劉頌，李良斌

（中銅東南銅業(yè)有限公司， 福建寧德 352000）

某冶煉廠利用旋浮精礦噴嘴對干燥后的混合銅精礦進行處理，混合銅精礦在反應(yīng)塔內(nèi)經(jīng)過富氧強化熔煉過程，落入沉淀池澄清分離后產(chǎn)出冰銅及爐渣。爐渣經(jīng)緩冷后采用磨浮選礦工藝回收獲得渣精礦，渣精礦返回熔煉過程。該冶煉廠設(shè)計陰極銅產(chǎn)能為40萬噸/年，產(chǎn)生熔煉渣約115萬噸/年。降低熔煉渣含銅，能有效提高旋浮熔煉銅金屬直收率，降低渣選礦成本和提高銅金屬回收率，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。通過近兩年來的生產(chǎn)實踐，該冶煉廠的冶煉渣含銅水平已由生產(chǎn)前期的3%以上逐步穩(wěn)定控制至2%以下。

1 渣含銅研究分析

火法煉銅生產(chǎn)過程的銅損失分為兩個方面［1］：①隨煙氣帶走，②隨渣損失。隨煙氣帶走的銅經(jīng)過收塵系統(tǒng)，可以進行回收，隨渣損失的銅是主要的。渣銅損失的形態(tài)有兩種：①機械夾雜在渣中的銅锍粒子，②化學(xué)溶解在渣中的銅。

1.1 渣含銅形態(tài)分析

陳紅榮、謝鍇等人［2-3］的研究表明，強化熔煉過程，銅在渣中損失形態(tài)主要成分有：銅锍、輝銅礦、銅氧化物（CuO/Cu2O）和鐵酸銅。

譚鵬夫、張傳福等人［4］的研究表明，熔煉渣中化學(xué)溶解銅，硫化態(tài)物質(zhì)含量遠遠高于氧化態(tài)物質(zhì)。同時，隨著熔煉過程中冰銅品位的提高，渣中化學(xué)溶解造成的銅損失變化量不大，而機械夾雜損失則快速提升。當(dāng)冰銅品位為70%左右時，由爐渣化學(xué)溶解造成的銅損失僅為總損失的20%左右。

1.2 影響渣含銅的因素

從對渣含銅的形態(tài)分析結(jié)果中可知，要降低熔煉渣含銅要從降低爐渣中的機械夾雜銅損失開始著手。減少機械夾雜主要是要加強沉淀池內(nèi)爐渣與銅锍的澄清分離效果，延長熔體澄清分離的時間，降低爐渣黏度和密度，促進爐渣中小顆粒銅锍粒子聚合長大等措施具有加快澄清分離效果。

受沉淀池容積影響，熔體澄清分離時間主要受爐內(nèi)熔體交換速度影響，即受投料量影響。爐渣的黏度和密度，主要與其在高溫下的性質(zhì)有關(guān)系。因此，要重點解決影響爐渣的黏度和密度的爐渣Fe3O4含量、爐渣溫度、Fe/SiO2等因素。

2 生產(chǎn)實踐

2.1 控制爐渣中Fe3O4的含量

熔煉渣中Fe3O4的控制是銅冶煉過程中需要解決的主要問題之一［5-6］。Fe3O4在強化熔煉過程中，能夠在爐內(nèi)形成掛渣保護層，降低耐火磚受到的熱沖擊和熔體沖刷，延長熔煉爐的壽命。但Fe3O4含量較高時，爐渣密度增大，黏度提高，嚴(yán)重時甚至在冰銅和爐渣之間形成粘渣層，造成銅锍與渣分離困難，人員的勞動強度也隨之增大。通過對該廠生產(chǎn)過程中的爐渣成分進行統(tǒng)計分析，得到在一定工況下爐渣Fe3O4含量與渣含銅的關(guān)系如圖1所示。

圖1 爐渣Fe3O4含量與渣含銅的關(guān)系（渣溫1300℃、Fe/SiO2=1.3）

由圖1可知，在渣溫1300℃、Fe/SiO2控制值1.3的冶煉工況下，爐渣Fe3O4含量與渣含銅呈正向相關(guān)關(guān)系。因此，需對爐渣中的Fe3O4含量進行合理控制。生產(chǎn)控制過程中發(fā)現(xiàn)，熔煉渣中Fe3O4控制在8%～12%時，渣含銅指標(biāo)較優(yōu)，熔煉渣排放順暢，同時也能對爐體形成較好的保護。

2.1.1 控制入爐物料Fe3O4含量

入爐物料中的Fe3O4主要來自于吹煉渣。該冶煉廠采用旋浮冰銅噴嘴對冰銅粉進行吹煉，產(chǎn)出的吹煉渣中Fe3O4含量在30%～40%，該部分吹煉渣返回熔煉系統(tǒng)參與配料，配入比例一般為5%～7%，另一部分則來自銅精礦中帶入的Fe3O4。

