CN109112243A - 一种利用铜渣制备金属铁的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用铜渣制备金属铁的方法，属于冶金资源综合利用技术领域，解决了现有技术中由铜渣制备得到的铁水中Cu、S和As含量较高，无法满足使用要求的问题。一种利用铜渣制备金属铁的方法，包括以下步骤：A：将铜渣进行碱法、硫化分离，得到锍相和渣相，铜和FeO富集于所述锍相中，As富集于所述渣相中；B：将锍相进行熔融还原分离，实现铁与锍相的分离，得到金属铁水，铜保留在锍相中。本发明制备得到的铁水中铜含量低于0.1％、硫含量低于0.3％、As含量低于0.03％，符合炼钢铁水要求。

Description

一种利用铜渣制备金属铁的方法

技术领域

本发明涉及冶金资源综合利用技术领域，尤其涉及一种利用铜渣制备金属铁的方法。

背景技术

铜矿造锍熔炼是目前铜的主要冶金方法，分离锍相后的熔炼渣约含30％～40％的铁以及0.5％～2％的铜，高效利用铜冶金渣无论从资源利用还是环境保护的角度均意义重大。

关于铜渣的回收利用研究已积极开展。大量研究结果证实，铜渣利用的顽疾在于金属铁质量不合格，其中S、As、Cu含量均远高于铁的合格含量水平，铁的应用范围窄、附加值低，导致铜渣的利用价值不高。

公布号为CN108018426A的专利采用渣-铁-锍三相分离的方式处理铜渣，基于铁水中碳与硫的互斥性，当铁水中碳含量达到一定含量时形成铁水与锍相的分层，实现铜从铁水向锍相的转移富集，取得了一定的效果。但铁水中Cu、S含量不低于0.4％，且As含量较高，依然无法满足要求。究其原因，还原过程中无法避免砷单质固溶进入金属铁，而S易于溶解在铁熔体中，溶解含量取决于铁水的渗碳含量。因此，在还原之前进行As的脱除，同时提高铁水的渗碳含量，是避免或降低有害元素Cu、S、As在金属铁相溶解的关键。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种利用铜渣制备金属铁的方法，用以解决现有由铜渣制备得到的铁水中Cu、S和As含量较高，无法满足使用要求的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种利用铜渣制备金属铁的方法，包括以下步骤：

步骤A：将铜渣进行碱法、硫化分离，得到锍相和渣相，铜和FeO富集于所述锍相中，As富集于所述渣相中；

步骤B：将锍相进行熔融还原分离，实现铁与锍相的分离，得到金属铁水，铜保留在锍相中。

进一步，所述步骤B中，熔融还原分离为：向所述锍相加入碳质还原剂进行熔融还原和渗碳。

锍相配入固体碳质还原剂进行还原和渗碳，完成铁、锍分离。锍相循环利用，直至铜含量富集至一定含量后吹氧提铜。化学反应方程式为：

(FeO)+C＝Fe+CO

Fe+C→[Fe]_C

此步骤的好处在于，氧化亚铁以熔融态存在于锍相中，且锍相熔点低、粘度小，为熔融渗碳过程，大幅提高了铁的还原速率和渗碳含量，有利于铁、锍分离。

进一步，还原温度为1250～1400℃，保温0.5～2h。

实验中发现，温度低于1250℃时，物料不能完全熔化；而温度为1400℃时，物料已经能够完全熔化，再高的温度会增加能耗，所以还原温度选择为1250～1400℃。

同样地，保温时间少于0.5h时，物料熔化不完全；而保温时间为2h时，物料已经熔化完全，保温时间延长会增加能耗，所以保温时间选择为0.5～2h。

进一步，所述步骤A中，碱法、硫化分离为：铜渣与碱盐和硫化剂混合、焙烧、熔分。

铜渣首先与碱盐和硫化剂在惰性气氛下保温焙烧，铜渣的主要成分铁橄榄石转变为硅酸钠和FeO，FeO溶解富集至锍相中，Na₂CO₃和As富集于渣相中，熔分(即物料完全熔化后完成熔渣与熔体的分离)后完成渣相与锍相的分离。

保温焙烧的目的在于：一是完成铁橄榄石的形态转变，使氧化亚铁与硅分离，化学反应方程式为

2FeO·SiO₂+Na₂CO₃＝2FeO+Na₂SiO₃+CO₂

二是氧化亚铁溶解富集在锍相中，实现铁与渣的分离，同时有害元素砷富集在渣相中，消除了砷对铁品质的影响。

As₂O₃+Na₂CO₃＝2NaAsO₂+CO₂

CaAs₂O₄+Na₂CO₃＝2NaAsO₂+CaCO₃

三是铜渣中的铜转化为硫化亚铜，转移至锍相中富集，化学反应方程式为

2CuO+FeS＝Cu₂S+FeO

进一步，碱盐为碳酸钠，硫化剂为FeS。

本发明中的碱盐可以为碳酸钠或氢氧化钠。但考虑到步骤C得到的是碳酸钠，如果碱盐选择氢氧化钠的话，需要将碳酸钠转化为氢氧化钠才能返回步骤A循环利用；而碱盐选择碳酸钠，步骤C得到的碳酸钠无需转化，就可以返回步骤A循环利用。所以，该制备方法中，碱盐选择为碳酸钠。

