聶新如，陶光洪

（云南銅業(yè)科技發(fā)展股份有限，云南 昆明 650000）

頂?shù)讖?fù)吹爐連續(xù)吹煉熱冰銅工藝思路正是在借鑒轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝發(fā)展思路上而提出的一種全新的連續(xù)煉銅工藝。目前，銅冶煉工藝在熔煉工段已經(jīng)發(fā)展得非常完善，有熔池熔煉和懸浮熔煉，任何一種熔煉工藝都具備連續(xù)煉銅的技術(shù)支撐。但是，在冰銅吹煉成粗銅工段，實(shí)現(xiàn)熱冰銅連續(xù)吹煉成高品質(zhì)粗銅工藝還存在一定的不足之處[1]。

目前，銅冶煉工藝流程冰銅吹煉工段有閃速吹煉、PS轉(zhuǎn)爐吹煉、浸沒式頂吹吹煉，底吹吹煉和三菱法吹煉等幾種工藝技術(shù)，下表1為目前各種冰銅吹煉工藝技術(shù)對比。

從表1可以看出，PS轉(zhuǎn)爐吹煉熱冰銅獲得的粗銅品質(zhì)目前是所有吹煉工藝最好的工藝，具有工藝風(fēng)壓力低、操作彈性大、冰銅品位要求不嚴(yán)格和粗銅能耗低等優(yōu)點(diǎn)。但是，PS轉(zhuǎn)爐存在間斷進(jìn)料、周期性作業(yè)、煙氣波動大，低空污染嚴(yán)重等各種缺陷，難于滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。

閃速吹煉屬于懸浮吹煉，具有產(chǎn)能大、環(huán)保效果好等各種優(yōu)點(diǎn)。由于閃速吹煉對冰銅要求粒度小、進(jìn)行深度干燥，因此，熔煉爐產(chǎn)出的冰銅需要先進(jìn)行水淬，然后經(jīng)過磨細(xì)、干燥等一系列工藝，工藝流程長、投資大、能耗高等缺點(diǎn)。

三菱法吹煉屬于吊吹吹煉，熱冰銅加入到吹煉爐（C爐）內(nèi)，C爐設(shè)置了一排吊吹噴槍，冰銅通過噴槍區(qū)域后，瞬間把冰銅吹煉成粗銅，冰銅品位要求在65%以上，以保證冰銅的轉(zhuǎn)化率。吹煉渣型是鐵酸鈣渣，渣含銅高、爐溫高、爐襯消耗快。三菱法噴槍距離熔池表面在600mm以上，噴槍流速高，采用的是超音速流速，工藝風(fēng)需要的壓力高，動力消耗大，因此，三菱法在爐型推廣上不是很順利。

底吹吹煉是由恩菲公司開發(fā)出來的一種吹煉工藝。底吹吹煉所需的氧氣是從爐子底部噴入熔池中，反應(yīng)所需的風(fēng)的壓力高，在0.4MPa以上，動力消耗大。由于底吹吹煉反應(yīng)是在底部進(jìn)行，生成的粗銅和氧氣反應(yīng)有可能生成Cu2O，該成分對磚的腐蝕非常嚴(yán)重。底吹吹煉對粗銅品質(zhì)不是很好控制，要么過吹、要么吹煉深度不夠。底吹熔煉工藝的產(chǎn)品是冰銅，用于銅精礦熔煉有一定的優(yōu)勢，但是用于冰銅吹煉不是很好的爐型。

奧斯麥特頂吹吹煉是采用一根浸沒式頂吹噴槍進(jìn)行吹煉的工藝技術(shù)，目前只建設(shè)了2家工廠，但是運(yùn)行都不是很成功。存在的主要問題是：

（1）無法加入熱冰銅；熱冰銅進(jìn)入奧斯麥特頂吹爐內(nèi)后，直接沉入爐子底部，噴槍無法把底部的冰銅攪起來進(jìn)行轉(zhuǎn)化成粗銅。有時(shí)逼迫把噴槍插得更深，但是，噴槍容易接觸到冰銅層，噴槍很快被腐蝕掉，造成吹煉操作無法持續(xù)進(jìn)行，作業(yè)率低；

