李江濤 周葉剛

(謙比希銅冶煉有限公司， 北京 100029)

0 前言

銅是不可再生礦產(chǎn)資源，對我國的發(fā)展建設極其重要，是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要原材料，在電氣工業(yè)方面應用更是廣泛[1]。我國既是銅加工工業(yè)大國，也是銅材料消費大國。我國銅礦大多數(shù)是小型礦，銅品位低于世界銅礦的平均值，人均儲量低[2]，銅礦分布相對分散，且開采難度大、開采成本高。銅冶煉主要使用的原料是硫化銅礦和氧化銅礦，傳統(tǒng)的火法煉銅工藝所用的礦料基本上以硫化銅精礦為主，而濕法煉銅工藝則主要使用氧化銅礦[1,3-5]。由于火法煉銅產(chǎn)能大，硫化銅精礦的消耗大，故隨著生產(chǎn)的發(fā)展，硫化銅礦的儲量下降嚴重，而氧化銅礦則因濕法產(chǎn)能小以及冶煉工藝局限等原因相對開采不大，儲量較多。價格方面，基于市場需求和原料屬性，氧化銅礦要比硫化銅礦便宜。

銅火法冶煉能耗高、空氣污染大，但是國內(nèi)外銅冶煉仍然以火法冶煉為主[2]，濕法為輔。如今，隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，我國銅工業(yè)火法冶煉技術正奮力追趕世界一流先進水平，其中艾薩銅熔池熔煉技術自引進后不但在國內(nèi)成熟應用并發(fā)展創(chuàng)新(典型的有西南銅業(yè)、昆鵬銅業(yè)、滇中有色等)[6-7]，取得了良好的經(jīng)濟效益，還推廣應用到中色中鋁合資海外子公司——贊比亞謙比希銅冶煉有限公司(以下簡稱“謙比希”)，同樣取得良好效益。

目前各國節(jié)能環(huán)保的要求不斷提高，我國更是制訂了嚴格明確的目標，因此節(jié)能環(huán)保、降本增益是今后銅火法冶煉發(fā)展的核心。這就需要從各相關環(huán)節(jié)著手，研究促進銅火法冶煉加工的方式方法，不斷提高改進、增創(chuàng)效益。艾薩銅熔池熔煉工藝中，入爐礦料大多由單一硫化礦加各種輔料配比組成，原料結構和生產(chǎn)的局限性較大。本文研究了入爐精礦所含主要元素及成分對艾薩銅熔池熔煉的影響，結合生產(chǎn)實際對比單一硫化礦與硫化礦加氧化礦聯(lián)合配料模式，以尋求更符合、更利于艾薩銅熔煉的優(yōu)化配料模式。

1 入爐銅精礦各主要元素及成分的作用

在艾薩熔池熔煉工藝中，入爐銅精礦中最主要的元素及成分是Cu、Fe、S、SiO2，它們四者的含量超過了總量的83%。原料中的Cu與部分Fe、S在熔煉過程中生成銅锍，少量Cu則因夾帶而進入爐渣中損失；所有SiO2與部分Fe反應造渣[8]。

大部分S在反應后生成SO2，并釋放大量熱能，為艾薩熔煉提供所需熱量，SO2則輸送至制酸工序回收生產(chǎn)硫酸。在生產(chǎn)中，S含量的高低不僅是控制艾薩爐熔煉溫度及能耗的關鍵，也是影響硫酸系統(tǒng)的生產(chǎn)從而影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)能的關鍵因素：

1)當入爐料中S含量過低時，自身反應所產(chǎn)生的熱量較少，需要補加較多的煤和燃油，才能夠提供艾薩爐熔煉所需的熱量，直接增加能耗和成本，還會導致熔煉系統(tǒng)的溫度波動較大，操作不易控制，對熔煉工序和鍋爐造成很大影響，還會增加煙氣中單質硫的析出量，加大對硫酸系統(tǒng)的負面影響。

2)當入爐料中S含量過高時，自身反應所產(chǎn)生的熱量過多，導致熔煉系統(tǒng)溫度過高，對熔煉工序和鍋爐造成很大影響，煙氣中升華硫的含量同步增加，給硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)帶來了很大的困擾[9]，嚴重時會導致生產(chǎn)壓料、減料，限制產(chǎn)能。此外，當入爐料中S含量過高時，煙氣中的SO2濃度也會隨之升高，加大硫酸系統(tǒng)的生產(chǎn)壓力，而實際生產(chǎn)中需要通過轉爐搖爐措施降低煙氣濃度，既耽誤生產(chǎn)又給生產(chǎn)環(huán)境帶來負擔。

