銅氧化礦的鼓風(fēng)爐還原熔煉

□文/邊瑞民 申殿邦 劉俊江

東營(yíng)方圓有色金屬有限公司

銅氧化礦的鼓風(fēng)爐還原熔煉

Smelting Reduction of Copper Oxide Ore Blast Furnace

□文/邊瑞民 申殿邦 劉俊江

東營(yíng)方圓有色金屬有限公司

本文系統(tǒng)介紹了銅氧化礦采用鼓風(fēng)爐還原熔煉的基本原理、生產(chǎn)過(guò)程、常見(jiàn)故障及其處理方法、合理渣型的探討與建議等。

銅氧化礦還原熔煉工藝原是一項(xiàng)老技術(shù)，而現(xiàn)代銅冶煉工藝幾乎都將處理硫化礦生產(chǎn)技術(shù)作為研究重點(diǎn)。因而銅氧化礦的鼓風(fēng)爐還原熔煉有數(shù)十年無(wú)人研究與應(yīng)用，很少有相關(guān)資料。近年來(lái)，由于非洲礦產(chǎn)的開發(fā)，處理銅氧化礦問(wèn)題又提上新的議事日程。為此，東營(yíng)方圓有色金屬有限公司（以下簡(jiǎn)稱方圓公司）于2006年建設(shè)了一臺(tái)處理銅氧化礦的矩形全水套鼓風(fēng)爐（見(jiàn)圖1），爐體分別有上下水套組成，底部設(shè)有固定式本床。爐料經(jīng)計(jì)量后有加料小車通過(guò)提升機(jī)運(yùn)送到加料平臺(tái)人工上料，打鋼釬或燒氧間斷放渣放銅，爐渣經(jīng)水碎后出售。冷卻水循環(huán)使用，采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)供風(fēng)。煙氣依次經(jīng)沉降冷卻室、漩渦收塵器、U形管冷卻器，使煙氣溫度降低到100℃以下，并使其中的粗塵分離，再通過(guò)離心式引風(fēng)機(jī)進(jìn)入布袋室收塵后達(dá)標(biāo)排空，其工藝流程（見(jiàn)圖2）。爐子系負(fù)壓操作，車間內(nèi)外基本無(wú)煙塵，清潔環(huán)保，勞動(dòng)環(huán)境優(yōu)越。

圖1 銅氧化礦還原熔煉鼓風(fēng)爐

圖2 銅氧化礦還原熔煉流程圖

方圓公司當(dāng)時(shí)尚未建設(shè)銅的粗煉系統(tǒng)，而陽(yáng)極爐產(chǎn)生的精煉渣無(wú)適當(dāng)?shù)脑O(shè)備進(jìn)行處理，只能廉價(jià)出售。銅氧化礦還原熔煉鼓風(fēng)爐建成投產(chǎn)后，將精煉渣以適當(dāng)?shù)谋壤淙胙趸V中處理，效果很好。

該鼓風(fēng)爐的原料主要有兩種，從南非等地進(jìn)口的銅氧化礦以及自產(chǎn)的銅陽(yáng)極爐精煉渣，屬連續(xù)作業(yè)，年開爐時(shí)間330天，處理料量50 000噸，其中銅氧化礦40 000噸，銅精煉渣10 000噸，生產(chǎn)粗銅10 000噸。經(jīng)多年的反復(fù)生產(chǎn)實(shí)踐，技術(shù)條件不斷優(yōu)化，工藝操作日趨成熟。目前，爐子生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)，大幅提高了爐子的作業(yè)率及處理能力，有效降低了生產(chǎn)成本。其主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

一、還原熔煉的基本原理

熔煉時(shí)鼓風(fēng)爐中的爐料逐漸自加料口下降到風(fēng)口帶。含有大量CO的上升氣流與爐料相對(duì)運(yùn)動(dòng)，自150℃時(shí)開始，它將銅的氧化物CuO和Cu2O還原成銅。爐料下降時(shí)，還原的銅顆粒首先熔化，往下就是渣熔化。在風(fēng)口帶全部熔融物都與鼓風(fēng)爐的空氣相遇。部分已還原的銅又被氧化為Cu2O，并以硅酸鹽的形態(tài)轉(zhuǎn)入渣中。在這種情況下獲得的兩種產(chǎn)物，即粗銅和爐渣。銅氧化礦中除銅的氧化物外，尚有其他金屬（如鐵、鉛、砷、銻等）的氧化物，還原熔煉時(shí)，后者不可避免的會(huì)有部分還原，被還原的其它金屬與銅熔合在一起并使銅的品位降低，謂之粗銅。

