富氧側吹處理含砷復雜金銅精礦的生產實踐及技術優化

張俊峰，王 雷

(1.山東恒邦冶煉股份有限公司，山東 煙臺 264109；2.中南大學，湖南 長沙 410083)

0 引言

隨著黃金和金屬銅的需求越來越大，加速了全球金銅精礦資源的開發和利用，導致優質金銅精礦越來越少，復雜金銅精礦資源越來越受到各國研究學者的關注，其中含砷復雜金銅精礦已成為許多國家黃金和金屬銅資源的重要來源之一。

梁高喜等[1]介紹了中原冶煉廠采用富氧底吹造锍捕金工藝處理復雜高砷、鉛混合金銅精礦的主體設備和工藝流程及生產運行情況，解決了生產實踐中出現的放渣困難、氧槍易損壞、煙灰輸送困難等問題；通過近2年的生產實踐表明：在精礦處理量大幅度提高的情況下，富氧底吹造锍捕金工藝能有效提高金、銀、銅的回收率。曲勝利等[2]簡述了富氧底吹造锍捕金技術處理復雜精礦的生產實踐，介紹了該技術的工藝特點及優勢，重點比較了目前國內兩臺煉銅底吹爐的氧槍、下料口、測量口、傳動裝置、放銅口、放渣口高度等異同之處，并就其設計方面存在的問題及改進進行了探討。含砷金銅精礦在熔煉過程中的脫砷是利用銅對氧的親合力比砷對氧的親合力小的原理，把富氧空氣通入熔體，使銅先氧化成氧化亞銅后再與砷反應而脫砷[3]。脫砷過程中，熔體內氧化亞銅達到飽和狀態所需的時間較長，此時砷一部分生成氧化砷揮發，一部分形成亞砷酸銅和砷酸銅溶于熔體中，高溫下對爐體耐火材料腐蝕嚴重，造成爐體耐火材料使用壽命短、消耗高等問題[4-5]。因此，優化冶煉技術和裝備改造是降低砷對冶煉設備腐蝕的重要環節。

采用火法冶金技術處理含砷復雜金銅精礦主要有富氧底吹熔煉技術和富氧側吹熔煉技術，這兩項技術氧勢高，使得雜質更利于氧化脫除，砷脫除率高。但富氧底吹爐漏風量大，造成煙氣中三氧化硫含量高，后續煙氣無法直接進行噴水降溫收砷，需要噴入三氧化硫吸收劑，再進行驟冷收砷，得到的三氧化二砷品位較低[6]。且底吹爐渣含銅較高，一般大于3.5%，銅及金銀直收率低，經濟效益不是很理想。

目前富氧底吹熔煉處理含砷復雜金銅精礦報道較多，而富氧側吹熔煉處理含砷復雜金銅精礦報道較少，本文介紹了山東某冶煉企業采用富氧側吹熔煉技術處理含砷復雜金銅精礦的生產實踐。

1 生產工藝

1.1 原料

山東某冶煉公司側吹爐主要處理含砷復雜金銅精礦，主要元素分析結果如表1所示。

表1 側吹爐原料主要化學成分 %

1.2 工藝流程

混合物料經移動皮帶輸送到側吹爐，空氣和氧氣混合形成富氧空氣輸送至側吹爐內，熔煉產出爐渣和符合轉爐生產的銅锍，煙氣經余熱鍋爐產出的煙塵返回配料處理，經過電除塵器產生的煙灰進入壓濾工序處理，除塵后的煙氣輸送到硫酸車間進行制酸。銅锍經溜槽進入銅锍包，再轉運到轉爐進行吹煉除雜產出粗銅，放渣和放銅過程中產生的環集煙氣經過環保風機輸送至離子液脫硫系統處理。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

1.3 主要反應機理

富氧側吹熔煉過程主要分為化合物分解、硫化物氧化、造锍反應和造渣反應。化合物分解反應見式(1)～(4)；硫化物氧化反應見式(5)～(9)；造锍反應見式(10)～(11)；造渣反應見式(12)～(13)。

1.4 主體設備

山東某冶煉企業富氧側吹處理含砷復雜金銅精礦的關鍵設備是側吹爐，2018年10月正式投料，現年處理含砷復雜金銅精礦60 萬t，是全球首家實現側吹熔煉煙氣收砷的系統。側吹爐規格為25 m2，設有高渣口和低渣口，高渣口規格為250 mm×370 mm，高度為1.78 m；低渣口規格為155 mm×155 mm，高度為1.07 m；放銅口規格為192 mm×325 mm，高度為1.47 m，側吹爐結構立面圖如圖2所示。與側吹爐配套的主要附屬設備有35 t/h 蒸汽量的余熱鍋爐及80 m2電收塵設備等。

