铜渣焦炭还原过程中元素的迁移机制和相变行为研究
铜渣是铜冶金过程中产生的一种金属固体废物,全球每年约产生4000万吨铜渣,主要由铜、铁、砷、硫等元素的氧化物和硫化物组成,通常用于制备建筑材料或直接堆放在综合处置场地或储存设施中。一般来说,铜渣中铁的含量为30-45%,高于大多数铁矿石中铁的含量,主要是因为存在辉铜矿和磁铁矿。铜渣直接倾倒不仅占用大量耕地,还会导致重金属污染、地质灾害、水质恶化等环境问题。因此,铜渣的二次高值化利用对铜冶炼过程的绿色可持续发展具有重要意义。
目前,根据铜渣的不同成分和性质,其二次利用主要包括制备建筑材料和提取金属元素制备合金。其中建筑材料的制备主要利用铜渣中的硅酸盐矿物,并没有充分利用其中的金属元素。而铜渣中金属元素的提取和利用不仅可以实现废弃物的资源化利用,制备铁基合金,还可以减少天然铁矿石的开采,降低资源消耗和环境污染。火法冶金过程主要涉及氧化还原反应,不仅能从铜渣中高效回收金属,还能有效利用高温铜渣的潜热,从而优化能源消耗。而且还原后的尾矿以硅酸钙为主,金属和其他杂质(如S、As、Pb和Zn)的含量大大降低,用于建筑材料更加安全。然而,目前对铜渣还原回收金属的研究多集中在铜或铁的单独提取上,铜与铁合金制备同时回收的研究较少。但对还原过程中元素的走向和相变过程的研究,有助于深入分析铜渣还原过程中元素的迁移转化规律,以及各相之间的转化关系和反应机理,从而制定更有效的回收策略,提高金属回收率。
本研究以焦炭熔融还原 CS 为原料制备铜铁合金,首先从热力学角度计算了碳含量对体系相变的影响。然后研究了碳含量和体系碱度对铁、铜回收率的影响,并结合 XRD、XRF 和 FE-SEM 结果总结了铁、铜、锌、铅和 S 的迁移规律。同时,热力学计算结合热重分析和热处理共同分析了 CS 还原过程中随温度升高的相变行为,为还原工艺的创新提供了新的思路和方向。在最佳条件下,铁的回收率达到 97.6%,铜的回收率为 79.7%,相应的粗合金中铁的含量为 98.12%,铜的含量为 0.62%,S 的含量为 0.075%;CaO+Fe2SiO4 复合相分别在 225 ℃ 和 745 ℃ 附近发生了两次相变。在 1220 ℃ 时,CS 中的辉绿岩基本上被 CaO 完全解离。相关研究课题以题为“Migration mechanism and phase transition behavior of elements during coke reduction of copper slag”发表在JOM上。
图1 铜渣还原过程中元素迁移分布示意图
图2 (a)使用焦炭还原铜渣的还原体系中铁和铜的平衡组成(1773 K,1atm);(b)铁和铜的存在形式;(c)使用焦炭还原铜渣的还原体系中气相中铅和锌的形式(1773 K,1atm);(d)气相中锌和铅的分布。
图3 铜铁合金在碱度变化条件下的SE和EDS图像:(a)碱度 0.8;(b)碱度1.2
图4 (a)FeO-CaO-SiO2的等温线;(b)系统中Ca-Si化合物随碱度变化的分布
题目:Migration mechanism and phase transition behavior of elements during coke reduction of copper slag
作者:展雪,张保敬,官泓睿,程俊生,刘志,李世恒,冯培忠
链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-024-07085-1?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=nonoa_20250106&utm_content=10.1007/s11837-024-07085-1
DOI:10.1007/s11837-024-07085-1
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