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炼铜废渣是铜冶炼过程中所产生的冶金渣，是造锍熔炼和冰铜吹炼过程中的产物。2016年中国铜渣产量达到843.60万t，且尾矿库中堆存的铜尾渣量已经超过1.7亿t。长期以来这些铜尾渣采用露天堆放，既占用了大量土地，又污染环境，还容易造成地质危害。铜渣中的铁品位一般可以达到40%左右，远远高于我国铁矿石29.1%的可采工业品位，如弃置而不加以利用，将会造成严重的资源浪费。受我国铁资源赋存状况的限制，优质的铁矿石资源逐渐减少，平均品位不断降低，而我国铜渣的储量却逐年增高，从铜渣中回收铁资源自然而然地成了摆在科研工作者面前的一个重要的研究课题。这里，将刘先阳、李杰、张琳、库建刚四位老师发表的《炼铜废渣回收还原铁技术研究现状》一文推荐给大家，以期对炼铜废渣中铁资源的合理利用有所启迪。
我国是世界上大的精炼铜生产国和消费国，根据中国有色金属协会统计，2016年全球精炼铜产量2346万t，其中国内产量达到843.60万t，2016年国内精铜产量较2015年保持了5.5%的增速。铜的冶炼技术分火法冶炼和湿法冶炼2种，全球火法冶炼的铜产量约占世界铜总产量的80%，而在我国，通过火法冶炼的铜产量占95%以上。按每生产1t精铜需要产生2～3t铜渣计算，我国每年铜渣的排放量就超过1500万t，而且随着我国冶炼铜工业的发展，渣产量也在逐年增加。截至2016年底，我国尾矿库中堆存的铜尾渣量已经超过1.7亿t。长期以来这些铜尾渣在尾矿库中大部分采用露天堆放，既占用了大量土地，对土地综合利用提出了巨大的挑战，另一方面也对环境产生了巨大的危害，还容易造成粉尘污染，其中的有害物质经过风化、雨淋、地表径流的腐蚀极容易污染水体，危害环境，而且尾矿库中的资源堆放也是一种对资源的极大浪费。
铜渣是铜冶炼过程中所产生的冶金渣，是造锍熔炼和冰铜吹炼过程中的产物。依据铜渣冷却方法的不同，可分为缓冷铜渣以及水淬铜渣等；依据所采用冶炼设备的不同，又可分为闪速熔炼渣、鼓风炉渣、闪速熔炼渣、反射炉渣等，而不同的冶炼设备所产生的铜渣其原料元素与物料组成也不尽相同。铜渣中的元素主要以铁、硅、氧为主，3种元素的组成占物料总质量的80%以上，并且铜渣中还含有铜、镁、铝等有色金属元素及硫、砷等有害元素。从物料组成来看，铜渣主要以铁橄榄石(Fe2SiO4)、磁铁矿(Fe3O4)等组成。
针对不同冶炼方法所产生的铜渣组成进行研究，可以发现铜渣的成分以铁和硅为主。
铜渣中的铁品位一般可以达到40%左右，远远高于我国铁矿石29.1%的可采工业品位。铜渣主要由铁橄榄石、磁铁矿以及一些脉石所组成的不定形玻璃体组成。铜渣中的铁大部分(约70%)以铁橄榄石(Fe2•SiO4)的形式存在，少量铁以磁性氧化铁相(Fe3O4)存在。铜主要以细小颗粒散布于铜渣中，由于原渣中矿物相互嵌布，且铜渣中矿物晶粒细小，通过传统方式难以回收铜渣中的铜、铁等资源。目前铜冶炼渣中铁组分的利用率不足1%，选出的铁品位低于50%，在当前条件下不能作为原料直接进入。
