一种含铜铁水硫化分离的方法及装置

技术领域

本发明涉及含铜铁水处理技术领域，具体涉及到一种含铜铁水硫化分离的方法及装置。

背景技术

铜渣是铜火法冶炼过程中排放的固体废物，主要可分为熔炼渣和吹炼渣。每生产1吨精炼铜将产生2～3吨左右的铜渣，目前我国铜渣年排放大约3000万吨，累计堆存超3亿吨。作为典型的二次资源，铜渣中铜品位多在0.5wt.％～1.0wt.％以上(富氧底吹铜渣中铜品位高达4.0wt.％以上)，远高于我国铜矿开采品位0.3wt.％；另外铜渣中还含有品位高达40wt.％以上铁，远高于我国铁矿石的开采品位17wt.％，此外铜渣中还含有大量金、银、镍、钴等贵金属。保守估计，我国目前每年随铜渣排放直接损失的金属铜为15～20万吨以上，损失的金属铁约1200万吨，随铜渣排放浪费掉的热量折合标煤约为200万吨。如此大宗的固体废弃物，给生态环境造成难以恢复的影响。铜渣大量堆存不仅占用土地污染环境，亦造成巨大的资源浪费。

目前铜渣利用技术的研究多集中在单独铜的利用或单独铁的利用两个方面。工业上主要采用浮选法从富氧熔炼渣和转炉渣中回收铜，通过浮选铜的回收率能达到90％以上，回收得到的精矿中铜含量超过20wt.％，但浮选尾渣含铜仍较高(0.2wt.％～0.3wt.％之间)。此种方法尽管回收了部分的铜，但浮选前铜渣需要缓冷处理，不仅需要使用数量较多的缓冷渣包，占用大量缓冷堆场，导致投资成本高，热态铜渣的物理显热也完全浪费。并且浮选后的含铁尾渣较细(-400目颗粒约占90％)，难以再次利用，只能堆存，既占用土地又会造成二次污染。更重要的是，浮选工艺只回收了铜渣中的部分铜，而其中的铁等有价组元未得到回收利用，浮选后的大量的铜渣仍旧只能堆存，并未解决铜渣的高值化、无渣化综合利用问题。从铜渣中回收铁主要是采用碳热熔融还原的方法。将铜渣与还原剂、造渣剂混合后进行熔融还原得到含铜铁水。由于铜会导致炼钢过程发生“铜脆”现象，因此含铜铁水近能少部分冶炼含铜钢或者含铜耐磨铸铁。

近年来，我国相关从业者针对铜渣综合利用进行了大量的研究。申请号为201910859811.X的专利提出了“生产含铜钢的方法及铜渣作为冷却剂在生产含铜钢中的应用”，该方法将破碎后的铜渣和废钢加入炼钢转炉，同时加入石灰进行碱度控制，冶炼可得到含铜钢。铜渣的加入不仅引入了铜，还在生产含铜钢中起到了冷却剂的作用。申请号为201910432641.7的专利提出了“含铜钢的生产方法”，该方法采用熔融铜渣为原料，通过沉降处理、熔融还原处理、炼钢处理和成型处理，最终得含铜钢。申请号为201910432636.6的专利提出了“含铜铸铁的生产方法”，该方法采用熔融铜渣为原料，通过沉降处理、熔融还原处理、冶炼处理和铸造处理，最终得含铜铸铁。上述方法都是将铜渣熔融还原得到的含铜铁水经过精炼处理后得到含铜钢或者含铜铸铁，由于含铜钢和含铜铸铁的市场消耗量小，因此限制了含铜铁水大批量制备含铜钢和含铜铸铁的大规模应用。申请号为201710283371.9的专利提出了“一种高铜铁料中铜元素有效分离的方法”，该方法将高铜铁料分批次熔化、脱铜、扒渣后得到低铜铁水，脱铜后铁水中铜含量为3.47wt.％～6.24wt.％，脱铜率为29％～62％。该方法只能脱除高铜铁水中的部分铜，脱铜率较低，无法应用于低铜铁水的脱铜处理。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，为了实现含铜铁水大规模应用，提供了一种含铜铁水硫化分离的方法。本发明通过涡流硫化处理含铜铁水，高效分离回收含铜铁水中的铜，脱铜铁水直接用于炼钢，避免了铜对炼钢过程的影响，是高效的含铜铁水硫化分离的方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种含铜铁水硫化分离的方法，包括如下步骤：

