一種銅尾渣和轉爐粗除塵灰綜合利用的方法與系統與流程
本發明屬于冶金技術領域，更具體地，本發明涉及一種銅尾渣和轉爐粗除塵灰綜合利用的方法與系統。
背景技術：
我國的銅產量居世界第一位，超過95％的銅通過火法冶煉生產，冶煉過程產出大量的銅渣。我國銅渣堆存量累計已超過5000萬噸，2015年我國銅產量達796萬噸，其中火法冶煉銅生產的銅占總產量的95％以上，而火法煉銅每生產1噸銅就平均要生產2噸左右的銅渣，因此2015年我國銅渣產量已達1500萬噸以上。銅渣可以看成FeO-SiO2-CaO三元體系，銅渣的主要組成為鐵橄欖石(Fe2SiO4)和磁鐵礦(Fe3O4)及一些脈石組成的玻璃體。銅渣含鐵在40％左右，高于目前國內工業選礦用鐵礦的品位，由于銅礦來源不同，銅渣中還含有鋅、鉛、鎳等有價金屬元素。
現在比較成熟的銅渣處理方法是銅冶煉爐渣經過“緩冷-細磨-浮選”工藝來回收銅，但是浮選后的尾渣(簡稱“銅尾渣”)沒有得到很好地利用。富含鐵的銅尾渣大量堆存，不僅造成資源的極大浪費，且占用土地、污染環境，阻礙銅冶煉企業的可持續發展。
銅尾渣處理的眾多工藝流程中比較成熟的直接還原法，主要是將銅尾渣與含碳還原劑混合制成含碳球團，在低于產生液態鐵的溫度下進行焙燒，將鐵橄欖石還原成金屬鐵。含碳球團經焙燒后得到金屬球團，金屬球團可用于磨礦-磁選流程得到還原鐵粉，亦可以在熔分爐中熔分得到鐵水。銅渣中鐵主要以鐵橄欖石的形態存在，采取直接還原-破碎磁選工藝進行處理時需要配入大量的石灰石改善還原過程，這就大大降低來還原產品中的鐵含量，同時產生渣量增大、能耗升高。
鋼鐵冶金工業中產生的除塵灰中含有大量的鐵以及其他有價金屬元素，如Cr、Ni、Zn等，因此需對除塵灰進行資源化回收利用。煉鋼轉爐粗除塵灰來自蒸發冷卻器底部，為灰黑色細顆粒。轉爐粗除塵灰不僅含有數量可觀的鐵，碳等元素(不銹鋼除塵灰中還有鉻、鎳等元素)，而且含有一定數量的氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化錳等，是具有較高回收價值的冶金二次資源。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明的目的是提供一種銅尾渣和轉爐粗除塵灰綜合利用的方法，以及采用該方法的系統。結合銅尾渣和煉鋼轉爐粗除塵灰的特性，可以通過在銅尾渣中添加煉鋼轉爐粗除塵灰來實現其綜合利用。本發明的目的在于提供一種技術上可行、經濟上合理的銅尾渣和轉爐粗除塵灰綜合利用的方法，開發銅尾渣和轉爐粗除塵灰綜合利用的流程，從而充分利用我國冶金固廢資源。本發明的特征在于以鐵品位35～45％的銅尾渣與鐵品位為50～59％的轉爐粗除塵灰和含碳還原劑為原料，經過配料、潤磨-造球、還原焙燒、磨礦-磁選等工序制得金屬鐵粉和銅渣二次尾渣。
為達到上述目的，本發明提出了如下技術方案：
根據本發明，提供一種銅尾渣和轉爐粗除塵灰綜合利用的方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)將轉爐粗除塵灰、銅尾渣、含碳還原劑在配料裝置中混合均勻成混合料；
(2)將混合料加入潤磨裝置，潤磨后再用造球裝置制成含碳球團并烘干；
(3)將含碳球團均勻加入還原焙燒裝置進行高溫還原焙燒，得到金屬化球團和氧化鋅粉塵，金屬化球團直接排出還原焙燒裝置外；
(4)將金屬化球團磨礦、磁選，可以獲得金屬鐵粉和銅渣二次尾渣。
進一步地，步驟(1)中轉爐粗除塵灰、銅尾渣、含碳還原劑的質量配比為：轉爐粗除塵灰15～30％，含碳還原劑12～20％，余量為銅尾渣。
進一步地，步驟(2)中混合料的潤磨時間為3～8min。
