銅精煉渣頂吹轉爐貧化生產(chǎn)實踐

杜建嘉，陳 雯，丘 能

（1.廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆蠈?530007；2.昆明理工大學冶金與能源工程學院，昆明 650093）

在銅冶煉過程中，爐渣含銅是冶金過程中銅損失的主要渠道。廣西某公司再生銅冶煉工程設計生產(chǎn)能力300 kt/a陰極銅，與之配套的火法熔煉車間具備處理高品位和低品位雜銅的能力，頂吹轉爐具有處理低至15%含銅量廢雜銅的能力，可配入火法精煉產(chǎn)出的精煉渣，貧化回收精煉渣中的銅金屬。由于公司高品位雜銅精煉工序投產(chǎn)較早，且精煉渣產(chǎn)量超出設計值，精煉渣中積壓的銅金屬最高接近5 000 t，含銅平均值為26.59%，迫切需要對其進行貧化處理，貧化處理的目標為棄渣含銅≤1.0%。

1 精煉渣來源及成分

1.1 精煉渣來源

精煉渣來自火法精煉工序精煉搖爐和NGL爐。精煉搖爐為國內(nèi)自主開發(fā)的廢雜銅火法精煉設備，采用了富氧精煉和氮氣攪拌技術，屬強化熔池熔煉設備，能進行氧化和還原作業(yè)，技術水平與國外的傾動爐相當[1]。NGL爐采用稀氧燃燒技術，結合了傾動爐和回轉式陽極爐的優(yōu)點，是國內(nèi)自主研發(fā)的廢雜銅火法精煉設備[2]。精煉工序裝備了陽極銅生產(chǎn)能力分別為350 t/爐的精煉搖爐及250 t/爐的NGL爐各2臺。

1.2 精煉渣化學成分

NGL爐和精煉搖爐的精煉渣化學成分如表1所示。

2 頂吹轉爐工藝及設備特點

2.1 頂吹轉爐設備特點及設計參數(shù)

頂吹轉爐為采用富氧熔煉、富氧吹煉技術的低品位雜銅冶煉設備，爐體為中間大、兩頭略小的圓筒形，爐內(nèi)砌筑鉻鎂磚，頂部開口為投料口、出料口和燃燒噴槍入口。爐體四周設電機帶動的旋轉驅動機構，爐體可繞縱軸旋轉，增強了爐內(nèi)銅水的攪拌，也可沿橫軸傾動，方便大塊廢雜銅的加入。爐體的不停轉動提高了爐體對原料的適應能力，可處理含銅量低至15%的雜銅及含銅廢渣。

表1 精煉渣成分分析

表2 輔助材料質量要求

新爐襯的頂吹轉爐操作容積為13 m3，爐體容積29 m3，爐子的熔煉與吹煉由燃燒噴槍和吹煉噴槍來完成，頂吹轉爐周圍設有環(huán)保煙罩，加料、熔煉、倒渣和出銅等操作均在封閉的環(huán)境中進行，環(huán)境集煙進入單獨的煙氣系統(tǒng)處理。頂吹轉爐采用DCS控制，具有溫度容易調節(jié)、氧勢容易控制、熱效率高、可處理復雜原料等特點，是貧化精煉渣的理想設備[3]。

2.2 頂吹轉爐工藝流程

頂吹轉爐投料系統(tǒng)主要由傾斜軌道及載重12 t的加料小車組成。煙氣處理系統(tǒng)包括煙道式余熱鍋爐、噴霧冷卻器、布袋除塵器等，可回收煙塵和煙氣熱量、遏制二噁英的生成。頂吹轉爐工藝流程如圖1所示。

2.3 頂吹轉爐燃料及輔助材料

2.3.1 燃料

頂吹轉爐以天然氣為燃料，助燃氣體為氧含量大于95%的富氧空氣。天然氣的低發(fā)熱值為34 097.41 kJ/m3，高發(fā)熱值為37 793.86 kJ/m3。

