銅液溫度在銅精煉工序中的影響及控制措施

李昱民

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

江西銅業集團有限公司貴溪冶煉廠熔煉車間陽極爐工序日生產陽極銅2 600 t左右。主要工藝包括閃速爐熔煉、轉爐吹煉以及陽極爐精煉。閃速熔煉、轉爐吹煉均依靠自熱熔煉。陽極爐銅液溫度要通過燃料燃燒升溫來提高銅液溫度；到一定溫度后再進行氧化、還原作業；為保證陽極板質量和圓盤澆鑄的連續性，還原結束后銅液溫度需穩定在1 190℃左右。可見銅液溫度是銅精煉過程中的重要參數之一。

1 工藝現狀

陽極爐精煉工序為間斷性作業主要包括：加料、升溫、氧化、還原、圓盤澆鑄5個作業周期。正常情況下，轉爐吹煉好的粗銅溫度一般在1 150℃左右；粗銅通過行車吊運至陽極爐爐內的過程中銅液溫度損失在20℃左右；為保證圓盤澆鑄機澆鑄陽極板的連續性及陽極板質量；陽極爐精煉需氧化升溫至1 150℃左右再進行還原作業。

2 銅液溫度在生產過程中的影響

2.1 銅液溫度在銅精煉過程中的影響

轉爐粗銅加入陽極爐后即進行氧化作業，再進行還原作業。精煉好的陽極銅通過圓盤澆鑄機澆鑄成合格的陽極板，最后送電解精煉［1］。

2.1.1 氧化過程中銅液溫度的影響

粗銅氧化精煉的基本原理基于銅水中存在的大多數雜質對氧的親和力都大于銅對氧的親和力，且多數雜質的氧化物在銅水中的溶解度很小。其實質就是利用空氣中的氧鼓入銅熔體中使雜質除去，但熔體中銅占絕大多數，而雜質占極少數，故其氧化機理可認為銅首先發生氧化作用，其反應為式（1）。

所生成的氧化亞銅立即溶解于銅熔體中。Cu-O系狀態圖如圖1所示，從圖1可知，產出的氧化亞銅在銅熔體中的溶解度隨溫度升高而增加，見表1。

表1 氧化亞銅在銅液中的溶解度

由于熔體中雜質濃度小，直接與氧接觸的機會少，故雜質金屬直接氧化的反應（2）是可以忽略的。

因此，當銅液與鼓入空氣中的氧接觸時，金屬銅便首先按（1）式氧化成Cu2O，隨即熔于銅液中，隨著氧化過程的進行，熔體向四周擴散，使其它雜質金屬Me氧化，其實Cu2O就是起了一種傳遞氧的作用。故氧化精煉的基本反應為式（3）。

由于銅熔體中銅的濃度很大，且當雜質氧化時也不會發生多大變化，故可以認為銅的活α（Cu）≈1，所以反應（3）的平衡常數可寫為：

因為α［Me］＝γ［Me］×N［Me］，（γ［Me］為雜質Me的活度系數）。則殘留在銅水中的雜質極限濃度為：

由此可以看出：銅中殘留雜質的濃度與平衡常數成反比，因此雜質氧化是放熱反應，隨著溫度的升高，K值減小，則雜質濃度增大。同時，過高，熔體中飽和氧化亞銅亦多，造成渣含銅高，并使還原時間延長，故氧化精煉過程中的溫度不宜過高，一般在1 150℃此時銅中約飽和了8%的Cu2O。

2.1.2 還原過程中銅液溫度的影響

粗銅經氧化精煉后，從熔體銅中較完全地除出了二氧化硫和大部分雜質。但是銅液中仍還飽和了約8%的氧化亞銅。為了減少氧化亞銅的析出。應從熔銅中用碳氫物質除去大部分氧。因為銅中含氧量過多將使銅的性質變脆，延展性和導電性降低，因此必須進行氧化亞銅的還原作業。

精煉過程中采用的還原劑有木材、木碳粉、重油、天然氣、液氨、液化石油氣等。而該廠使用的還原劑為天然氣（即CH4）。上述還原劑均屬于碳、氫化合物。用碳氫物質從熔銅中脫氧的還原反應有：

H2在熔銅中的溶解有限，其平衡濃度可從式（9）平衡常數求出。

在1 150℃與1 083℃的K值分別為5×109和15×109

天然氣的主要成分是甲烷（CH4），具有強烈的還原作用。但甲烷是不能直接還原氧化亞銅的。當還原時，將甲烷由風管通入熔融銅中，一部分甲烷受熱分解成C和H2，另一部分甲烷以碳粒在爐膛的高溫中與O生成CO和H2，而這種CO和H2是主要的有效還原成分。還原反應如下：

氣體還原劑的利用率是很低的，通入銅液中的還原劑只有15% ～30%與銅液中的氧起作用，其余逸出液面后繼續燃燒，一方面維持還原階段的熱平衡，同時繼續在銅液面上與氣相進行還原反應。

還原有效成分CO和H2的生成量與天然氣的裂化程度有關，天然氣的蒸發效率差，在此過程中CO和H2生成量少，還原劑的利用率低。氫在銅水中的溶解度與溫度的關系如圖2所示。