進一步地，步驟(1)中銅尾渣全鐵品位為35～45％，水分為10～15wt％；轉爐粗除塵灰全鐵品位為50～59％，金屬鐵含量20～28wt％，CaO含量15～23wt％；含碳還原劑為煤粉或蘭炭中的一種或兩種，固定碳含量75wt％以上、灰分10wt％以下、粒度小于3mm。
進一步地，步驟(2)中潤磨后的混合料中粒度小于0.074mm的占混合料總量的90wt％以上。
進一步地，步驟(3)中還原焙燒裝置中還原焙燒溫度為1150～1280℃，總還原時間為35～50min。
進一步地，步驟(3)中產生的氧化鋅粉塵通過設置在還原焙燒裝置煙道后的布袋收塵進行收集，氧化鋅粉塵的鋅品位大于52％。
進一步地，步驟(4)中金屬化球團的一段磨礦粒度為0.074mm以下比例占70～75wt％，一段磁選磁場強度為1800Oe，選后的一段精礦再進行二段磨礦、磁選，二段磨礦粒度為0.074mm以下比例占80～84wt％，二段磁選磁場強度為1200Oe。
進一步地，步驟(4)中的金屬化球團在磨礦前需進行冷卻。
根據本發明，還提供一種使用上述的銅尾渣和轉爐粗除塵灰綜合利用方法的系統，其特征在于，包括配料裝置、潤磨裝置、造球裝置、還原焙燒裝置和鐵渣分離裝置。
其中：
配料裝置，在配料裝置中將轉爐粗除塵灰、銅尾渣、含碳還原劑按上述比例配好并混合均勻成混合料。
潤磨裝置，潤磨裝置具有進料皮帶、潤磨機和出料皮帶，進料皮帶具有強制給料功能，進料皮帶用于將原料儲存裝置中的各種原料引潤磨裝置，出料皮帶用于將將潤磨裝置中的混合料引出至造球裝置；
造球裝置，造球裝置可以為圓盤造球機，圓盤造球機造出的生球粒度均勻，不需要篩分，所制球團尺寸在8～12mm。
還原焙燒裝置，還原焙燒裝置具有球團入口、高溫還原平臺、煙道出口和固體產物出口，還原焙燒裝置優選為回轉窯、轉底爐，還原焙燒裝置的煙道出口可以用布袋除塵收集氧化鋅粉塵，固體產物出口為金屬化球團出口；
鐵渣分離裝置，鐵渣分離裝置為磨礦-磁選分離裝置，磨礦-磁選分離裝置具有固體產物入口、細磨粉料出口、磁選物料入口和磁選產品出口，固體產物入口與細磨粉料出口相連，細磨粉料出口與磁選物料入口相連，磁選物料入口與磁選產品出口相連，從而使得物料經細磨、磁選分離后得到金屬鐵粉產品。
本項發明生產過程的基本原理為：
銅尾渣為浮選銅后的尾渣，一般含水量10～15wt％，粒度比較細容易結塊，一般處理時需要經過干燥破碎。銅尾渣中的鐵主要以鐵橄欖石(Fe2SiO4)形式存在，還原難度大，一般需要添加一定量的石灰石來促進還原進而實現鐵的回收。
轉爐粗除塵灰中CaO含量比較高且活性好，需要進行消解處理才能造球。如果消解不徹底將會出現有粉化現象，影響球團質量。同時轉爐粗除塵灰中的鐵含量比較高，且含有一定量的金屬鐵。
結合銅尾渣和轉爐粗除塵灰的上述特性，將銅尾渣、轉爐粗除塵灰和含碳還原劑按比例配好，然后加入潤磨裝置。在潤磨過程中粗顆粒的含碳還原劑和銅尾渣結塊可以被破碎到合適的粒度；轉爐粗除塵灰中的CaO能夠利用銅尾渣中的水分進行消解反應，形成的消石灰可以作為球團制備過程中的粘結劑。
銅尾渣與轉爐粗除塵灰和含碳還原劑制成的含碳球團，當還原焙燒裝置內溫度為1150～1280℃時，礦粉中鐵的氧化物將優先逐級還原出來。含碳球團在還原過程中發生的主要反應如下：
(1)直接還原反應
3Fe2O3+C＝2Fe3O4+CO
Tb＝549.30K
Fe3O4+C＝3FeO+CO
Tb＝953.54K
FeO+C＝Fe+CO
Tb＝992.01K
1/2Fe2SiO4+C＝Fe+CO+1/2SiO2
Tb＝1042.31K
1/2Fe2SiO4+C+1/2CaO＝Fe+CO+1/2CaSiO3
Tb＝757.23K
(2)間接還原反應
3Fe2O3+CO＝2Fe3O4+CO2
該反應理論上任何溫度均能發生
Fe3O4+CO＝3FeO+CO2
Tb＝880.98K
FeO+CO＝Fe+CO2
Tb＝839.82K
