銅冶煉爐渣緩冷技術(shù)研究與生產(chǎn)實(shí)踐

王國紅

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

1 引言

銅冶煉爐渣處理方式目前主要有電爐貧化和渣選礦兩種［1-3］。電爐貧化棄渣含銅高，能耗高，環(huán)境污染嚴(yán)重。采用渣選礦處理銅冶煉爐渣，雖然渣緩冷場占地面積大，基建投資較高，但渣選礦法銅回收率較高，選礦尾渣含銅可以控制在0.30%以內(nèi)，有利于提高銅的回收率，并且渣選礦法金銀回收率較高，能耗低。渣選法既能提高冶煉廠總銅回收率，又可以提高冶煉爐對原料的適應(yīng)性。

渣選礦較自然礦石選礦多一道爐渣緩冷工序，這也是渣選礦與自然礦石選礦最大差別之處。銅冶煉爐渣實(shí)際是一種人造礦石，這種礦石中的銅礦物顆粒與相組成取決于爐渣冷卻速度［4］，在相變溫度(1080℃)以上緩慢冷卻銅礦物顆粒會(huì)集聚長大，爐渣中的銅之所以能夠通過浮選富集到精礦中(生產(chǎn)實(shí)踐上稱為渣精礦)，是因?yàn)闋t渣在冷卻過程中形成了能夠機(jī)械分離的銅礦物顆粒，借助它們在表面物理化學(xué)性質(zhì)上與其它造渣物的差異而實(shí)現(xiàn)分離。爐渣中銅礦物的結(jié)晶粒度大小和爐渣的冷卻速度密切相關(guān)，而粒度大小決定了選別方法和選別效果，所以爐渣的冷卻速度是決定浮選效果的主要條件，甚至比爐渣的組成更為重要［5］。

2 緩冷工藝

2.1 銅冶煉爐渣緩工藝

熔煉系統(tǒng)產(chǎn)的爐渣通過排渣溜槽排入渣包中，渣包裝好爐渣后，用專用運(yùn)輸車輛將熱渣包運(yùn)輸?shù)皆徖鋱觯胖迷谠贿M(jìn)行自然緩冷，自然緩冷一定時(shí)間后，開冷卻水進(jìn)行水冷，當(dāng)渣包中爐渣完全冷卻后，再用渣包車運(yùn)輸?shù)皆鼒龇庍M(jìn)行翻包作業(yè)，翻出爐渣后的空渣包再用運(yùn)輸車輛運(yùn)輸?shù)饺蹮捪到y(tǒng)排渣處進(jìn)行下一輪作業(yè)。自然緩冷時(shí)間和水冷時(shí)間之和稱為緩冷時(shí)間。

為節(jié)約水資源和避免污染環(huán)境，爐渣水冷過程和翻包作業(yè)產(chǎn)生的水統(tǒng)一收集后循環(huán)使用。由于高溫爐渣水冷過程中會(huì)蒸發(fā)大量的水，緩冷過程中需要補(bǔ)加新水。為減少冶煉廠水消耗，生產(chǎn)實(shí)踐中一般將銅酸系統(tǒng)處理后的廢水作為爐渣緩冷補(bǔ)加水。

2.2 銅冶煉爐渣緩冷用渣包

國內(nèi)銅冶煉爐渣緩冷用渣包規(guī)格主要有11m3和12m3兩種，類型主要有鑄造渣包和焊接渣包兩種，渣包底部設(shè)計(jì)有平底和帶腿兩種。渣包上部設(shè)計(jì)有帶翻轉(zhuǎn)渣包用的凸臺和沒有凸臺兩種。目前應(yīng)用最為廣泛的是帶腿的鑄造渣包，焊接渣包2011年才開始在大冶有色金屬有限公司冶煉廠少量試用。

2.3 渣包運(yùn)輸車輛

渣包運(yùn)輸車輛有火車和渣包車兩種，國內(nèi)除大冶有色金屬有限公司冶煉廠奧斯麥特爐冶煉爐渣采用火車和渣包車聯(lián)合運(yùn)輸外，其它銅冶煉廠均采用渣包車運(yùn)輸渣包。

渣包車主要有美國KRESS P-160CSE、瑞典GIA K350SH60和長沙凱瑞重工三種，三種渣包車均可以用于11m3有凸臺的渣包運(yùn)輸和翻包作業(yè)，但美國KRESS P-160CSE不可以用于11m3沒有凸臺的渣包翻包作業(yè)，只有美國KRESS P-160CSE可以用于12m3有凸臺的渣包運(yùn)輸和翻包作業(yè)。

