底吹熔炼渣工艺矿物学研究

汪金良 周 瑞 刘 远 刘彦青 罗仙平4

（1.江西理工大学材料冶金化学学部，江西赣州341000；2.西部矿业集团科技发展有限公司，青海西宁810006；3.青海铜业有限责任公司，青海西宁810006；4.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州341000）

铜冶金在有色金属行业占有重要地位，由于铜矿原矿品位不断降低，矿产开采难度越来越大，精矿成分日益复杂，国家对环境法规更加严格，对铜冶炼提出了越来越严格的要求，研究开发高效节能的强化炼铜方法是未来发展的主要方向［1-3］。目前富氧底吹熔炼法是我国具有完全自主知识产权的新一代熔池强化熔炼技术，该技术具有高氧浓、高熔炼强度、高氧压、高负压、自热程度高、资源利用水平高等特点［2，4-5］，具有节能、高效、投资少、环境友好等优势，不仅提高了资源的利用率，增加了社会经济效益，还符合国家节能减排、科学发展的要求。因此氧气底吹熔炼的相关理论研究成为重要的应用理论课题。

青海铜业是我国较早引进双底吹连续炼铜工艺的企业之一，年产阴极铜10万t，然而在生产过程中由于物料多杂，返尘偏多，造成底吹熔炼渣含铜偏高（5%～8%），明显高于底吹炉设计渣含铜量（≤3.5%），而渣含铜高的问题与炉渣组成、冶炼工艺、熔渣性质、渣型的选择等因素密切相关。目前研究多集中在反射炉和顶吹炉等传统的熔炼渣中铜赋存状态［6-9］、炉渣渣型研究［10-11］，转炉吹炼渣矿相特征研究［12-14］，对双底吹连续炼铜熔炼渣研究还比较少。王亲猛等［15-18］对氧气底吹铜熔炼中冰铜对渣中铜的影响、多组元造渣行为及渣型优化、渣中各组元含量之间的映射关系等进行了深入研究，结果表明炉渣中Cu、Fe、S等组元造渣行为具有相互关联性，渣中SiO2含量和Fe含量对Cu含量耦合作用明显，通过渣型优化，得到了流动较好的渣型；刘柳等［19］分析了底吹熔炼过程产物，重点通过产物的微观物相分析底吹熔炼过程机理；赵体茂等［20］和边瑞民等［21］从双底吹连续炼铜工艺实践对渣中铜损失方式的影响，及生产过程中降低渣含铜方面所采取措施进行了总结。以上研究均未对底吹熔炼渣有价金属的矿物相嵌布特征进行详细分析。

本研究以青海某铜业公司底吹熔炼渣为研究对象，通过XRF、XRD、SEM、EDS和BPMA自动矿物分析系统等手段研究熔炼渣中各矿物组成、赋存状态、嵌布粒度以及主要含铜矿物相解离度特征，研究结果对指导企业回收铜渣中的有价金属和提高铜的直收率具有重要意义。

1 熔炼渣试样性质

1.1 熔炼渣主要化学成分

试验样品为高海拔地区青海某铜业公司底吹熔炼炉放渣口扒出的熔炼渣，该熔炼渣是在熔炼温度为1 180℃、氧浓度为75%的条件下产出。各成分在渣中的含量与生产过程中工艺参数动态变化有关。采用XRF检测该熔炼渣主要化学成分，结果见表1。由表1可知，该冶炼厂产出的熔炼渣主要有价金属为Cu、Fe、Pb、Zn等，杂质成分主要为SiO2。

1.2 熔炼渣矿物组成及铜物相分析

熔炼渣中矿物组成比较复杂，对其进行XRD、矿物组成及铜物相分析，结果分别见图1、表2、表3。

由图1和表2可知，熔炼渣中主要矿物为冰铜、铁橄榄石、铁酸盐和玻璃相，另有少量或微量未反应的黄铜矿、氧化铜、金属铜、石英、云母和长石等；熔炼渣中含铜矿物主要有冰铜、金属铜、黄铜矿和氧化铜等，以冰铜含量最高。

