閃速吹煉過程中砷的分布行為分析

何桂榮

（銅陵有色設(shè)計研究院有限責任公司，安徽銅陵 244000）

閃速吹煉技術(shù)因作業(yè)連續(xù)、煙氣量小而且穩(wěn)定、建設(shè)投資省、運行費用低、環(huán)保好、技術(shù)先進成熟等諸多優(yōu)點已成為取代P-S轉(zhuǎn)爐吹煉的最佳選擇[1-5]。

在銅冶煉工藝中,雜質(zhì)元素的分布行為對冶煉過程的穩(wěn)定、陰極銅產(chǎn)品質(zhì)量以及環(huán)境保護等方面有著重大影響，所以它一直是各研究機構(gòu)、生產(chǎn)廠家關(guān)注的重要研究課題[6]。然而，筆者發(fā)現(xiàn)針對傳統(tǒng)煉銅工藝雜質(zhì)的分布行為研究較多并取得了一定的成績，但針對閃速吹煉中雜質(zhì)分布行為的研究較少。為了更準確地了解閃速吹煉過程中As的分布行為規(guī)律，本文擬采用散點趨勢圖分析法對某冶煉廠3個月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析,并通過數(shù)據(jù)計算處理，從中提取As雜質(zhì)在各產(chǎn)物中的分配系數(shù)，為建立As雜質(zhì)數(shù)學(xué)模型奠定基礎(chǔ)。

1 閃速吹煉樣本數(shù)據(jù)

閃速吹煉As雜質(zhì)的分布行為樣本數(shù)據(jù)包含取樣時間，吹煉工藝參數(shù)(爐渣溫度、氧氣體積分數(shù)等)，投入的冰銅粉、吹煉煙塵、石灰熔劑中的As含量，以及產(chǎn)出的爐渣、粗銅中的As含量等。

1.1 冰銅粉與產(chǎn)物中As含量變化趨勢對比

以第1個樣本(原料冰銅粉)取樣時間為起始時間(0 h)，計算各樣本相應(yīng)時間后的As含量。以相應(yīng)時間為橫軸，以原料冰銅粉、吹煉煙塵、吹煉爐渣、粗銅中的As含量為縱軸繪制曲線（見圖1）。通過探索原料冰銅粉中As含量變化對煙塵、爐渣、粗銅中As含量的影響規(guī)律，驗證該批次樣本數(shù)據(jù)的有效性。

圖1 冰銅粉、煙塵、爐渣、粗銅中As含量變化趨勢對比

由圖1可知，除了煙塵中的As含量受煙塵返爐影響稍微上升外，爐渣、粗銅中的As含量與原料冰銅粉中As含量的變化趨勢基本一致。冰銅粉中As含量增加，爐渣、粗銅中的As含量也會隨之增加；反之，冰銅粉中As含量減少，爐渣、粗銅中的As含量也隨之減少。該影響趨勢符合常理，在一定程度驗證了該批次樣本數(shù)據(jù)的有效性。

1.2 工藝參數(shù)與As含量分布的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度

工藝參數(shù)與As含量分布關(guān)聯(lián)度分別見圖2～圖5。

圖2 渣溫與As含量關(guān)系

圖5 鈣鐵質(zhì)量比與As含量的關(guān)系

從圖2～圖5中可以看出，由于閃速吹煉樣本中工藝參數(shù)(爐渣溫度、氧氣體積分數(shù))，粗銅含S的質(zhì)量分數(shù)，渣中鈣鐵質(zhì)量比，對As行為分布影響范圍不大。與原料雜質(zhì)含量變化的影響以及其他系統(tǒng)隨機誤差相比，可以忽略不計。因此，閃速吹煉樣本數(shù)據(jù)代表的同樣也是一個典型工藝下的As行為波動。

1.3 As含量分配比

圖6是As元素在爐渣與粗銅中的質(zhì)量濃度分配比De,s/m對時間關(guān)系。將圖3與圖1對比可看出，As在爐渣與粗銅中質(zhì)量濃度分配比De,s/m平均值變化不大，在一定條件下，可將De,s/m視為常數(shù)。

圖6 吹煉雜質(zhì)分配比(爐渣/粗銅)