表1 鼓風(fēng)爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

二、生產(chǎn)過(guò)程

1. 開爐

烘爐:開爐前通過(guò)檢查鼓風(fēng)爐及其附屬裝置等配套系統(tǒng)符合開爐要求后，即可按照工藝要求開始點(diǎn)火烘爐。首先用小木柴文火烘烤爐缸32小時(shí)使其烘透。清除積灰后，第二次點(diǎn)火加入中木柴，并按照小—中—大控制火勢(shì)，繼續(xù)烘烤12小時(shí)。從風(fēng)口觀察爐缸磚體顏色發(fā)紅，即可投入大木柴迅速提高爐溫，最后一批木柴必須加至風(fēng)口區(qū)0.5m以上，并要求木柴平均分布，不準(zhǔn)有高低不平現(xiàn)象。約2小時(shí)后，發(fā)現(xiàn)風(fēng)口木柴基本充分燃燒時(shí)，即可加入底焦，底焦共加2 000kg，分四批加入，待第一批焦炭從風(fēng)口內(nèi)觀察發(fā)紅時(shí)，開始送風(fēng)10～15分鐘，風(fēng)壓100mmHg,接著停風(fēng)悶燒5～10分鐘，再送風(fēng)，等到最后一批焦炭加完后停風(fēng)悶燒10分鐘，再持續(xù)送風(fēng)，風(fēng)壓為150mmHg,并觀察風(fēng)口焦炭燃燒至發(fā)白，從加料口觀察焦炭燃燒至發(fā)紅，火苗全部上齊，便開始投返渣料，即烘爐宣告結(jié)束。投返渣料:一般投入返渣料的數(shù)量為7～10批，每批返渣料的組成為：焦炭200kg，鼓風(fēng)爐旱渣800kg，石灰石45kg，螢石15kg，焦率23%。加返渣料的過(guò)程中，嚴(yán)禁隨意調(diào)動(dòng)風(fēng)閥，應(yīng)使風(fēng)壓隨料柱不斷的提高而自然上升。同時(shí)注意觀察銅口是否有渣子流出，若發(fā)現(xiàn)渣子流出，應(yīng)立即塞入黃泥打進(jìn)鋼釬。當(dāng)從風(fēng)口底部發(fā)現(xiàn)有蘭火苗跳動(dòng)時(shí)，立即從渣口打出鋼釬放渣。返渣料加畢，隨即加入正規(guī)爐料，待正規(guī)爐料加入10批后，開始第一次放銅，至此開爐宣告結(jié)束，即可轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。

表2 主要工藝配方與技術(shù)條件

表3 原料、焦炭、熔劑的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2. 正常生產(chǎn)

鼓風(fēng)爐的正常作業(yè)主要包括加料、排渣與放銅，其工藝操作包括原料、焦炭、熔劑、風(fēng)口、銅口、渣口、料口、料柱、水套等項(xiàng)內(nèi)容。其主要工藝配方與技術(shù)條件見(jiàn)表2。

加料：物料入爐前首先嚴(yán)格按照原料、焦炭、熔劑的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)精心選料，然后依據(jù)工藝配方要求準(zhǔn)確計(jì)量后，分層均勻加入爐內(nèi)，其裝料順序?yàn)榻固俊蹌獱t料。粉料入爐前應(yīng)加適量的水并拌勻。料面要裝成平整的形狀，絕不允許有七高八低的現(xiàn)象。料柱的高低與爐料的透氣性有關(guān)，塊率高、粉料少，則透氣性強(qiáng)，料柱就高一些，反之就低一些。但無(wú)論哪一種情況，爐子的風(fēng)壓與風(fēng)量必須保持穩(wěn)定。原料、焦炭、熔劑的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表3所示：

