艾薩爐高富氧濃度和高冰銅品位生產(chǎn)實(shí)踐

王 森

(謙比希銅冶煉有限公司 非洲贊比亞銅帶省卡魯魯西北京代表處，北京 100029)

重金屬

艾薩爐高富氧濃度和高冰銅品位生產(chǎn)實(shí)踐

王 森

(謙比希銅冶煉有限公司 非洲贊比亞銅帶省卡魯魯西北京代表處，北京 100029)

對艾薩爐熔煉系統(tǒng)和制酸系統(tǒng)生產(chǎn)能力進(jìn)行分析，生產(chǎn)中通過提高艾薩爐富氧濃度和冰銅品位,使艾薩爐的技術(shù)指標(biāo)得到優(yōu)化，產(chǎn)能得到提高。

銅； 艾薩爐； 熔煉； 富氧濃度； 冰銅品位； 產(chǎn)能

0 引言

謙比希銅冶煉有限公司由中國礦業(yè)集團(tuán)有限公司和云南銅業(yè)集團(tuán)公司合資組建，位于贊比亞銅帶省卡魯魯西市謙比希鎮(zhèn)。公司于2009年2月正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為粗銅15萬t/a、硫酸26萬t/a，采用艾薩爐造锍熔煉—電爐沉降分離—PS轉(zhuǎn)爐吹煉技術(shù), 冶煉煙氣經(jīng)余熱鍋爐、電收塵降溫除塵后，送硫酸工序采用兩轉(zhuǎn)兩吸制酸工藝生產(chǎn)濃硫酸。

工廠投入運(yùn)行3個月后，實(shí)現(xiàn)了達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。其后歷年的生產(chǎn)中，工藝持續(xù)優(yōu)化、各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不斷改善。2010年2月公司對贊比亞銅精礦的產(chǎn)能和冶煉廠的冶煉能力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)銅精礦的生產(chǎn)能力遠(yuǎn)大于冶煉廠的冶煉能力。如何利用現(xiàn)有設(shè)備，優(yōu)化工藝，挖掘潛力，提高負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)公司粗銅年產(chǎn)量由15萬t向18萬t的跨越，是公司面臨的新課題。

在逐步提高負(fù)荷的過程中，面臨著轉(zhuǎn)爐吹煉能力和硫酸系列煙氣處理能力不足的問題，只能通過采取高品位吹煉的方式，將冶煉造渣部分工作量轉(zhuǎn)移到艾薩爐，以實(shí)現(xiàn)艾薩爐熔煉與轉(zhuǎn)爐吹煉能力的平衡。但生產(chǎn)中存在著艾薩爐熔體過熱、電爐渣含銅高、轉(zhuǎn)爐一周期熱量不著足、冶煉煙氣超過硫酸處理煙氣能力等問題，為此公司進(jìn)行了全面分析，并采取了相應(yīng)的解決措施。

1 系統(tǒng)產(chǎn)能分析

火法煉銅主要分為兩步：一是在熔煉爐內(nèi)造锍，二是在吹煉爐內(nèi)造銅。系統(tǒng)的產(chǎn)能取決于熔煉爐產(chǎn)出的銅锍量、銅锍品位、吹煉爐的爐數(shù)和單爐吹煉爐時。按年產(chǎn)18萬t粗銅，作業(yè)天數(shù)330 d推算，預(yù)測的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表1。

當(dāng)艾薩爐料量達(dá)到目標(biāo)要求值時，艾薩余熱鍋爐的蒸發(fā)量、轉(zhuǎn)爐的吹煉爐數(shù)和硫酸系統(tǒng)的煙氣處理量成為生產(chǎn)中的瓶頸。主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1.1 轉(zhuǎn)爐吹煉能力不足

公司火法系統(tǒng)配置有3臺100 t轉(zhuǎn)爐(φ4 m×11.7 m)，2臺三K風(fēng)機(jī)，采取爐交換模式生產(chǎn)，2臺熱態(tài)，1臺備用，每天最大生產(chǎn)爐數(shù)5爐，處理冰銅量900 t。如果年產(chǎn)18萬t粗銅，應(yīng)具備的能力為5.3爐/d，而實(shí)際能力只有5爐/d。在轉(zhuǎn)爐數(shù)量不變的情況下，提高產(chǎn)能受到限制。

1.2 硫酸系統(tǒng)煙氣處理能力不足

硫酸系列設(shè)計(jì)煙氣處理量145 000 m3/h,SO2濃度6%～8%。按年產(chǎn)18萬t粗銅計(jì)算，硫酸系列需具備160 000 m3/h的煙氣處理能力。提高產(chǎn)能后，制酸系統(tǒng)的煙氣處理能力與冶煉能力不匹配，產(chǎn)能提高受到限制。

