銅渣低溫還原與晶粒長大新技術(shù)

2021-03-29 作者：佚名網(wǎng)友評論 0 條

針對銅渣的特殊性能，開發(fā)了銅渣低溫還原與晶粒長大新技術(shù)。新技術(shù)降低了反應(yīng)溫度，無需高溫熔分，是一種資源與能源高效利用的新方法。新技術(shù)具有能耗低、冶煉方法靈活、環(huán)境友好、固定投資少、生產(chǎn)成本低等特點。

龐建明

中國鋼研科技集團(tuán)有限公司資源應(yīng)用與合金材料事業(yè)部

銅渣是銅冶煉時的廢棄物，存在大量鐵與少量銅等資源。隨著富鐵礦的日益減少，鐵礦價格的攀高，利用廢棄的銅渣資源受到國內(nèi)研究者與企業(yè)的關(guān)注。近年來，我國銅業(yè)企業(yè)取得了迅猛發(fā)展，銅產(chǎn)量排世界第二[1-2]。伴隨著銅產(chǎn)量的增長，國內(nèi)積累了大量的銅渣。目前銅渣累計量約1.2 億噸，現(xiàn)在每年新增銅渣1000 多萬噸。目前只有5%的銅渣用于公路建設(shè)，絕大部分堆存?，F(xiàn)有銅渣由于堆存所占的耕地面積1000多萬平米（約15000 畝），每年新增銅渣還要新占耕地90 多萬平米（1300 多畝）。我國的銅渣主要是火法冶煉時產(chǎn)生的，其性質(zhì)由入爐銅精礦性質(zhì)、冶煉操作條件和爐渣冷卻速度而定。銅渣中含有大量的鐵、鋅、銅等金屬元素，其中，鐵含量達(dá)到40%，比一般的鐵礦石含鐵量還高，因此將銅渣進(jìn)行資源化利用[3-5]，提取出其中鐵和其它貴金屬是我國冶金工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑。

根據(jù)前人研究的結(jié)果可知[6-10]，銅渣中鐵難還原的原因與銅渣中鐵的賦存形態(tài)密切相關(guān)。鐵橄欖石（Fe2SiO4）是銅渣中鐵的主要物相，通過分析還原熱力學(xué)可知，銅渣的還原溫度比普通鐵礦還原溫度要高，對還原氣氛的要求更高。除了還原溫度高以外，鐵橄欖石的熔點低導(dǎo)致銅渣熔點約為1200℃：當(dāng)含碳球團(tuán)時處于>1200℃溫度還原，銅渣熔化使還原劑與爐渣分層，惡化了反應(yīng)動力學(xué)條件；當(dāng)反應(yīng)溫度更高，如1450℃以上，則屬于熔融還原，雖然能夠還原，但是能耗太高；如果還原溫度低于銅渣熔點，雖然球團(tuán)不熔化，銅渣與還原劑充分接觸，但是鐵橄欖石又難還原，表現(xiàn)出的是還原速度慢，還原不徹底。

針對銅渣的特殊性能，在充分調(diào)研、理論分析和實驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種銅渣低溫還原與晶粒長大新技術(shù)。

1 銅渣低溫還原理論

從圖2可見，碳的氣化反應(yīng)（C+CO2=CO）與FeO間接還原的曲線的交點為A，溫度大約700℃，表明在700℃以上碳在熱力學(xué)上是能夠還原FeO的。對比A、B兩點位置可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2SiO4比FeO難還原，還原的溫度大致要高50℃。從Fe2SiO4、FeO與CO反應(yīng)曲線可見，平衡成分中，F(xiàn)e2SiO4與CO還原需要更高的還原勢（更高的CO濃度）。

傳統(tǒng)富鐵礦粉的煤基間接還原溫度，根據(jù)反應(yīng)器形式的不同稍有差距：如果用回轉(zhuǎn)窯還原富鐵礦粉，窯頭溫度控制在1100～1150℃，用隧道窯還原，窯內(nèi)溫度控制在1150℃～1180℃左右，使用轉(zhuǎn)底爐還原，溫度控制在1250℃～1350℃。隧道窯采用罐裝，能夠保證還原氣氛，因此能夠得到高的金屬化率（>90%），但是受到罐材的限制，窯內(nèi)溫度難以進(jìn)一步提高；回轉(zhuǎn)窯窯頭也能保證還原氣氛，也能生產(chǎn)高金屬化率的海綿鐵，但是窯頭容易結(jié)圈，使生產(chǎn)順行困難，因此，進(jìn)一步提高溫度的潛能較?。晦D(zhuǎn)底爐的還原溫度可以大于1250℃，但是爐內(nèi)的氣氛是弱氧化氣氛，以CO2與N2為主，產(chǎn)品金屬化率較低。

從Fe2SiO4的還原熱力學(xué)可知，鈦鐵礦的還原溫度高于普通鐵礦高50℃，對還原氣氛的要求更高。除了還原溫度高以外，銅渣的熔化性溫度較低，正常在1150℃左右，這對還原反應(yīng)產(chǎn)生不利影響，較高的反應(yīng)溫度將會導(dǎo)致銅渣熔化，從而與還原劑煤粉分離，惡化了反應(yīng)動力學(xué)條件。

2 銅渣低溫還原與晶粒長大新技術(shù)

從上述分析可知，銅渣比普通鐵礦還原溫度要高，同時對氣氛要求更高；另一方面，銅渣熔化性溫度較低，在較高溫度還原，還原劑將與爐渣分層，不利于還原。通過低溫冶金與資源高效利用中心提出的低溫冶金理論[11-14]，將還原溫度降低到1100℃以下，保證銅渣還原可以較好地解決銅渣還原的難題。若通過冷卻后再熔分方式，由于爐渣多，能耗很高，而喪失經(jīng)濟(jì)價值。因此，除了低溫還原外，還必須利用低溫冶金中心提出的晶粒長大技術(shù)，將銅鐵長大到一定粒度，保證冷卻后磁選將爐渣與銅鐵分離，這種方法能夠最大程度地降低冶煉過程能耗，也無需電爐熔分對耐火材料地嚴(yán)重侵蝕問題，因此是一種經(jīng)濟(jì)性冶煉方法，特別是在富礦價格高時，更具有可觀的經(jīng)濟(jì)性。

銅渣低溫還原與晶粒長大新技術(shù)的工藝流程如圖3所示。首先將銅渣、還原劑、粘結(jié)劑按照一定比例混合后制成長度為50mm左右的橢圓球，干燥后將制備好的含水量小于2%的球團(tuán)放入低溫還原反應(yīng)器內(nèi)，球團(tuán)經(jīng)過逐步的預(yù)熱還原，使得銅渣中的銅、鐵被還原。還原溫度在1050℃左右，預(yù)熱還原時間約為1h30min；還原后的球團(tuán)進(jìn)入晶粒長大反應(yīng)器中，在~1100℃下促使銅鐵的晶粒長大到1mm以上，晶粒長大時間為40min左右；晶粒長大后的產(chǎn)品冷卻到200℃以下，送入破碎設(shè)備進(jìn)行簡單的破碎，然后送入筒面磁感應(yīng)強度為200mT左右的磁選機進(jìn)行磁選，得到含銅粒鐵。

經(jīng)過理論與技術(shù)攻關(guān)，得到了銅渣低溫還原與晶粒長大的工藝參數(shù)，為進(jìn)行大規(guī)模的中試放大試驗與生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。