頂吹爐處理高鎂銅精礦實踐

郭江，曠華，楊勇，岳雄

（云南錫業股份有限公司銅業分公司，云南 個舊 661017）

隨著全球銅資源的逐漸枯竭，國內銅冶煉企業產能卻不斷攀升，國內銅冶煉企業對優質銅精礦需求逐年增大，銅精礦供需平衡面臨著越來越大的挑戰，優質精礦出現了供不應求的現狀，且礦價極高，使銅冶煉加工企業生產成本上升，冶煉加工過程中利潤逐年被壓縮，冶煉企業盈利困難，甚至面臨虧損。因此，銅冶煉企業尋求處理價格相對較低的高雜銅精礦成為各冶煉廠利潤來源的主要增長點。

云錫銅業采用世界先進的富氧頂吹熔池熔煉工藝[1]，該工藝具有對原料適應性強、脫雜能力高等特點，對處理高雜銅精礦具有一定優勢。自2019年以來公司為拓寬原料來源，尋求新的盈利增長點，嘗試用頂吹爐處理高鎂銅精礦，生產高品位冰銅，取得了良好的經濟效益。本文結合此次處理高鎂銅精礦生產實踐，對生產過程中頂吹熔煉系統出現的問題進行簡要分析，并以運行中出現的問題為導向，提出相應的工藝優化解決措施。

1 頂吹爐處理高鎂銅精礦原料成分

云錫銅業富氧頂吹爐處理的銅精礦成分如表1所示，從表中可以看出，頂吹熔煉爐處理的精礦含銅相對較低，含鐵、含硫和有害雜質鋅、鉛較高，精礦中二氧化硅、MgO極高，是典型的高雜難處理物料，且從表中可知，頂吹熔煉系統中MgO的主要來源于銅精礦，少部分來源于吹煉產出的吹煉渣。

表1 頂吹熔煉爐物料成分化驗結果表/%

2 MgO在頂吹熔煉過程中的走向

在頂吹熔煉爐處理高鎂銅精礦過程中，通過對熔煉產物爐渣、冰銅和熔煉煙塵進行化驗分析如表2所示，從表2中可以看出熔煉過程中MgO在爐渣中分布比率較大，冰銅和熔煉塵中分布極少，故MgO主要進入渣中，從熔煉爐渣中開路除去。

表2 頂吹熔煉系統產物中MgO含量分析表/%

3 頂吹爐處理高鎂銅精礦對熔煉系統的影響

頂吹爐在處理銅精礦造锍熔煉過程中，MgO含量超過一定范圍時，將致使熔煉爐爐渣熔點升高，爐渣黏度增大，流動性變差[2]；混合熔體溜槽粘結嚴重，熔體排放不暢；沉降電爐橫膈膜增厚，凍結層升高，渣含銅損失加大等現象發生，影響整個熔煉系統的穩定和冶煉過程中各項經濟指標的控制。

3.1 MgO對渣型、渣熔點的影響

頂吹爐在處理高鎂銅精礦時，由于MgO屬于高熔點雜質，其熔點為2800℃，在銅精礦造锍熔煉過程中，MgO很難揮發從煙塵除去，而存在于爐渣中，且爐渣中的MgO含量較高時，混合熔體中的鎂會與鐵和SiO2反應，形成鐵鎂橄欖石[3]（Fe、Mg）2SiO4，造成爐渣熔點升高、流動性降低、黏度增大、熔渣有“泡沫化”現象發生；排放時，因爐渣黏度增大，流動性差，高溫混合熔體對溜槽粘結嚴重，致使熔體排放不暢，嚴重時常導致熔體溢槽，使銅精礦冶煉被迫中斷。表3為實踐中處理高鎂銅精礦時MgO含量對爐渣成分和性能的影響統計表，從表3中可看出，渣中MgO含量越高，熔煉堰口混合熔體正常流淌所需溫度越高，渣中MgO含量每升高0.6個百分點，混合熔體溫度就需要升高12℃～15℃才能維持堰口熔體正常排放需要。此外，從表3還可知，隨著爐渣中MgO含量由1.5%增至2.5%時，爐渣中的銅損失有所降低，而當MgO高于2.5%時，爐渣中的銅損失急劇升高，爐渣熔點也急劇上升，爐渣粘稠度增大，且熔渣出現“泡沫化”現象，爐渣流動性越來越差，排放溜槽粘結較為嚴重。

