雙頂吹銅冶煉技術(shù)與工藝過程控制的探討

岳 雄，陳 鋼，李 帆，王 津

（云南錫業(yè)股份有限公司銅業(yè)分公司，云南 個舊 661000）

銅業(yè)分公司采用比較先進的奧斯麥特爐“雙頂吹”銅冶煉技術(shù)工藝，該工藝具有對原料的適應(yīng)性強、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)流程短、高效節(jié)能、自動化程度高、技術(shù)先進和符合環(huán)保條件要求等優(yōu)點。云錫“雙頂吹”銅冶煉技術(shù)經(jīng)過近10年的不斷改進和創(chuàng)新，工藝過程操作控制技術(shù)不斷地成熟，各項經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)已達(dá)國際先進水平。本文對奧斯麥特爐“雙頂吹”煉銅技術(shù)與工藝過程操作控制作探討總結(jié)。

1 “雙頂吹”煉銅工藝

云錫“雙頂吹”銅冶煉技術(shù)工藝流程配置如圖1所示：銅物料根據(jù)實際生產(chǎn)情況經(jīng)過一次配料、混合物料圓盤制粒、加入熔劑和吹煉渣及塊煤進行二次配料后，通過皮帶運輸機加入熔煉爐冶煉，所需氧氣、噴槍風(fēng)和套筒風(fēng)是根據(jù)物料含S量及燃料含C量來進行冶金計算得出，然后通過噴槍鼓入熔池，熔池經(jīng)過噴槍充分?jǐn)嚢瑁瑥亩谷鄢貎?nèi)的化學(xué)物理反應(yīng)完成后產(chǎn)出混合熔融體和高鋅、鉛及砷煙塵；混合熔融體通過沉降電爐沉降分離出冰銅和電爐渣，冰銅經(jīng)水淬后堆放于冰銅倉，電爐渣緩冷后經(jīng)渣選車間選礦回收銅；固態(tài)冰銅通過皮帶運輸機加入吹煉爐，再經(jīng)過冶金計算后配入石英砂、石灰石及塊煤，壓縮空氣和氧氣通過特殊設(shè)計的噴槍鼓入吹煉爐熔池中，經(jīng)過造渣期（C1）和造銅期（C2）兩個階段吹煉產(chǎn)出合格的粗銅，吹煉爐渣經(jīng)水淬后返回熔煉爐熔煉。熔煉爐和吹煉爐的煙氣經(jīng)余熱鍋爐降溫冷卻，然后經(jīng)電收塵器除塵凈化，最后送制酸系統(tǒng)生成硫酸。沉降電爐煙氣經(jīng)水冷煙道冷卻、電收塵器除塵凈化后送制酸系統(tǒng)生產(chǎn)硫酸。

圖1 云錫“雙頂吹”銅冶煉技術(shù)工藝流程配置

2 “雙頂吹”煉銅技術(shù)與工藝控制

2.1 爐子的溫度控制

頂吹熔煉爐和頂吹吹煉爐的溫度控制是必須的，這是因為：（1）爐內(nèi)溫度過高，易將噴槍、銅口和渣口銅水套及爐襯耐火材料燒損；（2）爐內(nèi)熔池溫度過低，將會增加爐渣的黏度，造成混合熔體、粗銅和爐渣排放困難；（3）爐內(nèi)溫度過低，將會造成爐頂、過渡段及上升煙道結(jié)渣嚴(yán)重，并影響整體的工藝效率。（4）爐內(nèi)熔池溫度過低，加入爐子的物料不易熔化，熔池內(nèi)的化學(xué)物理反應(yīng)不充分，嚴(yán)重時產(chǎn)生爐結(jié)。

在工業(yè)生產(chǎn)實踐中，將頂吹熔煉爐溫度控制在1170℃～1210℃范圍內(nèi)，即堰口混合熔體溫度控制在1170℃～1210℃范圍內(nèi)，若實際測量溫度偏離目標(biāo)溫度時，可通過調(diào)整進料量、熔煉系數(shù)、冶煉系數(shù)、燃煤率及熔劑量等控制熔池溫度。而頂吹吹煉爐爐溫控制在1210℃～1310℃范圍內(nèi)，由于保護排放口銅水套，將粗銅排放溫度控制在1210℃～1230℃，吹煉渣排放溫度控制在1240℃～1310℃。若熔池溫度高于目標(biāo)溫度，可適當(dāng)降低熔煉系數(shù)、減少塊煤量或增加精煉渣和熔劑量來降低吹煉溫度，若熔池溫度低于目標(biāo)溫度，可適當(dāng)增加塊煤量、降低精煉渣及熔劑量來提高吹煉溫度。

