铜冶炼炉渣缓冷技术研究与生产实践

王国红

(江西铜业集团公司贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424)

1 引言

铜冶炼炉渣处理方式目前主要有电炉贫化和渣选矿两种［1-3］。电炉贫化弃渣含铜高，能耗高，环境污染严重。采用渣选矿处理铜冶炼炉渣，虽然渣缓冷场占地面积大，基建投资较高，但渣选矿法铜回收率较高，选矿尾渣含铜可以控制在0.30%以内，有利于提高铜的回收率，并且渣选矿法金银回收率较高，能耗低。渣选法既能提高冶炼厂总铜回收率，又可以提高冶炼炉对原料的适应性。

渣选矿较自然矿石选矿多一道炉渣缓冷工序，这也是渣选矿与自然矿石选矿最大差别之处。铜冶炼炉渣实际是一种人造矿石，这种矿石中的铜矿物颗粒与相组成取决于炉渣冷却速度［4］，在相变温度(1080℃)以上缓慢冷却铜矿物颗粒会集聚长大，炉渣中的铜之所以能够通过浮选富集到精矿中(生产实践上称为渣精矿)，是因为炉渣在冷却过程中形成了能够机械分离的铜矿物颗粒，借助它们在表面物理化学性质上与其它造渣物的差异而实现分离。炉渣中铜矿物的结晶粒度大小和炉渣的冷却速度密切相关，而粒度大小决定了选别方法和选别效果，所以炉渣的冷却速度是决定浮选效果的主要条件，甚至比炉渣的组成更为重要［5］。

2 缓冷工艺

2.1 铜冶炼炉渣缓工艺

熔炼系统产的炉渣通过排渣溜槽排入渣包中，渣包装好炉渣后，用专用运输车辆将热渣包运输到渣包缓冷场，放置在渣包位进行自然缓冷，自然缓冷一定时间后，开冷却水进行水冷，当渣包中炉渣完全冷却后，再用渣包车运输到渣场翻包处进行翻包作业，翻出炉渣后的空渣包再用运输车辆运输到熔炼系统排渣处进行下一轮作业。自然缓冷时间和水冷时间之和称为缓冷时间。

为节约水资源和避免污染环境，炉渣水冷过程和翻包作业产生的水统一收集后循环使用。由于高温炉渣水冷过程中会蒸发大量的水，缓冷过程中需要补加新水。为减少冶炼厂水消耗，生产实践中一般将铜酸系统处理后的废水作为炉渣缓冷补加水。

2.2 铜冶炼炉渣缓冷用渣包

国内铜冶炼炉渣缓冷用渣包规格主要有11m3和12m3两种，类型主要有铸造渣包和焊接渣包两种，渣包底部设计有平底和带腿两种。渣包上部设计有带翻转渣包用的凸台和没有凸台两种。目前应用最为广泛的是带腿的铸造渣包，焊接渣包2011年才开始在大冶有色金属有限公司冶炼厂少量试用。

2.3 渣包运输车辆

渣包运输车辆有火车和渣包车两种，国内除大冶有色金属有限公司冶炼厂奥斯麦特炉冶炼炉渣采用火车和渣包车联合运输外，其它铜冶炼厂均采用渣包车运输渣包。

渣包车主要有美国KRESS P-160CSE、瑞典GIA K350SH60和长沙凯瑞重工三种，三种渣包车均可以用于11m3有凸台的渣包运输和翻包作业，但美国KRESS P-160CSE不可以用于11m3没有凸台的渣包翻包作业，只有美国KRESS P-160CSE可以用于12m3有凸台的渣包运输和翻包作业。

3 技术研究

铜冶炼炉渣缓冷生产实践中，为保证渣包运输安全，渣包一般按有效容积80%装渣，渣包在装入热渣后，炉渣会很快将热能传递到渣包壁，渣包壁强度会随渣包壁温度升高而降低，因此渣包装入热渣后要尽快运输到渣缓冷场，以免渣包在运输过程中发生变形。

3.1 主要问题

(1)炉渣在缓冷过程中，从渣包中突然大量飞溅，并且发出较大声响，如同发生爆炸，生产实践中称为渣包缓冷放炮。炉渣在翻包过程中，炉渣脱离渣包后突然大量飞溅，并且发出较大声响，如同发生爆炸，生产实践中称为渣包翻包放炮。渣包缓冷放炮和渣包翻包放炮生产实践中统称为渣包放炮。渣包放炮时产生的强大气流和飞溅的出的炉渣，会严重损坏周围设备和设施，威胁在炉渣飞溅范围内作业人员的人身安全。

