZnO還原成金屬Zn，金屬鋅揮發(fā)，進(jìn)入煙氣中再氧化生成ZnO，通過(guò)對(duì)煙塵的收集可以得到富含ZnO的二次粉塵，而生產(chǎn)出的轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)采用磨礦磁選或熔分工藝，實(shí)現(xiàn)鐵與脈石的單體解離，鐵粉壓塊直接供給煉鋼使用。

轉(zhuǎn)底爐+熔分及轉(zhuǎn)底爐+磁選的工藝路線如圖1和圖2所示。

圖1 銅渣“轉(zhuǎn)底爐—熔分”流程圖

圖2 銅渣“轉(zhuǎn)底爐—磨選”流程圖

圖3 轉(zhuǎn)底爐處理銅渣生產(chǎn)情況

在上面三案例中，采用轉(zhuǎn)底爐+磁選或轉(zhuǎn)底爐+熔分都能得到較好的產(chǎn)品，磁選綜合鐵回收率平均～86%，熔分鐵回收率～93%。

具體轉(zhuǎn)底爐在銅渣的應(yīng)用情況如下。

2.1 銅渣1

表1 銅渣1成分

表2 銅渣1產(chǎn)品成分

2.2 銅渣2

表3 銅渣2成分

表4 銅渣2產(chǎn)品成分

2.3 案例3

表5 銅渣3成分

表6 銅渣3產(chǎn)品成分

3 問(wèn)題及結(jié)論

轉(zhuǎn)底爐銅渣處理屬于環(huán)保項(xiàng)目，有兩點(diǎn)需重點(diǎn)關(guān)注：銅渣中含有銅、砷等有害金屬，在還原過(guò)程中無(wú)法完全脫除；產(chǎn)品不屬于大宗商品，無(wú)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，故定價(jià)非常關(guān)鍵，前期市場(chǎng)調(diào)研尤為重要。

總體來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)底爐處理銅渣工藝可有效回收其中的鐵和鋅等有價(jià)金屬，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，符合我國(guó)當(dāng)前的可持續(xù)發(fā)展和戰(zhàn)略，對(duì)促進(jìn)中國(guó)乃至世界有色行業(yè)業(yè)固廢處理具有重要意義。