富氧濃度對(duì)銅冶煉底吹吹煉的影響

張理勤,俞 偉,黃 進(jìn),王曉春,謝 云,楊俊奎

(青海銅業(yè)有限責(zé)任公司,青海西寧810000)

銅锍底吹吹煉技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的煉銅技術(shù),因其具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、連續(xù)進(jìn)料、低空污染小、動(dòng)力學(xué)反應(yīng)充分等優(yōu)勢(shì),成為目前銅冶煉的一種發(fā)展趨勢(shì)[1]。銅锍底吹吹煉技術(shù)采用的原料有全熱料、冷熱混合料和全冷料工藝,不同的原料工藝爐內(nèi)熱平衡不同,所以富氧濃度也不一樣。

已投產(chǎn)的包頭華鼎銅業(yè)、河南靈寶冶煉有限公司采用冷熱混合加料工藝,富氧濃度控制在25%～28%之間,氧槍壽命在30～40 d 之間。青海銅業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“青海銅業(yè)”)是國(guó)內(nèi)第一家采用全冷料連續(xù)吹煉造銅工藝的冶煉企業(yè),熔煉爐液態(tài)銅锍經(jīng)冷卻破碎后經(jīng)鱗板輸送機(jī)輸送至皮帶再進(jìn)入底吹吹煉爐。由于該工藝采用全冷料進(jìn)料方式,故爐內(nèi)熱平衡容易控制,有效避免了吹煉爐因爐內(nèi)溫度操控不當(dāng)、渣型控制不當(dāng)而導(dǎo)致的噴爐現(xiàn)象。青海銅業(yè)吹煉爐規(guī)格為Φ4 m ×20 m,內(nèi)襯460 mm厚鎂鉻磚,設(shè)計(jì)11 支單排氧槍(氧槍角度15°),銅口、渣口分別設(shè)在爐體東西端頭。

富氧濃度主要是控制入爐氣體流量和氧氣濃度,本文從富氧濃度對(duì)氧槍壽命和富氧濃度對(duì)不同原料工藝銅冶煉的影響進(jìn)行闡述,以期為同行提供參考。

1 富氧濃度對(duì)氧槍壽命及爐壽的影響

1.1 生產(chǎn)基本情況

青海銅業(yè)底吹吹煉爐氧槍設(shè)計(jì)有11 支,現(xiàn)使用7 支(2#渣口,3#、4#、5#、9#、10#、11#銅口),外管采用氮?dú)獗Ｗo(hù),內(nèi)管通入壓縮空氣和氧氣的混合氣體。生產(chǎn)過(guò)程中氧濃度在36%～43%之間進(jìn)行調(diào)整。

在不同氧濃度條件下,保持氧槍壓力0.9～1.1 MPa、投料量19～22 t/h,吹煉爐轉(zhuǎn)爐時(shí)間為3 d/次的條件下,分析氧濃度對(duì)氧槍壽命的影響。當(dāng)氧濃度控制在40%～43%時(shí),氧槍燒損嚴(yán)重,氧槍端頭呈現(xiàn)火紅狀;當(dāng)氧濃度控制在37%～39%之間時(shí),氧槍燒損程度變輕,氧槍端頭呈現(xiàn)暗紅狀;當(dāng)氧濃度控制在34%～36%之間時(shí),氧槍基本無(wú)燒損,僅出現(xiàn)部分堵塞現(xiàn)象,端頭基本呈現(xiàn)氧槍本色,無(wú)火紅狀及暗紅狀。不同氧濃度條件下氧槍燒損程度見(jiàn)圖1。

