銅冶煉爐渣冷卻工藝及設備研究進展

薛 晨 張 鈴 楊采文

（1.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；3.中銅東南銅業(yè)有限公司）

近40年來，世界銅需求量和產(chǎn)量迅速增長［1］，2019年全球銅產(chǎn)量已突破2 000萬t。作為銅消費和進口大國，我國97%以上的銅由火法冶煉生產(chǎn)［2］，冶煉后產(chǎn)生的銅渣數(shù)量巨大，且逐年增加，其中含有大量可利用的金屬礦物?；鸱掋~行業(yè)中，對銅爐渣的處理主要分為選礦貧化［3］、電爐貧化、熔煉爐貧化。選礦貧化法因其具有銅回收率髙、成本低、電耗少等特點，被各大銅冶煉企業(yè)相繼采用。隨著銅資源的日趨緊缺，加強對銅渣的綜合利用研究，使銅冶煉渣資源化、無害化，對提高有色冶金企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

銅冶煉渣進入渣選礦流程前，必須要對熔融狀態(tài)的銅爐渣進行冷卻。研究表明，爐渣的冷卻作業(yè)作為銅渣選礦生產(chǎn)中極其重要的工序，直接影響到爐渣中銅礦物的可磨性、渣選流程的穩(wěn)定性及選礦回收的指標。

1 冷卻方式

銅爐渣的冷卻方式對渣中銅礦物的選礦回收指標起著決定性的作用［4］，根據(jù)所采用的設備和冷卻方法不同分為5種冷卻方式：①水淬冷卻，將熔融狀態(tài)的銅爐渣直接放入冷水中進行水淬冷卻。如山東方泰循環(huán)金業(yè)股份有限公司、印度貝拉冶煉廠［5］；②鑄渣機冷卻，將爐渣放進鑄渣機的熔渣斗內(nèi)，經(jīng)過鑄渣機輸送及水冷和自然冷卻。如貴溪一期的轉(zhuǎn)爐渣、方泰公司的吹煉渣。山東方泰公司的吹煉爐通過鑄渣機冷卻產(chǎn)出吹煉渣120 t/d，通過浮選回收其中的銅［6］；③自然冷卻，如必和必拓公司的奧林匹克壩冶煉廠；④槽坑緩冷冷卻，如南烏拉爾卡拉巴什銅冶煉廠；⑤渣包緩冷，將熔融狀態(tài)的爐渣放進渣包經(jīng)過先空冷、后水冷的緩慢冷卻工藝處理的冷卻方法。如銅陵金冠、山東祥光冶煉廠、中銅東南銅業(yè)等國內(nèi)大部分銅冶煉企業(yè)。

王春等［7］對采用不同冷卻方式的銅爐渣進行了試驗研究，結(jié)果表明，急冷渣中獨立的銅相晶體較少，大多以微細粒形式分布在鐵、硅混合物中，使得含銅礦物可浮性下降，影響回收；而在緩冷過程中，爐渣熔體中的初析微晶緩慢生長成良好的半自形晶或自形晶，銅礦物顆粒通過凝結(jié)、擴散作用形成的含銅礦物易于單體解離，且可浮性較好。因此，銅爐渣的不同冷卻方式中，渣包緩冷的冷卻效果最好。

2 冷卻設備

銅爐渣緩冷作業(yè)多為露天作業(yè)，操作難度大，火法冶煉后的熔融銅爐渣溫度達1 200℃以上，對冷卻設備要求極高，只有對緩冷場設備進行合理配置及選型，才能保證銅渣選礦工序的安全性和可靠性。當前，銅渣選廠大多采用渣包容納銅渣緩冷的方案，但轉(zhuǎn)移渣包的設備有所不同。