風(fēng)口：風(fēng)口是鼓風(fēng)爐的眼睛，在生產(chǎn)過(guò)程中，它的狀況優(yōu)劣在一定程度上可標(biāo)志著爐況的好壞。爐況正常時(shí)，打開風(fēng)口蓋板向里窺視，可觀察到風(fēng)口底部有一層均勻的黑色網(wǎng)狀渣殼，殼面上布有發(fā)出白色亮光的小孔。當(dāng)爐況惡化時(shí)，風(fēng)口內(nèi)網(wǎng)狀渣殼厚薄不均，殼面上的小孔發(fā)紅，甚至發(fā)黑，有時(shí)風(fēng)口內(nèi)網(wǎng)狀渣殼消失并出現(xiàn)深棚現(xiàn)象，甚至風(fēng)口結(jié)死，風(fēng)送不進(jìn)去。因此，對(duì)風(fēng)口的管理要時(shí)刻認(rèn)真觀察，發(fā)現(xiàn)病態(tài)應(yīng)及時(shí)處理。

渣口：渣口的操作開始階段是間斷放渣，用黃泥配合鋼釬堵塞。每次放渣時(shí)間一般持續(xù)30分鐘左右，間隔時(shí)間一般控制在15～20分鐘。目前已經(jīng)做到連續(xù)放渣。排出的渣（含銅0.26%～0.60%）經(jīng)水碎后至渣斗，再用叉車運(yùn)送到渣場(chǎng)存放，然后售給水泥廠作原料。

銅口：銅口的管理也是間斷操作，打出鋼釬放銅，個(gè)別時(shí)候也需燒氧放銅，用黃泥配合鋼釬堵塞。放銅的頻率與數(shù)量，是根據(jù)爐料含銅的高低及爐缸盛銅的多少進(jìn)行掌握，每班（8小時(shí)）一般控制在2～5次，其數(shù)量為3～8塊（每塊550Kg左右）。圖4為現(xiàn)場(chǎng)放銅的圖片。

料柱：對(duì)于鼓風(fēng)爐的還原熔煉來(lái)說(shuō)，料柱是熔煉制度的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它的高低主要根據(jù)爐料的物理規(guī)格及化學(xué)成分等狀況來(lái)進(jìn)行調(diào)整，確保風(fēng)壓穩(wěn)定，并使?fàn)t料在爐內(nèi)有一定的停留時(shí)間。由于我公司爐身較高，可根據(jù)爐料粉料的多少和塊率的高低進(jìn)行靈活掌握。在實(shí)際生產(chǎn)中，料柱一般控制在3.2～5.0m。

水套：水套是鼓風(fēng)爐最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部件，方圓公司鼓風(fēng)爐水套是用鍋爐鋼板冷壓焊接制成的。其使用壽命與冷卻水的水質(zhì)及溫度關(guān)系密切，冷卻水的水質(zhì)好，溫度控制得當(dāng)（一般控制在45～55℃），水套的使用壽命就長(zhǎng)，否則易于損壞，甚至發(fā)生安全事故。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中要密切觀察水套的進(jìn)出水情況，確保合格的水質(zhì)與合理的水溫，嚴(yán)禁超壓或缺水。如遇停泵，必須立即打開備用高位水箱冷卻，并相應(yīng)調(diào)低風(fēng)量，防止回水管蒸汽噴射傷人。此外還要定期排污，以防水套結(jié)垢。

3.停爐

短期停爐：方圓公司根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定在兩個(gè)班即16小時(shí)以內(nèi)視為短期停爐。首先將料柱提高0.5m左右，并適當(dāng)提高焦率，然后再停風(fēng)（先停鼓風(fēng)機(jī)、后停引風(fēng)機(jī)）。同時(shí)用黃泥堵嚴(yán)風(fēng)口，并放盡爐內(nèi)的液態(tài)產(chǎn)物，以待恢復(fù)生產(chǎn)。

長(zhǎng)期停爐：首先停止正規(guī)加料，然后加入9～12批返渣料，并適當(dāng)提高焦率進(jìn)行洗爐。此時(shí)應(yīng)繼續(xù)供風(fēng)，直至銅口液態(tài)產(chǎn)物極少并伴有焦炭吹出時(shí)即可停風(fēng)。