1/2Fe2SiO4+CO＝Fe+CO2+1/2SiO2
Tb＝995.75K
1/2Fe2SiO4+CO+1/2CaO＝Fe+CO2+1/2CaSiO3
Tb＝859.26K
(3)碳的氣化反應
C+CO2＝2CO
Tb＝973.98K
Tb表示上述反應在標準狀態下的反應開始溫度。
由上述反應可以看出，在還原焙燒過程中，鐵的氧化物優先逐級還原出來，溫度越高，越有利于還原反應的進行。Fe2SiO4可以被還原成金屬鐵，但是還原溫度較高，轉爐粗除塵灰中的消石灰能夠轉變成CaO能夠起到促進還原的作用，此外CaO還具有固硫脫硫效果。同時轉爐粗除塵灰中含有一定量的金屬鐵，在加熱過程中能夠促進還原劑中碳的氣化反應，加速還原進程，縮短還原焙燒時間。
本發明的有益效果是：
(1)使銅尾渣和轉爐粗除塵灰中鐵元素得以回收利用，進而可為銅尾渣和轉爐粗除塵灰實現綜合利用打下堅實的基礎。
(2)潤磨能夠完成含碳還原劑和銅尾礦結塊的破碎、原料的混勻、轉爐粗除塵灰的消解，節省了設備投資和建設用地，混合料潤磨粒度達到0.074mm以下時，轉爐粗除塵灰的活性進一步提高。
(3)轉爐粗除塵灰中的CaO在潤磨過程中能夠利用銅尾渣中的水分進行消解反應，且消解反應時間短、反應完全，產生的消石灰可以在造球階段充當粘結劑，高溫加熱時能夠促進還原和固硫的作用，同時除塵灰中含有的金屬鐵能夠促進還原劑碳的氣化反應，加速還原進程，縮短加熱時間。
(4)以煤或蘭炭為主要的含碳還原劑，符合我國的能源結構的要求。
(5)銅尾渣和轉爐粗除塵灰經過處理，可以得到金屬鐵粉、氧化鋅粉塵和銅渣二次尾渣，其中金屬鐵粉質量高含有一定量的銅，可以用來生產耐候鋼，銅渣二次尾渣可以用于生產建筑材料如水泥熟料和免燒磚。鐵的收得率可達95％，脫硫率可達90％以上。
附圖說明
圖1為本發明銅尾渣和轉爐粗除塵灰綜合利用的方法的工藝流程；
圖2為本發明使用銅尾渣和轉爐粗除塵灰綜合利用方法的系統的結構框圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
實施例1
參考圖1和2，將轉爐粗除塵灰、銅尾渣、煤粉以轉爐粗除塵灰19wt％，煤粉18wt％，余量為銅尾渣在配料裝置100中按比例混合均勻成混合料，用潤磨裝置200潤磨3min，混合料的粒度為0.074mm以下占91wt％，然后經造球裝置300制成球團，烘干備用。將球團均勻布入還原焙燒裝置400內，爐內的溫度為1200～1240℃，還原時間為39min，得到金屬化球團和氧化鋅粉塵；接著將所得焙燒產物破碎后進行兩段磨礦和兩段磁選(一段磨礦細度為0.074mm以下的比例占70～75wt％，一段磁選磁場強度為1800Oe，選后的一段精礦再進行二段磨礦、磁選，二段磨礦細度為0.074mm以下的比例占80～84wt％，二段磁選磁場強度為1200Oe)，最終得到合格的金屬鐵粉和銅渣二次尾渣。其中，金屬鐵粉中鐵品位為85.91％，鐵回收率為90.32％，硫含量為0.13％，硫的脫除率為83.57％，氧化鋅粉塵鋅品位為53％。金屬鐵粉可用作電爐或轉爐煉鋼原料，銅渣二次尾渣可用作建材的原料(如水泥和免燒磚)。
實施例2
參考圖1和2，將轉爐粗除塵灰、銅尾渣、蘭炭以轉爐粗除塵灰22wt％，蘭炭18wt％，余量為銅尾渣在配料裝置100中按比例混合均勻成混合料，用潤磨裝置200潤磨5min，混合料的粒度為0.074mm以下占93％，然后經造球裝置300制成球團，烘干備用。將球團均勻布入還原焙燒裝置400內，爐內的溫度為1200～1250℃，還原時間為42min，得到金屬化球團和氧化鋅粉塵；接著將所得焙燒產物破碎后進行兩段磨礦和兩段磁選(一段磨礦細度為0.074mm以下的比例占70～75wt％，一段磁選磁場強度為1800Oe，選后的一段精礦再進行二段磨礦、磁選，二段磨礦細度為0.074mm以下的比例占80～84wt％，二段磁選磁場強度為1200Oe)，最終得到合格的金屬鐵粉和銅渣二次尾渣。其中，金屬鐵粉中鐵品位為91.48％，鐵回收率為91.64％，硫含量為0.12％，硫的脫除率為86.47％，氧化鋅粉塵鋅品位為52％。金屬鐵粉可用作電爐或轉爐煉鋼原料，銅渣二次尾渣可用作建材的原料(如水泥和免燒磚)。
