CN107365093A - 一种胶凝材料用活性铜渣的制备方法 - Google Patents

一种胶凝材料用活性铜渣的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种胶凝材料用活性铜渣的制备方法，所述方法包括以下步骤：S1还原熔炼；将铜渣与定量的还原碳粉、氧化钙及活化剂混合均匀，于范围值内的温度熔融反应指定的时间后得到熔融体；S2将所述S1得到的熔融体直接进行水淬冷却，再经球磨后进行磁选回收铁精矿后获得尾渣；S3所得的尾渣即为活性铜渣。本发明有益效果在于，采用还原熔炼回收铁和铜渣活化耦合技术，在回收高品位铁精矿的同时，制备用于新型胶凝材料的活化铜渣，开发铜渣高效资源化利用新途径，实现铜渣的“吃干榨净”，彻底解决铜渣堆存问题。

Description

一种胶凝材料用活性铜渣的制备方法
技术领域
本发明涉及二次资源综合利用技术领域，具体涉及一种胶凝材料用活性铜渣的制备方法。
背景技术
铜渣是火法炼铜时产生的废渣，其排放量大约为铜产量的2～3 倍。我国每年产出铜冶炼渣2000万吨左右，至今累计上亿吨，这些铜渣具有粒度细、类型多、成分复杂等特点，渣中含有多种有价金属，其中含有大量的铜、铁和贵金属等有价金属。目前，铜渣的综合利用主要包括两个方面：
一是对铜渣中有价金属的提取，主要为铜和铁的回收。浮选法是从铜渣中回收铜最主流的方法，浮选法能够回收铜精矿返回铜冶炼流程利用，但后续磁选所得铁精矿品位低，附加值不高。铜渣中铁含量高达40％左右，对这部分铁的回收主要分为两种：一种是利用空气或富氧空气氧化铜渣中的铁组分，此后破碎磁选，使富铁相与渣相分离；另一种是采用还原剂直接还原铜渣中的铁组分，再以磁选的方法实现铁的富集。王珩进行了阶段磨矿、阶段弱磁分选工艺研究。结果表明，由于磁性铁含量低、且粒度微细，所得精矿铁品位和铁回收率指标不理想；张林楠等采用高温熔融氧化法将Fe2SiO4转化为Fe3O4，再磁选富集，所得弱磁选产品指标也不理想；李磊等对铜渣进行了熔融还原炼铁工艺研究，得到了高品质的液态铁；杨慧芬等则对铜渣进行了直接还原提铁工艺研究，最终得到了优质海绵铁。王爽等以焦粉为还原剂，氧化钙为添加剂，获得了品位为92.96％的金属铁粉，铁回收率为93.49％，且产物杂质硫磷含量低，属优质炼钢辅料。
二是直接以铜尾渣为原料，利用其物理和化学性质，应用于建筑行业或其他相关行业。目前铜渣在水泥工业及建筑行业的应用已不少，且用途多样，主要有以下5点：(1)替代天然砂石用作房屋基础，道路路基和低洼地堆填；(2)替代铁矿粉用作硅酸盐水泥的铁质矫正材料；(3)制备磷酸盐砖瓦及泡沫保温材料；(4)用作金属加工过程中的除锈材料；(5)经高温溶化后制备黑色玻璃装饰材料和微晶玻璃。然而，铜渣在应用过程中存在的最大问题是利用率较低，平均添加率约5％。目前铜冶炼渣基本是以堆放保存，这些铜矿渣长期弃置占用土地，对水质和环境造成严重污染，开发铜渣高效资源化利用的新途径势在必行。国内外针对渣中有价金属的回收以及尾渣在建筑行业或其他相关行业的应用进行了大量的研究，但是，利用铜渣中有价金属的回收过程协同改变铜渣组成和赋存状态，从根源上改变铜渣低活性的本质，促进铜渣大规模应用的问题研究，未见相关报道。
