轉爐渣含銅影響因素分析及生產措施

余 彬，張 鑫，趙立恒，張建波，李江平，王恩志，任軍祥

(楚雄滇中有色金屬有限責任公司,云南 楚雄 675000)

PS 轉爐(以下簡稱“轉爐”)吹煉是銅火法冶煉過程比較重要的一道工序,整個過程是周期性的,分為造渣期和造銅期。造渣期主要任務是除去銅锍中的Fe 和其他雜質元素,造銅期則是除去銅锍中的S。造渣期是轉爐吹煉的核心過程,直接影響轉爐粗銅的品質。

受原料品質波動、操作水平、工藝控制影響,楚雄滇中有色金屬有限責任公司(以下簡稱“公司”)產出的轉爐渣含銅持續偏高,對后續銅渣浮選的生產操作和工藝指標控制均有不同程度的影響。而且銅渣含銅高,將直接造成銅回收率降低,經濟效益損失[1]。本文主要從轉爐生產操作、工藝控制、渣型控制等方面進行現狀分析,探索降低和穩定轉爐渣含銅的措施,從而達到降低轉爐渣含銅、提高金屬回收率的目的,為企業創造更多的經濟效益。

1 轉爐渣化學成分及銅金屬損失形式

1.1 轉爐渣化學成分

如表1所示,轉爐渣中主要的成分為Fe、SiO2、Cu、Al2O3、Zn、S、CaO、MgO、Fe3O4,總鐵含量和二氧化硅含量都比較高,渣中銅含量達到了5.49%,表明渣中的夾雜銅較多,未達到棄渣的標準(棄渣含銅＜0.5%)。銅渣中鋁的氧化物含量是2.57%,而其他成分(硫、氧化鈣、氧化鎂)在轉爐渣中的含量均不足1%。銅渣中的磁性鐵含量為34.1%,銅渣中存在的磁性物質主要為Fe3O4。

表1 轉爐渣化學分析 %

1.2 轉爐渣物相

轉爐吹煉以造銅為目的,爐內氧勢在造銅期顯著增加,轉爐渣中析出大量Fe3O4,致使渣黏度升高,渣-銅分離條件惡化。表1中顯示渣中銅(Cu)、硫(S)含量分別為5.49%,0.53%,Cu/S 為10.36,而銅锍中銅主要以Cu2S 形式存在,其Cu/S 為3.96,由此可知,轉爐渣中銅不以銅锍為主要存在形式。

如圖1所示,鐵橄欖石與Fe3O4為轉爐渣的主要物相,而金屬銅的衍射峰則較弱,這主要是因為在檢測過程中受銅靶的干擾,此外,轉爐渣中由CaO、MgO、SiO2、Al2O3組成的玻璃相同樣無法檢測到。

圖1 轉爐渣XRD 圖譜

1.3 渣中銅的存在形式

圖2顯示轉爐渣的微觀形貌,結合能譜分析,渣中亮白色和灰色物相分別為金屬銅和Fe3O4相。由于該轉爐渣快速冷卻,Fe3O4顆粒結晶度較差,在渣中呈不規則分布。金屬銅顆粒尺寸細小,銅嵌在Fe3O4中,其平均粒徑約為11.54 μm。由此可知,轉爐渣中銅主要以金屬銅形式存在。

圖2 轉爐渣的微觀形貌及能譜分析

2 轉爐渣含銅現狀

轉爐渣含銅是衡量轉爐生產能力高低的一項重要技術指標。一般國內銅冶煉行業轉爐渣含銅控制在5%～6%之間,指標較好的企業轉爐渣含銅能達到4%以下。公司經過多年的探索和實踐,轉爐渣含銅指標取得一定的突破,但是與國內銅冶煉企業先進指標還存在較大的差距。表2為2019年1月～10月轉爐渣含銅數據,平均渣含銅量為6%,9月份渣含銅最低為5.06%,10月份渣含銅最高為6.75%。

表2 2019年1月～10月轉爐渣含銅數據統計 %

3 影響轉爐渣含銅的因素

3.1 入爐銅锍品位的影響

銅锍的主要成分由Cu2S 和FeS 組成,兩者占90%～95%[2]。

低品位銅锍在轉爐吹煉過程中,一周期主要靠FeS 反應釋放大量的熱量,維持轉爐吹煉過程所需要的熱量。一周期產生的熱量,不僅能夠維持銅锍熔融狀態的吹煉,而且還有很大的余熱供外加冷料的熔化和二周期正常吹煉所需要的熱量。

轉爐入爐銅锍品位升高,銅锍中Fe 和S 元素含量越低,化學反應放熱越少(表3)。高品位銅锍吹煉所釋放的熱量僅能維持反應的進行,如果爐溫過低會導致爐內熔體溫度低,使得熔體和渣黏度升高,進而轉爐渣含銅量升高。高品位銅锍吹煉過程中,由于受爐型和生產條件的制約,如果轉爐渣在前期沒有及時排出,在造銅終點后排出時,還可能由于過吹而導致爐噴情況發生[3]。

