一种铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法、铁粉及其应用
阅读说明：本技术 一种铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法、铁粉及其应用 (Method for obtaining iron powder from copper ore dressing tailings, iron powder and application of iron powder ) 是由 彭同江 罗冰 孙红娟 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法、铁粉及其应用,所述获取铁粉的方法包括：氧化煅烧硫化物铜矿选矿尾矿,获得含20％以上质量份的γ-Fe-(2)O-(3)的第一煅烧渣和含氧化硫的气体；按照预定质量比混合第一煅烧渣、煤粉和钙质原料粉体混合均匀后,进行还原煅烧,获得含单质铁的第二煅烧渣；将第二煅烧渣进行粉磨和磁选处理,获得铁粉。本发明的工艺方法简单,处理成本低,获得的全铁的提取率为56％～88％,提取回收率高,得到单质铁粉产品中单质铁的含量为22％～46％,品位高,符合冶炼原料要求。(The invention provides a method for obtaining iron powder from copper ore dressing tailings, iron powder and application thereof, wherein the method for obtaining the iron powder comprises the following steps: oxidizing and calcining the mineral dressing tailings of the sulphide copper ore to obtain the gamma-Fe with the mass part of more than 20 percent 2 O 3 And a gas containing sulfur oxides; mixing the first calcined slag, the coal powder and the calcium raw material powder according to a preset mass ratio, uniformly mixing, and then carrying out reduction calcination to obtain second calcined slag containing simple substance iron; and performing grinding and magnetic separation treatment on the second calcined slag to obtain iron powder. The method has the advantages of simple process, low treatment cost, high extraction recovery rate of the obtained total iron of 56-88 percent, high grade of the obtained simple substance iron powder product with the simple substance iron content of 22-46 percent, and accordance with the requirements of smelting raw materials.)
技术领域
本发明涉及铜矿选矿尾矿处理与资源化利用技术领域，具体来讲，涉及一种从铜矿选矿尾矿中获取铁粉的方法、基于铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法而回收获得的铁粉、以及铁粉的应用。
