冷卻系統(tǒng)在銅爐渣緩冷工藝中的應(yīng)用

王 奇

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424)

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)銅精礦資源的日益匱乏，爐渣選礦已成為現(xiàn)代化銅冶煉工廠回收爐渣中有價(jià)金屬，提高資源綜合利用率，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)非常重要的工藝環(huán)節(jié)。爐渣可視為一種人造礦石，有其自身的特點(diǎn)，與冶煉原料的特性及冶煉的操作因素有很大的關(guān)系。爐渣在放出時(shí)，為熔融狀態(tài)，其中的有價(jià)元素及脈石礦物均為液相，并呈不均勻分布。如采用傳統(tǒng)的爐渣水淬工藝，爐渣將在極短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵沟脿t渣中含銅礦物的嵌布粒度極細(xì)(-0.01mm 占80%)，而無(wú)法通過(guò)常規(guī)磨礦工藝使其單體解離，達(dá)不到浮選法選銅的工藝要求。

根據(jù)爐渣的結(jié)晶生長(zhǎng)特性，爐渣冷卻由水淬急冷改為干渣緩冷工藝，也就是讓爐渣得到充分緩冷(自然冷卻)，使銅的硫化物和金屬銅的結(jié)晶顆粒長(zhǎng)大，這是銅爐渣浮選的基礎(chǔ)［1］。

在實(shí)際生產(chǎn)中，爐渣經(jīng)銅冶煉爐口傾倒至鋼渣包，由渣包車運(yùn)至爐渣緩冷場(chǎng)，通過(guò)40h 的自然冷卻和水噴淋冷卻后倒出，成為銅爐渣選礦的原礦，后經(jīng)過(guò)“破碎+磨礦+浮選+脫水”選礦工藝得到含銅品位達(dá)26%的銅精礦，返回銅冶煉系統(tǒng)。

2 緩冷工藝影響因素

爐渣緩冷效果的好壞直接決定著銅浮選工藝的生產(chǎn)指標(biāo)。緩冷效果好，含銅礦物結(jié)晶顆粒粗大，嵌布粒度粗，銅物相與脈石礦物易于單體解離，有利于含銅礦物的富集。反之，將嚴(yán)重惡化浮選效果，降低回收率，甚至無(wú)法富集出合格的銅精礦。因而，提高爐渣緩冷效果，成為了爐渣浮選的關(guān)鍵［2］。

根據(jù)工藝礦物學(xué)原理和熱力學(xué)定律，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了爐渣緩冷工藝的影響因素，具體如下:

(1)噴淋水水質(zhì)。爐渣冷卻主要是通過(guò)水的運(yùn)輸滲透帶走熱量，如果水中含雜質(zhì)較多，將覆蓋在渣包的表面和堵塞爐渣孔隙，抑制水的滲透和熱傳遞，嚴(yán)重影響冷卻效果。因此，要使?fàn)t渣緩冷達(dá)到最佳效果，最好使用清水。

(2)噴淋水水溫。爐渣冷卻依靠噴淋水的熱傳遞進(jìn)行降溫，如果水溫較高，將影響熱量的傳遞效果，而且高溫水將起到保溫作用，阻止內(nèi)部熱量的傳遞和散發(fā)，阻礙爐渣的冷卻，嚴(yán)重惡化緩冷效果。

(3)緩冷時(shí)間。爐渣礦物的結(jié)晶是個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)和相變過(guò)程，需要較長(zhǎng)的時(shí)間，如果緩冷時(shí)間不足，將會(huì)因強(qiáng)行翻包使未結(jié)晶礦物強(qiáng)制結(jié)晶，而降低目的礦物的嵌布粒度，影響選別指標(biāo)。

從以上影響因素分析可知，含雜質(zhì)少且溫度低的清水是爐渣緩冷工藝噴淋用水的首選，也是提高緩冷效果的關(guān)鍵。然而，大量使用清水，不僅增加了生產(chǎn)成本，造成水資源的浪費(fèi)，過(guò)量的冷卻回水(含礦物質(zhì))還將導(dǎo)致外排水的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響環(huán)境的保護(hù)［3］。

目前緩冷場(chǎng)噴淋水為車間循環(huán)水，而循環(huán)水中含雜質(zhì)、礦泥及石灰較多，且溫度高(約42℃)，惡化了爐渣冷卻效果，不利于爐渣緩冷工藝。針對(duì)車間循環(huán)水的性質(zhì)和爐渣緩冷的要求，通過(guò)不斷的探索與研究，發(fā)現(xiàn)在爐渣緩冷工藝中使用冷卻系統(tǒng)將有效改善循環(huán)水的水質(zhì)與水溫，提高冷卻效果。

