頂吹爐熔煉生產(chǎn)高品位冰銅探索及實(shí)踐

趙 璧，李汝云，任永專，葸 軍

（涼山礦業(yè)股份有限公司，四川 會(huì)理 615141）

國際國內(nèi)使用頂吹熔池熔煉搭配PS轉(zhuǎn)爐吹煉工藝較多，艾薩爐頂吹熔池熔煉技術(shù)，充分利用了精礦中的硫、鐵氧化放出的熱量進(jìn)行熔煉，生產(chǎn)冰銅。但低品位冰銅生產(chǎn)不能有效利用銅精礦自熱，生產(chǎn)能耗較高，對標(biāo)銅冶煉行業(yè)，不能達(dá)到《銅冶煉行業(yè)規(guī)范條件》標(biāo)準(zhǔn)，通過理論研究及探索，艾薩熔池熔煉冰銅品位一步提升至70%以上白冰銅。轉(zhuǎn)爐一次進(jìn)料直接進(jìn)行二周期生產(chǎn)，完成冰銅的吹煉產(chǎn)出粗銅，提出艾薩高品位熔煉的工藝技術(shù)方案，為后續(xù)生產(chǎn)改造提供一定技術(shù)理論支撐。

1 不同熔煉技術(shù)高品位生產(chǎn)對比

1.1 閃速熔煉

閃速熔煉是將經(jīng)過深度脫水（含水小于0.3%）的粉狀精礦，在噴嘴中與空氣或氧氣混合后，以高速度（60～70m/s）從反應(yīng)塔頂部噴入高溫的反應(yīng)塔內(nèi)。精礦顆粒被氣體包圍，處于懸浮狀態(tài)，在2s～3s內(nèi)就基本上完成了硫化物的分解、氧化和熔化等過程。熔融硫化物和氧化物的混合熔體落下到反應(yīng)塔底部的沉淀池中匯集起來，繼續(xù)完成冰銅與爐渣最終形成過程，在爐內(nèi)完成沉清分離，爐渣排放采用爐渣溢流排放模式，渣層厚度相對固定。爐料與氣體密切接觸，在懸浮狀態(tài)下與氣相進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)；產(chǎn)出高品位冰銅（75%）。

1.2 金峰爐熔池熔煉

金峰側(cè)吹是通過側(cè)吹槍把富氧空氣強(qiáng)制鼓入熔池，液-氣流卷流運(yùn)動(dòng)裹攜著從熔池面浸沒下來的爐料，形成了液-氣-固三相流，在三相流內(nèi)發(fā)生劇烈的氧化脫硫與造渣反應(yīng)，使三相流區(qū)成為熱量集中的高溫區(qū)域，高溫與反應(yīng)產(chǎn)生的氣體又加劇了三相流的形成與攪動(dòng)。依靠三相卷流，實(shí)現(xiàn)熔池內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱與物理化學(xué)過程，在爐內(nèi)完成沉清分離，爐渣排放采用爐渣溢流排放模式，渣層厚度相對固定。同時(shí)產(chǎn)出高品位冰銅（75%）。

1.3 底吹爐熔池熔煉

底吹爐熔煉是通過底吹槍把富氧空氣強(qiáng)制鼓入熔池，液-氣流卷流運(yùn)動(dòng)裹攜著從熔池面浸沒下來的爐料，形成了液-氣-固三相流，在三相流內(nèi)發(fā)生劇烈的氧化脫硫與造渣反應(yīng)，使三相流區(qū)成為熱量集中的高溫區(qū)域，高溫與反應(yīng)產(chǎn)生的氣體又加劇了三相流的形成與攪動(dòng)。

依靠三相卷流，實(shí)現(xiàn)熔池內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱與物理化學(xué)過程，在爐內(nèi)完成沉清分離，爐渣排放采用爐渣溢流排放模式，渣層厚度相對固定。氧氣主要進(jìn)入冰銅相，同時(shí)產(chǎn)出高品位冰銅（75%）。

1.4 頂吹熔池熔煉

艾薩熔煉是富氧頂吹浸沒熔池熔煉法，通過噴槍把富氧空氣強(qiáng)制鼓入熔池，液-氣流卷流運(yùn)動(dòng)裹攜著從熔池面浸沒下來的爐料，形成了液-氣-固三相流，在三相流內(nèi)發(fā)生劇烈的氧化脫硫與造渣反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體加劇了三相流的形成與攪動(dòng)，為反應(yīng)提供動(dòng)力學(xué)條件，從而產(chǎn)出高品位冰銅（60%）。