圖1 不同氧濃度條件下氧槍燒損程度

1.2 影響氧槍壽命的影響因素及改進(jìn)措施

氧槍的燒損情況與蘑菇頭有重要關(guān)系。處于熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)平衡狀態(tài)的“蘑菇頭”大小合適時(shí)不僅能保證送氣量,還能保護(hù)和延長(zhǎng)氧槍壽命[2]。氧槍端頭穩(wěn)定蘑菇頭的長(zhǎng)成與氣體流量有直接關(guān)系,隨著氧濃度減小,氧槍通過(guò)的氣體總流量增大,氣體帶入爐內(nèi)的冷空氣增多,有利于滿足蘑菇頭穩(wěn)定生成的熱力學(xué)平衡條件,能生成孔隙率、大小合適的蘑菇頭,保護(hù)氧槍。

青海銅業(yè)使用的氧槍直徑為φ51 mm,氧槍內(nèi)管留有10 個(gè)通氣孔道,單支氧槍氣體通量為800 Nm3/h。當(dāng)有效通氣面積減小時(shí),氧槍氣體壓力增大,氧槍蘑菇頭生長(zhǎng)不規(guī)則,無(wú)法滿足蘑菇頭穩(wěn)定生成的條件,氧槍易堵塞、燒損[3],同時(shí),還會(huì)造成吹煉爐產(chǎn)能受限;另外,高壓氣體使得爐內(nèi)動(dòng)力學(xué)條件過(guò)于劇烈,易造成爐襯侵蝕嚴(yán)重、下料口噴濺等問(wèn)題。

氧槍蘑菇頭生長(zhǎng)不規(guī)則,蘑菇頭細(xì)長(zhǎng),使得富氧氣體的穿透區(qū)縮短,會(huì)引起液面攪動(dòng)強(qiáng)烈、噴濺嚴(yán)重、沖刷爐頂,造成渣線區(qū)域、爐頂區(qū)域爐磚侵蝕嚴(yán)重等問(wèn)題[4]。青海銅業(yè)吹煉爐于2018年7月份開(kāi)爐生產(chǎn),2019年1月份下料口區(qū)域由于爐頂磚高溫侵蝕、爐殼發(fā)紅,被迫停產(chǎn)檢修;2019年4月份由于氧槍區(qū)域、爐頂區(qū)域爐磚侵蝕嚴(yán)重,爐殼發(fā)紅再次停爐中修,重新砌筑耐火磚。

針對(duì)上述問(wèn)題,青海銅業(yè)通過(guò)改變氧槍通氣管道的數(shù)量對(duì)氧槍進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后的單支氧槍氣體通量為1 700 Nm3/h,降低了富氧濃度,增大了氧槍流量,創(chuàng)造了滿足蘑菇頭穩(wěn)定生成的條件。便于技術(shù)操作人員在氧槍氣體壓力、富氧濃度、氣體流量、熱平衡四者之間尋求最佳的平衡點(diǎn),延長(zhǎng)氧槍壽命,減緩由于蘑菇頭不規(guī)則、氧槍燒損、氣體壓力過(guò)高而引發(fā)的爐襯侵蝕問(wèn)題[5]。改進(jìn)后的氧槍燒損情況逐步改善,蘑菇頭形狀逐漸趨于規(guī)則,氧槍使用壽命提升,爐體有效運(yùn)轉(zhuǎn)率提高。氧槍改進(jìn)前后相關(guān)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1;氧槍改進(jìn)前后的蘑菇頭形狀對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 氧槍改進(jìn)前后的蘑菇頭形狀對(duì)比

表1 氧槍改進(jìn)前后相關(guān)參數(shù)對(duì)比表

2 富氧濃度對(duì)“三相”厚度的影響

2.1 吹煉基本反應(yīng)原理

富氧濃度的改變直接影響爐內(nèi)熱平衡,氧濃越高,熱力學(xué)反應(yīng)越激烈。硫化物反應(yīng)ΔGθ-T關(guān)系圖如圖3所示[6]。