三、常見(jiàn)故障及其處理

1.上燃

上燃是氧化礦與精煉渣還原熔煉的常見(jiàn)故障，特別是單煉精煉渣或其比例過(guò)高時(shí)，由于料柱的透氣性太強(qiáng)產(chǎn)生上燃；再就是布料不均勻，形成料柱空洞，也易產(chǎn)生上燃。通常防止和處理的方法是：粉料與塊料合理配搭；加料前對(duì)爐料噴上適量的水分；布料一定要做到均勻。一旦發(fā)生上燃，應(yīng)采取先大幅降低料柱，再快速連續(xù)加到原有高度的措施來(lái)處理。

2.棚料

圖4 放銅現(xiàn)場(chǎng)圖

棚料現(xiàn)象實(shí)際上是高熔點(diǎn)物質(zhì)在風(fēng)口區(qū)上方半熔狀物質(zhì)的堆積與凝結(jié)，從而破壞了正常的爐料下降制度，嚴(yán)重時(shí)可被迫停爐。產(chǎn)生的主要原因有：爐料中MgO、Al2O3、ZnO難熔組分過(guò)多時(shí)生成的鎂尖晶石或鋅尖晶石以固體狀態(tài)析出，使渣的熔點(diǎn)升高、粘度增大；粉料過(guò)多及布料不均，容易引起半容狀物質(zhì)的凝結(jié)；銅精煉渣中耐火料過(guò)多，使渣的熔點(diǎn)升高等。通常處理的方法是：嚴(yán)把進(jìn)料關(guān)，使?fàn)t料中MgO、ZnO含量均控制在1%以下，Al2O3控制在0.5%以下，減少鎂尖晶石或鋅尖晶石等高熔點(diǎn)物質(zhì)的產(chǎn)生；塊礦與粉料合理搭配，提高布料的均勻性，防止?fàn)t料半容狀物質(zhì)的凝結(jié)；對(duì)各分廠所產(chǎn)銅精煉渣提出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，出廠前必須進(jìn)行徹底分揀，絕不允許有耐火料混入。一般棚料故障的發(fā)生是有預(yù)兆的，主要表現(xiàn)在風(fēng)口溫度偏低、網(wǎng)狀渣殼亮點(diǎn)變暗、焦點(diǎn)區(qū)上移、渣流動(dòng)性變差以及風(fēng)壓升高等。當(dāng)發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即組織人員用鋼釬搗打料棚，適當(dāng)降低料柱，適當(dāng)提高焦率，適當(dāng)提高渣硅酸度。將溫度低的風(fēng)口調(diào)低風(fēng)量，焦點(diǎn)區(qū)上移的風(fēng)口停止供風(fēng)，必要時(shí)可適當(dāng)加入部分熔點(diǎn)低的返渣料洗爐。經(jīng)過(guò)以上處理，可使棚料消除，并恢復(fù)正常生產(chǎn)。

3.風(fēng)口結(jié)塊、深棚

這種故障產(chǎn)生的主要原因有：渣的熔點(diǎn)過(guò)高、粘度較大、液面過(guò)高、溫度偏低等。通常防止和處理的方法是：選擇熔點(diǎn)和粘度合理的渣型，保持適當(dāng)?shù)脑?，再就是調(diào)整風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)量，將結(jié)塊、深棚較重的風(fēng)口減少風(fēng)量甚至停風(fēng)，加大對(duì)側(cè)風(fēng)口的供風(fēng)量，使結(jié)塊熔化、深棚消失。要特別注意當(dāng)剛發(fā)現(xiàn)風(fēng)口結(jié)塊或深棚時(shí)，及時(shí)用鋼釬搗碎，便能保證正常生產(chǎn)。

4.爐結(jié)

