溫度控制對大型轉爐銅锍吹煉的影響

李林山，姚能貴，金澤志，曾慶康，趙宇娟

（銅陵有色金屬集團控股有限公司，安徽 銅陵 244100）

1 引言

轉爐銅锍吹煉以冰銅為原料，通過向爐內鼓入空氣或富氧空氣氧化除去硫和鐵得到粗銅（Cu98.5%～99.5%）的過程。主要分為造渣和造銅兩個階段。

在造渣期，借空氣的攪拌作用，冰銅中的硫化亞鐵被氧化生成氧化亞鐵和二氧化硫，氧化亞鐵再與添加的石英熔劑進行造渣反應，其主要造渣過程可用方程式表示為［1-2］：

在造銅期，爐內剩余的白冰銅（主要以Cu2S的形式存在）繼續(xù)與空氣中氧反應生成粗銅和二氧化硫，其造銅過程可用反應方程式表示為［3-4］：

在實際生產(chǎn)中，并非一次性造渣得到白銅锍（Cu2S），而是分批次加入銅锍氧化造渣完成白銅锍的富集，造渣效果主要與渣型有關，影響渣型好壞的主要因素為熔劑添加量、溫度控制和倒渣終點判斷。為保證造銅期吹煉的正常進行和得到高品質的粗銅，同樣需要合理的吹煉溫度控制和出銅終點判斷。轉爐銅锍吹煉過程發(fā)生的幾乎全是放熱反應，產(chǎn)生的熱量足以維持高溫熔體的自熱反應。因此，合理的溫度控制是保證正常、高效吹煉的前提和基礎。

在銅锍吹煉過程中，爐體壽命（爐齡）是影響經(jīng)濟效益的一個關鍵指標參數(shù)，除了在爐體砌筑階段加強爐磚材質的選擇及合理砌筑外［5］。章茂福［6］總結歸納了貴溪冶煉廠轉爐爐齡的主要影響因素，黎渡［7］也強調了精細生產(chǎn)組織、完善操作規(guī)程及提高設備管理水平等對爐齡的重要性，但鮮有文獻提到溫度控制對銅锍吹煉的影響程度。

本文結合銅陵有色金冠銅業(yè)分公司智能數(shù)控吹煉爐生產(chǎn)擬從造渣和造銅兩個階段簡要闡述溫度對銅锍吹煉的影響［8-9］。本文所有溫度數(shù)據(jù)均來自于銅陵有色金冠銅業(yè)分公司與合肥金星機電科技發(fā)展有限公司聯(lián)合開發(fā)的檢測探頭所測［10］。圖1為檢測探頭與溫度顯示畫面。

圖1 檢測探頭及溫度顯示畫面

2 銅硫吹煉造渣期的溫度控制

2.1 造渣期起始階段的溫度控制

智能數(shù)控吹煉爐旋轉至吹煉位置開始向爐內送風時即造渣開始，起始階段溫度在整個吹煉階段處于最低溫度，爐位一般以吹煉時風口浸入熔體液面以下200mm左右為宜。通過對3臺轉爐共420爐造渣起始溫度調查發(fā)現(xiàn)：造渣起始階段溫度控制在1110～1160℃時，吹煉過程最為穩(wěn)定。當起始溫度過低（低于1110℃）時，熔體表面黏性增加，熔體內氣體逸出困難，易形成噴濺，噴濺物呈可見顆粒狀冷料，噴濺會造成轉爐煙塵量增加，同時增加自產(chǎn)冷料，降低銅直收率，嚴重時導致吹煉無法順利進行。出現(xiàn)此類狀況時，可在液面角允許范圍內最大限度地追加熱冰銅后繼續(xù)送風吹煉，增加富氧率，推遲熔劑加入時間，修正冷料加入量，必要時停加冷料，確保溫度盡快提升至1110℃以上，保證吹煉的正常進行；當起始溫度過高（高于1160℃）時，易造成能源浪費，降低轉爐冷料處理量，隨著吹煉過程的持續(xù)進行，爐內溫度逐漸升高，高溫熔體反復沖刷爐內耐火材料，嚴重縮短爐齡壽命。出現(xiàn)此類情況時應立即降低富氧率或停止送氧，并迅速向爐內投入一批冷料及熔劑以最短時間降低爐溫，確保吹煉正常有序進行。見表1。