圖2 側吹爐結構立面圖

2 生產實踐及技術優化

2.1 主要生產技術指標

富氧側吹爐在熔煉過程中需要控制富氧濃度、渣中Fe/SiO2、工業氧料比、銅锍品位、返料配入量、電塵出口煙氣氧氣和一氧化碳含量、渣率和銅锍率等關鍵工藝參數，詳見表2。

表2 主要生產技術指標

2.2 技術優勢

2.2.1 可處理含砷較高的復雜銅精礦

江西銅業集團貴溪冶煉廠采用奧托昆普閃速熔煉工藝處理復雜銅精礦，兩套系統原料中的砷控制在0.5%以下才能正常生產[7]；河南豫光金鉛集團有限公司底吹連續煉銅工藝要確保最終產品的砷含量控制在要求范圍內，必須控制銅锍含砷≤0.5%[8]；云南錫業股份有限公司銅業分公司銅精礦雙頂吹冶煉工藝的入爐含砷量要求控制為0.58%[9]。而采用側吹熔煉系統在正常生產情況下，原料中的砷可配至1.0%～1.5%，如表1所示。砷經高溫熔煉進入煙氣，可直接經驟冷回收三氧化二砷。

2.2.2 金屬直收率高

山東某冶煉企業采用富氧側吹熔煉和富氧底吹熔煉兩套系統處理含砷金銅精礦，經過多年運行，富氧側吹熔煉系統的金屬直收率明顯高于富氧底吹熔煉系統，見表3。

表3 金屬直收率對比 %

由表3可以看出，側吹熔煉系統Au、Ag 和Cu的直收率明顯高于底吹熔煉系統。兩套系統除熔煉爐不同外，其余設備(轉爐、陽極爐等)基本一樣。因此，側吹熔煉系統金屬直收率高的主要原因是側吹爐渣含銅低，一般含銅0.5%～1.0%，而底吹爐渣含銅3.0%～4.0%。底吹爐渣含銅較高，是底吹爐沉降區沉降時間短所致[10]，這是底吹爐自身特點決定的，難以調節。

2.2.3 煙氣收砷品位高

富氧底吹爐或側吹爐出口煙氣溫度高達950 ℃以上，依次經過余熱鍋爐、電收塵、驟冷收砷和制酸系統。底吹爐系統因漏風量大導致煙氣中殘氧量高，在經過余熱鍋爐過程中煙氣中的二氧化硫在煙塵(氧化鐵等氧化物)催化作用下生成三氧化硫，導致煙氣露點高，后續收砷前必須先除去煙氣中的三氧化硫，通常需要噴入石灰水、氫氧化鈉溶液等除硫劑，造成收集到的三氧化二砷含有大量Na、Ca 等鹽類雜質，三氧化二砷品位只有60%～80%。側吹熔煉系統漏風量小，煙氣中的三氧化硫含量低，煙氣露點低，驟冷收砷時可以直接進行噴水降溫收砷，得到的粗三氧化二砷品位在95%以上。

在當今的銅火法冶煉工藝中，側吹熔煉以其原料適應性強、生產效率高、煙塵排放量少、渣中銅殘留量低等優勢，得到了廣泛應用。特別是隨著入爐銅礦品位逐漸降低、伴生礦比例上升、雜質含量高、銅礦原料不斷貧化現狀的加劇，今后側吹熔煉的優勢還將進一步得到顯現。

2.3 工藝優化

富氧側吹系統生產初期，處理的含砷復雜金銅精礦量不理想，輔助生產設施故障頻發，在進行優化改造后，生產平穩運行，產量提高，主要生產技術指標明顯好轉。具體改進措施如下所述。

1)物料銅品位低，渣量大。側吹爐產生的熔煉渣采用溜槽直接流入火車渣包中，原來設計單條火車道，單條放渣通道。隨著投礦量的增加，原設計側吹爐已不能滿足生產需要，進行優化改進后，設計熔煉渣產量達到1 200 t/d，單條放渣通道已不能滿足生產需求，因此在不影響熔煉放渣的前提下，通過增加雙火車道，利用翻轉溜槽將單條放渣通道改為雙條放渣通道，翻轉溜槽可在兩條放渣通道隨時切換，放渣量由原來25 t/h增加至46 t/h，為富氧側吹熔煉系統擴能提產提供保障。

