貴冶電爐渣的緩冷特性和結(jié)晶研究

王奇

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

貴冶電爐渣的緩冷特性和結(jié)晶研究

王奇

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

通過對電爐渣結(jié)晶的研究，了解了電爐渣的礦物組成和主要金屬礦物的嵌布特征，為回收電爐渣中的含銅礦物提供了理論根據(jù);探索性研究了磁鐵礦晶體的生長規(guī)律，為有效回收電爐渣中的磁鐵礦指引了方向;簡述了渣包緩冷工藝及其影響因素，為制定科學(xué)的渣包緩冷制度提供了依據(jù);探討了如何提高電爐渣中磁鐵礦含量的方法。

電爐渣;嵌布特征;結(jié)晶;磁鐵礦;緩冷

1 引言

貴溪冶煉廠電爐渣［1］，日產(chǎn)近2000t，渣中含Cu0.87%，TFe41%，其礦物含量為硫化銅1.71%、磁鐵礦28.97%(磁鐵礦中的鐵占全鐵的42.13%)。脈石礦物主要為鐵橄欖石和非晶相物質(zhì)，而鐵的脈石礦物主要是鐵橄欖石。電爐渣中的含銅礦物在生產(chǎn)中經(jīng)過與轉(zhuǎn)爐渣以4∶1比例混合后，通過浮選工藝，取得了優(yōu)異的技經(jīng)指標(biāo):精礦含銅26%，尾礦含銅0.31%，回收率87.7%，其中尾礦含銅更是達(dá)到同行業(yè)國際先進(jìn)水平。

但是，渣中的磁鐵礦因結(jié)晶粒度細(xì)小(＜30μm)，單體解離度低，和脈石礦物單體解離困難，通過磁選工藝無法獲得合格的鐵精礦，而只能用作生產(chǎn)水泥的鐵質(zhì)校正原料。

由于選礦尾礦量太大，每年約產(chǎn)150萬t，需大面積堆存，給生產(chǎn)管理和環(huán)境保護(hù)造成不便，希望通過對電爐渣的深入研究，除含銅礦物得到回收外，其尾礦中的鐵也能得到回收，以大幅減少尾礦量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 電爐渣的礦物組成

電爐渣中的銅礦物主要有類斑銅礦、輝銅礦、類黃銅礦和微量的銅鉛合金;鐵礦物主要為磁鐵礦;脈石礦物主要為鐵橄欖石［2］和非晶相物質(zhì)，其中非晶相物質(zhì)的物質(zhì)組成極其復(fù)雜，且含有相當(dāng)量的鋅，其掃描電鏡能譜圖見圖1。

圖1 非晶相物質(zhì)掃描電鏡能譜圖

圖2 電爐渣中磁鐵礦、鐵橄欖石、玻璃相及硫化銅的顯微結(jié)構(gòu)，反光鏡下放大200倍

顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，渣中還有數(shù)量明顯的玻璃相及少量的黃銅礦、斑銅礦類的含鐵硫化銅礦。經(jīng)鏡下觀察及掃描電鏡對眾多硫化銅礦的定量分析查明，電爐渣的這類硫化銅礦按成份劃分，大部分接近于斑銅礦、方黃銅礦及含鐵量約為17%的富鐵斑銅礦，少量接近于黃銅礦成份。圖2表示了電爐渣中磁鐵礦、鐵橄欖石、玻璃相、硫化銅顆粒的顯微結(jié)構(gòu)。從中可以清楚的看出，硫化銅礦顆粒較細(xì)，多在0.043mm以下。而硫化銅中晶出鉛、砷、錫的硫化礦及合金粒度更細(xì)，基本上都在0.010mm以下。

3 主要金屬礦物的嵌布特征

3.1 銅硫化礦

礦物學(xué)研究結(jié)果表明，電爐渣中的絕大部分硫化物系斑銅礦、方黃銅礦、富鐵斑銅礦、黃銅礦類的銅鐵硫化物［3］。顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，這些銅的硫化物大多呈中細(xì)粒(＜0.043mm)在玻璃相中晶出，有時在磁鐵礦和鐵橄欖石邊界晶出，少數(shù)在粗大的鐵橄欖石內(nèi)部嵌生。圖3～4分別表示了電爐渣中硫化銅礦的顯微結(jié)構(gòu)。從中可見，它們的晶出粒度差異明顯，粗者可在0.1mm以上，細(xì)者小于0.005mm。