吹煉渣的配入量和配料系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響入爐物料成分的穩(wěn)定。若配料系統(tǒng)出現(xiàn)較大的波動，或出現(xiàn)配料錯誤，則會對入爐物料Fe3O4含量造成較大的影響。

2.1.2 控制反應(yīng)過程Fe3O4的生成

在反應(yīng)塔內(nèi)高溫強氧化氣氛中，原料中的FeS 迅速被氧化成FeO，與SiO2反應(yīng)造渣，反應(yīng)生成的FeO 未全部參與造渣反應(yīng)，因此部分FeO 在富氧的氣氛下繼續(xù)被氧化成Fe3O4，其反應(yīng)過程如下［7］：

而在FeS活度較大、FeO活度較小以及SO2分壓較低的條件下Fe3O4便可被還原而造渣，其反應(yīng)過程如下：

（1）反應(yīng)控制

根據(jù)反應(yīng)（1）-（4），在正常的作業(yè)時，渣中的Fe3O4會保持一種平衡狀態(tài)，此時的Fe3O4作為氧的載體，相當(dāng)于起到傳遞氧的作用，在造渣過程中發(fā)揮重要作用。

在生產(chǎn)過程中，多次由于旋浮噴嘴下料不均或給料螺旋大幅波動，造成“下生料”，引起渣中Fe3O4急劇上升，冰銅和渣分離困難，檢尺桿上出現(xiàn)厚厚的黏渣層，渣含銅快速上升。圖2所示為某次“下生料”過程中爐渣Fe3O4和渣含銅變化。

圖2 某次“下生料”過程爐渣Fe3O4含量與渣含銅的變化

經(jīng)過分析，上述渣含銅大幅度上升的原因為，精礦與氧氣混合不均勻，特別是部分精礦過氧化，從而造成了渣中Fe3O4急劇上升，爐渣粘性加大，形成了“粘渣”，導(dǎo)致銅渣分離不清，造成渣含銅上升。

（2）焦粉的加入實驗

為進一步降低爐渣含銅，該企業(yè)對加入一定量焦粉對渣含銅的影響進行了探索。實驗過程利用配料倉配入不同比例的焦粉，并對熔煉爐渣的Fe3O4和渣含銅變化進行記錄，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同焦粉配入比例下爐渣Fe3O4含量與渣含銅的關(guān)系(冰銅品位70%)

由圖3可知，當(dāng)控制一定冰銅品位時，焦粉的加入能夠有效降低熔煉爐渣Fe3O4和渣含銅，但是隨焦粉配入比例的增大，下降幅度逐漸趨緩。

焦粉加入后，在反應(yīng)塔內(nèi)焦粉一部分用作燃料補充了反應(yīng)熱，另一部分在下落到反應(yīng)塔下部時生成了CO，大顆粒的殘?zhí)脊腆w顆粒落入沉淀池，在熔池中對Fe3O4起到還原作用，使得爐渣黏度降低，強化了銅渣分離效果，從而使得渣含銅降低，高冰銅品位的生產(chǎn)控制也成為可能。

此外，在實驗過程中還發(fā)現(xiàn)由于焦粉的加入，F(xiàn)e3O4的還原量增多，沉淀池狀況發(fā)生明顯改善，熔池有效容積增加，用于控制爐結(jié)的生鐵消耗量也得到了大幅度的降低，消耗量降低了約80%。但是在爐內(nèi)點檢過程中發(fā)現(xiàn)，加入焦粉后反應(yīng)塔側(cè)壁的掛渣沖刷侵蝕較為嚴(yán)重。同時，由于煤粉造成的還原性氣氛，鍋爐煙塵的硫酸鹽化效果降低。另有研究表明［8］，煤粉的加入對雜質(zhì)脫除產(chǎn)生了不利的影響，通常使雜質(zhì)金屬脫除率下降。經(jīng)生產(chǎn)實踐，控制混合銅精礦中0.3%～0.5%的焦粉配入比例，能夠在有效降低渣含銅同時實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.2 熔煉爐渣Fe/SiO2與溫度控制

2.2.1 爐渣Fe/SiO2控制

在熔煉過程中，銅精礦在氧化過程中產(chǎn)生的FeO與SiO2、CaO、MgO等形成復(fù)雜的鐵硅酸鹽爐渣，這種爐渣屬于FeO-CaO-SiO2渣系。熔煉過程采用SiO2作為造渣劑，根據(jù)反應(yīng)（3）、（4）可以看出，SiO2含量的提高將有助于遏制Fe3O4的生成，會直接影響熔渣的性質(zhì)。然而采用較低的Fe/SiO2，由于該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，對反應(yīng)塔熱量的要求更高，將會增加生產(chǎn)能耗也會直接會導(dǎo)致渣量增大［9］。而當(dāng)控制Fe/SiO2較高時，F(xiàn)e3O4在渣中的溶解度低。在冰銅品位高時，渣中Fe/SiO2高，F(xiàn)e3O4易析出形成渣粘，造成渣口粘結(jié)放渣困難；如果此時溫度下降過快，將使渣中Fe3O4大量快速析出，排渣情況惡化，甚至冰銅排放也現(xiàn)困難。

