铜渣深度还原回收铁资源试验研究.pdf

酒钢科技 2023 年第 4 期-13-铜渣深度还原回收铁资源试验研究王友胜，张双爱（酒钢集团技术中心，甘肃，嘉峪关，735100）摘要：采用含铁品位 42%左右的铜渣为原料，将其磨至-200 目 80%左右，用煤粉作为还原剂及阻粘骨料，并添加一定量的生石灰制成球团矿后进行深度还原磁选回收铁，重选回收剩余煤粉试验。研究表明：铜渣深度还原温度在 1280左右，还原时间 90min，磁选回收的铁精矿 TFe 品位在 84%以上，铁回收率在 90%以上;煤粉配比在 30%以上时可起到骨料作用，实现铜渣在高温熔融状态下不发生熔融粘黏，铁元素还原后充分结晶，铁颗粒大小均匀;通过重选回收剩余碳粉，可回收 33%左右的煤粉用量。试验结果可为铜渣深度还原的工业应用提供参考。关键词：铜渣；煤粉；深度还原；阻粘骨料；磁选；重选Experimental Study on Recovering Iron Resource from Copper Slag by Deep ReductionWang Yousheng,Zhang Shuangai(Technology Center of Jiuquan Iron and Steel(Group)Corporation,Jiayuguan,Gansu,735100)Abstract:Copper slag with iron grade of about 42%was used as raw material,and it was ground to about 80%of-200 mesh.Pulverized coal was used as reducing agent and anti-sticking aggregate,a certain amount of quicklime was added to make pellets.Then the experiment of deep reduction-magnetic separation to recover iron and gravity separation to recover remaining pulverized coal is carried out.The research results show that:(1)the deep reduction temperature of copper slag is about 1280,reduction time is 90 min,the TFe grade of iron concentrate recovered by magnetic separation is above 84%,and the iron recovery rate is above 90%;(2)When the ratio of coal powder is more than 30%,it can play the role of aggregate,so that the copper slag does not melt and stick in the high-temperature melting state,and the iron element is fully crystallized after reduction.Iron particles are uniform in size;(3)About 33%of pulverized coal can be recovered by recycling the remaining toner by gravity separation.The experiment results can provide reference for industrial application of deep reduction of copper slag.Key words:copper slag;pulverized coal;deep reduction;adhesion resistance aggregate;magnetic separation;reseparation酒钢科技 2023 年第 4 期-14-1 前 言铜渣是铜冶炼后的固体废弃物，因其含有一定量的铁、镍、钴、锌等金属元素而成为一种具有回收价值的二次资源。全国铜渣堆存约 1.2 亿吨以上，铁品位基本大于 30%1，可见铜渣中铁资源量较为丰富。