含铜污泥直接还原熔炼回收铜技术研究

含铜污泥直接还原熔炼回收铜技术研究

王永波

甘肃叶林环保科技有限公司，甘肃金昌  737100

摘要：本研究通过实验讨论熔剂石英石、石灰石、还原剂煤、熔炼温度、时间等因素对铜渣的处理影响，通过实验比较，确定熔炼温度、时间、还原剂煤用量的L 9(34)，比较各因素的优化组合，结果表明：采用80分钟熔炼时间、4.5%的还原剂煤、熔炼温度1310℃，在此工艺下，铜产率达到93.89%，取得较为满意的研究结果。

关键词：含铜污泥；还原熔炼；回收率；原料性质

1原料性质简析

本实验所用的含铜污泥是从我国一座矿场中经过化学反应产生的超细小矿物的絮状体，其成分为：氢氧化物、铝氧化物、碳酸盐和其他成分的混合体，还含有黄铁矿、褐铁矿和石英、明矾石、地开石及少量的含铜的硫化物，所使用的硅石、石灰石均为某地铜矿冶炼，还原剂也是从该地的无烟煤中提取。

2工艺原理分析

该含铜污泥使用直接还原熔炼工艺进行化学处理,其反应方程式如下:

主要分解反应:

Cu(OH)3→CuO+H₂0 (1)

2Al(OH)3→α-Al2O3+3H2O↑ (2)

2Fe(OH)3→Fe₂O3+3H₂0↑ (3)

CaCO3→CaO+CO₂↑ (4)

高温(900℃)条件下氧化铜主要还原反应[4]:

2CuO+C→2Cu+CO₂↑ (5)

4CuO+C→2Cu₂O+CO₂↑ (6)

C+O₂→CO₂(7)

C+CO2→CO (8)

CuO+CO→Cu+CO2 (9)

Cu20+CO→2Cu+CO2 (10)

在570摄氏度的高温下，根据氧化电位或热解压力的不同，由高价到低价依次进行：Fe203→Fe304→Fe0→Fe，其主要的还原作用是：

3Fe2O3+CO→2Fe304+CO₂ (11)

Fe304+CO→2Fe3O4+CO₂ (12)

FeO+CO→Fe+CO2 (13)

高温熔炼条件下主要造渣反应:

2FeO+SiO2→2FeO·SiO2 (14)

SiO2+CaO2CaO·SiO2 (15)

CaO + Fe₂O3→CaO·Fe₂O3 (16)

FeO+ Al2O3→FeO·Al2O3（17)

Al2O3+CaO→Ca0·Al2O3 (18)

2CaO+FeO+2SiO2→2Ca0·Fe0·2SiO2 (19)

CaO+Al2O3+4SiO2→CaO·Al2O3·4SiO2 (20)

3试验结果分析与讨论

3.1直接还原熔炼条件试验

3.1.1石英石用量条件试验

固定工艺条件：还原剂煤和石灰石的含量为含铜渣质量的7%和12%，熔化温度为1280摄氏度，熔化2小时；变量：硅酸盐的使用率为3.0%、5.5%、8.0%、10.5%、13.0%、15.5%。根据试验数据分析可知，在不超过13.0%的情况下，随着石英石加入量的增大，铜矿的采出率增大，而在超过13.0%以后，随着石英石加入量的增大，铜矿的采出率逐渐下降。其主要原因是：在石英石添加量不够的情况下，由于含铜渣中 FeO、SiO2紧密接触，在反应中容易产生2Fe0.SiO2，在1205摄氏度时，2Fe0.SiO2和SiO2相结合，使其组成具有较低的溶点（约1170°），从而有助于提高铜的回收；在加入适量的石英石后，会与中和渣中石灰发生化学反应，形成具有高熔点（约1500摄氏度）的硅灰石。（CaO.SiO2）或者是3CaO.2SiO2）可以增加熔渣的粘性，减少铜矿回收率。试验结果表明，在此工艺下，硅酸盐的添加比例为13.0%，铜回收率为67.90%。

3.1.2石灰石用量条件试验

固定工艺条件：还原剂煤和石英石用量为含铜渣质量的7%和13%，熔化温度为1280摄氏度，熔化2小时；变量：在含铜渣中，石粉的投入量为3.0%、6.0%、9.0%、12.0%、15.0%。实验发现，在不超过9.0%的石灰石中，随着石灰石加入量的增大，铜矿的采出率也随之增大。这主要是由于熔体的粘度与熔体中CaO/(SiO2+Al2O3）之比率有关，在Al2O3等元素的比例不变时，可适量增加碱性，能使液相化反应的温度下降，增加铜的数量。结果表明：当Ca0超过一定数值时，铜的含水率持续升高，粘度增大，流动性降低，这是由于二次碱性升高时，熔体的矿物质成分会随二元碱性升高而改变，炉渣中的2CaO.SiO2含量较高，易于在渣中形成不均一的相态，从而导致渣的熔融温度迅速上升，流动性下降，从而导致金-铜回收率下降。试验结果表明，在此工艺下，石灰石的添加比例为9.0%，铜的回收率为92.25%。

3.1.3熔炼温度条件试验

固定工艺条件：还原剂煤按含铜渣质量的7%，石英石的量为13%，石灰石的量为9.0%，石英石含量为9.0%，冶炼周期为2小时。熔炼温度的可变参数：1250℃、1280℃、1310℃、1350℃。实验表明，随着冶炼温度的提高，铜矿的回收效率逐渐提高。由于在高温下，液体炉渣质点（离子）的热能增加，离子之间的静电吸力变小，从而导致粘度下降。此外，还原温度对回收有价值的金属具有以下作用：一是提高温度，加快还原过程，促进金属的氧化还原；二是能提高冶炼效率。炉渣的粘性减小，加快炉料中的析出和沉淀，对炉渣产生有益的影响。使金属分离更充分，有利于废液的排出。但是如果冶炼温度太高，不但会增加能源消耗，还会增加渣的投入量。实验结果表明：在1310摄氏度下，铜的回收率可达94.56%。