因此，維持合適的硅鐵比對于獲得較低的渣含銅是有利的。目前經(jīng)過生產(chǎn)實踐，該冶煉廠通過控制配料時石英砂的加入量，來控制渣中Fe/SiO2，F(xiàn)e/SiO2控制為1.3～1.4左右渣含銅能夠控制在2%以下，同時具備較好的經(jīng)濟性。

2.2.2 熔煉爐渣溫控制

爐溫控制是銅冶煉過程中一項極其重要的指標(biāo)。爐渣的黏度和爐渣溫度成反比，控制較高的爐溫有助于促進銅锍顆粒的沉降過程，同時促進Fe3O4還原反應(yīng)的進行，還能防止Fe3O4由于低溫析出，有利于降低熔煉渣含銅。但是過高的爐溫將會加快對爐體耐火材料的損耗，縮短爐子壽命，同時也增加了能耗，具有較大的安全作業(yè)風(fēng)險。因此只能選擇適宜的爐體控制溫度來尋求兩者的平衡，達到最佳的經(jīng)濟效益。經(jīng)生產(chǎn)總結(jié)，該煉廠在爐況正常情況下，將爐溫控制范圍確定為1290℃～1310℃左右。當(dāng)爐內(nèi)反應(yīng)狀況出現(xiàn)異常波動時，將爐溫提升至1320℃左右控制，能夠加速爐況波動的調(diào)整進程。

2.3 沉淀池管理

沉淀池承擔(dān)爐渣和銅锍分離澄清的工作任務(wù)，沉淀池的合理有效管理對提高澄清分離效果有很大的幫助。在生產(chǎn)實踐過程中，由于未反應(yīng)物料及Fe3O4的不均勻沉降，在沉淀池內(nèi)形成“料堆”。這些“料堆”的存在減少了熔池有效容積，限制澄清分離的時間，并使冰銅和爐渣在沉淀池內(nèi)流動過程中發(fā)生劇烈擾動，特別是“料堆”出現(xiàn)在排放口附近時，易造成排放過程銅口帶渣，渣口帶銅，從而引起渣含銅的異常上升。為應(yīng)對“料堆”的出現(xiàn)，可采取爐內(nèi)投入生鐵的還原Fe3O4或定期控制一定的高溫和低Fe/SiO2操作進行洗爐作業(yè)，確保沉淀池的健康狀況。

2.4 開停爐管理

在該冶煉廠的生產(chǎn)實踐過程中發(fā)現(xiàn)，在開爐前期爐渣含銅較高，渣含銅一般達到5%以上。由于在停爐保溫期間，熔池內(nèi)熔體與殘氧繼續(xù)進行反應(yīng)，部分FeO被進一步氧化成了Fe3O4，導(dǎo)致爐內(nèi)熔體的Fe3O4升高。同時在投料初期，由于熔池內(nèi)新產(chǎn)生的熔體覆蓋在原熔體表面，造成了沉淀池內(nèi)熔體的劇烈攪動。上述因素導(dǎo)致了開爐前期爐渣和冰銅的沉降分離效果變差。因此在停爐前盡量降低爐內(nèi)熔體液面，減少保溫期間爐內(nèi)熔體總量，同時采用在開爐前從沉淀池投入一定數(shù)量的煤塊等還原劑的辦法，對爐內(nèi)氣氛進行調(diào)整，目前開爐前期的渣含銅已能夠控制在3%左右。

3 總結(jié)

降低銅冶煉過程中的渣含銅有利于提高金屬直收率，能夠產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。銅在渣中的損失主要為機械夾雜造成的損失。通過在某冶煉廠的生產(chǎn)實踐表明，下列控制措施能夠有效實現(xiàn)渣含銅的降低。

（1）通過控制入爐物料成分及在混合銅精礦中配入0.3%～0.5%的焦粉，將熔煉渣中Fe3O4控制在8%～12%時，渣含銅指標(biāo)較優(yōu)，熔煉渣排放順暢，同時也能對爐體形成較好的保護。

（2）通過控制配料時石英砂的加入量，F(xiàn)e/SiO2控制在1.3～1.4左右時，渣含銅控制指標(biāo)較優(yōu)并具備較好的經(jīng)濟性。

（3）控制爐溫1290℃～1310℃，并加強沉淀池管理，擴大沉淀池容積，減少“料堆”的存在，有利于爐渣與冰銅的澄清分離。

（4）在停爐前盡量降低爐內(nèi)熔體液面，同時在開爐前向沉淀池內(nèi)投入一定數(shù)量的煤塊等還原劑的辦法，對爐內(nèi)氣氛進行調(diào)整，對開爐前期的渣含銅控制的有利。