受铜火法冶炼工艺的影响，铜渣中的铁主要以铁橄榄石的形式存在，仅有少部分为磁性氧化铁，用常规的物理选矿方法仅能回收其中的磁性氧化铁部分，回收率较低。目前对铜渣的铁资源回收试验研究方面，主要有直接磁选法、高温氧化+磁选法、直接还原+磁选法及化学湿法浸出等工艺2-4。在普遍的试验研究中，对铜渣直接采用常规磁选方法处理，硅酸盐中的铁无法回收，仅得到少量磁铁矿，精矿品位及回收率低。采用高温氧化磁选法，硅酸盐中铁转化为磁铁矿，铁资源可大量回收。但该工艺能耗高，工艺复杂，成本高。采用直接还原+磁选，渣中的铁均还原为高品质金属铁，温度也相对较低，还原铁粉品位、回收率都较高。其中采用炭作为还原剂，在还原温度 1200左右，可获得铁品位约 80%以上，回收率在 80%至 90%的铁粉。采用氢气还原，在还原温度 950左右条件下，可获得铁品位 92.5%以上的铁粉，但投资大，工艺复杂，难以应用于生产。本次研究以铜渣为原料，以廉价煤粉为还原剂、阻粘骨料，添加一定配比的生石灰进行造球，对不同配比的煤粉、生石灰用量，还原温度、还原时间等重要因素进行深度还原试验，还原产品经研磨至-200 目 60%左右，采用磁选回收铁、重选回收剩余碳粉，研究铜渣深度还原的工艺参数及其过程中不粘黏的条件，为工业应用的设备构造选型提供参考。2 试验原料、设备及方法2.1 铜渣、煤粉及生石灰铜渣取自甘肃金川公司铜冶炼转低炉铜渣，煤粉、生石灰为普通原料，各原料化学元素分析如表 1，铜渣物相分析如图 1。表 1 铜渣、煤粉、生石灰多元素分析结果（%）图 1 铜渣 X 射线衍射图谱品名TFeSiO2CaOMgOAl2O3SK2ONa2OZnOPbPCuCIg铜尾渣42.0531.031.791.264.440.260.870.621.840.290.030.23/煤粉/8.80.50.57.90.19/82.2/生石灰0.183.9280.71.821.190.04/0.01/11.1备注：/-表示未检测到酒钢科技 2023 年第 4 期-15-由表 1 看出，该铜渣中铁和硅含量较高，Fe品位为 42.05%，SiO2含量为 31.03%，S 含量为0.26%，Cu、P 元素偏低，二元碱度为 0.06，为酸性渣。从图 1 可以看出，铜渣中铁主要以磁铁矿和铁橄榄石的形式存在，具体含量见表 2。表 2 结果表明，铜渣中主要以铁橄榄石、磁铁矿、金黄色葡萄石等形式存在，铁主要存在于铁橄榄石中，这部分铁难以利用物理选矿方法进行处理。2.2 试验设备及备品备件主要设备有 XMB 70 型棒磨机，1500 造球盘，TD75-3 冶金还原炉（硅钼棒电炉，氮气保护），XCGS-50 磁选管，CS75 螺旋溜槽，JA31001 型电子天平(精度 0.01g)；备品配件主要为氮气(工业用）、石墨坩埚（8cm10cm）。2.3 试验方法将铜渣研磨至-200 目 80%左右，煤粉及生石灰研磨至-200目60%左右作为造球原料，设计煤粉、生石灰的配比、还原温度、还原时间四因素三水平正交试验，正交设计如表 3所示。根据各组试验进行配矿造球，待球团矿表层水分干燥后放入石墨坩埚并装进冶金还原炉上（热电偶插入料层中部），在冶金还原炉上设定好还原温度及还原时间，加热与还原过程中通入氮气对试样进行保护。还原结束后氮气保护试样冷却到常温。取出还原试样后将其研磨至-200目 60%左右进行磁选、重选试验。3 试验结果与讨论3.1 铜渣造球结果根据表 3 对铜渣、煤粉及生石灰进行配矿造球，配矿后主要化学成分及二元碱度如表 4。表 2 铜渣 X 射线衍射分析结果（%）表 3 铜渣深度还原 L9(34)正交试验设计表备注：表中括号内数字表示水平因子序号，括号外的数字表示设定的因素水平值Mg0.347Fe2Mn0.105(SiO4)铁橄榄石,含 Mg、MnFe3O4磁铁矿Ca3(SiO4)O金黄色葡萄石NaO2Ni1.5SScAsMg0.2Cu0.3Fe2Co0.5O478.418.91.10.80.40.30.2试验序号生石灰配比/%煤粉配比/%还原温度/还原时间/min1（1）8（1）20（1）1200（1）602（1）8（2）30（2）1280（2）903（1）8（3）40（3）1350（3）1204（2）12（1）20（2）1280（3）1205（2）12（2）30（3）1350（1）606（2）12（3）40（1）1200（2）907（3）16（1）20（3）1350（2）908（3）16（2）30（1）1200（3）1209（3）16（3）40（2）1280（1）60酒钢科技 2023 年第 4 期-16-表 4 铜渣球团矿配矿结果（%）表 5 铜渣深度还原-磁选 L9(34)正交试验结果（%）表 4 可见，按表 3 数据对铜渣、煤粉、生石灰配矿后，各组铜渣球团的 Fe 品位明显降低，CaO 含量提高至 7.5%以上，最高达到 14.15%；C 含量提高至 16.44%以上，最高为 32.88%。