銅冶煉爐渣緩冷技術研究與生產實踐

王國紅

(江西銅業集團公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

1 引言

銅冶煉爐渣處理方式目前主要有電爐貧化和渣選礦兩種［1-3］。電爐貧化棄渣含銅高，能耗高，環境污染嚴重。采用渣選礦處理銅冶煉爐渣，雖然渣緩冷場占地面積大，基建投資較高，但渣選礦法銅回收率較高，選礦尾渣含銅可以控制在0.30%以內，有利于提高銅的回收率，并且渣選礦法金銀回收率較高，能耗低。渣選法既能提高冶煉廠總銅回收率，又可以提高冶煉爐對原料的適應性。

渣選礦較自然礦石選礦多一道爐渣緩冷工序，這也是渣選礦與自然礦石選礦最大差別之處。銅冶煉爐渣實際是一種人造礦石，這種礦石中的銅礦物顆粒與相組成取決于爐渣冷卻速度［4］，在相變溫度(1080℃)以上緩慢冷卻銅礦物顆粒會集聚長大，爐渣中的銅之所以能夠通過浮選富集到精礦中(生產實踐上稱為渣精礦)，是因為爐渣在冷卻過程中形成了能夠機械分離的銅礦物顆粒，借助它們在表面物理化學性質上與其它造渣物的差異而實現分離。爐渣中銅礦物的結晶粒度大小和爐渣的冷卻速度密切相關，而粒度大小決定了選別方法和選別效果，所以爐渣的冷卻速度是決定浮選效果的主要條件，甚至比爐渣的組成更為重要［5］。

2 緩冷工藝

2.1 銅冶煉爐渣緩工藝

熔煉系統產的爐渣通過排渣溜槽排入渣包中，渣包裝好爐渣后，用專用運輸車輛將熱渣包運輸到渣包緩冷場，放置在渣包位進行自然緩冷，自然緩冷一定時間后，開冷卻水進行水冷，當渣包中爐渣完全冷卻后，再用渣包車運輸到渣場翻包處進行翻包作業，翻出爐渣后的空渣包再用運輸車輛運輸到熔煉系統排渣處進行下一輪作業。自然緩冷時間和水冷時間之和稱為緩冷時間。

為節約水資源和避免污染環境，爐渣水冷過程和翻包作業產生的水統一收集后循環使用。由于高溫爐渣水冷過程中會蒸發大量的水，緩冷過程中需要補加新水。為減少冶煉廠水消耗，生產實踐中一般將銅酸系統處理后的廢水作為爐渣緩冷補加水。

2.2 銅冶煉爐渣緩冷用渣包

國內銅冶煉爐渣緩冷用渣包規格主要有11m3和12m3兩種，類型主要有鑄造渣包和焊接渣包兩種，渣包底部設計有平底和帶腿兩種。渣包上部設計有帶翻轉渣包用的凸臺和沒有凸臺兩種。目前應用最為廣泛的是帶腿的鑄造渣包，焊接渣包2011年才開始在大冶有色金屬有限公司冶煉廠少量試用。

2.3 渣包運輸車輛

渣包運輸車輛有火車和渣包車兩種，國內除大冶有色金屬有限公司冶煉廠奧斯麥特爐冶煉爐渣采用火車和渣包車聯合運輸外，其它銅冶煉廠均采用渣包車運輸渣包。

渣包車主要有美國KRESS P-160CSE、瑞典GIA K350SH60和長沙凱瑞重工三種，三種渣包車均可以用于11m3有凸臺的渣包運輸和翻包作業，但美國KRESS P-160CSE不可以用于11m3沒有凸臺的渣包翻包作業，只有美國KRESS P-160CSE可以用于12m3有凸臺的渣包運輸和翻包作業。

3 技術研究

銅冶煉爐渣緩冷生產實踐中，為保證渣包運輸安全，渣包一般按有效容積80%裝渣，渣包在裝入熱渣后，爐渣會很快將熱能傳遞到渣包壁，渣包壁強度會隨渣包壁溫度升高而降低，因此渣包裝入熱渣后要盡快運輸到渣緩冷場，以免渣包在運輸過程中發生變形。

3.1 主要問題

(1)爐渣在緩冷過程中，從渣包中突然大量飛濺，并且發出較大聲響，如同發生爆炸，生產實踐中稱為渣包緩冷放炮。爐渣在翻包過程中，爐渣脫離渣包后突然大量飛濺，并且發出較大聲響，如同發生爆炸，生產實踐中稱為渣包翻包放炮。渣包緩冷放炮和渣包翻包放炮生產實踐中統稱為渣包放炮。渣包放炮時產生的強大氣流和飛濺的出的爐渣，會嚴重損壞周圍設備和設施，威脅在爐渣飛濺范圍內作業人員的人身安全。

