頂吹爐熔煉生產高品位冰銅探索及實踐

趙 璧，李汝云，任永專，葸 軍

（涼山礦業股份有限公司，四川 會理 615141）

國際國內使用頂吹熔池熔煉搭配PS轉爐吹煉工藝較多，艾薩爐頂吹熔池熔煉技術，充分利用了精礦中的硫、鐵氧化放出的熱量進行熔煉，生產冰銅。但低品位冰銅生產不能有效利用銅精礦自熱，生產能耗較高，對標銅冶煉行業，不能達到《銅冶煉行業規范條件》標準，通過理論研究及探索，艾薩熔池熔煉冰銅品位一步提升至70%以上白冰銅。轉爐一次進料直接進行二周期生產，完成冰銅的吹煉產出粗銅，提出艾薩高品位熔煉的工藝技術方案，為后續生產改造提供一定技術理論支撐。

1 不同熔煉技術高品位生產對比

1.1 閃速熔煉

閃速熔煉是將經過深度脫水（含水小于0.3%）的粉狀精礦，在噴嘴中與空氣或氧氣混合后，以高速度（60～70m/s）從反應塔頂部噴入高溫的反應塔內。精礦顆粒被氣體包圍，處于懸浮狀態，在2s～3s內就基本上完成了硫化物的分解、氧化和熔化等過程。熔融硫化物和氧化物的混合熔體落下到反應塔底部的沉淀池中匯集起來，繼續完成冰銅與爐渣最終形成過程，在爐內完成沉清分離，爐渣排放采用爐渣溢流排放模式，渣層厚度相對固定。爐料與氣體密切接觸，在懸浮狀態下與氣相進行傳熱和傳質；產出高品位冰銅（75%）。

1.2 金峰爐熔池熔煉

金峰側吹是通過側吹槍把富氧空氣強制鼓入熔池，液-氣流卷流運動裹攜著從熔池面浸沒下來的爐料，形成了液-氣-固三相流，在三相流內發生劇烈的氧化脫硫與造渣反應，使三相流區成為熱量集中的高溫區域，高溫與反應產生的氣體又加劇了三相流的形成與攪動。依靠三相卷流，實現熔池內的傳質、傳熱與物理化學過程，在爐內完成沉清分離，爐渣排放采用爐渣溢流排放模式，渣層厚度相對固定。同時產出高品位冰銅（75%）。

1.3 底吹爐熔池熔煉

底吹爐熔煉是通過底吹槍把富氧空氣強制鼓入熔池，液-氣流卷流運動裹攜著從熔池面浸沒下來的爐料，形成了液-氣-固三相流，在三相流內發生劇烈的氧化脫硫與造渣反應，使三相流區成為熱量集中的高溫區域，高溫與反應產生的氣體又加劇了三相流的形成與攪動。

依靠三相卷流，實現熔池內的傳質、傳熱與物理化學過程，在爐內完成沉清分離，爐渣排放采用爐渣溢流排放模式，渣層厚度相對固定。氧氣主要進入冰銅相，同時產出高品位冰銅（75%）。

1.4 頂吹熔池熔煉

艾薩熔煉是富氧頂吹浸沒熔池熔煉法，通過噴槍把富氧空氣強制鼓入熔池，液-氣流卷流運動裹攜著從熔池面浸沒下來的爐料，形成了液-氣-固三相流，在三相流內發生劇烈的氧化脫硫與造渣反應，反應產生的氣體加劇了三相流的形成與攪動，為反應提供動力學條件，從而產出高品位冰銅（60%）。

2 頂吹熔煉生產高品位理論探討

2.1 熱力學探討

現代造锍熔煉是在1150℃～1250℃的高溫下，使硫化銅精礦和熔劑在熔煉爐內進行熔煉。爐料中的銅、硫與未氧化的鐵形成液態銅锍。這種銅锍是以FeS-Cu2S為主,并溶有Au、Ag等貴金屬及少量其他金屬硫化物的共熔體。爐料中的SiO2，Al2O3，CaO等成分與FeO一起形成液態爐渣。

表1 造渣反應吉布斯自由能反應情況表

正常的熔煉作業中，要求固體磁性氧化鐵（Fe3O4）不從爐渣中析出。當冰銅品位超過70%，爐渣中磁性鐵快速升高，富氧空氣與爐渣的反應降低，影響熔煉反應進行。當爐氣的氧分壓超過大約10-8-10-6，SiO2飽和時，固體磁性氧化鐵就會析出與液相成平衡。在大多數熔煉爐內，氣氛中含有大約10%的氧（即Po2大約為10-2大氣壓），具備了在渣－氣界面上析出固體Fe3O4，由于FeS含量較低后，析出磁性鐵不易被還原，在爐內形成較大影響。