實施例3
參考圖1和2，將煤粉和蘭炭質量比為1∶1的混合物、轉爐粗除塵灰、銅尾渣、以煤粉和蘭炭質量比為1∶1的混合物16wt％，轉爐粗除塵灰25wt％，余量為銅尾渣在配料裝置100中按比例混合均勻成混合料，用潤磨裝置200潤磨7min，混合料的粒度為0.074mm以下占95wt％，然后經造球裝置300制成球團，烘干備用。將球團均勻布入還原焙燒裝置400內，爐內的溫度為1210～1260℃，還原時間為40min，得到金屬化球團和氧化鋅粉塵；接著將所得焙燒產物破碎后進行兩段磨礦和兩段磁選(一段磨礦細度為0.074mm以下的比例占70～75wt％，一段磁選磁場強度為1800Oe，選后的一段精礦再進行二段磨礦、磁選，二段磨礦細度為0.074mm以下的比例占80～84wt％，二段磁選磁場強度為1200Oe)，最終得到合格的金屬鐵粉和銅渣二次尾渣。其中，金屬鐵粉中鐵品位為93.57％，鐵回收率為92.55％，硫含量為0.10％，硫的脫除率為90.14％，氧化鋅粉塵鋅品位為54％。金屬鐵粉可用作電爐或轉爐煉鋼原料，銅渣二次尾渣可用作建材的原料(如水泥和免燒磚)。
實施例4
參考圖1和2，將煤粉和蘭炭質量比為1∶2的混合物、轉爐粗除塵灰、銅尾渣、以煤粉和蘭炭質量比為1∶2的混合物15wt％，轉爐粗除塵灰27wt％，余量為銅尾渣在配料裝置100中按比例混合均勻成混合料，用潤磨裝置200潤磨8min，混合料的粒度為0.074mm以下占98wt％，然后經造球裝置300制成球團，烘干備用。將球團均勻布入還原焙燒裝置400內，爐內的溫度為1230～1270℃，還原時間為35min，得到金屬化球團和氧化鋅粉塵；接著將所得焙燒產物破碎后進行兩段磨礦和兩段磁選(一段磨礦細度為0.074mm以下的比例占70～75wt％，一段磁選磁場強度為1800Oe，選后的一段精礦再進行二段磨礦、磁選，二段磨礦細度為0.074mm以下的比例占80～84wt％，二段磁選磁場強度為1200Oe)，最終得到合格的金屬鐵粉和銅渣二次尾渣。其中，金屬鐵粉中鐵品位為92.54％，鐵回收率為93.46％，硫含量為0.08％，硫的脫除率為92.07％，氧化鋅粉塵鋅品位為55％。金屬鐵粉可用作電爐或轉爐煉鋼原料，銅渣二次尾渣可用作建材的原料(如水泥和免燒磚)。
實施例5
參考圖1和2，將煤粉和蘭炭質量比為2∶1的混合物、轉爐粗除塵灰、銅尾渣、以煤粉和蘭炭質量比為2∶1的混合物12wt％，轉爐粗除塵灰15wt％，余量為銅尾渣在配料裝置100中按比例混合均勻成混合料，用潤磨裝置200潤磨6min，混合料的粒度為0.074mm以下占90％，然后經造球裝置300制成球團，烘干備用。將球團均勻布入還原焙燒裝置400內，爐內的溫度為1150-1200℃，還原時間為45min，得到金屬化球團和氧化鋅粉塵；接著將所得焙燒產物破碎后進行兩段磨礦和兩段磁選(一段磨礦細度為0.074mm以下的比例占70～75wt％，一段磁選磁場強度為1800Oe，選后的一段精礦再進行二段磨礦、磁選，二段磨礦細度為0.074mm以下的比例占80～84wt％，二段磁選磁場強度為1200Oe)，最終得到合格的金屬鐵粉和銅渣二次尾渣。其中，金屬鐵粉中鐵品位為92.63％，鐵回收率為91.67％，硫含量為0.11％，硫的脫除率為90.05％，氧化鋅粉塵鋅品位為54％。金屬鐵粉可用作電爐或轉爐煉鋼原料，銅渣二次尾渣可用作建材的原料(如水泥和免燒磚)。
