謝 添， 廖春發(fā)， 吳免利， 石玉臣， 王含淵

(1.中鐵資源集團(tuán)有限公司， 北京 100039；2.江西理工大學(xué)冶金與化學(xué)工程學(xué)院， 江西 贛州 341000)

剛果(金)綠紗礦浮選銅鈷精礦還原熔煉工藝研究

謝 添1， 廖春發(fā)2， 吳免利1， 石玉臣1， 王含淵1

(1.中鐵資源集團(tuán)有限公司， 北京 100039；2.江西理工大學(xué)冶金與化學(xué)工程學(xué)院， 江西 贛州 341000)

以剛果(金)綠紗礦浮選后的銅鈷精礦為原料，采用還原熔煉工藝生產(chǎn)銅鈷合金，考察了還原熔煉條件對(duì)銅鈷回收率的影響。實(shí)驗(yàn)得出的最佳工藝條件為：CaO加入量25%、熔煉溫度1 500 ℃、焦粉加入量6.5%、熔煉時(shí)間45 min，該條件下，銅的回收率大于98%，鈷的回收率大于95%。

銅鈷精礦； 還原熔煉； 銅； 鈷； 合金

0 引言

可持續(xù)發(fā)展是21世紀(jì)世界面臨的最大問題之一。礦產(chǎn)資源具有的不可再生性，其開發(fā)和利用問題日益為人們所關(guān)注。我國礦產(chǎn)資源的總量和品種在世界上位居前列，但按人均計(jì)算則處于非常落后的位置，主要大宗金屬原材料人均儲(chǔ)量均小于世界平均水平。鑒于國內(nèi)銅、鈷資源短缺、供需缺口日趨增大的現(xiàn)狀，實(shí)施兩種資源、兩個(gè)市場(chǎng)，最大限度地利用國外資源就成為多途徑解決我國銅、鈷資源短缺問題的戰(zhàn)略選擇。

非洲大陸金屬資源豐富，與贊比亞毗鄰的剛果(金)境內(nèi)有世界上最大的銅、鈷資源富集區(qū)，其中綠紗銅鈷礦區(qū)因地質(zhì)勘探程度高、儲(chǔ)量大、礦體易采、采剝比小、生產(chǎn)成本低被我國許多公司所關(guān)注，而如何高效利用并提取其中的銅和鈷是亟待解決的問題。目前國內(nèi)外已投入工業(yè)生產(chǎn)或進(jìn)行過試驗(yàn)研究的氧化銅鈷礦冶煉方法主要有：回轉(zhuǎn)窯干燥- 電爐還原熔煉法、硫化熔煉法(電爐或鼓風(fēng)爐)、濕法還原浸出- 萃取分離法、堆浸法等[1-4]。結(jié)合剛果(金)目前的工業(yè)現(xiàn)狀及生產(chǎn)工人素質(zhì)狀況，本研究采用電爐還原熔煉法處理浮選的綠紗銅鈷精礦生產(chǎn)銅鈷合金，考察了CaO加入量、焦粉加入量、還原熔煉時(shí)間和溫度等對(duì)熔煉效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)以浮選的綠紗銅鈷精礦為原料，其化學(xué)分析結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)以焦粉作為還原劑，加入氧化鈣進(jìn)行造渣，焦粉和氧化鈣的主要組成分別如表2和表3所示。

表1 銅鈷精礦的化學(xué)分析結(jié)果 %

表2 焦炭組成

表3 石灰的主要組分 %

1.2 渣型選擇

渣型對(duì)電爐操作工藝條件的選擇及冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的改善有重要影響。一般來講，渣型應(yīng)基于合金相的熔點(diǎn)，爐渣的粘度、比重、界面張力，爐渣的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，爐渣的浸蝕性等進(jìn)行選擇。

物料的化學(xué)分析結(jié)果表明，銅鈷礦中用于造渣的酸性物料SiO2含量較高(～55%)，而堿性物料CaO(～0.1%)、MgO(～4.2%)和FeO(～4.4%)含量較低。物料的自然堿度為R=(%CaO+%MgO+%FeO)/(%SiO2+%Al2O3)=0.15，若考慮電爐還原熔煉過程中鐵的還原，則爐渣的堿度更低。同時(shí)，由于爐渣中SiO2含量很高，黏度大，不利于渣金的分離，因此必須對(duì)銅鈷精礦還原熔煉的渣型進(jìn)行研究。含Cu～75%、含Co13%左右的赤合金，熔點(diǎn)一般在1 300 ℃左右，而自然堿度下的爐渣熔點(diǎn)約1 600 ℃左右，且SiO2含量很高，黏度很大，對(duì)渣金分離很不利，給電爐的穩(wěn)定運(yùn)行和銅鈷合金的順利放出造成諸多困難。

