王奇

(江西铜业集团公司贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424)

贵冶电炉渣的缓冷特性和结晶研究

王奇

(江西铜业集团公司贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424)

通过对电炉渣结晶的研究，了解了电炉渣的矿物组成和主要金属矿物的嵌布特征，为回收电炉渣中的含铜矿物提供了理论根据;探索性研究了磁铁矿晶体的生长规律，为有效回收电炉渣中的磁铁矿指引了方向;简述了渣包缓冷工艺及其影响因素，为制定科学的渣包缓冷制度提供了依据;探讨了如何提高电炉渣中磁铁矿含量的方法。

电炉渣;嵌布特征;结晶;磁铁矿;缓冷

1 引言

贵溪冶炼厂电炉渣［1］，日产近2000t，渣中含Cu0.87%，TFe41%，其矿物含量为硫化铜1.71%、磁铁矿28.97%(磁铁矿中的铁占全铁的42.13%)。脉石矿物主要为铁橄榄石和非晶相物质，而铁的脉石矿物主要是铁橄榄石。电炉渣中的含铜矿物在生产中经过与转炉渣以4∶1比例混合后，通过浮选工艺，取得了优异的技经指标:精矿含铜26%，尾矿含铜0.31%，回收率87.7%，其中尾矿含铜更是达到同行业国际先进水平。

但是，渣中的磁铁矿因结晶粒度细小(＜30μm)，单体解离度低，和脉石矿物单体解离困难，通过磁选工艺无法获得合格的铁精矿，而只能用作生产水泥的铁质校正原料。

由于选矿尾矿量太大，每年约产150万t，需大面积堆存，给生产管理和环境保护造成不便，希望通过对电炉渣的深入研究，除含铜矿物得到回收外，其尾矿中的铁也能得到回收，以大幅减少尾矿量，提高经济效益。

2 电炉渣的矿物组成

电炉渣中的铜矿物主要有类斑铜矿、辉铜矿、类黄铜矿和微量的铜铅合金;铁矿物主要为磁铁矿;脉石矿物主要为铁橄榄石［2］和非晶相物质，其中非晶相物质的物质组成极其复杂，且含有相当量的锌，其扫描电镜能谱图见图1。

图1 非晶相物质扫描电镜能谱图

图2 电炉渣中磁铁矿、铁橄榄石、玻璃相及硫化铜的显微结构，反光镜下放大200倍

显微镜观察发现，渣中还有数量明显的玻璃相及少量的黄铜矿、斑铜矿类的含铁硫化铜矿。经镜下观察及扫描电镜对众多硫化铜矿的定量分析查明，电炉渣的这类硫化铜矿按成份划分，大部分接近于斑铜矿、方黄铜矿及含铁量约为17%的富铁斑铜矿，少量接近于黄铜矿成份。图2表示了电炉渣中磁铁矿、铁橄榄石、玻璃相、硫化铜颗粒的显微结构。从中可以清楚的看出，硫化铜矿颗粒较细，多在0.043mm以下。而硫化铜中晶出铅、砷、锡的硫化矿及合金粒度更细，基本上都在0.010mm以下。

3 主要金属矿物的嵌布特征

3.1 铜硫化矿

矿物学研究结果表明，电炉渣中的绝大部分硫化物系斑铜矿、方黄铜矿、富铁斑铜矿、黄铜矿类的铜铁硫化物［3］。显微镜观察发现，这些铜的硫化物大多呈中细粒(＜0.043mm)在玻璃相中晶出，有时在磁铁矿和铁橄榄石边界晶出，少数在粗大的铁橄榄石内部嵌生。图3～4分别表示了电炉渣中硫化铜矿的显微结构。从中可见，它们的晶出粒度差异明显，粗者可在0.1mm以上，细者小于0.005mm。

表1列出了利用显微镜统计的20余块光片中全部硫化铜矿的粒度分布，从中可见，电炉渣中0.043mm以下的中细粒累计占总硫化铜高达96.56%，小于0.010mm的细粒占到33.09%，这说明电炉渣中的硫化铜的结晶粒度普遍偏细。

表1 电炉渣中总硫化铜矿的粒度分布

3.2 磁铁矿

炉渣中的磁铁矿多呈中粒(0.020～0.074mm)不规则状态结晶，少数呈粗大的自形晶、半自形晶结构［4］。有时，受冷却速度的影响，晶出的磁铁矿成纺锤状、铁锚状、线团状或排列呈风筝状。它们大多在玻璃相中晶出，少数在铁橄榄石边界形成。由于磁铁矿系炉渣中熔点最高的矿物，因此其中几乎很少有其它矿物包体。

