目前我国炼铜工业产生的铜渣主要为水淬铜渣，铜渣中 Fe 含量很高，且主要以铁橄榄石（ Fe2SiO4） 形式存在。水淬铜渣除少量用作水泥混凝土原料和防锈磨料外[1 -3],基本没有其他用途。而对于缓冷处理后的铜渣，主要集中于回收铜炉渣中 Cu、Zn、Pb 和 Co 等有色金属[4 -9].
由于含碳球团具有还原速度快、动力学条件好的特点[10 -14],本文提出采用含碳球团法对该炉渣中的铁橄榄石进行低温强化还原改性，然后采用高温熔化分离提取渣铁的新工艺。本文主要针对上述工艺中涉及到的铁组元强化还原过程进行系统研究，并通过 X 射线衍射（ XRD） 及扫描电镜（ SEM） 分析技术对其机理进行讨论。
1 实 验
1. 1 实验原料及设备
实验所用原料主要有炉渣、Ca（ OH）2、Al2O3和无烟煤粉。其中，炉渣为某铜冶炼厂提供的水淬铜渣，Ca（ OH）2和 Al2O3为化学试剂。对水淬炉渣进行化学分析和物相鉴定，其主要化学成分如表 1 所示，物相鉴定结果如图 1 所示。从表 1 可以看出，铜渣主要组成元素为铁、硅、氧，三者占到炉渣质量的 90%.
由图 1 可知，衍射峰基线隆起，呈馒头峰形状，说明炉渣基本呈非晶态，有少量结晶态矿物存在。物相鉴定结果表明含铁物相主要为铁橄榄石，组织致密，熔点约为 1 200 ℃，属于极难还原物质。
实验所用设备主要有马弗炉及自制压球机。
1. 2 实验方法
将铜渣与还原剂、添加剂混匀，采用冷固结成型，在高温条件下进行强化还原改性，考察温度、配碳量、铜渣粒度、碱度、Al2O3添加量对铜渣中铁组元还原改性的影响，以铁金属化率为考核指标，计算公式为：
其中 MFe 为还原产物中金属铁含量； TFe 为还原产物中全铁含量； R 为金属化率。
2 实验结果
2. 1 温度及配碳量对金属化率的影响
设定还原时间为 30 min,还原温度 900 ~ 1 300℃ ,不同 C / O 比条件下进行了温度和配碳量对还原过程的影响实验，结果如表2 所示。从表2 可以看出，当还原时间为30 min,还原温度低于 1 050 ℃时，球团金属化率很低，基本在 10% 以下； 还原温度超过1 050 ℃ 后，金属化率迅速升高，从 10% 提高到 70% 左右； 温度超过 1 250 ℃以后，金属化率基本不变。还原温度相同时，随着 C/O 比增加，金属化率逐渐升高，C/O 比超过1. 4 以后金属化率变化很小。考虑到炉内碳的氧化燃烧及后续还原后金属铁的渗碳，配料过程 C/O 比应控制不低于 1. 5.
2. 2 还原时间对金属化率的影响
还原温度为 1 250 ℃，C/O 比为 1. 5 时，进行了还原时间对金属化率的影响实验，结果见图 2.从图 2可知，还原时间小于 25 min 时，球团金属化率增加非常快，还原时间为 30 min 时，金属化率达到了 77%,此后基本保持不变。分析认为由于初期还原剂与铜渣颗粒接触紧密，动力学条件较好。随着反应时间延长，部分未还原的铜渣可能会发生熔化，导致还原剂与铁橄榄石不能有效接触，恶化了还原动力学条件，因此适宜的还原时间为 30 min.
2. 3 铜渣粒度对金属化率的影响
铜渣粒度对还原过程金属化率的影响如图 3 所示。从图 3 可以看出，0. 147 ~0. 28 mm 铜渣还原后金属化率最低，0. 106 ~0. 147 mm 铜渣还原后金属化率最高，0. 074 ~ 0. 106 mm 铜渣还原后金属化率相比 0.
106 ~0. 147 mm 铜渣略有降低。分析认为： 由于铜渣熔点相对较低，在 1 200 ℃左右，在还原过程中如果温度过高，粒度过细的炉渣熔化速度大于还原反应进行的速度，使还原剂没有与铁橄榄石充分接触的机会，降低了还原反应进行的速度； 当铜渣粒度较粗时，也会发生还原剂和铁橄榄石接触几率低的问题，最终恶化反应动力学条件。因此，适宜的铜渣粒度应控制在 0.106 ~ 0. 147 mm 之间。
2. 4 CaO 添加量对金属化率的影响
热力学分析及配碳还原实验结果表明，铁橄榄石与固体碳在一定温度下能进行直接还原，但反应开始进行的温度高，反应速度慢。添加 CaO 后，反应开始进行的温度可降低约 200 ℃，热力学条件明显改变。
由于添加 CaO 后会降低球团中全铁含量，碱度低可能起不到改善热力学条件的作用，碱度太高则会明显降低全铁含量。本文考察了二元碱度 R（ CaO/SiO2） 对铁组分还原改性的影响，还原时间为 30 min,结果如表 3 所示。
实验表明，添加 CaO 后，相同还原条件下，球团金属化率明显增加，1 250 ℃还原 30 min 后，改变碱度的球团的金属化率与原来相比均有所提高，说明添加CaO 对渣中铁橄榄石的还原起到一定促进作用。
由于渣中的含铁物相主要是铁橄榄石，其硅-氧离子结合力大、结构致密，难以被气体还原剂解离，因此，须在高温下由固体碳直接还原。且加入的碱金属氧化物与硅-氧离子结合后，铁氧化物才更易还原，此为气体还原及低温还原含铁废渣金属化率较低的原因。另外，由熔渣的离子理论可知，高温条件下，高硅熔融炉渣粘度高，导致还原后的渣、铁难以分离，必须调整球团还原后的渣相组成，使炉渣成分合理，粘度降低，才能实现渣铁的分离。
