本發(fā)明涉及一種銅冶煉渣與煤矸石匹配綜合利用新方法，特別是涉及一種煉銅熔融渣配加煤矸石電爐熔煉保溫制備無(wú)機(jī)礦物纖維的方法，屬于資源綜合利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，我國(guó)銅產(chǎn)量迅速增加，其中約97%是通過(guò)火法冶金生產(chǎn)的，根據(jù)1噸銅產(chǎn)出2-3噸冶煉渣計(jì)算，銅冶煉渣年產(chǎn)量達(dá)1100萬(wàn)噸以上，但其總利用率還不足10%。
煤矸石是煤炭開(kāi)采及利用過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢渣，是我國(guó)排放量最大的工業(yè)廢棄物之一，約占我國(guó)工業(yè)固體廢物的四分之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年的煤矸石排放量約達(dá)3.8 億噸，其綜合利用率在20%左右。有關(guān)部門(mén)的材料顯示，全國(guó)歷年累計(jì)堆存的煤矸石約40億噸，占地1.2萬(wàn)公頃。
銅冶煉渣及煤矸石的堆積不但占用大量土地，而且還帶來(lái)一系列環(huán)境問(wèn)題，如渣山溢流水使地下水呈現(xiàn)高礦度化、高硬度化，導(dǎo)致土壤酸堿化，使農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收；銅冶煉渣一般含有30-40%的鐵，0.5%左右的銅，均高于我國(guó)鐵礦和銅礦的最低開(kāi)采品位，大量鐵銅資源得不到有效利用，造成浪費(fèi)；煤矸石長(zhǎng)時(shí)間露天堆積后，往往會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象，并排放出大量有毒的二氧化硫、硫化氫、氮氧化物、一氧化碳和二氧化碳等氣體，污染周邊環(huán)境，破壞生態(tài)平衡。
固體廢棄物處理一直是人們關(guān)注的問(wèn)題，多年來(lái)，人們一直致力于銅冶煉渣與煤矸石綜合利用方面的研究，研發(fā)技術(shù)方向主要包括。
在銅冶煉渣利用方面：國(guó)內(nèi)一些企業(yè)利用廢渣做為三渣路基料、混凝土骨料和工程回填料；也有企業(yè)利用廢渣與石灰、砂等混合攪拌制造渣磚，做墻體材料；還有一些企業(yè)對(duì)廢渣進(jìn)行破碎、篩分、磁選、烘干，利用球磨機(jī)進(jìn)行粉磨、篩分，生產(chǎn)出用作水泥和混凝土使用高活性摻合料的磨細(xì)鋼渣粉，可代替10-40%的水泥；也有一些企業(yè)利用銅冶煉渣生產(chǎn)礦渣棉及利用銅冶煉渣選礦回收其中的有價(jià)元素銅和鐵。
煤矸石綜合利用方面：煤矸石作填筑材料，主要是指充填溝谷、采煤塌陷區(qū)等低洼區(qū)的建筑工程用地，或用于填筑鐵路、公路路基等，或用于回填煤礦采空區(qū)及廢棄礦井；煤矸石制磚，利用煤矸石自身的發(fā)熱量提供的熱能來(lái)完成干燥和焙燒的工藝過(guò)程，基本不需外加燃料，僅在煤矸石發(fā)熱量較低時(shí)才向煤矸石中參入少量煤炭；制作水泥，由于煤矸石和粘土的化學(xué)成分相近并且含一定量的炭和熱量，可替代粘土作為生產(chǎn)水泥的原材料或作為混合材料直接摻入熟料中增加水泥的產(chǎn)量；煤矸石發(fā)電，是煤矸石綜合利用中社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益相統(tǒng)一的最有效途徑，也是利用煤矸石的重頭戲；提取鋁鹽，煤矸石一般含有16%～36%的氧化鋁,是制備Al(OH)3、Al2O3、AlCl3等鋁鹽很好的資源，但是由于世界鋁金屬長(zhǎng)期供大于求，價(jià)格處于低位，從煤矸石中提取氧化鋁始終受到成本的嚴(yán)重制約。
盡管銅冶煉渣和煤矸石綜合利用方法較多，但綜合利用率均不高，其原因主要是處理工藝流程復(fù)雜及成本費(fèi)用高、產(chǎn)品市場(chǎng)占有率受限、未能實(shí)現(xiàn)完全利用并產(chǎn)生二次污染等。
針對(duì)銅冶煉渣與煤矸石綜合利用工藝技術(shù)存在的不足，冶金工作者正在積極研發(fā)銅冶煉渣與煤矸石有效綜合利用途徑。銅冶煉渣及煤矸石制備無(wú)機(jī)礦物纖維并應(yīng)用于制造建筑保溫材料，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。