2.1 緩冷工藝生產(chǎn)設備配置

銅渣選礦緩冷工藝主要有兩種生產(chǎn)設備配置［8］：①龍門吊配合渣包緩冷配置，即在冶煉廠到緩冷場之間鋪設軌道，利用平板小車或火車運輸渣包，到達緩冷場后采用龍門吊裝卸渣包，將渣包擺放到指定的緩冷區(qū)；②抱罐車配合渣包緩冷配置，即直接由專用抱罐車將裝有銅爐渣的渣包從熔煉區(qū)運至緩冷場。國內(nèi)除大冶有色金屬冶煉廠奧斯麥特爐冶煉爐渣采用龍門吊配合渣包運輸外，其他銅冶煉廠均采用抱罐車配合渣包緩冷配置［9］。

龍門吊方案的主要特點：占地小，能耗低，但軌道運輸對廠區(qū)道路運輸系統(tǒng)影響很大，所經(jīng)路段需要封鎖，且極易受雨雪天氣影響；龍門吊的維修需要大型吊車輔助，因靠近緩冷場，存在安全隱患。抱罐車主要特點：占地大，場地布置靈活，運輸便捷，不受雨雪天氣影響，運行穩(wěn)定可靠，且抱罐車維修靈活，可在遠離緩冷場處設置維修區(qū)。與龍門吊方案相比，抱罐車配合渣包的緩冷工藝設備配置能夠滿足緩冷場地受限的工況，故障點少，安全性高，雖然土建投資略大，但總體投資少，更符合新時代現(xiàn)代化工廠的要求。因此，目前國內(nèi)新建的銅渣緩冷場均采用抱罐車配合渣包緩冷配置。

2.2 抱罐車設備選型

抱罐車又稱渣包車，最初作為無軌運輸設備用于鋼鐵企業(yè)運載高溫爐渣［10］，目前已廣泛應用在銅渣選礦緩冷場。抱罐車運輸適用于裝卸點分散和路線復雜的爐渣運輸作業(yè)［11］，給冶煉渣的運輸和處理帶來了革命性變化。從總體結(jié)構(gòu)上看，抱罐車可分為3類［12］。

（1）U型抱罐車。第1類是以美國KRESS公司生產(chǎn)的U型抱罐車為代表（圖1），其裝載量為35～210 t，由前車體、工作機構(gòu)和后車架組成。前車體包括發(fā)動機、傳動軸、變速箱、駕駛室、機架等；工作機構(gòu)包括工作大臂、大臂油缸等；后車架包括后橋、后車架、轉(zhuǎn)向油缸等。此類抱罐車的后車架主體呈U型，運輸時渣包可以略高于地面的高度運行，壓低了整車的重心，行駛穩(wěn)定性好。一旦熱渣溢出，不會落到車體上，當出現(xiàn)狀況無法行駛時也能迅速放下渣罐。U型抱罐車的前、后車體由于其可繞車輛水平縱軸線左右搖擺，在前車體側(cè)傾時也能保證后車體的平穩(wěn)，后車體還布置了獨立的承重輪組，即便出現(xiàn)一側(cè)輪胎懸空的狀況，該U型抱罐車也不會傾覆。

（2）鉸接式抱罐車。第2類是以德國KAMAG公司生產(chǎn)的鉸接式抱罐車為代表（圖2），其裝載量為35～100 t，由前車架、后車架和工作機構(gòu)組成。前車架通過發(fā)動機變速箱傳動系驅(qū)動前輪，采用垂直鉸接銷連接前、后車架，通過轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)，車體可實現(xiàn)90°轉(zhuǎn)向，大大減小了轉(zhuǎn)彎半徑。與U型抱罐車不同的是駕駛室被布置到了后車體并高架在前車體上，極大地拓寬了駕駛?cè)藛T的視野。后車架為鉸接式抱罐車的主承重體，渣包放置在后車體的坐罐區(qū)域，用防護鋼板將渣包與車體隔開，若不慎溢出鋼渣，不會損壞車體；其次，后車輪采用的高彈性實心輪胎增大了鉸接式抱罐車的承載能力［13］，不會因輪胎被刺穿或燙傷破裂等原因造成車體傾斜。

