關于銅冶煉爐渣處理的研究

郭 凱

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

銅渣做為銅冶煉過程中產生的固體廢棄物，每年我國冶煉企業新增銅渣量達1000萬t左右，顯現逐年遞增現象。銅渣的簡單堆存不僅占用土地、而且污染周邊環境，造成資源的浪費，銅渣中銅含量一般可以達到1.2%左右。中國屬于銅礦石短缺國家，對于銅渣中有價金屬回收、并進行綜合利用，有著重要的意義［1]。

2 爐渣的成分組成

銅冶煉爐渣是指在銅冶煉過程中產生的含銅爐渣，根據冶煉生產工藝的不同可分為熔煉渣、轉爐渣和電爐渣等；根據爐渣冷卻方式的不同分為水淬渣、自然冷卻渣、保溫冷卻渣等。銅冶煉渣主要是冰銅熔煉渣和轉爐渣，其中轉爐渣冰銅是經轉吹爐吹煉而產出并由鑄渣機緩冷鑄出的渣分，其品位高于其他爐渣［2]。

銅冶煉爐渣經鑄渣機冷鑄后，渣表結構致密，性脆堅硬、易碎難磨，顏色呈現出黑色或者黑中透綠，銅品位約為2%～7%，密度約為4g/cm3左右。爐渣中的銅及其含銅化合物分布不均，且粒度較細大部分以硫化銅形式存在，還伴隨有方輝銅礦、輝銅礦、黃銅礦、斑銅礦、金屬銅、氧化銅和銅的含鐵硅酸鹽等。其中含量較高的元素是鐵和硅，其中鐵以鐵橄欖石（Fe2SiO4）、磁性氧化鐵和黃鐵礦形式存在，而硅主要以硅灰石和無定型、不透明的玻璃體存在。

爐渣是爐料和燃料中各種氧化物的共溶體。爐料中的脈石主要是石英、石灰石等，在銅冶煉過程中，與鐵的硫化物氧化產出的FeO反應，形成復雜的硅酸鹽爐渣。各種爐型工藝熔煉爐渣的主要成分如（表1所示）：

表1 爐型工藝熔煉爐渣成分

3 冶煉爐渣綜合利用

銅冶煉爐渣的組成主要與所處理的銅料組分、爐襯性質、風管糊泥材料、熔劑成分和數量有關。若冶煉爐渣中含有較低含量的銅料時，冶煉爐渣中主要含有SiO2、FeO、CaO、Al2O3等主要成分，其他雜質含量較少；若冶煉爐渣中含有較高含量的銅料（如雜銅、高砷銻、粗銅等），冶煉爐渣中主要含有鉛、鋅、錫、砷、銻、鎳等主要成分［3]。在銅的冶煉渣中，盡管大部分殘留的銅可以在下一步的處理過程中進行回收，但還是會造成一定的損失。如精煉渣在鼓風爐中處理時，鼓風爐渣中銅的損失是銅精煉過程中銅損失的主要方式［4]。綜上所述，在冶煉爐渣中，有著如此之多的有用成分，因此，主要采取以下幾種方式對冶煉爐渣進行綜合利用［5]。

3.1 降低渣含銅的比例

冶煉爐渣中銅的主要來源是在精煉過程中，熔池表面不可避免地會生成Cu2O會進入到精煉爐渣中，在進行扒渣操作之前，為了使Cu2O可以均勻的分布在熔池中，并降低其在爐渣中的濃度，應該在氧化氣氛中繼續吹風的同時，向渣層中加入少量的還原性物質（如焦炭粒、木炭或者木柴等），把爐渣中過多的Cu2O還原，而不會使其進入到殘渣，并且會使得其他雜質組分仍保留在爐渣內，從而達到降低冶煉爐渣中含銅的比例。

3.2 降低爐渣產出量

為了減少冶煉渣數量，在銅料入爐前，應盡可能地減少其中的雜質和黏附的灰渣及土質雜物，降低爐渣產量。在對于高品位的粗銅進行冶煉時，其冶煉過程中的主要任務是在于除去粗銅中的硫，由于在此過程中，雜質含量較低，故不用特意加入熔劑進行造渣，以到達盡可能少的減少爐渣數量的目的。