表1列出了利用顯微鏡統(tǒng)計(jì)的20余塊光片中全部硫化銅礦的粒度分布，從中可見，電爐渣中0.043mm以下的中細(xì)粒累計(jì)占總硫化銅高達(dá)96.56%，小于0.010mm的細(xì)粒占到33.09%，這說明電爐渣中的硫化銅的結(jié)晶粒度普遍偏細(xì)。

表1 電爐渣中總硫化銅礦的粒度分布

3.2 磁鐵礦

爐渣中的磁鐵礦多呈中粒(0.020～0.074mm)不規(guī)則狀態(tài)結(jié)晶，少數(shù)呈粗大的自形晶、半自形晶結(jié)構(gòu)［4］。有時，受冷卻速度的影響，晶出的磁鐵礦成紡錘狀、鐵錨狀、線團(tuán)狀或排列呈風(fēng)箏狀。它們大多在玻璃相中晶出，少數(shù)在鐵橄欖石邊界形成。由于磁鐵礦系爐渣中熔點(diǎn)最高的礦物，因此其中幾乎很少有其它礦物包體。

表2列出了磁鐵礦的顯微鏡粒度測定結(jié)果。

從中可見，0.074mm以下粒級累計(jì)占到85.94%，也明顯偏細(xì)。但與硫化銅相比，其結(jié)晶粒度要粗得多。

4 晶體的生長規(guī)律

4.1 冰銅

冰銅的冷卻結(jié)晶是從液相向固相轉(zhuǎn)變開始的，為了控制結(jié)晶過程，必須掌握其相變溫度，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)得出其相變溫度在1080℃～1140℃之間。爐渣在相變溫度中冷卻速度快，銅相晶體細(xì)小分散，而冷卻速度慢，銅相晶粒粗大集中，實(shí)踐證明緩冷溫度區(qū)間在1080℃～1140℃之間較為適宜，在此區(qū)間溫度盡量保持足夠長的時間，可使晶粒聚集長大最好。表3為爐渣在不同冷卻速度下銅顆粒的粒度組成。從表3可見，在1250℃～1000℃內(nèi)，以0.5℃/min冷卻，70～100μm粒級的產(chǎn)率為72.39%;而在1250℃～1000℃內(nèi)，以10℃/min冷卻，70～100μm粒級的產(chǎn)率卻僅有40.75%。為具體分析不同溫度下，爐渣結(jié)晶粒度的分布情況，在不同冷卻溫度下，使?fàn)t渣從液相成固相再經(jīng)磨片、顯微鏡鑒定，分別測出銅相晶粒的組成情況。

結(jié)合表3的數(shù)據(jù)分析，說明硫化銅礦的結(jié)晶粒度主要與爐渣的冷卻速度有關(guān)，緩慢冷卻可延長硫化物的結(jié)晶時間，從而使分散在渣中的硫化銅聚集長大。冷卻速度過快，硫化銅還來不及聚集就開始結(jié)晶，最終將導(dǎo)致爐渣中的硫化銅礦結(jié)晶粒度過細(xì)。

表2 電爐渣中磁鐵礦的粒度分布

表3 爐渣在不同冷卻速度下銅相晶粒的粒度組成

4.2 磁鐵礦

因磁鐵礦的結(jié)晶溫度較高，在常溫下很難確定其相變溫度，而必須在磁鐵礦結(jié)晶溫度附近保持緩冷，在不同溫度下分別取出急冷，測定其晶體粒度的變化。但由于電爐在放渣時爐渣冷卻太快，無法讓爐渣保持熔融狀態(tài)，而使磁鐵礦結(jié)晶溫度測定難度加大。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，目前磁鐵礦的晶體生長規(guī)律仍然處于探索階段。電爐渣中鐵的回收，實(shí)際上就是磁鐵礦的回收和鐵橄欖石中鐵被富集到磁鐵礦中。

