從陽極爐洗渣中富集硫酸鋇試驗研究

李 濤

(紫金銅業(yè)有限公司 銅綠色生產(chǎn)及伴生資源綜合利用福建省重點實驗室，福建 龍巖 362604)

火法煉銅工藝包括熔煉、吹煉、火法精煉、電解精煉等工序[1-2]。在粗銅火法精煉工序中，關(guān)鍵步驟之一是通過陽極爐澆鑄[3]形成具有一定形狀和質(zhì)量的銅陽極板，再通過電解精煉獲得高純度電解銅。銅陽極板澆鑄過程中，為避免銅模與陽極板發(fā)生粘連，同時改善銅陽極板外觀質(zhì)量，往往要在鑄模上噴涂脫模劑。常用脫模劑的主要成分為硫酸鋇[4-7]，其性質(zhì)穩(wěn)定，難溶于酸和堿，熔點為1 580 ℃，顆粒粒徑小，比表面積大，可以很好地附著于銅模上。澆鑄得到的銅陽極板進(jìn)入冷卻池冷卻，同時用高壓水槍進(jìn)行沖洗，此時覆蓋在陽極板表面的脫模劑脫落進(jìn)入水池，形成陽極爐洗渣。陽極爐洗渣中含有大量硫酸鋇、氧化亞銅、氧化銅、其他氧化渣及少部分單質(zhì)銅，具有回收價值[8]。

脫模劑粒度很細(xì)，往往覆蓋在銅或氧化亞銅表面；而硫酸鋇化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，通常難溶于酸或堿：致使有價金屬難以得到回收，硫酸鋇脫模劑也未能得到再生利用[9-11]。當(dāng)前，大多數(shù)冶煉廠將陽極爐洗渣返回熔煉工序處理或送渣選車間回收銅，但硫酸鋇熔點高，不利于吹煉渣形成，大量被包裹的銅或氧化亞銅進(jìn)入爐渣或選渣中[12]，進(jìn)一步降低了銅回收率。

目前，從陽極爐洗渣中綜合回收銅、鋇等有價金屬，實現(xiàn)洗渣無害化、資源化未見有產(chǎn)業(yè)化報道。試驗利用水力旋流裝置分離陽極爐洗渣，從富集得到的硫酸鋇精砂中進(jìn)一步酸洗除雜，得到符合要求的脫模劑，實現(xiàn)硫酸鋇回收利用。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗原料取自某銅冶煉廠銅陽極板澆鑄工序，經(jīng)200 ℃高溫烘干、研磨并過80目篩，混勻，多元素分析結(jié)果見表1，粒度篩析結(jié)果見表2。

表1 陽極爐洗渣主要化學(xué)成分 %

表2 陽極爐洗渣粒度篩析結(jié)果

由表1看出：陽極爐洗渣主要成分為BaSO4和Cu；其中Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.31%，BaSO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.74%。

由表2看出，Cu和BaSO4分布在不同的粒度區(qū)間：Cu主要分布在+200目顆粒中，占比82%；BaSO4主要分布在-200目顆粒中，占比為52%。

1.2 試驗流程

試驗提出重選分離—酸浸提純工藝，利用陽極爐洗渣中硫酸鋇(ρ=4.25～4.5 kg/m3)與單質(zhì)銅(ρ=8.96 kg/m3)、氧化銅(ρ=6.3～6.9 kg/m3)及其他氧化物之間的密度差及粒徑差(硫酸鋇粒度較細(xì)，-400目占比≥90%)，通過重選、粒度篩析分離硫酸鋇，對得到的粗硫酸鋇再進(jìn)行酸浸除雜，得到合格硫酸鋇產(chǎn)品。

1.3 試驗設(shè)備及試劑

試驗設(shè)備：FX200型水力旋流器，內(nèi)徑200 mm，溢流管徑50 mm，底流口徑25 mm，處理能力24 m3/h。水力旋流器是利用砂泵以一定壓力和流速將礦漿沿切線方向旋入圓筒，礦漿以很快的速度沿筒壁旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力。在離心力和重力作用下：較粗、較重的礦粒被拋向器壁，作旋流向下運動，最后由底部沉沙嘴排出；較細(xì)顆粒和大部分水，形成旋流沿中心向上升起，至上部溢流管溢出[13-14]。酸浸時采用XMTH-2C型恒溫電熱套加熱。

分析設(shè)備：DGS-Ⅲ型原子發(fā)射光譜儀、X’ Pert Pro MPD型X射線衍射儀。

試驗所用試劑：硫酸，工業(yè)級。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 重選分離

FX200型水力旋流器，入料壓力0.1 MPa，礦漿濃度20%，100目粗選和400目精選試驗結(jié)果見表3。

表3 陽極爐洗渣重選試驗結(jié)果

由表3看出：陽極爐洗渣經(jīng)水力旋流器100目粗選后，粗砂產(chǎn)率為47.67%，粗砂中銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)75.88%；而硫酸鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)由最初的44.74%降至9.59%。所得粗砂直接返回轉(zhuǎn)爐處理，比之前的陽極爐洗渣處理量減少52.33%；而且隨硫酸鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，也更有利于轉(zhuǎn)爐吹煉過程中渣型的控制及銅直收率的提高。

