張俊峰，王 雷

(1.山東恒邦冶煉股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264109；2.中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

隨著黃金和金屬銅的需求越來(lái)越大，加速了全球金銅精礦資源的開(kāi)發(fā)和利用，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)金銅精礦越來(lái)越少，復(fù)雜金銅精礦資源越來(lái)越受到各國(guó)研究學(xué)者的關(guān)注，其中含砷復(fù)雜金銅精礦已成為許多國(guó)家黃金和金屬銅資源的重要來(lái)源之一。

梁高喜等[1]介紹了中原冶煉廠采用富氧底吹造锍捕金工藝處理復(fù)雜高砷、鉛混合金銅精礦的主體設(shè)備和工藝流程及生產(chǎn)運(yùn)行情況，解決了生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的放渣困難、氧槍易損壞、煙灰輸送困難等問(wèn)題；通過(guò)近2年的生產(chǎn)實(shí)踐表明：在精礦處理量大幅度提高的情況下，富氧底吹造锍捕金工藝能有效提高金、銀、銅的回收率。曲勝利等[2]簡(jiǎn)述了富氧底吹造锍捕金技術(shù)處理復(fù)雜精礦的生產(chǎn)實(shí)踐，介紹了該技術(shù)的工藝特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)比較了目前國(guó)內(nèi)兩臺(tái)煉銅底吹爐的氧槍、下料口、測(cè)量口、傳動(dòng)裝置、放銅口、放渣口高度等異同之處，并就其設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)題及改進(jìn)進(jìn)行了探討。含砷金銅精礦在熔煉過(guò)程中的脫砷是利用銅對(duì)氧的親合力比砷對(duì)氧的親合力小的原理，把富氧空氣通入熔體，使銅先氧化成氧化亞銅后再與砷反應(yīng)而脫砷[3]。脫砷過(guò)程中，熔體內(nèi)氧化亞銅達(dá)到飽和狀態(tài)所需的時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)砷一部分生成氧化砷揮發(fā)，一部分形成亞砷酸銅和砷酸銅溶于熔體中，高溫下對(duì)爐體耐火材料腐蝕嚴(yán)重，造成爐體耐火材料使用壽命短、消耗高等問(wèn)題[4-5]。因此，優(yōu)化冶煉技術(shù)和裝備改造是降低砷對(duì)冶煉設(shè)備腐蝕的重要環(huán)節(jié)。

采用火法冶金技術(shù)處理含砷復(fù)雜金銅精礦主要有富氧底吹熔煉技術(shù)和富氧側(cè)吹熔煉技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)氧勢(shì)高，使得雜質(zhì)更利于氧化脫除，砷脫除率高。但富氧底吹爐漏風(fēng)量大，造成煙氣中三氧化硫含量高，后續(xù)煙氣無(wú)法直接進(jìn)行噴水降溫收砷，需要噴入三氧化硫吸收劑，再進(jìn)行驟冷收砷，得到的三氧化二砷品位較低[6]。且底吹爐渣含銅較高，一般大于3.5%，銅及金銀直收率低，經(jīng)濟(jì)效益不是很理想。

目前富氧底吹熔煉處理含砷復(fù)雜金銅精礦報(bào)道較多，而富氧側(cè)吹熔煉處理含砷復(fù)雜金銅精礦報(bào)道較少，本文介紹了山東某冶煉企業(yè)采用富氧側(cè)吹熔煉技術(shù)處理含砷復(fù)雜金銅精礦的生產(chǎn)實(shí)踐。

1 生產(chǎn)工藝

1.1 原料

山東某冶煉公司側(cè)吹爐主要處理含砷復(fù)雜金銅精礦，主要元素分析結(jié)果如表1所示。

表1 側(cè)吹爐原料主要化學(xué)成分 %

1.2 工藝流程

混合物料經(jīng)移動(dòng)皮帶輸送到側(cè)吹爐，空氣和氧氣混合形成富氧空氣輸送至側(cè)吹爐內(nèi)，熔煉產(chǎn)出爐渣和符合轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的銅锍，煙氣經(jīng)余熱鍋爐產(chǎn)出的煙塵返回配料處理，經(jīng)過(guò)電除塵器產(chǎn)生的煙灰進(jìn)入壓濾工序處理，除塵后的煙氣輸送到硫酸車間進(jìn)行制酸。銅锍經(jīng)溜槽進(jìn)入銅锍包，再轉(zhuǎn)運(yùn)到轉(zhuǎn)爐進(jìn)行吹煉除雜產(chǎn)出粗銅，放渣和放銅過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)集煙氣經(jīng)過(guò)環(huán)保風(fēng)機(jī)輸送至離子液脫硫系統(tǒng)處理。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

