一种熔盐电脱氧铜渣制备铁硅的方法与流程

本发明属于铜渣资源化利用领域，具体涉及一种熔盐电脱氧铜渣制备铁硅的方法。

背景技术：

铜渣是一种在炼铜工艺中产生的有色金属渣，主要为金属氧化物和硅酸盐矿物。其中金属氧化物主要为：fe3o4、al2o3、cao、mgo、zno，硅酸盐矿物主要为fe2sio4。其中fe和si的含量最高。fe、si为目前日常生活利用最广泛的元素，因此铜渣中有价元素的有效回收对于铜渣的高附加值利用具有重要意义。

目前针对铜渣资源利用技术应用于配制水泥、配制混凝土和砂浆、制备砂磨料、生产砖和隔热板、生产铸石、制备微晶玻璃、用作路基和道基等。铜渣直接用于制造建筑材料存在附加值低，所含有价元素并不能被充分利用的问题。因此随着生产时间的推移，铜渣的处理成了一个严重的经济问题。此外由于大部分的铜渣在尾矿库中采用露天堆放的方式，占用了土地资源，这对土地的综合利用上也有着巨大考验。其次，对环境的危害也是严峻的考验，风化、雨淋和表面渗透后，重金属和其他有害物质很容易污染地下水并破坏土壤环境。因此铜渣的处理以及资源化利用技术迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的，是要提供一种熔盐电脱氧铜渣制备铁硅的方法，以实现铜渣资源的高效综合回收利用，本发明方法过程简单，反应温度较低，能耗低，且无有害气体排放，产物纯度高。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种熔盐电脱氧铜渣制备铁硅的方法，包括以下步骤：

s1、将铜渣进行机械球磨处理，得到粒度为15μm~25μm的铜渣粉末；

s2、将铜渣粉末进行磁选处理，得到磁选尾渣，将磁选尾渣压制成片体制备阴极片，并在惰性气体的保护下对阴极片进行烧结；

s3、在惰性气体的保护下，对电解质进行预处理得到熔盐电解质，将烧结后的阴极片置入熔盐电解质中进行电解；

s4、在惰性气体的保护下，将电解后的阴极产物取出并冷却至室温，洗涤、真空干燥得到铁硅基合金。

作为限定，步骤s1中，机械球磨处理时的转速为150~200rpm，时间为6~10h。

作为第二种限定，步骤s2中，磁选处理时的磁选电流强度为1.0~1.2a，磁选尾渣压制成片体时的压力为10~15mpa，阴极片进行烧结时的温度为700~900℃，时间为5h。

作为第三种限定，步骤s3中，电解质为nacl与cacl2的混合物，nacl与cacl2的摩尔比为1:1；

阴极片与电解质的质量比为1：225；

阴极片置入熔盐电解质中电解时的电压为2.6~3.2v，电解时间为10~24h。

作为第四种限定，步骤s3中，对电解质进行预处理得到熔盐电解质的具体步骤为：

对电解质进行干燥、抽真空除氧，在惰性气体的保护下，将电解质进行梯度升温至熔融温度得到熔盐电解质；以石墨棒为阳极，金属铁棒为阴极，在2.5~3.0v恒电压条件下对熔盐电解质进行12~24h预电解去除残留的杂质。

作为第五种限定，电解质的干燥温度为220~250℃，干燥时间为24~48h；

电解质进行梯度升温的升温速率为5℃/min，熔融温度为700~900℃，保温时间为1~2h。

作为第六种限定，步骤s4中，真空干燥温度为100℃，真空干燥时间为2h。

作为第七种限定，步骤s4中，洗涤的具体过程为：用去离子水和无水乙醇对阴极产物进行浸泡，然后使用超声波清洗机去除阴极产物中残留的熔盐电解质。

本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本发明中电解质采用nacl与cacl2，nacl与cacl2无毒性、无腐蚀性，共熔点低使反应过程更加安全；

（2）本发明通过机械球磨处理在一定程度上减小磁选尾渣前驱体即铜渣粉末的粒径，并使其粒径均匀化，有利于在后续的电解还原过程中氧的脱除，提高脱氧速率；

（3）本发明将磁选尾渣压制成片体制备成阴极片，缩小了磁选尾渣颗粒与颗粒之间的间隙，在电解还原过程中减小颗粒之间的欧姆极化，提高电子传递效率，从而提高脱氧速率；

（4）本发明过程简单，反应温度相对较低，能耗低，能实现铜渣中金属资源的高效综合回收利用。

本发明属于铜渣资源化利用领域，适用于实现铜渣资源的高效综合回收利用。

附图说明

图1为本发明实施例1中硅铁基合金的xrd图；

图2为本发明实施例2中硅铁基合金的xrd图；

图3为本发明实施例3中硅铁基合金的xrd图；

图4为本发明实施例4中硅铁基合金的xrd图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和变化都在本发明权利要求保护的范围之内。