表1 造渣初期溫度統(tǒng)計情況

2.2 造渣期中期的溫度控制

造渣期中期溫度在整個吹煉過程中波動最大，溫度控制在1150～1210℃最宜。造渣期的主要熱量來自于該階段熔體內金屬雜質氧化造渣放熱。通過對3臺轉爐共413爐造渣中期溫度調查發(fā)現(xiàn)：隨著爐內熔體中積渣逐漸增加，風眼末端結管狀瘤嚴重，須風眼機不停擊打除掉風眼末端的管狀瘤，若不能及時除掉管狀瘤，將造成送風不暢不能供給造渣所需的氧氣，使溫度急劇下降。當造渣中期溫度過低（低于1150℃）時，爐內造渣將無法正常進行，此時應加大捅風眼機頻次增加富氧率，提高造渣反應熱滿足正常吹煉熱量需求；當中期溫度過高（高于1210℃）時，隨吹煉過程繼續(xù)進行，爐內溫度持續(xù)上升，高溫熔體將嚴重沖刷爐襯，侵蝕耐火材料，縮短爐壽命，同時造成能源不必要浪費，若通過添加冷料方式來降低爐溫可能會造成冷料在尚未完全融化狀態(tài)下，渣已造好影響放渣作業(yè)，致使渣含銅升高，降低銅直收率。此時應降低送風量、減少富氧率或停止送氧的方法降低爐溫至1210℃以下。見表2。

表2 造渣中期溫度統(tǒng)計情況

2.3 造渣末期的溫度控制

造渣末期溫度比較平穩(wěn)，爐內高溫熔體造渣反應幾近完成，爐內送風順暢，溫度提升較快，在實際操作中，操作人員通常利用該階段提升熔體溫度，以確保獲得流動性較好的渣型，從而降低渣含銅、提高直收率。通過對3臺轉爐共354爐造渣末期溫度調查發(fā)現(xiàn)：造渣末期溫度在造渣過程中處于最高階段，溫度控制在1195～1260℃最宜，當末期溫度低于1195℃時，爐內渣黏性增加，流動性變差，冷料融化不完全，致使爐結增加、渣含銅上升，降低銅直收率。此時可通過適當延長吹煉時間、提升送風量或增加富氧率等辦法迅速提高溫度；當末期溫度高于1260℃時，對爐體的耐火材料損害最大。溫度越高，熔體的流動性越好，可滲透至細微的耐火磚縫氣孔里與耐火材料里的部分成分發(fā)生化學反應（爐渣2FeO·SiO2能溶解鎂質耐火材料），嚴重侵蝕爐襯，在實際生產(chǎn)中，爐體被高溫熔體燒穿事故一般都發(fā)生在該階段，此時應停止富氧吹煉或停止吹煉，實施放渣作業(yè)。見表3。

表3 造渣末期溫度統(tǒng)計情況

3 造銅期溫度控制

3.1 造銅前期的溫度控制

造銅初期溫度控制與造銅中期溫度控制可合稱造銅前期溫度控制，通過對3臺轉爐共408爐次造銅前期溫度調查發(fā)現(xiàn)：造銅前期溫度控制在1160～1210℃最為合適。造銅前期溫度比造渣期好控制，其主要原因是該階段爐內熔體幾乎為純白銅锍（Cu2S），風眼末端結管狀瘤狀況大為好轉，風眼送風順暢。另外造銅前期是承接造渣末期（篩爐）溫度基礎上進行的，本身溫度不低，并且伴隨著殘極加料機（在吹煉狀態(tài)下不停風向爐內添加冷料銅的一種設備）在大型轉爐中的普及，溫度更易控制。當溫度高于1210℃時，應及時向爐內投入一批冷料（含銅量高于75%，雜質較低的含銅物料），一方面及時降低爐溫保護爐襯，延長爐齡壽命，同時處理回收含銅物料，提高單爐產(chǎn)量；當造銅前期溫度低于1160℃時，可引起熔體表面溫度過低，熔體粘度增大，送風阻力加大，具體表現(xiàn)為風管壓力高，嚴重時夾帶著熔體呈團塊狀從爐口噴出，造成噴爐事故。當溫度過低時，應立即提高富氧率，適當降低送風量(減少風量過大，帶走的熱損失)，盡快促使熔體溫度回升至1160℃以上，待爐溫正常后可恢復原作業(yè)制度。見表4。