(2)翻出爐渣沒有完全冷卻，存在發紅的高溫爐渣或液態爐渣，生產實踐中稱為紅包。存在液態爐渣的紅包與大量水接觸會發生渣包翻包放炮;剛翻出紅包如果直接加入破碎系統，會損壞破碎系統運輸皮帶。

(3)爐渣從渣包中翻出后，沒有破碎，形成一個類似渣包形狀的爐渣體，生產實踐中稱為整包，如果只有部分沒有破碎(一般占爐渣體積1/3以上)，則稱為半包。整包和半包一般內部都沒有完全冷卻成固體，如果剛翻出的整包或半包立即用捶打機破碎，內部一般有液態爐渣流出，液態爐渣遇水飛濺，可能損壞周邊設備和設施，威脅在爐渣飛濺范圍內作業人員的人身安全。

(4)翻包作業中，爐渣粘附在渣包內壁，不能自動從渣包中脫落，生產實踐中稱為粘包。一般情況下是少量爐渣粘附在渣包底部，有時也會發生整包渣粘附在渣包中。粘包會減少渣包使用過程中有效容積，降低渣包有效利用率。

(5)翻出的半包或整包含銅品位在20% ～40%，顏色呈暗紅色，生產實踐中稱為包底銅。翻出的半包或整包含銅品位在65% ～80%，顏色呈灰白色，生產實踐中稱為白鈹。剛翻出的白鈹用捶打機不易破碎，一般需要放置15d以后才可以破碎。包底銅、白鈹如果進入浮選流程，會嚴重影響浮選尾礦含銅品位，造成銅金屬流失。翻出的半包或整包含銅品位在85%以上，顏色呈紅色，表面有金屬銅光澤，生產實踐中稱為翻出純銅包底。捶打機無法破碎純銅包底，純銅包底一旦進入破碎或磨礦流程，會造成設備損壞或漏斗堵塞。

3.2 原因分析及技術措施

(1)導致渣包放炮主要原因有爐渣性質不好、裝不同爐渣的渣包混用和未冷卻成固體的液態爐渣接觸到大量水三個方面。

①爐渣性質不好導致渣包放炮一般飛濺出的爐渣量和直徑都較大，危害性較大。其發生時間主要集中在兩個階段，第一個階段是自然緩冷結束后開冷卻水12h內，第二個階段是翻包作業。爐渣性質不好導致渣包放炮原因較為復雜，相關研究較少，一般認為爐渣緩冷過程中，渣性不好的爐渣在渣包內存在繼續反應可能，爐渣中的氧化物(Cu2O、PbO等)與冰銅(Cu2SO、FeS)發生反應，產生SO2氣體，造成渣包內部壓力升高。

如果爐渣中存在大量氧化物(Cu2O、PbO等)與冰銅(Cu2SO、FeS)反應，渣包放炮一般發生在第一階段，原因可能為水冷過程中，已冷卻成固體的爐渣會從表面向下產生裂縫，當裂縫達到一定程度時，渣包內部壓力會導致裂縫迅速擴大，產生高溫高壓氣流在瞬間釋放能量的現象(爆炸)，高壓氣流和爆炸產生的沖擊波導致渣包內大量固體爐渣和少量液態爐渣從渣包中向外飛濺，發生渣包第一次放炮。由于此階段為在爐渣水冷階段，表面固體爐渣飛濺后，大量冷卻水會直接接觸渣包內液態爐渣，在急速汽化膨脹同時，水與爐渣中冰銅還會發生反應［6］:

由于渣包是敞口與大氣相通，生成的可燃氣體H2S和H2還會和空氣中的氧氣發生反應:

以上為放熱、增容反應，在高溫狀況下反應速度極快，由于反應劇烈，釋放熱能的速度極快;由于渣包是一個半封閉容器，汽化膨脹和反應中瞬間產生的高壓氣體來不及擴散，就會產生巨大的壓力，當這種壓力使氣體以極快的速度擴散時，就會產生高溫高壓氣流在瞬間釋放能量的現象(爆炸)。高壓氣流和爆炸產生的沖擊波導致渣包內大量液態爐渣和少量固體爐渣向外飛濺，發生渣包二次放炮(與第一次渣包放炮時間間隔一般在10s內)。渣包發生二次放炮后，雖然水會爐渣內冰銅會繼續反應，但由于渣包內爐渣量較少，汽化膨脹和反應產生的氣體會較少，能夠得到及時擴散，因此渣包一般不會再放生放炮(極少情況下會發生第三次放炮)。