人造無(wú)機(jī)礦物纖維是利用工業(yè)固體廢棄物配加一種或多種造渣劑熔化后，利用專(zhuān)門(mén)工藝制備的替代天然礦物纖維的一種材料，廣泛應(yīng)用于保溫、吸音產(chǎn)品生產(chǎn)。目前由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)工業(yè)保溫、建筑保溫和各種材料的需求非常大。據(jù)相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，雖然受到政府調(diào)控的影響，但2013年全國(guó)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)投資86013億元，同比增長(zhǎng)19.8%；房屋施工及新開(kāi)工面積同比均增長(zhǎng)10%以上，這是個(gè)巨大的數(shù)字。礦棉吸音板具有優(yōu)越的性能，廣泛應(yīng)用在大型商業(yè)設(shè)施及公共設(shè)施的裝修、裝飾，2013年消費(fèi)量1.2億平方米，同比增長(zhǎng)20.5%。按照國(guó)家《建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》的要求，如此巨大的建筑工程量必將為保溫材料行業(yè)提供巨大的市場(chǎng)空間，也為該項(xiàng)目生產(chǎn)的無(wú)機(jī)礦物纖維產(chǎn)品巨大的市場(chǎng)需求。
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)供保溫、吸音材料使用無(wú)機(jī)礦物纖維產(chǎn)品的企業(yè)多為小企業(yè)，普遍使用的工藝技術(shù)是采用小型鼓風(fēng)爐，以焦炭為燃料加吹富氧熔化原料，然后使用專(zhuān)有設(shè)備制成無(wú)機(jī)礦物纖維。這一工藝已有數(shù)年的應(yīng)用歷史，但一直存在著一些不容忽視的問(wèn)題，直接影響這一技術(shù)的發(fā)展和推廣，其主要表現(xiàn)是。
（1）冷料入爐、能耗大、成本高。
小型鼓風(fēng)爐冶煉工業(yè)固體廢棄物均為冷料入爐，生產(chǎn)一噸無(wú)機(jī)礦物纖維需消耗500-800kg焦炭，能耗高；另外，加上制氧系統(tǒng)等費(fèi)用，其總成本費(fèi)用較高，現(xiàn)行工藝生產(chǎn)無(wú)機(jī)礦物纖維基本處于微利或保本狀態(tài)。
（2）設(shè)備小，生產(chǎn)規(guī)模受限。
小型鼓風(fēng)爐冶煉工業(yè)固體廢棄物生產(chǎn)無(wú)機(jī)礦物纖維主要冶煉設(shè)備一般是∮1200×3000mm小型鼓風(fēng)爐，爐容約3.4m3，產(chǎn)渣量2-2.5噸/小時(shí)，難以形成規(guī)模性生產(chǎn)處理大量積存的工業(yè)廢棄物。
（3）工藝設(shè)備落后，污染嚴(yán)重。
小型鼓風(fēng)爐制造無(wú)機(jī)礦物纖維熔化原料過(guò)程是以焦炭為燃料加吹富氧,在氧化氣氛條件下進(jìn)行的。在高度氧化氣氛燃燒條件下煙氣的NOX約600－800 mg/m3；SO2因冶煉原料不同平均達(dá)到14.28g/m3，經(jīng)過(guò)一般性處理，仍有3000mg/m3左右排放濃度。又因爐體小,廢氣不能經(jīng)濟(jì)回收利用，二氧化硫、氮氧化物平均排放濃度達(dá)到均超過(guò)國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，年總排放量非常巨大，嚴(yán)重污染環(huán)境。
（4）熔煉溫度受限、產(chǎn)品質(zhì)量檔次低。
由于工藝本身的限制，熔化溫度一般在1500左右，高熔點(diǎn)金屬氧化物熔化不徹底，導(dǎo)致纖維中Si、Al等含量偏低，無(wú)機(jī)滿(mǎn)足高檔產(chǎn)品對(duì)無(wú)機(jī)礦物纖維的要求。
（3）煤矸石中碳及銅冶煉渣中鐵利用價(jià)值低。
現(xiàn)行煤矸石制備無(wú)機(jī)纖維技術(shù)中，煤矸石中的固定碳只起到了燃燒發(fā)熱的作用，是最基本的低價(jià)值利用；銅冶煉渣中鐵及銅未能實(shí)現(xiàn)有效綜合利用。
