趙祥林 劉賢龍

(大冶有色金屬有限責任公司冶煉廠, 湖北 黃石 435005)

0 前言

某銅冶煉廠的火法熔煉系統(tǒng)歷經(jīng)反射爐、諾蘭達爐和澳斯麥特爐的變革。2010年開始引進澳斯麥特爐(以下簡稱“澳爐”)富氧頂吹熔池熔煉技術，火法系統(tǒng)采用澳爐熔煉+PS轉爐吹煉+陽極爐精煉的作業(yè)模式，配備有1臺澳爐、5臺轉爐和2個制酸系統(tǒng)，設計產(chǎn)能為粗銅30萬t/a、硫酸97萬t/a。通過系統(tǒng)的優(yōu)化，2019年粗銅產(chǎn)能最高達到32.5萬t/a、硫酸108萬t/a。

目前，綠色發(fā)展已經(jīng)成為全球主流趨勢，有色金屬冶煉作為傳統(tǒng)高能耗高污染行業(yè)，建設綠色工廠逐漸成為行業(yè)內未來發(fā)展的趨勢[1]?；诮ㄔO綠色工廠的需要，該冶煉廠將三臺轉爐生產(chǎn)減少為兩臺，澳爐處理量從210 t/h降低至180 t/h，預測粗銅年產(chǎn)量下降至25.5萬t(表1)。

表1 年產(chǎn)32.5萬t及25.5萬t粗銅相關生產(chǎn)數(shù)據(jù)

在澳爐處理量180 t/h、開兩臺轉爐的情況下，粗銅年產(chǎn)量僅有25.5萬t，想要進一步提升產(chǎn)能規(guī)模，面臨以下幾個問題：1)澳爐富氧濃度偏低，SO2濃度低、煙氣量大，澳爐加料量受到限制；2)澳爐銅锍品位控制較低，僅有55%，自熱反應熱量不足，需要燃燒大量粉煤補充熱量，能耗高，熱效率低；3)由于銅锍品位低且量大，轉爐吹煉時間長，處理能力不足，且煙氣量大；4)由于澳爐和轉爐煙氣量大，加上系統(tǒng)漏風，導致制酸系統(tǒng)處理能力不足。

針對上述問題，將澳爐銅锍品位從55%提高到62%～65%，氧氣濃度從67%提高至72%～75%，希望通過高氧氣濃度熔煉，降低熔煉煙氣量，提高澳爐處理能力；提高熔煉熱效率，降低澳爐系統(tǒng)的能耗；大幅度降低銅锍量，縮短轉爐吹煉時間，提高轉爐處理能力；大幅減少熔煉和吹煉總煙氣量，降低制酸系統(tǒng)負荷。高富氧濃度高銅锍品位熔煉同時影響熔煉爐內氧勢變化，動能的傳遞、物質反應的過程，對熔煉過程有著極大的影響。

1 高氧氣濃度高品位作業(yè)的利弊分析

提高氧氣濃度，具有以下優(yōu)點：1)可降低熔煉煙氣量，減少澳爐尾氣煙塵量，提高直收率；2)可減少煙氣對澳爐耐火磚的沖刷，提高澳爐壽命；3)降低澳爐熔池熔體噴濺頻次，減少鍋爐結焦；4)減少澳爐和轉爐煙氣無組織散排量，實現(xiàn)產(chǎn)能規(guī)模的提升；5)提高SO2濃度，從而有利于提高制酸系統(tǒng)效率；6)提高澳爐熔池冶化強度，使反應更加徹底；7)減少煙氣熱量損失，提高熱效率，降低能耗[2]。

提高銅锍品位，具有以下優(yōu)點：1)降低銅锍產(chǎn)出率，降低轉爐負荷和煙氣總量；2)縮短轉爐吹煉時間，使其處理能力提升；3)轉爐轉進轉出頻次降低，漏風率下降；4)澳爐爐料FeS的氧化程度高，脫硫率大，熱效率高；5)銅锍品位進一步提高，吹煉系統(tǒng)工藝具有更多選擇。