銅锍冶煉的主要造渣反應見式(1)～(3)。

表3 不同銅锍品位Fe 和S 含量 %

3.2 冷料的影響

為了充分利用轉爐吹煉低品位銅锍剩余熱量,在一周期適當加入銅锍包殼、轉爐渣包殼、粗銅包殼、床下物、轉爐粗塵、艾薩溜槽渣、陽極爐渣、分揀白銅锍、外排銅锍、冷雜銅等物料,盡量實現冷料產消平衡。

若冷料加入過量,熱量供應不足,冷料不能充分熔化,會使得爐內反應溫度較低,導致一周期造渣反應不能正常進行,轉爐渣發黏,渣含銅升高。如果繼續吹煉,爐內溫度會越來越低,最后爐況惡化發生噴爐事故。

如果冷料加入過少,爐內高溫熔體余熱沒有全部利用,熱量損失,造成浪費,而且高溫會對轉爐壽命有一定的影響,所以必須嚴格控制冷料加入量,不能多加也不能少加。

冷料的加入時機和粒度大小對渣含銅也有影響。如果在轉爐爐內溫度較低時便強制加入冷料,會使爐內溫度迅速下降,導致渣型惡化;如果將大粒度冷料加入到爐內,由于其熔化速度較慢,在篩爐放渣時爐內還有塊狀冷料,會使銅粘結在沒有熔化的塊狀冷料上以機械夾雜的方式進入爐渣內,導致轉爐渣含銅升高。

3.3 石英熔劑的影響

渣中Fe3O4含量會影響銅含量,降低Fe3O4含量能降低渣系黏度,增強锍滴在渣中的沉降條件,從而降低銅含量[4]。在轉爐吹煉一周期FeS 與鼓入爐內的氧氣反應,生成的FeO 隨爐內熔體的攪動被帶到熔體表面,與漂浮在熔體表面的SiO2反應形成轉爐渣。

如果SiO2加入量不足,FeO 不能與SiO2充分反應,會使造渣反應進行比較慢,未能及時與SiO2反應的FeO 會留在熔體中,繼續被鼓入爐內的氧氣氧化生成Fe3O4。由于Fe3O4不能全部被還原,一部分Fe3O4會存在于轉爐渣中,隨著渣中Fe3O4含量升高,渣的黏度和密度也隨之增大,使得銅在渣中溶解度升高,分離難度增大,轉爐渣含銅明顯升高。同時,Fe3O4還容易堵塞轉爐風口,增加風口操作和清理難度,供風效率下降[5]。但是,利用Fe3O4熔點高難熔的特點,在轉爐耐火材料上形成“掛渣”保護層,可以提高耐火材料的使用壽命。具體反應見式(4)～(8)。

在轉爐造渣過程中,如果加入過量石英熔劑,在轉爐熔體表面大量堆積得不到過熱,會使爐內溫度快速下降,反應不完全的石英熔劑夾雜和游離的二氧化硅浮于熔體表面,不能達到造渣效果。如果轉爐渣中SiO2含量過高,也會使爐渣黏度增大,流動性變差,致使渣含銅升高。另外,轉爐渣中含硅較高,會加快堿性爐磚的侵蝕,縮短爐磚使用壽命。

3.4 造渣、放渣操作的影響

若轉爐造渣終點判斷不準,放渣過早或過遲都會造成渣型惡化,使得渣的流動性差,渣、銅分離不清,渣中含銅量增加。轉爐吹煉一周期到達造渣終點時,由于銅與渣密度不同,相互溶解度非常小,在停止供風吹煉后分為上下兩層,上層爐渣通過搖爐倒入渣包內。如果銅與渣靜置澄清時間不夠,沒有充分分離便搖爐進行放渣作業,會導致轉爐渣含銅升高。另外,當爐口出現“拉槽”沒有及時進行修補,放渣時銅從下爐口“拉槽”位置流出進入爐渣內,也會使轉爐渣中含銅增加。

4 控制轉爐渣含銅的措施

4.1 提高轉爐吹煉富氧濃度

不同富氧濃度下的銅锍品位和轉爐渣含銅如表4所示。轉爐富氧吹煉過程中,氧濃度控制十分關鍵,氧濃度過低達不到預期的目的;氧濃度過高,造成單位時間轉爐反應熱提高過快,影響爐襯壽命,同時,氧氣濃度過高,容易造成爐內銅過吹,泡沫渣形成過多[6]。經過多年的生產實踐,轉爐吹煉富氧濃度控制在21%～23%之間能夠滿足低品位銅锍吹煉工藝要求。為了提高轉爐吹煉對原料的適應性,滿足高品位銅锍吹煉的熱量需求,當銅锍品位高于58%時,富氧濃度宜控制在23%～25%之間。根據物料情況、反應溫度以及工藝要求,合理調整轉爐吹煉所需富氧濃度,可加快硫化物的反應速度,提高供風效率,降低煙氣量,減少煙氣帶走的熱損失,提高爐內熔體溫度。而且高溫狀態下,轉爐渣流動性好,銅、渣徹底分離,渣含銅指標控制較好。