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中鼓風(fēng)爐熔化銅冶煉渣與煤矸石制備無(wú)機(jī)礦纖維存在的能耗高、污染重、效益低的問(wèn)題，本領(lǐng)域的生產(chǎn)廠家亟待能夠開(kāi)發(fā)出一種有效改進(jìn)上述不足的新技術(shù)工藝。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和大量試驗(yàn)后，提供一種煉銅熔融渣配加煤矸石電爐熔煉保溫制備無(wú)機(jī)礦物纖維的方法。本發(fā)明有效地利用了煤矸石與銅冶煉渣成份及顯熱，轉(zhuǎn)化成為一系列的高附加值產(chǎn)品，具有低成本高產(chǎn)出的特點(diǎn)。利用這兩種工業(yè)廢棄物制備的無(wú)機(jī)礦物纖維生產(chǎn)建筑保溫材料有效地減少了天然礦物纖維礦產(chǎn)的開(kāi)采，減少了對(duì)環(huán)境和生態(tài)的破壞；可以代替石棉礦物纖維，減少了生產(chǎn)和環(huán)境對(duì)人體健康的損害；制成的建筑保溫材料防火等級(jí)高，減少了火災(zāi)隱患。煤矸石中碳及銅渣中鐵和銅的綜合利用，解決了資源浪費(fèi)問(wèn)題；副產(chǎn)品含銅生鐵可作為生產(chǎn)高品質(zhì)耐菌不銹鋼原料，提升了項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益及影響力。
本發(fā)明給出的技術(shù)方案是：一種煉銅熔融渣配加煤矸石電爐熔煉保溫制備無(wú)機(jī)礦物纖維的方法，其特點(diǎn)是。
所述煉銅熔融渣的主要成份（質(zhì)量%）為：SiO2 35.49～38.66%，F(xiàn)e 35.87～40.27%，MgO 1.89～3.10%，CaO 4.61～7.55%，Al2O3 1.86～2.06%，Cu 0.482～0.553%。
所述煤矸石的主要成份（質(zhì)量%）為：固定碳含量10.30～12.06%；灰分含量76.81～80.31%，其中SiO2 60.25～65.25%，Al2O320.68～22.06%，F(xiàn)e2O37.33～9.81%。在制備無(wú)機(jī)礦物纖維試驗(yàn)過(guò)程中，熔融的銅冶煉渣流入礦熱電爐中，然后把煤矸石及少量的造渣劑石灰按照配料比加到電爐中進(jìn)行熔煉保溫，在制備纖維的同時(shí)產(chǎn)出副產(chǎn)品含銅耐菌不銹鋼。
使用原料配比為銅冶煉渣：煤矸石：石灰=100～130：100～105：5～8，在1000KVA礦熱電爐中冶煉熔化3小時(shí)；冶煉結(jié)束后, 銅鐵合金放出鑄錠，熔渣流入200KVA礦熱保溫電爐，再?gòu)谋仉姞t中以4000-4500kg/h流量連續(xù)恒流量給入JLX2.5-300型四輥成纖機(jī)制備出無(wú)機(jī)礦物纖維。在熔融渣保溫溫度1550～1600±50℃、熔融渣粘度57～71泊、成纖機(jī)線速度180 m/s，高壓風(fēng)風(fēng)壓0.7～0.8MPa條件下制纖，所得纖維產(chǎn)品主要指標(biāo)為。
纖維主要成份SiO2 53.81～56.74%、Al2O310.85～15.22%、CaO 11.96～13.91%、MgO 4.62～6.96%、FeO 7.87～9.62%；纖維理化指標(biāo)為直徑平均6.95～9.13μm、長(zhǎng)徑比108～120、抗拉強(qiáng)度1720 ～1980Mpa、PH值7.81～7.92，纖維成纖率75.14～76.31%。纖維理化指標(biāo)基本滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。
同時(shí)電爐冶煉得到副產(chǎn)品銅鐵合金產(chǎn)品，主要指標(biāo)中銅鐵合金成份有 Cu 1.82～2.10%、Si 0.57～0.82%、C 0.22～ 0.30%，F(xiàn)e﹥95%，銅回收率76.33～80.26%，鐵回收率94.88～96.05%，合金成份滿(mǎn)足耐菌不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明取得的有益效果是。
（1）充分利用銅冶煉渣與煤矸石的有益制纖成份。
人造保溫材料用無(wú)機(jī)礦物纖維的成份一般為SiO2：40-60%，Al2O3：10-15%，MgO+CaO：10-25%，F(xiàn)e：5-10%。煤矸石主要成份為SiO2和Al2O3,銅冶煉渣主要成份為SiO2、Fe2O3及CaO,將二者進(jìn)行有效的匹配，即可生產(chǎn)出符合要求的礦物無(wú)機(jī)纖維。