（2）吹煉渣很容易過氧化，引發(fā)泡沫渣事故；奧斯麥特頂吹吹煉爐是一座豎直的圓柱形爐子，噴槍插入渣層進(jìn)行氧化操作，由于吹煉渣得不到更新，渣中的磁性鐵很快升高，雖然也采用鐵酸鈣渣型，但是也無法避免泡沫渣的發(fā)生，特別是白冰銅吹煉階段，中途不得不加入還原煤進(jìn)行還原，以降低渣中的磁性鐵含量，作業(yè)率低，安全風(fēng)險(xiǎn)大；

針對以上各種冰銅吹煉工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，借鑒各種工藝的原理，開發(fā)和研究頂?shù)讖?fù)吹爐熱冰銅吹煉工藝技術(shù)，圍繞以下工藝技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行研發(fā)和創(chuàng)建頂?shù)讖?fù)吹爐工藝模型：

熱冰銅連續(xù)加入頂?shù)讖?fù)吹爐，實(shí)現(xiàn)連續(xù)吹煉工藝；要求獲得高品質(zhì)粗銅，以減少陽極爐的作業(yè)周期；煙氣穩(wěn)定、連續(xù)，降低制酸工序設(shè)備投資；頂?shù)讖?fù)吹爐吹煉渣采用硅酸鐵渣型；吹煉作業(yè)安全、穩(wěn)定，消除泡沫渣安全事故發(fā)生；吹煉反應(yīng)所需的工藝風(fēng)壓力要求低，以降低粗銅能耗；吹煉渣熱態(tài)返到熔煉爐，降低吹煉渣處理成本，提高直收率。

1 頂?shù)讖?fù)吹爐熱冰銅吹煉工藝模型

1.1 頂?shù)讖?fù)吹爐爐子本體模型

頂?shù)讖?fù)吹爐爐子本體的研發(fā)和設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)頂?shù)讖?fù)吹爐熱冰銅吹煉工藝的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，它的開發(fā)象煉鋼頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐一樣，是在現(xiàn)有各種冰銅吹煉的工藝技術(shù)基礎(chǔ)上而建立起來的，但是，不是簡單的疊加。頂?shù)讖?fù)吹爐熱冰銅吹煉是把浸沒式頂吹工藝、底吹工藝以及PS轉(zhuǎn)爐吹煉工藝按照上述工藝目標(biāo)進(jìn)行研發(fā)。

頂?shù)讖?fù)吹爐設(shè)計(jì)為一個(gè)臥式圓柱體爐型，冰銅從爐子一端加入，渣和粗銅從另外一端排出。采用PS轉(zhuǎn)爐氧化氣氛分散控制工藝，在爐子頂部設(shè)置了多根浸沒式頂吹噴槍來實(shí)現(xiàn)冰銅轉(zhuǎn)化成粗銅過程中所需的工藝控制氣氛要求。爐子底部設(shè)置了氮?dú)鈹嚢璧状迪到y(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)冰銅和氧化渣劇烈交互反應(yīng)，得到高品質(zhì)粗銅。爐型結(jié)構(gòu)見附圖1。

表1 冰銅吹煉各種冶煉工藝技術(shù)對比分析

圖1 頂?shù)讖?fù)吹爐爐型結(jié)構(gòu)

1.2 頂?shù)讖?fù)吹爐爐型敘述

冰銅從加入頂?shù)讖?fù)吹爐至排出頂?shù)讖?fù)吹爐過程中，完成了冰銅吹煉成白冰銅和白冰銅吹煉成粗銅過程，通過多根浸沒式頂吹噴槍進(jìn)行氣氛分散控制,靠近進(jìn)料口旁的幾根噴槍完成冰銅吹煉一周期，得到白冰銅，白冰銅繼續(xù)流向爐體末端，靠近爐體排出口旁的幾根完成白冰銅吹煉成粗銅，也就是PS轉(zhuǎn)爐工藝的二周期吹煉。