圖3 硫化物與氧化物反應(yīng)的ΔGθ-T 關(guān)系圖

根據(jù)熱力學(xué)平衡圖,銅锍反應(yīng)首先是FeS 氧化,當(dāng)銅锍中的FeS 被氧化至含F(xiàn)e 1%以下時(shí),Cu2S 才會(huì)被氧化造銅[7],具體化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)式(1)～(4)。

2.2 富氧濃度對(duì)三相的影響

在生產(chǎn)過(guò)程中,三相自爐體底部至熔液表面依次為粗銅相、銅锍相、渣相。生產(chǎn)初期富氧濃度控制在38%左右,投料量穩(wěn)定在20 t/h 左右,粗銅層約500～600 mm、銅锍層200～300 mm、渣層250～350 mm。由于爐頂定量給料秤計(jì)量失衡,造成實(shí)際入爐物料偏大,爐內(nèi)溫度偏低。為保證順利放渣,提高爐內(nèi)冶煉溫度,在實(shí)際操作過(guò)程中,常提高富氧濃度至45%左右,此時(shí)造成爐內(nèi)泡沫渣增多,粗銅過(guò)吹,吹煉渣含銅偏高。

由于富氧濃度的變化,銅锍入爐量與爐內(nèi)銅锍反應(yīng)速率之間的動(dòng)態(tài)平衡被打破[8],此時(shí)由于熱力學(xué)反應(yīng)劇烈,富氧氣體穿透粗銅層與銅锍層促使反應(yīng)速率加快,銅锍層逐漸變薄最終消失。隨著銅锍層消失,富氧氣體直接穿透粗銅層作用于渣層,此時(shí)渣層氧勢(shì)升高,銅锍中的FeS 大量被氧化成磁性渣,造成爐內(nèi)泡沫渣增多。為避免爐內(nèi)因磁性渣的增多而引起噴爐的危險(xiǎn),塊煤的投入量由0.3 t/h 增加至0.5 t/h,使得生產(chǎn)成本上升。另一方面,由于銅锍層的消失,爐內(nèi)粗銅沉降過(guò)度區(qū)變短甚至消失,磁性渣的增多引起渣性發(fā)黏,造成渣銅不分,最終引起渣口放渣時(shí)帶出大量的粗銅,在渣包包底形成大量的包底銅,平均品位達(dá)到94%,造成吹煉爐直收率不到90%。兩相操作時(shí)渣包包底銅形貌如圖4所示。

圖4 渣包包底銅形貌

為重新恢復(fù)至三相操作的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),首先需要保證爐頂定量給料秤的穩(wěn)定,控制合適的氧料比,保證粗銅品位。另一方面,保持爐內(nèi)粗銅層在500～600 mm,降低富氧濃度至34%～35%,降低爐內(nèi)反應(yīng)速率,穩(wěn)定操作。每小時(shí)從三相測(cè)量口測(cè)量一次液位,根據(jù)銅锍層生成情況逐步調(diào)整工藝操作。待銅锍層厚度達(dá)到200～300 mm 時(shí),提高富氧濃度至38%左右,穩(wěn)定操作,保持爐內(nèi)動(dòng)態(tài)平衡。重新恢復(fù)三相操作后,現(xiàn)階段粗銅層厚度600～700 mm,銅锍層200～250 mm,渣層150～250 mm。

3 富氧濃度對(duì)冷、熱態(tài)銅锍吹煉的影響

3.1 冷、熱態(tài)銅锍吹煉的區(qū)別

冷、熱態(tài)銅锍在冶煉過(guò)程中主要有兩方面的不同,一方面表現(xiàn)為冶煉成本,另一方面表現(xiàn)為工藝控制難易程度。

青海銅業(yè)采用冷態(tài)銅锍入爐操作,期間熱態(tài)銅锍經(jīng)渣包運(yùn)輸至緩冷場(chǎng)自然緩冷10 h,再水冷50 h,然后經(jīng)三級(jí)破碎后經(jīng)皮帶輸送入爐。冷態(tài)銅锍入爐操作會(huì)造成低空污染,而且增加了水處理、破碎、人工、渣包運(yùn)輸及維護(hù)、渣包車(chē)的維護(hù)及購(gòu)置等各項(xiàng)成本,還會(huì)造成銅锍熱量損失。但冷態(tài)銅锍入爐可以最大限度地避免吹煉爐因熱平衡控制不穩(wěn)而導(dǎo)致的工藝控制方面的安全隱患。