表3 MgO含量對爐渣成分和性能的影響/%

3.2 MgO對爐頂結焦的影響

銅精礦在富氧頂吹爐熔煉過程中，由于其精礦MgO含量相對較高，MgO在造锍熔煉時，會與加入的溶劑（SiO2）反應生成十分難溶的二度硅酸鹽（2MgO·SiO2）和鐵鎂橄欖石，與精礦中Al2O3反應生成高熔點的鎂鋁尖晶石，這些高熔點難容的物質將致使混合熔體熔點升高，爐渣渣型惡化、流動性變差，物料反應產生的氣體很難從熔體中溢出，致使熔池被迫升高，爐渣噴濺頻繁，爐頂結焦嚴重；并且由于反應中生成了高熔點難溶的2MgO·SiO2、鐵鎂橄欖石和鎂鋁尖晶石，混合熔體在流經頂吹爐虹吸堰口[4]時受到堰口銅水套的冷卻作用后，熔體中高熔點的2MgO·SiO2、游離的MgO和鎂鋁尖晶石將會部分析出，增加混合熔體的黏度，并在堰口銅水套的強力冷卻作用下，附著于堰口排放通道的襯磚上，使通道變小，熔體流經堰口通道速度減緩，從而造成爐內熔池逐漸升高，爐體搖擺加劇，爐內熔體噴濺頻繁，加快爐頂結渣結焦速度。

3.3 MgO對沉降電爐的影響

頂吹爐熔煉產出的混合熔體通過水冷銅溜槽流入沉降電爐進行冰銅和爐渣沉降分離。在頂吹熔煉高鎂銅精礦時，由于熔煉過程中渣中形成了高熔點的鐵鎂橄欖石和鎂鋁尖晶石，以及游離的未反應的MgO，將致使爐渣粘稠度增加，在沉降電爐內形成了一層密度值介于爐渣和冰銅之間的黏渣層—俗稱橫膈膜[5]。由于黏渣層密度大于上層的爐渣，且黏度大，常造成渣-锍分離困難，爐渣渣含銅升高，金屬回收率低，并且爐渣中的MgO及產生的高熔點物質會在沉降電爐溫度相對較低的爐底和側爐壁形成爐結，致使電爐有效容積縮小。圖1為生產過程中MgO對沉降電爐黏渣層高度、凍結層和電爐渣渣含銅的影響統計數據圖，表4為電爐樣釬黏渣成分分析表，從圖1和表4中從表中可看出，黏渣層中MgO含量遠遠高于上層爐渣，MgO在電爐沉降分離過程中出現沉降富集，是形成電爐橫膈膜的主要原因之一，并且電爐渣中MgO含量越高，電爐黏渣層、凍結層厚度越高，電爐渣含銅損失也越大。

圖1 MgO與電爐黏渣、凍結層和渣含銅關系圖

表4 沉降電爐黏渣成分分析表/%

3.4 MgO對爐況操控的影響

頂吹熔煉爐處理高鎂銅精礦時，由于高熔點雜質MgO的帶入并參與造渣反應，打破了原有的爐內平衡，而反應中生成的鐵鎂橄欖石等高熔點物質，造成爐渣熔點升高，渣型惡化，熔體流動性變差，排放堰口出現爐渣“泡沫化”，溜槽粘結嚴重等現象，致使操控頂吹爐難度陡增，維護混合熔體溜槽工作艱巨。處理高鎂礦過程中，因爐渣渣型惡化，爐渣透氣性變差，爐內熔池逐漸升高，常造成爐體搖擺加劇，噴槍背壓異常，噴槍擺動頻率升高，爐內熔體噴濺頻繁，煙氣溢散嚴重等問題出現，造成作業環境惡化，附屬設備故障率極高，特別是直升煙道過渡段和爐頂冷卻水管常因爐體搖擺，造成管路頻繁通漏。

表5 SiO2對渣中MgO的影響/%

4 頂吹爐處理高鎂銅精礦的工藝優化

針對頂吹爐處理高鎂銅精礦過程中出現的問題，通過查其原因，對物料配比和過程控制中工藝參數的優化，可有效保證銅精礦處理過程中熔煉系統的平穩正常。

4.1 加強物料管理力度，合理搭配高鎂礦

頂吹熔煉爐正常生產過程中，加強物料管理力度，從嚴從實管理物料搭配和圓盤制粒。物料搭配時，應確保入爐混合銅精礦Cu/S在0.8-1.0之間，科學合理搭配高雜高鎂精礦和高純進口銅精礦的配比，控制入爐銅精礦MgO雜質總含量不大于2%，Zn、Pb、As等雜質總量不大于5%，控制入爐精礦Al2O3含量不大于1.5%，減少MgO和Al2O3反應生成高熔點的鎂鋁尖晶石，增加爐渣熔點；合理配比吹煉爐渣，以減少雜質MgO的帶入量，從而減少MgO對熔煉過程中爐渣熔點和渣型的影響。