然而，提高氧氣濃度和銅锍品位，會產(chǎn)生以下弊端：1)氧氣濃度過高，風量過低，觸動工藝聯(lián)鎖；噴槍冷卻不足，導致噴槍壽命縮短；2)風氧量下降，噴槍對熔池傳質傳熱效果下降，物料反應不完全；熱傳遞不夠，澳爐溶體可能出現(xiàn)爐渣溫度高、銅锍溫度低的問題，導致電爐電耗高；3)澳爐渣多銅锍少，爐渣Fe3O4含量上升；4)銅锍和爐渣熔點升高；5)煙氣熱量下降，蒸發(fā)量不足，收塵進口溫度低；6)銅锍品位和爐渣熔點高，電爐電耗高；7)溜槽粘接嚴重，放銅、放渣困難；8)銅锍品位上升，爐渣量增大，銅在渣中損失增多；9)轉爐熱量減少，冷料處理能力下降。銅锍品位上升后，銅锍包殼增多，但轉爐吹煉熱量降低，冷料處理能力不足。

通過分析高氧氣濃度、高品位作業(yè)利弊可以發(fā)現(xiàn)，熔池溫度、渣型、銅锍品位和富氧濃度關系緊密，相互影響。

2 高氧氣濃度、高品位作業(yè)的研究及實踐

某冶煉廠開展高氧氣濃度、高銅锍品位試驗，針對其中遇到的問題進行了大量理論研究，并在后期實踐中采取相關措施優(yōu)化應用。

2.1 澳爐工序

高氧氣濃度、高品位作業(yè)的核心在于澳爐系統(tǒng)，要解決噴槍壽命縮短及工藝聯(lián)鎖限制、熔池傳質傳熱變差、熔池四氧化三鐵含量上升、高溫熔體熔點升高等問題。

2.1.1 噴槍壽命縮短及工藝聯(lián)鎖

將澳爐富氧濃度從67%提高到72%～75%，最大的影響是降低了噴槍風量，影響噴槍冷卻效果。澳爐PCS系統(tǒng)要求噴槍風量不得低于8 000 Nm3/h，否則會觸動工藝聯(lián)鎖報警，同時為了確保噴槍冷卻效果，保證噴槍壽命，一般控制噴槍管內的氣體流速不低于70 m/s。

澳爐入爐精礦和產(chǎn)出銅锍及爐渣的成分見表2。

表2 入爐精礦、銅锍和爐渣成分

根據(jù)表2，通過物料平衡和熱平衡計算，結合生產(chǎn)實際，在生產(chǎn)的銅锍品位為65%、確保噴槍冷卻效果的前提下，澳爐最低小時處理量見表3。

表3 澳爐加料量計算

根據(jù)表2和表3，得到以下結論：1)當澳爐小時處理量超過180 t時，可以將氧氣濃度提高至72%；當小時處理量超過186 t時，可以將氧氣濃度提高到75%；2)當澳爐控制生產(chǎn)，小時處理量低于180 t時，必須調整氧氣濃度以確保噴槍得到足夠的冷卻。因此，只要澳爐小時處理能力達到180 t以上，完全可以將澳爐氧氣濃度提高到72%以上，即澳爐具備將氧氣濃度提升至72%～75%的條件。

在試驗過程中，澳爐小時處理量超過180 t時，富氧濃度基本控制在72%～75%，平均73%，噴槍沒有出現(xiàn)明顯彎曲，壽命基本維持在8～10 d。

2.1.2 熔池傳質傳熱不足

頂吹浸沒熔煉技術的核心為賽洛噴槍[3]，氧氣濃度提高后，噴槍風氧量下降，對熔池的攪拌減弱，影響物料的傳質傳熱[4]，導致以下后果：

1)熱量難以傳遞到澳爐底部，存在爐渣溫度高、銅锍溫度低的問題，流入電爐的銅锍溫度低，導致電爐電耗高。

2)澳爐爐內物料混合不均勻，存在局部夾生料和過氧化的現(xiàn)象。

試驗后，澳爐爐殼底部溫度下降10 ℃，堰口時常有結塊，且結塊的Fe3O4含量最高達到28%；從堰口觀察熔體發(fā)現(xiàn)，熔體中存在反應不完全的半熔體。結塊和半熔體的產(chǎn)生導致熔體瞬時流量激增，形成大流量，頻率6～8次/d，這是噴槍傳質傳熱效果變差所致。針對上述問題，從以下兩個方面來采取措施。

