轉底爐直接還原銅渣回收鐵、鋅技術

曹志成，孫體昌，吳道洪，薛 遜，劉占華(. 北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京00083；. 北京神霧環境能源科技集團股份有限公司，北京000)

轉底爐直接還原銅渣回收鐵、鋅技術

曹志成1,2，孫體昌1，吳道洪2，薛 遜2，劉占華2
(1. 北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；2. 北京神霧環境能源科技集團股份有限公司，北京102200)

采用轉底爐直接還原工藝，將銅渣含碳球團在高溫條件下直接還原得到金屬化球團和高品位氧化鋅粉塵，再通過熔分或磨礦磁選方式將鐵回收，得到的鐵產品可作為冶煉含銅鋼的原料.轉底爐中試結果表明：采用“轉底爐直接還原—燃氣熔分”流程處理銅渣，可獲得TFe品位94%以上、鐵回收率93%以上的熔分鐵水；采用“轉底爐直接還原—磨礦磁選”流程處理銅渣，可獲得TFe品位90%以上、鐵回收率85%以上的金屬鐵粉；采用兩種流程處理銅渣，均可獲得鋅品位60.02%的ZnO粉塵.結果表明，經過轉底爐直接還原，銅渣中的鐵橄欖石Fe2SiO4和磁鐵礦Fe3O4相轉變為含有金屬鐵Fe、二氧化硅SiO2和少量輝石相Ca(Fe,Mg)Si2O6的金屬化球團，具備通過磨選或熔分進行進一步富集的條件.

銅渣；轉底爐；直接還原；磁選；燃氣熔分

從2006年至2015年，我國精煉銅產量持續快速增長.2015年我國銅產量達796萬t，其中97%以上由火法冶煉生產，每生產1t銅平均要產生2～3 t銅渣[1]，據此估計我國每年產生銅渣量約1 500萬t.據統計，我國銅渣堆存量累計已達到1.4億t以上，這些尾渣中不僅含有大量的鐵元素，且富含Zn、 Pb、 Cu和Co等多種有價金屬元素，是寶貴的二次資源[2-4].由于銅渣中的鐵含量較高，其平均品位遠高于我國鐵礦石可采品位[5]，因此鐵元素的回收利用價值較高.然而銅渣中的鐵主要以鐵硅酸鹽(鐵橄欖石， 2FeO·SiO2)的形式存在[6]，渣中SiO2含量較高使其無法直接用于傳統的高爐流程中，又因礦物嵌合緊密，難以采用傳統的選礦方式分離出脈石生產鐵精礦[7-8].近年來隨著火法工藝的發展，采用高溫還原等工藝[9-11]處理銅渣的技術也逐漸成熟起來，其中直接還原工藝成為研究的熱點.本文采用“轉底爐直接還原—磨礦磁選”和“轉底爐直接還原—燃氣熔分”技術對銅渣進行了大量的基礎試驗和中試研究.結果表明，該技術可有效實現銅渣中鐵、鋅元素的綜合回收利用，減少堆存造成的土地占用及環保問題，是實現銅渣資源高效綜合利用的有效途徑.

1 試驗介紹

1.1 原料性質

試驗選用國內某銅冶煉渣經浮選回收銅的尾礦(以下簡稱“銅渣”)為原料，化學成分見表1.

表1 銅渣化學成分分析(質量分數)

為探明銅渣中主要礦物組成，對試驗銅渣進行了XRD衍射分析，詳見圖1.可見其中鐵礦物主要為鐵橄欖石Fe2SiO4和磁鐵礦Fe3O4相，采用直接選礦的方法僅能回收其中的磁鐵礦，無法高效回收鐵橄欖石中的鐵元素.

試驗選用無煙煤固定碳含量質量分數為72.36%，灰熔點為 1 258 ℃；選用工業石灰石為磨礦磁選流程的助熔劑，其氧化鈣含量為51%；選用工業石灰石塊作為助熔劑，其氧化鈣含量為53%.

