銅氧化礦的鼓風爐還原熔煉

□文/邊瑞民 申殿邦 劉俊江

東營方圓有色金屬有限公司

銅氧化礦的鼓風爐還原熔煉

Smelting Reduction of Copper Oxide Ore Blast Furnace

□文/邊瑞民 申殿邦 劉俊江

東營方圓有色金屬有限公司

本文系統介紹了銅氧化礦采用鼓風爐還原熔煉的基本原理、生產過程、常見故障及其處理方法、合理渣型的探討與建議等。

銅氧化礦還原熔煉工藝原是一項老技術，而現代銅冶煉工藝幾乎都將處理硫化礦生產技術作為研究重點。因而銅氧化礦的鼓風爐還原熔煉有數十年無人研究與應用，很少有相關資料。近年來，由于非洲礦產的開發，處理銅氧化礦問題又提上新的議事日程。為此，東營方圓有色金屬有限公司（以下簡稱方圓公司）于2006年建設了一臺處理銅氧化礦的矩形全水套鼓風爐（見圖1），爐體分別有上下水套組成，底部設有固定式本床。爐料經計量后有加料小車通過提升機運送到加料平臺人工上料，打鋼釬或燒氧間斷放渣放銅，爐渣經水碎后出售。冷卻水循環使用，采用羅茨鼓風機供風。煙氣依次經沉降冷卻室、漩渦收塵器、U形管冷卻器，使煙氣溫度降低到100℃以下，并使其中的粗塵分離，再通過離心式引風機進入布袋室收塵后達標排空，其工藝流程（見圖2）。爐子系負壓操作，車間內外基本無煙塵，清潔環保，勞動環境優越。

圖1 銅氧化礦還原熔煉鼓風爐

圖2 銅氧化礦還原熔煉流程圖

方圓公司當時尚未建設銅的粗煉系統，而陽極爐產生的精煉渣無適當的設備進行處理，只能廉價出售。銅氧化礦還原熔煉鼓風爐建成投產后，將精煉渣以適當的比例配入氧化礦中處理，效果很好。

該鼓風爐的原料主要有兩種，從南非等地進口的銅氧化礦以及自產的銅陽極爐精煉渣，屬連續作業，年開爐時間330天，處理料量50 000噸，其中銅氧化礦40 000噸，銅精煉渣10 000噸，生產粗銅10 000噸。經多年的反復生產實踐，技術條件不斷優化，工藝操作日趨成熟。目前，爐子生產運行穩定，并實現了連續生產，大幅提高了爐子的作業率及處理能力，有效降低了生產成本。其主要經濟指標見表1。

一、還原熔煉的基本原理

熔煉時鼓風爐中的爐料逐漸自加料口下降到風口帶。含有大量CO的上升氣流與爐料相對運動，自150℃時開始，它將銅的氧化物CuO和Cu2O還原成銅。爐料下降時，還原的銅顆粒首先熔化，往下就是渣熔化。在風口帶全部熔融物都與鼓風爐的空氣相遇。部分已還原的銅又被氧化為Cu2O，并以硅酸鹽的形態轉入渣中。在這種情況下獲得的兩種產物，即粗銅和爐渣。銅氧化礦中除銅的氧化物外，尚有其他金屬（如鐵、鉛、砷、銻等）的氧化物，還原熔煉時，后者不可避免的會有部分還原，被還原的其它金屬與銅熔合在一起并使銅的品位降低，謂之粗銅。

表1 鼓風爐主要技術經濟指標

二、生產過程

1. 開爐

烘爐:開爐前通過檢查鼓風爐及其附屬裝置等配套系統符合開爐要求后，即可按照工藝要求開始點火烘爐。首先用小木柴文火烘烤爐缸32小時使其烘透。清除積灰后，第二次點火加入中木柴，并按照小—中—大控制火勢，繼續烘烤12小時。從風口觀察爐缸磚體顏色發紅，即可投入大木柴迅速提高爐溫，最后一批木柴必須加至風口區0.5m以上，并要求木柴平均分布，不準有高低不平現象。約2小時后，發現風口木柴基本充分燃燒時，即可加入底焦，底焦共加2 000kg，分四批加入，待第一批焦炭從風口內觀察發紅時，開始送風10～15分鐘，風壓100mmHg,接著停風悶燒5～10分鐘，再送風，等到最后一批焦炭加完后停風悶燒10分鐘，再持續送風，風壓為150mmHg,并觀察風口焦炭燃燒至發白，從加料口觀察焦炭燃燒至發紅，火苗全部上齊，便開始投返渣料，即烘爐宣告結束。投返渣料:一般投入返渣料的數量為7～10批，每批返渣料的組成為：焦炭200kg，鼓風爐旱渣800kg，石灰石45kg，螢石15kg，焦率23%。加返渣料的過程中，嚴禁隨意調動風閥，應使風壓隨料柱不斷的提高而自然上升。同時注意觀察銅口是否有渣子流出，若發現渣子流出，應立即塞入黃泥打進鋼釬。當從風口底部發現有蘭火苗跳動時，立即從渣口打出鋼釬放渣。返渣料加畢，隨即加入正規爐料，待正規爐料加入10批后，開始第一次放銅，至此開爐宣告結束，即可轉入正常生產。

