CN105567988A - 一种搅拌卷入煤粉还原铜渣的方法 - Google Patents

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Abstract

一种搅拌卷入煤粉还原铜渣的方法，工艺步骤为：（1）在还原炉中引入机械搅拌设备，将高温熔融态铜冶炼渣导入还原炉中，调整搅拌桨伸入至铜冶炼渣液面高度的1/3至1/2处，开启加热和搅拌，控制铜冶炼渣的温度和搅拌速度，形成径高比为0.5~3的漩涡；（2）将煤粉和造渣剂由高温熔融态铜冶炼渣液面上方的喷嘴通过载气携带喷吹到铜冶炼渣熔池表面靠漩涡中心处，其中煤粉加入量为铜冶炼渣的5~15%，造渣剂加入量以碱度调节为1.0~1.5为准，保温搅拌10~60min；（3）静置分层，分别收集下层含铜铁水和上层还原后渣。本发明处理的后渣铜含量在0.1%以下，含铜铁水中铁和铜的回收率分别在95%以上和98%左右。

Description

一种搅拌卷入煤粉还原铜渣的方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种搅拌卷入煤粉还原铜渣的方法。
背景技术
近几年我国钢铁工业发展迅速，钢铁生产总量一直占据世界首位，但我国钢铁质量不高，生产多为粗钢，高端钢铁产品还需进口，对于抗菌不锈钢更是几乎全靠进口。除此之外，我国的铁矿石是贫矿多，复合矿石多品位低，大部分铁矿石也是依赖进口。随着铁矿石价格飞涨，直接导致炼铁成本剧增，削弱了钢铁产业的利润空间，严重影响了中国钢铁产业的发展。因此，寻求新的铁矿资源意义重大。
我国97%以上的粗铜由火法冶炼得到，视铜精矿品位和脉石成分高低的不同而有所差异，每生产1t粗铜约产渣2.2t。与此同时，中国粗铜产量逐年攀升，至2015年底，年产粗铜950万t/年，故中国每年约产生2100万吨铜渣，加之以往堆存的铜渣，至2015年底，中国铜渣的堆存量已达2.7亿吨。而随着强氧化工艺熔炼的大力推行，高品位铜硫产出的同时，渣中残留的铜含量也较高，冶炼过程中产出的渣含铜高达0.4%~4.6%之间，远高于目前0.3%的铜矿开采品位。在储量巨大的基础上，再考虑其中的有价组分含量非常高，所以近年来有很多科研工作者研究如何回收利用铜渣，包括还原回收其中的Fe、Cu等元素，用作建筑材料等。
铜渣中含有大量的重金属，大量长时间堆积后会对周边环境造成污染。在过去的两百年中，研究工作者们研究了铜渣二次利用的工艺，主要分为物理和化学两大类。物理方面主要是利用铜渣的物理性质来回收利用，主要用于做建筑材料，包括制水泥、路堤、集料、玻璃、道渣、瓷砖以及金刚砂等；化学方面主要是指用提取冶金工艺从其中提取有价金属，包括火法、湿法以及火法-湿法联合法等。铜渣中的提取冶金主要为Fe和Cu两种金属，Cu方面有还原制备铜硫然后回炉熔炼等，Fe方面则有高温下添加还原剂还原其中的铁的氧化物制备钢材等，其中的还原剂的种类有石墨、甲烷、H2等。这些铜渣处理工艺均各有利弊，因此，如何处理铜渣，应以具体的铜渣为对象来具体分析。
