铜精炼渣顶吹转炉贫化生产实践

杜建嘉，陈 雯，丘 能

（1.广西博世科环保科技股份有限公司，南宁 530007；2.昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明 650093）

在铜冶炼过程中，炉渣含铜是冶金过程中铜损失的主要渠道。广西某公司再生铜冶炼工程设计生产能力300 kt/a阴极铜，与之配套的火法熔炼车间具备处理高品位和低品位杂铜的能力，顶吹转炉具有处理低至15%含铜量废杂铜的能力，可配入火法精炼产出的精炼渣，贫化回收精炼渣中的铜金属。由于公司高品位杂铜精炼工序投产较早，且精炼渣产量超出设计值，精炼渣中积压的铜金属最高接近5 000 t，含铜平均值为26.59%，迫切需要对其进行贫化处理，贫化处理的目标为弃渣含铜≤1.0%。

1 精炼渣来源及成分

1.1 精炼渣来源

精炼渣来自火法精炼工序精炼摇炉和NGL炉。精炼摇炉为国内自主开发的废杂铜火法精炼设备，采用了富氧精炼和氮气搅拌技术，属强化熔池熔炼设备，能进行氧化和还原作业，技术水平与国外的倾动炉相当[1]。NGL炉采用稀氧燃烧技术，结合了倾动炉和回转式阳极炉的优点，是国内自主研发的废杂铜火法精炼设备[2]。精炼工序装备了阳极铜生产能力分别为350 t/炉的精炼摇炉及250 t/炉的NGL炉各2台。

1.2 精炼渣化学成分

NGL炉和精炼摇炉的精炼渣化学成分如表1所示。

2 顶吹转炉工艺及设备特点

2.1 顶吹转炉设备特点及设计参数

顶吹转炉为采用富氧熔炼、富氧吹炼技术的低品位杂铜冶炼设备，炉体为中间大、两头略小的圆筒形，炉内砌筑铬镁砖，顶部开口为投料口、出料口和燃烧喷枪入口。炉体四周设电机带动的旋转驱动机构，炉体可绕纵轴旋转，增强了炉内铜水的搅拌，也可沿横轴倾动，方便大块废杂铜的加入。炉体的不停转动提高了炉体对原料的适应能力，可处理含铜量低至15%的杂铜及含铜废渣。

表1 精炼渣成分分析

表2 辅助材料质量要求

新炉衬的顶吹转炉操作容积为13 m3，炉体容积29 m3，炉子的熔炼与吹炼由燃烧喷枪和吹炼喷枪来完成，顶吹转炉周围设有环保烟罩，加料、熔炼、倒渣和出铜等操作均在封闭的环境中进行，环境集烟进入单独的烟气系统处理。顶吹转炉采用DCS控制，具有温度容易调节、氧势容易控制、热效率高、可处理复杂原料等特点，是贫化精炼渣的理想设备[3]。

2.2 顶吹转炉工艺流程

顶吹转炉投料系统主要由倾斜轨道及载重12 t的加料小车组成。烟气处理系统包括烟道式余热锅炉、喷雾冷却器、布袋除尘器等，可回收烟尘和烟气热量、遏制二噁英的生成。顶吹转炉工艺流程如图1所示。

2.3 顶吹转炉燃料及辅助材料

2.3.1 燃料

顶吹转炉以天然气为燃料，助燃气体为氧含量大于95%的富氧空气。天然气的低发热值为34 097.41 kJ/m3，高发热值为37 793.86 kJ/m3。

2.3.2 辅助材料

精炼渣贫化的主要辅助材料有生铁、石英砂和石灰石。生铁为还原剂，石英砂和石灰石为造渣剂。辅助材料质量要求如表2所示。

图1 顶吹转炉工艺流程

3 精炼渣贫化工艺条件分析

精炼渣贫化关键要控制弃渣含铜量及弃渣产量，以回收更多铜金属。转炉渣中铜的形态呈以下两种：一是金属铜颗粒机械夹杂物状态；二是氧化物状态和硅酸铜状态。根据存在的形态不同，渣含铜的损失途径可分为机械损失、物理损失和化学损失。

3.1 弃渣渣型选择

炉渣中过多的Fe3O4造成炉渣黏度和比重增加，不但容易产生泡沫渣事故，而且会使铜和渣分离不良，造成弃渣含铜量升高。渣型选择上首先要考虑如何抑制Fe3O4对冶炼生产的不良影响。

