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氨法浸出某精矿中低含量镍铜钴的试验研究 ① 韩跃新1, 马松勃1, 王宇斌2, 赵毕文3 (1.东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110004; 2.西安建筑科技大学, 陕西 西安 710055; 3.金川集团股份有限公司,甘肃 金昌 737100) 摘 要 以某深度碳还原处理后的镍冶炼渣的磁选精矿为研究对象,对其组成以及镍、铜和钴在其中的赋存状态进行了检测和分析, 研究了浸出该精矿中铜、镍、钴的可行性。 以氨水⁃碳酸盐缓冲溶液为浸出剂,氧气为氧化剂,分别探讨了物料细度、浸出时间、浸出温 度、氨水浓度、铵盐浓度和氧气压力对浸出效果的影响,得出最优浸出工艺为物料料度为 d90=68 μm,氨水浓度为 3.0 mol/ L,碳酸铵 浓度为 0.5 mol/ L,氧气压力为 0.3 MPa,温度为 60 ℃,浸出时间为 120 min。 在此条件下,铜浸出率为 62.5%,镍浸出率为 10%,钴浸 出率为 65.8%。 并以铜为例,对氨浸试验进行了简要的机理分析。 关键词 冶炼炉渣; 氨浸法; 深度碳还原; 磁选精矿; 浸出率; 物料细度; 镍; 钴; 铜 中图分类号 X756文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2014.06.015 文章编号 0253-6099(2014)06-0056-04 Experimental Study on the Ammonia Leaching of Low Content of Ni, Cu and Co from A Concentration HAN Yue⁃xin1,MA Song⁃bo1,WANG Yu⁃bin2,ZHAO Bi⁃wen3 (1.School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004, Liaoning,China; 2.Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an, 710055, Shaanxi, China; 3.Jinchuan Co Ltd, Jinchang 737100, Gansu, China) Abstract A magnetic concentrate of nickel smelting slag after deep carbon reduction was taken for analysis of its compositions and occurrence of Ni, Cu and Co in it, so as to investigate the feasibility of leaching of Cu, Ni, Co from the concentrate. With ammonia⁃carbonate buffer solution as leaching agent and oxygen as oxidizing agent, impacts of grain size, leaching time and temperature, concentration of ammonium hydroxide and ammonium salt, and oxygen pressure on the leaching effect were discussed respectively. It is found that with the following optimum conditions for leaching process material size (d90=68 μm), concentrations of NH4OH and (NH4)2CO3at 3.0 mol/ L and 0.5 mol/ L respectively, oxygen pressure at 0.3 MPa, leaching at 60 ℃ for 120 min, leaching rates of Cu, Ni and Co reach 62 5%, 10% and 65.8%, respectively. At the end, the kinetics of Cu leaching behavior was analyzed. Key words smelting slag; ammonia leaching; deep carbon reduction; magnetic separation concentrate; leaching rate; material fineness; Ni; Co; Cu 随着我国冶金行业的发展,累积堆存和新增的各 类冶金炉渣也在日益增加,这些渣中含有 Cu、Fe、Co、 Mn、Cr、Mo、Ni 等金属元素,是一种具有利用价值的二 次资源[1-2]。 国内有很多学者采用各种方法研究回收 利用这些有用金属的可能性,其中湿法浸出占的比重 较大;对于铜金属,比较典型的就是氨法浸出[3]。 