大型富氧底吹爐熔煉渣含銅的研究及控制

梁高喜,張文岐,任飛飛,王伯義

(1.河南省黃金資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2.河南中原黃金冶煉廠有限責(zé)任公司中原學(xué)者工作站; 3.河南中原黃金冶煉廠有限責(zé)任公司)

引 言

銅火法冶煉核心過程之一是造渣,熔煉渣的性質(zhì)直接影響冶煉過程的順利與否,熔煉渣性質(zhì)與入爐原料、冰銅品位、冶煉工藝、操作條件、渣型選擇等因素密切相關(guān),不同渣型銅含量差別也較大[1-5]。降低熔煉渣含銅是提高底吹爐有價(jià)金屬回收率的重要手段。河南中原黃金冶煉廠有限責(zé)任公司(下稱“中原冶煉廠”)大型富氧底吹爐(φ5.8 m×30 m)在運(yùn)行過程中長期受制于渣含銅過高,無法大幅度提高礦粉處理量。針對(duì)這一問題,研究分析了渣含銅的主要影響因素,并制定相應(yīng)的調(diào)控措施,以期解決底吹爐在高處理能力情況下的熔煉渣含銅偏高問題,為類似企業(yè)提供技術(shù)借鑒。

1 熔煉渣組分分析

根據(jù)X射線衍射分析、光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡結(jié)果,并結(jié)合化學(xué)成分分析結(jié)果,查明熔煉渣組分主要為磁鐵礦、鐵橄欖石(Fe2SiO4)、鈣鐵輝石(CaFeSi2O6)及玻璃相,其次為以硫化亞銅為主的冰銅,冰銅中可見微粒硫化鋅、砷化物、氧化鐵,細(xì)脈狀硫化鉛及不規(guī)則狀金屬銅。熔煉渣組分分析結(jié)果見表1。

表1 熔煉渣組分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of smelting slag composition

熔煉渣中冰銅主要呈粒狀單體產(chǎn)出,粒度分布極不均勻,單體粒度相對(duì)較粗(見圖1-a、b),一般為0.038～0.3 mm,這部分冰銅可經(jīng)過磨浮工藝回收。此外,還有部分冰銅呈細(xì)粒、微細(xì)粒分布于熔煉渣中,并以貧連生體形式產(chǎn)出(見圖1-c、d),粒度一般較細(xì)(小于0.01 mm)。在繼續(xù)細(xì)磨條件下,大部分冰銅很難單體解離,難以通過浮選回收,只有少部分粒度稍粗的可進(jìn)一步單體解離,因此該部分冰銅多以富連生體形式進(jìn)入浮選銅精礦。

圖1 冰銅顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Microscopic image of copper matte

經(jīng)過對(duì)熔煉渣進(jìn)行物相分析,發(fā)現(xiàn)熔煉渣中鐵主要以硅酸鐵形式存在,且以鐵橄欖石及鈣鐵輝石為主,少量含鐵硅酸鹽玻璃相,其次以磁鐵礦形式存在,少量以硫化鐵形式存在;熔煉渣中銅主要以機(jī)械夾帶冰銅方式損失。因此,通過主控精細(xì)操作,保持熔煉渣良好流動(dòng)性,保證渣銅分離效果,是控制熔煉渣含銅的關(guān)鍵。

2 熔煉渣含銅影響因素及控制措施

2.1 鐵硅比

王親猛等[6]研究表明,鐵硅比(m(Fe)/m(SiO2))在1.4～2.0,熔煉渣含銅會(huì)隨鐵硅比的增加而增加,且有一定的線性關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),當(dāng)鐵硅比高于1.9時(shí),產(chǎn)生的熔煉渣流動(dòng)性非常差,幾乎“斷流”;鐵硅比控制在1.5以下時(shí),熔煉渣流動(dòng)性明顯變好,但這種情況下配入的石英砂量增加,熔煉渣量增多,渣含銅的絕對(duì)損失量增加,并且對(duì)爐襯沖刷嚴(yán)重。同等工藝條件下鐵硅比對(duì)熔煉渣含銅的影響見表2。綜合爐況考慮,中原冶煉廠富氧底吹爐熔煉渣鐵硅比控制在1.6～1.8,熔煉渣流動(dòng)性良好,各項(xiàng)指標(biāo)較為平穩(wěn)。

表2 同等工藝條件下鐵硅比對(duì)熔煉渣含銅的影響Table 2 Influence of m(Fe)/m(SiO2) on copper content in smelting slag under the same process parameters