表2列出了磁铁矿的显微镜粒度测定结果。

从中可见，0.074mm以下粒级累计占到85.94%，也明显偏细。但与硫化铜相比，其结晶粒度要粗得多。

4 晶体的生长规律

4.1 冰铜

冰铜的冷却结晶是从液相向固相转变开始的，为了控制结晶过程，必须掌握其相变温度，经大量实验得出其相变温度在1080℃～1140℃之间。炉渣在相变温度中冷却速度快，铜相晶体细小分散，而冷却速度慢，铜相晶粒粗大集中，实践证明缓冷温度区间在1080℃～1140℃之间较为适宜，在此区间温度尽量保持足够长的时间，可使晶粒聚集长大最好。表3为炉渣在不同冷却速度下铜颗粒的粒度组成。从表3可见，在1250℃～1000℃内，以0.5℃/min冷却，70～100μm粒级的产率为72.39%;而在1250℃～1000℃内，以10℃/min冷却，70～100μm粒级的产率却仅有40.75%。为具体分析不同温度下，炉渣结晶粒度的分布情况，在不同冷却温度下，使炉渣从液相成固相再经磨片、显微镜鉴定，分别测出铜相晶粒的组成情况。

结合表3的数据分析，说明硫化铜矿的结晶粒度主要与炉渣的冷却速度有关，缓慢冷却可延长硫化物的结晶时间，从而使分散在渣中的硫化铜聚集长大。冷却速度过快，硫化铜还来不及聚集就开始结晶，最终将导致炉渣中的硫化铜矿结晶粒度过细。

表2 电炉渣中磁铁矿的粒度分布

表3 炉渣在不同冷却速度下铜相晶粒的粒度组成

4.2 磁铁矿

因磁铁矿的结晶温度较高，在常温下很难确定其相变温度，而必须在磁铁矿结晶温度附近保持缓冷，在不同温度下分别取出急冷，测定其晶体粒度的变化。但由于电炉在放渣时炉渣冷却太快，无法让炉渣保持熔融状态，而使磁铁矿结晶温度测定难度加大。由于实验条件的限制，目前磁铁矿的晶体生长规律仍然处于探索阶段。电炉渣中铁的回收，实际上就是磁铁矿的回收和铁橄榄石中铁被富集到磁铁矿中。

(1)磁铁矿的回收。磁铁矿具有强磁性，可以通过磁选工艺获得，但由于电炉渣中磁铁矿属于细粒浸染型，硅酸铁与磁铁矿以极细粒接触，在现有“球磨机+旋流器”闭路磨矿工艺下，即使磨矿粒度已达到－325目占80%，磁铁矿与硅酸铁仍不能完全单体解离［5］。

经多次强磁选和弱磁选实验发现，因硅酸铁为弱磁性铁，当其中混入了一点磁铁矿后，就会被选入精矿中，造成精矿品位不高，而无法有效富集磁铁矿达到商品铁矿品位。要有效回收磁铁矿，必须增大磁铁矿的嵌布粒度。为此，可以通过物理或化学方法使磁铁矿晶体生长变大、变粗，得到进一步的增多和富集。根据晶体生长理论和铁矿成矿条件，可采取以下几项有利于磁铁矿晶体生长的措施:①添加磁铁矿晶种。可在电炉排渣时添加磁铁矿精矿粉;②降低炉渣粘度。可向渣包中加入CaF降粘，促进铁、铜矿物的聚集、长大;③创造有利于磁铁矿生长及富集的高碱性条件。可在电炉放渣时添加CaCO3。

(2)铁橄榄石的回收。铁橄榄石的密度是4.34 g/cm3，磁铁矿的密度5.18g/cm3，两者密度相近，在炉渣缓冷过程中，结晶与沉降机理相似，导致相互嵌生、浸染而连生交代［6］，从而提高了单体解理的难度。此外，铁橄榄石为弱磁性，且在渣中含量很大，致使通过磁选很难将铁橄榄石和磁铁矿分离。

因此，只能考虑通过化学方法改变炉渣的矿物组成，将铁橄榄石中的铁转化为磁铁矿，使脉石矿物转化为有用矿物，通过磁选工艺得到回收利用。根据物理化学理论，可在电炉放渣时，采用添加CaO的方法，使硅酸铁转化为磁铁矿。CaO可将硅酸铁中的FeO置换出来，生成FeO，FeO再氧化生成Fe3O4和CaSiO3。

5 炉渣缓冷

电炉渣经电炉炉口放入钢渣包，由渣包车运至缓冷场，采用渣包缓冷工艺冷却，当渣包表面温度较低时，由渣包车翻倒至渣场，成为渣选原料。

5.1 缓冷方式

电炉渣缓冷采用“先自然缓冷、后水喷淋缓冷”方式冷却。经过多年的理论研究与实践经验，已确定了影响炉渣缓冷效果的因素:

