铜是现代经济发展的基础工业原料之一，由于其具有良好的导电导热性能、抗磨耐磨性能、延展性能及可塑性，在电子电器、交通设备、机械制造、能源运输和建筑行业都有着广泛的应用。工业时代开始，从矿石中进行冶炼提取金属时遗留下来的玻璃状物质残渣被认为是废物，在造锍熔炼和火法吹炼过程中产生的铜渣就是其中一种。据估计，在铜的生产过程中，每产出1t铜会制造大约2.2t铜渣。2017年我国精铜产量为895万吨，铜渣产生量超过1600万吨，堆放的铜渣数量已超过5000万吨，浪费了大量的土地资源，并且铜渣中含有的金属离子会对环境会造成不利影响。根据冶炼设备的不同，可将铜渣分为闪速炉渣、转炉渣、电炉渣、真空炉渣、反射炉渣、鼓风炉渣等。表1为几种不同冶炼炉渣的化学组成。
表1几种铜熔炼炉渣的化学成分（质量分数）单位：%
1铜渣中有价金属的回收
1.1火法贫化
火法贫化是回收铜渣中有价金属元素最简单、最直接的方法。这种方法是以碳热还原为基础，将铜渣中的金属和部分铁富集在富铁合金中。火法贫化常用的工艺有还原造锍熔炼和返回重熔。由于铜冶炼是在氧化气氛下进行的，渣中含有大量的Fe3O4。Fe3O4的熔点很高，铜渣中含有大量Fe3O4会使铜渣黏度升高，并且会面临炉渣还原性不足的问题，不利于金属的回收。为了使熔渣中各元素含量平衡、降低熔点、改善黏度，从而使渣中金属元素能更好地分离出来，需要加入碳粉、硫化亚铁等还原剂。其原理是碳粉和硫化亚铁等物质可以使Fe3O4转化为FeO，增加渣中铜锍颗粒的碰撞概率，从而使锍相汇聚生长并沉降。典型的工艺为底吹熔炼工艺（图1）。目前常用处理方法有电炉贫化法、真空炉贫化法、反射炉贫化法等。火法贫化法处理铜渣发生的主要反应见式(1)～式(3)。
图1底吹熔炼炉
还原熔炼有着回收率低、余渣含铜量高的问题。而氯对所有金属几乎都有着高反应性，但是不同金属氯化物蒸气压却存在明显差异。因此，近几年基于该原理的氯化熔炼（图2）被开发了出来。该工艺发生的主要反应见式(4)～式(7)。
氯化冶炼已经被应用于提取处理固体废弃物中有价金属和改善低品位矿石工艺中。王谦等对使用FeCl2去除电炉炉尘中的有价金属进行了研究，结果表明，在600～900℃下，几乎全部CuO和少量FeO会转化为气相氯化物。Pickles对电弧炉粉尘选择性氯化热力学分析进行了研究，研究结果表明有色金属能优先氯化为气态氯化物，并以这种方式与铁分离，同时发现氯化钙的生成能降低氯化铁的产生，惰性气体能增强有色金属的回收率，加入一定量的氧气，可以提高氧化铁的稳定性从而提高氧化铁的稳定性减少氧化铁转化为气态氯化铁。李磊等对氯化熔炼去除铜渣中的铜进行了研究，使用CaCl2添加剂，在1300℃下进行氯化熔炼能高效去除铜渣中的铜，N2流速为0.3L/min时，铜的回收率最高为62.96%，而当增加O2流速到0.4L/min时，铜回收率能提高到90.38%，余渣中铜品位仅为0.2%。
1.2湿法浸出
针对浸出工艺药剂昂贵、产生高污染废水等问题，生物浸出技术一直是环境友好型浸出技术的研究热点。生物浸出技术是通过培养对某些元素有特殊嗜好的微生物，提取矿石中的有价金属的方法。这种浸出技术有着环保、可处理低品位矿石、能耗低等十分显著的优点，但存在占地面积大、培养周期长、反应速率慢、生产效率低等问题，这限制了该技术的工业应用。目前生物浸出技术在硫化矿的浸出领域已经取得了许多进展，在铜渣浸出领域该技术也有着十分重要的研究价值。由于微生物在浸出过程中的作用机理不同，生物浸出又分为直接生物浸出和间接生物浸出。直接生物浸出是利用在某种微生物的生命活动过程中，为了获取生命活动所需的能量，会将硫化物矿物氧化成氧化矿物，从而使不溶性硫化物转化为可溶性硫酸盐。其氧化反应见式(10)~式(14)。