2.2 渣型控制

渣型是影響頂吹爐各項經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)的重要因素。不管是頂吹熔煉爐還是頂吹吹煉爐，渣型的控制極為重要。因為：（1）形成的粘稠爐渣會導(dǎo)致熔池泡沫化。（2）相對于熔煉爐，爐渣內(nèi)Fe/SiO2比例偏高（＞2）的話將導(dǎo)致爐渣內(nèi)磁鐵的含量增加，爐渣的黏度隨著增加，造成爐頂、過渡段及上升煙道的結(jié)渣量增多，同時混合熔體的磁性增大，大量的Fe3O4隨混合熔體進入沉降電爐，F(xiàn)e3O4會將電爐渣和冰銅包裹起來形成黏度極大的粘渣層，嚴(yán)重時形成凍結(jié)層，造成沉降電爐冰銅和電爐渣的排放極其困難。相對于吹煉爐，爐渣內(nèi)Fe/SiO2＞2的話將同樣有大量的磁鐵（Fe3O4）生成，并從爐渣內(nèi)析出形成掛渣，一方面起到了保護爐襯耐火材料的作用，但一方面存在產(chǎn)生泡沫渣的風(fēng)險，使工藝過程操作控制更加困難。（3）爐渣內(nèi)Fe/SiO2比例偏高（＜1）的話將導(dǎo)致硅飽和，這會降低爐渣的流動性，使噴槍攪拌困難，必須升高作業(yè)溫度，才能滿足實際生產(chǎn)需要，但溫度過高易發(fā)生燒損噴槍、爐襯耐火材料及銅水套等一系列不利于生產(chǎn)的問題。

在工業(yè)生產(chǎn)實踐中，一般將頂吹熔煉爐渣內(nèi)Fe/SiO2比值控制在1.2～1.4范圍內(nèi)，磁性（Fe3O4）控制在3.0%～7.0%范圍內(nèi)，CaO含量控制在3%～7%范圍內(nèi)；吹煉爐系統(tǒng)渣型：造渣期（C1）的Fe/SiO2比值控制在1.5～1.7，CaO含量控制在3%～7%范圍內(nèi)，造銅期（C2）的Fe/SiO2比值控制在1.3～1.5，CaO含量控制在3%～7%范圍內(nèi)，吹煉渣磁性（Fe3O4）控制在10%～35%范圍內(nèi)較為合理。

2.3 噴槍位置控制

噴槍是頂吹爐煉銅的核心技術(shù)，熔煉爐造冰銅和吹煉爐吹煉銅锍所需的氧氣、噴槍風(fēng)、套筒風(fēng)及燃煤都是通過噴槍鼓入熔池，熔池經(jīng)過噴槍充分?jǐn)嚢杈鶆颍鄢貎?nèi)的銅精礦或銅锍經(jīng)過一系列的充分的化學(xué)物理反應(yīng)產(chǎn)出冰銅或粗銅。

頂吹熔煉爐系統(tǒng)和頂吹吹煉爐系統(tǒng)的噴槍位置都有七個模式：即停槍、槍尖在爐口內(nèi)、吹掃、點火、等待、噴濺及浸沒在熔池里。每個模式的噴槍位置和主流量都不相同，正常熔煉和吹煉都是在模式七（即噴槍浸沒在熔池里）完成。熔煉爐系統(tǒng)正常造冰銅時，噴槍位置是根據(jù)堰口高度、熔池深度、噴槍攪拌強度、混礦進料量、噴槍風(fēng)管口背壓及熔池溫度等參數(shù)進行控制，一般將正常熔煉時的噴槍位置控制在1500mm～2000mm。頂吹吹煉爐系統(tǒng)造粗銅分為造渣期和造銅期，造渣期的噴槍位置主要是根據(jù)白冰銅層高度、尾氣SO2濃度、熔池深度、銅锍進料量、冶煉轉(zhuǎn)化率及吹煉渣排放量來控制，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實踐，造渣期的噴槍嘴控制在白冰銅層上200mm～400mm的位置，噴槍位置控制在600mm～1400mm范圍內(nèi)；造銅期的噴槍位置主要根據(jù)尾氣SO2濃度、白冰銅層高度、白冰銅轉(zhuǎn)化率、噴槍擺動強度、爐渣噴濺情況及上升煙道溫度進行控制，當(dāng)進入造銅期時，尾氣SO2濃度會快速降低，這時應(yīng)迅速將噴槍下降至距白冰銅層100mm～300mm的位置，待尾氣SO2濃度不再降低，反而小幅度升高或趨于平穩(wěn)，吹煉一段時間后，尾氣SO2濃度又繼續(xù)下降，這時應(yīng)迅速降低噴槍位置使尾氣SO2濃度趨于平穩(wěn)，當(dāng)尾氣SO2濃度降至4%左右（根據(jù)當(dāng)班銅锍含硫高低判斷）時，吹煉造銅結(jié)束，造銅期的噴槍位置控制在700mm～1200mm范圍內(nèi)。

