铜渣球团在深度还原过程中的反应行为：内部碳的影响

《Powder Technology》：Reaction behavior of copper slag pellet during deep reduction: Effect of internal carbon

铜渣丸含/无内碳的深还原行为研究表明，1000–1150℃下冶金化率与铅锌去除率呈线性关系（y=37.78+0.69x，R2=0.94→y=44.23+0.62x，R2=0.93），内碳添加提升去除率而不显著改变铁粒尺寸，液相抑制机制与矿物相转化密切相关。

　　

王红阳|周慧丽|王向宇|高忠林|郑富强|张晓雪

安徽科技大学材料科学与工程学院，中国淮南232001

摘要

本研究系统地研究了含碳与不含碳的铜渣颗粒的还原行为，并通过照相分析、X射线衍射、扫描电子显微镜和能量色散谱仪研究了液相形成的抑制机制。结果表明，在深度还原过程中，铜渣中的主要矿物（磁铁矿和钛铁矿）可以转化为金属铁，同时铅和锌通过挥发被去除。当铜渣颗粒在1000–1100°C下还原时，还原产物中铅/锌去除率与金属化率之间的线性关系分别为y = 37.78 + 0.69× (R2 = 0.94)和y = 19.15 + 0.86× (R2 = 0.95)。在较高温度下，液态钛铁矿的形成会导致金属化率和铅/锌去除率下降。当含有内部碳的铜渣颗粒在1000–1150°C下还原时，铅/锌去除率与金属化率之间的线性关系分别为y = 44.23 + 0.62× (R2 = 0.93)和y = 21.92 + 0.84× (R2 = 0.92)。铅/锌去除率与金属化率之间的线性拟合结果存在显著差异，这是由于铜渣中存在铅和锌所致。添加内部碳可以促进含铁矿物的还原以及铜渣中铅和锌的去除，但对还原产物中铁粒度的影晌不大。本研究为铜渣的回转窑处理提供了理论基础。

引言

由于全球经济发展，精炼铜的产量在过去十年中持续上升，从2014年的约2300万吨增加到2024年的约2800万吨[1]。超过80%的精炼铜来自原铜，原铜通过火法冶金（约80%）和湿法冶金（约20%）方法提取[2]。在火法冶金过程中，铁与石英反应后会产生含铜量0.5%–2.0%的铜渣。每生产1.0吨铜大约会产生2.2吨铜渣，全球每年产生的铜渣量约为4000万吨[3][4][5]。在工业规模上，铜主要通过缓慢冷却-浮选工艺从铜渣中回收[6,7]，这一过程会产生大量细颗粒的尾矿。近年来，中国大规模利用铜渣主要是将其作为水泥的铁质改良剂[8,9]。然而，由于房地产市场饱和，水泥产量从2021年的24亿吨大幅下降到2024年的18亿吨，导致铜渣的利用率显著下降。铜渣的堆积不仅占用土地资源，还威胁周围环境。因此，大规模利用铜渣变得尤为迫切。

鉴于铜渣中含有30%–45%的铁、0.2%–4.0%的铅和1.0%–5.0%的锌，提取其中有价值的元素是实现其大规模利用的有效方法[10][11][12]。通常采用高温相重构技术处理铜渣，其中铅和锌主要分布在钛铁矿、磁铁矿和玻璃等主要矿物相中[13,14]。因此，主要方法包括熔炼和深度还原-磁选，以回收铁、铅和锌。当铜渣在约1500°C下还原时，主要的含铁矿物相钛铁矿和磁铁矿可以转化为液态铁，同时铅和锌因挥发而积聚在粉尘中，硅则通过与添加剂（如氧化钙）反应而被去除[15][16][17]。虽然通过熔炼可以从铜渣中获得高质量液态铁和含铅锌粉尘，但添加不可回收的添加剂会导致二次渣的增加和能源消耗的增加。因此，使用熔炼方法经济地处理铜渣较为困难。

铜渣中的主要含铁矿物钛铁矿和磁铁矿在深度还原过程中可以转化为铁磁性的金属铁，同时铅和锌富集在粉尘中。最终通过磁选回收金属铁。不幸的是，通过磁选回收的铁颗粒粒度小于10微米，这使得铁的回收变得困难[18]。通过在深度还原过程中添加氧化钙或碳酸钠等添加剂，并将还原温度提高到1200°C以上，可以提高铁颗粒粒度[19][20][21]。然而，添加不可回收的添加剂会产生大量二次渣并增加能源消耗。此外，较高的还原温度（>1200°C）使得回转窑技术的经济可行性降低。2016年，中国首次采用回转炉-磁选工艺生产线处理铜渣。在该工艺中，使用了13 wt%的石灰和碳酸钠作为添加剂，还原温度为1300–1350°C。但由于产品质量差和能耗高，该生产线于2017年停产[22]。与回转炉相比，回转窑的投资成本和能耗更低，已广泛应用于钢铁厂中处理含锌粉尘，还原温度为1000–1200°C[23][24][25]。如果采用回转窑处理铜渣，需要研究铜渣颗粒在低于1200°C（钛铁矿熔点）下的还原行为。在适当的还原条件下应避免液相的形成，以实现最佳的金属、铅和锌去除率。

本研究系统地研究了含碳与不含碳的铜渣颗粒的还原行为，并通过拟合明确了铅/锌去除率与金属化率之间的线性关系。此外，还通过照相分析、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱仪（EDS）分析了含碳铜渣颗粒深度还原过程中液相形成的抑制机制。

材料

本研究中使用的铜渣是通过缓慢冷却-浮选-磁选处理的转炉铜渣得到的磁选精矿。铜渣的主要化学成分包括53.48%的铁、4.78%的铅、4.31%的锌、14.65%的二氧化硅、1.18%的氧化锰、1.14%的氧化铝和0.22%的铜。通过缓慢冷却-浮选有效回收了铜渣中的铜，并在研磨过程中实现了钛铁矿从磁铁矿中的分离。

铜渣颗粒的深度还原

在深度还原焙烧过程中，铅和锌可以通过挥发有效富集。还原产物中金属化率的提高为通过磁选回收金属铁奠定了基础。因此，使用铜渣颗粒在1000–1150°C下进行还原焙烧。分析了还原产物中的金属、铅和锌的去除率及其内在关系。

结论

本研究系统地研究了含碳与不含碳的铜渣颗粒的还原行为。主要结论如下：

1)

通过添加内部碳可以增强铜渣颗粒中铅的去除效果。还原产物中金属化率与铅去除率之间的线性拟合方程从y = 37.78 + 0.69× (R2 = 0.94)变为y = 44.23 + 0.62× (R2 = 0.93)

作者贡献声明

王红阳：撰写——初稿、方法论、资金获取、数据管理。周慧丽：撰写——审阅与编辑、软件使用、实验研究、数据分析。王向宇：撰写——审阅与编辑、实验研究。高忠林：数据验证、监督、资金获取。郑富强：数据可视化。张晓雪：数据验证、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了安徽科技大学高层次人才科学研究基金（2025yjrc0005；2022yjrc25）、国家重点实验室矿物加工开放基金（BGRIMM-KJSKL-2024-08）和中国国家自然科学基金（52304279）的财政支持。