表1 年產(chǎn)18萬t粗銅生產(chǎn)數(shù)據(jù)預(yù)測

1.3 艾薩余熱鍋爐負(fù)荷過大

艾薩余熱鍋爐設(shè)計(jì)煙氣處理能力40 000 m3/h，蒸發(fā)量28 t/h，鍋爐出口煙氣溫度350 ℃。目前生產(chǎn)艾薩余熱鍋爐的煙氣處理量已達(dá)36 400 m3/h，蒸發(fā)量26 t/h，鍋爐出口煙氣溫度270～280 ℃。因此，從艾薩余熱鍋爐的運(yùn)行參數(shù)看，通過提高小時料量提高產(chǎn)能的方式受到限制。

目前，銅冶煉行業(yè)對于采用熔煉爐生產(chǎn)白冰銅甚至直接生產(chǎn)粗銅，在理論研究和實(shí)踐上存在不同意見。但艾薩爐的冶煉特性決定了其在渣層反應(yīng)的氧化-還原復(fù)式模型，生產(chǎn)白冰銅的同時可控制爐渣中的四氧化三鐵含量，進(jìn)而獲得熔點(diǎn)合理的低四氧化三鐵爐渣。熔煉爐直接生產(chǎn)白冰銅的生產(chǎn)方式，在CODELCO奇科堪瑪塔冶煉廠和KCM青科拉冶煉廠已經(jīng)得到證明。并且有一點(diǎn)可以確定，熔煉爐生產(chǎn)白冰銅或者粗銅，其前提條件是精礦必須低鐵高銅，鐵越低越好、銅越高越好。謙比希銅冶煉有限公司銅精礦含銅較高，全年物料平衡后的平均入爐料含銅可達(dá)33%以上，這為艾薩爐直產(chǎn)白冰銅提供了原料保障。艾薩爐入爐物料成分見表2。

表2 艾薩爐入爐物料成分統(tǒng)計(jì)表 %

若熔煉爐直接生產(chǎn)白冰銅或高品位冰銅，轉(zhuǎn)爐吹煉過程將縮短甚至省略造渣期，而直接進(jìn)入造銅期。這樣可提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率，降低系統(tǒng)煙氣量。

通過對上述情況進(jìn)行分析，公司決定采用提高艾薩爐富氧濃度、降低艾薩爐煙氣量、提高艾薩爐熔煉冰銅品位和降低轉(zhuǎn)爐單爐吹煉時間的操作方式，以實(shí)現(xiàn)艾薩爐、電爐、轉(zhuǎn)爐、制酸系統(tǒng)的生產(chǎn)平衡，從而提高系統(tǒng)產(chǎn)能。理論計(jì)算的艾薩爐工藝參數(shù)見表3。

表3 艾薩爐工藝控制參數(shù)

2 生產(chǎn)實(shí)踐

2.1 艾薩熔煉工序

艾薩熔煉工藝控制的核心是熔煉溫度、冰銅品位和渣型，三者之間關(guān)系密切，一個因素的改變會影響到其它因素。在確定入爐物料成分和熔煉氧料比的情況下，采取逐步降低噴槍空氣量、提高噴槍富氧濃度的方式，實(shí)現(xiàn)艾薩爐高富氧濃度、高冰銅品位和低煙氣量的生產(chǎn)。但隨著富氧濃度的提高，生產(chǎn)中出現(xiàn)了下述問題：

(1)熔池?zé)崃窟^剩。隨著噴槍富氧濃度的提高，煙氣量逐漸減少，爐內(nèi)熔體熱量過剩，熔煉溫度高且波動范圍大，對生產(chǎn)控制和爐壽不利。生產(chǎn)過程中，向艾薩爐入爐物料中配入流程返料(冰銅包殼)，轉(zhuǎn)移熔體內(nèi)過剩的熱量，熔池溫度得到了控制。

(2)熔煉狀況不佳。艾薩熔煉反應(yīng)在爐渣中完成，如果爐渣成分改變偏離控制目標(biāo)值，將對爐內(nèi)各物料的反應(yīng)速度起抑制作用。爐渣成分與入爐物料組成、冰銅品位和爐內(nèi)的攪動情況有很大的關(guān)系。

熔池熔煉反應(yīng)的動力來源于噴槍內(nèi)的工藝風(fēng)量。隨著噴槍風(fēng)量的降低，富氧濃度的提高，爐內(nèi)單位熔體的攪動能力下降，爐內(nèi)物料之間的反應(yīng)速率和傳質(zhì)速率下降，爐渣物相組成發(fā)生變化，使?fàn)t渣熔點(diǎn)偏離控制溫度。實(shí)際生產(chǎn)中表現(xiàn)為，噴槍操作端壓大、熔池噴濺大、爐內(nèi)掉渣頻繁和加料口下方結(jié)瘤等。