背景技术
近几年来，我国铜产量快速增长，已经成为世界第一大精炼铜生产国，产量大约占到了全球的1/3。就目前而言，我国的铜主要是由火法冶炼产生，按铜冶炼过程中每产出1吨精铜排放2.2吨铜渣计算，每年铜渣排放量超过1000万吨，大部分铜渣被堆存在渣场中，既占用土地又污染周围环境，同时也造成巨大的资源浪费。铜渣中的有价成分主要是含铁的硅酸盐类，全铁品位在40％左右，而铁主要以铁橄榄石的形式存在，嵌布粒度细小，采用传统的选矿方法难以回收，因此实现铜渣中铁组分的有效回收对环境保护具有重要意义。
铜冶炼渣中的铁主要以铁橄榄石、硅酸铁的形式存在，铁品位含量高，嵌布粒度极细，综合利用难度大。现有技术中大多采用磁选粗选、再磨、磁选精选、反浮选等工艺来进行从铜渣选铜尾矿中回收铁精矿和选煤重介质选矿试验。
例如，于2019年4月19日公开的名称为从铜炉渣浮选尾矿中综合回收磁铁矿和铜矿物的方法、公开号为CN109647616A的专利文献记载了一种从铜炉渣浮选尾矿中综合回收磁铁矿和铜矿物的方法。首先进行磁粗选，将铜炉渣浮选尾矿在1800Gs-2200Gs的条件下进行磁选，分别得到磁粗精矿和磁尾矿，在进行摇床重选分别加入450g/t-550g/t的水玻璃和15g/t-25g/t的Z-200送入搅拌桶搅拌5min后，再磨磁选，磁粗精矿和摇床精矿合并后送入球磨机再磨，同时添加石灰作为助磨剂，最后浮选回收铜矿物。该工艺较为复杂，且耗能高，仅得到磁铁矿精矿。
于2021年1月22日公开的名称为一种含锰矿物强化赤泥还原回收铁的方法、公开号为CN112251601A的专利文献记载了一种含锰矿物强化赤泥还原回收铁的方法，其方法是先制备包含赤泥、含锰矿物、粘结剂和水的团块，将得到的团块进行干燥，得到干燥团块，将得到的干燥团块进行高温氧化固结，得到氧化团块，得到的氧化团块用还原剂进行还原焙烧，得到金属化团块，最后将得到的所述金属化团块依次进行磨矿、磁选，得到金属铁粉，此种方法能够提高赤泥直接还原的金属化率，促进铁晶粒的长大、提高磁选指标，促进赤泥的综合利用。该方法不仅步骤繁琐，且并不能够解决其余含铁尾矿的回收问题，例如铜矿尾矿脱硫尾渣中的铁就不能用此方法来回收铁。
于2018年1月16日公开的名称为一种铜矿尾矿回收云母的选矿方法、公开号为CN107583764A的专利文献记载了一种铜矿尾矿回收云母的选矿方法，其方法是(1)将铜矿尾矿磨至-0.075mm含量为70～90％；(2)于0.1～0.2T的磁场强度下，对步骤(1)所得物进行磁选，得到弱磁精矿和弱磁尾矿；(3)于0.8～1.4T的磁场强度下，对步骤(2)所得弱磁尾矿进行磁选，得到强磁精矿和非磁性尾矿；(4)对步骤(3)所得强磁精矿进行分级，分成+0.051～0.075mm、-0.051～0.075mm两个级别，取其中的粗粒级；(5)对步骤(4)所得物进行重选，重选时，先进行粗选，获得粗选精矿、粗选中矿和粗选尾矿，进行扫选时，入选原料为粗选中矿，得到扫选精矿和扫选尾矿，合并粗选精矿与扫选精矿，得到重选云母精矿。该发明工艺流程结构简单，具有设备投资节省、选矿成本低廉，但它并没有解决铁的回收，铁仍存在于云母当中，且更难再从中回收铁。
综上所述，现有处理工艺或技术需加入浮选剂进行浮选或加入强氧化剂进行还原反应，存在成本偏高、工艺复杂或回收分离后得到的铁粉不纯等缺陷。目前，尚未有从铜尾矿进行氧化焙烧释硫后再通过还原焙烧-磁选回收铁的方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种实现低成本、工艺简单、铁粉纯度较高的铜矿选矿尾矿中获取铁粉的方法。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法，所述获取铁粉的方法包括以下步骤：
S1、氧化煅烧硫化物铜矿选矿尾矿，获得含20％以上质量份的γ-Fe2O3的第一煅烧渣和含氧化硫的气体；
S2、按照预定质量比混合第一煅烧渣、煤粉和钙质原料粉体混合均匀后，进行还原煅烧，获得含单质铁的第二煅烧渣；
S3、将第二煅烧渣进行粉磨和磁选处理，获得铁粉。