2.2 熔煉溫度

冰銅主要由Cu2S和FeS組成,其主要組分銅、鐵、硫的含量與原料成分、熔煉方法和技術(shù)操作條件有關(guān),中原冶煉廠富氧底吹爐所產(chǎn)冰銅品位一般控制在:銅68 %～72 %,硫19 %～22 %,鐵3 %～6 %。其余為其他金屬的硫化物,如PbS、Ni3S2、ZnS等。熔煉渣是由多種氧化物相互熔融形成的共熔體,主要成分是SiO2和FeO,其次是CaO、Al2O3和MgO等。固態(tài)爐渣主要由2FeO·SiO2、2CaO·SiO2等硅酸鹽復(fù)雜組分組成。銅冶煉過程產(chǎn)物物理性質(zhì)見表3。

表3 銅冶煉過程產(chǎn)物物理性質(zhì)[2]Table 3 Physical characteristics of copper smelting products

FeO-SiO2-CaO系狀態(tài)圖見圖2。通過FeO-SiO2-CaO系狀態(tài)圖可以了解不同組分的熔煉渣熔化溫度,進(jìn)而可以得到熔點(diǎn)最低的熔煉渣組成。熔煉過程中希望得到流動(dòng)性好,即黏度小的熔煉渣,而熔煉溫度對(duì)其黏度影響較大,尤其是在熔點(diǎn)附近,影響比較明顯。因此,控制較高的熔煉溫度,有助于改善熔煉渣的流動(dòng)性,但過高的熔煉溫度不利于爐體壽命,因此合適的熔煉溫度對(duì)優(yōu)化熔煉渣含銅是非常重要的,中原冶煉廠生產(chǎn)實(shí)踐控制熔煉溫度為1 170 ℃ ～1 190 ℃。熔煉溫度對(duì)熔煉渣含銅的影響見表4。

圖2 FeO-SiO2-CaO系狀態(tài)圖[3]Fig.2 FeO-SiO2-CaO status diagram

表4 熔煉溫度對(duì)熔煉渣含銅的影響Table 4 Influence of smelting temperature on copper content in smelting slag

2.3 Fe3O4含量

熔煉渣中Fe3O4的存在會(huì)形成爐體掛渣,保護(hù)爐襯,延長爐壽,但同時(shí)增加熔煉渣的黏度,影響渣含銅。Fe3O4含量較低,有助于改善熔煉渣流動(dòng)性以降低渣含銅。影響底吹爐熔煉渣中Fe3O4含量的因素主要有:

1)熔煉渣SiO2含量。SiO2含量越高,溶解的Fe3O4越少,即鐵硅比越低,熔煉渣流動(dòng)性越好。

2)入爐原料中氧化鐵的含量。底吹爐比較大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是原料適應(yīng)性強(qiáng),能夠處理雜礦。目前,配入的含氧化鐵的原料主要是吹煉渣和焙燒脫砷礦,這2種物料中含F(xiàn)e3O4較多,當(dāng)其配入比例過高(大于7 %)時(shí),對(duì)熔煉渣的流動(dòng)性影響非常大,嚴(yán)重時(shí)直接造成熔煉渣“斷流”,因此合理配入含雜礦對(duì)改善熔煉渣流動(dòng)性幫助較大。

3)配煤率。配礦過程會(huì)加入一定量煤,不但可以提供熱量以處理更多的冷料(渣精礦、煙灰等),還能夠有效改善熔煉渣流動(dòng)性。煤塊進(jìn)入熔體后可以消耗渣層區(qū)域部分氧,同時(shí)對(duì)Fe3O4有還原作用,滿足在高鐵硅比(大于1.9)時(shí)熔煉渣的流動(dòng)性正常,但能耗增加。所以一般情況下,底吹爐配煤率很低,但出現(xiàn)熔煉渣渣型迅速惡化時(shí),可以采用立即增加配煤率來解決。

中原冶煉廠控制熔煉渣含F(xiàn)e3O4一般在25 %左右。一段時(shí)期內(nèi)不同F(xiàn)e3O4含量對(duì)熔煉渣含銅的影響見表5。

表5 Fe3O4含量對(duì)熔煉渣含銅的影響Table 5 Influence of Fe3O4 contents on copper content in smelting slag

2.4 熔煉池液位控制及沉降區(qū)的優(yōu)化

1)熔煉池液位。底吹熔煉吹的是冰銅層,冰銅層中存在FeS,因而不會(huì)產(chǎn)生過多的Fe3O4。當(dāng)冰銅層過薄時(shí),氧氣會(huì)穿透冰銅層吹到渣層,從而產(chǎn)生過量的Fe3O4,維持一定的冰銅液位,保持薄渣層操作,能有效緩解Fe3O4的產(chǎn)生;若熔煉池中冰銅層液位過低即渣層過厚,熔體得不到充分?jǐn)噭?dòng),熔煉池的傳熱傳質(zhì)條件變差,精礦反應(yīng)不充分,爐渣變黏,冰銅粒子難以聚集,銅渣分離不完全,在渣口表現(xiàn)為帶銅現(xiàn)象,因此需要保持合適的冰銅層液位及渣層厚度。中原冶煉廠在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)生過因冰銅層液位過低,反應(yīng)效果差,造成渣銅不分離的工藝事故,后經(jīng)大量放渣,提高冰銅層液位進(jìn)行調(diào)整。