爐結(jié)是在水套內(nèi)壁上產(chǎn)生的結(jié)塊，特別是爐膛的四角更容易凝結(jié)。它主要是由于粉料過(guò)多、布料不均、爐料的水分過(guò)高等因素引起。一般隨著生產(chǎn)的不斷進(jìn)行，長(zhǎng)爐結(jié)是不可避免的，問(wèn)題是在于不能讓其堆積增長(zhǎng)，以免引起爐子局部下料截面減小，甚至引起棚料等較大故障的發(fā)生。通常防止及處理的辦法是：爐料的水分控制適當(dāng)，降低粉料的配比，做到均勻布料。若爐結(jié)產(chǎn)生較重時(shí)，應(yīng)及時(shí)用鋼釬搗打，在操作上適當(dāng)降低料柱、適當(dāng)提高焦率、必要時(shí)加返渣料洗爐，升高爐溫使其逐步熔化，從而恢復(fù)正常生產(chǎn)。

5.爐缸結(jié)小

產(chǎn)生爐缸結(jié)小的主要原因有：爐料中含鐵過(guò)高、還原氣氛過(guò)強(qiáng)、MgO、Al2O3、ZnO等難熔組分過(guò)多等。防止與處理的辦法是：嚴(yán)格控制金屬鐵和高熔點(diǎn)成分的入爐，適當(dāng)降低料柱或焦率，適當(dāng)提高渣的硅酸度，在熔劑內(nèi)加入部分螢石等措施。一旦發(fā)現(xiàn)放銅數(shù)量減少，說(shuō)明爐缸已經(jīng)結(jié)小，應(yīng)立即采取周期性燒氧強(qiáng)化擴(kuò)缸的辦法來(lái)處理。

圖5 FeO—CaO—SiO2三元系相圖

四、渣型的探討

在鼓風(fēng)爐的還原熔煉生產(chǎn)中，渣型好壞直接影響到爐子生產(chǎn)的正常進(jìn)行，它決定了爐子床能力的大小，焦率、熔劑率和銅直收率等主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的好壞。因此，要想搞好鼓風(fēng)爐銅氧化礦與銅精煉渣的還原熔煉，必須控制好爐渣渣型。正如有色行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)之談“煉銅如煉渣”。

鼓風(fēng)爐還原熔煉爐渣，是爐料中金屬與非金屬氧化物在熔煉過(guò)程中形成的復(fù)雜共熔體，其狀態(tài)FeO—CaO—SiO2是爐渣的基本體系（見(jiàn)圖5）。在生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)過(guò)我們不斷的反復(fù)試驗(yàn)，總結(jié)出不同的爐料，應(yīng)采用不同的渣型。如單煉銅氧化礦采用的渣型為SiO2：CaO=2.2：1，F(xiàn)eO≤7%，即典型的酸性渣。若銅氧化礦與銅精煉渣以4 ：1的比例配煉，則采用的渣型為SiO2：CaO=1 ：1，F(xiàn)eO≤13%，即典型的堿性渣。同時(shí)，在還原熔煉過(guò)程中遇到渣的熔點(diǎn)偏高時(shí)，加入一定數(shù)量的螢石可使渣熔化溫度降低，增強(qiáng)渣的流動(dòng)性，從而改善渣銅分離的效果。

五、結(jié)語(yǔ)與建議

經(jīng)過(guò)兩年來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐，銅氧化礦鼓風(fēng)爐的還原熔煉在方圓公司得到了成功應(yīng)用，在確保煙氣排放達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的同時(shí)，其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也得到了較大的改善，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但應(yīng)該指出的是，由于銅氧化礦還原熔煉焦率較高，而焦炭的費(fèi)用在直接生產(chǎn)成本中所占的比例較大，采購(gòu)的氧化礦其含銅品位應(yīng)不低于20%，否則經(jīng)濟(jì)上是不合算的。

目前的主要問(wèn)題在于水套結(jié)垢影響到爐子的使用壽命，上料系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低使得工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，這也是今后需要改進(jìn)的地方。

建議通過(guò)小型試驗(yàn)，增加電熱前床可使還原熔煉渣銅含量降低到0.2%以下。如有條件，采用適當(dāng)濃度的富氧空氣可進(jìn)一步提高爐子的床能力。因?yàn)榻固空嫉缴a(chǎn)成本的70%以上，所以嘗試用無(wú)煙塊煤代替部分焦炭可降低生產(chǎn)成本。另外，因爐子系全水套組成用水量較大，所以可以嘗試用汽化水套取代循環(huán)水冷卻可降低能源消耗。