进一步，焙烧温度为1250～1400℃，保温0.5～2h。

上述焙烧温度和保温时间能够保证物料熔化完全并具有一定的流动性，有利于渣、锍两相分离，同时避免温度过高或时间过长带来的能耗问题。

进一步，FeS的加入量与铜渣的质量之比为0.4～1：1，碳酸钠的加入量与铜渣的质量之比为0.6～1：1。

FeS的加入量与铜渣的质量之比选择为0.4～1：1，原因在于：提高铜和FeO在锍相的富集率，同时，避免FeS加入量过大造成铜和FeO的富集含量降低；

碳酸钠的加入量与铜渣的质量之比选择为0.6～1：1，原因在于：保证硅和砷的转化率，同时，避免碳酸钠加入量过高时造成的能耗问题。

进一步，FeS的加入量与铜渣的质量之比为0.6～0.8：1。

实验中发现，FeS的加入量与铜渣的质量之比小于0.6时，Cu和FeO在锍相的富集率低。FeS的加入量越多，Cu在锍相的富集率越高，但FeS的加入量与铜渣的质量之比大于0.8时，Cu在锍相的富集率增加不显著，所以，本发明FeS的加入量与铜渣的质量之比选择为0.6～0.8：1。

进一步，所述方法还包括步骤C：渣相经水洗过滤、碳分过滤得到碳酸钠。

步骤A分离得到的渣相在水中浸出，渣相中的硅酸钠溶解进入溶液与杂质组元分离，并通过碳分法制备白炭黑，得到的碳酸钠返回步骤A循环利用。化学反应方程式为：

Na₂SiO₃+CO₂+H₂O＝Na₂CO₃+H₂SiO₃

进一步，步骤C得到的碳酸钠返回步骤A循环利用，步骤B分离得到的锍相返回步骤A循环富集铜，之后吹氧提取锍相中富集的硫化亚铜。

本发明有益效果如下：

(1)针对铜渣的成分特征，采用碱法、硫化预处理完成渣、锍的分离，FeO溶解在锍相中，还原活性提高，有害元素砷保留在渣相中，避免了As对铁水品质的影响。

(2)含有FeO的锍相通过碳热还原实现铁、锍分离过程，基于锍相的低熔点特性，可以在较低的温度下完成氧化亚铁的熔融还原、渗碳和熔分过程，铁的渗碳含量显著提高，有利于抑制锍相在铁水中的溶解，最终获取As、S、Cu含量符合要求的合格还原铁粉。

(3)该方法制备得到的铁水中铜含量低于0.1％、硫含量低于0.3％、As含量低于0.03％，符合炼钢铁水要求。

(4)本发明在较低的温度下实现渣相和锍相分离后，渣相经水洗过滤、碳分过滤后可制备高品质白炭黑，进一步提高了铜渣的利用率，大大提高了经济价值。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为利用铜渣两步法分离制备合格金属铁的工艺流程图。

附图标记：

A-碱法、硫化分离；B-锍相熔融还原分离；C-渣相水洗、碳分过滤。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明中含量如无特别说明，均为质量百分含量。所述原料如无特别说明均能从商业公开途径获得。本发明实施例选用的铜渣为云南水淬铜渣，粒径小于0.125mm(100目)，TFe含量为40.57％，二氧化硅含量为38.01％，氧化钙含量为3.41％，氧化铝含量为3.92％，氧化镁含量为1.8％，铜含量为0.68％，硫含量为0.78％，砷含量为0.17％。碱盐为Na₂CO₃，纯化学试剂，硫化剂为FeS，纯化学试剂，还原剂为石墨粉，纯化学试剂。

实施例1

铜渣与FeS、Na₂CO₃混合均匀，FeS的加入量与铜渣的质量之比分别为0.4、0.6、0.8、1，碳酸钠的加入量与铜渣质量之比为1。混合物料在1400℃保温焙烧2h进行渣、锍两相分离(即熔分)。采用化学分析测定锍相中Cu、O含量，通过计算确定FeO以及Cu在锍相的富集率。

实验结果表明，FeS的加入量与铜渣的质量之比分别为0.4、0.6、0.8、1时，Cu在锍相的富集率分别为91％、95％、97％、98％，FeO在锍相的富集率分别为78％、86％、89％、91％，因此，优选FeS的加入量与铜渣的质量之比为0.6～0.8。

实施例2

铜渣与FeS、Na₂CO₃混合均匀，FeS的加入量与铜渣的量之比为0.8，碳酸钠的加入量与铜渣质量之比分别为0.6、0.8、1时、1400℃保温焙烧2h进行渣、锍两相分离(即熔分)。采用上述相同的方法测定FeO和Cu在锍相的富集率。