表4 不同富氧濃度的銅锍品位和轉爐渣含銅%

4.2 控制入爐冷料

在轉爐吹煉過程中,如果冷料加入隨意性大,會導致爐內溫度波動大[6]。冷料加入應該分種類分周期處理。

一周期加入冷料包括艾薩溜槽渣、轉爐床下物、外排銅锍、陽極爐渣、廢鎂磚、外購銅锍,加入前將冷料粒度控制在300 mm 以下,入爐后能快速熔化;二周期加入冷料包括冷料堆分揀雜銅、緩冷場分揀白銅锍、粗銅塊、碎銅屑/銅坯、陽極爐爐前爐后雜銅、破碎站及渣選回收雜銅。

調整轉爐冷料加入方式。轉爐空爐加入第一批冷料,加入第一批熱銅锍后開始一周期吹煉。吹煉20～30 min 后,爐內熔體溫度達到1 200 ℃以上,爐內發白發亮,說明爐內冷料已經全部熔化。此時可以分批次加入石英,造渣反應結束后加入第二批熱銅锍,保持爐內高溫反應。放渣結束后加入第二批冷料。二周期根據爐內溫度情況分批加入含銅量高的冷雜銅,以增加粗銅產量。

依據表5轉爐冷料消耗標準,根據入爐銅锍品位,合理調整轉爐吹煉一周期冷料加入量和加入方式,可充分利用轉爐吹煉產生的熱量將冷料全部熔化,保證造渣反應順利進行,減少銅在轉爐渣內的溶解量和機械夾雜帶走量。嚴格執行冷料加入制度可以使轉爐渣含銅控制在4% 以下,冷料率提升到45%以上,不僅實現冷料產銷平衡,還能額外處理艾薩溜槽渣和陽極爐渣。

表5 轉爐冷料消耗標準與渣含銅關系

4.3 控制轉爐渣含二氧化硅

一周期要精確控制石英熔劑加入量,建立石英熔劑加入計算模型,根據每批次加入銅锍的物料成分計算出石英熔劑的理論加入量,嚴禁多加或者少加;每天對石英皮帶秤進行校正,誤差范圍控制在±0.5 kg 以內,確保石英熔劑計量的準確性,采用少量多次加入的方法,保證進入爐內的石英完全熔化,與爐內的FeO 充分反應造渣。如表6所示,當轉爐渣含硅量控制在19%～24%時,轉爐渣性能好,屬中性或弱堿性,渣流動性好,渣含銅低[7]。

表6 轉爐渣含二氧化硅與轉爐渣含銅關系 %

嚴格控制石英熔劑粒度。石英熔劑粒度太大,進入爐內熔化慢影響造渣速度,而且對轉爐吹煉的生產組織、工藝操作、指標優化、耐火磚的磨損都有影響。粒度太小,容易被爐內反應產生的高溫煙氣帶走,不僅造成熔劑損失,煙塵量增加[8],而且使得轉爐造渣反應不充分。一般情況下,加入爐內的石英熔劑粒度控制在5～20 mm,可確保石英充分熔化反應,不會被煙氣帶走。

4.4 規范造渣終點判定和放渣操作

一般情況下渣造好時,造渣終點判定標準為:火焰為淺蘭色或淡綠色,爐溫升到1 250 ℃左右,火焰清澈發亮,旺盛有力,爐內熔體黏度小;爐口噴濺物呈片狀,出爐口時或落到裙板上會均勻散開呈小球狀,即渣球,中空易碎;爐口噴濺頻繁,細而亮,輕飄無力,似雪花一樣在爐口周圍大量出現;爐后釬樣或爐前渣板樣呈鋼灰色或銀灰色,銅渣徹底分離;停風后,爐內液面平整,石英石化盡,在渣層不過厚的情況下,表面會出現半球狀的小泡沫[9]。

放渣前清理爐口粘結物,修補爐口出現的“拉槽”,保持下爐口平整。轉動爐子到放渣位置靜置2～3 min,使銅锍和渣徹底分離。如表7所示,放渣前靜置時間長,轉爐渣在銅水表面結殼,渣含銅會降低。按照“先大放后小放”原則控制放渣速度,渣板上有銅顆粒出現時,放渣結束。一周期放渣后立即將渣運走,防止進料時高含銅物料掉入轉爐渣內,導致渣含銅升高。轉爐渣在渣包內靜置3～5 min,保證銅渣充分分離,再使用行車緩慢將渣倒入緩冷包內,渣內夾雜有銅锍時立即停止倒渣,將渣包底的銅锍回爐處理。

表7 放渣前靜置時間長短與渣含銅的關系

5 結語

楚雄滇中有色金屬有限公司針對轉爐渣含銅高的問題,在生產中不斷總結操作和管理經驗,通過采取控制富氧濃度、冷料粒度、轉爐渣二氧化硅含量,并規范操作等措施,在降低轉爐渣含銅方面取得一定的效果,平均渣含銅指標能穩定控制在3%左右,但仍沒有達到國內銅冶煉領先水平,還有一定的下降空間。所以,如何實現轉爐渣含銅的不斷持續穩定降低、提高金屬回收率,仍然是今后生產中需要關注、研究的重點問題。