CuS氧化焙烧过程的实验研究

CuS氧化焙烧过程的实验研究

赵洁婷郭兴敏

(北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083)

摘要本文采用热重、气体分析以及X射线衍射等分析手段，对CuS氧化焙烧过程机理进行了研究。实验结果表明：在空气下以3℃/min的升温速率，CuS的焙烧过程可分为四个阶段，第一阶段(200~300℃)，CuS氧化生成Cu2S 和SO2，Cu2S进一步氧化生成CuO·CuSO4、CuSO4，最终稳定产物是CuSO4；第二阶段(300~400℃)，此过程没有SO2逸出，第一阶段残留的Cu2S和CuO·CuSO4不断地被氧化成硫酸盐；第三阶段(400~600℃)，硫酸盐在此温度范围内可以稳定存在；第四阶段(600~760℃)，CuSO4和CuO·CuSO4分解生成SO2，最终产物为CuO。

关键词CuS 氧化焙烧SO2热重

Experimental Study on Oxidizing Roasting Process of CuS

Zhao Jieting Guo Xingmin

(School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and

Technology Beijing, Beijing, 100083)

Abstract The oxidizing roasting mechanism of CuS was studied by employing thermogravimetric (TG), tail assay and X-ray diffraction (XRD) analysis. Results showed that the roasting process can be divided into four stages with heating rates of 3℃/min in air. In the first stage (200~300℃), CuS was oxidized into Cu2S and SO2, subsequently Cu2S was further oxidized into CuO·CuSO4 and CuSO4, then final product viz. stable CuSO4 was obtained. In the second stage (300~400℃), no SO2 was detected, whereas Cu2S and CuO·CuSO4 remained during the first stage were oxidized into sulfate constantly.

In the third stage (400~600℃),sulfate was found stable in this temperature range. In the fourth stage (600~760℃), CuO·CuSO4 and CuSO4 decompose into SO2, and the final product was confirmed to be CuO.

Key words CuS oxidizing roasting SO2TG

1 引言

近十几年来，我国钢铁工业持续高速发展，铁矿石资源随之日益枯竭，且我国的铁矿资源丰而不富，自给率仅为50%左右，是世界上最大的铁矿进口国。因此，开发利用二次资源是钢铁工业实现可持续发展的重要途径[1~4]。我国炼铜炉渣产量大，每年产出150多万吨以上[5]，且铁含量高，在40%左右[6]。目前，一些大型企业将炼铜炉渣作为建筑材料的原料，虽然从环境的角度实现了铜渣的“零排放”，但是从资源和经济的角度来看，并没有实现对铜渣的高效综合利用[7]。若直接使用铜渣作为炼铁原料，品位还比较低，并且其中的铜元素势必会对钢铁冶炼带来影响。因此，采取不同的生产工艺，回收提取铜渣中的铁铜，并将其分离开来，不仅缓解了进口铁矿石的压力，而且铜的回收也产生了巨大的经济效益。铜渣铁铜的回收对资源、经济和环境都有十分重要的意义。

基金项目：国家自然科学基金项目资助(No.50974012)和“863”计划项目资助（No.2006AA06Z125）。

赵洁婷，女，硕士，从事二次资源综合利用的研究，zjt_ustb@

郭兴敏，男，博士，教授，博导，从事冶金及物理化学方面的研究，guoxm@

第八届（2011）中国钢铁年会论文集

铜渣中回收铁铜的方法，主要有选矿法(磁选，浮选)、湿法分离法(直接，间接)和火法焙烧法（氯化焙烧，硫酸化焙烧等）[8]，其中氯化焙烧法作为分离有色金属与铁的有效途径之一，分为中低温焙烧和高温焙烧。印度冶金学高级研究中心在实验室范围内研究了低温氯化焙烧硫化精矿，使有色金属转变成可溶于水或稀酸的氯化物，然后浸出，成功地提取了铜和锌。另外，黄铁矿烧渣进行高温氯化焙烧也得到应用[9,10]。

铜渣中的铁大部分以硅酸铁形式存在，铜主要以硫化铜形式存在[4,6,11~13]。高温氯化焙烧可以使铜转化为氯化物挥发收集，铁不易转化为氯化物，留在渣中作为炼铁原料。使用固体氯化剂进行焙烧过程中，反应非常复杂，同时或依次存在着氧化、硫化和原位氯化反应[14]。为了明确氯化焙烧过程机理，本文以CuS为研究对象，采用热重分析法、X射线衍射和尾气分析法对氯化焙烧过程中的氧化机理进行研究，为探索氯化焙烧机理奠定基础。

2 实验方法

2.1热重实验及焙烧产物分析

把CuS试剂(AR，北京北化福瑞化工有限公司)研磨成同一粒度范围，用电子天平(精度为0.0001g)称取1g试样放入刚玉坩埚中，坩埚置于竖式铁铬铝丝炉中以3℃/min的升温速率从200℃升至760℃，然后恒温30min进行热重实验。通过质量流量控制系统，以1500mL/min流量通入空气。根据热重曲线特点，再选取不同温度下的焙烧产物做XRD分析，分析在MAC-21超高功率高温X射线衍射仪上进行，确认焙烧产物。实验装置如图1(a)所示。

2.2气体分析实验

通过实验中尾气的SO2浓度测定，结合热重曲线研究CuS的氧化焙烧机理。考虑到气体分析仪的测量上限和实验精度，气体分析实验在卧式铁铬铝丝炉中进行，实验气氛分别为含氧21%、10.5%和7%，每次取试样0.1g试样放入刚玉瓷舟中，将瓷舟置于石英管中，再放入卧式炉中加热，以保证整个反应过程中的气密性。升温速率条件与热重实验条件相同；采用SWG 300-1气体分析仪，实时记录尾气中SO2体积分数，获得不同氧浓度下SO2气体生成过程，配合热重曲线分析反应机理。实验装置如图1(b)所示。

图1 实验装置图

（a）热重装置；（b）气体分析

1—电子天平；2—气体出口；3—炉身；4—耐火材料；5—下盖；6—电阻丝；7—镍铬镍硅丝；8—坩埚；9—试样；10—热电偶； 11—气体进口；

12—上盖；13—细刚玉管；14—气瓶；15—质量流量控制系统；16—瓷舟；17—卧式炉；18—石英管；19—红外气体分析仪；20—数据采集电脑