3.3 爐渣選礦及提取

根據不同的冶煉方式及其處理工藝，銅冶煉尾渣的選礦及提取方式主要有：浮選法、電爐貧化法、磁選法、重選法等，其中以前兩種應用最為廣泛。

3.4 尾爐渣的利用

銅冶煉爐渣的綜合利用和循環經濟緊密相關，在最早開采階段主要是以粗放、單一的開采手段來進行的，這樣就會導致嚴重的資源浪費和環境污染。對冶煉爐渣進行綜合利用，不僅可以提高礦物的利用率，還可以創造良好的經濟價值。從1960年開始，我國開始對銅冶煉爐渣進行綜合利用，主要途徑有以下幾個方面：第一是對銅選礦爐渣進行二次選礦來回收銅；第二是將銅選礦爐渣二次選礦回收銅后的尾礦再用于回收其他有用的金屬元素、生產建筑材料、對采礦的低坑區域進行回填、進行土地復耕等；第三是對銅選礦爐渣用于制備混凝土、水泥、路基、防腐除銹劑等方面，從而不僅解決了尾礦對于環境的污染，還使其發揮了應有的價值。

4 綜合利用存在的問題

4.1 爐渣冷卻方式存在的問題

爐渣的冷卻速度對爐渣的高效回收浮選指標有著決定性的影響。爐渣中銅礦物的結晶粒度大小與爐渣的冷卻速度密切相關，爐渣緩慢冷卻有利于銅相粒子的遷移、聚集、長大和改善渣的可磨性，這是爐渣浮選的關鍵因素。在爐渣的緩冷過程中，爐渣熔體的初析微晶可較好地成長，可形成結晶良好的自形晶或半自形晶，有用礦物藉此遷移、聚集并長大成相對集中的獨立相，易于單體解離和選別回收。反之，急速冷卻會使爐渣形成非晶質構造，不易于單體解離和選別回收，即使細磨也很難達到單體解離，因而難以浮選回收。目前，煉銅爐渣的冷卻方式有3種：自然冷卻方式、水淬方式、保溫冷卻+水淬方式。

如果冷卻速度過快，會使得爐渣形成非晶質結構，銅礦物結晶粒度細小而分散，并且鑲嵌在呈樹狀或針狀的其他礦物中，使得冶煉爐渣中的銅難以進行后續的浮選回收；如果冷卻速度過慢，爐渣中熔體的初析微晶可通過溶解、沉淀形式規范性成長，形成結晶良好的自形晶、半自形晶或相對集中的獨立相，有利于提高單體的解離度，易于銅冶煉廢渣中銅的回收［6]。

4.2 爐渣選礦及提取存在的問題

4.2.1 爐渣成分

由于冶煉爐渣中含有大量的SiO2，還伴隨著有較多堅硬的非晶礦物質，礦渣的粘度增加，阻止了銅相晶粒的遷移聚集，生長速度降低，晶粒細小，銅相中硫化銅的含量下降，因此冶煉爐渣中SiO2含量越高，使得銅的選冶難度增大；另外，在酸性爐渣中，為了增加礦渣粘度，增大其流動性，可以在爐渣中加入FeO，在爐渣的體系中，爐渣會被氧化為Fe3O4，爐渣成分中Fe3O4含量對于爐渣中銅的選礦及提取有著顯著的影響。冶煉爐渣中的氧化鋁和氧化鈣的含量增加，也會對礦渣中的非晶質的生成有促進作用，對硫化物顆粒的沉淀有著影響，嚴重影響爐渣的選冶［6]。

4.2.2 還原劑

加入冶煉爐渣中的還原劑對于爐渣的選礦及提取有著較大的影響。焦炭、木炭和煤等這些密度較小的物料做為還原劑加入爐內時，會飄浮在熔池表面，除了燃燒掉的部分以外，其余部分職能依靠與爐渣表面的“滑動接觸”來起到還原作用，但是這樣會嚴重減弱還原劑的還原效果。