Carranza等用细菌活动氧化硫化矿产生的Fe3+对铜渣浮选尾矿进行浸出，采用铁浸法可使铜的浸出率达到66%，尾矿中铜的含量由0.78%降低到0.24%。铜渣的湿法浸出能将铜渣中有价金属转化为离子形态，在回收Cu的同时，Co、Ni、Zn等伴生金属也能有将近90%的回收率，是一种十分高效的回收方法。并且浸出可以在常温或者低加温的条件下操作，无废气、低能耗、回收率高，能处理低品位渣。但是由于需要对铜渣进行氧化才能有效浸出，这个过程需要在酸性条件下进行，因此湿法冶金过程往往需要昂贵且带有腐蚀性的药剂，且浸出液中大量的铁离子对湿法冶金过程会有不利影响。氨浸的选择性强，可以在浸出铜时将大部分铁保留在尾渣中，并且后续过滤效率也得到了提高，但氨浸工艺的浸出率低限制了其在工业中的应用。因此无污染、选择性强、可降解药剂的开发和浸出效率的提高是研究铜渣湿法浸出工艺的重点。
1.3选矿富集
选矿法是回收铜渣中有价金属的常用手段，选矿是根据矿石中不同矿物的物理、化学性质的不同，采用各种方法，将解离后的矿物尽可能互相分离、使有用矿物富集的方法，常见的手段有浮选、磁选、电选和重选等。铜渣中各种矿物的导电性差异不大，并且赋存粒度太细，因此电选并不适合处理大部分铜渣；虽然铜渣中金属铜和其他矿物的密度确实存在一定差异，但铜渣组成复杂，冷却结晶的条件差，很难长出粒度较大的晶体，重选只存在理论上的可能。因此，目前选矿回收铜渣金属元素的主要方法是磁选和浮选。
浮选是选矿法回收铜渣中铜的主要方法，现已得到工业上的大量应用。铜渣的含铜矿物的物相组成和嵌布关系简单，含铜矿物包括铜金属、硫化铜矿和少量氧化铜。但铜渣中铜物相的颗粒的结晶性质对浮选效果有很大影响，结晶程度高，晶体颗粒大的矿物能取得更好的浮选效果，常用的硫化铜矿浮选体系就可以很好地回收铜渣中的铜。浮选的基本原理是利用捕收剂改变各矿物对水的亲疏性，使矿浆中的有用矿物附着在气泡上，而脉石矿物则因为亲水而沉降，从而实现有用矿物与脉石矿物的分离，浮选过程如图3所示。
许多研究工作者对铜渣浮选工艺进行了改进。Bruckard等对一系列铜渣进行了浮选研究，将铜渣粉碎、研磨至0.074mm、并在pH约为11（自然pH）的条件下使用适合于选择性回收铜相的试剂进行浮选，最终的结果表明，3种试验渣的总铜回收率在80%～87%之间。针对铜渣中铜相颗粒分布不均的问题，阶段磨矿-阶段选别工艺被开发了出来。阶段磨矿-阶段选别工艺可以使铜渣中不同矿相组成的铜矿物得到充分解离，浮选回收时可以提高铜的回收率和品位。包迎春等研究了某冶炼厂铜炉渣的阶段磨矿阶段选别工艺流程的浮选效果，结果表明，采用两段磨矿两段选别的浮选流程可以把含铜量为0.84%的铜渣富集成铜品位为14.07%、回收率为90.96%的精矿，回收效果良好。
铜渣的选矿富集工艺可以在不破坏物料原本化学性质的情况下实现分离和富集，具有低成本、低污染、高回收率的优点。目前选矿富集的技术已经比较成熟，在工业上也得到了广泛应用。影响浮选过程的关键因素是矿物与捕收剂的作用造成的颗粒间亲水性的差异，常用的药剂是黄原酸盐类捕收剂。但选矿过程并不会改变铜渣中金属的存在形式，对于金属颗粒过细或者氧化程度过高的铜渣，选矿富集的效果并不理想。因此，选矿富集工艺改进的关键在于铜渣的结晶生长与浮选制度。除丁黄药外，Z-200、P510、P4037对铜渣也有不错的浮选效果，不同捕收剂组合协同浮选可以提高铜渣快速选矿品位与回收率。组合药剂与浮选制度的改进是改进选矿富集的主要方向。此外，目前已有研究表明缓冷过程铜渣冷却结晶生长的颗粒更大，有利于铜渣的浮选，但对这一过程的热力学和动力学研究仍待进一步研究。