3 緩冷效果衡量標(biāo)準(zhǔn)

衡量銅爐渣的緩冷效果的標(biāo)準(zhǔn)，主要有以下幾個(gè)方面:

(1)緩冷后爐渣中含銅礦物的嵌布粒度及各粒級(jí)含量。含銅礦物的嵌布粒度的粗細(xì)直接決定著其可選性和選別指標(biāo)的好壞。嵌布粒度越粗，可浮性越好，富集比越大，回收率越高。反之，越差。嵌布粒度的物相分析是檢驗(yàn)爐渣緩冷效果的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

(2)緩冷時(shí)間。緩冷場(chǎng)的渣包位數(shù)是固定的，在爐渣量不變的情況下，各渣包的緩冷時(shí)間是一定的。如果爐渣需要的緩冷時(shí)間較長(zhǎng)，大于已確定的緩冷時(shí)間，翻包溫度將高于正常的翻包值，也就意味著鋼包內(nèi)的爐渣未充分冷卻，還存在熔融爐渣，如強(qiáng)行翻包將會(huì)導(dǎo)致“紅包”、“大塊”和“鍋底銅”等異?，F(xiàn)場(chǎng)的發(fā)生，如遇水甚至出現(xiàn)“放炮”事故，嚴(yán)重危害生產(chǎn)安全。所以，在相同翻包溫度的情況下，緩冷時(shí)間越短越好。

(3)翻包狀態(tài)。銅爐渣經(jīng)過(guò)緩冷工藝后，由渣包車傾倒至渣場(chǎng)翻包點(diǎn)，由重力作用將爐渣粉碎。如果爐渣得到充分緩冷，將被粉碎成粒度在0～500mm 的小礦塊，無(wú)熔融物。然而，如果得不到充分緩冷，粉碎后，將產(chǎn)生“整包”(未被粉碎的完整渣包)、“半包”(部分被粉碎)、“大塊”(粒度大于500mm)、“鍋底銅”等不合格物料。

總之，緩冷后爐渣含銅礦物嵌布粒度粗、緩冷時(shí)間短、翻包得到充分粉碎且無(wú)異?，F(xiàn)象的渣包，其緩冷效果最佳。

4 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)由冷卻塔、熱水池、冷水池三大部分組成。該系統(tǒng)采用了溫度及液位自動(dòng)控制裝置。

4.1 冷卻塔的工作原理

冷卻系統(tǒng)采用逆流式玻璃鋼冷卻塔，是一種機(jī)力通風(fēng)型冷卻塔，原理是把冷卻處理水壓到冷卻塔內(nèi)的上部，再通過(guò)布水系統(tǒng)均勻地淋灑布水，再通過(guò)布水系統(tǒng)均勻地淋灑布水，從而熱水從塔頂落下，不飽和空氣由塔下上升，在塔體填料間隙的流場(chǎng)中熱水與不飽和空氣進(jìn)行冷熱交換，空氣把熱量向上傳遞，熱空氣再由風(fēng)機(jī)向外排出，然后得到水溫降低的冷卻效果［4］。

4.2 冷卻塔的結(jié)構(gòu)組成

逆流式玻璃鋼冷卻塔是由風(fēng)機(jī)、塔體、配水、淋水裝置及收水器等五大部分所組成。見(jiàn)圖1 風(fēng)機(jī)部分:采用冷卻塔專用風(fēng)機(jī)，具有風(fēng)量大、風(fēng)壓適宜、噪聲低、防腐蝕等特點(diǎn)。風(fēng)機(jī)傳動(dòng)為電機(jī)直傳，電機(jī)采用冷卻塔專用封閉防潮戶外電機(jī):

圖1 冷卻塔結(jié)構(gòu)

(1)塔體部分:逆流式冷卻塔由支架、爬梯、導(dǎo)風(fēng)板、面板、風(fēng)筒、收水器及出水管等部件組成。塔體金屬骨架采用酸洗磷化防腐處理。

(2)配水部分:逆流式冷卻塔采用玻璃鋼托水盤，布水管采用Q235 -A 防腐處理管件及改性耐高溫聚氯乙烯管件，配制噴頭濺滴布水。

(3)淋水部分:逆流式采用改性高溫聚氯乙烯塑料片制成。

(4)收水部分:采用收水器能保護(hù)周圍環(huán)境，同時(shí)減少損失水量，常采用弧形斜折式，材質(zhì)PVC 或FRP 和工程塑料定位塊及PVC 拉桿組合，骨架采用鋼制拼接組裝。

