張理勤,俞 偉,黃 進(jìn),王曉春,謝 云,楊俊奎

(青海銅業(yè)有限責(zé)任公司,青海西寧810000)

銅锍底吹吹煉技術(shù)是近些年發(fā)展起來的煉銅技術(shù),因其具有原料適應(yīng)性強、連續(xù)進(jìn)料、低空污染小、動力學(xué)反應(yīng)充分等優(yōu)勢,成為目前銅冶煉的一種發(fā)展趨勢[1]。銅锍底吹吹煉技術(shù)采用的原料有全熱料、冷熱混合料和全冷料工藝,不同的原料工藝爐內(nèi)熱平衡不同,所以富氧濃度也不一樣。

已投產(chǎn)的包頭華鼎銅業(yè)、河南靈寶冶煉有限公司采用冷熱混合加料工藝,富氧濃度控制在25%～28%之間,氧槍壽命在30～40 d 之間。青海銅業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡稱“青海銅業(yè)”)是國內(nèi)第一家采用全冷料連續(xù)吹煉造銅工藝的冶煉企業(yè),熔煉爐液態(tài)銅锍經(jīng)冷卻破碎后經(jīng)鱗板輸送機輸送至皮帶再進(jìn)入底吹吹煉爐。由于該工藝采用全冷料進(jìn)料方式,故爐內(nèi)熱平衡容易控制,有效避免了吹煉爐因爐內(nèi)溫度操控不當(dāng)、渣型控制不當(dāng)而導(dǎo)致的噴爐現(xiàn)象。青海銅業(yè)吹煉爐規(guī)格為Φ4 m ×20 m,內(nèi)襯460 mm厚鎂鉻磚,設(shè)計11 支單排氧槍(氧槍角度15°),銅口、渣口分別設(shè)在爐體東西端頭。

富氧濃度主要是控制入爐氣體流量和氧氣濃度,本文從富氧濃度對氧槍壽命和富氧濃度對不同原料工藝銅冶煉的影響進(jìn)行闡述,以期為同行提供參考。

1 富氧濃度對氧槍壽命及爐壽的影響

1.1 生產(chǎn)基本情況

青海銅業(yè)底吹吹煉爐氧槍設(shè)計有11 支,現(xiàn)使用7 支(2#渣口,3#、4#、5#、9#、10#、11#銅口),外管采用氮氣保護(hù),內(nèi)管通入壓縮空氣和氧氣的混合氣體。生產(chǎn)過程中氧濃度在36%～43%之間進(jìn)行調(diào)整。

在不同氧濃度條件下,保持氧槍壓力0.9～1.1 MPa、投料量19～22 t/h,吹煉爐轉(zhuǎn)爐時間為3 d/次的條件下,分析氧濃度對氧槍壽命的影響。當(dāng)氧濃度控制在40%～43%時,氧槍燒損嚴(yán)重,氧槍端頭呈現(xiàn)火紅狀;當(dāng)氧濃度控制在37%～39%之間時,氧槍燒損程度變輕,氧槍端頭呈現(xiàn)暗紅狀;當(dāng)氧濃度控制在34%～36%之間時,氧槍基本無燒損,僅出現(xiàn)部分堵塞現(xiàn)象,端頭基本呈現(xiàn)氧槍本色,無火紅狀及暗紅狀。不同氧濃度條件下氧槍燒損程度見圖1。

圖1 不同氧濃度條件下氧槍燒損程度

1.2 影響氧槍壽命的影響因素及改進(jìn)措施

氧槍的燒損情況與蘑菇頭有重要關(guān)系。處于熱力學(xué)、動力學(xué)平衡狀態(tài)的“蘑菇頭”大小合適時不僅能保證送氣量,還能保護(hù)和延長氧槍壽命[2]。氧槍端頭穩(wěn)定蘑菇頭的長成與氣體流量有直接關(guān)系,隨著氧濃度減小,氧槍通過的氣體總流量增大,氣體帶入爐內(nèi)的冷空氣增多,有利于滿足蘑菇頭穩(wěn)定生成的熱力學(xué)平衡條件,能生成孔隙率、大小合適的蘑菇頭,保護(hù)氧槍。

青海銅業(yè)使用的氧槍直徑為φ51 mm,氧槍內(nèi)管留有10 個通氣孔道,單支氧槍氣體通量為800 Nm3/h。當(dāng)有效通氣面積減小時,氧槍氣體壓力增大,氧槍蘑菇頭生長不規(guī)則,無法滿足蘑菇頭穩(wěn)定生成的條件,氧槍易堵塞、燒損[3],同時,還會造成吹煉爐產(chǎn)能受限;另外,高壓氣體使得爐內(nèi)動力學(xué)條件過于劇烈,易造成爐襯侵蝕嚴(yán)重、下料口噴濺等問題。

