溫度控制對(duì)大型轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉的影響

李林山，姚能貴，金澤志，曾慶康，趙宇娟

（銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司，安徽 銅陵 244100）

1 引言

轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉以冰銅為原料，通過(guò)向爐內(nèi)鼓入空氣或富氧空氣氧化除去硫和鐵得到粗銅（Cu98.5%～99.5%）的過(guò)程。主要分為造渣和造銅兩個(gè)階段。

在造渣期，借空氣的攪拌作用，冰銅中的硫化亞鐵被氧化生成氧化亞鐵和二氧化硫，氧化亞鐵再與添加的石英熔劑進(jìn)行造渣反應(yīng)，其主要造渣過(guò)程可用方程式表示為［1-2］：

在造銅期，爐內(nèi)剩余的白冰銅（主要以Cu2S的形式存在）繼續(xù)與空氣中氧反應(yīng)生成粗銅和二氧化硫，其造銅過(guò)程可用反應(yīng)方程式表示為［3-4］：

在實(shí)際生產(chǎn)中，并非一次性造渣得到白銅锍（Cu2S），而是分批次加入銅锍氧化造渣完成白銅锍的富集，造渣效果主要與渣型有關(guān)，影響渣型好壞的主要因素為熔劑添加量、溫度控制和倒渣終點(diǎn)判斷。為保證造銅期吹煉的正常進(jìn)行和得到高品質(zhì)的粗銅，同樣需要合理的吹煉溫度控制和出銅終點(diǎn)判斷。轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉過(guò)程發(fā)生的幾乎全是放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量足以維持高溫熔體的自熱反應(yīng)。因此，合理的溫度控制是保證正常、高效吹煉的前提和基礎(chǔ)。

在銅锍吹煉過(guò)程中，爐體壽命（爐齡）是影響經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，除了在爐體砌筑階段加強(qiáng)爐磚材質(zhì)的選擇及合理砌筑外［5］。章茂福［6］總結(jié)歸納了貴溪冶煉廠轉(zhuǎn)爐爐齡的主要影響因素，黎渡［7］也強(qiáng)調(diào)了精細(xì)生產(chǎn)組織、完善操作規(guī)程及提高設(shè)備管理水平等對(duì)爐齡的重要性，但鮮有文獻(xiàn)提到溫度控制對(duì)銅锍吹煉的影響程度。

本文結(jié)合銅陵有色金冠銅業(yè)分公司智能數(shù)控吹煉爐生產(chǎn)擬從造渣和造銅兩個(gè)階段簡(jiǎn)要闡述溫度對(duì)銅锍吹煉的影響［8-9］。本文所有溫度數(shù)據(jù)均來(lái)自于銅陵有色金冠銅業(yè)分公司與合肥金星機(jī)電科技發(fā)展有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的檢測(cè)探頭所測(cè)［10］。圖1為檢測(cè)探頭與溫度顯示畫(huà)面。

圖1 檢測(cè)探頭及溫度顯示畫(huà)面

2 銅硫吹煉造渣期的溫度控制

2.1 造渣期起始階段的溫度控制

智能數(shù)控吹煉爐旋轉(zhuǎn)至吹煉位置開(kāi)始向爐內(nèi)送風(fēng)時(shí)即造渣開(kāi)始，起始階段溫度在整個(gè)吹煉階段處于最低溫度，爐位一般以吹煉時(shí)風(fēng)口浸入熔體液面以下200mm左右為宜。通過(guò)對(duì)3臺(tái)轉(zhuǎn)爐共420爐造渣起始溫度調(diào)查發(fā)現(xiàn)：造渣起始階段溫度控制在1110～1160℃時(shí)，吹煉過(guò)程最為穩(wěn)定。當(dāng)起始溫度過(guò)低（低于1110℃）時(shí)，熔體表面黏性增加，熔體內(nèi)氣體逸出困難，易形成噴濺，噴濺物呈可見(jiàn)顆粒狀冷料，噴濺會(huì)造成轉(zhuǎn)爐煙塵量增加，同時(shí)增加自產(chǎn)冷料，降低銅直收率，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致吹煉無(wú)法順利進(jìn)行。出現(xiàn)此類(lèi)狀況時(shí)，可在液面角允許范圍內(nèi)最大限度地追加熱冰銅后繼續(xù)送風(fēng)吹煉，增加富氧率，推遲熔劑加入時(shí)間，修正冷料加入量，必要時(shí)停加冷料，確保溫度盡快提升至1110℃以上，保證吹煉的正常進(jìn)行；當(dāng)起始溫度過(guò)高（高于1160℃）時(shí)，易造成能源浪費(fèi)，降低轉(zhuǎn)爐冷料處理量，隨著吹煉過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，爐內(nèi)溫度逐漸升高，高溫熔體反復(fù)沖刷爐內(nèi)耐火材料，嚴(yán)重縮短爐齡壽命。出現(xiàn)此類(lèi)情況時(shí)應(yīng)立即降低富氧率或停止送氧，并迅速向爐內(nèi)投入一批冷料及熔劑以最短時(shí)間降低爐溫，確保吹煉正常有序進(jìn)行。見(jiàn)表1。