(1)喷淋水水质。喷淋水最好使用清水，因炉渣冷却是通过水的运输渗透带走热量，如果水中含杂质较多，将覆盖在渣包的表面和堵塞炉渣孔隙，抑制水的渗透和热传递，严重影响冷却效果。目前缓冷场喷淋水为车间循环水，而循环水中含杂质及石灰较多，对渣包缓冷效果有一定的影响。

(2)喷淋水水温。炉渣冷却，主要是依靠喷淋水的热传递作用，如果水温较高，将影响热量传递效果，从而延长渣包缓冷时间。目前缓冷场采用冷却塔对喷淋水冷却循环利用，具有一定的效果。

(3)缓冷时间。炉渣矿物的结晶是个复杂的物理化学和相变过程，需要较长的时间，如果缓冷时间不足，将会因强行翻包使未结晶矿物强制结晶，而降低目的矿物的嵌布粒度，影响选别指标。

5.2 缓冷效果

为了解缓冷后渣包主要金属矿物的分布情况，分别对不同部位的渣包进行取样分析，经光学及电子显微镜观察，渣包中部、下部含铜、铁矿物富集，且结晶粒度粗大，而渣包上部和边缘区域结晶粒度较细。取样分析结果表明，渣包中下部矿渣磁性明显较上部及边缘矿渣强，表明磁铁矿含量较高。产生上述现象的原因:①渣包上部及边缘最先遇水强制急冷，导致结晶粒度较细;②中部因温度高，起到保温作用，有利于晶体生长;③底部因冰铜、磁铁矿密度较大，沉降速度快。

6 结束语

从电炉渣中回收铁一直是渣选工艺面临的难题，要有效回收铁，提高磁铁矿Fe3O4含量是关键，但含量过高却不利于炼铜工艺，影响铜冶炼指标。因为Fe3O4的大量生成会使炉渣粘度增加，不利于铜渣分离，而且渣相晶体发育也会受到阻碍，产生更多的非晶质物体，增加炉渣的韧性和硬度，加大炉渣的浮选难度。根据铜冶炼理论和渣包缓冷特性，要综合回收铁，可从如何提高渣中磁铁矿含量和增大磁铁矿的结晶粒度两方面入手，主要有以下几项措施:

(1)在渣包输送过程中，采用渣包保温通道，使炉渣在相对恒温状态下缓冷，有利于磁铁矿和冰铜的结晶生长。

(2)渣包喷淋给水采用自动控制，保证渣包有足够的自然缓冷时间。

(3)提高渣包底部支撑脚高度，避免渣包底部长期浸泡在水中，防止渣包上下温度梯度太大，导致渣包缓冷不均匀，影响浮选效果。

(4)对渣选尾矿采用超细磨工艺，使磁铁矿完全单体解理，采用弱磁选回收磁铁矿。

［1］周乐光.工艺矿物学［M］.北京:冶金工业出版社，2002:36－43.

［2］孙传尧.贵溪冶炼厂铜冶炼炉渣选矿补充验证试验研究报告［R］.北京:北京矿冶研究总院，2005:4－18.

［3］蒋开喜.贵溪冶炼厂铜冶炼炉渣浮选工艺优化试验研究报告［R］.北京:北京矿冶研究总院，2008:5－16.

［4］黄明金，谢锴.强化闪速熔炼渣中铜损失形态检测分析［J］.铜业工程，2010.3:32－33.

［5］谢广元.选矿学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2001:45－67.

［6］王淀佐.选矿手册第二卷第三分册［M］.北京:冶金工业出版社，1993:18－29.

Study on Crystallization and Characteristics of Slow Cooling of Electric Furnace Slag in Guixi Smelter

WANG Qi

(Guixi Smelter of JCC，Guixi，Jiangxi 335424，China)

According to the research on crystallization of electric furnace slag，the mineral composition of electric furnace slag and disseminated characteristics of the main metallic minerals are found out，which gives theoretical basis to recover the copper minerals from electric furnace slag;The experimental investigations on crystal growth of magnetite are carried out，which gives a direction to recover the magnetite from electric furnace slag effectively;Slow cooling system of the slag ladles and factors are described，giving a basis to formulate scientific slow cooling system of the slag ladles;Methods are investigated about how to improve the content of magnetite of electric furnace slag.

electric furnace slag;disseminated characteristics;crystallization;magnetite;slow cooling

TF141+.6

A

1009－3842(2012)02－0021－04

2011－11－11

王奇(1983－)，男，湖北仙桃人，本科，主要研究方向为有色金属选矿。E－mail:lwangqi8300@163.com