降低旋浮强化熔炼渣含铜的生产实践

2022-01-22刘颂李良斌

四川有色金属 2021年4期

刘颂，李良斌

（中铜东南铜业有限公司，福建宁德 352000）

某冶炼厂利用旋浮精矿喷嘴对干燥后的混合铜精矿进行处理，混合铜精矿在反应塔内经过富氧强化熔炼过程，落入沉淀池澄清分离后产出冰铜及炉渣。炉渣经缓冷后采用磨浮选矿工艺回收获得渣精矿，渣精矿返回熔炼过程。该冶炼厂设计阴极铜产能为40万吨/年，产生熔炼渣约115万吨/年。降低熔炼渣含铜，能有效提高旋浮熔炼铜金属直收率，降低渣选矿成本和提高铜金属回收率，可产生巨大的经济效益。通过近两年来的生产实践，该冶炼厂的冶炼渣含铜水平已由生产前期的3%以上逐步稳定控制至2%以下。

1 渣含铜研究分析

火法炼铜生产过程的铜损失分为两个方面［1］：①随烟气带走，②随渣损失。随烟气带走的铜经过收尘系统，可以进行回收，随渣损失的铜是主要的。渣铜损失的形态有两种：①机械夹杂在渣中的铜锍粒子，②化学溶解在渣中的铜。

1.1 渣含铜形态分析

陈红荣、谢锴等人［2-3］的研究表明，强化熔炼过程，铜在渣中损失形态主要成分有：铜锍、辉铜矿、铜氧化物（CuO/Cu2O）和铁酸铜。

谭鹏夫、张传福等人［4］的研究表明，熔炼渣中化学溶解铜，硫化态物质含量远远高于氧化态物质。同时，随着熔炼过程中冰铜品位的提高，渣中化学溶解造成的铜损失变化量不大，而机械夹杂损失则快速提升。当冰铜品位为70%左右时，由炉渣化学溶解造成的铜损失仅为总损失的20%左右。

1.2 影响渣含铜的因素

从对渣含铜的形态分析结果中可知，要降低熔炼渣含铜要从降低炉渣中的机械夹杂铜损失开始着手。减少机械夹杂主要是要加强沉淀池内炉渣与铜锍的澄清分离效果，延长熔体澄清分离的时间，降低炉渣黏度和密度，促进炉渣中小颗粒铜锍粒子聚合长大等措施具有加快澄清分离效果。

受沉淀池容积影响，熔体澄清分离时间主要受炉内熔体交换速度影响，即受投料量影响。炉渣的黏度和密度，主要与其在高温下的性质有关系。因此，要重点解决影响炉渣的黏度和密度的炉渣Fe3O4含量、炉渣温度、Fe/SiO2等因素。

2 生产实践

2.1 控制炉渣中Fe3O4的含量

熔炼渣中Fe3O4的控制是铜冶炼过程中需要解决的主要问题之一［5-6］。Fe3O4在强化熔炼过程中，能够在炉内形成挂渣保护层，降低耐火砖受到的热冲击和熔体冲刷，延长熔炼炉的寿命。但Fe3O4含量较高时，炉渣密度增大，黏度提高，严重时甚至在冰铜和炉渣之间形成粘渣层，造成铜锍与渣分离困难，人员的劳动强度也随之增大。通过对该厂生产过程中的炉渣成分进行统计分析，得到在一定工况下炉渣Fe3O4含量与渣含铜的关系如图1所示。

图1 炉渣Fe3O4含量与渣含铜的关系（渣温1300℃、Fe/SiO2=1.3）

由图1可知，在渣温1300℃、Fe/SiO2控制值1.3的冶炼工况下，炉渣Fe3O4含量与渣含铜呈正向相关关系。因此，需对炉渣中的Fe3O4含量进行合理控制。生产控制过程中发现，熔炼渣中Fe3O4控制在8%～12%时，渣含铜指标较优，熔炼渣排放顺畅，同时也能对炉体形成较好的保护。

2.1.1 控制入炉物料Fe3O4含量

入炉物料中的Fe3O4主要来自于吹炼渣。该冶炼厂采用旋浮冰铜喷嘴对冰铜粉进行吹炼，产出的吹炼渣中Fe3O4含量在30%～40%，该部分吹炼渣返回熔炼系统参与配料，配入比例一般为5%～7%，另一部分则来自铜精矿中带入的Fe3O4。

吹炼渣的配入量和配料系统的稳定性直接影响入炉物料成分的稳定。若配料系统出现较大的波动，或出现配料错误，则会对入炉物料Fe3O4含量造成较大的影响。

2.1.2 控制反应过程Fe3O4的生成

在反应塔内高温强氧化气氛中，原料中的FeS 迅速被氧化成FeO，与SiO2反应造渣，反应生成的FeO 未全部参与造渣反应，因此部分FeO 在富氧的气氛下继续被氧化成Fe3O4，其反应过程如下［7］：

而在FeS活度较大、FeO活度较小以及SO2分压较低的条件下Fe3O4便可被还原而造渣，其反应过程如下：

（1）反应控制

根据反应（1）-（4），在正常的作业时，渣中的Fe3O4会保持一种平衡状态，此时的Fe3O4作为氧的载体，相当于起到传递氧的作用，在造渣过程中发挥重要作用。

在生产过程中，多次由于旋浮喷嘴下料不均或给料螺旋大幅波动，造成“下生料”，引起渣中Fe3O4急剧上升，冰铜和渣分离困难，检尺杆上出现厚厚的黏渣层，渣含铜快速上升。图2所示为某次“下生料”过程中炉渣Fe3O4和渣含铜变化。

