剛果(金)某銅鈷礦硫酸浸出加酸工藝優化

唐仲堯

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司)

某大型銅鈷礦位于剛果(金)銅資源最為豐富的盧阿拉巴省首府科盧韋齊市郊，屬于著名的中非銅鈷成礦帶，具有礦體成礦條件好、連續性好、埋藏淺、氧化程度高的特點[1-2]，可開采儲量穩定。礦區銅鈷礦資源儲量2.54億t，銅品位3.36%，金屬量約 854.49萬t，鈷品位0.22%，金屬量約57.1萬t。礦山選礦廠銅精礦濕法冶煉工藝由于加酸系統存在儀器數據滯后和檢測誤差等問題，加酸浸出反應終點pH值不易控制，影響正常生產，需對浸出加酸工藝進行優化。

1 礦樣性質

剛果(金)某銅鈷礦采用當地使用較為廣泛的洗礦脫泥—重選—浮選—火法熔煉和濕法冶煉工藝進行選礦與冶煉生產。由于開采前期硫化礦含量少，無法形成規?；鸱ㄈ蹮挓o法發揮優勢，因此前期工程暫緩建設火法熔煉系統，僅建設濕法冶煉系統對選礦廠高品位銅精礦進行冶煉生產，處理量27.027萬t/a。銅精礦主要銅礦物為孔雀石和硅孔雀石，鈷呈類質同象或包裹體伴生，水分10%～15%，細度-0.074 mm72%，化學多元素分析結果見表1。

表1 銅精礦化學多元素分析結果 %

表1表明，該銅精礦銅品位30.00%，含鈷0.281%，含硫0.85%。

2 浸出加酸工藝存在問題

浸出工藝是在銅精礦礦漿中加入硫酸，使其中的銅、鈷有價金屬溶解出來，是整個濕法冶煉工藝得以實現的基礎[3]。主要浸出反應方程式：

CuCO3·Cu(OH)2+2H2SO4

=2CuSO4+CO2↑+3H2O

(1)

CuSiO3·2H2O+H2SO4=CuSO4+SiO2+3H2O

(2)

CuO+H2SO4=CuSO4+H2O

(3)

硫酸加入量和加入方式是影響工藝浸出指標的重要因素。傳統加酸方式是根據礦漿加入量在浸出攪拌槽中加入濃硫酸，同時檢測溶液pH值。實際生產中一般采用物料計重裝置、在線pH值檢測儀、流量計、變頻設備等，以連鎖控制方式實現硫酸加入量的調節[4]。該加酸方法操作簡單、自動化程度高，但儀器數據滯后性和檢測誤差等問題使反應終點pH不易控制。礦山所在地區采用該加酸方式進行濕法冶煉生產的某冶煉廠浸出終點溶液pH值考察結果見圖1。

圖1 某月浸出終點溶液pH考察結果

由圖1可以看出，浸出終點平均pH值=1.377，小于實際生產中浸出終點pH值不小于1.5的工藝要求，且標準偏差S=0.122，波動較大。pH值過高說明浸出反應不徹底，過低則影響后續萃取工藝指標。同時由于濃硫酸直接加入浸出攪拌槽中，容易因濃硫酸分布不均勻導致局部酸度過高，形成硅膠體，易包裹精礦顆粒，影響其與硫酸的接觸，造成銅、鈷浸出率下降，還會增加浸渣過濾難度。

另外，剛果(金)電力供應不穩定[5]，突然停電時攪拌槳停轉，極易發生大團濃硫酸未及分散、接觸槽體。當地濕法冶煉浸出槽多采用鋼制槽體、內襯耐酸橡膠，橡膠不耐熱，極易損壞且不易察覺，從而釀成生產事故。為保證工藝指標優良、穩定，生產連續安全，優化浸出加酸方式非常必要。

3 優化措施

根據相關研究機構針對該項目開展的試驗，結合當地多家同一礦帶銅鈷礦山企業生產實例，選擇浸出時間4 h較為合理，同時考慮設備規模、場地限制等條件，設置2臺調漿槽搭配6臺階梯布置浸出槽的組合進行連續加酸浸出，實際浸出時間4.2 h。通過分析浸出工藝中各浸出攪拌槽運行情況，計算溶液、礦漿在各攪拌槽中的反應時間和硫酸加入量，見表2。