圖2 氫在銅水中的溶解度與溫度的關系

由圖2可知，銅液溫度保持在1 150℃左右，氫的溶解度呈直線上升；還原天然氣的利用率最好。

2.2 銅液溫度對陽極板質量的影響

貴冶陽極爐精煉工序澆鑄期間銅水通過陽極爐爐體出銅口到活動溜槽再導流到中間包、澆鑄包銅水熱量不斷散失［2］，加劇了銅液溫度的下降。為保證圓盤澆鑄機澆鑄陽極板的連續性及陽極板質量；銅液溫度還原結束溫度一般控制在1 190～1 200℃。

陽極爐精煉工序圓盤澆鑄過程中如銅液溫度偏高、澆鑄用銅模容易粘結、陽極板脫模困難、圓盤澆鑄連續性差、廢品率高，加大了銅精煉成本。如銅液溫度低，銅水流動性也相應變差，中間包、澆鑄包易結冷態銅，導致陽極板單重不合格，澆鑄出來的陽極板飛邊毛刺多，銅液溫度低則須提高陽極爐燒油量。不但影響陽極板質量還加大了銅精煉成本。

通過生產實踐摸索，圓盤澆鑄時銅液溫度從陽極爐爐體出銅口到中間包銅液溫度變化規律見表2。

表2 圓盤澆鑄期間銅液溫度測點

實踐證明：中間包內銅液溫度達到1 140℃左右即可保證圓盤澆鑄陽極板的產品質量。陽極爐工序還原結束液銅溫控制在1 190～1 200℃，就是為了確保銅液導流到中間包時仍在1 140℃左右。

2.3 陽極爐爐體損耗情況

陽極爐爐體使用時間長短的主要因素為：冶煉參數控制和爐體砌筑質量。冶煉參數控制對爐壽命的影響，主要在爐內銅液溫度的變化，爐內負壓的波動，爐內氣流分布、熱負荷分布情況，產量等方面。爐內溫度的頻繁變化，是電熔再結合鎂鉻磚產生內部熱應力，從而斷裂的主要原因。

3 銅液溫度的生產控制措施

貴冶陽極爐精煉工序通過分析銅液溫度對工序生產的影響，摸索出適合本工藝的最佳銅液溫度，即氧化終點溫度控制在1 135～1 145℃，并將還原結束銅液溫度降低至1 180～1 190℃。并建立了降低銅液溫度的生產控制措施［3-4］。

3.1 降低氧化終點溫度，加強澆鑄期間銅液保溫措施

通過給固定溜槽擺放保溫耐火磚，以及投放保溫稻殼材料在活動溜槽內時蓋在銅液表面，來減小銅液在導流過程中熱量的散失。最終氧化終點溫度控制在1 135～1 145℃，既滿足了銅精煉過程氧化脫硫、還原精煉的最佳條件，也達到節能降耗的目的。采取保溫措施后圓盤澆鑄期間溫度測點見表3。

表3 采取保溫措施后圓盤澆鑄期間溫度測點

通過表3可以看出通過加強澆鑄期間銅液溫度的保溫措施后，中間包銅液溫度達到預期效果；降低銅液溫度后陽極板質量也可以得到保證。

3.2 制定聯合點檢制度，減少圓盤澆鑄機設備故障

圓盤澆鑄機正常澆鑄情況下，中間包銅液溫度需控制在1 140℃左右，如圓盤澆鑄機故障須單包澆鑄，銅水流量減半流速緩慢銅液熱量散失更快，無法保證正常澆鑄；此時工作人員應在固定溜槽點火烘烤，減少銅水熱量散失；單包作業時間長時陽極爐必須提高重油燒油量來提高爐內銅液溫度。

因此針對圓盤澆鑄機故障的問題，陽極爐工序制定設備點檢相關制度，查找潛在的故障隱患，減少突發的設備故障頻次，減輕對生產的影響。制定聯合點檢制度后圓盤澆鑄機故障統計見表4。

表4 陽極爐工序圓盤澆鑄機故障統計

3.3 建立車間數據信息化共享平臺

貴冶熔煉車間通過建立數據信息共享平臺，各工序含銅品位、銅液溫度以及粗銅含硫情況均可第一時間掌握，根據上工序數據及時調整工藝參數，加強了上下工序間信息的銜接；建立了陽極爐工藝參數及時調整規章制度。

按照閃速爐熔煉、轉爐吹煉節奏及時按照品位、時間、溫度建立信息共享機制。陽極爐精煉工序不但提高了生產工作效率，銅液溫度也穩定在工藝制定范圍內，對提高陽極爐爐齡也起到了關鍵作用。

4 實踐效果

4.1 提高了生產效率

通過對銅液溫度的摸索和實踐［5］，氧化終點溫度由以前的1 150℃降低至1 140℃；同步還原結束溫度由以前的1 190～1 200℃降低至1 180～1 190℃。溫度降低了10℃。氧化升溫作業時間縮短了近2 h，相應單爐次作業時間縮短了近2 h；提高了生產效率。

4.2 爐體使用壽命得到提高

通過降低出銅目標溫度并建立車間數據信息共享平臺后［6］，爐體端墻、氧化還原風口區、筒體以及出銅口外表溫度有明顯的下降。

出銅目標溫度的降低和信息共享平臺的建立，使爐內溫度更加穩定，降低了爐襯損耗，提高了爐體的使用壽命，為長作業周期，提供安全保證。

5 結束語

銅精煉工序銅液溫度是把雙刃劍，直接影響到陽極爐工序的產品質量和生產成本。熔煉車間陽極爐工序通過生產實踐，分析了銅液溫度在生產過程中影響，并建立了適合工序的銅液溫度控制措施。為陽極爐工序生產高效節能奠定了基礎，也為陽極爐長周期作業提供了安全保證。