实验结果表明，碳酸钠的加入量与铜渣质量比分别为0.6、0.8、1时，Cu在锍相的富集率保持在95％～97％，对Cu在锍相的富集影响不大；FeO在锍相的富集率分别为81％、86％、89％，因此，提高碳酸钠的加入量有利于FeO在锍相的溶解富集。

实施例3

铜渣与FeS、Na₂CO₃混合均匀，FeS的加入量与铜渣质量比为0.8，碳酸钠的加入量与铜渣质量比为1。混合料分别在1250℃、1300℃、1400℃保温焙烧2h进行渣、锍两相分离(即熔分)。采用上述相同的方法测定FeO和Cu在锍相的富集率。

实验结果表明，焙烧温度分别为1250℃、1300℃、1400℃时，Cu在锍相的富集率分别为72％、91％、97％；FeO在锍相的富集率分别为63％、74％、89％。可以看出，焙烧温度对FeO和Cu在锍相溶解富集的影响较大，焙烧温度应控制在1300℃以上。

实施例4

铜渣与FeS、Na₂CO₃混合均匀，FeS的加入量与铜渣质量比为0.8，碳酸钠的加入量与铜渣质量比为1。混合料在1400℃分别保温焙烧0.5h、1h、2h进行渣、锍两相分离(即熔分)。采用上述相同的方法测定FeO和Cu在锍相的富集率。

实验结果表明，保温时间分别为0.5h、1h、2h，Cu在锍相的富集率分别为86％、92％、95％；FeO在锍相的富集率分别为64％、78％、85％。可以看出，保温时间应控制在1h以上。

实施例5

铜渣与FeS、Na₂CO₃混合均匀，FeS的加入量与铜渣质量比为0.8，碳酸钠的加入量与铜渣质量比为1。混合料在1400℃保温焙烧2h进行渣、锍两相分离(即熔分)，分离所得锍相作为熔融还原铁、锍分离的原料，加入过量的石墨粉。

还原温度分别为1250℃、1300℃、1400℃时，保温2h，实现铁与锍相的分离。分离得到的铁水通过化学分析，得出As、Cu、S的含量。

实验结果表明，还原温度分别为1250℃、1300℃、1400℃时，As含量均低于0.03％；Cu含量分别为0.08％、0.06％、0.05％；S含量分别为0.21％、0.18％、0.11％。因此，提高还原温度有利于降低有害元素在铁水中的溶解，但影响不大。

实施例6

铜渣与FeS、Na₂CO₃混合均匀，FeS的加入量与铜渣质量比为0.8，碳酸钠的加入量与铜渣质量比为1。混合料在1400℃保温焙烧2h进行渣、锍两相分离(即熔分)，分离所得锍相作为熔融还原铁、锍分离的原料，加入过量的石墨粉。

还原温度为1400℃，保温时间分别为0.5h、1h、2h时，进行铁与锍相的分离(即熔分)。采用上述相同的方法测定铁水中As、Cu、S的含量。

实验结果表明，保温时间分别为0.5h、1h、2h时，Cu含量分别为0.12％、0.09％、0.05％；S含量分别为0.23％、0.16％、0.11％。因此，延长保温时间有利于降低有害元素在铁水中的溶解。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用铜渣制备金属铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：将铜渣进行碱法、硫化分离，得到锍相和渣相，铜和FeO富集于所述锍相中，As富集于所述渣相中；

步骤B：将锍相进行熔融还原分离，实现铁与锍相的分离，得到金属铁水，铜保留在锍相中。

2.根据权利要求1所述的利用铜渣制备金属铁的方法，其特征在于，所述步骤B中，熔融还原分离为：向所述锍相加入碳质还原剂进行熔融还原和渗碳。

3.根据权利要求2所述的利用铜渣制备金属铁的方法，其特征在于，还原温度为1250～1400℃，保温0.5～2h。

4.根据权利要求1所述的利用铜渣制备金属铁的方法，其特征在于，所述步骤A中，碱法、硫化分离为：铜渣与碱盐和硫化剂混合、焙烧、熔分。

5.根据权利要求4所述的利用铜渣制备金属铁的方法，其特征在于，所述碱盐为碳酸钠，所述硫化剂为FeS。

6.根据权利要求4所述的利用铜渣制备金属铁的方法，其特征在于，焙烧温度为1250～1400℃，保温0.5～2h。

7.根据权利要求4所述的利用铜渣制备金属铁的方法，其特征在于，FeS的加入量与铜渣的质量之比为0.4～1：1，碳酸钠的加入量与铜渣的质量之比为0.6～1:1。

8.根据权利要求7所述的利用铜渣制备金属铁的方法，其特征在于，FeS的加入量与铜渣的质量之比为0.6～0.8:1。

9.根据权利要求1至8所述的利用铜渣制备金属铁的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤C：渣相经水洗过滤、碳分过滤得到碳酸钠。

10.根据权利要求9所述的利用铜渣制备金属铁的方法，其特征在于，步骤C得到的碳酸钠返回步骤A循环利用，步骤B分离得到的锍相返回步骤A循环富集铜，之后吹氧提取锍相中富集的硫化亚铜。