轉底爐處理銅渣工藝研究

趙 杰

（南京旭陽工程科技有限公司， 江蘇 南京 210012）

銅渣是銅冶煉渣經選銅后拋棄的二次尾渣，每噸粗銅約產生2-3噸的銅渣[1]。據不完全統計，全世界和中國每年產生的銅渣分別約為3600萬噸和1600萬噸，其綜合利用一直是世界性難題。大量的銅尾渣長期堆存，不僅造成其中鐵、鋅等有價資源的浪費和流失，同時對地下水、土壤和大氣造成了嚴重污染。

1 銅渣處理工藝綜述

1.1 傳統的銅渣處理工藝

隨著銅冶金技術的不斷發展，傳統煉銅工藝（包括鼓風爐熔煉，反射爐熔煉和電爐熔煉）正逐漸被閃速熔煉取代；與此同時，熔池熔煉方法，如諾蘭達法，瓦紐科夫法，艾薩法也逐漸受到人們的重視。

我國的銅渣主要為火法熔煉渣，此外還有相當數量的轉爐渣和濕法煉銅浸出渣。銅渣中含有鐵、鋅可利用的資源，對其回收利用日益受到人們的重視。

煉銅渣主要成分是鐵硅酸鹽和鐵氧化物相，包含鐵橄欖石(2FeO·SiO2)、磁鐵礦(Fe3O4)及一些脈石組成的無定形玻璃體。

目前處理這些廢渣的主要方法是火法分離、選礦法分離和濕法浸出三類。

（1）火法分離法。火法分離多采用爐渣先經火法貧化，回收的銅锍再返回煉銅的主流程。針對爐渣中鈷、鎳回收，采取在主流之外的單獨還原造锍。爐渣貧化方法很多，方法選擇取決于現場條件，如資金、場地、副產品、雜質等。

不論何種方法，其貧化的主要目的就是為了降低渣中的Fe3O4相，從而降低銅渣中的冰銅夾雜，有利于金屬銅的回收。其反應原理如下。

從上述機理我們可以看出，提煉過銅、鎳、鈷等有價元素后，將會產生二次廢渣，且廢渣的主要物相為鐵橄欖石(2FeO·SiO2)。

（2）選礦法分離。該法主要依據有價金屬賦存相的表面親水、親油性質和磁學性質的差別，通過磁選和浮選分離來富集有價金屬。

利用該法可以得到銅精礦，但是也因此產生了大量的選礦尾礦。尾渣中鐵含量30%以上，硅含量～30%，無法滿足鋼鐵燒結工藝對鐵精礦的要求。

（3）濕法浸出。對銅渣的濕法處理的技術中有多種浸出方法，如硝酸鹽浸出法，氯化浸出法，硫酸化浸出法，氰化浸出法等。對于濕法提取銅渣中不同的金屬，要用到不同的浸出方法。

對于含有稀貴的銅渣，適宜采用氰化浸出法，而對于銅渣中銅的浸出則一般采用到氯化浸出法和硫酸化浸出法。

綜上所述，從銅渣中回收銅、鎳、鈷及稀貴金屬的方法都已經得到了很好的應用。企業可以根據自己的物料性質、場地及產品需求等條件選擇合適的方法。但是回收過程產生的二次渣尚未得到很好的應用，如何解決二次廢渣的問題是進一步解決銅渣資源化的關鍵所在。

1.2 銅渣提鐵工藝

銅渣中的鐵主要以鐵橄欖石相存在，伴有少量磁鐵礦。目前銅渣提鐵的方式主要有：銅渣直接選礦提鐵、銅渣氧化改性提鐵、銅渣熔融還原提鐵、銅渣直接還原提鐵等。其中，銅渣直接還原提鐵工藝被認為是較為可行的工藝，是最有可能實現大規模工業化的工藝[2]。

（1）選礦提鐵。直接選礦方法回收銅經濟有效，但鐵的回收率太低。主要原因在于銅渣含鐵物相中磁性氧化鐵含量較少，僅為20%～30%，主要含鐵物相鐵橄欖石等硅酸鹽相在磁選過程中進入尾礦。