表4 造銅期溫度統(tǒng)計情況

3.2 造銅末期的溫度控制

造銅末期臨近出銅，爐內熔體產(chǎn)生的反應熱越來越少，用以可調控溫度的時間較短，溫度波動的把握顯得尤為重要。通過對3臺轉爐409爐次造銅末期溫度調查發(fā)現(xiàn)：造銅末期溫度控制在1180～1200℃較適宜。當溫度低于1180℃時，導致出銅溫度過低，在放銅過程中不斷傾轉爐體致使大量銅水冷卻凝固粘附在爐襯表面，影響單爐產(chǎn)量，降低銅直收率，嚴重時可能會造成吊運放銅用的粗銅包具結死。此時應采用高富氧率、低風量，短時間內將熔體溫度提升至1180℃以上，確保后續(xù)作業(yè)順利進行；造銅末期溫度過高的弊端同樣不可忽視，當末期溫度高于1200℃時，銅液表面溫度過高致使底渣（粗銅熔體表面浮有一層渣：由殘留在白銅锍中的鐵在造銅期繼續(xù)氧化形成渣以及造渣期末未放凈的渣所組成）過稀，即使采取壓渣處理（采用舟形料斗將石英石均勻地投入爐口內部堰口周圍的熔體表面上，小角度地前后傾轉爐體，使石英石與爐口處底渣混合固化，在爐體出銅口周圍形成一道濾堤將底渣擋在爐內），放銅時仍會夾帶大量過稀的底渣，致使粗銅品位降低、雜質含量增加，影響粗銅品質。出現(xiàn)此類情況應立即通過殘極加料機或直投方式，迅速向爐內投入一批高純度含銅物料（含銅96%以上），將爐溫降低至1200℃以下，防止熔體溫度過高表面底渣過稀，借此可回收冷銅物料提高單爐產(chǎn)量，同時避免溫度過高造成不必要的能源浪費。通過大量實踐證明：造銅末期溫度控制在1180～1200℃，不僅有利于出銅放銅操作，而且易得到高質量的粗銅產(chǎn)品（品位在98.5%～99.5%）。見表5。

表5 造銅末期溫度統(tǒng)計情況

4 結語

大型轉爐銅锍吹煉是一項十分成熟的冶煉技術，在傳統(tǒng)冶煉中，人的主觀經(jīng)驗往往在整個冶煉過程中起著不可替代的作用。但隨著社會發(fā)展、科學技術不斷進步革新，冶煉技術控制逐漸由人的主觀經(jīng)驗判斷向現(xiàn)代科學儀器數(shù)據(jù)監(jiān)控轉移必然是整個行業(yè)發(fā)展的大勢所趨。本文中首次總結出的造渣初期、中期及末期溫度分別控制在1110～1160℃、1150～1210℃和1195～1260℃以及造銅前期和末期溫度控制在1160～1210℃和1180～1200℃經(jīng)驗，可作為提高爐齡及穩(wěn)定生產(chǎn)控制又一指標。此次所有溫度數(shù)據(jù)主要來源于銅陵有色金冠銅業(yè)分公司對新設備、新技術的開發(fā)與應用，同時結合現(xiàn)場操作人員幾十年的實踐經(jīng)驗摸索總結出溫度控制對大型轉爐銅锍吹煉的影響。