3.1.4熔炼时间条件试验

固定工艺条件：在1310摄氏度时，还原剂煤的含量为7%，石英石的含量为13%，石灰石的含量为9.0%。熔炼时间的可变参数为：1小时、1.5小时、2小时、2.5小时。实验表明，在适当的冶炼条件下，适当的还原时间可以使矿石中有价值的元素得到更加充分的还原。但如果冶炼周期太久，不仅能耗高，产品中有价值的金属含量也较低，同时还会使高炉的处理量下降，增加炉身的腐蚀。实验表明，适当的还原时间对提高冶炼效果是有益的，1小时是最佳的冶炼工艺时间，此时铜的回收率达到93.86%.

3.1.5还原剂用量试验

固定工艺条件：在1310摄氏度下，在1小时内加入石灰石粉，在含有铜的淤渣中加入13%和9.0%的石英石；海原祭煤的用量，参数设置为：1.0%、2.5%、4.0%、5.5%、7.0%。实验表明：在不超过含铜渣的情况下，还原剂加入量不超过含铜渣。在5.5%时，随着还原剂的添加，铜矿的回收效率随还原剂的添加而提高。此外，如果使用过量的还原剂，不仅会降低产物铜矿等级，也会造成熔炼费用增加。在此基础上，选用5.5%的还原剂，使铜回收率达到93.92%。

3.2正交试验

采用L 9(34)正交实验法对含铜渣进行正交实验，探讨还原剂用量、熔炼时间、熔炼时间对铜矿回收效果的主要影响。在进行正交实验时，以石英石和石灰石为实验指标，石英石和石灰石含量为13%，石灰石含量为含铜渣的9.0%。通过对直接还原法的正交实验的结果进行分析，得出如下结论：

(1)直接比较选出水平组合

对铜矿的回收率进行对比，选择最优实验方法。从正交实验中发现，9号铜矿的最佳回收效率最好，最佳组合是A3B3C2。

(2)极差分析选出最优组合

IA=233.92 ⅡA=253.84 ⅢA=275.47 ΔA =41.55

IB=218.48 ⅡB=269.43 ⅢB=275.32 ΔB=56.84

Ic=233.75 Ⅱc=254.04 ⅢC=275.44 ΔC= 41.69

熔炼时间对铜矿的回收率有较大影响，其中以第三水平最好；还原剂是第三水平最好；熔化温度影响最小，但是也是第三水平最好。因此,极差分析得出最优水平组合为B3C3A3。

(3)综合分析选出较优组合

从极差解析Δ数值的大小可以看出，在该实验中，各个因子的主次关系依次是B→C→A,ΔB的极差最大，ΔC和ΔA之间的极差差异不大，而熔化温度太高导致体系能量消耗的增大以及还原剂用量的增大。因此，通过对B3C2A2的综合分析，优选的实验方案是B3C2A2组合。

3.3验证试验

将从9个实验结果中选择的水平组合A3B3C2和通过计算得到的B3C3A3组合，以及对B3C2A2进行一系列的验证实验，确定最好的组合方案，每个实验组的铜淤渣总量为300g。通过对测试检验，证实测试的最佳组合是B3C3A3，而另外两个组间的水平组合则基本相同。通过对系统能耗和产品有价金属品位的综合分析，得出采用B3C2A2的最优方案，即80min的冶炼时间，4.5%的还原剂煤，1310°C的冶炼，铜的回收率达到93.89%。

4结论分析

(1)某含铜污泥利用直接还原法冶炼铜是切实可行的，其最佳冶炼条件是：石英石和石灰石用量分别为含铜污泥质量的13%和9.0%,80分钟的冶炼时间，4.5%的还原剂、1310°C的冶炼温度，此时铜回收率93.89%。

(2)对含铜污泥进行直接还原冶炼，其冶炼过程具有较好的稳定性，不会对周围环境产生二次污染，可以作为建材和混凝土的原材料。本技术是一种比较适合于处理含铜污泥的理想技术。

5结语

由于铜矿石开采、湿法提铜工业、铜冶炼及铜镀锌业等行业的迅速发展，工业生产中所产生的铜、铜废水日益增多。因此在处理铜的酸性污水时，所产生的铜淤渣数量也与日俱增。如果不进行适当的处理，不仅会对地下水产生污染，而且会对周围环境产生严重污染，对生态环境和人类健康构成威胁。可持续发展存在着各种能源资源短缺的问题，而金属资源是一种消耗型资源，含铜污泥又是一种廉价的二次可再生资源，对资源进行优化利用既是发展循环经济，又是节约型社会的一个重要体现，也是保护资源安全的有效途径。因此，开展含铜废水处理技术的探索，对于处理有价值的金属和防止其对环境造成恶劣影响具有重要的现实意义。

参考文献

[1]刘俊江.含铜污泥直接还原熔炼回收铜工艺分析[J].中国金属通报,2021(10):2.

[2]樊锐.含铜污泥密闭鼓风熔炼与富氧熔池熔炼资源回收技术浅析[J].黑龙江冶金,2019,039(005):107,109.

[3]黄强,吴银登,刘玉坤.含铜污泥富氧顶吹熔池熔炼炉的结构设计[J].节能与环保,2021,000(011):61-62.