铜渣直接还原-磁选工艺制备Fe-Cu粗合金粉

2019-11-25 作者：佚名网友评论 0 条

随着铜消费量和生产成本的不断增加，高效利用低品位复杂铜资源能一定程度上缓解我国铜资源严重短缺的难题。本文以难选、难冶的低品位铜冶炼渣为对象。

朱德庆，郭正启，杨聪聪，田宏宇，潘建
中南大学资源加工与生物工程学院

钢材中适量铜含量可以提高钢的耐蚀性和抗菌性能，增加钢的强度与冲击韧性，改善钢材焊接性、成型性与机加工性等[1,2]。耐候钢是含铜特殊钢的主要钢种，通常铜含量0.25%~0.50%，镍含量0.1%~0.65%，铬含量0.3%~1.2%，在具有优质钢机械性能的基础上还具有耐腐蚀性能。由于耐候钢中合金元素的含量较低，通常小于5%，远少于不锈钢中合金元素的含量，因此，其价格也相对较低，被广泛应用于我国各个领域[3]。

在传统含铜特殊钢冶炼过程中，通常需添加电解铜来调整钢液成分[4]。然而，我国铜资源严重不足，对外依存度高，铜价格常年处于高位，导致冶炼成本增加，生产效益降低[5]。铜渣是炼铜工艺中产生的主要废弃物，含有价成分如铜、铁、铅、锌等元素，其中铁、铜的含量分别高达40%和1%左右，远远高于我国铁矿和铜矿可开采品位，具有重要的利用价值[6-9]。因而，利用铜渣生产Fe-Cu合金作为冶炼含铜特殊钢的原料，其成本明显低于使用电解铜，可大幅度降低含铜特殊钢的生产成本，同时也是保障铜工业乃至钢铁工业可持续发展的有效途径之一[10-13]。

然而，铜渣中铁主要以橄榄石形式存在，铜主要以CuS形式存，铜铁矿物晶粒微细且嵌布十分紧密，常规方法无法实现铜和铁的有效分离与富集[14,15]。若通过热化学方法改变铁和铜矿物的自身性质及与其他矿物间的嵌布关系，扩大与脉石矿物的物理、化学性能的差异来实现有价元素的分离与富集，无疑会极大增加其生产成本[16-18]。为此，本文以难选、难冶的铜渣为研究对象，在系统查明其工艺矿物学特性的基础上，开发了铜渣造球-直接还原-磁选新工艺，实现了Fe和Cu的有效分离和富集，所得Fe-Cu粗合金可为冶炼含铜特殊钢提供优质炉料，从而缩短了工艺流程，降低了生产成本。

1 原料性能及研究方法

1.1 原料性能

1.1.1 铜渣

试验用铜渣是安徽铜陵有色集团有限公司以铜精矿为原料经过闪速熔炼—电炉贫化所得炉渣，其主要化学成分和物相组成分别如表1和图1所示。由表1可知，铜渣全铁为40.33 wt.%，Cu、Pb和Zn含量分别为0.65 wt.%，0.29 wt .%和1.11 wt.%，具有较高的综合回收利用价值。此外，铜渣FeO含量为40.32 wt.%，还原过程中可能易生成液相。结合铜渣XRD图可知，Fe元素主要以铁橄榄石和磁铁矿形式存在，Si元素主要存在于铁橄榄石和石英相中。铜渣粒度较粗，-5mm含量为76.43%，需要预先磨矿预处理后才能用于造球。

采用SEM-EDS对铜渣中主要载铜矿物的赋存状态进行了研究，如图2所示。由图可知，铜渣主要含铜矿物为冰铜、金属铜和硫化铜矿(斑铜矿)相。冰铜颗粒多呈不规则的微细粒状嵌布在硅酸盐相内，颗粒尺寸约5μm左右。若通过浮选回收细颗粒冰铜，则需细磨使之单体解离，磨矿能耗较高。金属铜相以不规则状的单体颗粒产出，含量较冰铜少；通过扫描电镜分析，金属铜中有少量Fe固溶其中。相比于冰铜和金属铜相，斑铜矿嵌布粒度较粗，多被磁铁矿紧密包裹，很难通过磨矿解离。综述所述，铜渣中载铜矿物颗粒微细，与脉石矿物共生紧密，嵌布关系十分复杂，通过物理选矿方法回收铜渣中的铜难度较大。

*LOI-烧损，loss on ignition

图2 铜渣铜的形态及嵌布状况(a1,a2,a3;b1,b2,b3;c1,c2,c3-冰铜、金属铜、斑铜矿的微观结构、SEM、EDS；d2,d3-Cu和S元素的面扫描)
Fig.2 Microstructure of copper in copper slag

1.1.2 添加剂

还原实验用石灰石来调节球团碱度，其化学成分如表2所示；石灰石是经过破碎、磨细后200目以下含量为77.28%。同时，试验用Na2CO3分析纯试剂作为强化直接还原过程的添加剂，其粒度小于 0.074mm，因而可直接用于造球。

1.1.3 还原煤

本研究中使用神府烟煤作为直接还原试验的还原剂，其工业分析和灰渣软熔特性，分别如表3和表4所示。由表可知，烟煤固定碳含量为52.12%，挥发分高，达30.41%；灰分低，为4.49%，S含量0.34%，且煤灰分熔点较高，可以有效避免还原过程中产生回转窑结圈问题，为一种优质还原煤。