2.3.2 輔助材料

精煉渣貧化的主要輔助材料有生鐵、石英砂和石灰石。生鐵為還原劑，石英砂和石灰石為造渣劑。輔助材料質量要求如表2所示。

圖1 頂吹轉爐工藝流程

3 精煉渣貧化工藝條件分析

精煉渣貧化關鍵要控制棄渣含銅量及棄渣產(chǎn)量，以回收更多銅金屬。轉爐渣中銅的形態(tài)呈以下兩種：一是金屬銅顆粒機械夾雜物狀態(tài)；二是氧化物狀態(tài)和硅酸銅狀態(tài)。根據(jù)存在的形態(tài)不同，渣含銅的損失途徑可分為機械損失、物理損失和化學損失。

3.1 棄渣渣型選擇

爐渣中過多的Fe3O4造成爐渣黏度和比重增加，不但容易產(chǎn)生泡沫渣事故，而且會使銅和渣分離不良，造成棄渣含銅量升高。渣型選擇上首先要考慮如何抑制Fe3O4對冶煉生產(chǎn)的不良影響。

根據(jù)FeO-Fe2O3-SiO2系相圖，體系平衡氧分壓的上升會導致固態(tài)Fe3O4析出。生產(chǎn)中必須保持更高的操作溫度，并采取較低的爐渣Fe/SiO2，以使Fe3O4熔于渣中，使爐內(nèi)熔煉渣保持為熔融均相。但這些控制方法既影響爐襯壽命，也增加了吹煉爐生產(chǎn)成本[4]。

根據(jù)FeO-Fe2O3-CaO系相圖，如果采用鐵酸鈣渣系，在冶煉溫度下（1 200～1 300℃），在很寬的氧分壓范圍內(nèi)（PO2=10-6～105Pa）該渣系有均勻的液相區(qū)，即該渣系對Fe3O4有很大的溶解度，可以避免固態(tài)Fe3O4的析出。但是，入爐料中SiO2含量較多，調整石灰的加入量只能得到CaO-FeO-Fe2O3-SiO2渣型，該渣型在冶煉溫度為1 250℃且SiO2含量不低于20%時，有較大的熔融區(qū)[5]。結合頂吹轉爐作業(yè)特點和爐料性質，選擇鈣鐵橄欖石渣型為爐渣貧化的渣型，降低體系中可能出現(xiàn)的Fe3O4對爐渣性質的影響。

3.2 棄渣含銅量控制

為控制爐渣含銅量，需控制爐渣鐵硅比、爐內(nèi)氣氛（氧勢）和爐渣成分。

根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，鐵硅比升高，棄渣含銅量呈升高趨勢[6]。增加渣SiO2含量可使熔渣密度降低，增加渣與粗銅間的界面張力，有利于粗銅微粒的聚集和沉降，減少銅的物理損失。但SiO2用量增加導致渣量增加，爐渣銅的損失和燃料的消耗隨之增加，且過高的SiO2含量會增加爐渣的黏度，造成銅的機械損失增加?？刂圃丸F硅比Fe/SiO2為0.5～0.7 。

酸性爐渣中增加FeO含量能降低爐渣黏度，增加流動性，并調整爐渣熔點，但在爐內(nèi)還原氣氛較弱或氧勢較高的情況下會生成Fe3O4，造成爐渣黏度增加，增加渣與銅的分離難度。Fe3O4還會在爐內(nèi)生成爐瘤和隔層，使爐缸容積減小，導致生產(chǎn)故障，因此需控制爐渣Fe3O4含量在10%以下。爐渣貧化中用氧化鈣適當代替部分氧化鐵，降低爐渣比重和爐渣的黏度、增加金屬與爐渣界面的張力，以利于銅、渣分離，降低金屬損失。頂吹轉爐應用鈣鐵橄欖石渣系的CaO含量控制在5%～8%。