(2)翻出炉渣没有完全冷却，存在发红的高温炉渣或液态炉渣，生产实践中称为红包。存在液态炉渣的红包与大量水接触会发生渣包翻包放炮;刚翻出红包如果直接加入破碎系统，会损坏破碎系统运输皮带。

(3)炉渣从渣包中翻出后，没有破碎，形成一个类似渣包形状的炉渣体，生产实践中称为整包，如果只有部分没有破碎(一般占炉渣体积1/3以上)，则称为半包。整包和半包一般内部都没有完全冷却成固体，如果刚翻出的整包或半包立即用捶打机破碎，内部一般有液态炉渣流出，液态炉渣遇水飞溅，可能损坏周边设备和设施，威胁在炉渣飞溅范围内作业人员的人身安全。

(4)翻包作业中，炉渣粘附在渣包内壁，不能自动从渣包中脱落，生产实践中称为粘包。一般情况下是少量炉渣粘附在渣包底部，有时也会发生整包渣粘附在渣包中。粘包会减少渣包使用过程中有效容积，降低渣包有效利用率。

(5)翻出的半包或整包含铜品位在20% ～40%，颜色呈暗红色，生产实践中称为包底铜。翻出的半包或整包含铜品位在65% ～80%，颜色呈灰白色，生产实践中称为白铍。刚翻出的白铍用捶打机不易破碎，一般需要放置15d以后才可以破碎。包底铜、白铍如果进入浮选流程，会严重影响浮选尾矿含铜品位，造成铜金属流失。翻出的半包或整包含铜品位在85%以上，颜色呈红色，表面有金属铜光泽，生产实践中称为翻出纯铜包底。捶打机无法破碎纯铜包底，纯铜包底一旦进入破碎或磨矿流程，会造成设备损坏或漏斗堵塞。

3.2 原因分析及技术措施

(1)导致渣包放炮主要原因有炉渣性质不好、装不同炉渣的渣包混用和未冷却成固体的液态炉渣接触到大量水三个方面。

①炉渣性质不好导致渣包放炮一般飞溅出的炉渣量和直径都较大，危害性较大。其发生时间主要集中在两个阶段，第一个阶段是自然缓冷结束后开冷却水12h内，第二个阶段是翻包作业。炉渣性质不好导致渣包放炮原因较为复杂，相关研究较少，一般认为炉渣缓冷过程中，渣性不好的炉渣在渣包内存在继续反应可能，炉渣中的氧化物(Cu2O、PbO等)与冰铜(Cu2SO、FeS)发生反应，产生SO2气体，造成渣包内部压力升高。

如果炉渣中存在大量氧化物(Cu2O、PbO等)与冰铜(Cu2SO、FeS)反应，渣包放炮一般发生在第一阶段，原因可能为水冷过程中，已冷却成固体的炉渣会从表面向下产生裂缝，当裂缝达到一定程度时，渣包内部压力会导致裂缝迅速扩大，产生高温高压气流在瞬间释放能量的现象(爆炸)，高压气流和爆炸产生的冲击波导致渣包内大量固体炉渣和少量液态炉渣从渣包中向外飞溅，发生渣包第一次放炮。由于此阶段为在炉渣水冷阶段，表面固体炉渣飞溅后，大量冷却水会直接接触渣包内液态炉渣，在急速汽化膨胀同时，水与炉渣中冰铜还会发生反应［6］:

由于渣包是敞口与大气相通，生成的可燃气体H2S和H2还会和空气中的氧气发生反应:

以上为放热、增容反应，在高温状况下反应速度极快，由于反应剧烈，释放热能的速度极快;由于渣包是一个半封闭容器，汽化膨胀和反应中瞬间产生的高压气体来不及扩散，就会产生巨大的压力，当这种压力使气体以极快的速度扩散时，就会产生高温高压气流在瞬间释放能量的现象(爆炸)。高压气流和爆炸产生的冲击波导致渣包内大量液态炉渣和少量固体炉渣向外飞溅，发生渣包二次放炮(与第一次渣包放炮时间间隔一般在10s内)。渣包发生二次放炮后，虽然水会炉渣内冰铜会继续反应，但由于渣包内炉渣量较少，汽化膨胀和反应产生的气体会较少，能够得到及时扩散，因此渣包一般不会再放生放炮(极少情况下会发生第三次放炮)。