实施例1一种熔盐电脱氧铜渣制备铁硅的方法

本实施例包括以下步骤：

s1、将铜渣置于球磨机中在转速为150rpm条件下进行10h的机械球磨处理，得到粒度为15μm~25μm的铜渣粉末；

s2、称取0.2kg铜渣粉末在1.0a的电流下进行磁选处理，得到0.126kg磁选尾渣，取0.0008kg磁选尾渣在10mpa压力条件下压制成片体制备为阴极片，并在惰性气体的保护下温度为800℃下对阴极片进行烧结5h，用金属铁网布包裹阴极片并用铁丝将其固定于阴极集流体铁棒上；

s3、将0.18kg摩尔比为1:1的电解质cacl2、nacl在250℃的烘干箱中干燥24h；将烘干后的电解质缓慢放入电解槽中，采用耐高温胶对电解槽进行密封，打开真空抽气系统，对电解槽内部进行抽真空处理，消除电解质内部的氧气；当电解槽内负压为-0.07mpa时，关闭真空抽气系统，保持电解槽内部负压状态，从电解槽底部通入氩气，反复3次，保持电解槽内部较好的惰性气氛。通过温度控制系统以5℃/min的升温速率将电解槽温度缓慢升高到850℃，保温1h，将电解质熔融得到熔盐电解质，确保熔盐电解质温度达到实验要求温度；以石墨棒为阳极，金属铁棒为阴极，从电解槽顶部放入，在2.5v恒电压条件下对熔盐电解质进行12h预电解以去除熔盐电解质中残留的杂质；

待电极两端电流达到稳定后，将作为阴极的金属铁棒从电解槽顶部取出，并将绑有阴极片的阴极集流体铁棒置入熔盐电解质中进行电解；其中阴极片置入熔盐电解质中电解时的电压为3.2v，电解时间为10h；

s4、在氩气气体的保护下，将电解后的阴极产物取出并冷却至室温，用去离子水和无水乙醇对阴极产物进行2次浸泡，然后使用超声波清洗机去除阴极产物中残留的熔盐电解质；将洗涤后的阴极产物转移至干燥系统在100℃条件下真空干燥2h，最终得到0.00032kg的硅铁基合金。

本实施例最终得到硅铁基合金的xrd图如图1所示，从图中可以看出，硅铁基合金产物为结晶性良好的fe3si和fesi，fe3si相约占21%，fe5si3相约占79%，产物中无其他杂质相，产物纯度较高。

实施例2一种熔盐电脱氧铜渣制备铁硅的方法

本实施例包括以下步骤：

s1、将铜渣置于球磨机中在转速为180rpm条件下进行6h的机械球磨处理，得到粒度为15μm~25μm的铜渣粉末；

s2、称取0.32kg铜渣粉末在1.1a的电流下进行磁选处理，得到0.184kg磁选尾渣，取0.0008kg磁选尾渣在15mpa压力条件下压制成片体制备为阴极片，并在惰性气体的保护下温度为700℃下对阴极片进行烧结5h，用金属铁网布包裹阴极片并用铁丝将其固定于阴极集流体铁棒上；

s3、将0.18kg摩尔比为1:1的电解质cacl2、nacl在230℃的烘干箱中干燥30h；将烘干后的电解质缓慢放入电解槽中，采用耐高温胶对电解槽进行密封，打开真空抽气系统，对电解槽内部进行抽真空处理，消除电解质内部的氧气；当电解槽内负压为-0.07mpa时，关闭真空抽气系统，保持电解槽内部负压状态，从电解槽底部通入氩气，反复5次，保持电解槽内部较好的惰性气氛。通过温度控制系统以5℃/min的升温速率将电解槽温度缓慢升高到900℃，保持1.2h，将电解质熔融得到熔盐电解质，确保熔盐电解质温度达到实验要求温度；以石墨棒为阳极，金属铁棒为阴极，从电解槽顶部放入，在2.8v恒电压条件下对熔盐电解质进行20h预电解以去除熔盐电解质中残留的杂质；

待电极两端电流达到稳定后，将作为阴极的金属铁棒从电解槽顶部取出，并将绑有阴极片的阴极集流体铁棒置入熔盐电解质中进行电解；其中阴极片置入熔盐电解质中电解时的电压为3.0v，电解时间为12h；

s4、在氩气气体的保护下，将电解后的阴极产物取出并冷却至室温，用去离子水和无水乙醇对阴极产物进行4次浸泡，然后使用超声波清洗机去除阴极产物中残留的熔盐电解质；将洗涤后的阴极产物转移至干燥系统在100℃条件下真空干燥2h，最终得到0.00034kg的硅铁基合金。

本实施例最终得到硅铁基合金的xrd图如图2所示，从图中可以看出，硅铁基合金产物为结晶性良好的fe5si3、fe3si和fesi，fe3si相约占27%，fe5si3相约占33%，fesi相约占40%，产物中无其他杂质相，产物纯度较高。

