铜渣主要源于铜矿熔融造锍和精炼过程,我国每年的铜渣产量大约为2000万t,大量铜渣堆积不仅浪费资源、占用土地,而且对环境也会造成影响。磷矿是一种重要的化工原料,在国民经济中起到举足轻重的作用。世界磷矿储量相对丰富,磷矿特点是贫矿多、富矿少,绝大多数属于中低品位磷矿。不能直接利用的中低品位磷矿占比90%以上,如何开发一种新工艺可直接利用中低品位磷矿是所有磷化工企业的期许。本论文提出一种可直接利用铜渣和磷矿制备磷铁的新方法,高温还原后制得的磷铁产品可用作磷或铁的原料,也可用来制备磷酸铁锂新能源电极材料;剩余渣的主要成分为硅酸盐,可用作水泥原料或代替硅灰石使用。本文采用理论计算分析和实验相结合的方式,探究不同因素对铜渣和磷矿协同联产制备磷铁的影响,获得结论如下:(1)经热力学计算得出形成磷铁的最佳条件为:配碳量为14%,钙硅比为1.2以及反应温度为1400℃。通过相图分析可知,在磷和铁均充足条件下,在1105℃可形成Fe₃P,在1258℃时磷铁体系中有Fe₂P出现。固定B₂O₃量为6%,在氧化钙-二氧化硅-氧化铝三元体系中,硅钙比R(w(CaO/SiO₂))为0.33到0.57范围内,体系含氧化铝为0至0.13左右,反应后形成的渣中主要物相为CaSiO₃。(2)经综合分析,铜渣与磷矿协同联产制备磷铁的最佳条件为:T=1400℃,t=60min,C=12%,R(CaO/SiO₂)=1.0,B₂O₃=6%。在此条件下,磷铁的分配系数低于1.459ⅹ10^-4;还原后残留于渣中的铁、铜的量很少,铁、铜的回收率均大于97%。(3)在最佳条件下,铜渣和磷矿还原制备得到磷铁的主要物相为Fe₃P、Fe₂P和少量的金属铁(Fe);铁和磷的含量在磷铁中占比大于95%;还原后的渣的主要物相为CaSiO₃。(4)铜渣与磷矿协同联产制备磷铁的过程中,形成磷铁颗粒随配碳量、反应时间、配比、反应温度和添加剂的量不同而有所变化。配碳量为12%时获得磷铁颗粒最大,反应温度为1400℃时获得磷铁大颗粒最多,配比为1.4时获得磷铁颗粒最大,反应时间越长越有利于磷铁颗粒长大形成大颗粒磷铁,添加剂越多对磷铁颗粒的长大越不利。(5)碳含量充足,一定时间条件下,较低温时首先是铜渣中少量Fe₃O₄与C还原;随温度升高,铜渣中的Fe₂SiO₄以及磷矿中的Ca₅(PO₄)₃F也开始发生反应。磷矿中存在少量的SiO₂,SiO₂、C、Ca₅(PO₄)₃F发生反应产生大量的CaO以及CaSiO₃,CaO的生成促进了Fe₂SiO₄的大量分解,Fe₂SiO₄发生分解时产生大量的SiO₂,SiO₂反过来又促进Ca₅(PO₄)₃F反应的持续、快速的进行,直至Fe₂SiO₄、Ca₅(PO₄)₃F的消耗殆尽,最终反应完成。(6)铜渣被还原后产生铁,Ca₅(PO₄)₃F被还原后产生P₂,P₂与Fe反应形成磷铁。在开始时,形成的磷铁颗粒比较小,随着反应时间的延长,一方面小的磷铁颗粒有充足的时间相互结合形成大颗粒磷铁;另一方面,随反应温度升高,反应体系中形成的液相增多,更有利于小颗粒的磷铁迁移和扩散,集聚形成大颗粒的磷铁。