薛 晨 張 鈴 楊采文

（1.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)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(lái)，世界銅需求量和產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)［1］，2019年全球銅產(chǎn)量已突破2 000萬(wàn)t。作為銅消費(fèi)和進(jìn)口大國(guó)，我國(guó)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(duì)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(diǎn)，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(qiáng)對(duì)銅渣的綜合利用研究，使銅冶煉渣資源化、無(wú)害化，對(duì)提高有色冶金企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

銅冶煉渣進(jìn)入渣選礦流程前，必須要對(duì)熔融狀態(tài)的銅爐渣進(jìn)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(biāo)。

1 冷卻方式

銅爐渣的冷卻方式對(duì)渣中銅礦物的選礦回收指標(biāo)起著決定性的作用［4］，根據(jù)所采用的設(shè)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(jìn)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(jī)冷卻，將爐渣放進(jìn)鑄渣機(jī)的熔渣斗內(nèi)，經(jīng)過(guò)鑄渣機(jī)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(guò)鑄渣機(jī)冷卻產(chǎn)出吹煉渣120 t/d，通過(guò)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(jìn)渣包經(jīng)過(guò)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(guó)內(nèi)大部分銅冶煉企業(yè)。

王春等［7］對(duì)采用不同冷卻方式的銅爐渣進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，急冷渣中獨(dú)立的銅相晶體較少，大多以微細(xì)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(guò)程中，爐渣熔體中的初析微晶緩慢生長(zhǎng)成良好的半自形晶或自形晶，銅礦物顆粒通過(guò)凝結(jié)、擴(kuò)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(shè)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(dá)1 200℃以上，對(duì)冷卻設(shè)備要求極高，只有對(duì)緩冷場(chǎng)設(shè)備進(jìn)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(dāng)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(shè)備有所不同。

2.1 緩冷工藝生產(chǎn)設(shè)備配置

銅渣選礦緩冷工藝主要有兩種生產(chǎn)設(shè)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(chǎng)之間鋪設(shè)軌道，利用平板小車或火車運(yùn)輸渣包，到達(dá)緩冷場(chǎng)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(yùn)至緩冷場(chǎng)。國(guó)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(yùn)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(diǎn)：占地小，能耗低，但軌道運(yùn)輸對(duì)廠區(qū)道路運(yùn)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(chǎng)，存在安全隱患。抱罐車主要特點(diǎn)：占地大，場(chǎng)地布置靈活，運(yùn)輸便捷，不受雨雪天氣影響，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，且抱罐車維修靈活，可在遠(yuǎn)離緩冷場(chǎng)處設(shè)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(shè)備配置能夠滿足緩冷場(chǎng)地受限的工況，故障點(diǎn)少，安全性高，雖然土建投資略大，但總體投資少，更符合新時(shí)代現(xiàn)代化工廠的要求。因此，目前國(guó)內(nèi)新建的銅渣緩冷場(chǎng)均采用抱罐車配合渣包緩冷配置。

2.2 抱罐車設(shè)備選型

抱罐車又稱渣包車，最初作為無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備用于鋼鐵企業(yè)運(yùn)載高溫爐渣［10］，目前已廣泛應(yīng)用在銅渣選礦緩冷場(chǎng)。抱罐車運(yùn)輸適用于裝卸點(diǎn)分散和路線復(fù)雜的爐渣運(yùn)輸作業(yè)［11］，給冶煉渣的運(yùn)輸和處理帶來(lái)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(guó)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(jī)構(gòu)和后車架組成。前車體包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、變速箱、駕駛室、機(jī)架等；工作機(jī)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(yùn)輸時(shí)渣包可以略高于地面的高度運(yùn)行，壓低了整車的重心，行駛穩(wěn)定性好。一旦熱渣溢出，不會(huì)落到車體上，當(dāng)出現(xiàn)狀況無(wú)法行駛時(shí)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(shí)也能保證后車體的平穩(wěn)，后車體還布置了獨(dú)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(huì)傾覆。

（2）鉸接式抱罐車。第2類是以德國(guó)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(jī)構(gòu)組成。前車架通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)前輪，采用垂直鉸接銷連接前、后車架，通過(guò)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)，車體可實(shí)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(hù)鋼板將渣包與車體隔開(kāi)，若不慎溢出鋼渣，不會(huì)損壞車體；其次，后車輪采用的高彈性實(shí)心輪胎增大了鉸接式抱罐車的承載能力［13］，不會(huì)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(guó)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(dòng)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(qiáng)度優(yōu)于U型和鉸接式抱罐車，但靈活性略差［14］。