如果爐渣中存在少量氧化物(Cu2O、PbO等)與冰銅(Cu2SO、FeS)反應，渣包放炮一般發生在第二階段，原因可能為渣包內SO2氣體較少，水冷過程中，已冷卻成固體的爐渣雖然會從表面向下產生裂縫，但渣包內壓力不能使裂縫擴大至SO2氣體所在區域，SO2氣體不能從渣包內釋放，同時由于裂縫沒有擴大到液態爐渣區域，水也不能沿裂縫進入渣包內部與液態爐渣接觸，因此爐渣在水冷過程中沒有發生放炮。翻包作業時，爐渣從渣包中脫落瞬間，爐渣表面裂縫在表面張力作用下迅速擴大至SO2氣體所在區域，產生高溫高壓氣流在瞬間釋放能量的現象(爆炸)，高壓氣流和爆炸產生的沖擊波導致大量固體爐渣飛濺，發生渣包翻包放炮。

②裝不同爐渣的渣包混用導致渣包放炮一般發生在裝氧化渣的渣包與裝還原渣的渣包混用時。由于渣包使用過程中會存在粘包現象，少量的粘包可以緩沖接渣時液態爐渣對渣包本體的沖涮，生產實踐中一般不處理少量粘包，這樣如果用存在粘包的裝氧化渣渣包去裝還原渣或者用裝還原渣的渣包去裝氧化渣，就可能發生氧化渣與還原渣在渣包內反應，導致渣包放炮。其反應機理與爐渣性質不好導致渣包放炮相同，發生時間段和現象也基本相同。

③未冷卻成固體的液態爐渣接觸到大量水導致渣包放炮主要發生在兩個階段，第一個階段是自然緩冷結束后開冷卻水1h內。爐渣自然緩冷結束后，渣包中爐渣表面會冷卻成固體，進行水冷時，已冷卻成固體的爐渣會從表面向下產生裂縫，正常情況下裂縫不會延伸到與液態爐渣接觸的深度，但如果自然緩冷時間不夠，形成爐渣固體厚度較薄，裂縫延伸到液態爐渣區域，水沿裂縫進入渣包內部與液態爐渣接觸，在急速汽化膨脹同時，水與爐渣中冰銅還會發生反應，導致渣包緩冷放炮。第二個階段是翻包作業。翻包作業時，存在液態爐渣的紅包與大量水接觸會發生渣包翻包放炮。

消除渣包放炮主要措施:

①熔煉系統要維護要爐況，避免爐渣中夾帶冰銅。

②避免裝氧化渣的渣包與裝還原渣的渣包混用。特殊情況下需要混用時，在混用前一定要將渣包中的粘包清理干凈。

③保證足夠的自然緩冷時間。生產中根據爐渣性質，要在爐渣自然緩冷到足夠時間才能開水冷卻。

④保證翻包時爐渣全部冷卻成固體，避免翻出有液態爐渣的紅包。生產實踐中一般通過檢測渣包外壁溫度判斷爐渣是否全部冷卻成固體。

⑤維護好翻包點，保證翻包點不會積水，翻包作業分兩個階段進行，第一階段將渣包翻轉到一定角度 (渣包中的水能流出，但爐渣不會從渣包中脫落)，停留一段時間，讓渣包中水全部流出，然后進行第二階段作業，繼續翻轉渣包讓爐渣從渣包中脫落。

(2)翻出紅包直接原因是渣包緩冷時間不夠。由于冶煉廠渣包都是循環使用，為滿足冶煉系統生產要求，渣包緩冷時間一般會隨冶煉系統排渣量增加而減少。熔煉系統爐況和原料組成會影響爐渣性質，而爐渣性質對緩冷速度有影響，因此熔煉爐況不好或原料不好也可能導致翻出紅包。爐渣水冷過程中，冷卻水溫度和水質都會影響爐渣緩冷速度，是導致翻紅包的另一原因。

消除翻出紅包主要措施:

①熔煉系統減少投料量。熔煉投料量減少時排渣量就會減少，在渣包數量相同情況下，渣包緩冷時間就會延長，但這樣會增加熔煉系統生產成本，并且會影響冶煉廠陽極銅產量，生產實踐中只有在其它措施不能解決問題時才會采用。

