銅冶煉爐渣回收選鐵的實(shí)踐和探索

謝鈿生，李帥偉

（赤峰金通銅業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 0240000）

1 引言

銅冶煉生產(chǎn)過程，會(huì)產(chǎn)生大量的爐渣，爐渣產(chǎn)量一般是銅產(chǎn)能的2～3倍，而且爐渣含有各類金屬元素，尤其是含銅仍較高，一般含銅0.5%～6%，甚至更高。如果直接棄渣，將造成大量銅金屬的損失，通常需要配套建設(shè)渣選礦回收銅金屬，使尾砂礦含銅控制在0.3%以下才進(jìn)行棄渣［1-6］。尾礦屬于一般固廢，由于產(chǎn)量巨大，堆存困難。在我國南方地區(qū)，水泥廠等建材企業(yè)諸多，可以作為水泥廠等建材企業(yè)的輔料使用；在我國北方，水泥廠等建材企業(yè)分布較少，且因氣候影響，相關(guān)企業(yè)開工率低，造成銅冶煉爐渣市場需求非常有限，只能堆存，甚至額外增加成本進(jìn)行處理。綜上所述，迫切需要開展?fàn)t渣綜合利用工藝研究開發(fā)。通過對爐渣的特性進(jìn)行分析，結(jié)合各類回收利用資料及有關(guān)研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)爐渣除回收銅金屬外，最有可能的綜合利用方式是回收爐渣的鐵金屬。爐渣一般含鐵38%～47%，由于爐渣屬于人造礦石，且鐵金屬多以化合物的連生體特性存在，不同于礦山的原生鐵礦，爐渣極難選礦回收，這也導(dǎo)致當(dāng)前爐渣回收選鐵技術(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)研究階段。

銅冶煉爐渣因其特性，難以產(chǎn)出礦山原生鐵精礦品質(zhì)，故選出的鐵精礦價(jià)格及市場仍有限。根據(jù)市場調(diào)研，爐渣生產(chǎn)的鐵精礦，產(chǎn)品品質(zhì)的主要關(guān)鍵指標(biāo)是含F(xiàn)e品位、Zn元素含量，其中鐵精礦含量分為50%、55%、60%各點(diǎn)區(qū)間的不同品質(zhì)，鋅為1%、2%各點(diǎn)區(qū)間的不同品質(zhì)。

2 渣選礦工藝

金通銅業(yè)公司地處中國北部內(nèi)蒙古赤峰，金通公司渣選廠設(shè)計(jì)處理能力為2000t/d，年處理爐渣約62萬t，其中熔煉渣53萬t，轉(zhuǎn)爐渣9萬t。銅冶煉火法是采用富氧側(cè)吹爐熔煉－智能數(shù)控吹煉爐吹煉－回轉(zhuǎn)式陽極爐火法精煉的生產(chǎn)工藝，側(cè)吹熔煉爐爐渣和智能數(shù)控吹煉爐爐渣經(jīng)緩冷后渣選礦。采用SAB碎磨+中礦單獨(dú)再磨，磨礦產(chǎn)品經(jīng)過兩次粗選、三次掃選、三次精選+中礦單獨(dú)再磨返回粗選選別工藝產(chǎn)出銅精礦，選銅尾礦進(jìn)行磁選回收爐渣中的磁鐵礦。詳細(xì)工藝流程見圖1。

圖1 爐渣選礦工藝流程

3 爐渣特性

從元素組成看，爐渣主要由鐵、硅、氧組成，三種元素占總質(zhì)量的80%以上，另外還含有銅、鋅等有色金屬元素及硫、磷、鉛、砷等有害雜質(zhì)元素。從礦物組成看，銅渣的主要礦物組成是鐵橄欖石(Fe2SiO4)、磁鐵礦 (Fe3O4)及一些脈石組成的無定形玻璃體。銅渣中鐵主要存在于鐵橄欖石、磁鐵礦、鋅鐵尖晶石(ZnFe2O4)中，另有極少量以赤鐵礦、金屬鐵等形式存在［2-6］。選取2021年6月份的一批次的生產(chǎn)樣進(jìn)行檢測分析，熔煉渣與吹煉渣按照5∶1混合選礦。