目前对铜渣最主要的利用方法是对其进行贫化回收其中铜锍，主要有火法贫化和浮选回收，但这两种方法铜的回收率均未达到工业需求。选矿法是将热铜渣缓慢冷却，使铜矿物颗粒长大，保证浮选过程中对铜的良好捕集，但此流程周期较长，且有大量的能量浪费。理论上缓冷选矿只能回收绝大部分的夹杂锍，选矿所得尾矿含铜一般在0.35%以下，只有极少数铜厂可以控制到0.2%以下。除此之外，缓冷选矿对渣包数量和缓冷场占地面积的要求更是限制了中小型企业的使用，工艺流程中大量水的使用也大大降低了工艺的环境效益。
火法熔炼是将热态炉渣直接放入还原炉进行沉降和还原，一般工业上渣含铜一般在0.4%~0.5%左右。目前火法还原过程都是在热态铜渣中直接加入还原剂，但还原剂浮于熔渣表面，难以与熔渣熔池充分接触，还原剂利用率极低，大大降低还原剂的利用率，且还原过程还原剂挥发严重，造成非常严重的环境污染。
铜渣中含有大量的铁，对于铁的回收，一般有磁选法回收和还原回收，还有两者结合的“焙烧—还原—磁选”工艺，但成本较高，尤其随着生铁价格的不断下降，单纯回收铁工艺得不偿失。
除此之外，铜渣还被广泛应用在喷砂工业，生产研磨工具，喷砂材料，切割工具，瓷砖，玻璃和屋面颗粒材料等。铜渣已可以作为水泥添加剂制作硅酸盐水泥，混凝土中的骨料以及沥青混合物的替代品。但此种利用未能将铜渣最大化的利用。
综合以上铜渣的各种处理方法可以看出，目前对铜渣的研究主要集中在回收其中一种或几种有价元素，而对其他的元素则抛弃，这样就造成了资源的浪费。而且单一组分回收的回收率普遍不高，工业普及困难。另一方面，从现有文献来看，极少有技术同时关注铜渣中Cu和Fe，乃至其他有价金属元素的回收。而还原剂方面主要集中于固态的煤粉，实际工业化中存在加入煤粉困难，难以使之充分与熔渣接触并反应，回收铁中S的含量较高。
因此，提出一种新的还原剂加入方法处理铜冶炼渣来克服上述不足是非常必要的，不但有效提高还原剂利用率，降低尾渣含铜，提高铜熔炼渣还原水平，而且可以改善现场环境。
申请号为201510553961.X的专利提出了一种顶吹吹炼炉内铜渣还原的方法，在顶吹吹炼炉内的吹炼工作进行到冰铜吹炼造锍期接近终点时，将喷枪喷嘴提至渣层，投入铜渣重量0.3-0.5%还原煤，对铜渣进行还原处理。但该专利通过喷枪喷入粉煤，要求的送风量大，达到8000-14000Nm3/h，且顶吹方式易造成熔池液面上涨，存在安全隐患。而块煤通过皮带***加入到熔体表面，块煤与铜熔炼渣的难以充分混合，反应动力学条件差，块煤利用率低。
申请号为201010216133.4的专利是将熔融热渣加入还原剂还原，但没有涉及搅拌加入还原剂还原的方法。申请号为200910163234.7的专利是从铜渣中还原提铁，未涉及铜的提取和搅拌加入还原剂的方法。
因此，亟需一种新的铜冶炼渣还原处理方法，能够充分解决还原剂与铜冶炼渣的混合问题，尽可能少的引入其它物质或产生废气，并且还可以有效降低尾渣中的含铜量，以及改善现场环境，提高还原剂利用率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种搅拌卷入煤粉还原铜渣的方法，在熔融铜冶炼渣还原炉中引入搅拌设备，将搅拌桨伸入铜冶炼渣液面高度的1/3至1/2处以在中心形成径高比为0.5~3的离心漩涡，然后将煤粉和造渣剂（CaO）通过载气携带喷吹到铜冶炼渣熔池表面靠漩涡中心处，其中造渣剂将铜渣调节至一定碱度。
煤粉还原熔渣中Fe3O4、FeO和Cu2O，还原得到铜铁合金。本发明提出技术方案如下：
一种搅拌卷入煤粉还原铜渣的方法，按照以下工艺步骤进行：