3.3 泡沫渣預防

泡沫渣是指頂吹轉爐熔煉過程中，鼓入熔池的空氣、氮氣、天然氣以及燃燒產(chǎn)生的CO、CO2等氣體和有機物分解、揮發(fā)的氣體不能順利突破渣層，導致鼓泡的爐渣。

要避免產(chǎn)生泡沫渣，首先要控制爐溫大于爐渣熔點（1 200℃），以保持其流動性。隨著熔煉過程的進行，爐渣Fe3O4含量將增大，爐溫應提高到1 300℃左右，保證Fe3O4在爐渣中的溶解度，防止Fe3O4大量析出致使爐渣黏度增加。其次，避免鼓入過量的氧氣而產(chǎn)生過高氧勢，以減少Fe3O4（渣）的生成。第三，要控制爐渣的Fe/SiO2和Fe3O4含量，避免爐渣黏度過大。從CaO-FeO-SiO2系相圖可知，當FeO含量在30%，SiO2＜35%或SiO2＞42%，爐渣熔點上升，正常的操作溫度下，爐渣已失去流動性。根據(jù)生產(chǎn)實踐和相圖分析，控制頂吹轉爐渣Fe/SiO2在0.5～0.7，硅量在35%～40%。

3.4 頂吹轉爐操作條件

頂吹轉爐為間歇操作，每爐分加料軟化、熔煉造渣、吹煉造銅、出銅四個階段操作，從加料到最后出銅，大概需時6～8 h，根據(jù)精煉渣貧化生產(chǎn)特點，各階段運行時間為加料150～210 min，熔煉90～120 min，出渣30～40 min，吹煉60～80 min，出銅30 min。可根據(jù)不同階段熔煉要求，調整燃燒噴槍或吹煉噴槍插入爐內(nèi)深度。

4 熱態(tài)渣投料改造

4.1 精煉爐渣原有處理工藝

按原精煉渣處理工藝（見圖2），精煉搖爐及NGL爐產(chǎn)出的精煉渣和包底銅經(jīng)過渣包轉運、自然冷卻、傾倒、破碎或切割后送頂吹轉爐處理，精煉渣生產(chǎn)處理周期長，導致大量精煉渣及包底銅積壓，占用流動資金并產(chǎn)生破碎、切割、轉運等生產(chǎn)成本，熱態(tài)精煉渣的熱量也未得到利用，貧化時對精煉渣的二次加熱又消耗大量能量。原處理工藝操作繁雜、生產(chǎn)成本高。

4.2 改造方案

圖2 原精煉渣處理工藝流程

在300 kt/a再生銅冶煉項目中，精煉搖爐、NGL爐和頂吹轉爐直線布置，有利于熱態(tài)渣投料改造。根據(jù)熱態(tài)精煉渣投料要求，增加行車、加料漏斗、高空倒渣溜槽、操作平臺和安全設施，增加DCS系統(tǒng)熱態(tài)渣投料控制程序和安全連鎖控制。改造完成后，精煉搖爐和NGL產(chǎn)出的精煉渣在熔融狀態(tài)通過包子直接加入頂吹轉爐進行冶煉。

5 生產(chǎn)實踐

5.1 不同比例冷態(tài)渣貧化生產(chǎn)實踐

按照設計指標，頂吹轉爐可配入占投料量12%～15%的精煉渣。為了消化積壓精煉渣，必須提高配入精煉渣的比例，以達到消化積壓精煉渣的目的。投入頂吹轉爐與精煉渣搭配熔煉的廢雜銅主要是黃雜銅、馬達銅等，含銅率為20%～90%。

按照采用選定的CaO-FeO-SiO2渣型，頂吹轉爐操作參數(shù)如下：進料為雜銅和精煉渣混料；風量600 Nm3/h；燃料天然氣量300 Nm3/h；爐溫控制1 200～1 250℃；爐渣含CaO控制在5%～8%。