步骤1，铜渣经熔融还原得到含铜铁水，还原渣经调质水淬后用作水泥熟料；

步骤2，将含铜铁水转运到涡流硫化炉；

步骤3，硫化剂在涡流搅拌作用下被卷吸到含铜铁水中发生硫化反应；

步骤4，反应后进行渣金分离，得到主要矿相为黄铜矿的含铜渣，用于铜的回收；

步骤5，渣金分离后余下的脱铜铁水直接用于炼钢。

进一步地，步骤1中，所采用的铜渣包括熔炼渣、吹炼渣、浮选渣中的一种或者多种，铜渣中的铜含量0.2wt.％～3wt.％。

进一步地，步骤3中，硫化剂加入量为含铜铁水质量的1wt.％～10wt.％，硫化温度为1350℃～1550℃，硫化时间10min～120min。

进一步地，步骤3中，所采用的硫化剂为黄铁矿、硫化亚铁、单质硫的混合物，硫化剂配比为：黄铁矿5wt.％～50wt.％、硫化亚铁5wt.％～50wt.％、单质硫5wt.％～50wt.％，研磨后粒度≤100μm。

进一步地，步骤4中，渣金分离后，含铜铁水中铜的脱除率≥98％。

进一步地，步骤5中，脱铜铁水中铜含量≤0.10wt.％。

本发明还提供一种含铜铁水硫化分离的装置，所述装置为涡流硫化炉，用于含铜铁水的涡流硫化处理，该涡流硫化炉为连续式或间断式硫化炉，所述涡流硫化炉的炉体侧壁上设置有渣溢流口、铁水进口溜槽、铁水出口及喷吹口；所述渣溢流口设置在炉体内熔池液面上方；所述喷吹口设置在炉体的侧壁和/或底部，所述喷吹口上装有喷枪；炉体内还设置有涡流搅拌桨，所述涡流搅拌桨包括搅拌桨轴及设置在其上的桨叶。

进一步地，所述涡流硫化炉涡流搅拌由搅拌桨或者喷吹气体产生；采用搅拌桨产生涡流时，搅拌转速为150rpm～400rpm，硫化剂的加入方式采用直接加入；通过喷吹气体产生涡流时，硫化剂采用喷吹方式(侧吹、底吹)加入到铁水中，喷吹过程采用惰性气体携带硫化剂，喷吹固含量为5～80kg/Nm

进一步地，所述涡流搅拌桨利用耐火材料制成，桨叶和搅拌桨轴掺杂有1wt.％～10wt.％的耐高温不锈钢骨架；所述涡流搅拌桨进行涡流搅拌，其涡流具有向下卷吸作用，用于加速复合硫化剂的卷吸速度和硫化速度。

进一步地，所述搅拌桨轴通过法兰套筒连接电机轴，所述法兰套筒包括螺栓连接的上法兰盘及下法兰盘，所述上法兰盘与电机轴连接，所述下法兰盘与不锈钢套筒连接；所述不锈钢套筒设内螺纹，与设有外螺纹的搅拌桨轴螺纹连接。

进一步地，所述上、下法兰盘的接触面分别加工成相配合的凹凸面。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提出了一种含铜铁水硫化分离的方法及装置，将铜渣(熔炼渣、吹炼渣、浮选渣等)经熔融还原得到含铜铁水，还原渣经调质水淬后用作水泥熟料。含铜铁水直接经过涡流硫化处理后，脱除含铜铁水中的铜，得到主成分为黄铜矿的富铜渣，用于铜的回收，脱铜铁水可以直接用于炼钢，避免了铜对炼钢过程的影响。