②維護好熔煉系統爐況。爐況對銅冶煉至關重要，爐況直接決定爐渣性質，爐況好時爐渣一般比較好冷卻，爐況差時爐渣中容易夾帶有冰銅或未反應完全的精礦，爐渣冷卻較慢。維護好爐況是消除紅包最有效措施之一，但影響爐況因素非常多，如閃速熔煉爐況管理受爐型、原料成分、生產規模、技術指標要求、能源種類、富氧濃度、設備性能、生產經驗及上下游工藝與設備等方面影響［7］，生產實踐爐況有時會較差，雖然熔煉系統會積極采取措施，但一般需要一定時間才能使爐況轉好。

③增加渣包數量。在熔煉系統排渣量不變情況下，增加渣包數量可以延長渣包緩冷時間。但增加渣包數量需要擴建渣包緩冷場，基建投資大，建設周期長，并且購買渣包費用也非常高。

④增加水冷時冷卻水量。爐渣在水冷階段，冷卻水量越大，帶走爐渣熱量就越快，爐渣冷卻速度也就越快。

⑤降低水冷時冷卻水溫度。爐渣在水冷階段，冷卻水溫度越低，帶走爐渣熱量就越快，爐渣冷卻速度也就越快。降低冷卻水溫度主要途徑有使用清水和在冷卻水循環使用過程中增加冷卻塔對冷卻水進行冷卻。

⑥提高冷卻水質。爐渣水冷過程中，冷卻水中的固體顆粒和鹽類物質都會附著在爐渣表面，影響爐渣熱量被水帶走，減緩爐渣冷卻速度。

(3)翻包作業中翻出整包和粘包均與爐渣性質不好有關，根本解決措施是維護好熔煉系統爐況，保證爐渣性質良好。生產實踐中翻出整包一般冷卻12h后在用捶打機破碎，破碎后的爐渣進選礦工序處理。少量粘包可以保護渣包底部在接熱渣時不被液態爐渣沖涮，一般不處理。大量粘包會減少渣包有效容積，一般用捶打機捶打粘包處，使粘在渣包上的爐渣脫落，脫落后的爐渣進選礦工序處理。

(4)翻出包底銅、白鈹、純銅包底主要原因是熔煉系統放渣管理不到位，爐渣中混入較多銅。解決措施是熔煉系統加強放渣管理，避免爐渣中帶銅。生產實踐中包底銅、白鈹、純銅包底單獨堆放，返回熔煉系統處理。

4 結語

(1)生產實踐中，消除紅包應優先采用增加冷卻水量和在冷卻水循環使用過程中增加冷卻塔這兩項措施。貴溪冶煉廠生產實踐表明，爐渣緩冷過程中，在其它條件相同情況下，水冷階段單個渣包冷卻水量由2m3/h增加到3.7m3/h時，爐渣緩冷時間可以減少10h以上，使用冷卻塔后冷卻水溫度可以下降8℃ ～12℃。

(2)渣包作業過程中急冷急熱，經受溫度起伏很大，工作條件極其惡劣，每使用一次都會使其產生一定的內應力，長時間的內應力導致渣包出現裂紋、變形等。裂紋嚴重的渣包在裝有液態熱渣情況下，可能發生液態爐渣泄漏或渣包破裂事件，可能燒毀渣包運輸車輛及周圍設備、設施，威脅周圍作業人員人身安全。變形嚴重的渣包將無法進行運輸和翻包作業。目前國內沒有銅冶煉爐渣緩冷用渣包相關規范，如何延長渣包的使用壽命，及時報廢更新渣包，保證渣包使用安全，降低生產成本，是面臨的難題。

［1］楊峰.江銅貴冶電爐渣回收銅技術改造方案的研究與設計［J］.銅業工程，2005(04):4-7.

［2］王少青，盧榮富.爐渣選礦在我國的發展與應用［J］.有色礦山，1993(03):42-46.

［3］黃瑞強，崔麥英.銅冶煉轉爐緩冷渣選別工藝試驗研究［J］.中國礦山工程，2010(03):16-20.

［4］胡國軍，嚴明.淺談銅爐渣緩冷自動噴淋系統的設計［J］.有色冶金設計與研究，2011(04-05):95-96.

［5］朱祖澤，賀家齊.現代銅冶金學［M］.北京:科學出版社，2003，434-442.

［6］劉衛東.冰銅水淬與實踐［J］.有色金屬(冶煉部分)，2009(02):33-35.

［7］朱祖澤，賀家齊.現代銅冶金學［M］.北京:科學出版社，2003，186-189.