在本发明的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法的一个示例性实施例中，所述硫化物铜矿选矿尾矿的粒度可为0.044mm～0.147mm，且含有硫化物矿物和脉石矿物，硫化物矿物可包括磁黄铁矿、黄铜矿、黄铁矿和铁闪锌矿中的至少一种，脉石矿物可包括石英、黑云母、钙长石、白云母、长石、绿泥石、纤铁矿和碳酸盐矿物中的至少一种。
在本发明的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法的一个示例性实施例中，按质量百分比计，所述第一煅烧渣可包括31％～50％SiO2、25％～60％Fe2O3和9％～25％Al2O3。
在本发明的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法的一个示例性实施例中，所述煤粉可包括褐煤、烟煤、无烟煤和焦炭中的至少一种，所述钙质原料粉体可包括生石灰、熟石灰和电石渣粉体中的至少一种。
在本发明的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法的一个示例性实施例中，所述步骤S2中，将50％～80％第一煅烧渣、10％～30％煤粉和5％～15％钙质原料粉体搅拌混合均匀后，加入3％～30％去离子水造粒，自然干燥后，进行还原煅烧。
在本发明的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法的一个示例性实施例中，所述还原焙烧，可先将环境温度逐渐升温至预设温度，再将预设温度逐渐升温至还原温度，并将煅烧的还原时间设置为55min～75min，其中，预设温度的取值范围为900℃～1000℃，还原温度为1000℃～1250℃，由环境温度升温至预设温度的升温速率为15℃/min～20℃/min，由预设温度升温至还原温度的升温速率为30℃/min～50℃/min。
在本发明的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法的一个示例性实施例中，所述粉磨可为干法粉磨和湿法粉磨中的一种，粉体的粒度可为0.05mm～0.15mm；所述磁选可为湿法磁选和干法磁选中的一种，磁选机的设定磁场强度可为100～220mT。
在本发明的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法的一个示例性实施例中，湿法磁选时，湿法粉磨的物料与水的质量体积比可为1:20～1:30g/mL。
本发明另一方面提供了一种铁粉，所述铁粉采用如上所述的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法获取，且所述铁粉中的单质铁的含量可为22％～46％。
本发明再一方面提供了如上所述的铁粉作为钢铁冶炼原料的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明以铜矿选矿尾矿粉为原料生产单质铁粉，实现了铜尾矿固体废物的资源化利用，对资源和环境保护及高值化利用，具有重要的资源、环境和生态可持续发展意义；
(2)铜尾矿的资源化利用对尾渣库安全、复垦、复绿具有重要的生态与环境意义；
(3)以铜矿选矿尾矿粉为原料经氧化-还原两步法实现了尾矿中铁和硫组分的提取利用，选铁尾渣可用于建筑材料(实施方式)，具有生产工艺简便、无三废排放、产品附加值高、生态环境效益高等优势，对绿色矿山构建与社会经济发展具有重要意义；
(4)本发明通过含氧气氛下煅烧处理，获得含γ-Fe2O3的煅烧渣粉体和含氧化硫的气体；含γ-Fe2O3的煅烧渣粉体经还原气氛煅烧处理获得含单质铁的煅烧渣，再经磨粉、磁选获得单质铁粉产品，选铁尾料用作建筑材料；含氧化硫的气体经收集后制备硫酸、与氧化钙反应制备硫酸钙晶须。工艺过程中添加的助剂全部进入产品中，无有害或三废排放；