2、本发明采用涡流搅拌将硫化剂粉料卷吸进铁水中，可以加速复合硫化剂的卷吸速度和硫化速度，实现含铜铁水的高效快速硫化和分离。

3、本发明提出的涡流硫化炉为连续式硫化炉，带有渣溢流口，含铜铁水和脱铜后铁水的进出口，可实现含铜铁水的连续硫化除铜。

附图说明

图1是本发明的涡流硫化炉结构示意图；

图2为本发明的一种含铜铁水硫化分离的方法流程图；

附图标记：1-炉壳，2-渣溢流口，3-线圈固定装置，4-感应线圈，5-侧吹喷枪，6-耐火层，7-铁水层，8-渣层，9-涡流搅拌桨，10-铁水进口溜槽，11-铁水出口，12-断热层，13-底吹喷枪。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本发明所述涡流硫化炉包括外侧的炉壳1以及内侧与熔液接触的耐火层6组成的炉体，所述炉壳与耐火层之间还设置有用于加热的感应线圈4，所述感应线圈通过线圈固定装置3固定；所述炉体侧壁上设置有渣溢流口2、铁水进口溜槽10、铁水出口11及喷吹口；所述铁水进口溜槽设置在炉体侧壁上部，所述渣溢流口设置在炉体内熔池液面上方，即铁水层7上方，渣层8位置处，所述喷吹口设置在炉体的侧壁和底部，所述喷吹口上分别装有侧吹喷枪5及底吹喷枪13；炉体内还设置有涡流搅拌桨9，所述涡流搅拌桨包括搅拌桨轴及设置在其上的桨叶，所述桨叶与搅拌桨轴螺纹连接；所述炉体底部的炉壳与耐火层间还设置有断热层12。

其中，所述涡流硫化炉的涡流搅拌由搅拌桨或者喷吹气体产生；采用搅拌桨产生涡流时，搅拌转速为150rpm～400rpm，硫化剂的加入方式采用直接加入；通过喷吹气体产生涡流时，硫化剂采用喷吹方式(侧吹、底吹)加入到铁水中，喷吹过程采用惰性气体携带硫化剂，喷吹固含量为5～80kg/Nm

其中，所述涡流硫化炉为连续式或间断式硫化炉，带有渣溢流口，含铜铁水进口溜槽和脱铜后铁水的出口，可实现含铜铁水的连续硫化除铜。

其中，所述涡流搅拌桨利用耐火材料制成，桨叶和搅拌桨轴掺杂有1wt.％～10wt.％的耐高温不锈钢骨架。

其中，所述搅拌桨轴通过法兰套筒连接电机轴，所述法兰套筒包括螺栓连接的上法兰盘及下法兰盘，所述上法兰盘与电机轴连接，所述下法兰盘与不锈钢套筒连接；所述不锈钢套筒设内螺纹，与设有外螺纹的搅拌桨轴螺纹连接。

其中，所述上、下法兰盘的接触面分别加工成相配合的凹凸面。以确保上下法兰盘同心，避免了搅拌过程中搅拌桨轴的摆动。

其中，炉体顶部还设有可开合的两片盖板，在不影响涡流搅拌桨转动的同时使涡流硫化炉工作时形成密闭空间。

实施例2

一种基于实施例1所述装置的含铜铁水硫化分离的方法，流程如图2所示，包括如下步骤：

步骤1，采用铜含量为0.20wt.％的浮选铜渣进行熔融还原得到含铜铁水，含铜铁水成分按重量百分比为：C 3.66wt.％，Cu 0.30wt.％，Si 0.25wt.％，P 0.08wt.％，Zn0.02wt.％，Mn0.02wt.％，S 0.43wt.％，余量为铁，还原渣经水淬用作水泥熟料。

步骤2，将含铜铁水转运到涡流硫化炉，带有渣溢流口，含铜铁水和脱铜后铁水的进出口，涡流搅拌桨利用耐火材料制成，桨叶与搅拌桨轴掺杂有5％的耐高温不锈钢骨架。

步骤3，采用粒度为100μm的硫化剂(硫化剂配比为黄铁矿5wt.％、硫化亚铁50wt.％、单质硫45wt.％)，在200rpm的涡流搅拌作用下被向下卷吸到含铜铁水中发生硫化反应，硫化剂加入量为含铜铁水质量的3wt.％，硫化温度为1350℃，硫化时间120min。