2.1.2.1 提高噴槍對熔池水平方向的攪拌

為了提高噴槍對熔池水平方向的攪拌，改變噴槍螺旋角度，縮小出風口與水平方向的夾角。

噴槍結構如圖1所示，澳爐噴槍共有5組螺旋，靠近混氣室為第1組螺旋，它決定了噴槍傳送出來的空氣和氧氣的角度。

1-風氧管道；2-螺旋；3-混氣室

針對噴槍傳質傳熱不足的問題，首先縮小第1組螺旋、第2組螺旋與水平方向的夾角，對第1組螺旋和第2組螺旋進行改進，第1組螺旋出風口與水平夾角從63.44°降低至58°，第2組螺旋出風口與水平夾角從69.68°降低至65.16°，增強風氧沿水平方向運動的動能，提高澳爐熔池水平方向的攪動。第3組、第4組和第5組螺旋出風口與水平夾角保持不變，分別為70.32°、75.23°、81.03°。通過改造，增大風氧對熔池水平方向的攪拌。

2.1.2.2 提高噴槍對熔池縱向的攪拌

為了提高噴槍對熔池縱向的攪拌，嘗試將噴槍下放，增加噴槍對熔池的傳質傳熱效果，但是噴槍不能接觸銅锍層，否則容易燒槍。

澳爐的熔體放出口為具有虹吸作用的堰口，采用溢流的方式連續(xù)排放熔體。生產(chǎn)時，澳爐內部熔體高度維持在2 100 mm，銅锍面1 100 mm，為了防止銅锍燒槍，一般控制槍位不低于銅锍面以上500 mm，所以槍位控制在1 600 mm以上是合理的。因此，可以將噴槍浸沒熔池深度從200～300 mm調整到300～500 mm。

通過改造噴槍和調整槍位，澳爐熔池內傳質傳熱增強[4]，熔體大流量現(xiàn)象已經(jīng)消除，效果明顯。

2.1.3 熔池四氧化三鐵含量上升

將銅锍品位提高到62%～65%，必須要研究熔池中熔體的物理化學性能和成分變化，而且四氧化三鐵含量的變化是關鍵，關系到熔池熔體熔點的變化、溫度的控制、渣型的選擇等。

根據(jù)銅冶金銅锍中FeS活度與爐渣中四氧化三鐵活度的關系圖[5]可以發(fā)現(xiàn)：1)溫度降低、銅锍品位提高、活度αFeO上升，均會導致四氧化三鐵含量上漲；2)當銅锍品位接近80%時，αFe3O4顯著升高。造锍熔煉最佳銅锍品位為60%以下，不得超過70%。試驗結果也證明了這一點。高銅锍品位高氧氣濃度驗前后的關鍵參數(shù)見表4。

表4 實驗前后澳爐關鍵參數(shù)

當澳爐銅锍品位為50%～60%時，四氧化三鐵含量為6.6%；當銅锍品位提升到60%以上時，四氧化三鐵含量上漲至8.01%。進一步提升銅锍品位，澳爐爐內反應明顯變差，四氧化三鐵含量增加，堰口結塊多，熔體大流量頻繁。

熔池中四氧化三鐵、銅锍和爐渣三相之間的平衡關系，可以用下式表達：

3Fe3O4(s)+FeS(l)=10FeO(l)+SO2(g)

(1)

FeS活度大、FeO活度小以及SO2分壓低有利于Fe3O4的還原，使其參與造渣。從式(1)也可以看出，銅锍品位提高會導致FeS活度下降，氧氣濃度提高會導致SO2分壓上漲，均會促進四氧化三鐵的產(chǎn)生；另外，由于FeO活度降低可抑制四氧化三鐵產(chǎn)生，可以通過加入SiO2來調整FeO活度，即降低爐渣的鐵硅比[6]，但是SiO2熔點較高，如果爐渣中含硅量過高，會導致爐渣熔點升高。