氧槍蘑菇頭生長不規(guī)則,蘑菇頭細(xì)長,使得富氧氣體的穿透區(qū)縮短,會引起液面攪動強烈、噴濺嚴(yán)重、沖刷爐頂,造成渣線區(qū)域、爐頂區(qū)域爐磚侵蝕嚴(yán)重等問題[4]。青海銅業(yè)吹煉爐于2018年7月份開爐生產(chǎn),2019年1月份下料口區(qū)域由于爐頂磚高溫侵蝕、爐殼發(fā)紅,被迫停產(chǎn)檢修;2019年4月份由于氧槍區(qū)域、爐頂區(qū)域爐磚侵蝕嚴(yán)重,爐殼發(fā)紅再次停爐中修,重新砌筑耐火磚。

針對上述問題,青海銅業(yè)通過改變氧槍通氣管道的數(shù)量對氧槍進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后的單支氧槍氣體通量為1 700 Nm3/h,降低了富氧濃度,增大了氧槍流量,創(chuàng)造了滿足蘑菇頭穩(wěn)定生成的條件。便于技術(shù)操作人員在氧槍氣體壓力、富氧濃度、氣體流量、熱平衡四者之間尋求最佳的平衡點,延長氧槍壽命,減緩由于蘑菇頭不規(guī)則、氧槍燒損、氣體壓力過高而引發(fā)的爐襯侵蝕問題[5]。改進(jìn)后的氧槍燒損情況逐步改善,蘑菇頭形狀逐漸趨于規(guī)則,氧槍使用壽命提升,爐體有效運轉(zhuǎn)率提高。氧槍改進(jìn)前后相關(guān)參數(shù)對比見表1;氧槍改進(jìn)前后的蘑菇頭形狀對比見圖2。

圖2 氧槍改進(jìn)前后的蘑菇頭形狀對比

表1 氧槍改進(jìn)前后相關(guān)參數(shù)對比表

2 富氧濃度對“三相”厚度的影響

2.1 吹煉基本反應(yīng)原理

富氧濃度的改變直接影響爐內(nèi)熱平衡,氧濃越高,熱力學(xué)反應(yīng)越激烈。硫化物反應(yīng)ΔGθ-T關(guān)系圖如圖3所示[6]。

圖3 硫化物與氧化物反應(yīng)的ΔGθ-T 關(guān)系圖

根據(jù)熱力學(xué)平衡圖,銅锍反應(yīng)首先是FeS 氧化,當(dāng)銅锍中的FeS 被氧化至含F(xiàn)e 1%以下時,Cu2S 才會被氧化造銅[7],具體化學(xué)反應(yīng)見式(1)～(4)。

2.2 富氧濃度對三相的影響

在生產(chǎn)過程中,三相自爐體底部至熔液表面依次為粗銅相、銅锍相、渣相。生產(chǎn)初期富氧濃度控制在38%左右,投料量穩(wěn)定在20 t/h 左右,粗銅層約500～600 mm、銅锍層200～300 mm、渣層250～350 mm。由于爐頂定量給料秤計量失衡,造成實際入爐物料偏大,爐內(nèi)溫度偏低。為保證順利放渣,提高爐內(nèi)冶煉溫度,在實際操作過程中,常提高富氧濃度至45%左右,此時造成爐內(nèi)泡沫渣增多,粗銅過吹,吹煉渣含銅偏高。

由于富氧濃度的變化,銅锍入爐量與爐內(nèi)銅锍反應(yīng)速率之間的動態(tài)平衡被打破[8],此時由于熱力學(xué)反應(yīng)劇烈,富氧氣體穿透粗銅層與銅锍層促使反應(yīng)速率加快,銅锍層逐漸變薄最終消失。隨著銅锍層消失,富氧氣體直接穿透粗銅層作用于渣層,此時渣層氧勢升高,銅锍中的FeS 大量被氧化成磁性渣,造成爐內(nèi)泡沫渣增多。為避免爐內(nèi)因磁性渣的增多而引起噴爐的危險,塊煤的投入量由0.3 t/h 增加至0.5 t/h,使得生產(chǎn)成本上升。另一方面,由于銅锍層的消失,爐內(nèi)粗銅沉降過度區(qū)變短甚至消失,磁性渣的增多引起渣性發(fā)黏,造成渣銅不分,最終引起渣口放渣時帶出大量的粗銅,在渣包包底形成大量的包底銅,平均品位達(dá)到94%,造成吹煉爐直收率不到90%。兩相操作時渣包包底銅形貌如圖4所示。