表2 主要工藝配方與技術條件

表3 原料、焦炭、熔劑的質量標準

2. 正常生產

鼓風爐的正常作業主要包括加料、排渣與放銅，其工藝操作包括原料、焦炭、熔劑、風口、銅口、渣口、料口、料柱、水套等項內容。其主要工藝配方與技術條件見表2。

加料：物料入爐前首先嚴格按照原料、焦炭、熔劑的質量標準精心選料，然后依據工藝配方要求準確計量后，分層均勻加入爐內，其裝料順序為焦炭—熔劑—爐料。粉料入爐前應加適量的水并拌勻。料面要裝成平整的形狀，絕不允許有七高八低的現象。料柱的高低與爐料的透氣性有關，塊率高、粉料少，則透氣性強，料柱就高一些，反之就低一些。但無論哪一種情況，爐子的風壓與風量必須保持穩定。原料、焦炭、熔劑的質量標準如表3所示：

風口：風口是鼓風爐的眼睛，在生產過程中，它的狀況優劣在一定程度上可標志著爐況的好壞。爐況正常時，打開風口蓋板向里窺視，可觀察到風口底部有一層均勻的黑色網狀渣殼，殼面上布有發出白色亮光的小孔。當爐況惡化時，風口內網狀渣殼厚薄不均，殼面上的小孔發紅，甚至發黑，有時風口內網狀渣殼消失并出現深棚現象，甚至風口結死，風送不進去。因此，對風口的管理要時刻認真觀察，發現病態應及時處理。

渣口：渣口的操作開始階段是間斷放渣，用黃泥配合鋼釬堵塞。每次放渣時間一般持續30分鐘左右，間隔時間一般控制在15～20分鐘。目前已經做到連續放渣。排出的渣（含銅0.26%～0.60%）經水碎后至渣斗，再用叉車運送到渣場存放，然后售給水泥廠作原料。

銅口：銅口的管理也是間斷操作，打出鋼釬放銅，個別時候也需燒氧放銅，用黃泥配合鋼釬堵塞。放銅的頻率與數量，是根據爐料含銅的高低及爐缸盛銅的多少進行掌握，每班（8小時）一般控制在2～5次，其數量為3～8塊（每塊550Kg左右）。圖4為現場放銅的圖片。

料柱：對于鼓風爐的還原熔煉來說，料柱是熔煉制度的一項重要內容，它的高低主要根據爐料的物理規格及化學成分等狀況來進行調整，確保風壓穩定，并使爐料在爐內有一定的停留時間。由于我公司爐身較高，可根據爐料粉料的多少和塊率的高低進行靈活掌握。在實際生產中，料柱一般控制在3.2～5.0m。

水套：水套是鼓風爐最關鍵的結構部件，方圓公司鼓風爐水套是用鍋爐鋼板冷壓焊接制成的。其使用壽命與冷卻水的水質及溫度關系密切，冷卻水的水質好，溫度控制得當（一般控制在45～55℃），水套的使用壽命就長，否則易于損壞，甚至發生安全事故。因此，在實際生產中要密切觀察水套的進出水情況，確保合格的水質與合理的水溫，嚴禁超壓或缺水。如遇停泵，必須立即打開備用高位水箱冷卻，并相應調低風量，防止回水管蒸汽噴射傷人。此外還要定期排污，以防水套結垢。

3.停爐

短期停爐：方圓公司根據實際生產經驗，規定在兩個班即16小時以內視為短期停爐。首先將料柱提高0.5m左右，并適當提高焦率，然后再停風（先停鼓風機、后停引風機）。同時用黃泥堵嚴風口，并放盡爐內的液態產物，以待恢復生產。

長期停爐：首先停止正規加料，然后加入9～12批返渣料，并適當提高焦率進行洗爐。此時應繼續供風，直至銅口液態產物極少并伴有焦炭吹出時即可停風。

三、常見故障及其處理

1.上燃

上燃是氧化礦與精煉渣還原熔煉的常見故障，特別是單煉精煉渣或其比例過高時，由于料柱的透氣性太強產生上燃；再就是布料不均勻，形成料柱空洞，也易產生上燃。通常防止和處理的方法是：粉料與塊料合理配搭；加料前對爐料噴上適量的水分；布料一定要做到均勻。一旦發生上燃，應采取先大幅降低料柱，再快速連續加到原有高度的措施來處理。