步骤4，进行渣金分离，含铜铁水中铜的脱除率为98％，得到主要矿相为黄铜矿的含铜渣，用于铜的回收；

步骤5，脱铜铁水中铜含量为0.10wt.％，直接用于炼钢。

实施例3

一种基于实施例1所述装置的含铜铁水硫化分离的方法，包括如下步骤：

步骤1，采用铜含量为1.21wt.％的吹炼铜渣进行熔融还原得到含铜铁水，含铜铁水成分按重量百分比为：C 2.98wt.％，Cu 2.85wt.％，Si 0.25wt.％，P 0.06wt.％，Zn0.06wt.％，Mn0.03wt.％，S 1.16wt.％，余量为铁，还原渣经水淬用作水泥熟料。

步骤2，将含铜铁水转运到涡流硫化炉，带有渣溢流口，含铜铁水和脱铜后铁水的进出口，涡流搅拌桨利用耐火材料制成，桨叶与搅拌桨轴掺杂有2wt.％的耐高温不锈钢骨架。

步骤3，采用粒度为40μm的硫化剂(硫化剂配比为黄铁矿20wt.％、硫化亚铁30wt.％、单质硫50wt.％)，在300rpm的涡流搅拌作用下被向下卷吸到含铜铁水中发生硫化反应，硫化剂加入量为含铜铁水质量的8wt.％，硫化温度为1550℃，硫化时间20min。

步骤4，进行渣金分离，含铜铁水中铜的脱除率为98％，得到主要矿相为黄铜矿的含铜渣，用于铜的回收；

步骤5，脱铜铁水中铜含量为0.02wt.％，直接用于炼钢。

实施例4

一种基于实施例1所述装置的含铜铁水硫化分离的方法，包括如下步骤：

步骤1，采用铜含量为0.86wt.％的熔炼铜渣进行熔融还原得到含铜铁水，含铜铁水成分按重量百分比为：C 3.48wt.％，Cu 1.65wt.％，Si 0.15wt.％，P 0.08wt.％，Zn0.01wt.％，Mn0.01wt.％，S 0.02wt.％，余量为铁，还原渣经水淬用作水泥熟料。

步骤2，将含铜铁水转运到涡流硫化炉，带有渣溢流口，含铜铁水和脱铜后铁水的进出口，涡流搅拌桨利用耐火材料制成，桨叶与搅拌桨轴掺杂有10wt.％的耐高温不锈钢骨架。

步骤3，采用粒度为60μm的硫化剂(硫化剂配比为黄铁矿40wt.％、硫化亚铁20wt.％、单质硫40wt.％)，在250rpm的涡流搅拌作用下被向下卷吸到含铜铁水中发生硫化反应，硫化剂加入量为含铜铁水质量的5wt.％，硫化温度为1450℃，硫化时间60min。

步骤4，进行渣金分离，含铜铁水中铜的脱除率为99％，得到主要矿相为黄铜矿的含铜渣，用于铜的回收；

步骤5，脱铜铁水中铜含量为0.05wt.％，直接用于炼钢。

实施例5

一种基于实施例1所述装置的含铜铁水硫化分离的方法，包括如下步骤：

步骤1，采用铜含量为0.56wt.％的熔炼铜渣进行熔融还原得到含铜铁水，含铜铁水成分按重量百分比为：C 3.10wt.％，Cu 1.20wt.％，Si 0.10wt.％，P 0.06wt.％，Zn0.01wt.％，Mn0.01wt.％，S 0.02wt.％，余量为铁，还原渣经水淬用作水泥熟料。

步骤2，将含铜铁水转运到涡流硫化炉，带有渣溢流口，含铜铁水和脱铜后铁水的进出口。

步骤3，采用底吹方式将粒度为80μm的硫化剂(硫化剂配比为黄铁矿30wt.％、硫化亚铁40wt.％、单质硫30wt.％)喷吹进含铜铁水中，硫化剂加入量为含铜铁水质量的8wt.％，喷吹固含40kg/Nm

步骤4，进行渣金分离，含铜铁水中铜的脱除率为99％，得到主要矿相为黄铜矿的含铜渣，用于铜的回收；

步骤5，脱铜铁水中铜含量为0.01wt.％，直接用于炼钢。

以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。