3 技術(shù)研究

銅冶煉爐渣緩冷生產(chǎn)實(shí)踐中，為保證渣包運(yùn)輸安全，渣包一般按有效容積80%裝渣，渣包在裝入熱渣后，爐渣會(huì)很快將熱能傳遞到渣包壁，渣包壁強(qiáng)度會(huì)隨渣包壁溫度升高而降低，因此渣包裝入熱渣后要盡快運(yùn)輸?shù)皆徖鋱觯悦庠谶\(yùn)輸過程中發(fā)生變形。

3.1 主要問題

(1)爐渣在緩冷過程中，從渣包中突然大量飛濺，并且發(fā)出較大聲響，如同發(fā)生爆炸，生產(chǎn)實(shí)踐中稱為渣包緩冷放炮。爐渣在翻包過程中，爐渣脫離渣包后突然大量飛濺，并且發(fā)出較大聲響，如同發(fā)生爆炸，生產(chǎn)實(shí)踐中稱為渣包翻包放炮。渣包緩冷放炮和渣包翻包放炮生產(chǎn)實(shí)踐中統(tǒng)稱為渣包放炮。渣包放炮時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流和飛濺的出的爐渣，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞周圍設(shè)備和設(shè)施，威脅在爐渣飛濺范圍內(nèi)作業(yè)人員的人身安全。

(2)翻出爐渣沒有完全冷卻，存在發(fā)紅的高溫爐渣或液態(tài)爐渣，生產(chǎn)實(shí)踐中稱為紅包。存在液態(tài)爐渣的紅包與大量水接觸會(huì)發(fā)生渣包翻包放炮;剛翻出紅包如果直接加入破碎系統(tǒng)，會(huì)損壞破碎系統(tǒng)運(yùn)輸皮帶。

(3)爐渣從渣包中翻出后，沒有破碎，形成一個(gè)類似渣包形狀的爐渣體，生產(chǎn)實(shí)踐中稱為整包，如果只有部分沒有破碎(一般占爐渣體積1/3以上)，則稱為半包。整包和半包一般內(nèi)部都沒有完全冷卻成固體，如果剛翻出的整包或半包立即用捶打機(jī)破碎，內(nèi)部一般有液態(tài)爐渣流出，液態(tài)爐渣遇水飛濺，可能損壞周邊設(shè)備和設(shè)施，威脅在爐渣飛濺范圍內(nèi)作業(yè)人員的人身安全。

(4)翻包作業(yè)中，爐渣粘附在渣包內(nèi)壁，不能自動(dòng)從渣包中脫落，生產(chǎn)實(shí)踐中稱為粘包。一般情況下是少量爐渣粘附在渣包底部，有時(shí)也會(huì)發(fā)生整包渣粘附在渣包中。粘包會(huì)減少渣包使用過程中有效容積，降低渣包有效利用率。

(5)翻出的半包或整包含銅品位在20% ～40%，顏色呈暗紅色，生產(chǎn)實(shí)踐中稱為包底銅。翻出的半包或整包含銅品位在65% ～80%，顏色呈灰白色，生產(chǎn)實(shí)踐中稱為白鈹。剛翻出的白鈹用捶打機(jī)不易破碎，一般需要放置15d以后才可以破碎。包底銅、白鈹如果進(jìn)入浮選流程，會(huì)嚴(yán)重影響浮選尾礦含銅品位，造成銅金屬流失。翻出的半包或整包含銅品位在85%以上，顏色呈紅色，表面有金屬銅光澤，生產(chǎn)實(shí)踐中稱為翻出純銅包底。捶打機(jī)無法破碎純銅包底，純銅包底一旦進(jìn)入破碎或磨礦流程，會(huì)造成設(shè)備損壞或漏斗堵塞。

3.2 原因分析及技術(shù)措施

(1)導(dǎo)致渣包放炮主要原因有爐渣性質(zhì)不好、裝不同爐渣的渣包混用和未冷卻成固體的液態(tài)爐渣接觸到大量水三個(gè)方面。

①爐渣性質(zhì)不好導(dǎo)致渣包放炮一般飛濺出的爐渣量和直徑都較大，危害性較大。其發(fā)生時(shí)間主要集中在兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是自然緩冷結(jié)束后開冷卻水12h內(nèi)，第二個(gè)階段是翻包作業(yè)。爐渣性質(zhì)不好導(dǎo)致渣包放炮原因較為復(fù)雜，相關(guān)研究較少，一般認(rèn)為爐渣緩冷過程中，渣性不好的爐渣在渣包內(nèi)存在繼續(xù)反應(yīng)可能，爐渣中的氧化物(Cu2O、PbO等)與冰銅(Cu2SO、FeS)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生SO2氣體，造成渣包內(nèi)部壓力升高。