2.4 爐內(nèi)氣氛及Fe3O4控制

富氧“雙頂吹”煉銅技術(shù)是一項富氧強化熔煉吹煉技術(shù)，熔煉爐和吹煉爐內(nèi)具有較高的氧勢，在熔煉爐產(chǎn)冰銅和吹煉爐造粗銅過程中易產(chǎn)出Fe3O4。頂吹熔煉爐內(nèi)氣氛過氧化產(chǎn)出大量Fe3O4，使?fàn)t渣磁性增大，渣粘度不斷增大，爐渣密度和熔點升高，使后續(xù)沉降電爐渣與冰銅難沉清分離，排放困難；同樣吹煉爐渣過氧化產(chǎn)出Fe3O4會使吹煉爐渣與粗銅沉清分離不佳，排放困難，造成銅損失，嚴(yán)重時產(chǎn)生泡沫渣。因此，必須嚴(yán)格控制爐內(nèi)氣氛，精細(xì)操作控制爐渣中Fe3O4生成量。

頂吹熔煉爐熔煉造锍工藝發(fā)生相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式有：

強氧化氣氛下

由（3）可知，當(dāng)熔煉爐內(nèi)氧氣過量（即氧勢過高）時，大量Cu2S與氧氣反應(yīng)生成Cu2O進入渣相而造成銅損失。由（9）（10）式可知，當(dāng)熔煉爐內(nèi)形成強氧化氣氛時，將有大量的Fe3O4生成，與爐渣和冰銅形成熔點高、粘度大、密度大的混合熔體，致密的混合熔體在沉降電爐內(nèi)沉清分離不佳，F(xiàn)e3O4的密度與冰銅的密度相近，且磁性大，易將冰銅和爐渣包裹在一起在冰銅層表面形成一層致密的黏渣層，造成渣和冰銅排放困難。當(dāng)Fe3O4含量達(dá)到飽和程度，且電爐冰銅不斷排放干凈時，部分Fe3O4會從黏渣層析出形成凍結(jié)層，嚴(yán)重影響正常的工業(yè)生產(chǎn)。因此，必須嚴(yán)格控制爐內(nèi)氧化氣氛，減少Fe3O4生成。在熔煉爐實際工業(yè)生產(chǎn)中，爐內(nèi)氧勢是很難被測量，但可以通過調(diào)整檢測Fe/SiO2比例和冰銅品位來控制氧勢和爐渣磁性（Fe3O4）。根據(jù)FeO-SiO2-CaO三元系相圖可知，F(xiàn)e/SiO2=1.2線為鐵橄欖石標(biāo)準(zhǔn)線，鐵橄欖石爐渣的熔點低、粘度小、密度相對較低、渣流動性強，選擇Fe/SiO2=1.2（實際控制為1.2～1.4）為目標(biāo)渣型，通過一次配料和二次配料調(diào)整SiO2配入量，根據(jù)方程式（6）可知，SiO2可以消耗爐渣中FeO含量，從而可以扼制（9）（10）反應(yīng)，影響爐內(nèi)強氧化氣氛，降低爐渣中Fe3O4含量。由（1）（4）（5）式可知，鼓入爐內(nèi)的氧氣量越大，即氧勢越高，Cu2S·FeS和Fe3O4生成量越多，即冰銅品位越高，混合熔體磁性越高，對后續(xù)工序影響越大，通過調(diào)整冶煉系數(shù)和熔煉過剩系數(shù)控制冰銅品位在58%～62%范圍內(nèi)，便可達(dá)到較為合理的爐內(nèi)氧勢。