近年来，为了解决冶金尾渣堆存问题，许多学者研究了矿渣制备新型胶凝材料应用于胶结填充过程中。胶结充填材料主要由骨料和胶结剂两部分组成。在选取胶结剂方面，大多数矿山选用普通硅酸盐水泥。根据充填矿山的充填采矿成本核算，以水泥作为胶结材料充填费用一般占采矿成本的1/3左右，而充填成本中充填料又占80％以上，高昂的充填成本给矿企带来巨大的经济压力。新型胶凝充填材料的开发不仅可大幅降低矿山胶结充填料的成本、提高企业竞争力，还能节约大量普通硅酸盐水泥，减排大量CO2，并可减少废渣排放，保护环境。
目前最常用的充填胶凝材料有高炉渣、粉煤灰、钢渣和硅灰等矿渣微粉。在胶凝材料内部的碱性环境中，有活性的矿渣微粉能够与硅酸盐水泥水化反应生成的Ca(OH)2发生反应，生成有利的C-S-H凝胶等水化产物，减少Ca(OH)2含量，使水化产物颗粒变得细小，提高界面过渡区的密实程度，改善胶凝材料的微观结构。未参与反应的矿渣微粉则沉积在浆体与骨料间的过渡区，改善了这个原本最疏松、薄弱的区域的结构，使其密实度和结合强度增加。另外，掺入矿渣微粉也有助于改善胶凝材料的流动性，降低用水量，从而提高胶凝材料的抗渗性和耐久性。大量地用矿渣微粉来代替水泥，从胶凝材料的经济、能效、耐久性和生态利益看来，都有突出的优越性。但是由于铜渣中铁含量过高，钙含量过低，导致铜渣的水化活性较低[27]，极大限制了它在新型胶凝材料中的应用。国内外对铜渣的活化研究较少，埃及 J·R·Bragano用Ca(OH)2、K2SO4等激发铜矿渣但活性未能提高；苏联玛特维因科进行增CaO、Al2O3等组分富化铜渣生产水泥的研究。由此可知，尽管铜渣与高炉渣、钢渣的化学组成不同，但它们的熔渣工艺大致相似。
发明内容
鉴于现有的不足，本发明旨在于提供一种胶凝材料用活性铜渣的制备方法，在还原熔炼回收铁的过程中协同活化铜渣，实现高品位铁精矿回收的同时，获得可制备高性能新型胶凝材料的活化铜渣，开发铜渣高效资源化利用新途径。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种胶凝材料用活性铜渣的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1还原熔炼；将铜渣与定量的还原碳粉、氧化钙及活化剂混合均匀，于范围值内的温度熔融反应指定的时间后得到熔融体；
S2将所述S1得到的熔融体直接进行水淬冷却，再经球磨后进行磁选回收铁精矿后获得尾渣；
S3所得的尾渣即为活性铜渣。
需要说明的是，所述活化剂可为氧化铝、硫酸铝、碳酸钠、硫酸钾碱金属盐类的一种或多种组合。
需要说明的是，所述还原碳粉添加量为铜渣质量的10％～20％。
需要说明的是，所述氧化钙与所述活化剂添加按质量比碳粉：氧化钙：活化剂＝1:0.5～1.5:0.5～1.5。
需要说明的是，所述熔炼温度为1300℃～1500℃。
需要说明的是，所述熔炼时间为1～3h。
作为本发明的利用，可将获得活性铜渣用于制备高性能新型胶凝材料。
本发明有益效果在于，采用还原熔炼回收铁和铜渣活化耦合技术，在回收高品位铁精矿的同时，制备用于新型胶凝材料的活化铜渣，开发铜渣高效资源化利用新途径，实现铜渣的“吃干榨净”，彻底解决铜渣堆存问题。
进一步的说，采用本发明制备方法得到的铁精矿品位大于50％，活性铜渣碱度大于3.5，活性系数大于0.85，具有较好的胶凝性能，可以代替钢渣用作胶凝材料制备。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
如图1所示，本发明为一种胶凝材料用活性铜渣的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1还原熔炼；将铜渣与定量的还原碳粉、氧化钙及活化剂混合均匀，于范围值内的温度熔融反应指定的时间后得到熔融体；