2.棚料

圖4 放銅現場圖

棚料現象實際上是高熔點物質在風口區上方半熔狀物質的堆積與凝結，從而破壞了正常的爐料下降制度，嚴重時可被迫停爐。產生的主要原因有：爐料中MgO、Al2O3、ZnO難熔組分過多時生成的鎂尖晶石或鋅尖晶石以固體狀態析出，使渣的熔點升高、粘度增大；粉料過多及布料不均，容易引起半容狀物質的凝結；銅精煉渣中耐火料過多，使渣的熔點升高等。通常處理的方法是：嚴把進料關，使爐料中MgO、ZnO含量均控制在1%以下，Al2O3控制在0.5%以下，減少鎂尖晶石或鋅尖晶石等高熔點物質的產生；塊礦與粉料合理搭配，提高布料的均勻性，防止爐料半容狀物質的凝結；對各分廠所產銅精煉渣提出質量標準，出廠前必須進行徹底分揀，絕不允許有耐火料混入。一般棚料故障的發生是有預兆的，主要表現在風口溫度偏低、網狀渣殼亮點變暗、焦點區上移、渣流動性變差以及風壓升高等。當發生這種現象時，應立即組織人員用鋼釬搗打料棚，適當降低料柱，適當提高焦率，適當提高渣硅酸度。將溫度低的風口調低風量，焦點區上移的風口停止供風，必要時可適當加入部分熔點低的返渣料洗爐。經過以上處理，可使棚料消除，并恢復正常生產。

3.風口結塊、深棚

這種故障產生的主要原因有：渣的熔點過高、粘度較大、液面過高、溫度偏低等。通常防止和處理的方法是：選擇熔點和粘度合理的渣型，保持適當的渣面，再就是調整風口的進風量，將結塊、深棚較重的風口減少風量甚至停風，加大對側風口的供風量，使結塊熔化、深棚消失。要特別注意當剛發現風口結塊或深棚時，及時用鋼釬搗碎，便能保證正常生產。

4.爐結

爐結是在水套內壁上產生的結塊，特別是爐膛的四角更容易凝結。它主要是由于粉料過多、布料不均、爐料的水分過高等因素引起。一般隨著生產的不斷進行，長爐結是不可避免的，問題是在于不能讓其堆積增長，以免引起爐子局部下料截面減小，甚至引起棚料等較大故障的發生。通常防止及處理的辦法是：爐料的水分控制適當，降低粉料的配比，做到均勻布料。若爐結產生較重時，應及時用鋼釬搗打，在操作上適當降低料柱、適當提高焦率、必要時加返渣料洗爐，升高爐溫使其逐步熔化，從而恢復正常生產。

5.爐缸結小

產生爐缸結小的主要原因有：爐料中含鐵過高、還原氣氛過強、MgO、Al2O3、ZnO等難熔組分過多等。防止與處理的辦法是：嚴格控制金屬鐵和高熔點成分的入爐，適當降低料柱或焦率，適當提高渣的硅酸度，在熔劑內加入部分螢石等措施。一旦發現放銅數量減少，說明爐缸已經結小，應立即采取周期性燒氧強化擴缸的辦法來處理。

圖5 FeO—CaO—SiO2三元系相圖

四、渣型的探討

在鼓風爐的還原熔煉生產中，渣型好壞直接影響到爐子生產的正常進行，它決定了爐子床能力的大小，焦率、熔劑率和銅直收率等主要技術經濟指標的好壞。因此，要想搞好鼓風爐銅氧化礦與銅精煉渣的還原熔煉，必須控制好爐渣渣型。正如有色行業的經驗之談“煉銅如煉渣”。

鼓風爐還原熔煉爐渣，是爐料中金屬與非金屬氧化物在熔煉過程中形成的復雜共熔體，其狀態FeO—CaO—SiO2是爐渣的基本體系（見圖5）。在生產實踐中經過我們不斷的反復試驗，總結出不同的爐料，應采用不同的渣型。如單煉銅氧化礦采用的渣型為SiO2：CaO=2.2：1，FeO≤7%，即典型的酸性渣。若銅氧化礦與銅精煉渣以4 ：1的比例配煉，則采用的渣型為SiO2：CaO=1 ：1，FeO≤13%，即典型的堿性渣。同時，在還原熔煉過程中遇到渣的熔點偏高時，加入一定數量的螢石可使渣熔化溫度降低，增強渣的流動性，從而改善渣銅分離的效果。

五、結語與建議

經過兩年來的生產實踐，銅氧化礦鼓風爐的還原熔煉在方圓公司得到了成功應用，在確保煙氣排放達標，實現清潔生產的同時，其主要技術經濟指標也得到了較大的改善，取得了良好的經濟效益。但應該指出的是，由于銅氧化礦還原熔煉焦率較高，而焦炭的費用在直接生產成本中所占的比例較大，采購的氧化礦其含銅品位應不低于20%，否則經濟上是不合算的。

目前的主要問題在于水套結垢影響到爐子的使用壽命，上料系統自動化水平較低使得工人勞動強度較大，這也是今后需要改進的地方。

建議通過小型試驗，增加電熱前床可使還原熔煉渣銅含量降低到0.2%以下。如有條件，采用適當濃度的富氧空氣可進一步提高爐子的床能力。因為焦炭占到生產成本的70%以上，所以嘗試用無煙塊煤代替部分焦炭可降低生產成本。另外，因爐子系全水套組成用水量較大，所以可以嘗試用汽化水套取代循環水冷卻可降低能源消耗。