生產(chǎn)中還采取了添加焦粉、延長沉降時間、控制渣層厚度等措施控制棄渣含銅量。

根據(jù)表3所示的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，每爐精煉渣投加量超過30 t對天然氣單耗、氧氣單耗、作業(yè)周期和爐壽影響很大。為了處理積壓精煉渣，合適的投料方案為：精煉渣25 t，低品位雜銅35 t，精煉渣比例40%左右。該條件下可控制作業(yè)周期＜6 h，棄渣含銅＜1.5%，天然氣單耗＜70 Nm3，氧氣單耗＜140 Nm3。

入爐精煉渣量增加后，頂吹轉爐熔煉時間延長，生產(chǎn)效率降低，天然氣和氧氣單耗增加，對內(nèi)襯鎂鉻磚侵蝕嚴重，后期強化生產(chǎn)分析和渣型控制，對穩(wěn)定生產(chǎn)和降低棄渣含銅起了關鍵作用。

5.2 熱態(tài)渣投料生產(chǎn)實踐

2013年11月，熱態(tài)精煉渣投料技改項目投入生產(chǎn)，冷、熱態(tài)渣投料具有代表性的生產(chǎn)數(shù)據(jù)分別如表4、表5所示。對比表4和表5可知，熱態(tài)渣投料的平均出銅量由42.4 t/爐提高到提高47.10 t/爐，增加11.08 %；作業(yè)時間由9.91 h/爐降低到8.13 h/爐，降低17.96%；天然氣單耗由66.55 Nm3降低到34.36 Nm3，降低48.37%；氧氣單耗由120.28 Nm3下降到63.54 Nm3，下降47.17%。包底銅約占陽極銅產(chǎn)量的5%，隨熱態(tài)渣投入頂吹轉爐。

表3 不同配渣比例生產(chǎn)情況（冷態(tài)渣）

表4 冷態(tài)渣投料運行數(shù)據(jù)

表5 熱態(tài)渣投料運行數(shù)據(jù)

表6 棄渣成分分析

與冷態(tài)渣投料相比，熱態(tài)渣投料優(yōu)勢表現(xiàn)在：工藝流程簡化，消除了繁雜的精煉渣冷卻、轉運、包底銅切割等環(huán)節(jié)，生產(chǎn)環(huán)境也得到改善；熱態(tài)渣的熱量得到充分利用；頂吹轉爐熔煉周期明顯縮短；精煉渣對爐襯的侵蝕得到緩解；降低了生產(chǎn)成本。

熱態(tài)渣投料存在以下需要解決的問題：熔融精煉渣流動性較差，易堵塞投料溜槽；熱態(tài)渣對爐口耐火材料的沖擊影響爐襯壽命；頂吹轉爐作業(yè)周期為3～4爐/d，NGL爐和精煉窯爐為1爐/d，生產(chǎn)上不同步，影響生產(chǎn)效率；投料時，熱態(tài)渣包子跨越整個熔煉廠房，存在安全隱患。

5.3 生產(chǎn)改進后棄渣成分

在精煉渣貧化和熱態(tài)渣處理過程中，根據(jù)確定的工藝條件控制生產(chǎn)，棄渣平均含銅量降低到0.93%，達到預期目標，生產(chǎn)改進后的棄渣成分如表6所示。管理水平和操作水平提高也是棄渣含銅量下降的重要原因。

6 結語

根據(jù)生產(chǎn)中對爐體內(nèi)襯耐火材料的檢查，采用鈣鐵橄欖石渣系對鎂鉻磚爐襯壽命影響較小，但精煉渣比例增加，特別是冷態(tài)渣的投入對爐襯壽命有較大影響。

根據(jù)生產(chǎn)實踐，采用鈣鐵橄欖石渣型，配入精煉渣比例40%左右，并采用熱態(tài)渣投料，是較為理想的精煉渣貧化方案，解決了精煉渣銅金屬積壓問題；貧化渣最低含銅量0.66%，最高含銅量1.32%，平均含銅0.93%，棄渣含銅量超過1%的爐次降低到40%，達到預期目標。