3.2 深度还原-磁选试验结果根据表 3 设计的还原温度及还原时间进行深度还原试验，结果表明，第一、第四、第七组深度还原后，铜渣均发生熔融粘结形状。其他均为散粒粉化状态，且成团铁颗粒状态均匀，基本在35mm 左右。将还原产物研磨至-200 目 60%左右进行磁选管试验，磁选管磁场强度 1250Gs，磁选时间2min，对磁选入选 Fe、磁选精矿 Fe、铁产率、回收率等进行分析，结果如表 5 所示。表 5 表明：铜渣配加一定量的煤粉、生石灰造球进行深度还原后，还原产品 Fe 品位均有所元素TFeSiO2CaOMgOAl2O3IgC二元碱度R配料原料铜尾渣42.0531.031.791.264.44/生石灰0.183.9280.661.821.1911.08/改制煤/8.800.500.507.90/82.2试验序号130.2924.427.841.154.870.8916.440.32226.0922.197.711.085.220.8924.660.35321.8819.977.581.005.560.8932.880.38428.6223.3311.001.184.741.3316.440.47524.4121.1110.871.105.091.3324.660.51620.2118.8810.741.025.431.3332.880.57726.9422.2514.151.204.611.7716.440.64822.7420.0214.021.124.961.7724.660.70918.5317.8013.891.055.301.7732.880.78试验序号还原前Fe还原后Fe磁选精矿Fe铁精矿产率Fe回收率磁选尾矿Fe品位130.2938.2556.3164.2494.575.81226.0936.0484.0839.6792.554.45321.8830.5886.0931.9389.894.54428.6234.7681.6240.9996.262.21524.4134.7580.6539.2391.045.12620.2128.2658.1845.2193.083.57726.9429.0281.3229.4582.517.19822.7433.5462.0450.4693.334.51918.5333.3680.1839.1994.23.19酒钢科技 2023 年第 4 期-17-表 6 铜渣深度还原性正交试验分析结果表 6 表明：从极差数据的大小可知，对铜渣深度还原性的主次因素分别为还原温度 还原时间 煤粉 生石灰，根据各水平的平均值，还原温度、还原时间、煤粉、生石灰对铜渣还原性的影响关系如图 4 所示。提高，主要原因是高温加热后，C 发生还原作用生产 CO2，且其中部分挥发成分的减少，试样量减少，因此 Fe 品位相对上升。还原产品经过细磨磁选抛出杂质后，Fe 品位均提高至 56%以上。根据煤粉、生石灰配比，还原温度、还原时间对铜渣还原性的影响分析，其结果如表 6 所示。Fe 品位数据析试验序号生石灰配比/%煤粉配比/%还原温度/还原时间/min精矿 Fe 品位/%182012006056.31283012809084.083840135012086.0941220128012081.625123013506080.656124012009058.187162013509081.3281630120012062.049164012806080.18Fe 求和 1226.48219.25176.53217.14/2220.45226.77245.88223.58/3223.54224.45248.06229.75/Fe 平均值 175.4973.0858.8472.38/273.4875.5981.9674.53/374.5174.8282.6976.58/极差2.012.5123.844.2/备注：表中的空白格是无分析数据，不影响分析酒钢科技 2023 年第 4 期-18-图 4 还原温度、还原时间、煤粉配比、生石灰对铜渣还原性的影响表 7 磁选尾矿回收碳试验结果（%）图 4 表明：铜渣深度还原随温度及时间的增加而上升，当还原温度在 1280时，还原时间 90min 时，铜渣已得到较大程度的还原。