1.4联合工艺
随着技术的不断革新，铜渣的性质和回收方式也在不断变化。单一的工艺已经无法解决铜渣品位越来越低、矿相组成越来越复杂、环境要求越来越高的问题，根据铜渣不同组成和性质，联合多种适合的工艺，才能互相弥补不同工艺的不足，达到良好的处理效果，比如火法-湿法联合工艺、选冶联合工艺和火法-湿法-选矿联合工艺。
针对某些铜渣性质稳定，不易浸出或者浸出条件苛刻、浸出率低、药剂消耗量大的问题，可以先对铜渣进行焙烧等预处理。铜渣中不易浸出的金属元素通过焙烧等预处理的方式改变了赋存状态，然后通过一般的浸出方式就能得到充分回收。常用的火法预处理工艺有硫酸化焙烧和氯化焙烧。常用的与湿法联合的火法预处理工艺有硫酸化焙烧和氯化焙烧等。Altundoan等采用硫酸铁焙烧转炉渣，然后用水浸出回收铜渣中金属的工艺，结果表明，当焙烧温度为500℃时，在最佳条件下焙烧120min，铜的回收率可以达到93%，同时钴的回收率为38%，镍的回收率为13%，锌的回收率为59%，研究发现在浸出过程中使用硫酸能显著提高金属的回收率。何耀研究了在氧化气氛中焙烧铜渣再用硫酸浸出的工艺。结果表明，该工艺可较好地回收金属铜、锌、镉等元素，其回收率分别为85%、87%、88%。
针对铜渣中含铜颗粒嵌布粒度细、分布不均、解离后颗粒表面能高、造成浮选效果不好的问题，研究发现铜渣的冷却制度是影响浮选指标的重要因素。因此选冶联合工艺被开发了出来。铜渣常用的冷却方式有3种，即水淬、自然冷却和缓冷。缓冷可以让铜相颗粒充分长大，对浮选最为有利。黄红军等采用缓慢冷却的方法对某铜渣进行了晶相调控和浮选试验，其流程如图4所示。结果表明，通过降低熔融铜渣的冷却速率的方式，可以使铜相颗粒得到充分生长，这一过程主要集中在1000～1250℃，最后得到的铜精矿品位在30%左右、回收率>94%。缓冷过程中，铜渣组成同样对颗粒的晶体形成过程有较大影响。例如碱度过低、硅含量过高的铜渣在熔融状态会增加铜渣黏度，进而阻碍铜相的生长，恶化浮选效果。其他非晶质物相的生成亦是如此。故而改变铜渣碱度、加入硫化剂等可以促进冰铜的生长，使浮选效果得到改善。云南冶炼厂研究了炉渣中二氧化硅含量对浮选效果的影响，原铜渣二氧化硅含量约为30%，随着铜渣中二氧化硅含量的降低至18%，浮选铜的回收率从80%左右增加到95%以上。该研究指出，Fe4O3含量增加、降低了渣-锍界面张力是造成冰铜夹带和呈细粒分散的主要原因。
针对某些富有价金属铜渣，为了综合回收铜渣中的有价金属，需要通过火法-湿法-选矿联合工艺处理。刘玉飞等采用焙烧-浸出-磁选的工艺对某铜冶炼浮选尾渣进行了研究，结果表明铜渣在900℃焙烧后可以使渣中大部分铁转化为磁性铁，再通过浸出提取有色金属后进行简单磁选，最终产出的铁精矿品位为61.52%、回收率为82.26%。詹保峰等采用焙烧-浸出-磁选工艺（图5）对某铜渣中的铁进行了回收实验研究。该工艺以煤粉作还原剂对铜渣进行还原焙烧，再经过硫酸浸出和磁选，产出的铁精矿中铁品位为62.53%、回收率70.82%。
2铜渣的其他资源化利用
铜渣的主要成分为硅酸盐矿物，性质与天然矿物玄武岩（结晶）或者黑曜石（无定形）相近，可以作为一种无机材料使用。最常见的利用方式就是在建筑行业作为水泥熟料的原料、凝胶材料替代物生产砂浆或者混凝土，同时铜渣也可以作为混凝土粗、细骨料使用。除此以外，铜渣也可以用于生产高附加价值的功能性材料，如微晶玻璃、矿棉、磨料、催化剂等。