為了配合頂部浸沒式噴槍的氣氛控制要求，底部設(shè)置了氮?dú)鈹嚢璧状迪到y(tǒng)，根據(jù)不同的攪拌強(qiáng)度要求，調(diào)節(jié)氮?dú)獾牧髁亢蛪毫?，?shí)現(xiàn)底部冰銅和上部過氧化渣劇烈混合反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)過氧化渣的還原和冰銅吹煉成粗銅的反應(yīng)氧勢要求。頂?shù)讖?fù)吹爐具有頂吹爐的靈活性和底吹爐的高效性。

1.3 頂?shù)讖?fù)吹爐冶金原理

頂?shù)讖?fù)吹爐冶金原理是建立在浸沒式頂吹冶金工藝和底吹冶金工藝的基礎(chǔ)上而實(shí)現(xiàn)的。浸沒式頂吹爐主要是通過浸沒式頂吹噴槍噴入富氧空氣與吹煉渣反應(yīng)，生成磁性鐵高的過氧化渣，過氧化渣與冰銅反應(yīng)生成白冰銅或粗銅。浸沒式頂吹冶金反應(yīng)方程式如下：

底吹冶煉的目的是冶金爐底部噴吹的氣流股，在熔體中分散成無數(shù)的氣泡與熔體混合，從而把底部的熔體翻上來。類似于固體粉料的流態(tài)化床，整個(gè)熔池內(nèi)形成一個(gè)沸騰層。沸騰上來的冰銅和過氧化渣反應(yīng)，得到粗銅和含SO2的煙氣，底吹冶金反應(yīng)方程式如下：

頂?shù)讖?fù)吹爐熔體層成分變化趨勢圖如下：

頂?shù)讖?fù)吹爐熔池表面的渣層厚度隨著爐體方向發(fā)生改變，進(jìn)料端渣層厚度最薄。爐體底部粗銅層厚度也發(fā)生相應(yīng)變化，在進(jìn)料端，由于加入新鮮的冰銅，爐子底部主要是冰銅，隨著底吹攪拌吹煉的進(jìn)行，冰銅逐漸被轉(zhuǎn)化成了白冰銅，在末端變成粗銅。

爐頭 （新鮮渣補(bǔ)充到中部） 爐體中部 （過氧化渣補(bǔ)充到尾部） 爐尾

頂?shù)讖?fù)吹爐完全解決了奧斯麥特頂吹吹煉存在的問題，底部的冰銅通過氮?dú)獾状捣绞桨褜?shí)現(xiàn)冰銅和渣充分反應(yīng)，噴槍也不需要插入太深，噴槍壽命長，作業(yè)率高。整個(gè)熔池渣在持續(xù)不斷置換，爐頭新鮮渣不斷流入到中部去還原過氧化渣。同樣地，爐中中部過氧化渣不斷去尾部還原磁性鐵，尾部的磁性鐵渣不斷排出爐體外，整個(gè)熔池渣層形成一個(gè)穩(wěn)定的氧勢梯度體系，滿足冰銅吹煉成粗銅所需的氧勢要求。頂?shù)讖?fù)吹爐不會產(chǎn)生泡沫渣，中途也不需要單獨(dú)加入還原劑去還原，從而提高冰銅吹煉生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

1.4 頂?shù)讖?fù)吹爐的特點(diǎn)

頂?shù)讖?fù)吹爐運(yùn)用于熱冰銅吹煉具有如下特點(diǎn)：

連續(xù)吹煉熱冰銅；熔煉爐產(chǎn)出的熱冰銅從頂?shù)讖?fù)吹爐爐頭連續(xù)不斷地加入熱冰銅，爐尾不斷產(chǎn)出粗銅和排出吹煉渣，含SO2濃度高的煙氣穩(wěn)定連續(xù)排到后面的余熱鍋爐中去。

熱冰銅品位不限；頂?shù)讖?fù)吹爐處理的冰銅對品位沒有特殊要求，一般含Cu≥50%都可以。根據(jù)冰銅品位和冰銅流量，控制系統(tǒng)自動調(diào)整頂吹噴槍氧氣流量和造渣熔劑量。