（3）整體式抱罐車。第3類是以德國SCHEUERLE公司生產(chǎn)的整體式抱罐車為代表（圖3），其底盤是一種特殊的重型卡車底盤，驅(qū)動在中后橋，載重量較小，通常額定載重≤50 t。與前兩類抱罐車不同的是，整體式抱罐車的主車架為整體式結(jié)構(gòu)，采用前轉(zhuǎn)向橋?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向，其整體剛性和強度優(yōu)于U型和鉸接式抱罐車，但靈活性略差［14］。

我國對抱罐車的研制生產(chǎn)起步較晚［15］，過去只能從國外引進，但隨著銅渣選礦項目在我國的推廣以及冶金技術(shù)和基礎工業(yè)的飛速發(fā)展，我國自行研制的抱罐車也已達到國際先進水平。如長沙凱瑞重工機械研制的新型BGC抱罐車系列產(chǎn)品［16］，具有安全可靠、機動靈活、成本低等優(yōu)點；中冶寶鋼技術(shù)服務公司［17］成功研發(fā)覆蓋了3種類型載重為35～100 t的抱罐車，且已應用到國內(nèi)各大冶煉廠。

在進行渣包車選型時，應結(jié)合產(chǎn)能需求，綜合考慮渣包車的性價比、運力及售后服務等。目前，國產(chǎn)渣包車的發(fā)展速度逐步加快，呈現(xiàn)出智能化、模塊化、系列化及節(jié)能環(huán)保等趨勢，未來的發(fā)展應結(jié)合新時代綠色礦山開發(fā)的實際要求，發(fā)展適合我國國情的銅渣運輸專用車輛，實現(xiàn)核心部件的國產(chǎn)化［18］，同時緊跟智造創(chuàng)新發(fā)展趨勢，開發(fā)科技含量高的多樣化、系列化產(chǎn)品，盡快趕超進口抱罐車發(fā)展的步伐。

2.3 渣包

渣包是盛放、轉(zhuǎn)運熔煉銅渣的必用容器［19］，按鑄造工藝分為鑄造渣包和焊接渣包。鑄造渣包（圖4）在早期的銅冶煉廠使用得較為廣泛，但由于材質(zhì)及鑄造工藝，加之極冷極熱的惡劣使用工況，鑄造渣包存在制造周期長、修復難度大、壽命短及綜合使用成本高等缺點［20］；且鑄造行業(yè)屬于高能耗、高污染產(chǎn)業(yè)，不符合國家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策［21］。

與鑄造渣包相比，焊接渣包（圖5）的發(fā)展歷史較短，其采用焊接工藝制造而成，錐形筒體和底封板均采用t=80 mm鋼板成形、焊接而成，包體外周焊接筋板、加強圈等件號，耳軸為鍛造而成，座內(nèi)孔采用H7/m6配合［22］。焊接渣包分為平底焊接渣包、球底焊接渣包、多邊形焊接渣包、異形焊接渣包以及帶溜嘴和吊具的銅锍（或粗銅）包5類［23］，應用于不同的工藝中承接不同的介質(zhì)。

在銅渣緩冷過程中，渣包內(nèi)盛裝銅爐渣最高溫度可達1 300℃，在冷卻水的沖擊作用下，渣包內(nèi)壁從上千攝氏度較快降為室外溫度，冷熱交替往復給渣包帶來類似淬火沖擊的作用，加上數(shù)十噸自重負載，非均勻內(nèi)應力造成渣包極易疲勞破損或產(chǎn)生裂紋，渣包維修工作量較大。因此，渣包必須有較高的耐熱疲勞性能，滿足忽冷忽熱的工作條件；內(nèi)表面要光滑、平整，外壁無夾砂、裂紋、冷隔、氣孔等鑄造缺陷。為確保生產(chǎn)安全，保證渣包使用壽命，需對渣包的生產(chǎn)、使用進行全周期質(zhì)量跟蹤，渣包質(zhì)量檢驗標準見表1。