5 改進建議

5.1 工藝方面的改進

5.1.1 冷卻條件

煉銅爐渣實際上是一種“人造的銅礦石”，其性質除了與冶煉入爐物料成分和操作方法有關外，主要取決于爐渣的冷卻方式及其冷卻制度。在急冷條件下，爐渣中的銅礦物結晶呈現出細粒且分散程度大；在緩冷條件下，銅礦物結晶度粒度較大且集中，對后續礦渣中銅礦物的分選有促進作用。因此冷卻條件的改進，對于銅冶煉爐渣的綜合利用有著重要的影響。

5.1.2 冶煉渣多碎少磨

有研究結果表明，緩冷爐渣的洛氏硬度（HRS）平均為96.6，屬于硬度極大的難碎性礦石，因此礦渣研磨石冶煉渣冶煉中重要的一步。在生產實踐工藝中，應該對于冶煉渣進行“多碎少磨”，降低入磨粒度，從而減少礦渣冶煉時的能耗。目前銅冶煉尾渣的選冶中使用最多的是二段碎礦，在新工藝使用過程中，應該盡量選擇多的破碎，少的進行磨碎，如使用球磨機、深腔式鄂破機、雙動式鄂破機等。

5.1.3 合理分配浮磨細度

銅礦石尾礦選冶時磨礦細度為-0.040nm粒級占一半左右，在選礦過程中，總會存在研磨效率不高的情況，導致銅礦物解離度低，有研究結果表明，未被研磨細的礦物主要是貧礦物，在選礦實驗中要想達到預期的回收效果，會導致大量的脈石礦物進入銅精礦，使得精礦品位大大降低；粗粒浮游速度較慢，在浮選過程中易進入尾礦，從而增大了銅礦物的損失。為此，在尾礦處理過程中，應優化磨礦工藝，強化分級作業，合理分配各段磨礦作業細度，達到事宜的磨礦細度，以提高精礦的品位和回收率。

5.1.4 浮選藥劑的選擇及加入

銅冶煉爐渣浮選時主要用石灰來調節浮選礦渣的pH值，在進行選礦過程中，石灰加入的均勻程度及穩定性直接影響到選礦時銅的選出率；石灰本身是一種凝結劑， 能夠達到使礦漿中細微顆粒凝結，促進尾礦的加速沉降，從而可以省去絮凝劑加入的過程；石灰的加入量是根據冶煉爐渣中銅品味的高低而決定的，或者是根據礦石的沉降程度和氧化程度來決定的。

5.2 設備方面的改進

銅冶煉爐渣選礦的主要設備主要有三種，分別是破碎機、自磨機和浮選設備。

5.2.1 破碎設備改造

在使用的破碎機中，顎式破碎機由于具有破碎度高、破碎效率高等優點而受到很大的關注，此外深腔式鄂破機等設備由于其優良的特性而使其使用率越來越高，受到重視的程度日益增大。

5.2.2 自磨機

根據不同的型號，自磨機分為長筒和短筒兩種。如果要對銅冶煉爐渣進行細磨，由于物料需要在自磨機中停留較長時間，所以常常選用長筒自磨機，使之生產較為穩定；而如果是粗磨，則選用短筒自磨機即可，既可以達到工藝的要求，又可以節約生產成本和能源。

5.2.3 浮選設備

在對冶煉爐渣進行浮選時，所選用的設備是根據爐渣的相對密度來決定的，選擇合適的浮選設備對于冶煉爐渣的經濟、技術指標有著重要的意義。在浮選設備選擇時，要綜合考慮冶煉渣中銅的品味，對于選礦所使用的泵、輸送管道、大功率電機、攪拌設備等進行合理的選擇和改善。

6 總結

綜上所述，隨著銅礦是資源日趨于缺乏，銅冶煉爐渣成為一種重要的資源，利用各種選礦方式，對于銅冶煉廢渣的選礦工藝進行優化，為銅冶煉廢渣的綜合利用起到重要的作用。