4.3 冷、熱水池

冷、熱水池均采用水泥澆筑而成。冷水池用于儲(chǔ)存車間循環(huán)水經(jīng)過(guò)冷卻塔冷卻后的冷水，由自吸泵揚(yáng)送至渣包位，作為爐渣冷卻噴淋水。噴淋水經(jīng)爐渣熱傳遞后成為溫度較高的回流水，從渣包內(nèi)溢出，通過(guò)排水地溝流回?zé)崴兀c車間循環(huán)水混合后成為熱水，再由自吸泵揚(yáng)送至冷卻塔冷卻，完成一個(gè)循環(huán)。具體過(guò)程參見(jiàn)圖2 冷卻系統(tǒng)工藝流程圖［5］。

圖2 冷卻系統(tǒng)工藝流程圖

4.4 冷卻系統(tǒng)的作用

冷卻系統(tǒng)主要有兩大作用，一個(gè)是降溫，一個(gè)是除雜，目的就是使車間循環(huán)水更大限度地接近清水，達(dá)到清水的緩冷效果。

(1)降溫作用。冷卻系統(tǒng)的降溫作用主要依靠冷卻塔以空氣為介質(zhì)，進(jìn)行熱傳遞，將熱量帶走。

(2)除雜作用。富含雜質(zhì)、礦泥和石灰的熱水經(jīng)冷卻塔的布水裝置均勻大面積分散，以低流量低流速通過(guò)孔隙細(xì)小的“S”型填料緩慢滲透至承水盤，在滲透過(guò)程中，水中的部分礦泥、懸浮物和未溶解的石灰沉積在填料上。在更換填料時(shí)，填料上有大量礦泥和石灰垢附著，可以充分證明冷卻塔具有一定的除雜作用。

此外，冷、熱水池的有效容積均為350m3，為冷水、熱水中雜質(zhì)的沉降提供了一定的時(shí)間和空間，進(jìn)一步提高了冷卻系統(tǒng)的除雜凈化效果。在定期清理水池時(shí)，池底沉積有大量礦泥，也充分證明了冷、熱水池的沉降除雜作用。

5 效果對(duì)比

為了驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)在銅爐渣緩冷工藝中的作用及效果，以爐渣緩冷效果的衡量標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，做了冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建前后爐渣緩冷效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

5.1 噴淋水水溫對(duì)比

此次實(shí)驗(yàn)使用紅外線測(cè)溫儀在冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建前后分別對(duì)渣包噴淋水、噴淋回流水、冷卻塔進(jìn)出水以及清水水溫進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參見(jiàn)表1。表中的熱水即為熱水池中車間循環(huán)水和緩冷場(chǎng)渣包噴淋回水的混合水，擴(kuò)建前是渣包噴淋水，擴(kuò)建后是冷卻塔的進(jìn)水;冷卻水是冷卻塔冷卻后的出水;擴(kuò)建后的噴淋水即為冷水池中熱水池過(guò)量的熱水與冷卻水的混合水，溫度要高于冷卻水。

從表中數(shù)據(jù)分析可知，冷卻塔的進(jìn)出水溫差為10℃，降溫效果良好，達(dá)到了預(yù)期效果;渣包噴淋水水溫由44℃降至37℃，約有7℃的降幅，下降幅度較大。而且與清水水溫也僅相差5℃，兩者溫度已十分接近，冷卻效果很明顯。可以充分說(shuō)明，冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建后，在很大程度上降低了爐渣噴淋水的溫度，改善了爐渣緩冷工藝條件［6］。

表1 冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建前后緩冷工藝各性能參數(shù)對(duì)比結(jié)果

5.2 緩冷時(shí)間對(duì)比

因此次實(shí)驗(yàn)時(shí)處夏季，氣溫較高，對(duì)渣包緩冷工藝影響很大，尤其是緩冷時(shí)間要增加，否則達(dá)不到要求的翻包溫度。然而，在銅冶煉爐渣量不變甚至升高的情況下，現(xiàn)有的渣包位數(shù)及鋼包數(shù)量無(wú)法滿足正常的爐渣緩冷的工藝要求，需要采取增加臨時(shí)急冷區(qū)采用清水急冷的應(yīng)急措施緩解緩冷時(shí)間不足的壓力。本次實(shí)驗(yàn)歷時(shí)15 天(24h 作業(yè))，共對(duì)1052個(gè)渣包進(jìn)行了跟蹤檢測(cè)。具體數(shù)據(jù)參見(jiàn)表2，表中分別列出了冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建前后，正常渣包位和急冷區(qū)渣包位渣包的緩冷情況，包括渣包數(shù)、翻包溫度以及平均緩冷時(shí)間。其中，平均翻包溫度和平均緩冷時(shí)間是正常渣包位和急冷區(qū)渣包緩冷溫度和緩冷時(shí)間的加權(quán)平均數(shù)。從表中數(shù)據(jù)分析可知，擴(kuò)建前后總渣包數(shù)相同，提高了對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確度。冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建后，急冷區(qū)渣包數(shù)由40 個(gè)急劇下降至20 個(gè)，大大降低了急冷區(qū)負(fù)荷，同時(shí)該區(qū)翻包溫度也下降了約4℃，提高了渣包的緩冷效果;在平均翻包溫度相同的情況下，平均緩冷時(shí)間縮短了4h，不僅減輕了緩冷壓力，還提高了緩冷效果，確保了翻包質(zhì)量。由此可見(jiàn)，冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建后，在翻包溫度不變的情況下，大大縮短了爐渣的緩冷時(shí)間。