实施例3一种熔盐电脱氧铜渣制备铁硅的方法

本实施例包括以下步骤：

s1、将铜渣置于球磨机中在转速为200rpm条件下进行8h的机械球磨处理，得到粒度为15μm~25μm的铜渣粉末；

s2、称取0.2kg铜渣粉末在1.2a的电流下进行磁选处理，得到0.121kg磁选尾渣，取0.0008kg磁选尾渣在13mpa压力条件下压制成片体制备为阴极片，并在惰性气体的保护下温度为800℃下对阴极片进行烧结5h，用金属铁网布包裹阴极片并用铁丝将其固定于阴极集流体铁棒上；

s3、将0.18kg摩尔比为1:1的电解质cacl2、nacl在240℃的烘干箱中保温26h；将烘干后的电解质缓慢放入电解槽中，采用耐高温胶对电解槽进行密封，打开真空抽气系统，对电解槽内部进行抽真空处理，消除电解质内部的氧气；当电解槽内负压为-0.07mpa时，关闭真空抽气系统，保持电解槽内部负压状态，从电解槽底部通入氩气，反复5次，保持电解槽内部较好的惰性气氛。通过温度控制系统以5℃/min的升温速率将电解槽温度缓慢升高到700℃，保持2h，将电解质熔融得到熔盐电解质，确保熔盐电解质温度达到实验要求温度；以石墨棒为阳极，金属铁棒为阴极，从电解槽顶部放入，在3.0v恒电压条件下对熔盐电解质进行18h预电解以去除熔盐电解质中残留的杂质；

待电极两端电流达到稳定后，将作为阴极的金属铁棒从电解槽顶部取出，并将绑有阴极片的阴极集流体铁棒置入熔盐电解质中进行电解；其中阴极片置入熔盐电解质中电解时的电压为2.8v，电解时间为24h；

s4、在氩气气体的保护下，将电解后的阴极产物取出并冷却至室温，用去离子水和无水乙醇对阴极产物进行5次浸泡，然后使用超声波清洗机去除阴极产物中残留的熔盐电解质；将洗涤后的阴极产物转移至干燥系统在100℃条件下真空干燥2h，最终得到0.00035kg的硅铁基合金。

本实施例最终得到硅铁基合金的xrd图如图3所示，从图中可以看出，硅铁基合金产物为结晶性良好的fe5si3、fe3si和fesi，fe3si相约占18%，fe5si3相约占45%，fesi相约占37%，产物中无其他杂质相，产物纯度较高。

实施例4一种熔盐电脱氧铜渣制备铁硅的方法

本实施例包括以下步骤：

s1、将铜渣置于球磨机中在转速为190rpm条件下进行7.5h的机械球磨处理，得到粒度为15μm~25μm的铜渣粉末；

s2、称取0.30kg铜渣粉末在1.1a的电流下进行磁选处理，得到0.152kg磁选尾渣，取0.0008kg磁选尾渣在12mpa压力条件下压制成片体制备为阴极片，并在惰性气体的保护下温度为900℃下对阴极片进行烧结5h，用金属铁网布包裹阴极片并用铁丝将其固定于阴极集流体铁棒上；

s3、将0.18kg摩尔比为1:1的电解质cacl2、nacl在220℃的烘干箱中保温48h；将烘干后的电解质缓慢放入电解槽中，采用耐高温胶对电解槽进行密封，打开真空抽气系统，对电解槽内部进行抽真空处理，消除电解质内部的氧气；当电解槽内负压为-0.07mpa时，关闭真空抽气系统，保持电解槽内部负压状态，从电解槽底部通入氩气，反复2次，保持电解槽内部较好的惰性气氛。通过温度控制系统以5℃/min的升温速率将电解槽温度缓慢升高到700℃，保持2h，将电解质熔融得到熔盐电解质，确保熔盐电解质温度达到实验要求温度；以石墨棒为阳极，金属铁棒为阴极，从电解槽顶部放入，在2.6v恒电压条件下对熔盐电解质进行24h预电解以去除熔盐电解质中残留的杂质；

待电极两端电流达到稳定后，将作为阴极的金属铁棒从电解槽顶部取出，并将绑有阴极片的阴极集流体铁棒置入熔盐电解质中进行电解；其中阴极片置入熔盐电解质中电解时的电压为2.6v，电解时间为20h；

s4、在氩气气体的保护下，将电解后的阴极产物取出并冷却至室温，用去离子水和无水乙醇对阴极产物进行5次浸泡，然后使用超声波清洗机去除阴极产物中残留的熔盐电解质；将洗涤后的阴极产物转移至干燥系统在100℃条件下真空干燥2h，最终得到0.00041kg的硅铁基合金。

本实施例最终得到硅铁基合金的xrd图如图4所示，从图中可以看出，产物为结晶性良好的fe3si和fe5si3，fe3si相约占74%，fe5si3相约占26%，产物中无其他杂质相，产物纯度较高。