我國(guó)對(duì)抱罐車的研制生產(chǎn)起步較晚［15］，過(guò)去只能從國(guó)外引進(jìn)，但隨著銅渣選礦項(xiàng)目在我國(guó)的推廣以及冶金技術(shù)和基礎(chǔ)工業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)自行研制的抱罐車也已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。如長(zhǎng)沙凱瑞重工機(jī)械研制的新型BGC抱罐車系列產(chǎn)品［16］，具有安全可靠、機(jī)動(dòng)靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)；中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)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(yīng)用到國(guó)內(nèi)各大冶煉廠。

在進(jìn)行渣包車選型時(shí)，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)能需求，綜合考慮渣包車的性價(jià)比、運(yùn)力及售后服務(wù)等。目前，國(guó)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(shì)，未來(lái)的發(fā)展應(yīng)結(jié)合新時(shí)代綠色礦山開(kāi)發(fā)的實(shí)際要求，發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情的銅渣運(yùn)輸專用車輛，實(shí)現(xiàn)核心部件的國(guó)產(chǎn)化［18］，同時(shí)緊跟智造創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)科技含量高的多樣化、系列化產(chǎn)品，盡快趕超進(jìn)口抱罐車發(fā)展的步伐。

2.3 渣包

渣包是盛放、轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhǎng)、修復(fù)難度大、壽命短及綜合使用成本高等缺點(diǎn)［20］；且鑄造行業(yè)屬于高能耗、高污染產(chǎn)業(yè)，不符合國(guó)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(qiáng)圈等件號(hào)，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(yīng)用于不同的工藝中承接不同的介質(zhì)。

在銅渣緩冷過(guò)程中，渣包內(nèi)盛裝銅爐渣最高溫度可達(dá)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(fù)給渣包帶來(lái)類似淬火沖擊的作用，加上數(shù)十噸自重負(fù)載，非均勻內(nèi)應(yīng)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(wú)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(duì)渣包的生產(chǎn)、使用進(jìn)行全周期質(zhì)量跟蹤，渣包質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

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目前，國(guó)內(nèi)銅渣選礦緩冷場(chǎng)使用的渣包已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，規(guī)格主要有11 m3和12 m3兩種，底部設(shè)計(jì)有平底和帶腿兩種，上部側(cè)邊設(shè)計(jì)有帶翻轉(zhuǎn)渣包用的凸臺(tái)和無(wú)凸臺(tái)兩種。焊接渣包技術(shù)誕生前應(yīng)用最廣泛的是帶腿有凸臺(tái)的鑄造渣包，焊接渣包從2011年開(kāi)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(jià)比突出等優(yōu)勢(shì)，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(jī)供應(yīng)的渣包整體強(qiáng)度優(yōu)良、壁厚均勻變化、應(yīng)力分布平衡，在銅渣緩冷場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。未來(lái)可采用有限元分析技術(shù)進(jìn)行渣包建模，對(duì)渣包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之在滿足緩冷要求的基礎(chǔ)上提高其使用壽命。

3 冷卻制度及機(jī)理

銅冶煉渣是在高溫條件下與鐵、硅及其他物質(zhì)通過(guò)化學(xué)結(jié)合及物理黏附等形成的復(fù)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(guò)程中，爐渣內(nèi)部形成了能夠機(jī)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(xué)性質(zhì)上的差異，實(shí)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(guò)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(dòng)，同類礦物顆粒開(kāi)始相互遷移、聚集、長(zhǎng)大，但隨著溫度降低，顆粒遷移的阻力越來(lái)越大，低于爐渣熔點(diǎn)后，顆粒就無(wú)法遷移。

如果對(duì)銅爐渣進(jìn)行急速冷卻，冷渣中會(huì)快速生成磁鐵礦，Al2O3和SiO2容易形成無(wú)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(méi)有足夠的遷移時(shí)間，不能及時(shí)形成相對(duì)集中的獨(dú)立相結(jié)晶體，導(dǎo)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(shí)，還會(huì)發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)［26］：