根据FeO-Fe2O3-SiO2系相图，体系平衡氧分压的上升会导致固态Fe3O4析出。生产中必须保持更高的操作温度，并采取较低的炉渣Fe/SiO2，以使Fe3O4熔于渣中，使炉内熔炼渣保持为熔融均相。但这些控制方法既影响炉衬寿命，也增加了吹炼炉生产成本[4]。

根据FeO-Fe2O3-CaO系相图，如果采用铁酸钙渣系，在冶炼温度下（1 200～1 300℃），在很宽的氧分压范围内（PO2=10-6～105Pa）该渣系有均匀的液相区，即该渣系对Fe3O4有很大的溶解度，可以避免固态Fe3O4的析出。但是，入炉料中SiO2含量较多，调整石灰的加入量只能得到CaO-FeO-Fe2O3-SiO2渣型，该渣型在冶炼温度为1 250℃且SiO2含量不低于20%时，有较大的熔融区[5]。结合顶吹转炉作业特点和炉料性质，选择钙铁橄榄石渣型为炉渣贫化的渣型，降低体系中可能出现的Fe3O4对炉渣性质的影响。

3.2 弃渣含铜量控制

为控制炉渣含铜量，需控制炉渣铁硅比、炉内气氛（氧势）和炉渣成分。

根据生产数据统计分析，铁硅比升高，弃渣含铜量呈升高趋势[6]。增加渣SiO2含量可使熔渣密度降低，增加渣与粗铜间的界面张力，有利于粗铜微粒的聚集和沉降，减少铜的物理损失。但SiO2用量增加导致渣量增加，炉渣铜的损失和燃料的消耗随之增加，且过高的SiO2含量会增加炉渣的黏度，造成铜的机械损失增加。控制渣型铁硅比Fe/SiO2为0.5～0.7 。

酸性炉渣中增加FeO含量能降低炉渣黏度，增加流动性，并调整炉渣熔点，但在炉内还原气氛较弱或氧势较高的情况下会生成Fe3O4，造成炉渣黏度增加，增加渣与铜的分离难度。Fe3O4还会在炉内生成炉瘤和隔层，使炉缸容积减小，导致生产故障，因此需控制炉渣Fe3O4含量在10%以下。炉渣贫化中用氧化钙适当代替部分氧化铁，降低炉渣比重和炉渣的黏度、增加金属与炉渣界面的张力，以利于铜、渣分离，降低金属损失。顶吹转炉应用钙铁橄榄石渣系的CaO含量控制在5%～8%。

3.3 泡沫渣预防

泡沫渣是指顶吹转炉熔炼过程中，鼓入熔池的空气、氮气、天然气以及燃烧产生的CO、CO2等气体和有机物分解、挥发的气体不能顺利突破渣层，导致鼓泡的炉渣。

要避免产生泡沫渣，首先要控制炉温大于炉渣熔点（1 200℃），以保持其流动性。随着熔炼过程的进行，炉渣Fe3O4含量将增大，炉温应提高到1 300℃左右，保证Fe3O4在炉渣中的溶解度，防止Fe3O4大量析出致使炉渣黏度增加。其次，避免鼓入过量的氧气而产生过高氧势，以减少Fe3O4（渣）的生成。第三，要控制炉渣的Fe/SiO2和Fe3O4含量，避免炉渣黏度过大。从CaO-FeO-SiO2系相图可知，当FeO含量在30%，SiO2＜35%或SiO2＞42%，炉渣熔点上升，正常的操作温度下，炉渣已失去流动性。根据生产实践和相图分析，控制顶吹转炉渣Fe/SiO2在0.5～0.7，硅量在35%～40%。

3.4 顶吹转炉操作条件

顶吹转炉为间歇操作，每炉分加料软化、熔炼造渣、吹炼造铜、出铜四个阶段操作，从加料到最后出铜，大概需时6～8 h，根据精炼渣贫化生产特点，各阶段运行时间为加料150～210 min，熔炼90～120 min，出渣30～40 min，吹炼60～80 min，出铜30 min。可根据不同阶段熔炼要求，调整燃烧喷枪或吹炼喷枪插入炉内深度。

4 热态渣投料改造

4.1 精炼炉渣原有处理工艺

按原精炼渣处理工艺（见图2），精炼摇炉及NGL炉产出的精炼渣和包底铜经过渣包转运、自然冷却、倾倒、破碎或切割后送顶吹转炉处理，精炼渣生产处理周期长，导致大量精炼渣及包底铜积压，占用流动资金并产生破碎、切割、转运等生产成本，热态精炼渣的热量也未得到利用，贫化时对精炼渣的二次加热又消耗大量能量。原处理工艺操作繁杂、生产成本高。