如果炉渣中存在少量氧化物(Cu2O、PbO等)与冰铜(Cu2SO、FeS)反应，渣包放炮一般发生在第二阶段，原因可能为渣包内SO2气体较少，水冷过程中，已冷却成固体的炉渣虽然会从表面向下产生裂缝，但渣包内压力不能使裂缝扩大至SO2气体所在区域，SO2气体不能从渣包内释放，同时由于裂缝没有扩大到液态炉渣区域，水也不能沿裂缝进入渣包内部与液态炉渣接触，因此炉渣在水冷过程中没有发生放炮。翻包作业时，炉渣从渣包中脱落瞬间，炉渣表面裂缝在表面张力作用下迅速扩大至SO2气体所在区域，产生高温高压气流在瞬间释放能量的现象(爆炸)，高压气流和爆炸产生的冲击波导致大量固体炉渣飞溅，发生渣包翻包放炮。

②装不同炉渣的渣包混用导致渣包放炮一般发生在装氧化渣的渣包与装还原渣的渣包混用时。由于渣包使用过程中会存在粘包现象，少量的粘包可以缓冲接渣时液态炉渣对渣包本体的冲涮，生产实践中一般不处理少量粘包，这样如果用存在粘包的装氧化渣渣包去装还原渣或者用装还原渣的渣包去装氧化渣，就可能发生氧化渣与还原渣在渣包内反应，导致渣包放炮。其反应机理与炉渣性质不好导致渣包放炮相同，发生时间段和现象也基本相同。

③未冷却成固体的液态炉渣接触到大量水导致渣包放炮主要发生在两个阶段，第一个阶段是自然缓冷结束后开冷却水1h内。炉渣自然缓冷结束后，渣包中炉渣表面会冷却成固体，进行水冷时，已冷却成固体的炉渣会从表面向下产生裂缝，正常情况下裂缝不会延伸到与液态炉渣接触的深度，但如果自然缓冷时间不够，形成炉渣固体厚度较薄，裂缝延伸到液态炉渣区域，水沿裂缝进入渣包内部与液态炉渣接触，在急速汽化膨胀同时，水与炉渣中冰铜还会发生反应，导致渣包缓冷放炮。第二个阶段是翻包作业。翻包作业时，存在液态炉渣的红包与大量水接触会发生渣包翻包放炮。

消除渣包放炮主要措施:

①熔炼系统要维护要炉况，避免炉渣中夹带冰铜。

②避免装氧化渣的渣包与装还原渣的渣包混用。特殊情况下需要混用时，在混用前一定要将渣包中的粘包清理干净。

③保证足够的自然缓冷时间。生产中根据炉渣性质，要在炉渣自然缓冷到足够时间才能开水冷却。

④保证翻包时炉渣全部冷却成固体，避免翻出有液态炉渣的红包。生产实践中一般通过检测渣包外壁温度判断炉渣是否全部冷却成固体。

⑤维护好翻包点，保证翻包点不会积水，翻包作业分两个阶段进行，第一阶段将渣包翻转到一定角度 (渣包中的水能流出，但炉渣不会从渣包中脱落)，停留一段时间，让渣包中水全部流出，然后进行第二阶段作业，继续翻转渣包让炉渣从渣包中脱落。

(2)翻出红包直接原因是渣包缓冷时间不够。由于冶炼厂渣包都是循环使用，为满足冶炼系统生产要求，渣包缓冷时间一般会随冶炼系统排渣量增加而减少。熔炼系统炉况和原料组成会影响炉渣性质，而炉渣性质对缓冷速度有影响，因此熔炼炉况不好或原料不好也可能导致翻出红包。炉渣水冷过程中，冷却水温度和水质都会影响炉渣缓冷速度，是导致翻红包的另一原因。

消除翻出红包主要措施:

①熔炼系统减少投料量。熔炼投料量减少时排渣量就会减少，在渣包数量相同情况下，渣包缓冷时间就会延长，但这样会增加熔炼系统生产成本，并且会影响冶炼厂阳极铜产量，生产实践中只有在其它措施不能解决问题时才会采用。