增加煤粉配比，在铜渣得到充分还原的同时，利用碳在高温下的性能减小液相熔结，但煤粉配比超过一定量后铜渣还原性有下降趋势，主要原因是煤粉质量差，提高用量后 SiO2及 Al2O3上升，还原过程中渣相大，影响铁元素的还原过程。增加生石灰用量，在配比8%16%之间整体曾下降趋势，有研究表明5-6，氧化钙的适量添加，能促进铜尾渣中铁橄榄石的还原，但氧化钙用量过大时，会降低熔渣的流动性。第二组试验数据表明，当还原温度在1280，还原时间 90min，煤粉配比在 30%，生石灰配比为 8%时，铜渣深度还原磁选后，铁精矿 TFe 品位达到 84.08%，金属铁回收率为92.55%。3.3 重选回收碳粉试验以试验第二组（煤粉配比 30%、生石灰配比为 8%，还原温度 1280，还原时间 90min）的还原产品经磨矿至磁选后，磁选尾矿采用螺旋溜槽回收碳，矿浆入选浓度 20%。磁选尾矿主要元素如表 7。表 7 可知：通过螺旋溜槽对磁选尾矿能有效回收剩余的碳粉，重选精矿产率为 10.4%，回收后的碳精矿含 C 量为 76.82%，这部分碳可作为中间产品返回用于铜渣的配碳原料。最终碳的回收率为 33.55%，这部分碳返回至铜渣配矿后，相当于节约 10.06%的煤粉配比，只需新增配比为 19.94%的煤粉用量即可达到 30%的配比要求。4 结 论铜渣细磨至-200 目 80%左右与煤粉、生石灰按一定配比制成球团矿，其表层干燥后即可进行高温深度还原。铜渣还原性随还原温度、还原时间的增加而上升，适当增加煤粉、生石灰配比有利于铜渣的还原性，但配比过大，渣量增加，将影响铜渣还原性。适当提高煤粉配比，在铜渣得到充分还原磁选尾矿 C 含量重选精矿 C 含量重选精矿产率重选 C 回收率最终 C 回收率10.678.310.476.8233.55酒钢科技 2023 年第 4 期-19-的情况下可利用 C 的高温性能作为阻黏骨料，达到有效阻止铜渣高温还原后的渣相、金属熔液之间的黏结。在煤粉配比为 30%、生石灰配比为 8%，还原温度1280，还原时间90min进行深度还原-磁选后，铁精矿撇可提高至 84.08%，金属回收率为 92.55%，铁资源回收效果较好。对 磁 选 尾 矿 进 行 重 选 回 收 剩 余 的 碳粉，碳的回收率为 76.82%，最终 C 回收率为33.55%，这部分碳可作为中间产品返回至铜渣配矿利用，回收利用后新增配比降低至 19.94%即可达到 30%的煤粉配比要求，即节约碳粉33%以上。参考文献1 王林松,高志勇,等.铜渣综合回收利用研究进展 J.化工进展,2021,10.2 邱廷省,周丽萍,等.铜冶炼渣直接还原焙烧-磁选回收铜、铁试验研究 J.金属矿山,2020,09.3 高恩霞,王宁,等.铜渣与高炉灰共还原-磁选回收铁试验 J.有色金属,2022,05.4 徐露,库建刚,等.从铜渣中回收铁的研究进展 J.现代化工,2016,02.5 倪文,贾岩,等.难选鲕状赤铁矿深度还原-磁选实验研究 J.北京科技大学学报,2010,03.6 黄希祜.钢铁冶金原理(3 版)M.北京:冶金工业出版社.2005.作者简介:王友胜（1986-）男，汉，贵州毕节人，助理工程师，2009 年毕业于贵州大学矿物加工工程专业，现在酒钢集团技术中心主要从事选矿及烧结技术研究工作，邮箱：。参考文献1 范世祥,向超,等.HSBEMBM 环境治理微生物技术在煤化工废水处理中的应用 J.煤炭加工与综合利用,2017,06.2 李景云.煤化工废水处理工艺的研究 D.河北工业大学,2015.3 戎益枫,徐建权.分散生活污水一体化处理工艺试验研究 J.净水技术,2009,06.4 单明军,吕艳丽,等.焦化废水处理技术 M.北京:化学工业出版社.2007.5 苏本森.微生物在污水处理中的应用 J.山东环境,2000,01.6 杨德菊,朱崇梅.浅析微生物在活性污泥法污水处理中的应用 J.化工设计通讯,2017,11.7 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法（第四版）Z.8 环境保护部.碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法 Z.作者简介:魏志东（1990-）男，汉，甘肃天水人，助理工程师，2013 年毕业于中国石油大学（华东）材料化学专业，现在酒钢集团宏汇公司主要从事污水处理技术工作，邮箱：。（上接第 25 页）