3.1 入選原礦的主要化學(xué)成分分析（表1和表2）

表1 爐渣的多組分分析結(jié)果

表2 鐵的化學(xué)物相分析結(jié)果 %

3.2 主要的礦物（相）組成及相對含量研究

原礦的X-射線衍射分析結(jié)果見圖2。由圖可知，產(chǎn)品中的物質(zhì)主要為鐵橄欖石和磁鐵礦。

圖2 X-射線衍射分析結(jié)果（F-鐵橄欖石；M-磁鐵礦）

3.3 磁鐵礦嵌布分析

磁鐵礦是產(chǎn)品中主要的鐵礦物，磁鐵礦含雜較多，普遍含鋁、硅、鈦和鋅，少量含鈉、鎂、硫和鉻。磁鐵礦一般呈粒狀、不規(guī)則狀產(chǎn)出，部分呈魚骨狀及樹枝狀。磁鐵礦一般以單體形式產(chǎn)出（圖3）；此外，也有較多磁鐵礦與鐵橄欖石、玻璃質(zhì)等連生（圖4和圖5），少量細(xì)粒磁鐵礦被包裹在其中；有時(shí)磁鐵礦與冰銅、硫化鉛和鋅鐵硫化物等硫化物連生（圖6）；有時(shí)磁鐵礦與鉛鐵硅酸鹽連生（圖7）。

圖3 磁鐵礦呈半自形粒狀單體產(chǎn)出

圖4 磁鐵礦與玻璃質(zhì)、鐵橄欖石連生

圖5 磁鐵礦與鐵橄欖石、玻璃質(zhì)和低冰銅連生

圖6 磁鐵礦（1）中包裹低冰銅（2）

圖7 磁鐵礦（1）與鉛鐵硅酸鹽（2）連生

3.4 爐渣中鐵的賦存狀態(tài)

鐵的元素平衡計(jì)算結(jié)果見表3。由表可知，鐵主要以鐵橄欖石和磁鐵礦的形式存在，分別占47.80%和47.73%，另有少量分布在玻璃質(zhì)、硫化鐵、鋅鐵硫化物、冰銅等物質(zhì)中。其中，硅酸鐵（鐵橄欖石、玻璃質(zhì)和鉛鐵硅酸鹽）中的鐵占50.06%。

表3 鐵在各物質(zhì)中的平衡配分 %

3.5 鐵相的解離特征研究

當(dāng)浮選選銅給料細(xì)度為-0.045mm占84%時(shí)，開展鐵相的解離特征研究，測定磁鐵礦的單體解離度為50.79%，單體解離均不充分。磁鐵礦單體及與非金屬相富連生（＞1/2）部分占有率為75.33%，這部分磁鐵礦回收相對較好，測定結(jié)果見表4。同時(shí)對磁鐵礦嵌布粒度進(jìn)行檢測，粒度分布均較細(xì)，集中分布在0.043mm以下，詳見表5。

表4 磁鐵礦的解離特征

表5 磁鐵礦的嵌布粒度

考慮到連生體部分是影響鐵選礦指標(biāo)的重要因素，特對磁鐵礦的連生體部分的粒度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，磁鐵礦連生體集中分布在0.02～0.043mm之間，其中在-0.010mm粒級，磁鐵礦連生體的占有率高達(dá)10.53%（占總磁鐵礦5.18%）。這部分細(xì)粒銅、鐵主要與鐵橄欖石、玻璃質(zhì)連生，較難單體解離。結(jié)果見表6。