为了综合利用某高含铁的镍闪速炉渣,首先对炉 渣进行深度碳还原处理并磁选得到铁精矿,在铁精矿 中含有少量的镍、铜和钴。 本文对铁精矿进行加压氨 浸试验,研究浸出镍、铜和钴的可行性,在回收利用镍 钴金属的同时使氨浸后铁精矿中铜品位达到后续炼钢 的要求,从而使炉渣中的各种金属得到综合利用。 1 试 验 1.1 实验原料和设备 试验用原料为某闪速炉渣深度碳还原后的磁选铁 精矿,其化学多元素分析结果见表 1,扫描电镜分析结 果见图 1,能谱分析见图 2。 化学分析结果表明,铁精 矿的主要元素为铁,含有少量的硅、钙、铜、镍、钴、硫。 扫描电镜及能谱分析表明,铁精矿的主要成分为金属 ①收稿日期 2014-06-14 基金项目 国家自然科学基金项目(51074036,51134002);国家高技术研究发展计划(863)项目(2012AA062401) 作者简介 韩跃新(1961-),男,内蒙古赤峰人,教授,博士研究生导师,主要从事选矿工艺、矿物综合利用研究。 通讯作者 马松勃(1981-),男,河北石家庄人,工程师,博士,主要从事选矿工艺、矿物综合利用研究。 第 34 卷第 6 期 2014 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.34 №6 December 2014 铁,含有少量亚铁和钙的硅酸盐。 镍主要以合金的形 式存在于铁精矿中,铜和钴主要以金属单质颗粒的形 式夹杂在铁精矿中。 镍、铜和钴在精矿中的存在形式 与其在炉渣中的存在形式[4]以及深度碳还原过程中 的变化都有关系。 表 1 原料化学分析结果(质量分数) / % FeNiCoCuSCFeOCaO SiO2 85.220.280.320.550.170.383.782.946.30 图 1 原料扫描电镜图片 图 2 点 1 的能谱分析图 试验所用药剂为分析纯级氨水(NH3含量为 25% ~28%)和固态碳酸铵;试验所用氧气为高纯氧气瓶提 供;用水为去离子水。 试验所用磨碎机为南昌市恒顺化验设备制造有限 公司生产的 2MZ-400(KF-2)型密封式粉碎机;高压 釜为大连通产高压釜容器制造有限公司的 FYX-2 型 高压釜。 1.2 实验方法 将 30 g 原料粉末加入到高压釜内胆中,再加入 1 000 mL 配置好的氨水⁃铵盐缓冲溶液,然后加盖均匀 用力密封,通入一定压力的氧气,使用温控仪设定并加 热到一定温度后开启搅拌并开始计时,待反应结束后 将反应物进行过滤,过滤后的固体进行干燥,混匀后采 用化学滴定法化验金属品位,并由此计算浸出率。 滤 液收集浓缩后进行后续的镍、铜、钴的分离试验。 浸出率按如下公式计算 浸出率= 反应后浸出渣质量金属含量 反应前炉渣质量金属含量 100% 2 实验结果及讨论 2.1 物料粒度对浸出率的影响 浸出时间为 150 min,氨水浓度为 3 mol/ L,碳酸铵 浓度 0.3 mol/ L,氧气压力 0.2 MPa,搅拌速度 600 r/ min,温度为 55 ℃,物料粒度对浸出率的影响如图 3 所示。 图 3 物料粒度对浸出率的影响 从图 3 可以看出,物料粒度对铜、钴的浸出效果影 响较大,当 d90从 70 μm 增加到 115 μm,铜、钴浸出率 从 50%左右下降到 30%左右,而镍的浸出率从 10%降 到了 5%。 后续试验选择物料粒度为 d90=68 μm。 2.2 浸出时间对浸出率的影响 物料粒度为 d90= 68 μm,氨水浓度为 3 mol/ L,碳 酸铵浓度 0.3 mol/ L,氧气压力 0.2 MPa,搅拌速度 600 r/ min,温度为 55 ℃,浸出时间对浸出率的影响如图 4 所示。 图 4 浸出时间对浸出率的影响 从图 4 可以看出,随着浸出时间增加,金属浸出率 都有所增大。 当浸出时间为 120 min 时,钴浸出率达 75第 6 期韩跃新等 氨法浸出某精矿中低含量镍铜钴的试验研究 到 56.48%,铜浸出率达到 48. 73%,镍浸出率接近 10%。 再延长时间,铜和镍浸出率增幅变缓。 后续实 验选择浸出时间为 120 min。 2.3 温度对浸出率的影响 物料粒度为 d90= 68 μm,氨水浓度为 3 mol/ L,碳 酸铵浓度 0.3 mol/ L,氧气压力 0.2 MPa,搅拌速度 600 r/ min,浸出时间为 120 min,温度对浸出率的影响如图 5 所示。 图 5 浸出温度对浸出率的影响 从图 5 可以看出,当温度为 35 ℃时,钴浸出率为 40.57%,铜浸出率为 34.58%,镍浸出率只有 5 34%。 随着温度升高,铜和钴浸出率都增大,这是因为浸出反 应速率常数随温度升高而增大,当温度升至 60 ℃时, 铜、钴浸出率达到最大。 再升高温度,铜和镍浸出率反 而有所下降,这可能是由于碳酸铵分解和氨的水解程 度变大引起的。 后续试验选择浸出温度为 60 ℃。 2.4 氨水浓度对浸出率的影响 物料粒度为 d90= 68 μm,碳酸铵浓度 0.3 mol/ L, 氧气压力 0.2 MPa,搅拌速度 600 r/ min,浸出时间为 120 min,温度为 60 ℃,氨水浓度对浸出率的影响果如 图 6 所示。 