另一方面,最初底吹爐設(shè)計(jì)渣口高度為1 750 mm,經(jīng)過摸索,生產(chǎn)控制冰銅面1 000～1 200 mm、薄渣層400～500 mm,能夠降低渣黏度,保證冰銅粒子的聚集和沉降效果,但熔煉渣含銅仍無法長期有效降低。為此,利用2019年4月和2022年4月2次爐體冷修時(shí)機(jī),將渣口高度下降至1 440 mm,取得了不錯(cuò)的效果(見表6)。渣口高度降低后,底吹爐內(nèi)熔煉渣存量大幅度降低,增加了入爐礦粉的傳質(zhì)傳熱效率,提高了反應(yīng)速率,減少了渣口帶出生料幾率,進(jìn)而降低了熔煉渣含銅。

表6 底吹爐熔煉渣含銅變化Table 6 Evolution of copper contents of the smelting slag from bottom-blowing furnace

2)沉降時(shí)間越長,越有利于渣銅分離,而延長沉淀區(qū)長度,有利于延長沉降時(shí)間。中原冶煉廠針對(duì)沉淀時(shí)間對(duì)熔煉渣含銅的影響做了大量探索工作,在保證反應(yīng)、氧槍壓力在合適范圍的前提下,拆除了最靠近渣口的2根氧槍,增加了氧槍到渣口的距離,熔煉渣含銅大幅度降低。

2.5 熔煉渣雜質(zhì)控制

熔煉渣中MgO、ZnO、Al2O3等高熔點(diǎn)雜質(zhì)含量的升高會(huì)影響熔煉渣流動(dòng)性[7],高熔點(diǎn)雜質(zhì)的主要來源有:①精礦;②返料(渣精礦、吹煉渣、煙灰、鍋爐灰)富集返爐;③上升煙道結(jié)焦抑制劑的加入,抑制劑含有高熔點(diǎn)化合物,會(huì)落入爐內(nèi)。解決方案為:①精礦精確配比,保持供礦穩(wěn)定;②提高直收率,減少返料加入量,并根據(jù)爐況及時(shí)調(diào)整;③在滿足結(jié)焦易振打的前提下,盡可能減少結(jié)焦抑制劑用量。

適當(dāng)控制熔煉渣中CaO含量有利于保持熔煉渣的流動(dòng)性,在熔體中,CaO的存在可使熔煉渣形成三元渣系,冰銅在熔煉渣中的溶解度降低;同時(shí),CaO可使硅酸亞鐵、磁性鐵還原,可增加金屬與熔煉渣界面張力;CaO的存在還可以破壞熔煉渣的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),適量的CaO有助于降低熔煉渣含銅。生產(chǎn)實(shí)踐通過調(diào)整吹煉渣的配入量,可以較快地影響熔煉渣中的CaO含量,一般CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在2 %～5 %[8-10]。

2.6 其他因素

1)原料塊過大或較難熔,造成原料塊未完全熔化便從渣口排出,導(dǎo)致熔煉渣含銅高?？赏ㄟ^多級(jí)破碎減小原料塊粒度,保證原料塊入爐后完全熔化。

2)上升煙道結(jié)焦塊被振打脫落后,漂浮于熔煉渣表面被帶出,造成熔煉渣含銅高?？赏ㄟ^點(diǎn)檢時(shí)對(duì)上升煙道底部結(jié)焦進(jìn)行清理,正常生產(chǎn)過程中提高振打頻次,防止形成過大的結(jié)焦塊掉入爐內(nèi)。

3 結(jié) 語

熔煉渣含銅各影響因素均存在著聯(lián)系,某個(gè)指標(biāo)的波動(dòng)往往引起一系列的波動(dòng)。熔煉渣含銅的控制乃至整個(gè)爐況的控制,需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和化學(xué)分析結(jié)果,對(duì)當(dāng)前爐況形成準(zhǔn)確判斷,找到合適的平衡點(diǎn)。通過工藝參數(shù)優(yōu)化,中原冶煉廠大型富氧底吹爐熔煉渣含銅從試生產(chǎn)時(shí)的6 %以上降至目前的3.32 %,考慮到大型富氧底吹爐能消耗大量渣精礦,當(dāng)前指標(biāo)達(dá)到生產(chǎn)要求,但未來仍有很大優(yōu)化空間。