圖1 銅渣的XRD衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of the copper slag

1.2 試驗流程及原理

試驗的流程：將銅渣經原料處理后，與還原煤、添加劑和黏結劑等按一定比例配合混勻，經過圓盤造球機造塊，制成含碳球團，含碳球團烘干后布入轉底爐，在爐內 1 200 ～ 1 300 ℃ 的還原區還原為金屬化球團，球團中ZnO則被還原成金屬Zn，揮發進入煙氣中，經再氧化生成ZnO，隨煙氣富集到布袋收塵系統中，產出的金屬化球團，可采用熱裝—熔分工藝實現渣鐵分離從而得到熔分鐵水，也可采用直接水淬冷卻—磨礦磁選工藝得到金屬鐵粉.轉底爐處理銅渣的工藝流程如圖2所示.

圖2 轉底爐處理銅渣的工藝流程Fig.2 Process flow chart for processing copper slag by rotary hearth furnace

試驗原理：銅渣中的硅酸鐵與還原劑中的碳反應方程見式(1)，可見硅酸鐵還原為金屬鐵為強吸熱反應.

Fe2SiO4(s)+2C(s)→2Fe(s)+SiO2(s)+2CO(g)

(1)

為了促進硅酸鐵反應，添加了石灰石作為助熔劑，其反應方程見式(2)

Fe2SiO4(s) + 2CaO(s) + 2C(s) → CaSiO4(s)+2Fe(s) + 2CO

(2)

2 試驗討論與分析

試驗順序為首先進行基礎試驗，在獲得最佳工藝條件后再進行轉底爐中試驗證.分別采用“轉底爐直接還原-燃氣熔分”流程和“轉底爐直接還原-磨礦磁選”流程對上述銅渣進行了轉底爐中試，每種流程的銅渣處理量為120 t.轉底爐處理量為2～3 t/h；燃氣熔分爐處理量為 1 t/h；金屬化球團磨礦磁選廠處理量為 2 t/h.

2.1 直接還原—熔分流程

基礎試驗獲得最佳的工藝條件為：銅渣：還原煤=100∶25(質量比)，還原溫度 1260 ℃，還原時間 40 min. 此時球團金屬化率為85.96 %；將球團熱裝進行熔分試驗，熔分前配入金屬化球團質量18%的生石灰塊，熔分溫度 1 530 ℃，熔分時間 50 min，此時獲得熔分鐵的TFe品位95.82 %，回收率為97.16 %.

按照此工藝條件進行轉底爐中試，將轉底爐產出的約700 ℃的金屬化球團熱裝入鋼包，直接投入燃氣熔分爐進行熔分，可獲得鐵品位96.73%、鐵回收率96.81%的鐵水，中試熔分鐵水成分分析見表2.

表2 熔分鐵水化學成分(質量分數)

熔分鐵水中w[S]為0.29%，經脫硫處理后作為煉鋼原料進行銷售，另外鐵水中含0.35%的銅，可作為冶煉含銅耐候鋼(銅質量分數0.25%～0.80%)的原料.

2.2 直接還原—磨選流程

基礎試驗獲得最佳的工藝條件為：銅渣：還原煤:石灰石=100∶25∶18(質量比)，還原溫度1250 ℃，還原時間35min，此時球團金屬化率為90.12 %.采用兩段磨礦磁選流程，一段磨礦細度-0.074 mm占75.35 %，磁場強度 143.31 kA/m；二段磨礦細度-0.074 mm占60.13 %，磁場強度95.54 kA/m，得到金屬鐵粉TFe品位91.83 %，鐵回收率88.05 %.

按照此工藝條件進行轉底爐中試，轉底爐產出的金屬化球團直接落入水淬池冷卻，由撈渣機撈出送往磨礦磁選廠，可獲得鐵品位91.78%、鐵回收率87.81%的直接還原鐵粉，中試鐵粉成分分析見表3.

對比熔分流程得到的鐵水成分，磨選流程得到的金屬鐵粉中雜質硫含量較低，主要原因是85%以上的硫被固結在尾礦中，將鐵粉干燥、成型后可作為冶煉含銅鋼原料.

2.3 中試氧化鋅粉塵

銅渣中的Pb、Zn等元素，在轉底爐直接還原過程中揮發進入煙氣，通過布袋除塵系統收集，得到氧化鋅粉塵成分分析見表4.