②维护好熔炼系统炉况。炉况对铜冶炼至关重要，炉况直接决定炉渣性质，炉况好时炉渣一般比较好冷却，炉况差时炉渣中容易夹带有冰铜或未反应完全的精矿，炉渣冷却较慢。维护好炉况是消除红包最有效措施之一，但影响炉况因素非常多，如闪速熔炼炉况管理受炉型、原料成分、生产规模、技术指标要求、能源种类、富氧浓度、设备性能、生产经验及上下游工艺与设备等方面影响［7］，生产实践炉况有时会较差，虽然熔炼系统会积极采取措施，但一般需要一定时间才能使炉况转好。

③增加渣包数量。在熔炼系统排渣量不变情况下，增加渣包数量可以延长渣包缓冷时间。但增加渣包数量需要扩建渣包缓冷场，基建投资大，建设周期长，并且购买渣包费用也非常高。

④增加水冷时冷却水量。炉渣在水冷阶段，冷却水量越大，带走炉渣热量就越快，炉渣冷却速度也就越快。

⑤降低水冷时冷却水温度。炉渣在水冷阶段，冷却水温度越低，带走炉渣热量就越快，炉渣冷却速度也就越快。降低冷却水温度主要途径有使用清水和在冷却水循环使用过程中增加冷却塔对冷却水进行冷却。

⑥提高冷却水质。炉渣水冷过程中，冷却水中的固体颗粒和盐类物质都会附着在炉渣表面，影响炉渣热量被水带走，减缓炉渣冷却速度。

(3)翻包作业中翻出整包和粘包均与炉渣性质不好有关，根本解决措施是维护好熔炼系统炉况，保证炉渣性质良好。生产实践中翻出整包一般冷却12h后在用捶打机破碎，破碎后的炉渣进选矿工序处理。少量粘包可以保护渣包底部在接热渣时不被液态炉渣冲涮，一般不处理。大量粘包会减少渣包有效容积，一般用捶打机捶打粘包处，使粘在渣包上的炉渣脱落，脱落后的炉渣进选矿工序处理。

(4)翻出包底铜、白铍、纯铜包底主要原因是熔炼系统放渣管理不到位，炉渣中混入较多铜。解决措施是熔炼系统加强放渣管理，避免炉渣中带铜。生产实践中包底铜、白铍、纯铜包底单独堆放，返回熔炼系统处理。

4 结语

(1)生产实践中，消除红包应优先采用增加冷却水量和在冷却水循环使用过程中增加冷却塔这两项措施。贵溪冶炼厂生产实践表明，炉渣缓冷过程中，在其它条件相同情况下，水冷阶段单个渣包冷却水量由2m3/h增加到3.7m3/h时，炉渣缓冷时间可以减少10h以上，使用冷却塔后冷却水温度可以下降8℃ ～12℃。

(2)渣包作业过程中急冷急热，经受温度起伏很大，工作条件极其恶劣，每使用一次都会使其产生一定的内应力，长时间的内应力导致渣包出现裂纹、变形等。裂纹严重的渣包在装有液态热渣情况下，可能发生液态炉渣泄漏或渣包破裂事件，可能烧毁渣包运输车辆及周围设备、设施，威胁周围作业人员人身安全。变形严重的渣包将无法进行运输和翻包作业。目前国内没有铜冶炼炉渣缓冷用渣包相关规范，如何延长渣包的使用寿命，及时报废更新渣包，保证渣包使用安全，降低生产成本，是面临的难题。

［1］杨峰.江铜贵冶电炉渣回收铜技术改造方案的研究与设计［J］.铜业工程，2005(04):4-7.

［2］王少青，卢荣富.炉渣选矿在我国的发展与应用［J］.有色矿山，1993(03):42-46.

［3］黄瑞强，崔麦英.铜冶炼转炉缓冷渣选别工艺试验研究［J］.中国矿山工程，2010(03):16-20.

［4］胡国军，严明.浅谈铜炉渣缓冷自动喷淋系统的设计［J］.有色冶金设计与研究，2011(04-05):95-96.

［5］朱祖泽，贺家齐.现代铜冶金学［M］.北京:科学出版社，2003，434-442.

［6］刘卫东.冰铜水淬与实践［J］.有色金属(冶炼部分)，2009(02):33-35.

［7］朱祖泽，贺家齐.现代铜冶金学［M］.北京:科学出版社，2003，186-189.