多元爐上升煙道結(jié)焦的分析與討論

王智，郭學(xué)益，王海濱，欒俊超

（中南大學(xué) 湖南 長(zhǎng)沙 410083）

東營(yíng)魯方金屬材料有限公司（以下簡(jiǎn)稱魯方公司）的多元爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣通過上升煙道進(jìn)入電收塵器。由于噴槍生產(chǎn)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(huì)在煙道口結(jié)焦。結(jié)焦會(huì)導(dǎo)致煙道阻塞、爐子抽氣能力降低、煙氣溢出等問題，特別是結(jié)焦塊的頻繁掉落會(huì)影響爐子穩(wěn)定性，縮短爐體和噴槍壽命。因此，爐口與上升煙道結(jié)焦對(duì)多元爐的生產(chǎn)與環(huán)保有極大的負(fù)面影響。

抑制上升煙道的結(jié)焦在有色金屬冶煉領(lǐng)域是一個(gè)世界性的難題。結(jié)焦的形成不僅會(huì)造成有價(jià)金屬的浪費(fèi)，而且當(dāng)大型焦塊從多元爐中落下時(shí)，會(huì)壓碎耐火磚，嚴(yán)重影響爐子的使用壽命。為了保證生產(chǎn)的安全與穩(wěn)定，很有必要抑制結(jié)焦的產(chǎn)生并尋找最佳的結(jié)焦解決方案，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)、延長(zhǎng)爐壽、安全環(huán)保以及提高效益之目的。

1 多元爐結(jié)焦的組成

今年8月份，魯方公司對(duì)多元爐煙道口的結(jié)焦進(jìn)行了取樣檢測(cè)，見圖1與圖2。

通過對(duì)多元爐結(jié)焦FY271的取樣后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，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。

FY271相的組成見表1。

圖1 多元爐結(jié)焦FY271

圖2 多元爐結(jié)焦FY272

由相組成可推測(cè)，該結(jié)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(cè)可能位于結(jié)焦內(nèi)測(cè)；-3部分形成大量Cu2O，推測(cè)與氧氣接觸較多，并處在高溫區(qū)。另外，一定冰銅相的存在，使該結(jié)焦較為疏松。

FY272相組成見表2。

從表2可以看出：結(jié)焦樣品FY272的檢測(cè)結(jié)果顯示，樣品中存在大量的Cu2O，PbS，可推測(cè)，該結(jié)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(qū)。

2 結(jié)焦的形成原因

結(jié)焦（結(jié)渣）是一種非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程。它涉及燃燒、傳熱、傳質(zhì)、灰分的潛在結(jié)焦傾向，灰粒子在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)以及灰份與管壁間的粘附等復(fù)雜過程。在銅冶煉行業(yè)里面，結(jié)焦受精礦投料量、成分、形狀等多種影響，燃燒不穩(wěn)定，產(chǎn)能擴(kuò)大，熱負(fù)荷增大，會(huì)加劇粘結(jié)[1]。

魯方公司兩步煉銅工藝產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目于2015年10月投產(chǎn)，至今多元爐已運(yùn)行3年1個(gè)月的時(shí)間。經(jīng)過三年多的生產(chǎn)實(shí)踐，以及通過對(duì)煙道結(jié)焦的相組成進(jìn)行分析，目前影響結(jié)焦產(chǎn)生的主要因素有以下幾個(gè)方面：冰銅噴濺、原料組成以及爐體漏風(fēng)等。

2.1 冰銅噴濺

表1 FY271相組成

表2 FY272相組成

為實(shí)現(xiàn)兩步煉銅工藝，多元爐采用底側(cè)復(fù)合吹的送氣方式，即底部噴槍噴入純氧和空氣，側(cè)槍噴入還原氣[2]。在多元爐反應(yīng)區(qū)，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(dòng)，物料瞬時(shí)被卷入熔體中，迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于氣體以射流狀態(tài)噴入熔體，動(dòng)力學(xué)條件好，熔煉強(qiáng)度大，導(dǎo)致冰銅熔體的劇烈噴濺，噴濺的冰銅熔體會(huì)裹挾部分渣吸附在煙道，被氧化后形成致密的氧化物結(jié)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(huì)與二氧化硅形成低熔點(diǎn)液態(tài)，粘附銅精礦在煙道口上。對(duì)結(jié)焦樣品的檢測(cè)中，檢測(cè)到較多含PbO-化合物，形成低熔點(diǎn)化合物，起到粘結(jié)作用，形成結(jié)焦吸附在煙道上。

銅精礦中含鋅物料的增加也會(huì)導(dǎo)致結(jié)焦的產(chǎn)生，這是因?yàn)閆nO的存在會(huì)促進(jìn)了尖晶石形成，尖晶石經(jīng)長(zhǎng)期生長(zhǎng)后，結(jié)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(dá)4.6 g＊cm-3），硬度高（莫氏硬度8，金剛石為10），形成致密結(jié)焦[3]。

通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含硫化物高時(shí)，結(jié)焦較為疏松；含氧化物高時(shí)，結(jié)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(yīng)，氧化放熱，生成Cu、Cu2O等熔融粘結(jié)相；同時(shí)硫化鐵氧化后生成尖晶石，與Cu2O生成Cu2O.Fe2O3。

2.3 爐體漏風(fēng)

圖3 氧濃對(duì)物相的影響

爐體漏風(fēng)提供大量的氧氣，同時(shí)會(huì)降低煙氣溫度，由下圖可知：氧氣濃度的增加會(huì)減少單質(zhì)硫的生成；但單質(zhì)硫的氧化放熱，有利銅精礦、冰銅的氧化，同時(shí)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(tài)，減少Cu2O的生成，有利于形成較疏松的結(jié)焦。

3 控制結(jié)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(chǎn)過程中，熔體會(huì)形成劇烈的攪動(dòng)，必然會(huì)造成噴濺，無法避免，但可以嘗試從控制爐溫和適當(dāng)改變爐體結(jié)構(gòu)等方面減少冰銅噴濺的問題。

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(qū)遠(yuǎn)離煙道口或關(guān)閉靠近煙道口氧槍可減少冰銅噴濺。

改變冷卻水套結(jié)構(gòu)。目前冷卻水套使煙道有大量凹槽，有利于吸附的發(fā)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(diǎn)粘結(jié)相生成；同時(shí)可以加入提高熔點(diǎn)低物料，使粘結(jié)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(fēng)量

爐體漏風(fēng)會(huì)導(dǎo)致氣體快速流入，擊打煙道壁，使熔體更緊密吸附。但同時(shí)漏風(fēng)可使使銅精礦的保持在冰銅的狀態(tài)，減少Cu2O的生成，有利于形成較疏松的結(jié)焦。所以爐體應(yīng)控制合適的漏風(fēng)量，改變漏風(fēng)的進(jìn)入方式，降低進(jìn)風(fēng)帶來的沖擊力。

4 結(jié)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(dāng)控制爐體漏風(fēng)量等組合手段，爐口及上升煙道結(jié)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(chǎn)效率。