表3 中試金屬鐵粉成分分析(質量分數)

表4 中試氧化鋅粉塵成分分析(質量分數)

轉底爐中試驗證結果表明，通過上述兩種流程處理銅渣，可獲得鋅品位60.02%的氧化鋅粉塵，整個流程Pb、Zn的脫除率分別為98.89%和97.52%.

3 機理分析

為探明銅渣還原及后續處理流程得到產品中鐵的礦相存在形式及變化規律，對銅渣原礦、熔分流程金屬化球團、磨選流程金屬化球團和磨選流程獲得金屬鐵粉進行了XRD衍射分析，詳見圖3.

圖3 銅渣、金屬化球團以及磁選鐵粉的圖譜Fig.3 XRD patterns of metallized pellets and iron powders

由圖3可見，銅渣中的鐵橄欖石Fe2SiO4和磁鐵礦Fe3O4相經過轉底爐直接還原后，在球團中以金屬鐵Fe、二氧化硅SiO2和少量輝石相Ca(Fe,Mg)Si2O6相存在，為后續熔分流程或磨礦磁選流程提鐵創造了有利條件.對比磨選流程與熔分流程，前者所得金屬化球團中的輝石要多于后者，主要原因是磨選流程在配料中加入了石灰石，石灰石分解產生的氧化鈣與鐵橄欖石反應所致.

4 結論及展望

(1)銅渣中鐵主要以2FeO·SiO2的形式存在，采用常規工藝難以將其中的含鐵資源進行回收，本文采用轉底爐直接還原技術，對銅渣進行了燃氣熔分和磨礦磁選兩種流程的中試規模研究，在提取鐵元素的同時，也實現了鋅元素的高效回收.

(2)轉底爐中試結果表明：采用“轉底爐直接還原—燃氣熔分”流程，可獲得TFe品位96.73%的熔分鐵水，鐵回收率96.81%；采用“轉底爐直接還原—磨礦磁選”流程，可獲得TFe品位91.78%的金屬鐵粉，鐵回收率87.81%；兩種流程均可獲得鋅品位60.02%的氧化鋅粉塵.

(3)通過XRD衍射分析，經過轉底爐直接還原，銅渣中的鐵橄欖石Fe2SiO4和磁鐵礦Fe3O4相轉變為含有金屬鐵Fe、二氧化硅SiO2和少量輝石相Ca(Fe,Mg)Si2O6的金屬化球團，具備通過磨選或熔分實現進一步富集的條件.

(4)目前，金川集團與神霧集團成立合資公司，在金川已建成年處理80萬t銅渣轉底爐示范生產線.該項目采用轉底爐直接還原—磨礦磁選—鐵粉壓塊工藝流程，項目的投產將為有色行業冶金棄渣的大規模綜合利用起到重大的示范推動作用.

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Technology of recovery of iron and zinc from copper slag by RHF direct reduction

Cao Zhicheng1,2, Sun Tichang1, Wu Daohong2, Xue Xun2, Liu Zhanhua2

(1. Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;2. Beijing Shenwu Environment & Energy Technology Co. Ltd, Beijing 102200, China)

By using RHF (Rotary hearth furnace) direct reduction method, the metallized pellets and a high grade zinc oxide dust can be obtained from the carbon bearing pellets of copper slag at a high temperature. The iron can be recovered by melting or grinding/magnetic separation method as a raw material for steel bearing copper. Results of the pilot experiment showed that a molten iron with a purity more than 94% mass can be gained from the copper slag by process of RHF direct reduction and gas melting separation, the recovery ratio is more than 93% mass. An iron powder of more than 90% mass purity can be obtained by process of RHF direct reduction and grinding and magnetic separation,the recovery ratio is more than 85%. A dust of more than 60% mass Zinc can also be gained with the two kinds of process mentioned above. It is believed that after direct reduction in RHF, fayalite (Fe2SiO4) and magnetite (Fe3O4) in the copper slag can be changed into the metallized pellets containing iron(Fe), quartz (SiO2) and a small amount of augite (Ca(Fe,Mg)Si2O6), which can be recovered by the magnetic separation or melting process.

copper slag; rotary hearth furnace(RHF); direct reduction; magnetic separation; gas smelting

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.01.007

TF 09; TD 923

A

1671-6620(2017)01-0038-04