從CaO-SiO2系狀態(tài)圖(圖1)來看，在電爐還原熔煉過程中加入適量的CaO造渣，可以大大降低爐渣的熔點(diǎn)。從爐渣的酸堿度和熔渣結(jié)構(gòu)的離子理論角度講，CaO的加入不僅可以適度調(diào)整爐渣的酸堿度(酸度降低)，而且可以較好地改善爐渣的黏度(降低)，有利于熔渣和合金相的分離。另外，從爐渣的綜合利用來講，添加CaO對(duì)生產(chǎn)水泥熟料極其有利，得到的爐渣含SiO2～38%、CaO～40%、Al2O3～8%，水淬處理后可以作為生產(chǎn)水泥的原料。

圖1 CaO-SiO2系狀態(tài)圖

另從CaO-SiO2-Al2O3系三元相圖和CaO-SiO2-MgO系三元相圖可以看出，雖然添加CaO不僅可以使?fàn)t渣熔點(diǎn)降低，而且爐渣黏度也有較大改善，對(duì)爐渣的綜合利用有利，但對(duì)于銅鈷精礦的還原熔煉，配入過多的CaO是不可取的：①增大了物料的處理量，導(dǎo)致單位產(chǎn)品電耗增加；②由于渣量增大，渣含鈷的絕對(duì)數(shù)量也將增大；③爐渣黏度將因?yàn)镃aO的過多加入而增大，反而不利于渣金分離。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

主要設(shè)備有：無錫電爐廠生產(chǎn)的12 kW高溫硅鉬電阻爐，其采用硅鉬棒加熱，最高加熱溫度為1 600 ℃；無錫電爐廠生產(chǎn)的TDFKW- 40控溫柜；φ80 mm×170 mm氧化鋯坩堝。加蓋在1 400～1 550 ℃進(jìn)行還原熔煉，未進(jìn)行氣氛保護(hù)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

稱取定量的焙球，配入定量的焦粉，裝入氧化鋯坩堝加蓋后放入硅鉬爐中通電升溫，達(dá)到指定溫度后開始保溫熔煉并計(jì)時(shí)，至規(guī)定時(shí)間后，斷電自然冷卻。冷卻至室溫后取出坩堝，稱重計(jì)量后砸碎坩堝，取出渣樣和合金樣。渣樣磨碎后送分析，合金樣用王水溶解后送溶液樣分析，采用ICP分析渣和溶液中銅鈷的含量，進(jìn)而計(jì)算合金成分[5]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 CaO加入量的影響

在電爐還原熔煉過程中加入適量的CaO進(jìn)行造渣，不但可以降低爐渣的熔點(diǎn)，適度調(diào)整爐渣的酸堿度，而且可以較好地改善爐渣的黏度，有利于熔煉過程熔渣和合金相的分離[6]。

原料加入量為100 g，為了在坩堝中形成熔池配入20%金屬銅，焦粉配入量6.5%、溫度1 550 ℃、熔煉時(shí)間45 min，該條件下考察了CaO配入量對(duì)還原熔煉的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 CaO加入量的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

由表4可知，隨著CaO加入量的增加，爐渣中Co和Cu的含量減少，當(dāng)CaO加入量增加至25%以后，渣中銅、鈷的含量基本維持在一個(gè)平穩(wěn)的范圍內(nèi)，因此控制CaO加入量為25%比較合理。

2.2 熔煉溫度的影響

原料添加量100 g、焦粉加入量6.5%、CaO 加入量38%、熔煉時(shí)間45 min，該條件下考察了還原熔煉溫度對(duì)熔煉效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 熔煉溫度的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