熱態(tài)銅锍入爐可以節(jié)約以上各項(xiàng)成本,但對(duì)冶煉工藝控制要求更精準(zhǔn),提升了對(duì)技術(shù)人員素質(zhì)的要求。

3.2 冷、熱態(tài)銅锍吹煉富氧的控制

冷、熱態(tài)銅锍吹煉過(guò)程中,冷態(tài)銅锍可以通過(guò)定量給料秤準(zhǔn)確計(jì)量下料量,熱態(tài)銅锍可通過(guò)銅锍產(chǎn)率計(jì)算銅锍量,因而在保持合適的氧料比的情況下對(duì)吹煉渣含銅、粗銅品位等方面基本無(wú)影響[9]。

對(duì)爐內(nèi)熱平衡的精準(zhǔn)控制、熱平衡的調(diào)節(jié)主要通過(guò)富氧濃度調(diào)控。冷態(tài)銅锍因入爐后熔化會(huì)吸熱,因此為保證與熱態(tài)銅锍同樣的反應(yīng)速率,需較高的富氧濃度[10]。較高的富氧濃度促使反應(yīng)向右加速進(jìn)行,同時(shí)減少了煙氣帶走的熱量,為冷態(tài)銅锍熔化、反應(yīng)提供了較多的熱量[11],一般控制富氧濃度在36%～38%之間。熱態(tài)銅锍入爐本身帶有大量的熱量,入爐后增加了爐內(nèi)熱量,直接參與氧化反應(yīng),此時(shí)反應(yīng)迅速,應(yīng)降低富氧濃度,一般控制在28%～30%之間。當(dāng)熱態(tài)銅锍停止入爐5～10 min后可適當(dāng)提高富氧濃度2%～3%,避免因爐內(nèi)熱平衡瞬間被打破而造成平衡失控,進(jìn)而引發(fā)冒爐甚至噴爐,應(yīng)逐步提高氧濃,平穩(wěn)過(guò)渡至穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)改進(jìn)氧槍結(jié)構(gòu)可延長(zhǎng)氧槍壽命,提高開(kāi)工率。由于氧槍磚限制,吹煉爐單只氧槍有效通氣面積小,使用氧槍數(shù)量多,易引起吹煉爐氧槍堵塞、損壞,更換氧槍時(shí)間較長(zhǎng)。提高單只氧槍的有效通量、減少氧槍使用數(shù)量、控制富氧濃度36%～38%,是延長(zhǎng)氧槍壽命、縮短停爐更換氧槍時(shí)間的重要措施。

2)控制合理的富氧濃度,采用三相操作進(jìn)行生產(chǎn)有利于提高銅的直收率,降低生產(chǎn)成本。三相厚度對(duì)于控制粗銅品位、渣銅分離有其重要的意義,通過(guò)合理的富氧濃度控制合適的三相厚度:粗銅層500～600 mm、銅锍層200～300 mm、渣層250～350 mm,確保吹煉爐各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)合格。

3)對(duì)于不同的冷熱比例的銅锍原料,控制不同的富氧濃度,可滿足爐內(nèi)熱平衡條件。不同的富氧濃度對(duì)于爐內(nèi)熱平衡有不同的影響,建議冷態(tài)銅锍吹煉、熱態(tài)銅锍吹煉、冷熱態(tài)銅锍混合吹煉分別對(duì)應(yīng)的富氧濃度為36%～38%、28%～32%、31%～34%,具體控制條件應(yīng)視生產(chǎn)情況而定。