2)銅池及渣池頂部鉻剛玉澆筑料距下部熔體距離近，使用壽命短。原設計銅池及渣池頂部為一次澆筑成型的固定爐頂，因頂部鉻剛玉澆筑料靠近下部熔池區域，所處環境溫度高，腐蝕性強，導致頂部鉻剛玉澆筑料使用壽命短，且銅池及渣池區域在停車檢修時需要將爐頂進行拆除，然后重新砌筑，浪費大量材料和人力。停車檢修期間，將銅池及渣池爐頂改為活動水套，減少檢修次數，延長了銅池和渣池爐頂使用壽命。活動水套中按照工藝要求預留測量孔、燃燒器孔，測量孔用來測量銅池和渣池的液位，燃燒器起到對銅池和渣池進行保溫的作用。

3)氧勢高，易產生泡沫渣，存在冒爐風險。泡沫渣產生的原因分為內因和外因：內因是由熔渣的性質決定的，比如熔渣黏度、表面張力和溫度等；外因主要是熔渣中存在氣體[11]。富氧側吹氧濃為80%～85%，氧勢高，在側吹爐內氧氣極易與鐵氧化物結合生成泡沫渣。因此，停車檢修期間，在高于渣池區域放渣口的側面增設了泡沫渣口。當熔煉渣過吹時，會產生大量的泡沫渣，泡沫渣通過泡沫渣口經溜槽流入事故坑，避免了側吹爐冒爐事故。

4)側吹爐爐體膨脹監測不到位。隨時監測側吹爐爐體膨脹情況是保證側吹爐正常運行的關鍵。原設計側吹爐每個拉桿位置內部裝有蝶形彈簧，通過測量蝶形彈簧的膨脹量，確定爐體的膨脹程度。但直接通過測量蝶形彈簧的膨脹量，確定爐體的膨脹程度是不準確的，存在較大的誤差。停車大修期間，在爐體不同部分設置頂桿，爐體膨脹量通過立柱傳到頂桿，通過測量頂桿標記能夠準確測量爐體每個部位膨脹量。

5)其他工藝優化。側吹爐銅池拱洞是影響側吹爐正常運行的關鍵部位。銅池液位控制過低會使熔煉渣涌向銅池，在銅池放銅口側面稍高位置增加扒渣口，可以快速將銅池里面的渣人工清理出來。爐身區域水套外側為固定爐殼，根據爐身水套尺寸將連接的外部殼體由整體改為法蘭連接，方便后期每塊水套直接拆卸。側吹熔煉爐屬于固定爐，通過在爐頂不同區域對角位置設備觀察孔，能夠方便在爐頂處觀察爐內運行情況。通過增加風動送樣裝置，采用氣力輸送使流程中的樣品能在短時間內送至檢測部門。原設計兩個100 m3緩沖罐，填充0.2 MPa壓縮空氣作為應急風，停車大修期間改為兩個50 m3緩沖罐，填充2.0 MPa 壓縮空氣；延長送風時間，并與混氧總管進行連鎖，將應急風送風時間由原來的2 min 提高到6 min，當混氧管道壓力低于100 kPa 時，應急風及時送入側吹爐內，有效避免了風眼灌渣問題。

3 結語

山東某冶煉企業具有富氧側吹熔煉和富氧底吹熔煉兩套系統處理含砷金銅精礦，經過多年運行，經過優化改造后的富氧側吹熔煉系統明顯優于富氧底吹熔煉系統。

1)富氧側吹熔煉系統可處理含砷較高的復雜含金銅精礦，金屬直收率明顯高于富氧底吹熔煉系統，銅、金、銀直收率分別達到93%～95%、90%～95%、90%～95%。

2)富氧側吹熔煉系統煙氣收砷品位明顯高于富氧底吹熔煉系統。富氧底吹熔煉系統因漏風量大導致煙氣中殘氧量高，煙氣中的三氧化硫含量高，三氧化二砷品位只有60%～80%；側吹熔煉系統漏風量小，煙氣中的三氧化硫含量低，驟冷收砷得到的粗三氧化二砷品位在95%以上。

3)富氧側吹系統生產初期，含砷復雜金銅精礦處理量低，輔助生產設施故障頻發，通過采取增加放渣通道、將銅池及渣池爐頂改為活動水套、增設泡沫渣口、優化爐體檢測膨脹技術等措施，生產運行平穩，產量提高，主要生產技術指標明顯好轉，可為同行業采用富氧側吹系統處理含砷復雜金銅精礦提供參考。