2.1建筑材料
铜渣在建筑行业主要利用方式为生产水泥熟料、无机胶凝材料（部分水泥替代品）和混凝土骨料。
铜渣中含有大量的硅酸盐矿物、CaO、Al2O3等组分，经过煅烧、粉磨后可以生产出性能优异的建筑材料如水泥、混凝土等。铜渣铁含量高，在水泥熟料生产过程中用作调铁材料可以改善材料的性质。由于铜渣的主要成分是玻璃态FeSiO3，其熔点较低，所以铜渣的加入会使水泥熟料的烧结温度变低。铜渣不仅可以代替铁粉作为水泥生产过程中熟料的原料之一，在煅烧过程中降低煅烧温度，还能减少甚至消除矿化剂的需求，并且用铜渣生产的水泥性能优于铁粉。Alp等研究了铜渣浮选废渣作为铁源在硅酸盐水泥熟料生产中的应用。结果表明，与使用铁矿石（目前用作水泥原料）生产的熟料产品相比，使用铜渣生产的熟料制备的标准砂浆的机械性能与铁矿石熟料制备的砂浆的机械性能相似，符合工业水泥的要求规格，并且浸出实验表明，从铜渣制备的熟料中获得的砂浆样品不存在环境问题。Ali等研究了在两种不同石灰石样品制备的水泥生料中加入1.5%～2.5%的典型副产铜渣样品。结果表明，使用该熟料制备的普通硅酸盐水泥的物理性能与对照水泥相当，并且降低了焙烧的温度。
当CaO含量增加或在NaOH的活化下，铜渣会表现出胶凝性能，可以作为硅酸盐水泥的添加料或替代品，或者铜渣细磨后也能直接作为水泥替代品使用。Song等以粉煤灰为对照，研究了用铜渣代替普通水泥配制混凝土。结果表明，当铜渣掺量为5%～10%时，混凝土的力学性能最佳。铜渣和粉煤灰基胶凝材料水化产物的物相组成相似，并且铜渣比粉煤灰具有更强的活性和体积稳定性。Edwin等研究了铜渣作为辅助胶凝材料在超高性能砂浆中的应用。结果表明，不同铜渣掺量的砂浆在90天时的强度与对照组相当，甚至优于对照组，铜渣细度的增加可以提高砂浆的强度。Pavez等研究了用铜渣部分代替水泥配制砂浆。结果表明，用5%的铜渣替代水泥，可获得最佳的抗压和抗折强度值。与对照砂浆相比，含铜渣砂浆的抗压强度和抗折强度在第7天、第28天和第90天逐渐提高。表明掺入矿渣对硬化过程有一定的延缓作用。
铜渣除了自身可以作为建筑材料使用外，还可以与其他固废协同制备水泥、混凝土、砂砖等建筑材料，既减少了自身对环境的影响，又可以对其他固废进行利用。邓景明等利用低铜铁尾矿，掺杂矿渣、铜渣、铝硅酸盐等固化成型后，在一定温度和压力下生产出了抗压强度达到13.6MPa的抗冻砖。该抗冻砖生产过程中固体废弃物占总物料的90%以上。母维宏等利用铜渣和含锰的电解锰渣、磷酸二氢钠、NH3-N等协同制备电解锰渣基磷酸盐胶凝材料，不仅制备能互相粘接的磷酸盐胶凝材料，生产出的材料抗压强度可达35MPa，并且电解锰渣质量分数在40%以内时，材料中的锰和NH3-N可以得到有效固化。郑彪用碳质页岩、冰铜渣、煤矸石和粉煤灰等固体废弃物做原材料，在生料中铜渣占比15%，熟料中掺加了25%，制备出了可合格生产的普通硅酸盐水泥，降低了生产成本，又减少了固废对环境和土地的影响。
总而言之，铜渣在建筑行业有着十分广阔的应用前景，能提高建筑材料的抗压强度、抗拉强度、劈裂强度等各项力学性能，作为调铁材料和矿化剂还能降低水泥的煅烧温度。从生产水泥熟料到浇筑混凝土，各个环节都可以使用铜渣作为添加剂或者替代品。在建筑材料中，铜渣除了作为原料替代品使用，由于铜渣的化学稳定还能固化废物中的重金属，在充分发挥了铜渣作为无机材料的潜力的同时还可以作为重金属废物的净化手段。
2.2功能材料