4.2 改造方案

图2 原精炼渣处理工艺流程

在300 kt/a再生铜冶炼项目中，精炼摇炉、NGL炉和顶吹转炉直线布置，有利于热态渣投料改造。根据热态精炼渣投料要求，增加行车、加料漏斗、高空倒渣溜槽、操作平台和安全设施，增加DCS系统热态渣投料控制程序和安全连锁控制。改造完成后，精炼摇炉和NGL产出的精炼渣在熔融状态通过包子直接加入顶吹转炉进行冶炼。

5 生产实践

5.1 不同比例冷态渣贫化生产实践

按照设计指标，顶吹转炉可配入占投料量12%～15%的精炼渣。为了消化积压精炼渣，必须提高配入精炼渣的比例，以达到消化积压精炼渣的目的。投入顶吹转炉与精炼渣搭配熔炼的废杂铜主要是黄杂铜、马达铜等，含铜率为20%～90%。

按照采用选定的CaO-FeO-SiO2渣型，顶吹转炉操作参数如下：进料为杂铜和精炼渣混料；风量600 Nm3/h；燃料天然气量300 Nm3/h；炉温控制1 200～1 250℃；炉渣含CaO控制在5%～8%。

生产中还采取了添加焦粉、延长沉降时间、控制渣层厚度等措施控制弃渣含铜量。

根据表3所示的生产数据，每炉精炼渣投加量超过30 t对天然气单耗、氧气单耗、作业周期和炉寿影响很大。为了处理积压精炼渣，合适的投料方案为：精炼渣25 t，低品位杂铜35 t，精炼渣比例40%左右。该条件下可控制作业周期＜6 h，弃渣含铜＜1.5%，天然气单耗＜70 Nm3，氧气单耗＜140 Nm3。

入炉精炼渣量增加后，顶吹转炉熔炼时间延长，生产效率降低，天然气和氧气单耗增加，对内衬镁铬砖侵蚀严重，后期强化生产分析和渣型控制，对稳定生产和降低弃渣含铜起了关键作用。

5.2 热态渣投料生产实践

2013年11月，热态精炼渣投料技改项目投入生产，冷、热态渣投料具有代表性的生产数据分别如表4、表5所示。对比表4和表5可知，热态渣投料的平均出铜量由42.4 t/炉提高到提高47.10 t/炉，增加11.08 %；作业时间由9.91 h/炉降低到8.13 h/炉，降低17.96%；天然气单耗由66.55 Nm3降低到34.36 Nm3，降低48.37%；氧气单耗由120.28 Nm3下降到63.54 Nm3，下降47.17%。包底铜约占阳极铜产量的5%，随热态渣投入顶吹转炉。

表3 不同配渣比例生产情况（冷态渣）

表4 冷态渣投料运行数据

表5 热态渣投料运行数据

表6 弃渣成分分析

与冷态渣投料相比，热态渣投料优势表现在：工艺流程简化，消除了繁杂的精炼渣冷却、转运、包底铜切割等环节，生产环境也得到改善；热态渣的热量得到充分利用；顶吹转炉熔炼周期明显缩短；精炼渣对炉衬的侵蚀得到缓解；降低了生产成本。

热态渣投料存在以下需要解决的问题：熔融精炼渣流动性较差，易堵塞投料溜槽；热态渣对炉口耐火材料的冲击影响炉衬寿命；顶吹转炉作业周期为3～4炉/d，NGL炉和精炼窑炉为1炉/d，生产上不同步，影响生产效率；投料时，热态渣包子跨越整个熔炼厂房，存在安全隐患。

5.3 生产改进后弃渣成分

在精炼渣贫化和热态渣处理过程中，根据确定的工艺条件控制生产，弃渣平均含铜量降低到0.93%，达到预期目标，生产改进后的弃渣成分如表6所示。管理水平和操作水平提高也是弃渣含铜量下降的重要原因。

6 结语

根据生产中对炉体内衬耐火材料的检查，采用钙铁橄榄石渣系对镁铬砖炉衬寿命影响较小，但精炼渣比例增加，特别是冷态渣的投入对炉衬寿命有较大影响。

根据生产实践，采用钙铁橄榄石渣型，配入精炼渣比例40%左右，并采用热态渣投料，是较为理想的精炼渣贫化方案，解决了精炼渣铜金属积压问题；贫化渣最低含铜量0.66%，最高含铜量1.32%，平均含铜0.93%，弃渣含铜量超过1%的炉次降低到40%，达到预期目标。