富氧顶吹熔炼调配处理氧化铜矿生产实践

2022-06-27杨鹏朱银李超航周容乐

当代化工研究 2022年11期

＊杨鹏朱银李超航周容乐

（云南铜业股份有限公司西南铜业分公司云南 650000）

前言

火法铜冶炼企业一般处理的含铜原料是从铜矿中开采出来经过选矿后的含铜品位较高的硫化铜精矿、铜矿砂，近年来随着高品质硫化铜矿日渐枯竭，铜精矿的供应呈现批次多、批量小、杂质含量高等特点。而在目前世界全部铜矿床中，氧化矿和混合矿床约占10%～15%，其储量约占铜金属总储量的25%[1]，因此研究火法铜冶炼调配处理氧化铜矿，可有效拓宽富氧顶吹熔池熔炼工艺对入炉物料的适应性，很大程度上减轻了原料采购压力。

铜火法冶炼生产原料主要分为铜精矿和铜的二次回收料原料，铜精矿是经过浮选工艺的铜矿石除去大部分的脉石与杂质，使有用的矿物得到富集并形成精矿产品，使精矿主要成分和杂质达到国家标准并提供给冶炼企业使用，而氧化铜原矿物料是没有经过浮选的产品[2]。氧化矿和混合矿在选矿工艺中难以浮选，选矿药剂种类多、工艺流程复杂多变，且常需要采用浮选、浸出、离析、焙烧等多种方法进行联合处理，故而相比其它铜矿其选矿成本较高[3]。

较多铜矿石选厂为了降低生产成本投入，获得较高的经济效益，针对含铜品位较高的氧化铜矿石原矿，不经过浮选等工序只采取粗破、筛分控制原矿粒度达到铜冶炼企业的基本要求后直接外卖。前述铜精矿具有粒度不均、Fe、S含量低等缺点，因此本文重点研究了氧化铜矿的性质，并进行了富氧顶吹熔池熔炼工艺调配处理氧化铜矿的生产实践，研究结果有助于增强富氧顶吹熔池熔炼工艺对入炉物料的适应性，原料采购的选择范围更加广泛，也为富氧顶吹熔池熔炼工艺处理复杂含铜原料提供了基础。

1.富氧顶吹熔池熔炼工艺

图1 硫化铜精矿与制粒后的生球粒子

火法铜冶炼工艺经过多年的发展，强氧化熔炼工艺基本已经完全取代了传统的熔炼工艺，目前主流的强氧化熔炼工艺有闪速熔炼、瓦纽科夫法、三菱法、富氧顶吹熔池熔炼等[4-7]。富氧顶吹熔池熔炼法由20世纪70年代初澳大利亚国家科学与工业研究院（CSIRO）的科研工作者，为了改善还原动力学条件，发明了顶吹浸没式熔池熔炼技术，其核心关键设备为顶吹浸没式喷枪，将混有部分燃煤的混合粉状铜精矿经过制粒后，通过炉顶呈自由落体状态加入熔池面上，富氧空气经炉顶喷枪高速通入熔渣内，提供熔炼生产所需的空气、氧气和反应动力，富氧空气气流通过喷枪旋流器在熔池内形成大量汽泡，对熔池熔体形成强烈的搅动，熔体受到喷吹气流的剧烈搅动与旋转，落在熔池面上的炉料便被卷入熔体中，在熔体中发生一系列气-液-固的强化熔炼反应，加速造锍熔炼过程产出高品位冰铜与熔炼渣。

2.氧化铜原矿性质、特征

铜是一种典型的亲硫元素，在自然界中主要形成硫化物，只有在强氧化条件下形成氧化物，在还原条件下可形成自然铜，目前在地壳中已经发现铜矿物和含铜矿物约250种，主要是其铜的硫化物及其类似的化合物和氧化物。而氧化铜原矿物料是氧化铜矿已采出而未经选矿或其它加工过程的矿石，矿物成分以自然铜、赤铜矿、孔雀石为主，含少量蓝铜矿、黑铜矿及结合铜矿，并常出现少量次生硫化物如辉铜矿、斑铜矿等，脉石主要为褐铁矿、硅酸盐矿物，氧化铜原矿根据其矿脉和产地，其原矿含铜高低不一，低品位氧化原矿需要进行浮选提高原料品味，而高品位氧化原矿只经过初步的粗破、筛分不经过浮选除杂、细磨，一般情况下粒度都达到2cm以上（70%）并呈颗粒状形态，本文所处理氧化铜矿物理外观如图2所示，粒度＜25mm约70%，＞25mm约30%，色泽为红色，化学分析结果如表1所示。根据矿物组成和选冶的要求，铜原矿分为五相测定，即胆矾、游离氧化铜、结合氧化铜、次生硫化铜、原生硫化铜[8]。氧化铜矿中含铜物相的分布组成如2所示，据表可知铜物相以游离氧化铜为主，同时有部分结合氧化铜和少量原生硫化铜。

表1 氧化铜矿主要化学成分（wt.%）

图2 氧化铜矿物理外观

从表1中可以看出氧化铜矿与典型的硫化铜精矿相比，铜、氧化硅、氧化铝和氧化镁含量较高，分别达到26.67%、25.61%、3.58%和1.68%；而Fe、S含量显著偏低，仅为13.61%、9.99%，因此在采用富氧顶吹熔炼调配处理氧化铜精矿时可能面临以下难点：

