銅渣資源綜合利用研究現狀

文/何芝成

1 引言

據世界金屬統計局（WBMS）公布數據，2021 年全球精煉銅產量為2466 萬噸，同比增加2.1%。目前，中國是全球精煉銅產量最大的國家，2021 年中國精煉銅產量為1049 萬噸，占全球總產量的42.54%。而每生產1 噸精煉銅約排放2-3 噸銅渣，因此，2021 年我國約排放2000-3000 萬噸銅渣。

各種銅冶煉方法產出熔煉銅渣中銅、鐵含量見表1 所示：

表1 各種銅冶煉方法產出熔煉渣中銅、鐵含量/%

為進一步降低渣中含銅，各冶煉廠采用緩冷-浮選、或火法貧化-浮選等方式，對渣中的銅進行回收，使處理后的銅渣含銅為0.2%-0.4%，含Fe30%-45%、SiO230%-40%、Al2O33%-10%、CaO2%-8%、Zn1%-2%、Pb0.5%-1%、S0.3%-0.5%、As0.1%-0.3%。盡管如此，每年隨銅渣損失的金屬銅在5 萬噸以上，金屬鐵超過800 萬噸。

在如此巨量的銅渣中，不僅含有銅和鐵，還含有鋅、鉛、砷等有價元素，除了少量被回收利用，其余都被堆存處理，這不僅占用大量的土地，還會對周圍的水體和土壤產生污染，造成環境危害。

2 銅渣未能直接用于高爐煉鐵的原因

銅渣中含鐵30%-45%，我國鐵礦石平均品位為30%-35%[1]，理應成為鐵精礦，但未能直接用于高爐煉鐵，其原因為：

一是銅渣中Zn、Pb、As、Cu、S 含量均超過鐵礦石有害元素控制標準。高爐煉鐵允許鐵礦石中有害元素含量及過量造成的危害見表2 所示：

表2 鐵礦石有害元素控制標準及過量危害/%

二是銅渣中的鐵主要以鐵橄欖石(Fe2SiO4)形式存在，為難還原物質，不論是作為配礦使用還是直接入爐，都對高爐的生產造成巨大影響，如冶煉過程困難、能耗增加、爐壁結瘤、爐渣量增大等。

因此，若想要通過高爐大批量地處理、回收利用銅渣，首先得對銅渣進行預處理，使其滿足高爐煉鐵原料入爐標準。

3 銅渣資源綜合利用及研究現狀

3.1 銅渣在水泥工業中的利用

水泥的主要化學成分為：氧化鈣，二氧化硅，三氧化二鋁，以及少量的三氧化二鐵(見表3)，水泥在生產過程中，需要向其中添加少量鐵質校正劑，鐵氧化物與二氧化硅反應生成較低熔點的硅酸鐵，可以降低水泥熟料的燒成溫度。

表3 水泥和銅渣的化學成分含量/%

銅渣中的鐵若以氧化鐵形式表示則高達43%-64%，二氧化硅30%-40%，向水泥中添加少量銅渣，其中的鐵恰好可以作為水泥所需的鐵質校正劑。但畢竟水泥和銅渣兩者化學成分有差異，導致水泥工業不能大量添加銅渣，一般僅添加5%左右。

3.2 銅渣回收鐵的技術研究

近些年銅渣排放量呈逐年上升趨勢，有關銅渣回收鐵的研究也備受關注。

3.2.1 直接磁選

常溫下采用磨礦+磁選的方式回收銅渣中的鐵，表4中列出了幾項直接磁選回收銅渣中鐵的研究。

結果表明鐵精礦中含銅＞0.2%，鐵的品位和回收率均不高，因此，直接磁選回收銅渣中的鐵不具有明顯優勢。

3.2.2 氧化焙燒+磁選

在800-1400℃條件下，加入調渣劑，使銅渣中的鐵向磁性鐵轉變，然后緩慢控制冷卻速度，使磁性鐵顆粒長大，再采用磨礦+磁性的方式回收鐵，見表5 所示。

表5 氧化焙燒回收銅渣中的鐵

結果表明鐵的回收率高達90%，但鐵精礦中含雜質以及存在能耗較高的問題。

3.2.3 直接還原+磁選

采用向銅渣中加入還原炭和添加劑，在1200℃-1300℃條件下，將銅渣中的鐵還原為單質鐵，然后采用磨礦+磁選的方式回收鐵，表6 中列出了幾項直接還原+磁選回收銅渣中鐵的研究。