圖4 渣包包底銅形貌

為重新恢復(fù)至三相操作的動態(tài)平衡狀態(tài),首先需要保證爐頂定量給料秤的穩(wěn)定,控制合適的氧料比,保證粗銅品位。另一方面,保持爐內(nèi)粗銅層在500～600 mm,降低富氧濃度至34%～35%,降低爐內(nèi)反應(yīng)速率,穩(wěn)定操作。每小時從三相測量口測量一次液位,根據(jù)銅锍層生成情況逐步調(diào)整工藝操作。待銅锍層厚度達(dá)到200～300 mm 時,提高富氧濃度至38%左右,穩(wěn)定操作,保持爐內(nèi)動態(tài)平衡。重新恢復(fù)三相操作后,現(xiàn)階段粗銅層厚度600～700 mm,銅锍層200～250 mm,渣層150～250 mm。

3 富氧濃度對冷、熱態(tài)銅锍吹煉的影響

3.1 冷、熱態(tài)銅锍吹煉的區(qū)別

冷、熱態(tài)銅锍在冶煉過程中主要有兩方面的不同,一方面表現(xiàn)為冶煉成本,另一方面表現(xiàn)為工藝控制難易程度。

青海銅業(yè)采用冷態(tài)銅锍入爐操作,期間熱態(tài)銅锍經(jīng)渣包運輸至緩冷場自然緩冷10 h,再水冷50 h,然后經(jīng)三級破碎后經(jīng)皮帶輸送入爐。冷態(tài)銅锍入爐操作會造成低空污染,而且增加了水處理、破碎、人工、渣包運輸及維護(hù)、渣包車的維護(hù)及購置等各項成本,還會造成銅锍熱量損失。但冷態(tài)銅锍入爐可以最大限度地避免吹煉爐因熱平衡控制不穩(wěn)而導(dǎo)致的工藝控制方面的安全隱患。

熱態(tài)銅锍入爐可以節(jié)約以上各項成本,但對冶煉工藝控制要求更精準(zhǔn),提升了對技術(shù)人員素質(zhì)的要求。

3.2 冷、熱態(tài)銅锍吹煉富氧的控制

冷、熱態(tài)銅锍吹煉過程中,冷態(tài)銅锍可以通過定量給料秤準(zhǔn)確計量下料量,熱態(tài)銅锍可通過銅锍產(chǎn)率計算銅锍量,因而在保持合適的氧料比的情況下對吹煉渣含銅、粗銅品位等方面基本無影響[9]。

對爐內(nèi)熱平衡的精準(zhǔn)控制、熱平衡的調(diào)節(jié)主要通過富氧濃度調(diào)控。冷態(tài)銅锍因入爐后熔化會吸熱,因此為保證與熱態(tài)銅锍同樣的反應(yīng)速率,需較高的富氧濃度[10]。較高的富氧濃度促使反應(yīng)向右加速進(jìn)行,同時減少了煙氣帶走的熱量,為冷態(tài)銅锍熔化、反應(yīng)提供了較多的熱量[11],一般控制富氧濃度在36%～38%之間。熱態(tài)銅锍入爐本身帶有大量的熱量,入爐后增加了爐內(nèi)熱量,直接參與氧化反應(yīng),此時反應(yīng)迅速,應(yīng)降低富氧濃度,一般控制在28%～30%之間。當(dāng)熱態(tài)銅锍停止入爐5～10 min后可適當(dāng)提高富氧濃度2%～3%,避免因爐內(nèi)熱平衡瞬間被打破而造成平衡失控,進(jìn)而引發(fā)冒爐甚至噴爐,應(yīng)逐步提高氧濃,平穩(wěn)過渡至穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)改進(jìn)氧槍結(jié)構(gòu)可延長氧槍壽命,提高開工率。由于氧槍磚限制,吹煉爐單只氧槍有效通氣面積小,使用氧槍數(shù)量多,易引起吹煉爐氧槍堵塞、損壞,更換氧槍時間較長。提高單只氧槍的有效通量、減少氧槍使用數(shù)量、控制富氧濃度36%～38%,是延長氧槍壽命、縮短停爐更換氧槍時間的重要措施。

2)控制合理的富氧濃度,采用三相操作進(jìn)行生產(chǎn)有利于提高銅的直收率,降低生產(chǎn)成本。三相厚度對于控制粗銅品位、渣銅分離有其重要的意義,通過合理的富氧濃度控制合適的三相厚度:粗銅層500～600 mm、銅锍層200～300 mm、渣層250～350 mm,確保吹煉爐各項生產(chǎn)指標(biāo)合格。

3)對于不同的冷熱比例的銅锍原料,控制不同的富氧濃度,可滿足爐內(nèi)熱平衡條件。不同的富氧濃度對于爐內(nèi)熱平衡有不同的影響,建議冷態(tài)銅锍吹煉、熱態(tài)銅锍吹煉、冷熱態(tài)銅锍混合吹煉分別對應(yīng)的富氧濃度為36%～38%、28%～32%、31%～34%,具體控制條件應(yīng)視生產(chǎn)情況而定。