1.3 主要反應(yīng)機(jī)理

富氧側(cè)吹熔煉過(guò)程主要分為化合物分解、硫化物氧化、造锍反應(yīng)和造渣反應(yīng)。化合物分解反應(yīng)見(jiàn)式(1)～(4)；硫化物氧化反應(yīng)見(jiàn)式(5)～(9)；造锍反應(yīng)見(jiàn)式(10)～(11)；造渣反應(yīng)見(jiàn)式(12)～(13)。

1.4 主體設(shè)備

山東某冶煉企業(yè)富氧側(cè)吹處理含砷復(fù)雜金銅精礦的關(guān)鍵設(shè)備是側(cè)吹爐，2018年10月正式投料，現(xiàn)年處理含砷復(fù)雜金銅精礦60 萬(wàn)t，是全球首家實(shí)現(xiàn)側(cè)吹熔煉煙氣收砷的系統(tǒng)。側(cè)吹爐規(guī)格為25 m2，設(shè)有高渣口和低渣口，高渣口規(guī)格為250 mm×370 mm，高度為1.78 m；低渣口規(guī)格為155 mm×155 mm，高度為1.07 m；放銅口規(guī)格為192 mm×325 mm，高度為1.47 m，側(cè)吹爐結(jié)構(gòu)立面圖如圖2所示。與側(cè)吹爐配套的主要附屬設(shè)備有35 t/h 蒸汽量的余熱鍋爐及80 m2電收塵設(shè)備等。

圖2 側(cè)吹爐結(jié)構(gòu)立面圖

2 生產(chǎn)實(shí)踐及技術(shù)優(yōu)化

2.1 主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

富氧側(cè)吹爐在熔煉過(guò)程中需要控制富氧濃度、渣中Fe/SiO2、工業(yè)氧料比、銅锍品位、返料配入量、電塵出口煙氣氧氣和一氧化碳含量、渣率和銅锍率等關(guān)鍵工藝參數(shù)，詳見(jiàn)表2。

表2 主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.2.1 可處理含砷較高的復(fù)雜銅精礦

江西銅業(yè)集團(tuán)貴溪冶煉廠采用奧托昆普閃速熔煉工藝處理復(fù)雜銅精礦，兩套系統(tǒng)原料中的砷控制在0.5%以下才能正常生產(chǎn)[7]；河南豫光金鉛集團(tuán)有限公司底吹連續(xù)煉銅工藝要確保最終產(chǎn)品的砷含量控制在要求范圍內(nèi)，必須控制銅锍含砷≤0.5%[8]；云南錫業(yè)股份有限公司銅業(yè)分公司銅精礦雙頂吹冶煉工藝的入爐含砷量要求控制為0.58%[9]。而采用側(cè)吹熔煉系統(tǒng)在正常生產(chǎn)情況下，原料中的砷可配至1.0%～1.5%，如表1所示。砷經(jīng)高溫熔煉進(jìn)入煙氣，可直接經(jīng)驟冷回收三氧化二砷。

2.2.2 金屬直收率高

山東某冶煉企業(yè)采用富氧側(cè)吹熔煉和富氧底吹熔煉兩套系統(tǒng)處理含砷金銅精礦，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，富氧側(cè)吹熔煉系統(tǒng)的金屬直收率明顯高于富氧底吹熔煉系統(tǒng)，見(jiàn)表3。

表3 金屬直收率對(duì)比 %

由表3可以看出，側(cè)吹熔煉系統(tǒng)Au、Ag 和Cu的直收率明顯高于底吹熔煉系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)除熔煉爐不同外，其余設(shè)備(轉(zhuǎn)爐、陽(yáng)極爐等)基本一樣。因此，側(cè)吹熔煉系統(tǒng)金屬直收率高的主要原因是側(cè)吹爐渣含銅低，一般含銅0.5%～1.0%，而底吹爐渣含銅3.0%～4.0%。底吹爐渣含銅較高，是底吹爐沉降區(qū)沉降時(shí)間短所致[10]，這是底吹爐自身特點(diǎn)決定的，難以調(diào)節(jié)。