(1)磁鐵礦的回收。磁鐵礦具有強(qiáng)磁性，可以通過磁選工藝獲得，但由于電爐渣中磁鐵礦屬于細(xì)粒浸染型，硅酸鐵與磁鐵礦以極細(xì)粒接觸，在現(xiàn)有“球磨機(jī)+旋流器”閉路磨礦工藝下，即使磨礦粒度已達(dá)到－325目占80%，磁鐵礦與硅酸鐵仍不能完全單體解離［5］。

經(jīng)多次強(qiáng)磁選和弱磁選實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，因硅酸鐵為弱磁性鐵，當(dāng)其中混入了一點(diǎn)磁鐵礦后，就會被選入精礦中，造成精礦品位不高，而無法有效富集磁鐵礦達(dá)到商品鐵礦品位。要有效回收磁鐵礦，必須增大磁鐵礦的嵌布粒度。為此，可以通過物理或化學(xué)方法使磁鐵礦晶體生長變大、變粗，得到進(jìn)一步的增多和富集。根據(jù)晶體生長理論和鐵礦成礦條件，可采取以下幾項(xiàng)有利于磁鐵礦晶體生長的措施:①添加磁鐵礦晶種。可在電爐排渣時添加磁鐵礦精礦粉;②降低爐渣粘度。可向渣包中加入CaF降粘，促進(jìn)鐵、銅礦物的聚集、長大;③創(chuàng)造有利于磁鐵礦生長及富集的高堿性條件?？稍陔姞t放渣時添加CaCO3。

(2)鐵橄欖石的回收。鐵橄欖石的密度是4.34 g/cm3，磁鐵礦的密度5.18g/cm3，兩者密度相近，在爐渣緩冷過程中，結(jié)晶與沉降機(jī)理相似，導(dǎo)致相互嵌生、浸染而連生交代［6］，從而提高了單體解理的難度。此外，鐵橄欖石為弱磁性，且在渣中含量很大，致使通過磁選很難將鐵橄欖石和磁鐵礦分離。

因此，只能考慮通過化學(xué)方法改變爐渣的礦物組成，將鐵橄欖石中的鐵轉(zhuǎn)化為磁鐵礦，使脈石礦物轉(zhuǎn)化為有用礦物，通過磁選工藝得到回收利用。根據(jù)物理化學(xué)理論，可在電爐放渣時，采用添加CaO的方法，使硅酸鐵轉(zhuǎn)化為磁鐵礦。CaO可將硅酸鐵中的FeO置換出來，生成FeO，F(xiàn)eO再氧化生成Fe3O4和CaSiO3。

5 爐渣緩冷

電爐渣經(jīng)電爐爐口放入鋼渣包，由渣包車運(yùn)至緩冷場，采用渣包緩冷工藝?yán)鋮s，當(dāng)渣包表面溫度較低時，由渣包車翻倒至渣場，成為渣選原料。

5.1 緩冷方式

電爐渣緩冷采用“先自然緩冷、后水噴淋緩冷”方式冷卻。經(jīng)過多年的理論研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，已確定了影響爐渣緩冷效果的因素:

(1)噴淋水水質(zhì)。噴淋水最好使用清水，因爐渣冷卻是通過水的運(yùn)輸滲透帶走熱量，如果水中含雜質(zhì)較多，將覆蓋在渣包的表面和堵塞爐渣孔隙，抑制水的滲透和熱傳遞，嚴(yán)重影響冷卻效果。目前緩冷場噴淋水為車間循環(huán)水，而循環(huán)水中含雜質(zhì)及石灰較多，對渣包緩冷效果有一定的影響。

(2)噴淋水水溫。爐渣冷卻，主要是依靠噴淋水的熱傳遞作用，如果水溫較高，將影響熱量傳遞效果，從而延長渣包緩冷時間。目前緩冷場采用冷卻塔對噴淋水冷卻循環(huán)利用，具有一定的效果。

(3)緩冷時間。爐渣礦物的結(jié)晶是個復(fù)雜的物理化學(xué)和相變過程，需要較長的時間，如果緩冷時間不足，將會因強(qiáng)行翻包使未結(jié)晶礦物強(qiáng)制結(jié)晶，而降低目的礦物的嵌布粒度，影響選別指標(biāo)。