表1 造渣初期溫度統(tǒng)計(jì)情況

2.2 造渣期中期的溫度控制

造渣期中期溫度在整個(gè)吹煉過(guò)程中波動(dòng)最大，溫度控制在1150～1210℃最宜。造渣期的主要熱量來(lái)自于該階段熔體內(nèi)金屬雜質(zhì)氧化造渣放熱。通過(guò)對(duì)3臺(tái)轉(zhuǎn)爐共413爐造渣中期溫度調(diào)查發(fā)現(xiàn)：隨著爐內(nèi)熔體中積渣逐漸增加，風(fēng)眼末端結(jié)管狀瘤嚴(yán)重，須風(fēng)眼機(jī)不停擊打除掉風(fēng)眼末端的管狀瘤，若不能及時(shí)除掉管狀瘤，將造成送風(fēng)不暢不能供給造渣所需的氧氣，使溫度急劇下降。當(dāng)造渣中期溫度過(guò)低（低于1150℃）時(shí)，爐內(nèi)造渣將無(wú)法正常進(jìn)行，此時(shí)應(yīng)加大捅風(fēng)眼機(jī)頻次增加富氧率，提高造渣反應(yīng)熱滿(mǎn)足正常吹煉熱量需求；當(dāng)中期溫度過(guò)高（高于1210℃）時(shí)，隨吹煉過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，爐內(nèi)溫度持續(xù)上升，高溫熔體將嚴(yán)重沖刷爐襯，侵蝕耐火材料，縮短爐壽命，同時(shí)造成能源不必要浪費(fèi)，若通過(guò)添加冷料方式來(lái)降低爐溫可能會(huì)造成冷料在尚未完全融化狀態(tài)下，渣已造好影響放渣作業(yè)，致使渣含銅升高，降低銅直收率。此時(shí)應(yīng)降低送風(fēng)量、減少富氧率或停止送氧的方法降低爐溫至1210℃以下。見(jiàn)表2。

表2 造渣中期溫度統(tǒng)計(jì)情況

2.3 造渣末期的溫度控制

造渣末期溫度比較平穩(wěn)，爐內(nèi)高溫熔體造渣反應(yīng)幾近完成，爐內(nèi)送風(fēng)順暢，溫度提升較快，在實(shí)際操作中，操作人員通常利用該階段提升熔體溫度，以確保獲得流動(dòng)性較好的渣型，從而降低渣含銅、提高直收率。通過(guò)對(duì)3臺(tái)轉(zhuǎn)爐共354爐造渣末期溫度調(diào)查發(fā)現(xiàn)：造渣末期溫度在造渣過(guò)程中處于最高階段，溫度控制在1195～1260℃最宜，當(dāng)末期溫度低于1195℃時(shí)，爐內(nèi)渣黏性增加，流動(dòng)性變差，冷料融化不完全，致使?fàn)t結(jié)增加、渣含銅上升，降低銅直收率。此時(shí)可通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)吹煉時(shí)間、提升送風(fēng)量或增加富氧率等辦法迅速提高溫度；當(dāng)末期溫度高于1260℃時(shí)，對(duì)爐體的耐火材料損害最大。溫度越高，熔體的流動(dòng)性越好，可滲透至細(xì)微的耐火磚縫氣孔里與耐火材料里的部分成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（爐渣2FeO·SiO2能溶解鎂質(zhì)耐火材料），嚴(yán)重侵蝕爐襯，在實(shí)際生產(chǎn)中，爐體被高溫熔體燒穿事故一般都發(fā)生在該階段，此時(shí)應(yīng)停止富氧吹煉或停止吹煉，實(shí)施放渣作業(yè)。見(jiàn)表3。