图 6 氨水浓度对浸出率的影响 从图 6 可以看出,当氨水浓度为 0 mol/ L(即只有 碳酸铵)时,铜和钴浸出率低于 20%,随着氨水浓度变 大,铜和钴浸出率也逐渐增加,镍浸出率变化不大,当 氨水浓度超过 3 mol/ L 时,铜和钴浸出率增加幅度变 小。 后续试验选择氨水浓度为 3 mol/ L。 2.5 碳酸铵浓度对浸出率的影响 物料粒度为 d90= 68 μm,氨水浓度 3 mol/ L,氧气 压力 0.2 MPa,搅拌速度 600 r/ min,浸出时间为 120 min,温度为 60 ℃,碳酸铵浓度对浸出率的影响如图 7 所示。 图 7 碳酸铵浓度对浸出率的影响 从图 7 可以看出,当碳酸铵浓度为 0 mol / L(即只 有氨水)时,钴浸出率在 40%左右,铜浸出率在 15%左 右,随着氨水浓度变大,铜和钴浸出率逐渐增后,但镍 浸出率变化不大,当碳酸铵浓度超过 0.5 mol/ L 时,铜 和钴浸出率增加值很小。 后续试验选择碳酸铵浓度为 0.5 mol/ L。 2.6 氧分压对浸出率的影响 物料粒度为 d90= 68 μm,氨水浓度 3 mol/ L,碳酸 铵浓度为 0.5 mol/ L,搅拌速度 600 r/ min,浸出时间为 120 min,温度为 60 ℃,氧分压对浸出率的影响如图 8 所示。 图 8 氧分压对浸出率的影响 从图 8 可以看出,随着氧分压增大,金属浸出率逐 渐增大,当氧分压为 0.3 MPa 时,铜和镍浸出率达到最 大值,当氧分压继续增大,金属浸出率略有下降。 85矿 冶 工 程第 34 卷 2.7 优化条件实验 最后确定最优的实验条件为物料粒度为 d90 =68 μm,浸出时间为 120 min,浸出温度为 60 ℃,氨水浓度 为 3 mol/ L,碳酸铵浓度 0.3 mol/ L,氧气压力 0.3 MPa, 在此条件下可得到铜浸出率为 62.5%,镍浸出率为 10%,钴浸出率为 65.8%。 2.8 浸出后的物料化学分析 在优化实验条件下,浸出渣的化学分析结果见 表 2。 表 2 浸出渣的化学分析结果(质量分数) / % FeNiCoCuSCFeOCaOSiO2 86.430.260.110.220.130.353.532.846.15 2.9 有价金属分离 浸出液的铜镍钴分离可采用加入不饱和硫,调节 pH 值加温蒸出游离氨并沉淀分离铜[5],反应式为 Cu 2+ +S 2O3 2- +H 2OCuS+2H + +SO 4 2- (1) 再调节 pH 值到中性,用 Versatic 10 酸萃取镍,然 后采用金属钴将 Co 3+ 还原为 Co 2+ ,并用 Versatic 10 酸 萃取[6]。 实验结果中镍浸出率较低的原因可能是镍主要以 合金的形式存在于原料中,而铜和钴主要以金属单质 颗粒的形式夹杂在原料中。 相对于铜和钴,镍以一种 更加均匀的方式存在于铁基质中,造成其浸出率较低。 3 浸出机理 氨水⁃铵盐缓冲溶液浸出金属是利用单质在氧化 剂存在的条件下,氨分子与其发生络合反应形成可溶 性的氨络合物,发生的反应方程式为(以铜为例) 2Cu+O22CuO(2) 4Cu+O22Cu2O(3) 2Cu2O+O24CuO(4) CuO+2H+Cu 2+ +H 2O (5) Cu2O+2H+2Cu+ +H 2O (6) 4Cu+ +O 2+2H2O4Cu 2+ +4OH- (7) Cu++nNH3Cu(NH3)n + (8) Cu 2+ +nNH3Cu(NH3)n 2+ (9) 镍、钴和铁都能与氨发生络合反应,由于它们的标 准氧化还原电位以及各自离子的氨络合物稳定常数不 同,决定了他们形成稳定络合物的条件也不一样。 金属 的标准氧化还原电极电位越低越容易被氧化,具体顺序 是铁(-0.440 V)<钴(-0.277 V)<镍(-0.249 V)<铜 (0.342 V) [7]。 离子形成氨络合物的稳定常数越大越 容易形成络合物,具体顺序是Cu(NH3)4 2+ (1013.32)> Ni(NH3)4 2+ (107.96)>Co(NH3)4 2+ (105.55)>Fe(NH3)2 2+ (102.2)。 标准状态下,从金属⁃NH3⁃H2O 系的电势⁃pH 图上可以看出,形成铁氨络合物的 pH 值在 7 2~10 3 之间。 当 pH 值在 8~12.6 之间时,镍、铜和钴都能形 成稳定的氨络合物。 本实验的 pH 值在 11~12 之间。 4 结 论 加压氨浸法浸出铁精矿中低含量镍、铜和钴的最 优工艺条件为物料粒度为 d90= 68 μm,浸出时间 120 min,浸出温度 60 ℃,氨水浓度 3.0 mol/ L,碳酸铵浓度 0.5 mol/ L,氧气压力 0.3 MPa。 在最优工艺条件下对 铁精矿进行加压氨浸,得到铜浸出率为 62.5%,镍浸出 率为 10%,钴浸出率为 65.8%。 试验达到了回收钴资 源的目的。 参考文献 [1] 姚艳玲,周 俊. 冶金炉渣的研究及综合利用思路[J]. 制造业自 动化,2011,33(1)111-113 [2] Manz M,Castro L J. 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