（1）高SiO2、Al2O3、MgO的氧化铜矿可导致熔炼渣Fe/SiO2、Fe3O4含量波动增大，而高熔点物质MgO会导致熔炼渣黏度明显升高，对工艺稳定造成不良影响；

（2）Fe、S含量低的氧化铜矿在熔炼过程中无法产生大量的热量供熔炼反应所需，同时从表2可知氧化铜矿中的铜大多以游离氧化铜矿形势存在，在熔化过程会吸收大量热量，因此整个熔炼反应过程的热平衡会变差；

表2 氧化铜矿中含铜物相分布（wt.%）

（3）从图2可知，氧化铜矿的粒度均一性差，会影响圆盘制粒效果，可造成制粒效果差引发锅炉烟尘率显著升高，另外大块的生料会影响熔渣性质和排放速度，给生产造成波动。

3.氧化铜矿的调配处理

(1)氧化铜矿的调配处理实践

富氧顶吹熔池熔炼法处理的是硫化铜精矿物料，利用硫化铜精矿自身较高的铁硫放热完成熔炼过程，同时为了降低余热锅炉烟尘数量，使用的铜精矿物料必须是粉状物料并经过制粒处理。而氧化铜原矿物料从化学性质分析属于氧化物形式存在，其中自身铁硫含量较低，原料结构自身无法满足艾萨熔池熔炼的需要，同时自身属于颗粒状物料存在，不利于制粒成球等影响，根据氧化铜矿性质、特征分析结果，同时结合富氧顶吹熔炼工艺实际情况，生产实践中设计了三种氧化铜矿调配处理试验，具体情况如表3所示。方案一是采用吊车堆式配料对氧化铜矿进行预处理，然后经仓式配料、圆盘制粒后入炉进行处理，氧化铜矿配入比例为0.6%～1%；方案二是直接经仓式配料、圆盘制粒后入炉进行处理，氧化铜矿配入比例为2%；方案三是不通过仓式配料、圆盘制粒过程，直接经上料系统加入入炉料中，氧化铜矿配入比例为2%。

表3 氧化原矿消耗试验实践对比

实践结果表明方案一氧化铜矿加入圆盘制粒无影响，锅炉结渣情况无明显变化，热冰铜符合产品质量要求，因此具有可行性，但存在处理能力较低，同时会额外增加吊车预处理工作量的问题；方案二在圆盘制粒和热冰铜方面也无影响，但是锅炉出现少量粉状铜精矿物料，相对方案一提高了处理能力，同时不额外增加吊车预处理工作量；方案三实践时锅炉烟道出口温度快速上升，有大量的粉状铜精矿物料被抽入艾萨锅炉烟道，该方案不可行。

(2)实践结果讨论

富氧顶吹熔池熔炼调配处理氧化铜矿生产实践过程中主要存在以下问题：

①氧化铜矿中Fe、S含量低

由于富氧顶吹熔池熔炼法处理的主要物料是硫化铜精矿，反应过程利用硫化铜精矿自身较高的铁硫放热完成熔炼过程，同时为了降低艾萨锅炉粉尘数量，使用的铜精矿物料必须是粉状物料并经过制粒处理。而氧化铜原矿物料从化学性质分析属于氧化物形式存在，从表1可知其中铁、硫含量相对硫化矿很低，原料结构自身无法满足熔池熔炼的需要，因此在生产过程中需要严格控制氧化矿的配入比例不超4%以上，确保入炉原料含硫不低于25%，整体入炉原料铜硫比控制0.85%～0.9%的范围，否则可能造成工艺波动。

②氧化铜矿呈颗粒状影响圆盘制粒

氧化铜矿的粒度＜25mm约70%，＞25mm约30%，在加入入炉料经过制粒以后造成粒子成球效果较差，造成锅炉烟道抽入大量的粉状物料，导致锅炉烟道堵塞影响到生产的正常运行。

③杂质元素影响熔炼工艺控制

从表2可知氧化矿中Si、Al、Mg的含量与主流硫化铜精矿差异大，可能导致生产过程中熔炼渣渣型异常波动及产品热冰铜杂质含量超标，尤其是高熔点杂质氧化镁含量较高，会造成排放渣层过程中排放口粘结，熔体流动性差，排放时间长，排放困难，带来压负荷生产等一系列不良影响。

综上所述，在实际生产过程中，需要严格控制氧化铜矿的颗粒大小、加入方式、物料配比，并及时与熔炼工艺控制相结合。结合三种试验方案结果，最后调配处理方案确定为在仓式配料系统前设置振动筛、格筛等设备对较大块的氧化矿进行预处理，确保氧化矿粒度控制在25mm以内；然后在仓式配料过程加入氧化矿，在配料过程中随着粉状铜精矿一同进入制粒工艺混合均匀并制粒成球，粒子含水控制～11.5%，成球率达到80%以上。同时为避免氧化铜矿严重影响熔炼熔炼反应热平衡及热冰铜杂质含量超标，氧化铜矿调配处理的配料比例需要控制在1%～4%，当使用比例超过4%时，圆盘制粒粒子质量差，对工艺控制及锅炉系统造成不利影响。氧化铜矿调配处理的配料比例为4%时入炉料成分如表4所示，加入前后热冰铜质量如表5所示，从表中可知，氧化矿加入后对热冰铜质量无明显影响，均能达到热冰铜产品一级标准。