表3 造渣末期溫度統(tǒng)計(jì)情況

3 造銅期溫度控制

3.1 造銅前期的溫度控制

造銅初期溫度控制與造銅中期溫度控制可合稱(chēng)造銅前期溫度控制，通過(guò)對(duì)3臺(tái)轉(zhuǎn)爐共408爐次造銅前期溫度調(diào)查發(fā)現(xiàn)：造銅前期溫度控制在1160～1210℃最為合適。造銅前期溫度比造渣期好控制，其主要原因是該階段爐內(nèi)熔體幾乎為純白銅锍（Cu2S），風(fēng)眼末端結(jié)管狀瘤狀況大為好轉(zhuǎn)，風(fēng)眼送風(fēng)順暢。另外造銅前期是承接造渣末期（篩爐）溫度基礎(chǔ)上進(jìn)行的，本身溫度不低，并且伴隨著殘極加料機(jī)（在吹煉狀態(tài)下不停風(fēng)向爐內(nèi)添加冷料銅的一種設(shè)備）在大型轉(zhuǎn)爐中的普及，溫度更易控制。當(dāng)溫度高于1210℃時(shí)，應(yīng)及時(shí)向爐內(nèi)投入一批冷料（含銅量高于75%，雜質(zhì)較低的含銅物料），一方面及時(shí)降低爐溫保護(hù)爐襯，延長(zhǎng)爐齡壽命，同時(shí)處理回收含銅物料，提高單爐產(chǎn)量；當(dāng)造銅前期溫度低于1160℃時(shí)，可引起熔體表面溫度過(guò)低，熔體粘度增大，送風(fēng)阻力加大，具體表現(xiàn)為風(fēng)管壓力高，嚴(yán)重時(shí)夾帶著熔體呈團(tuán)塊狀從爐口噴出，造成噴爐事故。當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，應(yīng)立即提高富氧率，適當(dāng)降低送風(fēng)量(減少風(fēng)量過(guò)大，帶走的熱損失)，盡快促使熔體溫度回升至1160℃以上，待爐溫正常后可恢復(fù)原作業(yè)制度。見(jiàn)表4。

表4 造銅期溫度統(tǒng)計(jì)情況

3.2 造銅末期的溫度控制

造銅末期臨近出銅，爐內(nèi)熔體產(chǎn)生的反應(yīng)熱越來(lái)越少，用以可調(diào)控溫度的時(shí)間較短，溫度波動(dòng)的把握顯得尤為重要。通過(guò)對(duì)3臺(tái)轉(zhuǎn)爐409爐次造銅末期溫度調(diào)查發(fā)現(xiàn)：造銅末期溫度控制在1180～1200℃較適宜。當(dāng)溫度低于1180℃時(shí)，導(dǎo)致出銅溫度過(guò)低，在放銅過(guò)程中不斷傾轉(zhuǎn)爐體致使大量銅水冷卻凝固粘附在爐襯表面，影響單爐產(chǎn)量，降低銅直收率，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成吊運(yùn)放銅用的粗銅包具結(jié)死。此時(shí)應(yīng)采用高富氧率、低風(fēng)量，短時(shí)間內(nèi)將熔體溫度提升至1180℃以上，確保后續(xù)作業(yè)順利進(jìn)行；造銅末期溫度過(guò)高的弊端同樣不可忽視，當(dāng)末期溫度高于1200℃時(shí)，銅液表面溫度過(guò)高致使底渣（粗銅熔體表面浮有一層渣：由殘留在白銅锍中的鐵在造銅期繼續(xù)氧化形成渣以及造渣期末未放凈的渣所組成）過(guò)稀，即使采取壓渣處理（采用舟形料斗將石英石均勻地投入爐口內(nèi)部堰口周?chē)娜垠w表面上，小角度地前后傾轉(zhuǎn)爐體，使石英石與爐口處底渣混合固化，在爐體出銅口周?chē)纬梢坏罏V堤將底渣擋在爐內(nèi)），放銅時(shí)仍會(huì)夾帶大量過(guò)稀的底渣，致使粗銅品位降低、雜質(zhì)含量增加，影響粗銅品質(zhì)。出現(xiàn)此類(lèi)情況應(yīng)立即通過(guò)殘極加料機(jī)或直投方式，迅速向爐內(nèi)投入一批高純度含銅物料（含銅96%以上），將爐溫降低至1200℃以下，防止熔體溫度過(guò)高表面底渣過(guò)稀，借此可回收冷銅物料提高單爐產(chǎn)量，同時(shí)避免溫度過(guò)高造成不必要的能源浪費(fèi)。通過(guò)大量實(shí)踐證明：造銅末期溫度控制在1180～1200℃，不僅有利于出銅放銅操作，而且易得到高質(zhì)量的粗銅產(chǎn)品（品位在98.5%～99.5%）。見(jiàn)表5。

表5 造銅末期溫度統(tǒng)計(jì)情況

4 結(jié)語(yǔ)

大型轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉是一項(xiàng)十分成熟的冶煉技術(shù)，在傳統(tǒng)冶煉中，人的主觀經(jīng)驗(yàn)往往在整個(gè)冶煉過(guò)程中起著不可替代的作用。但隨著社會(huì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步革新，冶煉技術(shù)控制逐漸由人的主觀經(jīng)驗(yàn)判斷向現(xiàn)代科學(xué)儀器數(shù)據(jù)監(jiān)控轉(zhuǎn)移必然是整個(gè)行業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨。本文中首次總結(jié)出的造渣初期、中期及末期溫度分別控制在1110～1160℃、1150～1210℃和1195～1260℃以及造銅前期和末期溫度控制在1160～1210℃和1180～1200℃經(jīng)驗(yàn)，可作為提高爐齡及穩(wěn)定生產(chǎn)控制又一指標(biāo)。此次所有溫度數(shù)據(jù)主要來(lái)源于銅陵有色金冠銅業(yè)分公司對(duì)新設(shè)備、新技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作人員幾十年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)摸索總結(jié)出溫度控制對(duì)大型轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉的影響。