国内外不少专家、学者和工程人员对铜渣的资源化利用进行了大量的研究，这些研究归纳起来主要可分为2个方面，一方面是利用铜渣本身性质制作各种建筑材料，如水泥、微晶玻璃、墙砖、尾矿库固化剂、陶瓷、人造石等；另一方面是利用某些工艺与手段回收铜渣中的金属元素，而针对于铜渣中铁的回收研究，众多科研工作者采用了诸如湿法还原、磁化焙烧、熔融还原等相关的处理方法，依照铜渣的性质，湿法还原虽然能够在回收铜渣中的部分有价金属如铜、金、锌等方面取得好的效果，但是只适合处理含铜量大于4%的诺兰达铜渣或转炉渣，不能有效利用铜渣中的铁资源。铜渣湿法还原后的浸出液中铁含量仅为4%～8%，铁的浸出率不超过40%，造成铁资源的浪费，并且酸法浸出不仅会消耗大量的强酸，浸出液中各种金属的分离提纯难度也较大；氯化浸出过程中会产生氯气，如果处理不当会对环境造成极大危害，氨浸出法需要采用氨水，浸出过程随着温度升高氨的挥发较大；微生物浸出不仅需要培养的浸矿菌群，而且微生物浸矿周期也比较长，限制了其发展。而目前针对中低温度下的磁化焙烧，开展的相关工作较少，研究比较缺乏，磁化焙烧后的磁铁矿品位及回收率不明确，并且需要控制氧气的流量，对操作要求较高。熔融还原虽然可以获得铁回收率较高的还原铁水，但是熔融状态需要的温度过高，能耗太大，难以实现工业规模化应用，不适于大规模生产。综上所述，为了回收铜渣中的铁资源，不仅要考虑铜渣中铁资源利用，也要考虑能耗、环境等诸多因素。在铜渣中铁资源回收利用过程中，采用深度还原技术可以取得较好的效果。
由于铜渣中的铁主要存在于铁橄榄石(Fe2•SiO4)中，通过热力学分析可以发现，铜渣相较于普通铁矿其还原所需温度较高，对还原气氛的要求更高。而铁橄榄石的存在降低了铜渣的熔点，导致铜渣熔化的初始温度大约为1200℃，1250℃以后熔化速度加快，当还原温度超过1450℃时，铜渣处于熔融状态，属于熔融还原。有别于传统的直接还原与熔融还原，深度还原是一种介于直接还原与熔融还原之间的状态，指的是将不能直接作为高炉冶炼原料的铜渣或其他难选含铁矿物，通过破碎到一定粒度的情况下，在低于其熔化温度的还原气氛下将渣中的铁还原成金属铁晶粒，并使金属铁晶粒生长为具有一定粒度的铁颗粒的过程。该工艺主要包含2个方面，一方面为铜渣中铁氧化物的还原反应，另一方面为还原的金属铁颗粒的长大。直接还原与熔融还原主要针对的是铁矿石以及铁氧化物，对原材料的要求较高，而深度还原主要的原料为难选的含铁矿物如铜渣等，另一方面直接还原的还原产品为DＲI(又称直接还原铁)，熔融还原的还原产品为液态铁水，而深度还原产物主要为金属铁颗粒。因此深度还原与直接还原和熔融还原有本质的区别。目前国内对深度还原领域的相关研究如火如荼，如东北大学、北京科技大学等针对鲕状赤铁矿等采用深度还原技术进行处理，取得了较好的效果。而针对铜渣深度还原的处理，依照深度还原过程中还原剂的不同，又可分为气基深度还原、煤基深度还原、油基深度还原3个类别。
气基深度还原
气基深度还原指的是以还原性气体(如CO、天然气等)作还原剂的还原过程。
常化强以天然气作为还原剂，对铁品位为45.50%的铜渣进行还原实验，通过向高温管式电阻炉内注入定量天然气对铜渣进行还原，结果表明，还原后的产物为金属铁颗粒及少量的铜和玻璃相，反应温度对还原率影响显著，铁的金属化率随着温度升高而增加。在反应温度1450℃、二元碱度1.0、还原通氧时间30min、长时间冷却至室温的条件下，得到了金属化率为91.47%的铁颗粒。