由表3可知，熔炼渣中铜主要以冰铜（Cu2S）形式存在，其分布率达92.69%，同时含有少量的金属铜。

2 渣中主要矿物相赋存状态

2.1 冰铜

由熔炼渣化学物相分析结果可知，冰铜是熔炼渣中矿物含量最大的含铜矿物（相）。对冰铜多个区域进行能谱分析，结果见表4。

由表4可知，冰铜含铜较高，成分分布比较均匀，部分冰铜成分含有微量Al。

为确定冰铜与其他矿物相之间的嵌布关系，对熔炼渣进行扫描电镜分析（SEM），结果见图2。

由图2可知，熔炼渣中冰铜粒度分布不均匀，主要呈粗细不等的粒状或圆点状分布于渣中，与硫化铅、铁橄榄石、玻璃相、铁酸盐等矿物嵌布关系密切。图2（a）表明冰铜与铁酸盐包裹或连生；图2（b）表明冰铜与铁酸盐和铁橄榄石连生边界具有明显的裂缝，在后续磨矿过程中有助于冰铜的解离；图2（c）表明冰铜呈圆粒状嵌布于玻璃相中；图2（d）表明冰铜内部包裹白色的微粒硫化铅和多金属合金。图2（e）表明冰铜包裹或连生白色的硫化铅相；图2（f）表明冰铜内部包裹Cu-Sb合金；图2（g）表明冰铜包裹或连生金属铜、硫化铅。在硅酸盐和铁橄榄石包裹的细冰铜颗粒度大多小于0.010 mm，这部分微细冰铜难以被回收，约占6.67%。总而言之，冰铜在熔炼渣中嵌布关系非常复杂，粒度分布不均，难以全部回收。

2.2 金属铜

金属铜（铜基合金）是熔炼渣中矿物量仅次于冰铜的含铜矿物（相），含量为0.13%，熔炼渣中的金属铜主要由Cu组成，部分含微量的Fe、Sb、S、Al、Mg元素。为确定金属铜的形态及其矿物间的嵌布关系，对其进行扫描电镜分析（SEM），结果见图3。

由图3可知，熔炼渣中金属铜主要呈长粒状和圆粒状，产出的多数金属铜被铁酸盐、铁橄榄石、玻璃相等矿物包裹或连生。图3（a）表明金属铜包裹于铁酸盐中；图3（b）表明熔炼渣中铁酸盐、玻璃相、金属铜相互紧密共生；图3（c）表明金属铜内部包裹白色点状硫化铅、Cu-Sb合金颗粒；图3（d）表明渣中铁橄榄石内部包裹金属铜；图3（e）表明金属铜、Cu-Sb合金、铁酸盐嵌布于玻璃相中，这部分包裹的铜解离比较困难，难以回收。

2.3 铁酸盐

铁酸盐是熔炼渣中主要矿物相之一，熔炼渣中铁酸盐主要由Fe、O元素组成，并含有微量的Al、Si、Mg、Zn等元素。熔炼渣中的铁酸盐在放大后呈叶状雏晶，其与金属铜和冰铜关系密切，容易与铁橄榄石和其他硫化矿紧密共生（见图4），在熔炼渣中，其分布在铁橄榄石晶粒间，结晶粒度一般小于10 μm。

2.4 铁橄榄石

铁橄榄石是熔炼渣中主要矿物相之一，主要成分为Fe2SiO4，与玻璃相关系密切，在玻璃相中呈块状，放大后呈平行带状或柱状结晶。在熔炼渣中，铁橄榄石与金属铜和冰铜关系密切，与铁酸盐相相互包裹、夹杂，连生组成熔渣的基底物相。