1.5 頂?shù)讖?fù)吹爐系統(tǒng)組成

頂?shù)讖?fù)吹爐系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)吹煉冰銅工藝而設(shè)置的頂?shù)讖?fù)吹冶金工藝系統(tǒng)組成，包括浸沒式頂吹噴槍系統(tǒng)、熔劑加料系統(tǒng)、噴槍閥組系統(tǒng)、氮?dú)獾状迪到y(tǒng)、吹煉渣還原煤系統(tǒng)、煙氣排放系統(tǒng)、爐渣溢流系統(tǒng)、粗銅虹吸系統(tǒng)和DCS控制系統(tǒng)等等。

1.6 頂?shù)讖?fù)吹爐操作

頂?shù)讖?fù)吹爐操作包括浸沒式頂吹吹煉操作、氮?dú)獾状荡禑挷僮?、吹煉渣溢流排放操作、粗銅虹吸排放操作等相關(guān)操作。

（1）浸沒式頂吹吹煉操作；頂?shù)讖?fù)吹爐采用多根浸沒式頂吹噴槍進(jìn)行氧化吹煉，對每一根噴槍的操作包括下槍、噴槍掛渣、插入熔池、調(diào)節(jié)氣氛等等。浸沒式頂吹噴槍操作是通過DCS控制系統(tǒng)自動控制，主要調(diào)節(jié)冰銅吹煉所需的氧量、根據(jù)爐渣的磁性鐵含量來反饋調(diào)節(jié)氧化氣氛。在其中一根噴槍停止吹煉時(shí)，系統(tǒng)自動調(diào)整其它噴槍的氧氣流量來保證吹煉反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。操作人員需對每一根噴槍進(jìn)行監(jiān)視，以便安排噴槍的更換。

（2）氮?dú)獾状荡禑挷僮?；頂?shù)讖?fù)吹爐底吹冶煉操作是頂?shù)讖?fù)吹冶煉工藝重要的工藝，通過氮?dú)獾状迪到y(tǒng)把底部的冰銅和白冰銅攪動起來，使冰銅和白冰銅與富氧渣充分接觸反應(yīng)，反應(yīng)生成的SO2氣體攪動上面的富氧渣進(jìn)行混合。氮?dú)獾状迪到y(tǒng)對冰銅吹煉的反應(yīng)速度起到重要的作用，是實(shí)現(xiàn)冰銅和渣中的氧充分接觸反應(yīng)的重要措施。

（3）吹煉渣溢流排放操作；頂?shù)讖?fù)吹爐中的吹煉渣是通過溢流口進(jìn)行排放，操作人員只需調(diào)整溢流口的大小來保持熔池面的穩(wěn)定。

（4）粗銅虹吸排放操作；粗銅的排放采用虹吸排放，通過調(diào)整虹吸口的大小來穩(wěn)定粗銅流量和控制粗銅品位。

頂?shù)讖?fù)吹爐是一套全新的冰銅吹煉冶煉工藝系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)冰銅連續(xù)吹煉的一種冶金爐，它涵蓋了浸沒式頂吹冶金工藝、底吹冶金工藝和儀表自動化等體系，各系統(tǒng)有機(jī)配合，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效、連續(xù)吹煉。