2 頂吹熔煉生產(chǎn)高品位理論探討

2.1 熱力學(xué)探討

現(xiàn)代造锍熔煉是在1150℃～1250℃的高溫下，使硫化銅精礦和熔劑在熔煉爐內(nèi)進(jìn)行熔煉。爐料中的銅、硫與未氧化的鐵形成液態(tài)銅锍。這種銅锍是以FeS-Cu2S為主,并溶有Au、Ag等貴金屬及少量其他金屬硫化物的共熔體。爐料中的SiO2，Al2O3，CaO等成分與FeO一起形成液態(tài)爐渣。

表1 造渣反應(yīng)吉布斯自由能反應(yīng)情況表

正常的熔煉作業(yè)中，要求固體磁性氧化鐵（Fe3O4）不從爐渣中析出。當(dāng)冰銅品位超過70%，爐渣中磁性鐵快速升高，富氧空氣與爐渣的反應(yīng)降低，影響熔煉反應(yīng)進(jìn)行。當(dāng)爐氣的氧分壓超過大約10-8-10-6，SiO2飽和時(shí)，固體磁性氧化鐵就會(huì)析出與液相成平衡。在大多數(shù)熔煉爐內(nèi)，氣氛中含有大約10%的氧（即Po2大約為10-2大氣壓），具備了在渣－氣界面上析出固體Fe3O4，由于FeS含量較低后，析出磁性鐵不易被還原，在爐內(nèi)形成較大影響。

2.2 動(dòng)力學(xué)探討

當(dāng)冰銅品位升高到70%以上時(shí)，冰銅中FeS含量下降造成渣中Fe3O4升高，磁性鐵比重相對較大，底部爐渣攪動(dòng)條件差造成底部爐渣局部磁性鐵增加，噴槍攪動(dòng)不滿足爐內(nèi)的動(dòng)力性能。爐渣熔點(diǎn)、粘度等物理性質(zhì)相比冰銅較差，渣型、溫度波動(dòng)容易造成熔煉反應(yīng)區(qū)動(dòng)力學(xué)條件惡化，氣液接觸過程容易產(chǎn)出大氣泡，降低熔煉反應(yīng)速率。噴槍在為熔煉反應(yīng)提供氧氣的同時(shí)，還為爐內(nèi)反應(yīng)提供動(dòng)力條件，促進(jìn)物料運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)交換，但冰銅品位升高后，爐內(nèi)冰銅流動(dòng)性變差，爐渣變粘，僅水平攪動(dòng)不滿足反應(yīng)的動(dòng)力條件，在生產(chǎn)中出現(xiàn)熔劑SiO2與爐渣中的Fe3O4分層的情況，SiO2熔劑熔點(diǎn)為1650℃，F(xiàn)e3O4熔點(diǎn)為1597℃，兩層半熔體浮于熔體上層，阻礙熔體下部氣體的逸出。爐渣粘度較大，噴槍端壓升高，插入深度降低，進(jìn)而反應(yīng)變差，熔煉過程穩(wěn)定性降低。頂吹噴槍對爐底攪動(dòng)不足，高品位生產(chǎn)時(shí)高槍位條件下磁性鐵富集在冰銅與上層反應(yīng)區(qū)之間，高品位冰銅流動(dòng)性低，造成艾薩排放不順暢。

3 生產(chǎn)實(shí)踐

2019年12月20日至12月30日期間，我公司開展了為期11天的“1+1+1生產(chǎn)組織優(yōu)化”工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)期間，整個(gè)生產(chǎn)流程基本穩(wěn)定運(yùn)行，但部分工藝控制指標(biāo)發(fā)生了較大變動(dòng)。艾薩爐工藝控制指標(biāo)如下。

表2 試驗(yàn)期間各項(xiàng)參數(shù)對比情況

圖1 冰銅品位及磁性體變化情況

3.1 噴槍控制指標(biāo)