2.2.3 煙氣收砷品位高

富氧底吹爐或側(cè)吹爐出口煙氣溫度高達(dá)950 ℃以上，依次經(jīng)過(guò)余熱鍋爐、電收塵、驟冷收砷和制酸系統(tǒng)。底吹爐系統(tǒng)因漏風(fēng)量大導(dǎo)致煙氣中殘氧量高，在經(jīng)過(guò)余熱鍋爐過(guò)程中煙氣中的二氧化硫在煙塵(氧化鐵等氧化物)催化作用下生成三氧化硫，導(dǎo)致煙氣露點(diǎn)高，后續(xù)收砷前必須先除去煙氣中的三氧化硫，通常需要噴入石灰水、氫氧化鈉溶液等除硫劑，造成收集到的三氧化二砷含有大量Na、Ca 等鹽類雜質(zhì)，三氧化二砷品位只有60%～80%。側(cè)吹熔煉系統(tǒng)漏風(fēng)量小，煙氣中的三氧化硫含量低，煙氣露點(diǎn)低，驟冷收砷時(shí)可以直接進(jìn)行噴水降溫收砷，得到的粗三氧化二砷品位在95%以上。

在當(dāng)今的銅火法冶煉工藝中，側(cè)吹熔煉以其原料適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、煙塵排放量少、渣中銅殘留量低等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用。特別是隨著入爐銅礦品位逐漸降低、伴生礦比例上升、雜質(zhì)含量高、銅礦原料不斷貧化現(xiàn)狀的加劇，今后側(cè)吹熔煉的優(yōu)勢(shì)還將進(jìn)一步得到顯現(xiàn)。

2.3 工藝優(yōu)化

富氧側(cè)吹系統(tǒng)生產(chǎn)初期，處理的含砷復(fù)雜金銅精礦量不理想，輔助生產(chǎn)設(shè)施故障頻發(fā)，在進(jìn)行優(yōu)化改造后，生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行，產(chǎn)量提高，主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)明顯好轉(zhuǎn)。具體改進(jìn)措施如下所述。

1)物料銅品位低，渣量大。側(cè)吹爐產(chǎn)生的熔煉渣采用溜槽直接流入火車渣包中，原來(lái)設(shè)計(jì)單條火車道，單條放渣通道。隨著投礦量的增加，原設(shè)計(jì)側(cè)吹爐已不能滿足生產(chǎn)需要，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，設(shè)計(jì)熔煉渣產(chǎn)量達(dá)到1 200 t/d，單條放渣通道已不能滿足生產(chǎn)需求，因此在不影響熔煉放渣的前提下，通過(guò)增加雙火車道，利用翻轉(zhuǎn)溜槽將單條放渣通道改為雙條放渣通道，翻轉(zhuǎn)溜槽可在兩條放渣通道隨時(shí)切換，放渣量由原來(lái)25 t/h增加至46 t/h，為富氧側(cè)吹熔煉系統(tǒng)擴(kuò)能提產(chǎn)提供保障。

2)銅池及渣池頂部鉻剛玉澆筑料距下部熔體距離近，使用壽命短。原設(shè)計(jì)銅池及渣池頂部為一次澆筑成型的固定爐頂，因頂部鉻剛玉澆筑料靠近下部熔池區(qū)域，所處環(huán)境溫度高，腐蝕性強(qiáng)，導(dǎo)致頂部鉻剛玉澆筑料使用壽命短，且銅池及渣池區(qū)域在停車檢修時(shí)需要將爐頂進(jìn)行拆除，然后重新砌筑，浪費(fèi)大量材料和人力。停車檢修期間，將銅池及渣池爐頂改為活動(dòng)水套，減少檢修次數(shù)，延長(zhǎng)了銅池和渣池爐頂使用壽命。活動(dòng)水套中按照工藝要求預(yù)留測(cè)量孔、燃燒器孔，測(cè)量孔用來(lái)測(cè)量銅池和渣池的液位，燃燒器起到對(duì)銅池和渣池進(jìn)行保溫的作用。

3)氧勢(shì)高，易產(chǎn)生泡沫渣，存在冒爐風(fēng)險(xiǎn)。泡沫渣產(chǎn)生的原因分為內(nèi)因和外因：內(nèi)因是由熔渣的性質(zhì)決定的，比如熔渣黏度、表面張力和溫度等；外因主要是熔渣中存在氣體[11]。富氧側(cè)吹氧濃為80%～85%，氧勢(shì)高，在側(cè)吹爐內(nèi)氧氣極易與鐵氧化物結(jié)合生成泡沫渣。因此，停車檢修期間，在高于渣池區(qū)域放渣口的側(cè)面增設(shè)了泡沫渣口。當(dāng)熔煉渣過(guò)吹時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫渣，泡沫渣通過(guò)泡沫渣口經(jīng)溜槽流入事故坑，避免了側(cè)吹爐冒爐事故。