2.5 玻璃相

熔炼渣中除铁酸盐和铁橄榄石外还有一种矿物量较大的非晶态硅酸盐矿物，呈胶水状，称为玻璃相，是渣相中最晚结晶出来的部分［19］，它主要充填于铁酸盐、铁橄榄石、金属铜、冰铜粒间起胶黏作用，其矿物量为25.74%。除含较高的Si、O、Fe、Al、Ca外，玻璃相中还含一定量的Zn。

3 熔炼渣中主要含铜矿物粒度分布及单体解离度

3.1 主要含铜矿物粒度分布

熔炼渣选别工艺的确定与渣中主要矿物嵌布粒度有直接关系［22-24］，本研究采用BPMA中最小夹长粒度参数表征熔炼渣的粒度。采用BPMA工艺矿物参数自动测量系统对熔炼渣中主要含铜物相（冰铜和金属铜）的粒度进行测量和统计，结果见图5。

由图5可知，冰铜和金属铜在熔炼渣中的嵌布粒度差异较大，金属铜颗粒多数分布在0.053 mm以下，平均粒径为0.030 mm，嵌布粒度较细，属细粒嵌布。相比较金属铜，冰铜嵌布粒度较大，分布于0.053 mm粒级以上的冰铜达到18.28%，通过浮选工艺易于回收，对于多数分布在-0.038+0.020 mm粒级内的冰铜在较细磨矿条件下可浮选回收，-0.015 mm粒级的冰铜很难单体解离，大部分铜将损失于尾矿中。基于以上分析可知，熔炼渣的铜回收工艺需要在适宜的磨矿细度条件下进行，保证有用矿物的单体解离。

3.2 主要含铜矿物单体解离度测定

保证冰铜、金属铜的有效解离是提高铜回收率的关键。为进一步了解熔炼渣中冰铜、金属铜在磨矿过程中的单体解离特性，测定了其在不同粒度下的解离度，结果分别见表5、表6。

由表5可知，熔炼渣中冰铜解离度为46.13%，在-0.074 mm+0.044 mm粒级范围内有51.58%单体解离，冰铜在-0.038 mm粒级也仅有30.11%单体解离，说明有部分冰铜嵌布粒度非常细，冰铜有一部分被铁橄榄石、铁酸盐或玻璃相包裹。冰铜在熔炼渣中主要与铁橄榄石或者玻璃相连生，其和铁橄榄石或玻璃相连生量分别为14.20%和35.55%。其次是与铁酸盐连生，连生量约为4.12%。

由表6可知，金属铜的解离较冰铜差，虽然-0.044+0.038 mm粒级单体含量达到61.55%，但在-0.038 mm粒级也未完全解离，金属铜总体单体解离度仅33.81%，对金属铜的回收极为不利，需要细磨才能单体解离，连生或者被包裹部分较多，其在熔炼渣中基本不与冰铜、黄铜矿等连生，与铁橄榄石、铁酸盐连生量分别为13.04%、3.35%，金属铜与其他脉石（硫化铅）在粗粒级连生量较大。因此，在回收铜方面，对粗粒冰铜和金属铜进行回收的同时，也应注重细粒冰铜和金属铜的回收。

4 结 论

（1）熔炼渣主要由冰铜、铁橄榄石、玻璃相、铁酸盐组成，冰铜和金属铜是熔炼渣中主要铜矿物相，其中冰铜分布率达92.69%。

（2）熔炼渣中冰铜主要呈粒状产出，部分冰铜颗粒被铁橄榄石、玻璃相、铁酸盐、锍化铅等矿物相包裹或连生，冰铜与铁酸盐和铁橄榄石边界有明显裂隙，有助于冰铜的解离，其单体解离度为46.13%；熔炼渣中金属铜平均粒径0.030 mm，多数分布在-0.038 mm+0.020 mm粒级内，其铜单体解离度为33.81%。从粒度和嵌布状态看，冰铜较金属铜易于回收。