若所用原料以高硫銅精礦為主，其中所含的SiO2往往很低，若要滿足熔煉工藝的需求，則需要補加石英砂。而過多石英砂的加入則可能會導致以下問題的發(fā)生：

1)石英砂不含銅，配入后必然導致入爐料中銅品位的降低，在流程處理能力一定的條件下，就意味著銅的實際產(chǎn)量下降。

2)加入的石英砂需要消耗熱能來促使反應發(fā)生，造成能耗上升。

3)石英砂入爐后最終隨爐渣排走，導致爐渣量增加，在渣含銅量一定時，渣量的增加就意味著爐渣夾帶的金屬銅損失增加，降低冶煉的直收率。此外，渣量的增加還直接導致堆存成本、爐渣中銅的貧化回收成本增加，以及生產(chǎn)勞動和土地占用增加。

綜上所述，當原料結構中Cu、Fe、S、SiO2組成不合理時，雖然能通過添加其他輔料來滿足生產(chǎn)，但卻會出現(xiàn)成本增加、影響其他生產(chǎn)系統(tǒng)、增加能耗和環(huán)保壓力等問題，同時原料采購受到限制。銅熔煉中單純考慮某一元素的含量意義不大[10]，當生產(chǎn)工藝所需銅锍品位和渣型在控制范圍內(nèi)時，綜合考慮4種元素及成分的配比才能達到熔煉工藝所需的最優(yōu)條件。

2 兩種配料模式對熔煉的影響

本文結合謙比希和四川某公司的生產(chǎn)實踐，對比分析單一硫化銅礦配料模式與硫化銅礦加氧化銅礦聯(lián)合配料模式對艾薩熔煉的影響。在配料計算中，以典型的硫化銅礦和氧化銅礦為原料，按工藝需求設定目標銅锍品位與渣型結構，在工藝操作調節(jié)范圍內(nèi)以盡可能少補加石英砂和煤為優(yōu)先原則，然后計算各種原料、輔料的配合比例，當生產(chǎn)處于最大下料能力、最低能耗、最低輔料的平衡點時，該綜合成分就是最優(yōu)配料比例。

硫化銅礦和氧化銅礦所涉及造锍熔煉和造渣的主要反應如下[1,8]：

2CuFeS2+5/2O2=Cu2S·FeS+FeO+2SO2

(1)

2CuS+O2=Cu2S+SO2

(2)

FeS+3/2O2=FeO+SO2

(3)

FeS2+5/2O2=FeO+2SO2

(4)

Cu2(OH)2CO3→2CuO+CO2+H2O

(5)

Cu2O+FeS=Cu2S+FeO

(6)

2FeO+SiO2=2FeO·SiO2

(7)

2.1 單一硫化礦配料模式

當原料使用單一硫化銅精礦或絕大部分是硫化銅精礦時，需要配入較大比例的石英砂。通過冶金計算可以確定石英砂和燃煤與入爐精礦的配比補加量，結果見表1(表中典型硫化銅礦和典型氧化銅礦只列出了Cu、Fe、S、SiO2四個重要組分，其他組分主要是水分和少量其他物質)。

表1 單一硫化礦配料模式 %

該方案的優(yōu)點是燃煤配比補加量較小，可節(jié)約燃煤用量，但其負面影響更明顯，主要如下：

1)配加輔料后，入爐精礦綜合含銅品位下降了1.9%，8.3%的石英砂配比補加量是造成入爐精礦銅品位下降的主要原因。銅品位的明顯下降導致流程下料量固定時銅的最終產(chǎn)量下降，進而導致噸銅加工成本上升。

2)石英砂的大量加入還會造成渣量的明顯增加，而渣量的增加會使因爐渣中夾帶損失的銅更多，降低冶煉直收收率，而且補加的石英砂石或多或少都會帶入Al2O3、CaO、MgO等雜質，會給熔煉帶來不好的影響。