生成的氣體H2S和H2再遇到空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)：

在高溫狀態(tài)下，這些放熱、增容反應(yīng)速度極快，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大的熱能，熱能無(wú)法及時(shí)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(yán)重威脅人員、設(shè)備安全，甚至造成火災(zāi)，危害極大［27］。因此，銅爐渣運(yùn)至緩冷場(chǎng)后，通常是放置一段時(shí)間經(jīng)過(guò)自然緩冷后再打開(kāi)噴淋水進(jìn)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(shí)間，熔體的初析微晶可通過(guò)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(guò)程是具有一定幾何構(gòu)型的原子或分子聚集體的生長(zhǎng)過(guò)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(kuò)散遷移、進(jìn)一步聚集并長(zhǎng)大成相對(duì)集中的獨(dú)立相，有利于磨礦工序的單體解離和浮選過(guò)程的藥劑作用［30］，且銅相分子逐漸由多金屬絡(luò)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(jìn)銅浮選回收。

冷卻方式對(duì)于晶體的生長(zhǎng)速度和結(jié)晶形態(tài)具有很大的影響，當(dāng)爐渣溫度下降到一定值時(shí)，就會(huì)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(zhǎng)速度。如圖7所示，以溫度而言，最適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶溫度范圍是晶體、晶核的生長(zhǎng)速度均處于較大位置處，即圖中兩條曲線的交點(diǎn)位置，其對(duì)應(yīng)溫度為TK。當(dāng)相交面積大時(shí)，表明結(jié)晶溫度范圍廣，結(jié)晶過(guò)程易于進(jìn)行；反之，結(jié)晶難以進(jìn)行，甚至形成無(wú)定形排列的非晶形玻璃體［31］。

呂旭龍［32］對(duì)采用不同緩冷時(shí)間的閃速爐渣進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著緩冷時(shí)間的增加，銅嵌布較粗的顆粒增加，銅在較細(xì)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(shì)，銅損失率不斷降低。黃自力等［33］研究了緩冷速度對(duì)銅回收指標(biāo)的重要影響，結(jié)果表明，冷卻速度過(guò)快，則銅晶相顆粒來(lái)不及沉淀、富集、長(zhǎng)大，導(dǎo)致細(xì)小銅晶相顆粒分散于爐渣中，給后續(xù)浮選帶來(lái)困難；冷卻速度過(guò)慢，則會(huì)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(dāng)冷卻速度小于1℃/min，銅渣中95%的銅顆粒粒度大于20μm；當(dāng)冷卻速度小于3℃/min時(shí)，85%的銅顆粒大于20 μm；當(dāng)冷卻速度大于3℃/min時(shí)，銅的粒度明顯變小。因此，實(shí)踐中爐渣冷卻速度保持在1～3℃/min時(shí)，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_(kāi)始的，此時(shí)的溫度稱為“相變溫度”，在高于相變溫度時(shí)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(dāng)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(zhǎng)。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中要設(shè)置合理的空冷及水冷時(shí)間，否則會(huì)增大設(shè)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(diǎn)溫度可控制在950～1 000℃［36］。銅渣選廠實(shí)踐表明，渣包緩冷時(shí)間通?？刂圃?4～72 h較合適。張海鑫［37］通過(guò)諸多生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)出銅冶煉渣的緩冷時(shí)間一般控制在56～64 h，自然空冷控制在8～12 h，隨后進(jìn)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(zhǎng)發(fā)育?；谠菁{銅渣緩冷方案，抱罐車配合渣包的設(shè)備配置工藝簡(jiǎn)捷先進(jìn)、安全可靠，更符合新型銅冶煉智慧工廠的要求。

（2）國(guó)產(chǎn)抱罐車應(yīng)在吸收和借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，做好自動(dòng)運(yùn)輸遙控技術(shù)、遠(yuǎn)程人機(jī)作業(yè)界面和智能控制軟件等在抱罐車上的應(yīng)用，推進(jìn)抱罐車裝備國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)核心部件升級(jí)自主可控，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，保障我國(guó)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(shì)，應(yīng)在新材料、新工藝、新設(shè)備等方面不斷深入研究，促進(jìn)焊接渣包技術(shù)水平進(jìn)一步提升，更好地滿足用戶的不同需求。

（4）爐渣冷卻速度對(duì)提高爐渣中銅的回收指標(biāo)至關(guān)重要，因此必須加強(qiáng)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(shí)際設(shè)立合理的緩冷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)銅顆粒粒度過(guò)程控制，為浮選提供理想的銅爐渣。