S2将所述S1得到的熔融体直接进行水淬冷却，再经球磨后进行磁选回收铁精矿后获得尾渣；
S3所得的尾渣即为活性铜渣。
需要说明的是，所述活化剂可为氧化铝、硫酸铝、碳酸钠、硫酸钾碱金属盐类的一种或多种组合。
需要说明的是，所述还原碳粉添加量为铜渣质量的10％～20％。
需要说明的是，所述氧化钙与所述活化剂添加按质量比碳粉：氧化钙：活化剂＝1:0.5～1.5:0.5～1.5。
需要说明的是，所述熔炼温度为1300℃～1500℃。
需要说明的是，所述熔炼时间为1～3h。
作为本发明的利用，可将获得活性铜渣用于制备高性能新型胶凝材料。
具体的说，本发明的流程为“还原熔炼--水淬--磨矿--磁选”，主要是铜渣还原熔炼回收铁的同时活化铜渣，再经除铁后获得可用于胶凝材料的活化铜渣。要采用铜渣制备胶凝材料，要求铜渣自身需要有较高的水化活性，而对渣活性表征的重要指标为碱度，借鉴钢渣，碱度被定义为M＝w(CaO)/[w(SiO2)+w(P2O5)]，但是对铜渣而言，CaO 和P2O5的含量哪个较少，因此并不能完全依赖碱度来评价渣的活性；矿渣水化活性主要跟其中矿物成分有关，常见胶凝组分有硅酸三钙 (C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸钙(C12A7)和钙铝硅酸复盐(Ca2Al2Si3O12)，惰性组分有金属氧化物(RO)、磁性铁(Fe3O4)和铁酸钙(C2F)，因此，铜渣活性还可用活性系数 HAI＝w(C2S+C2S+C12A7+Ca2Al2Si3O12)/(RO+Fe3O4+C2F)来表征。实施例中就以M和HAI来综合表征铜渣活性。
实例1
本实例中所处理铜渣为铜冶炼厂经过破碎-浮选回收铜以后的铜尾渣，其中Cu：0.3％，Fe：40.25％，MgO：0.56％，CaO：1.59％，MnO： 0.08％，Al2O3：3.05％，SiO2：31.74％，结合各元素物相分析，渣碱度M＝0.05，活性系数HAI＝0.06：
(1)还原熔炼：取铜渣100g，活性炭粉15g，氧化钙15g，活性剂15g，熔炼温度为1350℃，熔炼时间2h。
(2)用冷水将熔融体进行水淬冷却至常温，采用球磨机进行细磨至-200目占80％，再进行一次弱磁选，铁精矿品位达65.2％，回收率为83.1％；磁选尾渣即为活性铜渣。
(3)对所得活性尾渣进行化学多元素分析、各元素化学物相分析，计算铜渣碱度M＝3.71，活性系数HAI＝0.86
实例2
本实例中所处理铜渣为铜冶炼厂经过破碎-浮选回收铜以后的铜尾渣，其中Cu：0.3％，Fe：40.25％，MgO：0.56％，CaO：1.59％，MnO： 0.08％，Al2O3：3.05％，SiO2：31.74％，结合各元素物相分析，渣碱度 M＝0.05，活性系数HAI＝0.06：
(1)还原熔炼：取铜渣100g，活性炭粉20g，氧化钙10g，活性剂10g，熔炼温度为1200℃，熔炼时间1h。
(2)用冷水将熔融体进行水淬冷却至常温，采用球磨机进行细磨至-200目占80％，再进行一次弱磁选，铁精矿品位达66.3％，回收率为95.3％；磁选尾渣即为活性铜渣。
(3)对所得活性尾渣进行化学多元素分析、各元素化学物相分析，计算铜渣碱度M＝2.55，活性系数HAI＝0.69
实例3
本实例中所处理铜渣为铜冶炼厂经过破碎-浮选回收铜以后的铜尾渣，其中Cu：0.3％，Fe：40.25％，MgO：0.56％，CaO：1.59％，MnO： 0.08％，Al2O3：3.05％，SiO2：31.74％，结合各元素物相分析，渣碱度 M＝0.05，活性系数HAI＝0.06：