3)由于綜合含硫量達到了27%，在保持銅锍品位的條件下，需要的理論氧料比較高，在可用氧氣量受限時，艾薩爐下料量需下調。含硫量偏高，也必然使煙氣中的升華硫含量增加，對硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)造成很不好的影響，而且當轉爐吹煉過程中煙氣中的含硫濃度波動到上限時，硫酸系統(tǒng)入口煙氣含硫濃度容易超過可控值，迫使轉爐搖爐以降低煙氣含硫量，從而延長了轉爐吹煉時間，直接降低了轉爐生產(chǎn)能力、送風效率等吹煉指標。

2.2 硫化礦和氧化礦聯(lián)合配料模式

當原料結構以硫化礦為主，搭配部分氧化礦時，由于氧化礦的Fe、S含量低，硅含量高，所需的石英砂配比補加量就比較少。通過冶金計算，兩種銅礦、石英砂和燃煤的配比見表2。

表2 硫化礦與氧化礦聯(lián)合配料模式 %

相比于單一硫化礦的配料模式，該模式的缺點是：配煤比例增加到了1.7%，煤耗增加。但優(yōu)點較多，主要如下：

1)配料后入爐銅精礦的綜合含銅量下降不大。

2)因氧化銅礦為原料提供了較多的SiO2，故可以不加或者僅少量添加石英砂，相比全硫化礦配料模式，既節(jié)約了石英砂，又避免了因外加石英砂造成的渣量增加、渣夾帶銅損失以及帶入Al2O3、CaO、MgO等雜質對熔煉的影響。

3)綜合含硫量降至25.3%，相比全硫化礦配料模式，理論氧料比下降，在相同的氧氣量下，艾薩爐的下料量更高、單位含銅量更高。提高銅锍品位并配合提高轉爐吹煉節(jié)奏，不僅可以提高銅產(chǎn)能，還可以降低實際燃煤配比補加量。

4)若控制得當，不僅銅锍品位能夠提高，而且更多的硫從艾薩爐中脫除進入煙氣。因艾薩爐煙氣連續(xù)穩(wěn)定，波動大的轉爐煙氣在總煙氣量中的占有權重降低，硫酸入口煙氣的波動也會降低，既減少因調控煙氣波動而造成的轉爐搖爐情況，又給硫酸系統(tǒng)的生產(chǎn)提供穩(wěn)定良好煙氣輸送。在實際生產(chǎn)中，當入爐料含硫量約為25%時，很少會出現(xiàn)轉爐搖爐的情況。

2.3 實際生產(chǎn)對比

在現(xiàn)有流程基礎條件下，綜合計算上述兩種配料模式下的流程處理量、固定成本、變動成本，得出兩種模式下的銅、硫酸單位生產(chǎn)成本。以單一硫化礦條件下的配料模式為基準得到的兩種配料模式下的生產(chǎn)效率對比見表3。表4是生產(chǎn)中部分時段配入氧化礦前后的實際下料量、主要元素含量和輔料配比的對比。

表3 兩種配料模式下的生產(chǎn)效率對比(全硫化礦模式取基準100)

表4 配入氧化礦前后的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

從表3可看出，硫化礦聯(lián)合氧化礦的優(yōu)化配料模式的流程生產(chǎn)能力明顯高于單一硫化礦的配料模式，銅和硫酸的綜合單位成本都明顯下降。從表4可看出，配入合理比例的氧化礦后，配砂量大幅下降，單位時間下料量顯著增加，入爐料銅品位升高1.6%，而含硫量降低0.4%，雖然幅度較小，但在優(yōu)化實行加快轉爐吹煉節(jié)奏、提高銅锍品位等操作后，配煤量下降，產(chǎn)量卻更高，可見優(yōu)化配料后入爐礦料結夠更加合理， 真正做到節(jié)能增效、降本增益。

3 結束語

綜上所述，在硫化礦中配入適量的氧化礦，可使原料綜合Fe、S、SiO2含量更接近生產(chǎn)工藝需求，可減少輔料的使用，促進熔煉生產(chǎn)潛力的挖掘開發(fā)，加快熔煉及吹煉環(huán)節(jié)的生產(chǎn)節(jié)奏，增加流程產(chǎn)量，提高工藝平衡匹配，減少冶煉過程中熱能浪費，降低能耗，既發(fā)揮工藝流程更高的效率，又降低綜合成本，能創(chuàng)造更多經(jīng)濟效益。