表6 磁鐵礦連生體的嵌布粒度

4 渣選礦生產(chǎn)實(shí)踐

熔煉渣含銅為1%，轉(zhuǎn)爐吹煉渣含銅為4%，基于熔煉渣含銅低，設(shè)計(jì)了熔煉渣與轉(zhuǎn)爐渣按照4∶1進(jìn)行混合選礦，采用渣緩冷和選礦工藝回收渣中的有價(jià)金屬銅。熔煉渣含鐵41%～45%，轉(zhuǎn)爐吹煉渣含鐵47%～51%，實(shí)際生產(chǎn)會(huì)根據(jù)兩種爐渣中主要的銅、鐵含量不同變化，采用不同配比后混選。通過對2021年1～10月的生產(chǎn)主要指標(biāo)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行綜合分析，其中1～5月份為試生產(chǎn)階段，6月份以后轉(zhuǎn)正常生產(chǎn)。尾礦含銅初期設(shè)置在選鐵尾礦，指標(biāo)的有效性及銅損節(jié)點(diǎn)不科學(xué)。6月份將尾礦含銅指標(biāo)前置到選銅尾礦，經(jīng)過近1年的實(shí)踐生產(chǎn)及優(yōu)化，選銅尾礦含銅基本可控制在0.23%以下，較好保證了爐渣銅的回收率；鐵精礦品位也由最低45%提升到50%以上，且通過工藝控制優(yōu)化及設(shè)備改造創(chuàng)新，磁選給礦鐵精礦產(chǎn)率達(dá)到40%以上，折算入選原礦鐵精礦產(chǎn)率可穩(wěn)定在35%以上，主要指標(biāo)詳見表7。

表7 2021年1～10月份主要生產(chǎn)工藝及指標(biāo)

4.1 原料爐渣

通過對各班次生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，如果想要產(chǎn)出50%品位的鐵精礦：一是熔煉爐渣含鐵不應(yīng)低于42%，否則混選配料下，也難以產(chǎn)出50%鐵精礦，且熔煉渣Fe/Si比不應(yīng)低于1.5，爐渣SiO2不應(yīng)高于30%；二是如果熔煉渣單選，爐渣含鐵不低于44%，否則難以產(chǎn)出50%品位鐵精礦。在實(shí)際生產(chǎn)中，熔煉渣與吹煉渣的配比，關(guān)鍵是要控制入選原礦含銅品位，不應(yīng)高于3%，這樣既可以保證選銅各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定且良好；又可在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測算入選原礦含鐵品位，更加科學(xué)配料。通常入選原礦含鐵不低于43.5%，可產(chǎn)出50%以上品位鐵精礦，實(shí)現(xiàn)爐渣選礦回收銅、鐵經(jīng)濟(jì)效益最大化。

4.2 濃度控制

根據(jù)磁選機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)要求，給礦濃度為25%～45%。在試生產(chǎn)階段，入磁選濃度偏高，最高達(dá)到50%，導(dǎo)致磁鐵礦跑尾高。雖然磁選機(jī)設(shè)計(jì)在分料箱上方有補(bǔ)水管，但因該位置距離入磁選滾筒距離過近，造成補(bǔ)水稀釋濃度不夠均勻。通過將調(diào)漿補(bǔ)水管改造前置到選銅尾礦溢流箱出口，提高了入磁選礦漿濃度均勻性，實(shí)際生產(chǎn)入磁選濃度控制為35%～45%，效果更佳。

4.3 細(xì)度控制

在試生產(chǎn)階段，各工藝控制條件不夠穩(wěn)定，波動(dòng)較大，入浮選濃度0.045mm僅占80%。6月份依據(jù)工藝礦物學(xué)研究基礎(chǔ)，進(jìn)一步優(yōu)化工藝控制，根據(jù)銅、鐵及化合物分布粒度范圍，強(qiáng)化磨礦濃度、適合的球比、細(xì)度指標(biāo)控制，將入浮選細(xì)度提升了0.045mm占比達(dá)到84%以上，有效提高礦物解離效果。通過生產(chǎn)實(shí)踐，在保持成本可控條件下，制定了各磨礦環(huán)節(jié)細(xì)度控制要求：半自磨出口細(xì)度0.074mm占比50%以上，球磨機(jī)出口細(xì)度0.045mm占比75%以上，立磨機(jī)出口細(xì)度0.030mm占比90%以上，入浮選細(xì)度0.045mm占比83%以上，入磁選細(xì)度0.045占比80%以上。