表6 直接還原+磁選回收銅渣中的鐵

結果表明可直接獲得金屬鐵粉，品位＞92%，回收率也較高，但仍然存在鐵粉中含銅，能耗高的問題。

3.2.4 熔融還原

向銅渣中配入還原劑和造渣劑，在＞1250℃條件下將鐵還原為液態鐵水并進行回收，表7 中列出了熔融還原鐵的研究。

表7 熔融還原回收銅渣中的鐵

結果表明鐵的品位和回收率都高，但存在鐵產品含銅的問題。

3.3 銅渣鐵硅分離研究

3.3.1 氧化焙燒+堿浸

銅渣在800℃氧化焙燒60min，焙燒渣采用L:S=5:1，NaOH 濃度160g/L，T=110℃，t=180min 條件下浸出，硅的浸出率為87.33%，渣中硅含量降至4.08%，鐵未被浸出留于渣中[10]，浸出渣成分見表8 所示。

表8 氧化焙燒渣堿浸所得焙燒渣化學成分/%

采用氧化焙燒+堿浸的方式，能有效分離鐵和硅，硅可以從浸出液進一步提取得到硅的產品，渣中含鐵品位較高，但渣中Zn、Pb、Cu 遠高于高爐煉鐵雜質元素控制標準。

3.3.2 碳熱還原+堿浸

含鐵43.91%、二氧化硅33.61%的銅渣配入碳，在1200℃下還原60min，Zn、Pb 揮發進入煙塵，還原產物在L:S=6:1，NaOH 濃 度160g/L，T=110 ℃，t=150min 條件下浸出，可得到鐵品位78.17% 的鐵精礦[11]，實現鐵硅分離。

采用碳熱還原+堿浸的方式，銅渣中的Zn、Pb 揮發進入煙塵，可極大降低堿浸渣中鐵粉Zn、Pb 含量，但Cu仍在鐵粉中。

3.4 銅渣制備不銹鋼資源綜合利用研究

由東北大學張廷安教授團隊、東北大學有色固廢技術研究院(遼寧)有限公司等單位完成的“熔融銅渣適度貧化-渦流還原制備含銅抗菌不銹鋼/耐磨鑄鐵關鍵技術與裝備開發”項目，在中國有色金屬工業協會召開的科技成果評價會上通過鑒定，與會專家一致認為，此項科技成果創新性強。該項目技術成果已形成國家發明專利10 余項、國際PCT 專利3 項。

據悉，銅渣在1150℃-1350℃經過這一新工藝處理后，渣含銅量降至0.28%-0.5%范圍，渣中部分銅被還原進入鐵水，含銅鐵水在1650℃冶煉成含銅抗菌不銹鋼，渦流還原技術與裝備可使還原渣中的銅、鐵、鋅含量分別降至0.06%、0.2%、0.03%以下，使得銅渣中有價金屬銅、鐵、鋅的利用率分別達到95%、98%、90%。銅渣中的鉛、鋅等進入收塵系統，貧化尾渣可用于水泥工業。

表9 銅渣資源綜合利用比較

3.5 銅渣資源綜合利用比較

由上可知，大多數的銅渣處理方法，存在能耗高，鐵精礦或鐵產品雜質含量高，經濟效益不明顯等問題；熔融還原制不銹鋼，銅渣中的銅得到充分利用，鉛鋅進入煙塵回收，貧化尾渣制造水泥，提高了產品附加值，資源得到綜合利用，具有推廣和應用價值。

4 結語

目前，雖然銅渣在回收鐵的技術及資源綜合利用方面的研究取得了一些成果，但大多數都只停留在實驗室研究和專利申請，真正進行了工業擴大試驗并成功應用于生產穩定運行的還鮮見報道。因此，需要加大力度，助推銅渣資源綜合利用產業化。