噴槍槍位：0.5m～1.4m控制，減少磁性鐵在熔池下部富集導(dǎo)致熔池發(fā)泡，控制相對低的熔池液位保證下部反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，生產(chǎn)期間仍然存在槍位上漲較快的情況，漲熔池從0.6m至1.4m速度最快可達(dá)13min。端壓：12kpa～30kpa，初期噴槍端壓使用12kpa，控制過程中燒油量較大，后期因噴槍燒損，端壓帽脫落，端壓控制27kpa，參照背壓控制，背壓值控制在0.045Mpa～0.054Mpa左右。富氧濃度：本次試驗(yàn)使用直徑400mm噴槍，為保證噴槍冷卻效果，噴槍流量控制在7.3Nm3/S～7.4Nm3/S，即工藝風(fēng)使用14000NM3/h,氧氣根據(jù)排放情況及生產(chǎn)節(jié)奏情況調(diào)整料量，富氧濃度控制在56%～62%。噴槍負(fù)載：試驗(yàn)后期，噴槍結(jié)渣情況較為嚴(yán)重，負(fù)載最高到220KN，低槍位時(shí)噴槍擺動(dòng)劇烈。

3.2 爐內(nèi)指標(biāo)控制參數(shù)變化

冰銅品位：目標(biāo)值71%，波動(dòng)范圍：66%～76%，艾薩渣型控制穩(wěn)定后，品位波動(dòng)相對較小。磁性鐵：初期磁性鐵10%～12%控制，出現(xiàn)排放口有半熔體，排放困難，使用燃油改變渣型和提溫，排放困難情況有所好轉(zhuǎn)。提高一次配煤后，排放口出現(xiàn)半熔體情況減少，磁性鐵在7%～8%。試驗(yàn)期間最高磁性鐵26%，最低4.05%。渣型：硅鐵比0.88～1.0范圍。溫度控制：未進(jìn)行“1+1+1”高品位試驗(yàn)，艾薩溫控中心為1155℃，高品位生產(chǎn)期間溫控中心為1190℃，實(shí)測冰銅溫度1190℃左右，渣溫1200℃左右。因排放困難最高操作溫度為1216℃。爐殼溫度熔池區(qū)域變化不大，五樓阻濺上方因結(jié)渣爐殼溫度有下降，其他方位略有上漲，六樓溫度上漲8℃～10℃。

4 結(jié)論

頂吹熔池熔煉具備生產(chǎn)出高品位冰銅的能力，同時(shí)生產(chǎn)過程也反映出爐內(nèi)反應(yīng)效率低，動(dòng)力學(xué)條件不好，噴槍擺動(dòng)較大，噴槍壽命短等問題。需要持續(xù)開展頂吹熔池熔煉生產(chǎn)高品位冰銅后續(xù)必須要解決幾個(gè)問題，高品位生產(chǎn)為了保證熔煉正常進(jìn)行，提高熔煉溫度至1250℃以上進(jìn)行，高渣型下形成的酸性渣以及保持較高的熔池溫度會(huì)對艾薩爐磚形成較大的損傷，后期可考慮在艾薩爐反應(yīng)區(qū)增設(shè)水套，對爐墻進(jìn)行冷卻，利于爐墻掛渣護(hù)爐。目前為了控制磁性鐵含量采用高鐵硅比進(jìn)行生產(chǎn)，由于渣量增加，浮選尾礦含銅上升問題，造成金屬回收率下降，后期高品位生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)連續(xù)放渣，可采用低渣型，高Fe3O4控制，減少渣量。排放控制富氧條件下勢必會(huì)造成爐渣中Fe3O4含量升高，可考慮在艾薩爐上增設(shè)溢流口，使得產(chǎn)出的爐渣及時(shí)溢出，實(shí)現(xiàn)薄渣層操作，達(dá)到連續(xù)性排放需求為防止未反應(yīng)完的物料隨熔體排出，需在爐外設(shè)計(jì)圍堰，利用連通器原理，實(shí)現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)及排放需求。為了減少磁性鐵析出對熔煉反應(yīng)過程的影響，可增加用CaO使用，采用高鈣渣（CaO達(dá)到20%），即使在氧分壓大的情況下也不會(huì)出現(xiàn)磁性氧化鐵的析出。

綜上所述，頂吹熔煉爐生產(chǎn)高品位冰銅具有理論可行性和實(shí)踐可行性，在工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)中，從保證爐磚壽命情況下提高熔煉問題、增加噴槍端壓增大動(dòng)力學(xué)條件、增加爐渣氧化鈣含量減少磁性鐵析出、改造圍堰排放等方式進(jìn)一步探索。