鋼材中適量銅含量可以提高鋼的耐蝕性和抗菌性能，增加鋼的強(qiáng)度與沖擊韌性，改善鋼材焊接性、成型性與機(jī)加工性等[1,2]。耐候鋼是含銅特殊鋼的主要鋼種，通常銅含量0.25%~0.50%，鎳含量0.1%~0.65%，鉻含量0.3%~1.2%，在具有優(yōu)質(zhì)鋼機(jī)械性能的基礎(chǔ)上還具有耐腐蝕性能。由于耐候鋼中合金元素的含量較低，通常小于5%，遠(yuǎn)少于不銹鋼中合金元素的含量，因此，其價格也相對較低，被廣泛應(yīng)用于我國各個領(lǐng)域[3]。
在傳統(tǒng)含銅特殊鋼冶煉過程中，通常需添加電解銅來調(diào)整鋼液成分[4]。然而，我國銅資源嚴(yán)重不足，對外依存度高，銅價格常年處于高位，導(dǎo)致冶煉成本增加，生產(chǎn)效益降低[5]。銅渣是煉銅工藝中產(chǎn)生的主要廢棄物，含有價成分如銅、鐵、鉛、鋅等元素，其中鐵、銅的含量分別高達(dá)40%和1%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國鐵礦和銅礦可開采品位，具有重要的利用價值[6-9]。因而，利用銅渣生產(chǎn)Fe-Cu合金作為冶煉含銅特殊鋼的原料，其成本明顯低于使用電解銅，可大幅度降低含銅特殊鋼的生產(chǎn)成本，同時也是保障銅工業(yè)乃至鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一[10-13]。
然而，銅渣中鐵主要以橄欖石形式存在，銅主要以CuS形式存，銅鐵礦物晶粒微細(xì)且嵌布十分緊密，常規(guī)方法無法實現(xiàn)銅和鐵的有效分離與富集[14,15]。若通過熱化學(xué)方法改變鐵和銅礦物的自身性質(zhì)及與其他礦物間的嵌布關(guān)系，擴(kuò)大與脈石礦物的物理、化學(xué)性能的差異來實現(xiàn)有價元素的分離與富集，無疑會極大增加其生產(chǎn)成本[16-18]。為此，本文以難選、難冶的銅渣為研究對象，在系統(tǒng)查明其工藝礦物學(xué)特性的基礎(chǔ)上，開發(fā)了銅渣造球-直接還原-磁選新工藝，實現(xiàn)了Fe和Cu的有效分離和富集，所得Fe-Cu粗合金可為冶煉含銅特殊鋼提供優(yōu)質(zhì)爐料，從而縮短了工藝流程，降低了生產(chǎn)成本。
1 原料性能及研究方法
1.1 原料性能
1.1.1 銅渣
試驗用銅渣是安徽銅陵有色集團(tuán)有限公司以銅精礦為原料經(jīng)過閃速熔煉—電爐貧化所得爐渣，其主要化學(xué)成分和物相組成分別如表1和圖1所示。由表1可知，銅渣全鐵為40.33 wt.%，Cu、Pb和Zn含量分別為0.65 wt.%，0.29 wt .%和1.11 wt.%，具有較高的綜合回收利用價值。此外，銅渣FeO含量為40.32 wt.%，還原過程中可能易生成液相。結(jié)合銅渣XRD圖可知，F(xiàn)e元素主要以鐵橄欖石和磁鐵礦形式存在，Si元素主要存在于鐵橄欖石和石英相中。銅渣粒度較粗，-5mm含量為76.43%，需要預(yù)先磨礦預(yù)處理后才能用于造球。
采用SEM-EDS對銅渣中主要載銅礦物的賦存狀態(tài)進(jìn)行了研究，如圖2所示。由圖可知，銅渣主要含銅礦物為冰銅、金屬銅和硫化銅礦(斑銅礦)相。冰銅顆粒多呈不規(guī)則的微細(xì)粒狀嵌布在硅酸鹽相內(nèi)，顆粒尺寸約5μm左右。若通過浮選回收細(xì)顆粒冰銅，則需細(xì)磨使之單體解離，磨礦能耗較高。金屬銅相以不規(guī)則狀的單體顆粒產(chǎn)出，含量較冰銅少；通過掃描電鏡分析，金屬銅中有少量Fe固溶其中。相比于冰銅和金屬銅相，斑銅礦嵌布粒度較粗，多被磁鐵礦緊密包裹，很難通過磨礦解離。綜述所述，銅渣中載銅礦物顆粒微細(xì)，與脈石礦物共生緊密，嵌布關(guān)系十分復(fù)雜，通過物理選礦方法回收銅渣中的銅難度較大。
*LOI-燒損，loss on ignition
圖2 銅渣銅的形態(tài)及嵌布狀況(a1,a2,a3;b1,b2,b3;c1,c2,c3-冰銅、金屬銅、斑銅礦的微觀結(jié)構(gòu)、SEM、EDS；d2,d3-Cu和S元素的面掃描)
Fig.2 Microstructure of copper in copper slag
1.1.2 添加劑
還原實驗用石灰石來調(diào)節(jié)球團(tuán)堿度，其化學(xué)成分如表2所示；石灰石是經(jīng)過破碎、磨細(xì)后200目以下含量為77.28%。同時，試驗用Na2CO3分析純試劑作為強(qiáng)化直接還原過程的添加劑，其粒度小于 0.074mm，因而可直接用于造球。
1.1.3 還原煤
本研究中使用神府煙煤作為直接還原試驗的還原劑，其工業(yè)分析和灰渣軟熔特性，分別如表3和表4所示。由表可知，煙煤固定碳含量為52.12%，揮發(fā)分高，達(dá)30.41%；灰分低，為4.49%，S含量0.34%，且煤灰分熔點較高，可以有效避免還原過程中產(chǎn)生回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題，為一種優(yōu)質(zhì)還原煤。
1.2 主要研究方法
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