如果爐渣中存在大量氧化物(Cu2O、PbO等)與冰銅(Cu2SO、FeS)反應(yīng)，渣包放炮一般發(fā)生在第一階段，原因可能為水冷過程中，已冷卻成固體的爐渣會(huì)從表面向下產(chǎn)生裂縫，當(dāng)裂縫達(dá)到一定程度時(shí)，渣包內(nèi)部壓力會(huì)導(dǎo)致裂縫迅速擴(kuò)大，產(chǎn)生高溫高壓氣流在瞬間釋放能量的現(xiàn)象(爆炸)，高壓氣流和爆炸產(chǎn)生的沖擊波導(dǎo)致渣包內(nèi)大量固體爐渣和少量液態(tài)爐渣從渣包中向外飛濺，發(fā)生渣包第一次放炮。由于此階段為在爐渣水冷階段，表面固體爐渣飛濺后，大量冷卻水會(huì)直接接觸渣包內(nèi)液態(tài)爐渣，在急速汽化膨脹同時(shí)，水與爐渣中冰銅還會(huì)發(fā)生反應(yīng)［6］:

由于渣包是敞口與大氣相通，生成的可燃?xì)怏wH2S和H2還會(huì)和空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng):

以上為放熱、增容反應(yīng)，在高溫狀況下反應(yīng)速度極快，由于反應(yīng)劇烈，釋放熱能的速度極快;由于渣包是一個(gè)半封閉容器，汽化膨脹和反應(yīng)中瞬間產(chǎn)生的高壓氣體來不及擴(kuò)散，就會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力，當(dāng)這種壓力使氣體以極快的速度擴(kuò)散時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生高溫高壓氣流在瞬間釋放能量的現(xiàn)象(爆炸)。高壓氣流和爆炸產(chǎn)生的沖擊波導(dǎo)致渣包內(nèi)大量液態(tài)爐渣和少量固體爐渣向外飛濺，發(fā)生渣包二次放炮(與第一次渣包放炮時(shí)間間隔一般在10s內(nèi))。渣包發(fā)生二次放炮后，雖然水會(huì)爐渣內(nèi)冰銅會(huì)繼續(xù)反應(yīng)，但由于渣包內(nèi)爐渣量較少，汽化膨脹和反應(yīng)產(chǎn)生的氣體會(huì)較少，能夠得到及時(shí)擴(kuò)散，因此渣包一般不會(huì)再放生放炮(極少情況下會(huì)發(fā)生第三次放炮)。

如果爐渣中存在少量氧化物(Cu2O、PbO等)與冰銅(Cu2SO、FeS)反應(yīng)，渣包放炮一般發(fā)生在第二階段，原因可能為渣包內(nèi)SO2氣體較少，水冷過程中，已冷卻成固體的爐渣雖然會(huì)從表面向下產(chǎn)生裂縫，但渣包內(nèi)壓力不能使裂縫擴(kuò)大至SO2氣體所在區(qū)域，SO2氣體不能從渣包內(nèi)釋放，同時(shí)由于裂縫沒有擴(kuò)大到液態(tài)爐渣區(qū)域，水也不能沿裂縫進(jìn)入渣包內(nèi)部與液態(tài)爐渣接觸，因此爐渣在水冷過程中沒有發(fā)生放炮。翻包作業(yè)時(shí)，爐渣從渣包中脫落瞬間，爐渣表面裂縫在表面張力作用下迅速擴(kuò)大至SO2氣體所在區(qū)域，產(chǎn)生高溫高壓氣流在瞬間釋放能量的現(xiàn)象(爆炸)，高壓氣流和爆炸產(chǎn)生的沖擊波導(dǎo)致大量固體爐渣飛濺，發(fā)生渣包翻包放炮。