表2 各浸出攪拌槽內pH值

統計分析發現，1#～6#浸出攪拌槽是添加硫酸的主要設備，浸出反應終點pH=1.5～2[6]。為避免局部酸度過高，需要將硫酸均勻加入到各浸出攪拌槽中。

根據濃硫酸黏度、起止點高度差、無縫鋼管內壁摩擦系數等因素，計算傳統工藝加酸管管徑[7]φ=42 mm。

該情況下一方面容易因濃硫酸瞬間加入量過大而造成分布不均，導致局部過酸；另一方面會因為操作的滯后性造成硫酸加入過量，導致終點pH值不容易控制。

來自萃取車間的萃余液流量640 m3/h,分別由兩套獨立的泵輸送至調漿槽和浸出1#槽，浸出反應液固比約9.5∶1。如果事先將硫酸混入萃余液中，則可以保證進入到調漿、浸出系統中硫酸的均勻分布。由于銅精礦中含有白云石、方解石等碳酸鹽礦物，與硫酸反應生成CO2[8]，且礦漿中殘留有選礦流程未分解的起泡劑成分，會在短時間內形成大量氣泡。同時調漿槽體積較小，不作為反應容器使用，加入過量硫酸，反應劇烈，甚至冒槽[9]。因此采用將硫酸混入到泵送浸出攪拌槽的萃余液中、同時在浸出槽中加少量硫酸微調pH的方案作為硫酸的主要加入方式，具體配置見圖2。

圖2 萃余液泵槽加酸配置示意

萃余液液下泵泵池整體采用316L不銹鋼制作。為避免硫酸分布不均，從泵輸出管道中引一支DN65回流管來稀釋濃硫酸，回流管底部以管帽封閉，管口正對硫酸管出口位置自上而下開楔形孔4個，以保障回流萃余液呈噴射狀，加酸管在便于維修的前提下，在最靠近末端的位置安裝氣開型電磁閥，管道末端下方設置可更換襯板(316L不銹鋼)，防止未及分散的濃硫酸腐蝕泵池底板。再加上立式泵葉輪的攪拌作用，硫酸既可以均勻分散，又能較快散發熱量，安全性高。通過計算，泵池硫酸加入量為6.75 t/h，浸出攪拌槽中單槽加入量為0.125 t/h。由于浸出攪拌槽中硫酸加入量的減少，降低了因設備、儀表原因引起的硫酸過量加入，減少了溶液pH值過低的可能性。萃余液泵槽加酸項目建成后，開展為期1個月的浸出終點pH考察，結果見圖3。

由圖3結果可計算出浸出終點pH平均值為1.474，基本滿足工藝要求，標準偏差S=0.026，波動較小，完成預期優化效果。

圖3 加酸工藝改進后某月浸出終點pH考察結果

4 結 論

剛果(金)某銅鈷礦銅精礦前期采用濕法冶煉工藝進行生產，通過將硫酸混入到泵送浸出攪拌槽萃余液、在浸出槽中加少量硫酸微調pH的方案代替原傳統硫酸加入工藝，可使浸出終點溶液pH平均值由1.377提高到1.474，接近浸出終點pH不小于1.5的工藝要求，且波動更小。

萃余液先期稀釋濃硫酸配合各級浸出槽多點加酸微調的硫酸加入方式將萃余液泵池作為濃硫酸的主要加入、稀釋點，通過大流量萃余液回流噴射及經液下泵中長距離管道輸送，能迅速消散濃硫酸稀釋的熱量，避免腐蝕浸出槽，保證生產安全進行。

該優化方案應用于崗位人員操作水平不足、現場電力條件不穩定、自動化程度較低的、以硫酸浸出為主工藝的冶煉廠，能夠有效控制浸出終點pH，穩定生產流程，提高企業經濟效益。

[1] 柳 正.剛果(金)礦產資源開發現狀及礦業政策[J].國土資源，2005(12)：35-37.

[2] 周應華,江少卿.剛果(金)銅鈷礦業開發形勢[J]. 地質與勘探, 2010, 46(3): 525-530.

[3] 劉煥然.非洲剛果(金)加丹加銅鈷成礦帶地質構造特征[J]. 資源環境與工程, 2010, 24(2): 137-140.

[4] 李繼業.剛果(金)加丹加省銅鈷工業概覽[J]. 世界有色金屬, 2009(2): 76-78.

[5] 王先華.剛果(金)丹加丹地區電力資源及供應現狀[J].中國電力教育，2011(33)：71-72.

[6] 楊顯萬，邱定蕃.濕法冶金[M].北京：冶金工業出版社，1998.

[7] 孫 倬.重有色冶金設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，2012.

[8] 盧道剛.銅鈷礦加工工藝現狀及發展方向[J].世界有色金屬：綜述，2009,(7)：72-75.

[9] 謝 添,廖春發,吳免利,等. 剛果(金)銅鈷礦氧化礦回收銅鈷研究[J]. 中國資源綜合利用, 2013, 31(5): 23-26.