5.2 緩冷效果

為了解緩冷后渣包主要金屬礦物的分布情況，分別對不同部位的渣包進(jìn)行取樣分析，經(jīng)光學(xué)及電子顯微鏡觀察，渣包中部、下部含銅、鐵礦物富集，且結(jié)晶粒度粗大，而渣包上部和邊緣區(qū)域結(jié)晶粒度較細(xì)。取樣分析結(jié)果表明，渣包中下部礦渣磁性明顯較上部及邊緣礦渣強(qiáng)，表明磁鐵礦含量較高。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因:①渣包上部及邊緣最先遇水強(qiáng)制急冷，導(dǎo)致結(jié)晶粒度較細(xì);②中部因溫度高，起到保溫作用，有利于晶體生長;③底部因冰銅、磁鐵礦密度較大，沉降速度快。

6 結(jié)束語

從電爐渣中回收鐵一直是渣選工藝面臨的難題，要有效回收鐵，提高磁鐵礦Fe3O4含量是關(guān)鍵，但含量過高卻不利于煉銅工藝，影響銅冶煉指標(biāo)。因?yàn)镕e3O4的大量生成會使?fàn)t渣粘度增加，不利于銅渣分離，而且渣相晶體發(fā)育也會受到阻礙，產(chǎn)生更多的非晶質(zhì)物體，增加爐渣的韌性和硬度，加大爐渣的浮選難度。根據(jù)銅冶煉理論和渣包緩冷特性，要綜合回收鐵，可從如何提高渣中磁鐵礦含量和增大磁鐵礦的結(jié)晶粒度兩方面入手，主要有以下幾項(xiàng)措施:

(1)在渣包輸送過程中，采用渣包保溫通道，使?fàn)t渣在相對恒溫狀態(tài)下緩冷，有利于磁鐵礦和冰銅的結(jié)晶生長。

(2)渣包噴淋給水采用自動控制，保證渣包有足夠的自然緩冷時間。

(3)提高渣包底部支撐腳高度，避免渣包底部長期浸泡在水中，防止渣包上下溫度梯度太大，導(dǎo)致渣包緩冷不均勻，影響浮選效果。

(4)對渣選尾礦采用超細(xì)磨工藝，使磁鐵礦完全單體解理，采用弱磁選回收磁鐵礦。

［1］周樂光.工藝礦物學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002:36－43.

［2］孫傳堯.貴溪冶煉廠銅冶煉爐渣選礦補(bǔ)充驗(yàn)證試驗(yàn)研究報告［R］.北京:北京礦冶研究總院，2005:4－18.

［3］蔣開喜.貴溪冶煉廠銅冶煉爐渣浮選工藝優(yōu)化試驗(yàn)研究報告［R］.北京:北京礦冶研究總院，2008:5－16.

［4］黃明金，謝鍇.強(qiáng)化閃速熔煉渣中銅損失形態(tài)檢測分析［J］.銅業(yè)工程，2010.3:32－33.

［5］謝廣元.選礦學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001:45－67.

［6］王淀佐.選礦手冊第二卷第三分冊［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993:18－29.

Study on Crystallization and Characteristics of Slow Cooling of Electric Furnace Slag in Guixi Smelter

WANG Qi

(Guixi Smelter of JCC，Guixi，Jiangxi 335424，China)

According to the research on crystallization of electric furnace slag，the mineral composition of electric furnace slag and disseminated characteristics of the main metallic minerals are found out，which gives theoretical basis to recover the copper minerals from electric furnace slag;The experimental investigations on crystal growth of magnetite are carried out，which gives a direction to recover the magnetite from electric furnace slag effectively;Slow cooling system of the slag ladles and factors are described，giving a basis to formulate scientific slow cooling system of the slag ladles;Methods are investigated about how to improve the content of magnetite of electric furnace slag.

electric furnace slag;disseminated characteristics;crystallization;magnetite;slow cooling

TF141+.6

A

1009－3842(2012)02－0021－04

2011－11－11

王奇(1983－)，男，湖北仙桃人，本科，主要研究方向?yàn)橛猩饘龠x礦。E－mail:lwangqi8300@163.com