從剛果(金)某低品位氧化銅鈷礦石中浸出 銅鈷試驗研究

王 剛

(金誠信礦山工程設計院有限公司,北京 100176)

銅、鈷是重要戰略金屬,廣泛應用于電氣、國防、機械制造等工業領域。隨著經濟快速發展,銅、鈷需求日益增加,但目前品位較高的銅鈷礦資源越來越少[1-2],因此,加大對低品位銅鈷礦資源的綜合開發越來越受到重視。

從低品位氧化銅礦中提取銅鈷的工藝流程主要有混合浮選銅鈷—酸浸銅鈷精礦[3-6]、優先浮選銅—強磁選鈷—分別浸出銅鈷精礦[7-8]、直接酸浸銅鈷[9-11]等。通過浮選法或浮選-磁選聯合法富集銅鈷,可減少浸出藥劑消耗量,極大降低設備投資成本,但該工藝存在銅、鈷回收率低、工藝復雜等缺點;直接酸浸銅鈷可大大簡化工藝流程。

剛果(金)某低品位氧化銅鈷礦石中有價元素銅、鈷品位較低,主要以氧化物形式賦存于礦石中,且礦石中含有大量鎂綠泥石,難以用浮選法富集。試驗在對某低品位氧化銅鈷礦進行工藝礦物學分析基礎上,研究了采用直接酸浸法處理該低品位氧化銅鈷礦石,考察了單因素對銅、鈷浸出的影響,優化了試驗條件,以求實現對銅、鈷的有效回收。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

氧化銅鈷礦石:取自剛果(金)薩布韋公司選礦廠,礦石經破碎篩分(礦石粒度<2 mm)后,混勻、縮分、冷藏,選取部分礦樣進行工藝礦物學研究,礦石的理化性質、化學元素、主要元素的物相和礦物組成分析結果見表1～5。

表1 礦石的理化性質

表2 礦石的主要化學元素組成 %

表3 銅的物相分析結果

表4 鈷的物相分析結果

表5 礦物組成及含量分析結果

由表1看出:礦石經破碎篩分后,含泥率達6.54%。由表2看出:礦石中主要有價元素為銅和鈷,質量分數分別為3.5%和0.18%,脈石元素CaO和MgO質量分數較高,兩者合計達13.61%。由表3看出:銅主要以自由氧化銅為主,分布率達83.76%,硫化銅分布率僅有10.62%。由表4看出:鈷主要以氧化鈷為主,含量達85.94%,硫化鈷僅有10.81%。由表5看出:銅礦物主要為孔雀石、假孔雀石、黃銅礦等,其中孔雀石為主;鈷礦物主要為水鈷礦和硫銅鈷礦/硫砷鈷礦,其中水鈷礦占絕大多數,脈石礦物主要為石英、白云母、菱鎂礦和鎂綠泥石等,礦石類型為氧化銅鈷礦。

由于礦石中含泥多,氧化銅/氧化鈷礦物含量高,采用浮選法富集銅鈷,易造成大量銅鈷礦物損失[12-13];另外,礦石中還含有大量鎂綠泥石,會增加礦漿黏性,大量脈石礦物會通過浮選富集到精礦中[14],不利于提升精礦品質。因此,針對這一含泥多、低品位的氧化銅鈷礦石,試驗研究采用直接酸浸工藝處理,以求實現礦石中有價元素銅、鈷的綜合回收。

1.2 試驗原理

實際生產中,針對以氧化銅/鈷礦物為主的礦石多采用硫酸浸出。其中,氧化銅礦物和二價鈷氧化物會與硫酸反應,分別轉化為易溶于水的硫酸銅和硫酸鈷進入溶液;而三價鈷氧化物因酸溶性較差,需通過添加適量還原劑或升高浸出溫度等方法提高鈷浸出率,試驗選擇硫酸亞鐵(FeSO4)為還原劑。發生的主要化學反應如下[15-16]:

1.3 試驗方法

每次試驗取礦樣100 g,添加到球磨機(XMQ型,φ150×50,磨礦濃度70%)中研磨,之后將礦樣置入500 mL燒杯中,加入適量水。再將燒杯置于恒溫水浴鍋(HH-2型)中,待溫度達設定值,保溫一定時間,開啟攪拌裝置(JJ-1型),并加入適量配制好的硫酸,開始浸出,同時計時。浸出結束后,取浸出渣,洗滌、過濾、烘干、稱重、混勻、縮分,測定其中銅、鈷含量,計算浸出率。試驗用硫酸和硫酸亞鐵均為工業級。

2 試驗結果與討論

2.1 磨礦時間、磨礦細度對銅、鈷浸出的影響

為便于對比研究,用礦石粒度為-74 μm占比代表磨礦細度,磨礦時間對磨礦細度的影響試驗結果如圖1所示?？梢钥闯?隨磨礦時間延長,磨礦細度-74 μm占比逐漸增大后趨于平緩,說明磨礦效率隨磨礦細度-74 μm占比增大而逐漸降低。

圖1 磨礦時間對磨礦細度的影響

在液固體積質量比4∶1、硫酸用量150 kg/t(終點pH約為1.5)、浸出溫度80 ℃、浸出時間90 min條件下進一步考察了磨礦細度對銅、鈷浸出率影響,試驗結果如圖2所示。

圖2 磨礦細度對銅、鈷浸出率的影響

由圖2看出,磨礦細度對銅浸出影響較小,但對鈷浸出率影響較大:磨礦細度-74 μm占50%～90%時,銅浸出率穩定在87%左右,鈷浸出率隨磨礦細度-74 μm占比增大而升高;在磨礦細度-74 μm占比增至85%后,銅、鈷浸出率升高幅度均不大,趨于平穩。綜合考慮能耗等因素,確定磨礦細度-74 μm占比85%左右為宜。

2.2 硫酸用量對銅、鈷浸出的影響

試驗條件:磨礦細度-74 μm占比85%,液固體積質量比4∶1,浸出溫度80 ℃,浸出時間90 min。硫酸用量對銅、鈷浸出率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 硫酸用量對銅、鈷浸出率的影響

由圖3看出:隨硫酸用量增大,銅、鈷浸出率明顯升高;硫酸用量增至150 kg/t時,銅、鈷浸出率分別為88.12%和87.69%;繼續增大硫酸用量,銅、鈷浸出率變化不大,趨于穩定。礦石浸出過程中,硫酸不但會浸出銅鈷礦物,還會與堿性脈石礦物作用,因此,硫酸用量是影響銅、鈷浸出率的重要因素之一。綜合考慮,確定硫酸用量以150 kg/t為宜。

2.3 浸出溫度對銅、鈷浸出的影響

在浸出氧化鈷礦物時,由于Co3+氧化物不溶于水,微溶于酸,試驗采用還原性較強的FeSO4作還原劑,將其還原成易溶于酸的Co2+化合物[17],以提高鈷浸出率。試驗條件:磨礦細度-74 μm占比85%,液固體積質量比4∶1,硫酸用量150 kg/t,浸出時間90 min,添加FeSO4并保持溶液中Fe2+初始質量濃度為0.6 g/L,即FeSO4為鈷所需理論量的1.0倍。浸出溫度對添加FeSO4前后銅、鈷浸出率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 浸出溫度對銅、鈷浸出率的影響

由圖4看出:在相同浸出溫度條件下,添加FeSO4的銅、鈷浸出率更高,但銅、鈷的浸出率升幅有限。這說明礦石中大部分氧化鈷礦物為酸溶性的Co2+氧化物,需要還原后才能浸出的Co3+氧化物極少。

由圖4還可看出:浸出溫度為20 ℃時,鈷浸出率很低,僅為53%左右,隨溫度升高,鈷浸出率大幅升高,說明溫度對鈷浸出率影響較大;但溫度升至60 ℃后,銅、鈷浸出率升幅不大,趨于穩定?？梢?浸出此類礦石時,可通過升高溫度強化鈷的浸出。綜合考慮生產成本等因素,確定浸出溫度以60 ℃為宜。