（1）在还原炉中引入机械搅拌设备，将1150~1350℃的高温熔融态铜冶炼渣导入还原炉中，调整搅拌桨伸入至铜冶炼渣液面高度的1/3至1/2处，开启加热和搅拌，控制铜冶炼渣的温度为1400~1500℃，搅拌速度为50~200r/min，形成径高比为0.5~3的漩涡；
（2）将煤粉和造渣剂由高温熔融态铜冶炼渣液面上方的喷嘴通过载气携带喷吹到铜冶炼渣熔池表面靠漩涡中心处，其中煤粉加入量为铜冶炼渣质量的5~15%，造渣剂加入量以冶炼渣碱度调节为1.0~1.5为准，保温搅拌10~60min；
（3）静置分层，分别收集下层含铜铁水和上层还原后渣。
上述方法中，所述载气包括惰性气体或氮气。
上述方法中，所述下层含铜铁水中铁的回收率在95%以上，铜的回收率在98%左右；上层还原后渣中铜含量在0.1%以下。
上述方法中，铜冶炼渣在还原过程产生的高温烟气通过锅炉回收余热以及旋风除尘，回收烟气中的锌、铅、钼和砷易挥发有价组分，最后通过洗涤装置除去烟气中所含的二氧化硫气体，达到排空要求后排入大气。
上述方法中，所得的含铜铁水进一步脱硫后用于含铜抗菌不锈钢的冶炼。
本发明的还原原理为：还原剂和造渣剂加入铜冶炼渣熔体中，其中的C和CO将Fe3O4还原成Fe，造渣剂与2FeO·SiO2反应生成2CaO·SiO2，C将FeO还原成Fe，C将Cu2O还原为Cu，该过程还原剂的利用率可达到80%以上，还原后渣中铜含量降至0.1%以下。本发明涉及的反应方程式如下：
2FeO·SiO2(s)+2CaO(s)＝2CaO·SiO2(s)+2FeO(s)
[C]+Fe3O4＝(FeO)+CO
[C]+(FeO)＝[Fe]+CO
[C]+(Fe2O3)＝[Fe]+CO
CO+(FeO)＝[Fe]+CO2
[C]+(Cu2O)＝[Cu]+CO
CO+(Cu2O)＝[Cu]+CO2
CO2+[C]＝2CO
与现有的铜冶炼渣还原技术相比，本发明的特点和有益效果如下：
1、本发明在还原炉引入机械搅拌设备和喷嘴，控制搅拌转速在高温熔融态铜冶炼渣中形成径高比为0.5~3的漩涡，使还原剂和造渣剂由喷嘴通过载气携带喷吹到铜冶炼渣熔池表面靠漩涡中心处，利用漩涡效应解决还原剂与铜冶炼渣的混合问题，改善了还原剂与铜冶炼渣固-液反应的动力学条件，减少还原剂用量的同时提高其利用率。
2、本发明在尽可能少的引入其它物质及产生废气的基础上，利用搅拌和还原剂载气携带靠搅拌漩涡中心处喷吹的方式，有效降低了铜冶炼渣中的含铜量，并且减少了环境污染，与现有铜冶炼渣处理工艺的含铜量在0.4~0.8之间相比，本发明处理的铜冶炼渣含铜量可降至0.1%以下，铁的回收率在95%以上。
3、本发明得到的是含铜铁水，和以前只回收铜或只回收铁不同，同时回收铜铁，用于后续含铜抗菌不锈钢的冶炼，使铜渣达到最大价值的应用，并且铜冶炼渣在还原过程产生的高温烟气通过锅炉回收余热以及旋风除尘，可回收烟气中的锌、铅、钼和砷易挥发有价组分，最后烟气通过洗涤装置除去烟气中所含的二氧化硫气体，达到排空要求后排入大气，尽量减少冶炼过程对环境的污染。
附图说明：
图1是本发明实施例的铜冶炼渣的还原处理方法所采用的还原炉的结构示意图，其中：1-排渣口，2-排含铜铁水口，3-搅拌桨，4-搅拌桨升降***，5-铜冶炼渣溜槽，6-煤粉喷吹***，7-旋风除尘***，8-余热回收***，9-洗涤塔。