（2）銅渣氧化改性提鐵。根據銅渣的物相分析和鐵橄欖石的氧化原理，對銅冶煉貧化渣焙燒富集Fe3O4,有氧氣氛下加入CaO高溫焙燒銅渣，加入CaO能有效促進鐵橄欖石（Fe2SiO4）分解，轉化為Fe3O4礦相富集和析出。銅渣氧化改性焙燒時間較長，一般2h以上；且最終選出的產品為Fe3O4，經濟性較差。

（3）銅渣熔融還原提鐵。熔融還原工藝過程為將銅選礦尾渣和碳質還原劑進行造塊，在礦熱爐中熔化還原，冶煉低牌號硅鐵，再將熱態的含硅鐵水與熱態的鎳熔融渣兌入搖爐，并加石灰控制堿度，冶煉出還原鐵水。但該工藝在生產中容易形成泡沫渣，不能安全生產，且還原劑和熔劑消耗量較大，能耗較高。

（4）銅渣直接還原提鐵。直接還原按照還原劑的種類可以分為煤基直接還原和氣基直接還原。氣基直接還原工業化的主要是Midrex法。

研究表明，對于以鐵橄欖石為主要物相的銅渣而言，氫氣還原時間過長，技術上可行，經濟性較差。

銅渣煤基直接還原方面，很多高校和企業進行了大量卓有成效的工作，并取得了較好的技術效果：直接還原-磨礦磁選獲得金屬鐵粉品位大于90%，鐵回收率大于80%。但這些試驗僅僅局限于實驗室的小型試驗，沒有進行大規模中試驗證試驗；另外也沒有考慮銅渣中鋅元素的回收，以及整個工藝過程中如銅、硫等全元素的去向及分布規律。

煤基直接還原已經工業化的設備有隧道窯、回轉窯、車底爐、轉底爐等，隧道窯直接還原技術能耗太高，現場污染嚴重，產能每年不足5萬噸，無法大規模處理銅渣。回轉窯直接還原產能較低，且在還原過程中，銅渣熔點低，與窯壁產生摩擦，不可避免地產生粉末熔化，最終導致結圈現象，被迫停產。

2 轉底爐處理銅渣工藝技術介紹及實例

轉底爐最早由加拿大國際鎳（集團）公司（INCO）和美國Midrex 公司分別開發，前者被稱為Inmetco工藝，后者稱為Fastmet 工藝。該工藝使用廉價的煤做為還原劑，爐料在爐子內無相對運動，溫度控制靈活。

轉底爐技術的基本原理是：將含鐵、鋅物料配加還原劑、添加劑等制成含碳球團，烘干后布入轉底爐、在爐內1200～1400℃的還原區將含碳球團還原為金屬化球團，球團中的ZnO還原成金屬Zn，金屬鋅揮發，進入煙氣中再氧化生成ZnO，通過對煙塵的收集可以得到富含ZnO的二次粉塵，而生產出的轉底爐金屬化球團采用磨礦磁選或熔分工藝，實現鐵與脈石的單體解離，鐵粉壓塊直接供給煉鋼使用。

轉底爐+熔分及轉底爐+磁選的工藝路線如圖1和圖2所示。

圖1 銅渣“轉底爐—熔分”流程圖

圖2 銅渣“轉底爐—磨選”流程圖

圖3 轉底爐處理銅渣生產情況

在上面三案例中，采用轉底爐+磁選或轉底爐+熔分都能得到較好的產品，磁選綜合鐵回收率平均～86%，熔分鐵回收率～93%。

具體轉底爐在銅渣的應用情況如下。

2.1 銅渣1

表1 銅渣1成分

表2 銅渣1產品成分

2.2 銅渣2

表3 銅渣2成分

表4 銅渣2產品成分

2.3 案例3

表5 銅渣3成分

表6 銅渣3產品成分

3 問題及結論

轉底爐銅渣處理屬于環保項目，有兩點需重點關注：銅渣中含有銅、砷等有害金屬，在還原過程中無法完全脫除；產品不屬于大宗商品，無產品標準，故定價非常關鍵，前期市場調研尤為重要。

總體來說，轉底爐處理銅渣工藝可有效回收其中的鐵和鋅等有價金屬，具有較好的經濟效益、社會效益和環境效益，符合我國當前的可持續發展和戰略，對促進中國乃至世界有色行業業固廢處理具有重要意義。