图2 某次“下生料”过程炉渣Fe3O4含量与渣含铜的变化

经过分析，上述渣含铜大幅度上升的原因为，精矿与氧气混合不均匀，特别是部分精矿过氧化，从而造成了渣中Fe3O4急剧上升，炉渣粘性加大，形成了“粘渣”，导致铜渣分离不清，造成渣含铜上升。

（2）焦粉的加入实验

为进一步降低炉渣含铜，该企业对加入一定量焦粉对渣含铜的影响进行了探索。实验过程利用配料仓配入不同比例的焦粉，并对熔炼炉渣的Fe3O4和渣含铜变化进行记录，统计结果如图3所示。

图3 不同焦粉配入比例下炉渣Fe3O4含量与渣含铜的关系(冰铜品位70%)

由图3可知，当控制一定冰铜品位时，焦粉的加入能够有效降低熔炼炉渣Fe3O4和渣含铜，但是随焦粉配入比例的增大，下降幅度逐渐趋缓。

焦粉加入后，在反应塔内焦粉一部分用作燃料补充了反应热，另一部分在下落到反应塔下部时生成了CO，大颗粒的残碳固体颗粒落入沉淀池，在熔池中对Fe3O4起到还原作用，使得炉渣黏度降低，强化了铜渣分离效果，从而使得渣含铜降低，高冰铜品位的生产控制也成为可能。

此外，在实验过程中还发现由于焦粉的加入，Fe3O4的还原量增多，沉淀池状况发生明显改善，熔池有效容积增加，用于控制炉结的生铁消耗量也得到了大幅度的降低，消耗量降低了约80%。但是在炉内点检过程中发现，加入焦粉后反应塔侧壁的挂渣冲刷侵蚀较为严重。同时，由于煤粉造成的还原性气氛，锅炉烟尘的硫酸盐化效果降低。另有研究表明［8］，煤粉的加入对杂质脱除产生了不利的影响，通常使杂质金属脱除率下降。经生产实践，控制混合铜精矿中0.3%～0.5%的焦粉配入比例，能够在有效降低渣含铜同时实现生产系统的稳定运行。

2.2 熔炼炉渣Fe/SiO2与温度控制

2.2.1 炉渣Fe/SiO2控制

在熔炼过程中，铜精矿在氧化过程中产生的FeO与SiO2、CaO、MgO等形成复杂的铁硅酸盐炉渣，这种炉渣属于FeO-CaO-SiO2渣系。熔炼过程采用SiO2作为造渣剂，根据反应（3）、（4）可以看出，SiO2含量的提高将有助于遏制Fe3O4的生成，会直接影响熔渣的性质。然而采用较低的Fe/SiO2，由于该反应为吸热反应，对反应塔热量的要求更高，将会增加生产能耗也会直接会导致渣量增大［9］。而当控制Fe/SiO2较高时，Fe3O4在渣中的溶解度低。在冰铜品位高时，渣中Fe/SiO2高，Fe3O4易析出形成渣粘，造成渣口粘结放渣困难；如果此时温度下降过快，将使渣中Fe3O4大量快速析出，排渣情况恶化，甚至冰铜排放也现困难。

因此，维持合适的硅铁比对于获得较低的渣含铜是有利的。目前经过生产实践，该冶炼厂通过控制配料时石英砂的加入量，来控制渣中Fe/SiO2，Fe/SiO2控制为1.3～1.4左右渣含铜能够控制在2%以下，同时具备较好的经济性。

2.2.2 熔炼炉渣温控制

炉温控制是铜冶炼过程中一项极其重要的指标。炉渣的黏度和炉渣温度成反比，控制较高的炉温有助于促进铜锍颗粒的沉降过程，同时促进Fe3O4还原反应的进行，还能防止Fe3O4由于低温析出，有利于降低熔炼渣含铜。但是过高的炉温将会加快对炉体耐火材料的损耗，缩短炉子寿命，同时也增加了能耗，具有较大的安全作业风险。因此只能选择适宜的炉体控制温度来寻求两者的平衡，达到最佳的经济效益。经生产总结，该炼厂在炉况正常情况下，将炉温控制范围确定为1290℃～1310℃左右。当炉内反应状况出现异常波动时，将炉温提升至1320℃左右控制，能够加速炉况波动的调整进程。

2.3 沉淀池管理

沉淀池承担炉渣和铜锍分离澄清的工作任务，沉淀池的合理有效管理对提高澄清分离效果有很大的帮助。在生产实践过程中，由于未反应物料及Fe3O4的不均匀沉降，在沉淀池内形成“料堆”。这些“料堆”的存在减少了熔池有效容积，限制澄清分离的时间，并使冰铜和炉渣在沉淀池内流动过程中发生剧烈扰动，特别是“料堆”出现在排放口附近时，易造成排放过程铜口带渣，渣口带铜，从而引起渣含铜的异常上升。为应对“料堆”的出现，可采取炉内投入生铁的还原Fe3O4或定期控制一定的高温和低Fe/SiO2操作进行洗炉作业，确保沉淀池的健康状况。

2.4 开停炉管理

在该冶炼厂的生产实践过程中发现，在开炉前期炉渣含铜较高，渣含铜一般达到5%以上。由于在停炉保温期间，熔池内熔体与残氧继续进行反应，部分FeO被进一步氧化成了Fe3O4，导致炉内熔体的Fe3O4升高。同时在投料初期，由于熔池内新产生的熔体覆盖在原熔体表面，造成了沉淀池内熔体的剧烈搅动。上述因素导致了开炉前期炉渣和冰铜的沉降分离效果变差。因此在停炉前尽量降低炉内熔体液面，减少保温期间炉内熔体总量，同时采用在开炉前从沉淀池投入一定数量的煤块等还原剂的办法，对炉内气氛进行调整，目前开炉前期的渣含铜已能够控制在3%左右。