具体实施方式
本发明实施例中所采用的还原炉为自制设备。
本发明实施例1和2中所用铜冶炼渣为富氧底吹铜熔炼渣，具体成分如表1所示；
表1实施例1和2所采用的铜冶炼渣多元素分析结果（质量分数，%）
组分 TFe FeO Cu Zn S Al2O3 CaO MgO SiO2 Au g/t As
含量 42.47 43.14 4.51 5.67 1.55 3.02 0.96 1.09 20.82 1.2 0.075
本发明实施例3和4中所用铜冶炼渣为富氧底吹铜熔炼渣，具体成分如表2所示；
表2实施例3和4所采用的铜冶炼渣多元素分析结果（质量分数，%）
组分 TFe FeO Cu Zn S Al2O3 CaO MgO SiO2 As
含量 45.50 45.99 2.36 1.67 0.86 3.35 0.74 0.74 27.54 0.018
本发明实施采用的铜冶炼渣的碱度采用以下公式表示：
其中，R表示铜渣的碱度，ω表示各成分的比重。
实施例1
熔融态铜冶炼渣量为25t，组成如表1所示，采用的还原炉如图1所示，还原方法按照以下工艺步骤进行：
（1）在还原炉中引入机械搅拌设备，将1150~1350℃的高温熔融态铜冶炼渣导入还原炉中，调整搅拌桨伸入至铜冶炼渣液面高度的1/3处，开启加热和搅拌，控制铜冶炼渣的温度为1450℃，搅拌速度为80r/min，形成径高比为3的漩涡；
（2）将2.5t煤粉、500kg氧化钙由高温熔融态铜冶炼渣液面上方的喷嘴通过氮气携带喷吹到铜冶炼渣熔池表面靠漩涡中心处，碱度调节为1.0，保温搅拌50min；
（3）静置分层，分别收集下层含铜铁水和上层还原后渣，其中下层含铜铁水中铁的回收率为96%，铜的回收率为98.5%，铁水中含S为0.027%，低于入炉铁水的0.05%，经进一步脱硫处理后可直接用于冶炼含铜不锈钢；上层还原后渣中铜含量在0.08%。
铜冶炼渣在还原过程产生的高温烟气通过锅炉回收余热以及旋风除尘，回收烟气中的锌、铅、钼和砷易挥发有价组分，最后通过洗涤装置除去烟气中所含的二氧化硫气体，达到排空要求后排入大气。
实施例2
熔融态铜冶炼渣量为22t，组成如表1所示，采用的还原炉如图1所示，还原处理方法按照以下工艺步骤进行：
（1）在还原炉中引入机械搅拌设备，将1150~1350℃的高温熔融态铜冶炼渣导入还原炉中，调整搅拌桨伸入至铜冶炼渣液面高度的1/2处，开启加热和搅拌，控制铜冶炼渣的温度为1400℃，搅拌速度为200r/min，形成径高比为0.5的漩涡；
（2）将2t煤粉、440kg氧化钙由高温熔融态铜冶炼渣液面上方的喷嘴通过氩气携带喷吹到铜冶炼渣熔池表面靠漩涡中心处，碱度调节为1.3，保温搅拌30min；
（3）静置分层，分别收集下层含铜铁水和上层还原后渣，其中下层含铜铁水中铁的回收率为95.5%，铜的回收率为98%，铁水中含S为0.032%，低于入炉铁水的0.05%，经进一步脱硫处理后可直接用于冶炼含铜不锈钢；上层还原后渣中铜含量在0.09%。
铜冶炼渣在还原过程产生的高温烟气通过锅炉回收余热以及旋风除尘，回收烟气中的锌、铅、钼和砷易挥发有价组分，最后通过洗涤装置除去烟气中所含的二氧化硫气体，达到排空要求后排入大气。
实施例3
熔融态铜冶炼渣量为30t，组成如表2所示，采用的还原炉如图1所示，还原处理方法按照以下工艺步骤进行：