Gyurov等通过还原气体CO与空气的混合物作还原剂对含铁量50.93%的铜渣进行还原，在还原温度1400℃，还原剂20mL/min，还原时间6h的情况下，发现铜渣中的铁橄榄石以及磁铁矿等含铁矿物中的铁已基本被还原为铁颗粒，并且所得的金属铁颗粒与渣相呈物理镶嵌关系，易于通过磨矿实现铁的单体解离。Mitrasˇinovic＇等通过向还原炉中注入定量的还原气体CO和N2对铜渣进行还原，在1300～1400℃的温度变化中持续观察铁的还原情况及还原过程中生成的CO2的浓度。结果表明，向还原炉中注入惰性气体后可增大铜渣中冰铜小颗粒的碰撞概率，使其碰撞机会增加，促进了冰铜颗粒的生长，有利于降低渣中铜含量。其次发现铜渣中铁还原过程可以分为2个阶段，个阶段表现为初始CO浓度的急剧升高和生成CO2的气化反应，同时细微的金属铁颗粒还原生成。第二个阶段表现为CO和CO2的浓度缓慢地下降，并依靠自身的表面活化能以初始的铁颗粒为中心不断地聚集，形成大的铁颗粒，还原物料的金属化率得到提升。牛丽萍等通过使用熔体综合测试仪，采用天然气对含铁量40.65%的铜渣进行深度还原，结果表明，在反应温度1425℃、二元碱度1.0、天然气过量系数1.3倍、渣金分离保温时间30min、长时间自然冷却至室温的情况下，得到了金属化率94.09%的还原铁颗粒，还原后的渣含铁量降低至2.58%，实现了铜渣中铁资源的有效富集。
气基深度还原作为铜渣深度还原反应的一个类别，通过利用天然气和其他还原气体等作为还原剂对铜渣进行还原，实现渣中铁资源的回收，还原剂的化学反应灵活，还原效果好，金属化率高，但是采用气基还原其反应时间较长，能耗较高，不利于大规模工业化应用。
煤基深度还原
煤基深度还原指的是以煤或其他含碳类固体作为还原剂的铜渣深度还原的过程。
通过对废铜渣进行深度还原实验，以石油焦(石油渣油生成的黑色焦炭)为还原剂，将铜渣与石油焦分别研磨至150～203μm粒度并混合均匀，在还原温度1250℃、还原时间90min的情况下进行反应并将还原产物研磨至75～104μm进行磁选，后得到回收率在85%以上的还原铁产物。在后续的实验中，众多科研工作者引入了正交方法对铜渣还原进行分析，发现在煤基还原过程中加入适量CaO可以促进反应的进行，降低反应的还原温度，提高还原铁的品位。李镇坤等针对云南某地铜矿水淬铜渣进行还原－磁选的研究，以无烟煤为还原剂，在原料铁品位35.98%，粒度1.5mm，还原温度1100℃，还原时间90min，碳铁质量比1.4和二元碱度1.6的情况下，得到了金属化率91.84%的还原产物，而且通过采用正交方法对水淬铜渣进行试验，发现温度和时间是对渣中铁矿物金属化率影响大的因素，其次是碳铁配比，而二元碱度的影响小。杨慧芬等以褐煤为还原剂，对水淬铜渣进行还原处理，采用直接还原－磁选的方法进行回收。结果表明，在还原温度1250℃，还原时间50min，褐煤与铜渣配比3∶10，CaO配比为1∶10，在85%的还原产物粒径小于43μm的情况下，得到铁品位为92.05%、回收率为81.01%的还原铁颗粒，并且渣中的铁橄榄石及磁铁矿等已转变成金属铁且粒度绝大多数在30μm以上，从而可以通过磁选方法进行回收。