通過上述分析，可采取以下措施控制四氧化三鐵含量：

1)澳爐設計的鐵硅比為1.2～1.4，可適當增加SiO2的含量，將鐵硅比控制在1.1～1.3，從而有效地降低四氧化三鐵含量并防止硅飽和。如表5所示，試驗中將澳爐鐵硅比從1.3降低至1.26，后期進一步降低至1.20。

2)適當提高爐溫。將澳爐爐溫從1 180 ℃提高到1 203 ℃，可以有效降低磁性氧化鐵含量。試驗后期磁性氧化鐵含量有所下降，溫度調整到1 195 ℃。

3)嚴禁噴槍口正壓，將鍋爐進口壓力控制在-20 Pa，長期維持微負壓，有效降低SO2分壓，從而抑制四氧化三鐵的產(chǎn)生。

如表4所示，試驗前期，四氧化三鐵含量從6.6%提高到8.01%，試驗后期采取了措施后又降低至7.68%。

2.1.4 熔體熔點上升

銅锍與爐渣的成分與入爐料成分、噴槍的攪動、銅锍品位有很大的關系。隨著銅锍品位和氧氣濃度的提高，四氧化三鐵含量增加，噴槍對熔池的攪拌作用變弱，傳質傳熱效果變差，熔池熔體的物相組成會發(fā)生變化，直接影響爐渣和銅锍的熔點[7]，表現(xiàn)為澳爐噴槍端壓力增加，熔池噴濺量增大，結焦增多，熔體黏度增大，噴槍結焦難以掉落等；鍋爐結焦嚴重，掉焦頻繁；沉降電爐的銅锍和爐渣黏度大，熔體粘接溜槽，排放困難。

針對上述問題，采取以下措施：

1)提高澳爐爐溫和電爐銅渣溫度，將澳爐爐溫從1 180 ℃提高到1 203 ℃，后期降低至1 195 ℃；將電爐銅渣溫度從1 202 ℃提高至1 215 ℃，通過提高溫度降低熔體黏度。

2)提高銅锍品位后，渣量增大，精礦中的氧化鈣不足，爐渣鈣含量僅有1%～3%。通過加入石灰石，提高原料鈣硅比，將爐渣鈣含量控制在3%～5%，可以有效降低爐渣熔點。

2.2 鍋爐收塵工序

提高氧氣濃度和銅锍品位，對鍋爐及收塵系統(tǒng)的主要影響是熱量下降，出現(xiàn)蒸發(fā)量不足、電收塵進口溫度過低的問題。

2.2.1 蒸發(fā)量不足

氧氣濃度提高后，煙氣量減少，煙氣帶走的熱量減少，但是可以通過提高澳爐加料量來維持澳爐煙氣量，確保煙氣量不下降。同時隨著氧氣濃度的提高，相同煙氣量的熱焓提高，會導致鍋爐蒸發(fā)量上漲[7]。

為了確保蒸發(fā)量，采取以下措施：

1)提高澳爐處理量，確保澳爐煙氣量不出現(xiàn)大幅下降。

2)加強鍋爐結焦維護，提高振打頻次和加入合理的結焦抑制劑，減少煙道結焦，提高鍋爐熱效率。

3)提高鍋爐查漏補漏次數(shù)，減少鍋爐漏風現(xiàn)象，特別要注意鍋爐下降段和水平段區(qū)域的補漏工作，因為這個區(qū)域的煙氣溫度為400～500 ℃，是SO2氧化產(chǎn)生SO3的區(qū)域。

試驗前后鍋爐及收塵的關鍵參數(shù)見表5。

表5 試驗前后鍋爐及收塵關鍵參數(shù)

從表5可以看出，試驗進行后電收塵進、出口溫度都降低了，煙氣帶走熱量下降，但是加料量得到提高，小時處理量從180 t提高到205 t；氧氣濃度提高后煙氣的熱焓上漲，總蒸發(fā)量基本不變，后期蒸發(fā)量降低，這與鍋爐結焦減少有一定關系。

2.2.2 電收塵進口溫度低

電收塵溫度低，容易存在露點腐蝕溫度，但從表5來看，電收塵進口溫度變化并不大，達到355 ℃，露點腐蝕問題暫時不存在，但電收塵依然需要加強補漏工作，減少漏風、產(chǎn)生露點腐蝕。