4.2 加強冶煉過程控制，優化工藝參數

云錫銅業處理高鎂、高雜質銅精礦實踐中，通過加強冶煉過程控制，不斷優化原料配比，優化工藝參數控制和經濟指標，可以保證熔煉系統的正常。在實踐中，當爐渣中MgO含量超過2%～2.5%時，爐渣黏度增大，渣含銅升高，生產中應加大熔劑SiO2的補入，使MgO與SiO2造渣除去，而不至于呈游離狀態析出MgO（熔點：2800℃）和生成鎂橄欖石增加爐渣熔點。因此，云錫銅業在頂吹爐處理高鎂銅精礦實踐過程中，通過不斷摸索完善將爐渣Fe/SiO2控制在1.0-1.2之間，渣中CaO為3.5%～4.5%，混合熔體溫度控制在1220℃～1250℃，可以有效解決混合熔體流淌過程中出現的溜槽粘結和爐渣“泡沫”現象；控制冰銅品位為55%～58%可以有效降低電爐黏渣層高度，有利于銅渣分離。表5為生產實踐中爐渣SiO2對渣中MgO的影響統計表。

4.3 合理控制噴槍對熔池的攪拌力度

在熔煉過程中，當噴槍插入熔池約100mm左右，噴濺強烈程度大于噴槍插入熔池200mm～300mm，噴槍插入熔池深度超過300mm后，熔體噴濺明顯減弱，但噴槍插入越深噴槍頭燒損越快。其次，噴槍風量增大，噴槍對熔池攪拌更充分，物料反應激烈，當噴槍風量超過19000Nm3/h，不利于MgO的造渣，反而致使爐渣噴濺強烈，爐渣噴濺頻次升高，爐頂結渣生成速率加快。因此，結合實踐經驗，云錫銅業頂吹熔煉爐最佳的噴槍插入熔池深度為150mm～200mm，噴槍風量控制在16500Nm3/h，噴槍富氧率為53%～60%，在滿足熔煉爐正常生產的同時，可以有效的促進噴槍對熔池的攪拌力度，利于MgO的造渣除去，有效的減小噴槍對熔體產生的動能，降低熔體的噴濺高度，從而降低爐頂和過渡段結焦。

4.4 優化電爐工藝控制，加強對黏渣層的還原力度

實踐中，沉降電爐渣溫控制在1270℃～1290℃，冰銅溫度1220℃～1240℃之間，可以有效控制電爐渣的銅損失和沉降電爐黏渣層的高度，保證熔煉系統的平穩正常。若沉降電爐中局部橫膈膜增厚時，可以從電爐爐頂觀察孔適當加入石英石，并用生鐵塊或鐵釬對黏渣層進行晃動還原，使黏渣層中的Fe3O4還原為FeO，石英石與渣中MgO和還原的FeO分別造渣除去，從而減少電爐橫膈膜的形成。

5 結語

（1）頂吹爐處理的高雜銅精礦，其MgO主要來源于精礦和吹煉渣中，而MgO的開路途徑主要是隨沉降電爐爐渣開路排出。

（2）頂吹爐處理高鎂銅精礦實踐過程中，爐渣中的MgO含量對熔煉爐銅渣的熔點具有重要影響，爐渣中的MgO含量每升高0.6個百分點，實踐中爐渣熔點將會升高12℃～15℃，且爐渣中的MgO含量會致使爐渣熔點升高、流動性降低、黏度增大、熔渣有“泡沫”現象發生。

（3）生產實踐過程中，通過精準配料，確保入爐物料MgO含量不高于2%，在冶煉過程控制時，加大石英石的補入，控制Fe/SiO2在1.0-1.2之間，渣中CaO為3.5%～4.5%，混合熔體溫度在1220℃～1250℃，精確控制噴槍攪動力度，提高噴槍富氧率，可以有效保證熔煉爐在處理高鎂銅精礦時熔煉系統的穩定和安全生產。

（4）優化沉降電爐排渣、排銅工藝控制，適當提高渣溫和銅溫，加強對電爐黏渣層的還原力度，可以有效降低因MgO形成的橫膈膜。