通过更加深入地研究铜渣还原分离过程的特点与机理。结果表明，深度还原可以以低于其熔化温度的条件下进行的关键是铜在火法冶炼的过程中发生了渗碳的反应，而渗碳是通过碳与铜渣中的铁直接接触而发生的，其含碳量约为1.5%，渗碳速率在1200℃以下进行缓慢，残余的FeO易与SiO2反应生成铁橄榄石，这是铜渣熔点降低的原因。适当CaO的加入可以提高铜渣的还原性，更容易将FeO从复杂的化合物中置换出来，有利于生成金属铁，并且可以降低铁橄榄石的活化能，即降低铁橄榄石的还原温度。而万新宇等在对铜渣进行高温还原焙烧实验过程中不使用传统的造渣剂CaO，而是使用了CaF2，在原料铁品位36.10%，粒度为178μm，还原温度1430℃，还原时间20min，氟化钙比例2%，焦炭的配比不超过50%的条件下，得到了全铁品位超过95%的还原产物。
采用煤基深度还原技术对铜渣进行深度还原是铜渣资源化处理比较常用的实验方式，以粉状或粒状的焦炭等作还原剂，回收铜渣中的铁资源，反应时间较气基深度还原时间短，能耗低且符合我国“多煤少油缺气”的资源现状，对资源综合利用有重大的现实意义，是未来铜渣综合利用及工业化的发展趋势。
油基深度还原
油基深度还原主要指的是以石油等作还原剂的还原过程。
王冲等采用柴油在惰性气体N2的条件下对铜渣进行深度还原，探究反应温度、N2加入量、油渣比等对铜渣还原反应的影响。结果表明，在还原温度1220～1280℃，反应压力80167Pa，N2加入量480～960m3/d，柴油加入量1800L/h，油渣比0.5～2.9L/t条件下，柴油发生裂解，主要生成了C和H2，同时，反应中气体体积发生膨胀。提高反应温度和N2加入量，裂解产物摩尔分数基本保持不变。铜渣中的铁与柴油裂解产物的反应平衡常数大，反应程度高，使铜渣中的铁橄榄石与磁铁矿更好地还原成FeO，并且随着油渣比的增加，铁的还原率亦呈线性增加。
李建武等采用柴油与生物柴油2种不同的还原剂对铜渣中的铁进行还原，通过贫化电炉喷吹的方式，探究2种不同还原剂高温热解后对铜渣中铁的还原过程的影响。在还原时间30min、还原剂流量80L/h、熔池温度1250℃的条件下，发现生物柴油以及石化柴油在高温下裂解并产生了H2、CO和焦炭等成分，随后这些成分将铜渣中的铁还原成单质铁颗粒。采用石化柴油还原铜渣中的铁，还原率高为64.86%，而采用生物柴油进行还原，还原率高为71.19%，还原效果较石化柴油更佳。
虽然油基深度还原通过加大油渣比等加大了铜渣与还原物料的接触，可以取得好的还原效果，但是经过软件的模拟设计发现，实验所需的贫化电炉每天需要消耗大约1800L石油，对石油资源的消耗过大，同样难以实现工业化应用。
展望
由于我国铁资源赋存状况的限制，优质的铁矿石资源逐渐减少，平均品位不断降低，而我国铜渣的储量却逐年增高，从铜渣中回收铁资源自然而然地成了摆在科研工作者面前的一个重要研究课题。从铜渣中回收铁资源不仅可以解决国内钢铁企业生产过程中所面临的优质铁矿石资源不足的现状，也可以解决因大量铜渣堆积所产生的环保压力。在铜渣综合利用方面，采用深度还原技术可以将常规方法难以利用的铜渣中的铁资源进行回收，得到铁品位较高的金属铁颗粒。依照还原剂种类的不同，铜渣深度还原又可以分为气基深度还原、煤基深度还原、油基深度还原3种方法。在3种方法中，气基深度还原反应时间较长、能耗较高，油基深度还原对石油资源的消耗过大，因而不适合大规模工业化应用，而煤基深度还原技术不仅符合我国资源现状，也取得较好回收效果，具有良好的发展前景，是未来铜渣中铁资源回收利用的好方法，也会在未来资源环保回收过程中发挥自己的作用。