②裝不同爐渣的渣包混用導(dǎo)致渣包放炮一般發(fā)生在裝氧化渣的渣包與裝還原渣的渣包混用時(shí)。由于渣包使用過程中會(huì)存在粘包現(xiàn)象，少量的粘包可以緩沖接渣時(shí)液態(tài)爐渣對渣包本體的沖涮，生產(chǎn)實(shí)踐中一般不處理少量粘包，這樣如果用存在粘包的裝氧化渣渣包去裝還原渣或者用裝還原渣的渣包去裝氧化渣，就可能發(fā)生氧化渣與還原渣在渣包內(nèi)反應(yīng)，導(dǎo)致渣包放炮。其反應(yīng)機(jī)理與爐渣性質(zhì)不好導(dǎo)致渣包放炮相同，發(fā)生時(shí)間段和現(xiàn)象也基本相同。

③未冷卻成固體的液態(tài)爐渣接觸到大量水導(dǎo)致渣包放炮主要發(fā)生在兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是自然緩冷結(jié)束后開冷卻水1h內(nèi)。爐渣自然緩冷結(jié)束后，渣包中爐渣表面會(huì)冷卻成固體，進(jìn)行水冷時(shí)，已冷卻成固體的爐渣會(huì)從表面向下產(chǎn)生裂縫，正常情況下裂縫不會(huì)延伸到與液態(tài)爐渣接觸的深度，但如果自然緩冷時(shí)間不夠，形成爐渣固體厚度較薄，裂縫延伸到液態(tài)爐渣區(qū)域，水沿裂縫進(jìn)入渣包內(nèi)部與液態(tài)爐渣接觸，在急速汽化膨脹同時(shí)，水與爐渣中冰銅還會(huì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致渣包緩冷放炮。第二個(gè)階段是翻包作業(yè)。翻包作業(yè)時(shí)，存在液態(tài)爐渣的紅包與大量水接觸會(huì)發(fā)生渣包翻包放炮。

消除渣包放炮主要措施:

①熔煉系統(tǒng)要維護(hù)要爐況，避免爐渣中夾帶冰銅。

②避免裝氧化渣的渣包與裝還原渣的渣包混用。特殊情況下需要混用時(shí)，在混用前一定要將渣包中的粘包清理干凈。

③保證足夠的自然緩冷時(shí)間。生產(chǎn)中根據(jù)爐渣性質(zhì)，要在爐渣自然緩冷到足夠時(shí)間才能開水冷卻。

④保證翻包時(shí)爐渣全部冷卻成固體，避免翻出有液態(tài)爐渣的紅包。生產(chǎn)實(shí)踐中一般通過檢測渣包外壁溫度判斷爐渣是否全部冷卻成固體。

⑤維護(hù)好翻包點(diǎn)，保證翻包點(diǎn)不會(huì)積水，翻包作業(yè)分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段將渣包翻轉(zhuǎn)到一定角度 (渣包中的水能流出，但爐渣不會(huì)從渣包中脫落)，停留一段時(shí)間，讓渣包中水全部流出，然后進(jìn)行第二階段作業(yè)，繼續(xù)翻轉(zhuǎn)渣包讓爐渣從渣包中脫落。

(2)翻出紅包直接原因是渣包緩冷時(shí)間不夠。由于冶煉廠渣包都是循環(huán)使用，為滿足冶煉系統(tǒng)生產(chǎn)要求，渣包緩冷時(shí)間一般會(huì)隨冶煉系統(tǒng)排渣量增加而減少。熔煉系統(tǒng)爐況和原料組成會(huì)影響爐渣性質(zhì)，而爐渣性質(zhì)對緩冷速度有影響，因此熔煉爐況不好或原料不好也可能導(dǎo)致翻出紅包。爐渣水冷過程中，冷卻水溫度和水質(zhì)都會(huì)影響爐渣緩冷速度，是導(dǎo)致翻紅包的另一原因。

消除翻出紅包主要措施:

①熔煉系統(tǒng)減少投料量。熔煉投料量減少時(shí)排渣量就會(huì)減少，在渣包數(shù)量相同情況下，渣包緩冷時(shí)間就會(huì)延長，但這樣會(huì)增加熔煉系統(tǒng)生產(chǎn)成本，并且會(huì)影響冶煉廠陽極銅產(chǎn)量，生產(chǎn)實(shí)踐中只有在其它措施不能解決問題時(shí)才會(huì)采用。