頂吹吹煉爐吹煉過程中的造渣反應(yīng)、造銅反應(yīng)的化學(xué)方程式如下所示：

頂吹爐吹煉銅锍過程中，造渣期的化學(xué)反應(yīng)主要表述為式（11）和式（13），同時也存在式（12）、式（14）、式（15）和式（16），由式（11）、式（14）和式（15）可知，吹煉銅锍需要較強的氧化氣氛，部分FeO不可避免被強氧化為Fe3O4，需調(diào)整熔煉過剩系數(shù)控制好爐內(nèi)氧化氣氛，適當(dāng)降低銅锍轉(zhuǎn)化率，避免更多FeO被過氧化為Fe3O4，降低爐渣磁性，將爐渣中的Fe3O4含量控制在10%～32%范圍內(nèi)。造銅期的化學(xué)反應(yīng)主要表述為式（15）和式（16），同時存在式（14），F(xiàn)eS在造渣期幾乎被氧化成FeO除去，吹煉白冰銅造粗銅時應(yīng)盡量減少爐渣中的FeO被過氧化，嚴(yán)格控制爐渣中Fe3O4含量，通常將造銅期的爐渣磁性（Fe3O4）控制在10%～35%范圍內(nèi)；由式（15）可知，當(dāng)吹煉白冰銅時，應(yīng)控制好吹煉時間，判斷好吹煉終點，防止白冰銅過吹成Cu2O或金屬粗銅再次被氧化成Cu2O，使?fàn)t渣含銅升高，造成銅的損失。

2.5 進料及供風(fēng)量控制

頂吹熔煉爐和頂吹吹煉爐的進料及供風(fēng)量都是由DCS系統(tǒng)全程自動化控制，只需設(shè)定進料器當(dāng)前值，電腦根據(jù)設(shè)定值進行冶金計算，計算出的熔煉風(fēng)需求量、套筒風(fēng)需求量和還原風(fēng)需求量通過噴槍系統(tǒng)鼓入頂吹爐進行冶煉作業(yè)。

在工業(yè)生產(chǎn)實踐中，頂吹熔煉爐系統(tǒng)：進料率操作為60～120t/h，噴槍氧氣量控制為1300～18500Nm3/h，噴槍風(fēng)量控制為8000～22000Nm3/h，套筒風(fēng)量控制為2500～9000Nm3/h。頂吹吹煉爐系統(tǒng)：進料率操作設(shè)定為20～60t/h，噴槍氧氣量控制為800～10000Nm3/h，噴槍風(fēng)量控制為9200～25500Nm3/h。

3 云錫“雙頂吹”工藝過程操作控制要點

（1）頂吹熔煉爐系統(tǒng)：①爐溫控制范圍為1170℃～1210℃，堰口混合熔體溫度操作范圍為1170℃～1210℃；②熔煉爐渣中Fe/SiO2比值控制在1.2～1.4范圍內(nèi)，磁性（Fe3O4）控制在3.0%～7.0%范圍內(nèi)，CaO含量控制在3%～7%范圍內(nèi)；③正常熔煉時的噴槍位置控制在1500mm～2000mm范圍內(nèi)；④由（1）（4）（5）式可知，鼓入爐內(nèi)的氧氣量越大，即氧勢越高，Cu2S·FeS和Fe3O4生成量越多，即冰銅品位越高，混合熔體磁性越高，對后續(xù)工序影響越大，通過調(diào)整冶煉系數(shù)和熔煉過剩系數(shù)控制冰銅品位在58%～62%范圍內(nèi)，便可達(dá)到較為合理的爐內(nèi)氧勢和Fe3O4生成量；⑤進料率操作范圍為60～120t/h，噴槍氧氣量控制為1300～18500Nm3/h，噴槍風(fēng)量控制為8000～22000Nm3/h，套筒風(fēng)量控制為2500～9000Nm3/h。

（2）頂吹吹煉爐系統(tǒng)：①吹煉爐爐溫控制在1210℃～1310℃范圍內(nèi)，粗銅排放溫度控制范圍為1210℃～1230℃，吹煉渣排放溫度控制范圍為1240℃～1310℃；②造渣期（C1）的Fe/SiO2比值控制范圍為1.5～1.7，CaO含量控制范圍為3%～7%，造銅期（C2）的Fe/SiO2比值控制范圍為1.3～1.5，CaO含量控制在3%～7%范圍內(nèi)，吹煉渣磁性（Fe3O4）控制在10%～35%范圍內(nèi)較為合理；③造渣期的噴槍嘴控制在白冰銅層上200mm～400mm的位置，噴槍位置控制在600mm～1400mm范圍內(nèi)，造銅期的噴槍位置控制在700mm～1200mm范圍內(nèi)；④進料率操作范圍設(shè)定為20～60t/h，噴槍氧氣量控制為800～10000Nm3/h，噴槍風(fēng)量控制為9200～25500Nm3/h。

4 結(jié)語

奧斯麥特爐“雙頂吹”銅冶煉工藝技術(shù)在云錫銅業(yè)分公司的工業(yè)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗表明，“雙頂吹”銅冶煉技術(shù)確實為行業(yè)領(lǐng)先的先進煉銅技術(shù)，其具有較強的原料適應(yīng)能力、特有的工藝靈活性、高的設(shè)備熔煉強度、高的工藝過程操作控制自動化程度和符合節(jié)能環(huán)保要求等特點優(yōu)勢。