2.3 沉降電爐工序

提高氧氣濃度和銅锍品位，對電爐系統(tǒng)的主要影響是：渣含銅量上升，電耗提高，放銅、放渣困難。

2.3.1 渣含銅量升高

銅锍品位提高，導致銅在渣中的損失增多，這是根據(jù)分配定律得出的結論。在一定溫度下，一種物質溶解在兩個互不相溶的液相中，平衡時該物質在兩相中的濃度比為一個常數(shù)，即：

K銅渣/K銅锍=KCu

(2)

式中，K銅渣為銅在渣中的溶解量；K銅锍為銅在銅锍中的溶解量；KCu為銅在熔體中的分配系數(shù)。

因此當銅锍品位提高時，理論上渣中含銅量也會上升，而且隨著渣量的增大，銅在渣中的損失會進一步增大，導致金屬直收率下降[8]。

試驗前后電爐工序的關鍵參數(shù)見表6。

表6 試驗前后電爐工序關鍵參數(shù)

如表6所示，銅锍品位提高后，爐渣率從50.9%提高到54.7%，渣含銅量從0.738%提高至0.777%，爐渣量上升約5%，渣量和渣含銅量的上升，導致澳爐系統(tǒng)直收率下降。

針對上述問題，采取以下措施控制渣含銅量：

1)適當提高銅锍和爐渣的溫度，同時提高銅锍與爐渣的溫度差。

2)控制合理的銅锍面和渣面，保持低渣面；沉降電爐爐后兩個放渣口采用單邊放渣，另一邊備用的方式均衡放渣。

3)還原爐渣中的Fe3O4，降低爐渣黏度。例如，為了提高澳爐進入電爐熔體的Fe3O4含量，可以增大塊煤用量，但是塊煤用量增大會減少粉煤用量，進一步降低噴槍的傳質傳熱效果，所以塊煤與粉煤的比例不宜過大；在電爐內增加噴吹設備，嘗試鼓入一定量的硅粉，降低FeO活度，促使Fe3O4還原；在電爐內燒柴油還原Fe3O4。

2.3.2 電爐電耗上升

從表6可以看出，試驗進行后電爐電單耗從28.53 kW·h/t礦提高到33.1 kW·h/t礦，電爐每日電耗從12萬kW·h提高到13萬kW·h，這是噴槍傳質傳熱差、進入電爐的銅锍溫度低所致；另外，銅锍品位上升后，銅锍黏度增大，需要更高的溫度來降低黏度。

電耗控制可以通過以下措施進行：1)控制電爐負壓，減少熱損失；2)爐內燒柴油或者噴吹硅粉還原，利用柴油具有還原性和硅粉能夠與Fe3O4及FeS反應生成鐵橄欖石的原理，降低Fe3O4含量；3)優(yōu)化電壓極控制，提高功率。

通過實踐，電爐目前電耗基本控制在12萬kW·h，達到試驗前的水平。

2.3.3 電爐放銅锍、放渣困難

銅锍黏度增大，粘接電爐的陶瓷溜槽嚴重，導致清理難度大，放銅時間從13～15 min/包提高至17～20 min/包，影響放銅效率及轉爐進銅效率。

針對上述問題，從以下幾個方面采取措施：1)提高銅锍溫度，降低銅锍黏度；2)提高放銅口直徑，從55 mm提高到60 cm；3)將陶瓷放銅溜槽改成銅水套，降低清理難度。

目前采取了前兩項措施，放銅時間降至16 min左右，基本能夠滿足生產(chǎn)需要，后期將進一步采取第3項措施，降低職工清理溜槽勞動強度。

2.4 轉爐工序

提高氧氣濃度和銅锍品位，對轉爐系統(tǒng)產(chǎn)生的主要影響是：锍銅粘接銅包導致銅锍包殼的冷料增多；熱量減少，轉爐處理冷料能力下降。

2.4.1 銅锍包殼增多

提高銅锍品位后，每個銅包產(chǎn)生銅锍包殼1～1.5 t，每天產(chǎn)生銅锍包殼50～70 t，加上轉爐造渣期縮短，處理銅锍冷料能力下降，轉爐自產(chǎn)冷料難以平衡。實踐中，轉爐在銅锍品位低于60%時冷料能夠平衡，如果銅锍品位超過60%，則會導致冷料難以平衡。