注：1 400 ℃、1 450 ℃的實(shí)驗(yàn)原料中加入了20%的金屬銅，1 500 ℃、1 550 ℃的實(shí)驗(yàn)未加。

由表5可以看出，熔煉溫度由1 400 ℃提高到1 500 ℃時(shí)，渣中鈷和銅的含量均降至0.25%左右，相應(yīng)的回收率分別為88.98%和98.02%，溫度繼續(xù)升高，渣含銅和鈷無明顯減少，因此熔煉溫度控制在1 500 ℃左右即可。

2.3 焦粉加入量的影響

原料添加量100 g、還原熔煉溫度1 500 ℃、CaO 加入量38%、熔煉時(shí)間45 min，該條件下考察了焦粉添加量的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 焦粉加入量的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

注：6.5%焦炭實(shí)驗(yàn)加礦量150 g

從表6可以看出，當(dāng)還原劑加入量控制在6.5%左右時(shí)，不僅可以保證較高的銅、鈷回收率，而且合金含鐵可以控制在10%以內(nèi)，因此選取還原劑的加入量為6.5%。

2.4 熔煉時(shí)間的影響

原料添加量100 g、還原熔煉溫度1 500 ℃、CaO加入量25%、焦炭加入量6.5%，該條件下考察了還原時(shí)間的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 熔煉時(shí)間的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：45 min實(shí)驗(yàn)加入了20%金屬銅

由表7可知，當(dāng)還原熔煉時(shí)間控制在45 min時(shí)，渣含鈷降至0.23%，含銅降至0.54%；所得到的合金中，銅、鈷的含量分別達(dá)到為73.31%、18.71%，鐵含量為8%左右，銅的回收率大于98%，鈷的回收率大于95%。

2.5 綜合條件實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定還原熔煉的最佳條件為：1 500 ℃、CaO添加量25%、焦炭加入量6.5%、還原熔煉時(shí)間45 min。在最佳條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

表8 最佳工藝條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

由表8可知，在最佳條件下進(jìn)行還原熔煉實(shí)驗(yàn)，爐渣含鈷降至0.15%左右，含銅降至0.5%左右；所得到的合金中鈷含量約為20%，銅含量約為70%，含鐵約為8%，銅的回收率大于98%，鈷的回收率大于95%。

3 結(jié)論

剛果(金)浮選銅鈷精礦電爐還原熔煉的最佳條件為：還原熔煉溫度1 500 ℃、焦粉加入量6.5%、CaO加入量25%、還原熔煉時(shí)間45 min。在最佳工藝條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，爐渣含銅降至0.5%左右，含鈷降至0.15%以下；所得合金含銅約70%，含鈷約20%，含鐵約8%，銅的回收率大于98%，鈷的回收率大于95%。

[1]李明. 剛果(金)氧化銅鈷礦冶煉工藝綜述[J]. 有色冶金設(shè)計(jì)與研究, 2012, 33(1): 16-18.

[2]陳永強(qiáng), 王成彥, 王忠. 高硅銅鈷礦電爐還原熔煉渣型研究[J]. 有色金屬(冶煉部分), 2003，(4): 23-25.

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[5]胡宇杰. 采用非洲某銅鈷礦生產(chǎn)銅鈷合金的工藝研究[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 26(3): 20-24.

[6]顏杰. 電爐還原熔煉氧化鈷礦的生產(chǎn)實(shí)踐[J]. 中國有色冶金, 2006，(3): 31-33.

Studyonreductionsmeltingprocessofflotationcopper-cobaltconcentrateofLuishiaMineinCongo(Kinshasa)

XIE Tian, LIAO Chun-fa, WU Mian-li, SHI Yu-chen, WANG Han-yuan

In this paper, the copper-cobalt concentrate of Luishia Mine after flotation in Congo-Kinshasa was used as raw material to produce copper-cobalt alloy with reduction smelting process. And the effects of reduction smelting conditions on the recovery of copper and cobalt was investigated. The test results shows that the optimum process conditions are 25%(ω) of calcium oxide and 6.5%(ω) of coke adding quantity, smelting for 45 min at 1 500 ℃, and the recovery of copper and cobalt can reach over 98% and 95%, respectively.

copper-cobalt concentrate; reduction smelting; copper; cobalt; alloy

謝 添(1985—)，男，湖南汨羅人，工程師，主要從事有色金屬冶金的生產(chǎn)管理及技術(shù)研究工作。

TF811；TF816

A