2.4 浸出時間對銅、鈷浸出的影響

試驗條件:磨礦細度-74 μm占比85%,液固體積質量比4∶1,浸出溫度60 ℃,硫酸用量150 kg/t,浸出過程中補充純水以保持溶液體積恒定。浸出時間對銅、鈷浸出率的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 浸出時間對銅、鈷浸出率的影響

由圖5看出:銅、鈷浸出速度均較快,銅在浸出30 min時基本浸出完全,鈷在浸出60 min時基本浸出完全;繼續延長浸出時間,銅、鈷浸出率均無明顯升高。綜合考慮,確定浸出時間以90 min為宜。

2.5 硫酸亞鐵用量對銅、鈷浸出的影響

試驗條件:磨礦細度-74 μm占比85%,浸出溫度60 ℃,液固體積質量比4∶1,硫酸用量150 kg/t,分別保持浸出溶液中Fe2+初始質量濃度為0.3、0.6、0.9、1.5 g/L,即FeSO4分別為鈷所需理論量的0、0.5、1.0、1.5、2.5倍。硫酸亞鐵用量對銅、鈷浸出率的影響試驗結果如圖6所示。

圖6 硫酸亞鐵用量對浸出率的影響

由圖6看出:還原劑FeSO4用量對銅、鈷浸出率影響不大,這進一步說明該礦石中的鈷礦物多為酸溶性較好的氧化鈷,而酸溶性較差、能還原的Co3+氧化物極少。為減少試劑耗量、降低生產成本,實際生產中不建議添加FeSO4,可通過適當升高溫度、強化磨礦等其他方式強化鈷的浸出。

2.6 綜合試驗

根據單因素試驗結果,確定優化浸出條件為:磨礦細度-74 μm占比85%,浸出溫度60 ℃,液固體積質量比4∶1,硫酸用量150 kg/t,浸出時間90 min。在該條件下進行綜合驗證試驗,結果見表6?？梢钥闯?在優化條件下,銅、鈷平均浸出率為87.32%和85.52%,渣率為90.4%,酸耗量為129.66 kg/t,較好地實現了有價元素銅、鈷的綜合回收。

表6 綜合試驗結果

用顯微鏡對浸出渣進行觀察分析發現,其中銅礦物主要為黃銅礦,粒度較細,一般為5～38 μm,其次為少量銅藍、斑銅礦、輝銅礦、藍輝銅礦,偶見孔雀石、赤銅礦等;鈷礦物主要為硫銅鈷礦,偶見水鈷礦等;其他金屬礦物有褐鐵礦、赤鐵礦、金紅石及少量氧化錳礦物等。為進一步考察浸出渣中銅、鈷損失,對浸出渣中銅、鈷礦物物相進行分析,結果見表7、8。

表7 浸出渣中銅物相的分析結果

表8 浸出渣中鈷物相的分析結果

由表7、8看出:浸出渣中的銅主要以硫化銅及結合銅形式存在,對于酸浸工藝,銅損失率在合理范圍內,銅浸出率很難再提高;浸出渣中的鈷主要以硫化鈷及分散于褐鐵礦、氧化錳礦物、脈石等礦物中的其他鈷形式存在,對于酸浸工藝,進一步細磨,鈷浸出率將有所提高,但幅度有限。

3 結論

采用直接酸浸工藝浸出剛果(金)某低品位氧化銅鈷礦石是可行的。在磨礦細度-74 μm占比85%、浸出溫度60 ℃、硫酸用量150 kg/t、液固體積質量比4∶1、浸出時間90 min條件下,銅、鈷浸出率分別為87.32%、85.52%,渣率為90.4%,酸耗量為129.66 kg/t。該法的銅、鈷浸出效率較高,酸耗較低,回收效果較好。