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目前，國內(nèi)銅渣選礦緩冷場使用的渣包已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，規(guī)格主要有11 m3和12 m3兩種，底部設計有平底和帶腿兩種，上部側(cè)邊設計有帶翻轉(zhuǎn)渣包用的凸臺和無凸臺兩種。焊接渣包技術(shù)誕生前應用最廣泛的是帶腿有凸臺的鑄造渣包，焊接渣包從2011年開始在大冶有色冶煉廠使用。焊接渣包以其質(zhì)量穩(wěn)定、焊接性能好、性價比突出等優(yōu)勢，受到眾多冶煉企業(yè)的青睞，已逐步替代鑄造渣包。中冶寶鋼技術(shù)和武漢恒威重機供應的渣包整體強度優(yōu)良、壁厚均勻變化、應力分布平衡，在銅渣緩冷場得到了廣泛應用。未來可采用有限元分析技術(shù)進行渣包建模，對渣包結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，使之在滿足緩冷要求的基礎上提高其使用壽命。

3 冷卻制度及機理

銅冶煉渣是在高溫條件下與鐵、硅及其他物質(zhì)通過化學結(jié)合及物理黏附等形成的復雜集合體［24］，銅渣中的主要礦物有硅酸鐵（FeO·SiO2或化合物xFeO·ySiO2）、氧化鐵（FexOy）、銅鐵化合物（nCuxS·mFeS或CuFexSyOz）等。在冷卻過程中，爐渣內(nèi)部形成了能夠機械分離的銅礦物顆粒，借助它們與其他造渣物在表面物理化學性質(zhì)上的差異，實現(xiàn)浮選分離。爐渣中銅礦物的結(jié)晶粒度大小決定了選別效果，而銅礦物顆粒與相組成不僅取決于火法冶煉的原料成分和操作環(huán)境，更取決于爐渣的冷卻方式和冷卻制度［25］。

銅冶煉過程中，夾雜在爐渣中的有用礦物多均勻分布于渣相中。在熔融狀態(tài)下，礦物顆粒由于表面張力的驅(qū)動，同類礦物顆粒開始相互遷移、聚集、長大，但隨著溫度降低，顆粒遷移的阻力越來越大，低于爐渣熔點后，顆粒就無法遷移。

如果對銅爐渣進行急速冷卻，冷渣中會快速生成磁鐵礦，Al2O3和SiO2容易形成無定形排列的非晶質(zhì)構(gòu)造，熔體黏度升高，致使銅礦物顆粒沒有足夠的遷移時間，不能及時形成相對集中的獨立相結(jié)晶體，導致不能有效回收銅礦物。另外，如果噴淋冷卻水直接流入尚未凝結(jié)的銅渣熔體，在急速汽化膨脹的同時，還會發(fā)生下列化學反應［26］：

生成的氣體H2S和H2再遇到空氣中的氧氣發(fā)生反應：

在高溫狀態(tài)下，這些放熱、增容反應速度極快，短時間內(nèi)產(chǎn)生巨大的熱能，熱能無法及時散出，造成高溫高壓氣流噴出的現(xiàn)象，俗稱渣包放炮。在爆炸產(chǎn)生的沖擊波中，爐渣夾雜著未冷卻凝結(jié)的熔體飛濺而出，嚴重威脅人員、設備安全，甚至造成火災，危害極大［27］。因此，銅爐渣運至緩冷場后，通常是放置一段時間經(jīng)過自然緩冷后再打開噴淋水進行水冷，直至完全冷卻［28］（圖6）。爐渣利用自身熱量在液相保持一段時間，熔體的初析微晶可通過溶解、沉淀形成結(jié)晶良好的自形晶或半自形晶。從微觀角度看，該過程是具有一定幾何構(gòu)型的原子或分子聚集體的生長過程，從宏觀角度看，是包含晶體組成單元的母相由低秩序相向高秩序晶相的轉(zhuǎn)變［29］。銅礦物借此擴散遷移、進一步聚集并長大成相對集中的獨立相，有利于磨礦工序的單體解離和浮選過程的藥劑作用［30］，且銅相分子逐漸由多金屬絡合物（CuFexSyOz或CuZnxFeySz）向易于浮選回收的硫化物形態(tài)（CuxFeySz）聚集，因此可促進銅浮選回收。