(5)本发明的工艺方法简单，处理成本低，获得的全铁的提取率为56％～88％，提取回收率高，得到单质铁粉产品中单质铁的含量为22％～46％，品位高，符合冶炼原料要求。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法的含γ-Fe2O3的煅烧渣在不同煅烧温度下的一个XRD物相变化示意图。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法、铁粉及其应用。
需要说明的是，“第一”、“第二”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域普通技术人员而言，本文中的部分术语“压力”相当于压强。
发明人经研究发现：块状硫化物型铜矿矿石选矿尾矿氧化焙烧释硫后，得到的含γ-Fe2O3煅烧渣具有一定强度大小的磁性，且含铁量较高，可以实现铜渣中铁组分的有效回收。但考虑到浮选分离有价组分工艺流程长、成本高，而利用气基还原技术成本高，为了节约回收成本，提高回收铁粉的品位，本发明提出可以在铜矿选矿尾矿粉氧化焙烧释硫后通过还原焙烧-磁选来直接回收单质铁。
本发明一方面提供了一种铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法。
在本发明的一个示例性实施例中，一种铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法包括以下步骤：
S1、氧化煅烧硫化物铜矿选矿尾矿，获得含20％以上质量份的γ-Fe2O3的第一煅烧渣和含氧化硫的气体。
其中，所述第一煅烧渣中含有铁质矿物，包括赤铁矿和磁赤铁矿中的至少一种。第一煅烧渣中含有的γ-Fe2O3(磁赤铁矿，属于赤铁矿)，有磁性，可以通过直接磁选分离出来。
具体来讲，铜矿选矿尾矿可以包括块状硫化物铜矿的选矿尾矿。该尾矿中磁黄铁矿与铁闪锌矿、黄铜矿互相复杂连生，或呈树枝状分布在脉石矿物中。磁黄铁矿多呈块或团块状，主要集中在-0.20～+0.05mm粒级范围内；黄铜矿多呈细粒状，粒度在0.02～0.20mm之间，铁闪锌矿多为不规则粒状，粒度可达0.3～0.8mm。
进一步地，硫化物铜矿选矿尾矿的粒度可为0.044mm～0.147mm，且硫化物铜矿选矿尾矿中含有硫化物矿物和脉石矿物。其中，硫化物矿物可包括磁黄铁矿、黄铜矿、黄铁矿和铁闪锌矿中的至少一种，脉石矿物可包括石英、黑云母、钙长石、白云母、长石、绿泥石、纤铁矿和碳酸盐矿物中的至少一种。
需要说明的是，第一煅烧渣中含有γ-Fe2O3，按质量百分比计，第一煅烧渣可包括31％～50％SiO2、25％～60％Fe2O3和9％～25％Al2O3。例如，在第一煅烧渣中，SiO2的质量百分含量可以为30.00％、34.00％、38.00％、41.00％、54.00％、58.00％等，Fe2O3的质量百分含量可以为6.50％、33.00％、38.00％、44.00％、48.90％、53.45％等，Al2O3的质量百分含量可以为11.30％、13.20％、16.40％、17.00％、18.05％、18.90％等。
含氧化硫的气体包括SO2、SO3，收集后能够用于制备硫酸、或者与氧化钙反应制备硫酸钙晶须。
S2、按照预定质量比混合第一煅烧渣、煤粉和钙质原料粉体混合均匀后，进行还原煅烧，获得含单质铁的第二煅烧渣。
具体来讲，在煅烧过程中，需利用煤粉充当还原剂，钙质原料粉体阻滞了铁和硅的结合，含γ-Fe2O3的第一煅烧渣中的高价铁在还原气氛作用下能被还原为铁单质，从而获得含铁单质质量百分含量为10％～25％的第二煅烧渣。例如，第二煅烧渣中能够含有质量百分含量为11％、13％、18％、21％的铁粉。煅烧处理是在煅烧窑中进行，还原气氛是通过配料中的煤粉在高温下不完全燃烧产生CO来实现。
进一步地，煤粉可包括褐煤、烟煤、无烟煤和焦炭中的至少一种，所述钙质原料粉体可包括生石灰、熟石灰和电石渣粉体中的至少一种。