通过环保的工艺获得高性能、高附加值的功能材料，才是铜渣绿色生产的优选方案，铜渣作为功能材料常用于生产微晶玻璃、催化剂、磨料、矿棉等。
铜渣在水中淬火，熔渣的快速冷却会产生无定形的非结晶颗粒。铜渣的一些特性，如硬度高、密度高和游离二氧化硅含量低、粒度适中、棱角尖锐，有助于去除重锈和提供高轮廓表面。磨料生产过程简单，只需将铜渣进行粉碎筛分就能得到需要的合适粒级的磨料产品。Kambham等研究了再干喷砂过程中使用铜渣作为除铁锈、旧涂层和其他污染物的磨料，提出了提高铜渣生产率和消耗量的模型，这些模型与鼓风压力、磨料供给率和表面污染有关。结果表明可以通过消耗较少的材料和能源资源实现清洁生产。Mugford等和Stephenson等研究了铜渣作为磨料在室内和室外环境中进行喷砂作业期间，暴露在空气中的金属和二氧化硅等浓度。结果表明多个区域的粉尘、可吸入二氧化硅和金属含量较高，如果不采取预防措施，这些区域可能会对其他设施的个人暴露产生影响。相对其他硅砂磨料替代品，铜渣造成肺部组织纤维化的毒性更小。Mackay等用煤和铜渣作为硅砂替代材料，对暴露在铜渣磨料中的大鼠进行了成纤维电位测定。结果表明，煤渣处理大鼠肺纤维化，铜渣处理动物未见纤维化。
铜渣的用途十分广泛，作为一种硅酸盐无机材料，兼具化学稳定性好、耐腐蚀、耐高温、硬度高等各种独特的物理化学性质，可以用来开发各种功能性材料，如微晶玻璃陶瓷催化剂载体矿棉增加铜渣的附加价值。因此研究铜渣更加经济、高附加值的综合利用方法，提高企业对铜渣综合利用的积极性，对增加企业经济效益和合理处理废渣都具有重要意义。
3.结语
铜是国民经济发展中重要的有色金属资源，在各个工业领域发挥着重要作用。然而近年来，随着铜矿资源的开发利用，铜原矿在不断朝着品位低、粒度细、伴生矿物复杂转化。这极大增加了原生矿石开采和利用的难度，相对的，铜渣作为一种有害固废却含有高于一般可开采铜矿的品位。直接倾倒或堆放这些炉渣会造成金属价值的浪费，既占用了大量土地，还有造成环境污染的风险。对铜渣进行资源化综合利用，一方面可以减轻铜矿紧缺带来的供应压力，另一方面也可以减少铜渣直接堆放造成的环境污染和土地占用，在经济和环境上均具有重要的意义。铜渣进一步研究的展望总结如下。
（2）湿法浸出能将铜渣中有价金属转化为离子形态再通过各种工艺逐步分离。这种方法效率高，能在常温中进行，对于低品位铜渣仍然有不错的效果。但是药剂腐蚀性强，浸出药剂昂贵。由于多种药剂的加入使渣中组分更加复杂，存在二次污染并且在分离提纯过程中流程长，不便于工业化生产。因此未来工作需要简化浸出流程、开发无污染浸出体系、降低药剂成本、废水循环利用或资源化处理。
（3）选矿富集污染小、能耗低、生产成本低，有着其他工艺无法比拟的优势。但由于冶炼工艺的不同产出的铜渣也会有很大差异，选矿富集对铜渣的物理化学性质要求高。因此闪速浮选和快速浮选、组合药剂协同浮选、不同冷却制度下铜渣生长的热力学和动力学研究还需要学者们的进一步工作。
（4）随着对废弃物资源化利用要求的不断提高，迫切需要在提取有价金属后控制渣中残余的砷、铅等高毒性元素并且发挥铜渣剩余价值。作为一种优秀的无机材料，铜渣可以用在建筑材料生产的各个阶段，并且固化其中的有害元素。因此作为建筑材料，未来工作的重点应该放在提升产品性能和协同其他固废回收利用并固化其中的重金属。
（5）铜渣具有良好的物理、机械和化学特性，直接用于建筑行业不能完全发挥出作为一种优秀的无机硅酸盐材料的价值。随着理论发展的不断深入、工艺技术的不断创新，清洁化、多元化利用铜渣，降低铜渣造成的环境压力同时增加经济效益，将是未来科研工作者追求的目标。