②維護(hù)好熔煉系統(tǒng)爐況。爐況對銅冶煉至關(guān)重要，爐況直接決定爐渣性質(zhì)，爐況好時(shí)爐渣一般比較好冷卻，爐況差時(shí)爐渣中容易夾帶有冰銅或未反應(yīng)完全的精礦，爐渣冷卻較慢。維護(hù)好爐況是消除紅包最有效措施之一，但影響爐況因素非常多，如閃速熔煉爐況管理受爐型、原料成分、生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)指標(biāo)要求、能源種類、富氧濃度、設(shè)備性能、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及上下游工藝與設(shè)備等方面影響［7］，生產(chǎn)實(shí)踐爐況有時(shí)會(huì)較差，雖然熔煉系統(tǒng)會(huì)積極采取措施，但一般需要一定時(shí)間才能使?fàn)t況轉(zhuǎn)好。

③增加渣包數(shù)量。在熔煉系統(tǒng)排渣量不變情況下，增加渣包數(shù)量可以延長渣包緩冷時(shí)間。但增加渣包數(shù)量需要擴(kuò)建渣包緩冷場，基建投資大，建設(shè)周期長，并且購買渣包費(fèi)用也非常高。

④增加水冷時(shí)冷卻水量。爐渣在水冷階段，冷卻水量越大，帶走爐渣熱量就越快，爐渣冷卻速度也就越快。

⑤降低水冷時(shí)冷卻水溫度。爐渣在水冷階段，冷卻水溫度越低，帶走爐渣熱量就越快，爐渣冷卻速度也就越快。降低冷卻水溫度主要途徑有使用清水和在冷卻水循環(huán)使用過程中增加冷卻塔對冷卻水進(jìn)行冷卻。

⑥提高冷卻水質(zhì)。爐渣水冷過程中，冷卻水中的固體顆粒和鹽類物質(zhì)都會(huì)附著在爐渣表面，影響爐渣熱量被水帶走，減緩爐渣冷卻速度。

(3)翻包作業(yè)中翻出整包和粘包均與爐渣性質(zhì)不好有關(guān)，根本解決措施是維護(hù)好熔煉系統(tǒng)爐況，保證爐渣性質(zhì)良好。生產(chǎn)實(shí)踐中翻出整包一般冷卻12h后在用捶打機(jī)破碎，破碎后的爐渣進(jìn)選礦工序處理。少量粘包可以保護(hù)渣包底部在接熱渣時(shí)不被液態(tài)爐渣沖涮，一般不處理。大量粘包會(huì)減少渣包有效容積，一般用捶打機(jī)捶打粘包處，使粘在渣包上的爐渣脫落，脫落后的爐渣進(jìn)選礦工序處理。

(4)翻出包底銅、白鈹、純銅包底主要原因是熔煉系統(tǒng)放渣管理不到位，爐渣中混入較多銅。解決措施是熔煉系統(tǒng)加強(qiáng)放渣管理，避免爐渣中帶銅。生產(chǎn)實(shí)踐中包底銅、白鈹、純銅包底單獨(dú)堆放，返回熔煉系統(tǒng)處理。

4 結(jié)語

(1)生產(chǎn)實(shí)踐中，消除紅包應(yīng)優(yōu)先采用增加冷卻水量和在冷卻水循環(huán)使用過程中增加冷卻塔這兩項(xiàng)措施。貴溪冶煉廠生產(chǎn)實(shí)踐表明，爐渣緩冷過程中，在其它條件相同情況下，水冷階段單個(gè)渣包冷卻水量由2m3/h增加到3.7m3/h時(shí)，爐渣緩冷時(shí)間可以減少10h以上，使用冷卻塔后冷卻水溫度可以下降8℃ ～12℃。

(2)渣包作業(yè)過程中急冷急熱，經(jīng)受溫度起伏很大，工作條件極其惡劣，每使用一次都會(huì)使其產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，長時(shí)間的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致渣包出現(xiàn)裂紋、變形等。裂紋嚴(yán)重的渣包在裝有液態(tài)熱渣情況下，可能發(fā)生液態(tài)爐渣泄漏或渣包破裂事件，可能燒毀渣包運(yùn)輸車輛及周圍設(shè)備、設(shè)施，威脅周圍作業(yè)人員人身安全。變形嚴(yán)重的渣包將無法進(jìn)行運(yùn)輸和翻包作業(yè)。目前國內(nèi)沒有銅冶煉爐渣緩冷用渣包相關(guān)規(guī)范，如何延長渣包的使用壽命，及時(shí)報(bào)廢更新渣包，保證渣包使用安全，降低生產(chǎn)成本，是面臨的難題。

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［4］胡國軍，嚴(yán)明.淺談銅爐渣緩冷自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2011(04-05):95-96.

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