在步骤S2中，可将50％～80％第一煅烧渣、10％～30％煤粉和5％～15％钙质原料粉体搅拌混合均匀后，加入3％～30％去离子水造粒，自然干燥后获得还原焙烧物料。需要说明的是，按照上述比例混合第一煅烧渣、煤粉和钙质原料粉体是为了能够使后续还原反应中Fe2O3的还原度增大，提高铁的金属化率，进而提高精矿中铁的品位。若第一煅烧渣、煤粉和钙质原料粉体的混合比例超出或低于上述比例，将可能引起后续还原反应中铁的金属化率变低，精矿中的铁品位降低，回收率变低。例如，第一煅烧渣的质量百分含量可以为56.02％、63.15％、68.26％、72.69％、78.39％等，煤粉的质量百分含量可以为12.03％、15.18％、20.79％、24.69％、28.24％等，钙质原料粉体的质量百分含量可以为6.02％、8.15％、9.26％、12.69％、14.39％等，去离子水的质量百分含量可以为25.93％、13.52％、3.71％、4.69％等。
在煅烧还原焙烧物料的过程中，可先将环境温度逐渐升温至预设温度，再将预设温度逐渐升温至还原温度，并将煅烧的还原时间设置为55min～75min。其中，预设温度的取值范围为900℃～1000℃，还原温度为1000℃～1250℃，由环境温度升温至预设温度的升温速率为15℃/min～20℃/min，由预设温度升温至还原温度的升温速率为30℃/min～50℃/min。
还原反应能够将第一煅烧渣中所有的含氧铁被还原剂还原为金属铁，也包括γ-Fe2O3还原为单质铁，主要反应如下：
2Fe2O3+3C→4Fe+3CO2(g)
S3、将第二煅烧渣进行粉磨和磁选处理，获得铁粉。
具体来讲，粉磨可为干法粉磨和湿法粉磨中的一种，粉体的粒度可为0.05mm～0.15mm。
磁选可为湿法磁选和干法磁选中的一种，磁选机的设定磁场强度可为100～220mT，例如120、140、160、180、200mT等。
湿法磁选时，湿法粉磨的物料与水的质量体积比可为1:20～1:30g/mL。例如1：23、1：26、1：28、1：29等。
本发明另一方面提供了一种铁粉，所述铁粉采用如上所述的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法获取，且所述铁粉中的单质铁的含量可为22％～46％。
采用本发明的上述方法来从铜矿选矿尾矿粉获取单质铁粉，得到的铁粉品位为22％～46％，回收率为56％～88％。
例如，铁的质量百分含量可以为28％、30％、31％等，回收率可以为59.46％、60.45％、69.13％、74.23％、80.75％、86.71％等。
本发明再一方面提供了一种如上所述的铁粉作为钢铁冶炼原料的应用。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合附图和具体示例对其进行进一步说明。
示例1
一种从铜矿选矿尾矿粉获取单质铁粉的方法过程如下：
(1)将铜矿选矿尾矿粉送于煅烧窑在含氧气氛下进行煅烧处理，获得含γ-Fe2O3的煅烧渣粉体(也就是第一煅烧渣)和含氧化硫的气体。含氧化硫的气体包括SO2、SO3，收集后可利用现有的工艺制备硫酸。
其中，含γ-Fe2O3的煅烧渣粉体含有磁赤铁矿、石英和黑云母。其化学成分中SiO2的质量百分含量可以为35.00％，Fe2O3质量百分含量为33.00％，Al2O3质量百分含量为16.40％。
(2)加入25％的无烟煤和14.29％的CaO，并和研磨好的57％含γ-Fe2O3的煅烧渣粉体混合均匀，加入3.71％的去离子水造粒，自然干燥后待用，得到16.78mm的干燥粒料。
(3)将干燥后的混合物料置于煅烧窑中，环境温度逐渐升温至还原温度，获得含铁单质质量百分含量为16.03％的煅烧渣(也就是第二煅烧渣)。
在煅烧窑炉采用电力加热的情况下，煅烧处理的还原温度为1200℃，还原时间为60min，其中，低温段由常温～1000℃的升温速率为15℃/min，高温段由1000℃～1200℃的升温速率为30℃/min。
(4)将含铁单质的煅烧渣加水形成物料与水的质量体积比为1:28的流体；并将磁场强度设为160mT；经磁选处理后获得质量百分含量为34.56％的铁粉。
在本示例中，获得质量百分含量为34.56％的铁粉可直接销售作为钢铁冶炼的原料，磁选铁粉后的尾渣可以用进一步用于制备建筑材料，如微晶玻璃。
经测试，示例1的方法得到的铁粉品位为33.01％，回收率为65.47％。