（1）在还原炉中引入机械搅拌设备，将1150~1350℃的高温熔融态铜冶炼渣导入还原炉中，调整搅拌桨伸入至铜冶炼渣液面高度的1/2处，开启加热和搅拌，控制铜冶炼渣的温度为1500℃，搅拌速度为100r/min，形成径高比为2的漩涡；
（2）将3t煤粉和750kg氧化钙由高温熔融态铜冶炼渣液面上方的喷嘴通过氮气携带喷吹到铜冶炼渣熔池表面靠漩涡中心处，碱度调节为1.5，保温搅拌60min；
（3）静置分层，分别收集下层含铜铁水和上层还原后渣，其中下层含铜铁水中铁的回收率为97%，铜的回收率为98.5%，铁水中含S为0.021%，低于入炉铁水的0.05%，经进一步脱硫处理后可直接用于冶炼含铜不锈钢；上层还原后渣中铜含量在0.08%。
铜冶炼渣在还原过程产生的高温烟气通过锅炉回收余热以及旋风除尘，回收烟气中的锌、铅、钼和砷易挥发有价组分，最后通过洗涤装置除去烟气中所含的二氧化硫气体，达到排空要求后排入大气。
实施例4
熔融态铜冶炼渣量为20t，组成如表2所示，采用的还原炉如图1所示，还原处理方法按照以下工艺步骤进行：
（1）在还原炉中引入机械搅拌设备，将1150~1350℃的高温熔融态铜冶炼渣导入还原炉中，调整搅拌桨伸入至铜冶炼渣液面高度的1/3处，开启加热和搅拌，控制铜冶炼渣的温度为1450℃，搅拌速度为90r/min，形成径高比为1的漩涡；
（2）将2.5t铜精矿、560kg氧化钙由高温熔融态铜冶炼渣液面上方的喷嘴通过氮气携带喷吹到铜冶炼渣熔池表面靠漩涡中心处，碱度调节为1.2，保温搅拌30min；
（3）静置分层，分别收集下层含铜铁水和上层还原后渣，其中下层含铜铁水中铁的回收率为96%，铜的回收率为98%，铁水中含S为0.033%，低于入炉铁水的0.05%，经进一步脱硫处理后可直接用于冶炼含铜不锈钢；上层还原后渣中铜含量在0.07%。
铜冶炼渣在还原过程产生的高温烟气通过锅炉回收余热以及旋风除尘，回收烟气中的锌、铅、钼和砷易挥发有价组分，最后通过洗涤装置除去烟气中所含的二氧化硫气体，达到排空要求后排入大气。

Claims (3)

1.一种搅拌卷入煤粉还原铜渣的方法，其特征在于按照以下工艺步骤进行：
（1）在还原炉中引入机械搅拌设备，将1150~1350℃的高温熔融态铜冶炼渣导入还原炉中，调整搅拌桨伸入至铜冶炼渣液面高度的1/3至1/2处，开启加热和搅拌，控制铜冶炼渣的温度为1400~1500℃，搅拌速度为50~200r/min，形成径高比为0.5~3的漩涡；
（2）将煤粉和造渣剂由高温熔融态铜冶炼渣液面上方的喷嘴通过载气携带喷吹到铜冶炼渣熔池表面靠漩涡中心处，其中煤粉加入量为铜冶炼渣质量的5~15%，造渣剂加入量以冶炼渣碱度调节为1.0~1.5为准，保温搅拌10~60min；
（3）静置分层，分别收集下层含铜铁水和上层还原后渣。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌卷入煤粉还原铜渣的方法，其特征在于所述载气包括惰性气体或氮气。
3.根据权利要求1所述的一种搅拌卷入煤粉还原铜渣的方法，其特征在于所述还原后渣中铜含量在0.1%以下。
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