（2）采用礦熱電爐利用熱渣熔煉保溫。
采取煉銅熱渣直接流入礦熱電爐，然后添加一定量的煤矸石進(jìn)行熔煉保溫；本發(fā)明有四個(gè)方面益處：第一方面，該工藝充分利用了銅冶煉渣的顯熱，大大降低了制纖成本，增強(qiáng)了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力；第二方面，大功率礦熱電爐的使用，極大地提高了物料處理量，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)模化；第三方面，礦熱電爐冶煉可提高爐渣溫度，使高熔點(diǎn)Si、Al氧化物充分熔化，保證和提高纖維產(chǎn)品質(zhì)量；第四方面是做到了從源頭削減二氧化硫、氮氧化物排放污染。本發(fā)明采用電爐熔煉，冶煉過(guò)程不再添加焦炭等含硫還原劑。此外，與鼓風(fēng)爐富氧燃燒焦炭不同，電爐冶煉是在強(qiáng)還原氣氛下進(jìn)行，不為N2在高溫下氧化生成NOx創(chuàng)造條件，因此氮氧化物及二氧化硫的的排放也從源頭上得到了削減。
（3）銅冶煉渣中的銅鐵及煤矸石中碳得到充分利用。
銅冶煉渣一般含有30-40%的鐵﹑0.5%左右的銅，煤矸石一般含有10－20%的固定碳，一般情況下它是作為燃料燃燒掉。本發(fā)明設(shè)計(jì)了利用這部分碳作為還原劑在熔煉過(guò)程把銅渣中的銅和鐵還原成含銅耐菌不銹鋼副產(chǎn)品。這部分銅鐵耐菌不銹鋼鐵產(chǎn)品的價(jià)值基本可抵消熔煉過(guò)程的能源成本，從而大幅度地降低無(wú)機(jī)纖維的制造成本，提高項(xiàng)目的整體經(jīng)濟(jì)效益。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做詳細(xì)介紹。
實(shí)施例1。
半工業(yè)試驗(yàn)銅冶煉渣為撫順紅透山礦業(yè)有限公司所產(chǎn)銅渣，該銅冶煉渣主要成份為：SiO2 36.82%，F(xiàn)e 38.52%，MgO 2.63%，CaO7.55%，Al2O32.06%，Cu0.553%。煤矸石為山西大同煤業(yè)有限公司的煤矸石，固定碳含量10.30%；灰分含量78.69%，其中SiO2 65.25%，Al2O322.06%，F(xiàn)e2O39.81%。在制備無(wú)機(jī)礦物纖維試驗(yàn)過(guò)程中，熔融的銅冶煉渣以一定方式流入礦熱電爐中，然后把煤矸石及少量的造渣劑石灰按照配料比加到電爐中進(jìn)行熔煉保溫，在制備纖維的同時(shí)產(chǎn)出副產(chǎn)品含銅耐菌不銹鋼。
半工業(yè)試驗(yàn)使用原料配比為銅冶煉渣：煤矸石：石灰=100：100：5，在1000KVA礦熱電爐中冶煉熔化3小時(shí)；冶煉結(jié)束后, 銅鐵合金放出鑄錠，熔渣流入200KVA礦熱保溫電爐，再?gòu)谋仉姞t中以4000-4500kg/h流量連續(xù)恒流量給入JLX2.5-300型四輥成纖機(jī)制備出無(wú)機(jī)礦物纖維。在熔融渣保溫溫度1550±50℃、熔融渣粘度57泊、成纖機(jī)線速度180 m/s，高壓風(fēng)風(fēng)壓0.8MPa條件下制纖，所得纖維產(chǎn)品主要指標(biāo)為。
纖維主要成份SiO2 55.37%、Al2O312.56%、CaO12.35%、MgO 6.96%、FeO7.87%；纖維理化指標(biāo)為直徑平均8.15μm、長(zhǎng)徑比110、抗拉強(qiáng)度1760 Mpa、PH值7.86，纖維成纖率75.14%。纖維理化指標(biāo)基本滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。
同時(shí)電爐冶煉得到副產(chǎn)品銅鐵合金產(chǎn)品，主要指標(biāo)中銅鐵合金成份有 Cu 2.10%、Si 0.82%、C 0.27%，F(xiàn)e﹥95%，銅回收率80.26%，鐵回收率96.05%，合金成份滿(mǎn)足耐菌不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。
實(shí)施例2。