(3)噴槍彎曲。艾薩噴槍是熔煉的主要核心設(shè)備，噴槍在爐內(nèi)熔池的定位和對熔體的攪動區(qū)域，是熔池反應(yīng)的根本保證，噴槍彎曲，將造成熔池反應(yīng)效率下降。造成噴槍彎曲的原因有兩個：其一，噴槍的冷卻效果取決于富氧空氣流速和槍內(nèi)介質(zhì)溫度，當(dāng)噴槍內(nèi)空氣量降低后，槍內(nèi)氣體流速下降，噴槍管壁的冷卻效果變差使得槍壁溫度上升；其二，爐內(nèi)熔體粘稠，噴槍在熔體內(nèi)的擺動受限，極易造成噴槍在爐內(nèi)的扭曲變形。

綜合上述，富氧空氣量是保證噴槍槍體冷卻和保持爐內(nèi)熔體攪動的條件，是熔煉反應(yīng)的基礎(chǔ)。熔煉的富氧濃度不是越高越好，而是有一定限度。結(jié)合公司原料、料量和噴槍管徑等情況，空料比應(yīng)控制在280～300 m3/t，富氧濃度控制在60%～65%。艾薩爐工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 艾薩爐高富氧高品位冰銅生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2.2 電爐工序

進(jìn)入電爐的爐渣來源于艾薩爐和轉(zhuǎn)爐。隨著艾薩爐處理料量的上升，進(jìn)入電爐的爐渣總量上升，爐渣比例也發(fā)生改變，渣中的磁性鐵總量呈上升趨勢。渣量的上升使?fàn)t渣在電爐內(nèi)的澄清分離時間縮短，電爐功率不足，爐渣過熱度不夠，渣含銅量上升，爐內(nèi)前后凍結(jié)層厚度增加。

圍繞著改善渣型、降低系統(tǒng)渣量和提高電爐功率，采取了以下措施：

(1)嚴(yán)格控制艾薩爐和轉(zhuǎn)爐渣型，降低渣中磁性鐵含量。生產(chǎn)中，提高艾薩爐冰銅品位，增大艾薩爐冶煉渣量，降低轉(zhuǎn)爐吹煉渣量。艾薩爐采用高硅渣性，控制硅鐵比在0.85～0.9，爐渣中Fe3O4含量控制在8%以下；轉(zhuǎn)爐放渣時，向渣包內(nèi)投入還原煤以降低爐渣磁性鐵含量。

(2)根據(jù)電爐爐況，選擇適合的電壓級和功率，控制熔體溫度。在電爐返渣三通口和爐頂油槍孔位置，采用“插木還原”、加生鐵等方法，降低和改善返渣三通口和油槍孔下方的凍結(jié)層厚度和爐渣中的磁性鐵含量。

上述措施使?fàn)t況得到了改善。電爐工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 艾薩爐高富氧高品位冰銅生產(chǎn)期間電爐工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)

2.3 轉(zhuǎn)爐工序

采取高品位冰銅吹煉的操作方式，不僅解決了生產(chǎn)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)爐設(shè)備配置不足的問題，還實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工序之間的平衡以及產(chǎn)能的提高。但仍存在一系列的問題，如轉(zhuǎn)爐一周期吹煉熱量不足，處理冷料量下降，爐渣磁性鐵含量高，冷料產(chǎn)出高，轉(zhuǎn)爐自產(chǎn)冷料不平衡和二周期熱量過剩，轉(zhuǎn)爐壽命縮短等問題。

針對轉(zhuǎn)爐一周期吹煉熱量不足和爐渣磁性鐵含量高的問題，轉(zhuǎn)爐吹煉時通過提高轉(zhuǎn)爐吹煉的富氧濃度、添加燃煤以提高爐溫；采取還原放渣的操作方式降低爐渣中磁性鐵含量。生產(chǎn)試驗(yàn)與實(shí)踐表明：當(dāng)冰銅品位低于65%時，轉(zhuǎn)爐能實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)冷料平衡處理，并且轉(zhuǎn)爐爐壽處于正常水平。轉(zhuǎn)爐工序工藝參數(shù)見表6。

表6 艾薩爐高富氧高冰銅品位生產(chǎn)期間轉(zhuǎn)爐工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)

2.4 艾薩余熱鍋爐工序

艾薩余熱鍋爐設(shè)計(jì)為煙氣處理量40 000 m3/h，蒸發(fā)量26 t/h，工作壓力4.2 MPa，煙氣出口溫度350 ℃。盡管艾薩爐精礦處理量和鍋爐煙氣處理量上升，艾薩爐采取高富氧濃度熔煉，系統(tǒng)的煙氣量基本保持不變，但煙氣的熱焓上升，鍋爐的蒸發(fā)量上升到32 t/h。針對該情況，提高鍋爐運(yùn)行壓力，降低鍋爐振打頻率，降低鍋爐換熱量，使煙氣出口溫度達(dá)到280 ℃。不但緩解了艾薩電收塵器長期低溫操作存在的露點(diǎn)腐蝕問題，而且實(shí)現(xiàn)了鍋爐系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2.5 硫酸工序