表2 冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建前后渣包緩冷時(shí)間對(duì)比結(jié)果

5.3 翻包情況對(duì)比

針對(duì)1052 個(gè)實(shí)驗(yàn)渣包，分別對(duì)其翻包情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。翻包情況主要包括“整包”、“半包”、“鍋底”、“紅包”等異常現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)表3。

根據(jù)表中的對(duì)比結(jié)果可知，在總渣包數(shù)不變的前提下，異常翻包情況大為減少，正常渣包由31 個(gè)增加至57 個(gè)，說(shuō)明擴(kuò)建后，爐渣的緩冷效果得到明顯提高。

表3 冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建前后翻包情況對(duì)比結(jié)果/個(gè)

5.4 嵌布粒度對(duì)比

對(duì)擴(kuò)建前后緩冷正常的渣包中的含銅礦物進(jìn)行了嵌布粒度的取樣分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。表中列出了含銅礦物在各粒級(jí)中的含量，粗粒級(jí)的占有率越高，嵌布粒度就越粗，緩冷效果越好，礦物的單體解離度值越大，將提高爐渣的浮選效果及指標(biāo)。

從表中數(shù)據(jù)分析可知，0.015mm 以上粒級(jí)，在冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建前后，由71.55%上升至81.18%，提高了近10 個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明爐渣中含銅礦物的嵌布粒度明顯變粗［7］。

表4 冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建前后爐渣中銅礦物集合體粒度分布測(cè)定對(duì)比結(jié)果

5.5 浮選指標(biāo)對(duì)比

為進(jìn)一步確定，冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建前后，銅爐渣在選礦指標(biāo)方面的變化。分別對(duì)緩冷正常的爐渣進(jìn)行取樣，并進(jìn)行浮選對(duì)比實(shí)驗(yàn)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)的浮選條件是相同的，如原礦品位、磨礦粒度及時(shí)間、浮選時(shí)間和藥劑制度等等。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參見(jiàn)表5。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建后，爐渣中含銅礦物的銅精礦品位上升了1.34 個(gè)百分點(diǎn)、回收率增加了1.1 個(gè)百分點(diǎn)，充分說(shuō)明浮選指標(biāo)得到了明顯提高［8］。

表5 冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建前后浮選指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

結(jié)合以上五組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，可以確定在爐渣緩冷工藝中擴(kuò)建冷卻系統(tǒng)明顯改善了緩冷效果、提高了浮選指標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

冷卻系統(tǒng)擴(kuò)建至今已有3年，期間各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)和緩冷效果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，有效改善了爐渣緩冷效果，提高了浮選指標(biāo)。然而，銅冶煉爐渣緩冷是一項(xiàng)新興工藝，沒(méi)有完善的科學(xué)理論體系做指導(dǎo)，更沒(méi)有可以借鑒的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)做參考，目前仍處在摸索階段。冷卻系統(tǒng)的擴(kuò)建，是理論與實(shí)踐不斷探索、不斷結(jié)合與驗(yàn)證的研究成果，為完善緩冷工藝?yán)碚擉w系指明了方向。

［1］蔣開(kāi)喜.貴溪冶煉廠銅冶煉爐渣浮選工藝優(yōu)化試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.北京:北京礦冶研究總院，2008.

［2］謝廣元.選礦學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001:51-72.

［3］孫傳堯.貴溪冶煉廠銅冶煉爐渣選礦補(bǔ)充驗(yàn)證試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.北京:北京礦冶研究總院，2005.

［4］王淀佐.選礦手冊(cè)第三卷第三分冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993:30 -42.

［5］孫傳堯.貴溪冶煉廠銅冶煉爐渣選礦補(bǔ)充驗(yàn)證試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.北京:北京礦冶研究總院，2005.

［6］黃明金、謝鍇.強(qiáng)化閃速熔煉渣中銅損失形態(tài)檢測(cè)分析［J］.銅業(yè)工程，2010.3:32 -33.

［7］周樂(lè)光.工藝礦物學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002:33-41.

［8］王淀佐.選礦手冊(cè)第四卷第一分冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993:56 -88.