图1示出了本示例的含γ-Fe2O3的煅烧渣(也就是第一煅烧渣)在不同煅烧温度下的X射线衍射分析(XRD)的一个物相变化示意图，该图反应了煅烧过程中物相的变化过程。图1中的a表示石英(Quartz)，b表示黑云母(Biotite)，c表示钙长石(Anorthite)，f表示橄榄石(Fayalite)，m表示磁赤铁矿(Magnetite)，h表示赤铁矿(Hematite)，t表示单质铁(Ferrite)，w表示方铁矿(Wustite)；符合A所指向的曲线表示含γ-Fe2O3的煅烧渣在1200℃的煅烧温度下煅烧60min后的物相变化过程，符合B所指向的曲线表示含γ-Fe2O3的煅烧渣在1150℃的煅烧温度下煅烧60min后的物相变化过程，符合C所指向的曲线表示含γ-Fe2O3的煅烧渣在1100℃的煅烧温度下煅烧60min后的物相变化过程，符合D所指向的曲线表示含γ-Fe2O3的煅烧渣在1050℃的煅烧温度下煅烧60min后的物相变化过程，符合E所指向的曲线表示含γ-Fe2O3的煅烧渣在1000℃的煅烧温度下煅烧60min后的物相变化过程，符合F所指向的曲线表示含γ-Fe2O3的煅烧渣在0℃的煅烧温度下煅烧60min后的物相变化过程。
在铜矿选矿尾矿粉获取单质铁粉过程中，如图1所示，当温度增加至1200℃，煅烧时间为60min时，煅烧渣中的物相主要有石英、磁赤铁矿(γ-Fe2O3)、云母、钙长石和赤铁矿。
本示例采用了还原磁选法分离铜尾矿脱硫尾渣中的铁，还原-磁选法具有以下几个优点：方法简单，容易实施、还原法所用的能耗少，若大规模应用此技术，利用煤基直接还原，符合我国“多煤少油少气”的能源结构、回收率高，得到铁粉品位为22％～46％，提取率高达56％～88％；本技术采用的化学药剂包括煤、CaO、离子水，可以看出使用到的化学药剂少、对器材的腐蚀小、对人体健康危害小、不易造成环境污染。此种还原-磁选法工艺在分离铜尾矿脱硫尾渣的应用前景非常广阔。
示例2
一种从里伍铜矿选矿尾矿粉获取单质铁粉的方法过程如下：
(1)将铜矿选矿尾矿粉送于煅烧窑在含氧气氛下进行煅烧处理，获得含γ-Fe2O3的煅烧渣粉体(也就是第一煅烧渣)和含氧化硫的气体。含氧化硫的气体包括SO2、SO3，收集后可利用现有的工艺与氧化钙反应制备硫酸钙晶须。
其中，含γ-Fe2O3的煅烧渣粉体含有赤铁矿、磁赤铁矿、石英、钙长石和白云母。其化学成分中SiO2的质量百分含量可以为41.00％，Fe2O3质量百分含量为40.00％，Al2O3质量百分含量为12.80％。
(2)加入18％的无烟煤和12.04％的CaO，并和研磨好的65.27％含γ-Fe2O3的煅烧渣粉体混合均匀，加入4.69％的去离子水造粒，自然干燥后待用，得到12.56mm的干燥粒料。
(3)将干燥后的混合物料置于焙烧炉中，环境温度逐渐升温至还原温度，获得含铁单质质量百分含量为12.87％的焙烧渣(也就是第二煅烧渣)。
焙烧处理的还原温度设置为1100℃，焙烧时间为65min。其中，低温段由常温至1000℃的升温速率为20℃/min，高温段由1000℃至1100℃的升温速率为40℃/min。
(4)将含铁单质的煅烧渣加水形成物料与水的质量体积比为1:24的流体；并将磁场强度设为180mT；经磁选处理后获得质量百分含量为28.71％的铁粉。
在本示例中，获得质量百分含量为28.71％的铁粉可以直接销售作为钢铁冶炼的原料，磁选铁粉后的尾渣可以进一步用于制备建筑材料，如混凝土。
经测试，示例2的方法得到的铁粉品位为28.67％，回收率为61.25％。
综上所述，本发明的铜矿选矿尾矿获取铁粉的方法优点包括：
(1)本发明能够实现块状硫化物型铜矿选矿尾矿中铁组分的高效回收，其中，焙烧渣中铁的含量高，可以为10％～25wt％。
(2)本发明使用无烟煤，较其他气基还原剂降低了还原剂成本，且无尾气排放。
(3)本发明的焙烧渣中铁的回收率高，可达到88％。
(4)本发明工艺流程短，方法简单，容易实施。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。
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