冷卻方式對于晶體的生長速度和結(jié)晶形態(tài)具有很大的影響，當爐渣溫度下降到一定值時，就會按照一定規(guī)則析出固相晶體，其大小取決于晶核產(chǎn)生速度和晶體生長速度。如圖7所示，以溫度而言，最適當?shù)慕Y(jié)晶溫度范圍是晶體、晶核的生長速度均處于較大位置處，即圖中兩條曲線的交點位置，其對應溫度為TK。當相交面積大時，表明結(jié)晶溫度范圍廣，結(jié)晶過程易于進行；反之，結(jié)晶難以進行，甚至形成無定形排列的非晶形玻璃體［31］。

呂旭龍［32］對采用不同緩冷時間的閃速爐渣進行了對比試驗，結(jié)果表明，隨著緩冷時間的增加，銅嵌布較粗的顆粒增加，銅在較細顆粒中的含量較少，銅精礦的回收率和品位呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，銅損失率不斷降低。黃自力等［33］研究了緩冷速度對銅回收指標的重要影響，結(jié)果表明，冷卻速度過快，則銅晶相顆粒來不及沉淀、富集、長大，導致細小銅晶相顆粒分散于爐渣中，給后續(xù)浮選帶來困難；冷卻速度過慢，則會降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。黃紅軍［34］研究了緩冷速度與銅顆粒粒度間的關(guān)系，當冷卻速度小于1℃/min，銅渣中95%的銅顆粒粒度大于20μm；當冷卻速度小于3℃/min時，85%的銅顆粒大于20 μm；當冷卻速度大于3℃/min時，銅的粒度明顯變小。因此，實踐中爐渣冷卻速度保持在1～3℃/min時，銅渣結(jié)晶效果最佳。

銅爐渣的冷卻結(jié)晶是從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嚅_始的，此時的溫度稱為“相變溫度”，在高于相變溫度時各組分結(jié)晶條件較好，爐渣含銅物質(zhì)嵌布粒度變大，但粒度變大存在極限粒度［35］，當爐渣溫度降到相變溫度以下后，爐渣的黏度急劇增加，銅顆粒難以繼續(xù)生長。因此，在生產(chǎn)實踐中要設置合理的空冷及水冷時間，否則會增大設備投資和生產(chǎn)成本。銅相結(jié)晶間隔溫度為1 050～1 160℃，因此銅爐渣緩冷終點溫度可控制在950～1 000℃［36］。銅渣選廠實踐表明，渣包緩冷時間通常控制在54～72 h較合適。張海鑫［37］通過諸多生產(chǎn)實踐，總結(jié)出銅冶煉渣的緩冷時間一般控制在56～64 h，自然空冷控制在8～12 h，隨后進行噴淋緩冷，這樣可避免直接噴淋引起的放炮等隱患。

4 結(jié)論

（1）銅爐渣冷卻方式中，渣包緩冷方式最有利于銅礦物晶粒的生長發(fā)育?；谠菁{銅渣緩冷方案，抱罐車配合渣包的設備配置工藝簡捷先進、安全可靠，更符合新型銅冶煉智慧工廠的要求。

（2）國產(chǎn)抱罐車應在吸收和借鑒國外先進技術(shù)的基礎上，做好自動運輸遙控技術(shù)、遠程人機作業(yè)界面和智能控制軟件等在抱罐車上的應用，推進抱罐車裝備國產(chǎn)化，實現(xiàn)核心部件升級自主可控，促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步，保障我國金屬冶煉加工產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

（3）焊接渣包呈現(xiàn)出逐漸替代鑄造渣包的趨勢，應在新材料、新工藝、新設備等方面不斷深入研究，促進焊接渣包技術(shù)水平進一步提升，更好地滿足用戶的不同需求。

（4）爐渣冷卻速度對提高爐渣中銅的回收指標至關(guān)重要，因此必須加強銅渣冷卻速度與銅粒結(jié)晶粒度、浮選效果等相互關(guān)系的研究，依據(jù)實際設立合理的緩冷時間，實現(xiàn)銅顆粒粒度過程控制，為浮選提供理想的銅爐渣。