對水力旋流器100目篩的溢流物進(jìn)行400目篩精選，分別得到中砂和精砂，其產(chǎn)率分別為25.50%和26.83%。精砂中硫酸鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)96.25%，主要雜質(zhì)SiO2、CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.93%、0.48%，完全滿足工業(yè)陽極爐噴涂對硫酸鋇的質(zhì)量要求(w(BaSO4)≥95%)。

此外，中砂中，銅和硫酸鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為38.74%、56.29%，需對其進(jìn)一步提純以得到合格硫酸鋇產(chǎn)品。

2.2 中砂酸浸提純

2.2.1硫酸濃度的影響

中砂質(zhì)量100 g，液固體積質(zhì)量比4∶1，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時間2 h，硫酸濃度對中砂浸出效果的影響試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 硫酸濃度對中砂浸出效果的影響

由圖1看出：中砂中的銅、鐵浸出率都隨硫酸濃度增大而提高；硫酸濃度增至2 mol/L時，銅、鐵浸出率分別提高到96.17%、98.31%；繼續(xù)增大硫酸濃度，銅、鐵浸出率變化不大。硫酸濃度較低時，浸出反應(yīng)不完全，隨硫酸濃度增大，浸出反應(yīng)趨于完全。綜合考慮，選擇適宜的硫酸濃度為2 mol/L。

2.2.2液固體積質(zhì)量比的影響

中砂質(zhì)量100 g，硫酸濃度2 mol/L，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時間2 h，液固體積質(zhì)量比對中砂浸出效果的影響試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 液固體積質(zhì)量比對中砂浸出效果的影響

由圖2看出：中砂中的銅、鐵浸出率隨液固體積質(zhì)量比增大而提高；液固體積質(zhì)量比增至6∶1時，銅、鐵浸出率分別提高至98.38%、99.72%。隨液固體積質(zhì)量比增大，礦漿濃度降低，溶液中離子擴散動能增大，有利于溶解反應(yīng)正向進(jìn)行；但液固體積質(zhì)量比過大(超過5∶1)，銅、鐵浸出率并未見大幅提高。因此，確定最佳液固體積質(zhì)量比為5∶1。

2.2.3反應(yīng)溫度的影響

中砂質(zhì)量100 g，硫酸濃度2 mol/L，液固體積質(zhì)量比5∶1，反應(yīng)時間2 h，反應(yīng)溫度對中砂浸出效果的影響試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)溫度對中砂浸出效果的影響

由圖3看出：銅、鐵浸出率隨反應(yīng)溫度升高而提高；溫度為80 ℃時，銅、鐵浸出率分別為98.22%、99.46%；但溫度超過80 ℃，銅、鐵浸出率增幅趨緩。外界提供的能量會促使分子活化，增大分子間有效碰撞概率，從而有利于銅、鐵浸出。綜合考慮，確定適宜溫度為80 ℃。

2.2.4反應(yīng)時間的影響

中砂質(zhì)量100 g，硫酸濃度2 mol/L，液固體積質(zhì)量比5∶1，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時間對中砂浸出效果的影響試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 反應(yīng)時間對中砂浸出效果的影響

由圖4看出：隨反應(yīng)時間延長，銅、鐵浸出率提高；反應(yīng)時間大于2 h后，銅、鐵浸出率變化不大，反應(yīng)趨于平衡。綜合考慮，確定最佳反應(yīng)時間為2 h。

2.2.5擴大試驗

中砂質(zhì)量1 kg，硫酸濃度2 mol/L，在液固體積質(zhì)量比5∶1、反應(yīng)溫度80 ℃、反應(yīng)時間2 h條件下進(jìn)行3組平行擴大試驗，結(jié)果見表4。所得浸出渣與水利旋流重選所得硫酸鋇混勻后進(jìn)行物相檢測，結(jié)果如圖5所示。

表4 擴大試驗結(jié)果

由表4看出：最優(yōu)條件下，中砂中的銅、鐵浸出率分別達(dá)98%、99%；所得浸出渣中硫酸鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至96%以上，雜質(zhì)元素銅、鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降到1.2%、0.01%左右，主要物相為硫酸鋇及少量銅單質(zhì)。

圖5 硫酸鋇產(chǎn)品的XRD分析圖譜

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

某銅冶煉企業(yè)年產(chǎn)陽極爐洗渣800 t，按硫酸鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)44.74%計，含硫酸鋇358 t。采用上述工藝，精砂產(chǎn)率26.83%，硫酸鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)96.25%；中砂經(jīng)酸浸，渣產(chǎn)率58%，渣中硫酸鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%：則硫酸鋇回收率為

按硫酸鋇市場價格3 150元/t計算，則年回收硫酸鋇收益為

358 t×89.46%×3 150元/t=100.88萬元。

4 結(jié)論

對陽極爐洗渣進(jìn)行二級水利旋流重選，粗砂、中砂、精砂產(chǎn)率分別為47.67%、25.50%及26.83%。精砂中硫酸鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.25%，符合陽極板硫酸鋇脫模劑質(zhì)量要求。對中砂用2 mol/L硫酸進(jìn)行酸浸提純，在液固體積質(zhì)量比5∶1、溫度80 ℃下反應(yīng)2 h，銅、鐵脫除率分別達(dá)98%、99%以上，酸浸渣中硫酸鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過96%。對于年產(chǎn)陽極爐洗渣800 t的企業(yè)，采用該工藝處理后，可節(jié)約硫酸鋇成本100.88萬元/年。