多元爐上升煙道結焦的分析與討論

東營魯方金屬材料有限公司（以下簡稱魯方公司）的多元爐生產過程中產生的煙氣通過上升煙道進入電收塵器。由于噴槍生產過程中渣與冰銅的噴濺以及熔融冰銅與渣氧化吸附等原因，往往會在煙道口結焦。結焦會導致煙道阻塞、爐子抽氣能力降低、煙氣溢出等問題，特別是結焦塊的頻繁掉落會影響爐子穩定性，縮短爐體和噴槍壽命。因此，爐口與上升煙道結焦對多元爐的生產與環保有極大的負面影響。

抑制上升煙道的結焦在有色金屬冶煉領域是一個世界性的難題。結焦的形成不僅會造成有價金屬的浪費，而且當大型焦塊從多元爐中落下時，會壓碎耐火磚，嚴重影響爐子的使用壽命。為了保證生產的安全與穩定，很有必要抑制結焦的產生并尋找最佳的結焦解決方案，進而達到穩定生產、延長爐壽、安全環保以及提高效益之目的。

1、多元爐結焦的組成

今年8月份，魯方公司對多元爐煙道口的結焦進行了取樣檢測，見圖1與圖2。

通過對多元爐結焦FY271的取樣后檢測發現，焦炭的主要相組成為大量渣相（硅含量高于渣中硅含量），冰銅相，鐵橄欖石相，四氧化三鐵相。從圖2中可以看出：-3中含有大量Cu2O存在。

圖1 多元爐結焦FY271

圖2 多元爐結焦FY272

FY271相的組成見表1。

由相組成可推測，該結焦為渣層噴濺后吸入滯留于煙道口，并緩慢冷卻而形成。另外，由其保留大量冰銅相可知，該樣品-1，-2部分的生成過程中，與氧氣接觸較少，可以推測可能位于結焦內測；-3部分形成大量Cu2O，推測與氧氣接觸較多，并處在高溫區。另外，一定冰銅相的存在，使該結焦較為疏松。

表1 FY271相組成

表2 FY272相組成

FY272相組成見表2。

從表2可以看出：結焦樣品FY272的檢測結果顯示，樣品中存在大量的Cu2O，PbS，可推測，該結焦為冰銅（含少量渣）在煙道口而形成。Cu2O、PbO化合物的形成表明與氧氣接觸較多，并處在高溫區。

2、結焦的形成原因

結焦（結渣）是一種非常復雜的物理化學過程。它涉及燃燒、傳熱、傳質、灰分的潛在結焦傾向，灰粒子在爐內的運動以及灰份與管壁間的粘附等復雜過程。在銅冶煉行業里面，結焦受精礦投料量、成分、形狀等多種影響，燃燒不穩定，產能擴大，熱負荷增大，會加劇粘結[1]。

魯方公司兩步煉銅工藝產業化示范項目于2015年10月投產，至今多元爐已運行3年1個月的時間。經過三年多的生產實踐，以及通過對煙道結焦的相組成進行分析，目前影響結焦產生的主要因素有以下幾個方面：冰銅噴濺、原料組成以及爐體漏風等。

2.1 冰銅噴濺

為實現兩步煉銅工藝，多元爐采用底側復合吹的送氣方式，即底部噴槍噴入純氧和空氣，側槍噴入還原氣[2]。在多元爐反應區，物料從頂部加入，富氧氣體（氧濃73%左右、氧壓0.55-0.65MPa）從爐體底部噴入熔體，使熔體形成劇烈的攪動，物料瞬時被卷入熔體中，迅速發生化學反應。由于氣體以射流狀態噴入熔體，動力學條件好，熔煉強度大，導致冰銅熔體的劇烈噴濺，噴濺的冰銅熔體會裹挾部分渣吸附在煙道，被氧化后形成致密的氧化物結焦。

2.2 原料組成

銅精礦中若鉛、氧化鉀及氧化鈉成分增多，會與二氧化硅形成低熔點液態，粘附銅精礦在煙道口上。對結焦樣品的檢測中，檢測到較多含PbO-化合物，形成低熔點化合物，起到粘結作用，形成結焦吸附在煙道上。

銅精礦中含鋅物料的增加也會導致結焦的產生，這是因為ZnO的存在會促進了尖晶石形成，尖晶石經長期生長后，結成板塊狀大片尖晶石，密度高（不含鋅尖晶石：3.6 g*cm-3，含鋅尖晶石可達4.6 g*cm-3），硬度高（莫氏硬度8，金剛石為10），形成致密結焦[3]。

通過研究發現，當含硫化物高時，結焦較為疏松；含氧化物高時，結焦較為致密。多元爐熔煉過程中，銅精礦中的硫化銅與大量的空氣反應，氧化放熱，生成Cu、Cu2O等熔融粘結相；同時硫化鐵氧化后生成尖晶石，與Cu2O生成Cu2O.Fe2O3。

2.3 爐體漏風

爐體漏風提供大量的氧氣，同時會降低煙氣溫度，由下圖可知：氧氣濃度的增加會減少單質硫的生成；但單質硫的氧化放熱，有利銅精礦、冰銅的氧化，同時在銅精礦的熔煉過程中，低溫富氧下主要存在CuO，高溫富氧下主要存在Cu2O。溫度的降低可使銅精礦的保持在冰銅的狀態，減少Cu2O的生成，有利于形成較疏松的結焦。

3、控制結焦生成的方法

3.1 減少冰銅噴濺

噴濺問題，是目前銅冶煉過程中存在的共性問題，在多元爐的生產過程中，熔體會形成劇烈的攪動，必然會造成噴濺，無法避免，但可以嘗試從控制爐溫和適當改變爐體結構等方面減少冰銅噴濺的問題。

圖3 氧濃對物相的影響

氧槍的位置直接影響噴濺的程度與氧槍的壽命，將多元爐氧槍區遠離煙道口或關閉靠近煙道口氧槍可減少冰銅噴濺。

改變冷卻水套結構。目前冷卻水套使煙道有大量凹槽，有利于吸附的發生。

3.2 控制原料成分

控制銅精礦中Pb的含量，減少高硅酸鉛低熔點粘結相生成；同時可以加入提高熔點低物料，使粘結相不宜生成；控制銅精礦中Zn的含量，減少尖晶石的生成；

3.3 控制爐體漏風量

爐體漏風會導致氣體快速流入，擊打煙道壁，使熔體更緊密吸附。但同時漏風可使使銅精礦的保持在冰銅的狀態，減少Cu2O的生成，有利于形成較疏松的結焦。所以爐體應控制合適的漏風量，改變漏風的進入方式，降低進風帶來的沖擊力。

4、結論

通過減少冰銅的噴濺和原料中Pb、Zn等組分的含量以及適當控制爐體漏風量等組合手段，爐口及上升煙道結焦得到了較好的控制。魯方公司多元爐煙道口的清焦頻率，有控制前的每周3次，降低為控制后的每周1次，顯著提高了生產效率。