2.2 動力學探討

當冰銅品位升高到70%以上時，冰銅中FeS含量下降造成渣中Fe3O4升高，磁性鐵比重相對較大，底部爐渣攪動條件差造成底部爐渣局部磁性鐵增加，噴槍攪動不滿足爐內的動力性能。爐渣熔點、粘度等物理性質相比冰銅較差，渣型、溫度波動容易造成熔煉反應區動力學條件惡化，氣液接觸過程容易產出大氣泡，降低熔煉反應速率。噴槍在為熔煉反應提供氧氣的同時，還為爐內反應提供動力條件，促進物料運動和物質交換，但冰銅品位升高后，爐內冰銅流動性變差，爐渣變粘，僅水平攪動不滿足反應的動力條件，在生產中出現熔劑SiO2與爐渣中的Fe3O4分層的情況，SiO2熔劑熔點為1650℃，Fe3O4熔點為1597℃，兩層半熔體浮于熔體上層，阻礙熔體下部氣體的逸出。爐渣粘度較大，噴槍端壓升高，插入深度降低，進而反應變差，熔煉過程穩定性降低。頂吹噴槍對爐底攪動不足，高品位生產時高槍位條件下磁性鐵富集在冰銅與上層反應區之間，高品位冰銅流動性低，造成艾薩排放不順暢。

3 生產實踐

2019年12月20日至12月30日期間，我公司開展了為期11天的“1+1+1生產組織優化”工業試驗，試驗期間，整個生產流程基本穩定運行，但部分工藝控制指標發生了較大變動。艾薩爐工藝控制指標如下。

表2 試驗期間各項參數對比情況

圖1 冰銅品位及磁性體變化情況

3.1 噴槍控制指標

噴槍槍位：0.5m～1.4m控制，減少磁性鐵在熔池下部富集導致熔池發泡，控制相對低的熔池液位保證下部反應動力學條件，生產期間仍然存在槍位上漲較快的情況，漲熔池從0.6m至1.4m速度最快可達13min。端壓：12kpa～30kpa，初期噴槍端壓使用12kpa，控制過程中燒油量較大，后期因噴槍燒損，端壓帽脫落，端壓控制27kpa，參照背壓控制，背壓值控制在0.045Mpa～0.054Mpa左右。富氧濃度：本次試驗使用直徑400mm噴槍，為保證噴槍冷卻效果，噴槍流量控制在7.3Nm3/S～7.4Nm3/S，即工藝風使用14000NM3/h,氧氣根據排放情況及生產節奏情況調整料量，富氧濃度控制在56%～62%。噴槍負載：試驗后期，噴槍結渣情況較為嚴重，負載最高到220KN，低槍位時噴槍擺動劇烈。

3.2 爐內指標控制參數變化

冰銅品位：目標值71%，波動范圍：66%～76%，艾薩渣型控制穩定后，品位波動相對較小。磁性鐵：初期磁性鐵10%～12%控制，出現排放口有半熔體，排放困難，使用燃油改變渣型和提溫，排放困難情況有所好轉。提高一次配煤后，排放口出現半熔體情況減少，磁性鐵在7%～8%。試驗期間最高磁性鐵26%，最低4.05%。渣型：硅鐵比0.88～1.0范圍。溫度控制：未進行“1+1+1”高品位試驗，艾薩溫控中心為1155℃，高品位生產期間溫控中心為1190℃，實測冰銅溫度1190℃左右，渣溫1200℃左右。因排放困難最高操作溫度為1216℃。爐殼溫度熔池區域變化不大，五樓阻濺上方因結渣爐殼溫度有下降，其他方位略有上漲，六樓溫度上漲8℃～10℃。

4 結論

頂吹熔池熔煉具備生產出高品位冰銅的能力，同時生產過程也反映出爐內反應效率低，動力學條件不好，噴槍擺動較大，噴槍壽命短等問題。需要持續開展頂吹熔池熔煉生產高品位冰銅后續必須要解決幾個問題，高品位生產為了保證熔煉正常進行，提高熔煉溫度至1250℃以上進行，高渣型下形成的酸性渣以及保持較高的熔池溫度會對艾薩爐磚形成較大的損傷，后期可考慮在艾薩爐反應區增設水套，對爐墻進行冷卻，利于爐墻掛渣護爐。目前為了控制磁性鐵含量采用高鐵硅比進行生產，由于渣量增加，浮選尾礦含銅上升問題，造成金屬回收率下降，后期高品位生產中，實現連續放渣，可采用低渣型，高Fe3O4控制，減少渣量。排放控制富氧條件下勢必會造成爐渣中Fe3O4含量升高，可考慮在艾薩爐上增設溢流口，使得產出的爐渣及時溢出，實現薄渣層操作，達到連續性排放需求為防止未反應完的物料隨熔體排出，需在爐外設計圍堰，利用連通器原理，實現連續性生產及排放需求。為了減少磁性鐵析出對熔煉反應過程的影響，可增加用CaO使用，采用高鈣渣（CaO達到20%），即使在氧分壓大的情況下也不會出現磁性氧化鐵的析出。

綜上所述，頂吹熔煉爐生產高品位冰銅具有理論可行性和實踐可行性，在工業連續生產中，從保證爐磚壽命情況下提高熔煉問題、增加噴槍端壓增大動力學條件、增加爐渣氧化鈣含量減少磁性鐵析出、改造圍堰排放等方式進一步探索。