實施例6
參考圖1和2，將煤粉和蘭炭質量比為1∶1的混合物、轉爐粗除塵灰、銅尾渣、以煤粉和蘭炭質量比為1∶1的混合物20wt％，轉爐粗除塵灰30wt％，余量為銅尾渣在配料裝置100中按比例混合均勻成混合料，用潤磨裝置200潤磨8min，混合料的粒度為0.074mm以下占94wt％，然后經造球裝置300制成球團，烘干備用。將球團均勻布入還原焙燒裝置400內，爐內的溫度為1240-1280℃，還原時間為50min，得到金屬化球團和氧化鋅粉塵；接著將所得焙燒產物破碎后進行兩段磨礦和兩段磁選(一段磨礦細度為0.074mm以下的比例占70～75wt％，一段磁選磁場強度為1800Oe，選后的一段精礦再進行二段磨礦、磁選，二段磨礦細度為0.074mm以下的比例占80～84wt％，二段磁選磁場強度為1200Oe)，最終得到合格的金屬鐵粉和銅渣二次尾渣。其中，金屬鐵粉中鐵品位為93.66％，鐵回收率為95.07％，硫含量為0.09％，硫的脫除率為91.05％，氧化鋅粉塵鋅品位為52％。金屬鐵粉可用作電爐或轉爐煉鋼原料，銅渣二次尾渣可用作建材的原料(如水泥和免燒磚)。
實施例7
參考圖1和2，將轉爐粗除塵灰、銅尾渣、煤粉以轉爐粗除塵灰24wt％，煤粉17wt％，余量為銅尾渣在配料裝置100中按比例混合均勻成混合料，用潤磨裝置200潤磨5min，混合料的粒度為0.074mm以下占92wt％，然后經造球裝置300制成球團，烘干備用。將球團均勻布入還原焙燒裝置400內，爐內的溫度為1200～1250℃，還原時間為40min，得到金屬化球團和氧化鋅粉塵；接著將所得焙燒產物破碎后進行兩段磨礦和兩段磁選(一段磨礦細度為0.074mm以下的比例占70～75wt％，一段磁選磁場強度為1800Oe，選后的一段精礦再進行二段磨礦、磁選，二段磨礦細度為0.074mm以下的比例占80～84wt％，二段磁選磁場強度為1200Oe)，最終得到合格的金屬鐵粉和銅渣二次尾渣。其中，金屬鐵粉中鐵品位為89.61％，鐵回收率為90.03％，硫含量為0.08％，硫的脫除率為89.32％，氧化鋅粉塵鋅品位為52％。金屬鐵粉可用作電爐或轉爐煉鋼原料，銅渣二次尾渣可用作建材的原料(如水泥和免燒磚)。
實施例8
參考圖1和2，將轉爐粗除塵灰、銅尾渣、蘭炭以轉爐粗除塵灰26wt％，蘭炭14wt％，余量為銅尾渣在配料裝置100中按比例混合均勻成混合料，用潤磨裝置200潤磨7min，混合料的粒度為0.074mm以下占96wt％，然后經造球裝置300制成球團，烘干備用。將球團均勻布入還原焙燒裝置400內，爐內的溫度為1200～1250℃，還原時間為45min，得到金屬化球團和氧化鋅粉塵；接著將所得焙燒產物破碎后進行兩段磨礦和兩段磁選(一段磨礦細度為0.074mm以下的比例占70～75wt％，一段磁選磁場強度為1800Oe，選后的一段精礦再進行二段磨礦、磁選，二段磨礦細度為0.074mm以下的比例占80～84wt％，二段磁選磁場強度為1200Oe)，最終得到合格的金屬鐵粉和銅渣二次尾渣。其中，金屬鐵粉中鐵品位為92.38％，鐵回收率為91.74％，硫含量為0.09％，硫的脫除率為90.87％，氧化鋅粉塵鋅品位為54％。金屬鐵粉可用作電爐或轉爐煉鋼原料，銅渣二次尾渣可用作建材的原料(如水泥和免燒磚)。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，并非用來限定本發明的實施范圍；如果不脫離本發明的精神和范圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明權利要求的保護范圍當中。
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