半工業(yè)試驗(yàn)銅冶煉渣為銅陵有色金屬集團(tuán)所產(chǎn)銅渣，該銅冶煉渣主要成份為：SiO2 38.66%，F(xiàn)e 40.27%，MgO 1.89%，CaO4.61%，Al2O31.86%，Cu0.51%。煤矸石為內(nèi)蒙鄂爾多斯某煤礦的煤矸石，固定碳含量11.09%；灰分含量80.31%，其中SiO2 56.29%，Al2O331.06%，F(xiàn)e2O37.33%。在制備無(wú)機(jī)礦物纖維試驗(yàn)過(guò)程中，熔融的銅冶煉渣以一定方式流入礦熱電爐中，然后把煤矸石及少量的造渣劑石灰按照配料比加到電爐中進(jìn)行熔煉保溫，在制備纖維的同時(shí)產(chǎn)出副產(chǎn)品含銅耐菌不銹鋼。
半工業(yè)試驗(yàn)使用原料配比為銅冶煉渣：煤矸石：石灰=130：100：8，在1000KVA礦熱電爐中冶煉熔化3小時(shí)；冶煉結(jié)束后, 銅鐵合金放出鑄錠，熔渣流入200KVA礦熱保溫電爐，再?gòu)谋仉姞t中以4000-4500kg/h流量連續(xù)、恒流量給入JLX2.5-300型四輥成纖機(jī)制備出無(wú)機(jī)礦物纖維。在熔融渣保溫溫度1600±50℃、熔融渣粘度71泊、成纖機(jī)線速度180 m/s，高壓風(fēng)風(fēng)壓0.7MPa條件下制纖，所得纖維產(chǎn)品主要指標(biāo)為。
纖維主要成份SiO2 53.81%、Al2O315.22%、CaO11.96%、MgO 5.18%、FeO9.62%；纖維理化指標(biāo)為直徑平均6.95μm、長(zhǎng)徑比120、抗拉強(qiáng)度1980 Mpa、PH值7.92，纖維成纖率76.31%，纖維理化指標(biāo)基本滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。
同時(shí)電爐冶煉得到副產(chǎn)品銅鐵合金產(chǎn)品，主要指標(biāo)中銅鐵合金成份有 Cu 1.89%、Si 0.73%、C 0.30%，F(xiàn)e﹥95%，銅回收率78.91%，鐵回收率94.88%，滿(mǎn)足耐菌不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。
實(shí)施例3。
半工業(yè)試驗(yàn)銅冶煉渣為湖北大冶有色金屬公司所產(chǎn)銅渣，該銅冶煉渣主要成份為：SiO2 35.49%，F(xiàn)e 35.87%，MgO 3.10%，CaO6.21%，Al2O32.06%，Cu0.482%。煤矸石為黑龍江七臺(tái)河煤礦的煤矸石，固定碳含量12.06%；灰分含量76.81.31%，其中SiO2 60.25%，Al2O320.68%，F(xiàn)e2O39.81%。在制備無(wú)機(jī)礦物纖維試驗(yàn)過(guò)程中，熔融的銅冶煉渣以一定方式流入礦熱電爐中，然后把煤矸石及少量的造渣劑石灰按照配料比加到電爐中進(jìn)行熔煉保溫，在制備纖維的同時(shí)產(chǎn)出副產(chǎn)品含銅耐菌不銹鋼。
半工業(yè)試驗(yàn)使用原料配比為銅冶煉渣：煤矸石：石灰=100：105：8，在1000KVA礦熱電爐中冶煉熔化3小時(shí)；冶煉結(jié)束后, 銅鐵合金放出鑄錠，熔渣流入200KVA礦熱保溫電爐，再?gòu)谋仉姞t中以4000-4500kg/h流量連續(xù)、恒流量給入JLX2.5-300型四輥成纖機(jī)制備出無(wú)機(jī)礦物纖維。在熔融渣保溫溫度1550±50℃、熔融渣粘度58泊、成纖機(jī)線速度180 m/s，高壓風(fēng)風(fēng)壓0.7MPa條件下制纖，所得纖維產(chǎn)品主要指標(biāo)為。
纖維主要成份SiO2 56.74%、Al2O310.85%、CaO13.91%、MgO 4.62%、FeO8.17%；纖維理化指標(biāo)為直徑平均9.13μm、長(zhǎng)徑比108、抗拉強(qiáng)度1720 Mpa、PH值7.81，纖維成纖率75.60%，纖維理化指標(biāo)基本滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。
同時(shí)電爐冶煉得到副產(chǎn)品銅鐵合金產(chǎn)品，主要指標(biāo)中銅鐵合金成份有 Cu 1.82%、Si 0.57%、C 0.22%，F(xiàn)e﹥95%，銅回收率76.33%，鐵回收率95.16%，滿(mǎn)足耐菌不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。