(1)还原熔炼：取铜渣100g，活性炭粉10g，氧化钙15g，活性剂15g，熔炼温度为1350℃，熔炼时间2h。
(2)用冷水将熔融体进行水淬冷却至常温，采用球磨机进行细磨至-200目占80％，再进行一次弱磁选，铁精矿品位达67.2％，回收率为88.7％；磁选尾渣即为活性铜渣。
(3)对所得活性尾渣进行化学多元素分析、各元素化学物相分析，计算铜渣碱度M＝3.19，活性系数HAI＝0.73
实例4
本实例中所处理铜渣为铜冶炼厂经过破碎-浮选回收铜以后的铜尾渣，其中Cu：0.5％，Fe：42.19％，MgO：0.67％，CaO：2.01％，MnO： 0.1％，Al2O3：2.85％，SiO2：35.54％，结合各元素物相分析，渣碱度 M＝0.06，活性系数HAI＝0.05：
(1)还原熔炼：取铜渣100g，活性炭粉15g，氧化钙15g，活性剂15g，熔炼温度为1350℃，熔炼时间2h。
(2)用冷水将熔融体进行水淬冷却至常温，采用球磨机进行细磨至-200目占80％，再进行一次弱磁选，铁精矿品位达63.8％，回收率为91.9％；磁选尾渣即为活性铜渣。
(3)对所得活性尾渣进行化学多元素分析、各元素化学物相分析，计算铜渣碱度M＝3.66，活性系数HAI＝0.85
补充说明其中熔炼过程添加剂的添加量是影响活化效果的主要因素，还原碳粉低于上述添加量下限时，铁还原不够，磁选除铁效果不好，高于上述添加量上限时，会被铜渣中碱金属被还原，影响铜渣碱度；低于上述氧化钙和活化剂下限时，渣型转化不好，影响活化性能，高于上述添加上限时，添加剂反应不完全，产生游离金属氧化物，影响铜渣活性。
表1
从表1可见最佳实例为实例1。通过本发明提供的方法制备的活性铜渣碱度M大于3.5，活性系数HAI大于0.85，具有较好的胶凝性能，可媲美钢渣。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种胶凝材料用活性铜渣的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1还原熔炼；将铜渣与定量的还原碳粉、氧化钙及活化剂混合均匀，于范围值内的温度熔融反应指定的时间后得到熔融体；
S2将所述S1得到的熔融体直接进行水淬冷却，再经球磨后进行磁选回收铁精矿后获得尾渣；
S3所得的尾渣即为活性铜渣。
2.根据权利要求1所述的胶凝材料用活性铜渣的制备方法，其特征在于，所述活化剂可为氧化铝、硫酸铝、碳酸钠、硫酸钾碱金属盐类的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的胶凝材料用活性铜渣的制备方法，其特征在于，所述还原碳粉添加量为铜渣质量的10％～20％。
4.根据权利要求1所述的胶凝材料用活性铜渣的制备方法，其特征在于，所述氧化钙与所述活化剂添加按质量比碳粉：氧化钙：活化剂＝1:0.5～1.5:0.5～1.5。
5.根据权利要求1所述的胶凝材料用活性铜渣的制备方法，其特征在于，所述熔炼温度为1300℃～1500℃。
6.根据权利要求1所述的胶凝材料用活性铜渣的制备方法，其特征在于，所述熔炼时间为1～3h。
7.一种利用权利要求1获得活性铜渣可以用于制备高性能新型胶凝材料。
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