2 頂?shù)讖?fù)吹爐吹煉渣處理工藝模型

現(xiàn)今銅冶煉工藝吹煉渣處理方式主要有如下三種處理方式：

（1）通過轉(zhuǎn)運(yùn)工具把吹煉渣返入到銅熔煉爐和銅吹煉爐之間的貧化保溫沉降電爐；

（2）吹煉渣水淬冷卻或自然冷卻后破碎返回到熔煉爐；

（3）吹煉渣緩冷后破碎、磨細(xì)送到渣浮選廠進(jìn)行浮選。以上三種方式有很多不足之處，第一種方式缺點(diǎn)是高氧勢的吹煉渣容易造成保溫沉降電爐爐底結(jié)瘤，沉降電爐渣含銅升高，銅的直收率降低，沉降電爐渣需進(jìn)一步處理（渣還需經(jīng)過浮選等措施進(jìn)一步處理回收渣里面的銅），渣處理流程長，投資大，生產(chǎn)成本高。第二種方式缺點(diǎn)是高溫熔融的吹煉渣經(jīng)過冷卻后，渣里面的熱量被損失掉，冷卻后的吹煉渣返回到熔煉爐需重新加熱升溫，能耗高，降低了熔煉爐的生產(chǎn)能力。第三種方式缺點(diǎn)是流程長、占地面積大、投資高、銅的直收率低、能耗高、頂?shù)讖?fù)吹爐吹煉渣處理工藝模型是把吹煉渣熱態(tài)加入到熔煉爐，下圖2為頂?shù)讖?fù)吹爐吹煉渣返熔煉爐設(shè)備連接圖2。

2.1 頂?shù)讖?fù)吹爐吹煉渣處理工藝冶金原理

頂?shù)讖?fù)吹爐冰銅過程產(chǎn)生的吹煉渣主要成分是：Cu1.5%~25%，F(xiàn)e35%~45%，還含有SiO2、CaO等其它成分，渣里面磁性鐵含量高。吹煉渣被加入到熔煉爐里后，熔煉爐里的銅精礦和吹煉渣里面的磁性鐵的氧發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)，渣里面的Cu也變成冰銅進(jìn)入冰銅相，從而，把吹煉渣進(jìn)行了貧化處理，主要反應(yīng)機(jī)理如下：

頂?shù)讖?fù)吹爐熱態(tài)返入到熔煉爐工藝，吹煉渣含銅從1.5%~25%直接貧化成含銅45%以上的冰銅，吹煉渣處理后的尾渣含銅在0.5%左右，銅的直收率在99%以上，是一種低能耗、高直收率的吹煉渣貧化工藝。

圖2 頂?shù)讖?fù)吹爐吹煉渣熱態(tài)返熔煉爐設(shè)備連接圖

2.2 頂?shù)讖?fù)吹爐吹煉渣處理控制要素

為了實(shí)現(xiàn)頂?shù)讖?fù)吹爐吹煉渣熱態(tài)返入熔煉爐工藝，根據(jù)銅冶煉熔煉工藝控制要求，吹煉渣熱態(tài)貧化工藝需控制以下幾個(gè)要素：

（1）控制吹煉渣返入熔煉爐的流量。頂?shù)讖?fù)吹爐設(shè)置在熔煉爐的下游段，熱冰銅是通過溜槽流入到頂?shù)讖?fù)吹爐，因此，頂?shù)讖?fù)吹爐吹煉渣排放標(biāo)高比熔煉爐要低，吹煉渣只能排入到渣包里面，然后通過吊車轉(zhuǎn)運(yùn)到熔煉爐。

任何一種采用熔池熔煉工藝的熔煉爐，對熔池面要求穩(wěn)定，不能大起大落，如果渣包直接倒入熔煉爐，會破壞熔煉爐熔池面的穩(wěn)定，影響熔煉爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）熔煉爐冰銅品位控制。頂?shù)讖?fù)吹爐吹煉渣經(jīng)過熔煉爐貧化后，渣含銅控制在0.5%以下，熔煉爐設(shè)置一段沉降熔池，從而滿足冰銅和渣的沉降分離。

3 結(jié)語

頂?shù)讖?fù)吹爐工藝模型是為了滿足冰銅連續(xù)吹煉而創(chuàng)建的一種冶煉工藝模型，由與篇幅有限，很多地方?jīng)]有展開說明，在此深表歉意。另外，頂?shù)讖?fù)吹爐冰銅連續(xù)吹煉工藝是一種全新的冰銅吹煉工藝技術(shù)，還有很多參數(shù)需要實(shí)踐去檢驗(yàn)和論證，因此，需要持續(xù)不斷去改進(jìn)和完善，為我國銅冶煉技術(shù)提供一些幫助，以滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，提高銅冶煉企業(yè)競爭力。

[1]馬克毅,劉純鵬,何靄平.連續(xù)煉銅多相體系的平衡研究[J].有色金屬,1992 (02).