原硫酸系統(tǒng)設(shè)計(jì)煙氣處理量145 000 m3/h，SO2濃度6%～8%。艾薩爐物料處理量提高后，系統(tǒng)煙氣量上升，且煙氣SO2濃度升高至11%，導(dǎo)致硫酸工序煙氣處理能力不足;硫酸轉(zhuǎn)化器溫度高，酸溫高至105 ℃。分析計(jì)算后認(rèn)為，艾薩電收塵、轉(zhuǎn)爐電收塵、轉(zhuǎn)爐和艾薩運(yùn)行時設(shè)備漏風(fēng)大，導(dǎo)致系統(tǒng)煙氣量增大，造成硫酸工序煙氣處理量與火法系統(tǒng)生產(chǎn)能力不匹配。

采取調(diào)整收塵風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、控制爐口負(fù)壓、焊補(bǔ)艾薩電收塵和轉(zhuǎn)爐電收塵灰倉漏點(diǎn)等措施調(diào)整系統(tǒng)煙氣量，取得了顯著的效果。下一步將在硫酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)增加1組SO3冷卻器，通過換熱的方式，降低進(jìn)入轉(zhuǎn)化器煙氣的溫度，增加濃酸冷卻器，實(shí)現(xiàn)制酸系統(tǒng)熱平衡。

2.6 系統(tǒng)生產(chǎn)平衡及能耗

經(jīng)過2個月的生產(chǎn)實(shí)踐，艾薩爐富氧濃度提高到65%，冰銅品位控制在(65±2)%，物料處理量達(dá)到了70 t/h，實(shí)現(xiàn)了艾薩、電爐、轉(zhuǎn)爐、制酸系統(tǒng)生產(chǎn)平衡，粗銅15 500 t/月和硫酸30 000 t/月的目標(biāo)。 由于原料中鐵硫含量低，補(bǔ)加煤量增加，噸粗銅能耗大于150 kg標(biāo)煤的考核值。粗銅能耗和硫酸電耗見表7。

表7 艾薩爐高富氧高冰銅品位生產(chǎn)期間粗銅能耗和硫酸電耗統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

實(shí)踐證明，提高艾薩爐熔煉富氧濃度和冰銅品位，對于降低生產(chǎn)成本和綜合能耗等效果顯著。

(1)艾薩爐熔煉通過優(yōu)化配料、提高富氧濃度和冰銅品位，提高了物料處理量，降低了煙氣量，該方式是提高產(chǎn)能、優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的有效途徑。

(2)艾薩熔煉富氧濃度參數(shù)的確定，需考慮噴槍在爐內(nèi)的攪動及在使用過程中的變形情況；艾薩爐產(chǎn)出高品位冰銅的熔煉方式對入爐物料的成分有嚴(yán)格的要求。

(3)高氧勢的熔煉渣中銅含量較高，其經(jīng)貧化電爐沉降后棄渣含銅仍高于0.75%，棄渣具有回收利用價值。

[1] 陳俊化．艾薩爐“煙氣、煙塵”測試的重要性探討[J]．環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2009，28(2):84-86．

[2] 肖興國，謝蘊(yùn)國.冶金反應(yīng)工程學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

[3] 張波.艾薩爐水模擬研究[D].云南，昆明：2006.

[4] 付江，王華．艾薩熔池熔煉的應(yīng)用與優(yōu)化[J]．工業(yè)加熱，2007，36(1)：35-39.

[5] 任鴻九等.有色金屬熔池熔煉[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.12.

[6] 彭容秋. 銅冶金[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2004.

[7] 謙比希銅冶煉有限公司.生產(chǎn)技術(shù)部技術(shù)總結(jié)匯編2009年2月至2011年5月[Z].

Production practice of ISA furnace with high oxygen-enriched concentration and high grade matte

WANG Sen

The ISA furnace smelting system and capacity of acid making production were analyzed in this paper. The oxygen-enriched concentration of ISA furnace and matte grade were increased in production, as results, the technical indexs were optimized and the production capacity was highly improved.

copper; ISA furnace; smelting; oxygen-enriched concentration; matte grade; capacity

王森(1974—)，男，河南省唐河縣人，學(xué)士學(xué)位，冶煉工程師，從事銅冶煉生產(chǎn)工藝及管理工作。

2015-06-05

TF811

B

1672-6103(2016)01-0006-04