2 As分布模型計算

2.1 As分布計算流程

閃速吹煉As元素分布計算流程主要分為閃速吹煉和余熱鍋爐單元(圖4)。

圖4 粗銅中S含量與As含量的關(guān)系

圖4 As元素分布預(yù)測計算流程

假定吹煉煙塵是由飛濺至煙氣中的部分粗銅和爐渣形成，所以建立As分布模型時首先假定該工藝流程產(chǎn)物只有粗銅、爐渣和煙氣，并依此建模求解；求解結(jié)束后，再按一定的粗銅、爐渣飛濺比例分出部分銅锍和爐渣，形成爐內(nèi)吹煉煙塵。需要注意的是，閃速吹煉爐產(chǎn)生的煙塵并不是全部返回吹煉爐，而是有一部分返回到熔煉爐。閃速吹煉的主要原輔料有冰銅粉、石灰熔劑、吹煉返塵以及工藝富氧、天然氣等，其組成均為已知。石灰熔劑的添加量由爐渣的鈣鐵比決定，吹煉返塵的量由閃速吹煉爐煙塵發(fā)生率及煙塵分流比例確定，工藝富氧的量由元素質(zhì)量守恒確定。在閃速吹煉模型的化學(xué)反應(yīng)中，將氣相視為理想氣體，即雜質(zhì)在氣相的活度系數(shù)按1處理。

2.2 As分配系數(shù)的影響因素

1）粗銅中S的質(zhì)量分數(shù)對As分配系數(shù)的影響。

保持各投入物量與成分不變，固定爐渣溫度為1 300℃、氧氣體積分數(shù)為78.8%、爐渣鈣鐵質(zhì)量比為0.326。粗銅中S的質(zhì)量分數(shù)從0.05%起，按步長0.05%，逐步遞增至3%。計算結(jié)果見表1。

表1 粗銅含S量對As分配系數(shù)的影響 %

由表1可知，隨著粗銅中S的質(zhì)量分數(shù)不斷地增加，As在爐渣中的分配系數(shù)逐步減少，在粗銅中的分配系數(shù)則不斷上升，在煙氣中的分配系數(shù)則變化不大。顯然，粗銅含S越高，說明爐內(nèi)氧勢越低。氧勢降低，必然使As氧化入渣的趨勢也隨之降低。由此可見，模型呈現(xiàn)的這種變化規(guī)律與理論分析是相吻合的。

在計算模型中，煙塵按照固定的煙塵發(fā)生率進行計算。該數(shù)據(jù)本身受煙塵計量、返爐煙塵量等因素的影響，取值存在偏差。因此，本例數(shù)據(jù)僅作為參考使用。結(jié)合計算結(jié)果分析認為，As在煙塵中的分配系數(shù)為固定值。

2）爐渣溫度對As分配系數(shù)的影響。

保持各投入物數(shù)量與成分不變，固定粗銅質(zhì)量分數(shù)S為0.165 2%，氧氣體積分數(shù)為78.8%，爐渣鈣鐵質(zhì)量比為0.326。爐渣溫度從1 200℃起，按步長10℃，逐步遞增至1 300℃。計算結(jié)果見表2。

表2 爐渣溫度對As分布系數(shù)的影響

由表2可知，隨著爐渣溫度不斷升高，As在粗銅和煙氣中的分配系數(shù)也隨之增大，在爐渣中的分配系數(shù)則逐漸減少。這是由于在78.8%的富氧狀態(tài)下，As絕大部分以As2O3和As2O5的形態(tài)存在，單質(zhì)As存在的可能性不大。而該反應(yīng)As2O3+O2＝As2O5是放熱反應(yīng)，溫度越高越會抑制該反應(yīng)的發(fā)生，從而導(dǎo)致進入爐渣的As分配系數(shù)減少。

3）氧氣體積分數(shù)對As分配系數(shù)的影響。

保持各投入物數(shù)量與成分不變，固定粗銅中S的質(zhì)量分數(shù)為0.165 2%,爐渣溫度為1 300℃,爐渣鈣鐵質(zhì)量比為0.326。氧氣體積分數(shù)從74%起，按步長1%，逐步遞增至84%。計算結(jié)果見表3。

表3 富氧濃度對As分配系數(shù)的影響 %

由表3可知，隨著氧氣體積分數(shù)不斷地增加，As在爐渣中的分配系數(shù)隨之增加，在煙氣中的分配系數(shù)逐步減小，在粗銅中的分配系數(shù)則變化不大。隨著氧氣體積濃度的增加，爐內(nèi)氧壓不斷增大，在化合反應(yīng)As2O3+O2＝As2O5中更促進了As2O5的生成，從而導(dǎo)致爐渣中的As分配系數(shù)增加，煙氣中的As分配系數(shù)相應(yīng)地減少。

3 結(jié)語

隨著冶煉規(guī)模的不斷擴大，如何控制中間產(chǎn)品雜質(zhì)含量、防止環(huán)境污染、提高綜合回收能力，是企業(yè)永恒的課題。對于閃速吹煉工藝而言，As進入煙塵中的比例仍然很高，當煙塵中As含量富集到一定程度時，可考慮將閉路循環(huán)改為定期開路，從而進行綜合回收。這不僅能確保產(chǎn)品質(zhì)量，而且合理節(jié)約了資源，增加了企業(yè)經(jīng)濟效益。