針對上述問題，主要從生產(chǎn)協(xié)調方面采取措施減少冷料：轉爐需要進料時給電爐銅包，電爐聽從轉爐指令放銅，放銅后立刻拉出銅包，再利用轉爐行車立刻將銅包吊走，并將銅锍加入轉爐，減少銅锍在銅包中的停留時間，從而減少粘接，目前冷料產(chǎn)生量為50 t/d左右。

2.4.2 轉爐熱量減少

提高銅锍品位后，銅锍中FeS含量下降，脫硫率上升，直接導致轉爐造渣期縮短，熱量減少，難以消耗產(chǎn)生的銅锍包殼，出現(xiàn)銅锍包殼堆積難以處理的難題。

銅锍包殼的增多必須要有解決的路徑，單靠轉爐無法全部處理，可以采取以下措施處理：1)考慮將銅锍包殼開路，直接外賣；2)將銅包殼破碎后重新返回澳爐處理。

根據(jù)熱平衡計算，銅锍包殼返回澳爐處理只需要足夠的熱量就行，不需要額外消耗氧氣、溶劑等物料。1 t冷料返回澳爐處理重新變成熱態(tài)銅锍需要消耗50 kg粉煤，算上熱損失，消耗的粉煤約為0.1 t。目前采取將銅锍包殼回爐處理的措施，澳爐每小時處理能力達到2～5 t，基本能夠平衡轉爐產(chǎn)生的冷料。

3 試驗成效

理論及實踐證明，澳爐富氧頂吹熔煉技術可以實現(xiàn)高氧氣濃度高銅锍品位作業(yè)。通過本次試驗，將澳爐的富氧濃度提高至72%～75%，銅锍品位提高至62%～65%，在頂吹熔煉爐中達到較好水平，同時提高了產(chǎn)能規(guī)模和轉爐能力，降低制酸系統(tǒng)負荷以及實現(xiàn)節(jié)能降耗。試驗前后的參數(shù)對比見表7、表8。

表7 試驗前后參數(shù)對比

表8 試驗前后制酸煙氣量對比

3.1 產(chǎn)能提升

通過高氧氣濃度高銅锍品位作業(yè)，提高了轉爐的處理能力，降低了制酸系統(tǒng)的壓力，澳爐小時處理能力提高到200 t，粗銅產(chǎn)能從年產(chǎn)25.5萬t提高到28.5萬t。

3.2 轉爐處理能力上升

澳爐產(chǎn)出高品位銅锍，銅锍產(chǎn)出率從40%降低至29.7%，銅锍量下降25%，轉爐吹煉時間縮短，每天2臺爐可以處理64包熱態(tài)銅锍，產(chǎn)出820 t粗銅。

3.3 制酸系統(tǒng)負荷下降

試驗轉爐少開1臺，硫酸總風量與試驗前基本一致，但比往年總風量減少約7萬Nm3/h。轉爐處理的熱態(tài)銅锍減少，轉爐一周期總風量降低，同時轉進、轉出頻次降低，漏風率下降，制酸系統(tǒng)負荷降低，有利于綠色工廠的建設。

3.4 節(jié)能降耗

雖然高氧氣濃度高銅锍品位作業(yè)導致電爐每日電耗增加約10 000 kW·h，但是澳爐煤單耗從0.025 8 t/t下降至0.023 1 t/t，下降幅度達到10%，綜合能耗下降明顯。

4 結束語

本次試驗對于富氧頂吹爐具有十分重要的意義。在銅冶煉行業(yè)，頂吹爐產(chǎn)出銅锍品位低，吹煉系統(tǒng)基本都選擇PS轉爐，工藝選擇受到限制。在國內銅行業(yè)越來越重視環(huán)境保護和綠色發(fā)展的今日，PS轉爐已經(jīng)逐步面臨淘汰，提高頂吹爐銅锍品位，讓吹煉工藝有了更多的選擇，同時也確保了頂吹熔煉爐在未來銅冶煉熔池熔煉領域能夠繼續(xù)生存。