4.4 磁選設(shè)備改進(jìn)優(yōu)化

初期使用的是CTB-1200×3000永磁筒式磁選機(jī)，其磁系由鐵氧體磁塊組成，適于分選強(qiáng)磁性礦物，根據(jù)各種礦物不同的比磁化系數(shù)，利用磁力進(jìn)行分選。

經(jīng)過近半年的生產(chǎn)，通過提高給礦含鐵品位，該磁選機(jī)可以產(chǎn)出50%品位鐵精礦，但通過試驗(yàn)及比較分析可知：一是經(jīng)磁選機(jī)選鐵后，尾礦含鐵仍很高，且磁性鐵含量高，表明磁鐵礦跑尾高；二是該磁選機(jī)產(chǎn)率偏低，通常是20%～27%，鐵回收率低。為此，在8月份開展了磁選機(jī)磁系場強(qiáng)試驗(yàn)。研究表明該原料及工況條件下，磁系場強(qiáng)提升到2400GS更為適宜。8月份將磁選機(jī)的磁系場強(qiáng)由1500GS改造提升至2400GS，其磁系由稀土永磁磁塊組成；三是對磁選機(jī)鐵精礦卸料裝置進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新改造，使磁選機(jī)高效卸料，卸料率超過99%。從9月、10月生產(chǎn)結(jié)果看，效果顯著，鐵精礦品位保持在50%以上，產(chǎn)率提升至35%以上，磁選尾礦含鐵品位也進(jìn)一步降低。

4.5 優(yōu)化建立完善生產(chǎn)管理體系

一是從生產(chǎn)管理著手，完善了生產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)、建立生產(chǎn)管理制度。廠部每天審批下發(fā)生產(chǎn)指令書，細(xì)化生產(chǎn)關(guān)鍵工藝控制參數(shù)的穩(wěn)定性，選取合適的爐渣配比方案，保障選鐵原礦含鐵品位。二是強(qiáng)化生產(chǎn)工藝控制標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)設(shè)置，建立了《金通渣選廠選礦生產(chǎn)管理體系》手冊，精確組織生產(chǎn)管理。自6月份以來，持續(xù)每周開展生產(chǎn)分析例會(huì)，精準(zhǔn)和系統(tǒng)地管控生產(chǎn)過程。三是強(qiáng)化設(shè)備預(yù)防保全管理，細(xì)化管道、泵類、磨機(jī)大型設(shè)備的維保，保障生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。四是強(qiáng)化技術(shù)革新和科技攻關(guān)，以《爐渣選鐵提品增效綜合技術(shù)研究》課題為平臺(tái)，先后開展大量技術(shù)研究工作，強(qiáng)化技術(shù)方案的集智研討，提升技改效能，目前已申報(bào)2項(xiàng)發(fā)明專利。

5 結(jié)語

項(xiàng)目于2020年11月份投料試生產(chǎn)，采用熔煉渣與轉(zhuǎn)爐渣混選生產(chǎn)。經(jīng)過近一年的生產(chǎn)實(shí)踐與優(yōu)化改進(jìn)，通過持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)與優(yōu)化，渣選主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，尾礦含銅＜0.23%，爐渣混選回收選鐵效益顯著，鐵精礦品位從最低的45%提升到50%以上，產(chǎn)率從最初的10%不到提升到35%以上，大幅度實(shí)現(xiàn)尾礦減量化。按照目前鐵精礦產(chǎn)量及50%品位市價(jià)測算，僅鐵精礦產(chǎn)品為企業(yè)年增效益千萬元。

從當(dāng)前的鐵精礦生產(chǎn)情況看，只達(dá)到鐵精礦第一階段的品質(zhì)要求，根據(jù)有關(guān)資料與技術(shù)方案，結(jié)合爐渣的工藝礦物學(xué)研究，鐵精礦品質(zhì)還有進(jìn)一步的提升空間；另外針對轉(zhuǎn)爐渣含鐵已達(dá)到50%左右，如何在保障爐渣回收選銅各項(xiàng)指標(biāo)下，更有效地回收選鐵與創(chuàng)造更高效益，還有待進(jìn)一步研究、探索與實(shí)踐。