4)側(cè)吹爐爐體膨脹監(jiān)測(cè)不到位。隨時(shí)監(jiān)測(cè)側(cè)吹爐爐體膨脹情況是保證側(cè)吹爐正常運(yùn)行的關(guān)鍵。原設(shè)計(jì)側(cè)吹爐每個(gè)拉桿位置內(nèi)部裝有蝶形彈簧，通過(guò)測(cè)量蝶形彈簧的膨脹量，確定爐體的膨脹程度。但直接通過(guò)測(cè)量蝶形彈簧的膨脹量，確定爐體的膨脹程度是不準(zhǔn)確的，存在較大的誤差。停車大修期間，在爐體不同部分設(shè)置頂桿，爐體膨脹量通過(guò)立柱傳到頂桿，通過(guò)測(cè)量頂桿標(biāo)記能夠準(zhǔn)確測(cè)量爐體每個(gè)部位膨脹量。

5)其他工藝優(yōu)化。側(cè)吹爐銅池拱洞是影響側(cè)吹爐正常運(yùn)行的關(guān)鍵部位。銅池液位控制過(guò)低會(huì)使熔煉渣涌向銅池，在銅池放銅口側(cè)面稍高位置增加扒渣口，可以快速將銅池里面的渣人工清理出來(lái)。爐身區(qū)域水套外側(cè)為固定爐殼，根據(jù)爐身水套尺寸將連接的外部殼體由整體改為法蘭連接，方便后期每塊水套直接拆卸。側(cè)吹熔煉爐屬于固定爐，通過(guò)在爐頂不同區(qū)域?qū)俏恢迷O(shè)備觀察孔，能夠方便在爐頂處觀察爐內(nèi)運(yùn)行情況。通過(guò)增加風(fēng)動(dòng)送樣裝置，采用氣力輸送使流程中的樣品能在短時(shí)間內(nèi)送至檢測(cè)部門。原設(shè)計(jì)兩個(gè)100 m3緩沖罐，填充0.2 MPa壓縮空氣作為應(yīng)急風(fēng)，停車大修期間改為兩個(gè)50 m3緩沖罐，填充2.0 MPa 壓縮空氣；延長(zhǎng)送風(fēng)時(shí)間，并與混氧總管進(jìn)行連鎖，將應(yīng)急風(fēng)送風(fēng)時(shí)間由原來(lái)的2 min 提高到6 min，當(dāng)混氧管道壓力低于100 kPa 時(shí)，應(yīng)急風(fēng)及時(shí)送入側(cè)吹爐內(nèi)，有效避免了風(fēng)眼灌渣問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

山東某冶煉企業(yè)具有富氧側(cè)吹熔煉和富氧底吹熔煉兩套系統(tǒng)處理含砷金銅精礦，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，經(jīng)過(guò)優(yōu)化改造后的富氧側(cè)吹熔煉系統(tǒng)明顯優(yōu)于富氧底吹熔煉系統(tǒng)。

1)富氧側(cè)吹熔煉系統(tǒng)可處理含砷較高的復(fù)雜含金銅精礦，金屬直收率明顯高于富氧底吹熔煉系統(tǒng)，銅、金、銀直收率分別達(dá)到93%～95%、90%～95%、90%～95%。

2)富氧側(cè)吹熔煉系統(tǒng)煙氣收砷品位明顯高于富氧底吹熔煉系統(tǒng)。富氧底吹熔煉系統(tǒng)因漏風(fēng)量大導(dǎo)致煙氣中殘氧量高，煙氣中的三氧化硫含量高，三氧化二砷品位只有60%～80%；側(cè)吹熔煉系統(tǒng)漏風(fēng)量小，煙氣中的三氧化硫含量低，驟冷收砷得到的粗三氧化二砷品位在95%以上。

3)富氧側(cè)吹系統(tǒng)生產(chǎn)初期，含砷復(fù)雜金銅精礦處理量低，輔助生產(chǎn)設(shè)施故障頻發(fā)，通過(guò)采取增加放渣通道、將銅池及渣池爐頂改為活動(dòng)水套、增設(shè)泡沫渣口、優(yōu)化爐體檢測(cè)膨脹技術(shù)等措施，生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)，產(chǎn)量提高，主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)明顯好轉(zhuǎn)，可為同行業(yè)采用富氧側(cè)吹系統(tǒng)處理含砷復(fù)雜金銅精礦提供參考。