控制側(cè)吹爐四氧化三鐵含量的生產(chǎn)實踐

徐 靜 孫立民 黃雅芳 馬凱敏

(山東恒邦冶煉股份有限公司， 山東 煙臺 264100)

0 前言

某公司的側(cè)吹爐為雙側(cè)吹豎式熔池熔煉爐，主要處理復(fù)雜含金銅精礦。噴槍通過風(fēng)口向熔體的渣層噴吹富氧空氣，爐渣和銅锍在風(fēng)口下熔池里完成分離。銅锍從銅井虹吸口放出，送轉(zhuǎn)爐吹煉；熔煉渣從渣井溢流口放出，經(jīng)緩冷后回收其中的有價金屬。側(cè)吹爐煉銅的熔煉工藝和過程總體上與傳統(tǒng)的煉銅技術(shù)一致，其關(guān)鍵設(shè)備在于熔煉爐。某公司的熔煉爐為一大型側(cè)吹熔池熔煉爐，爐體下部兩側(cè)共設(shè)置了28個內(nèi)徑為36 mm的富氧風(fēng)口，風(fēng)口區(qū)面積達(dá)25 m2。側(cè)吹爐的主要特點是熔體厚度可高達(dá)1.5～2 m，風(fēng)口位于渣層中，風(fēng)口中心線距渣層表面500～600 mm，即富氧空氣直接吹入渣層進(jìn)行熔池熔煉。

銅熔煉過程主要是通過富氧空氣將精礦中的硫化亞鐵氧化，形成高品位的銅锍。而硫化亞鐵的氧化過程中會生成一定量的四氧化三鐵。當(dāng)渣中四氧化三鐵含量較高時，會導(dǎo)致熔體粘度增加，渣銅分離效果變差，造成渣含銅量升高。四氧化三鐵的析出還會使熔池內(nèi)形成爐結(jié)，導(dǎo)致爐底上升，熔池的容積減少，嚴(yán)重時可產(chǎn)生泡沫渣，造成噴爐事故，損壞設(shè)備，造成人員傷亡。若通過提升爐溫來維持正常作業(yè)，又會導(dǎo)致能耗增加，成本上升，而且高溫對爐磚壽命會造成一定影響。因此，有效控制側(cè)吹爐爐渣中的四氧化三鐵含量，對降低渣含銅量，提高爐磚壽命，保證正常生產(chǎn)具有非常重要的意義。本文結(jié)合側(cè)吹爐的生產(chǎn)實踐，對側(cè)吹爐熔煉過程中四氧化三鐵的產(chǎn)生及控制措施進(jìn)行了探討，并介紹了各部位四氧化三鐵的消除措施。

1 四氧化三鐵的產(chǎn)生

1.1 原料帶入四氧化三鐵

側(cè)吹爐主要處理復(fù)雜金精礦，爐料種類繁雜，入爐物料多時可達(dá)數(shù)十種；原料成分復(fù)雜，導(dǎo)致雜質(zhì)含量較高。為了保證造锍熔煉反應(yīng)的進(jìn)行，實現(xiàn)自熱反應(yīng)，必須控制合適的硫鐵比，因此多種原料須以合適的配比配合使用，而每種原料中的四氧化三鐵含量各不相同，若配比不合理，則會造成原料帶入的四氧化三鐵量大大增加[1]。

1.2 爐渣中的四氧化三鐵

側(cè)吹熔煉過程發(fā)生的基本反應(yīng)是硫化鐵的氧化反應(yīng)。富氧空氣直接鼓入熔池渣層，發(fā)生如下反應(yīng)，生成Fe3O4。

6FeO+O2→2Fe3O4

(1)

渣中Fe3O4的作用是傳遞氧氣使熔體中的FeS和碳氧化：

3Fe3O4+FeS→10FeO+SO2

(2)

Fe3O4+C→3FeO+CO

(3)

除反應(yīng)(1)外，還有部分氧氣直接氧化熔體中的FeS：

2FeS+3O2→2FeO+2SO2

(4)

爐料中的高價硫化物(FeS2、CuS、CuFeS2等)離解成元素硫和低價硫化物，元素硫與渣中的Fe3O4以及鼓風(fēng)中的氧氣發(fā)生反應(yīng)：

4Fe3O4+S2→12FeO+2SO2

(5)

2O2+S2→2SO2

(6)

進(jìn)入銅锍中的FeS有一部分溶入渣中：

[FeS]→(FeS)

(7)

側(cè)吹熔煉爐中相界面大，攪拌強(qiáng)度高，有利于上述硫和氧氣之間的反應(yīng)。當(dāng)通入氧氣量過高時，由于富氧空氣直接鼓入渣層，過多的氧氣參與反應(yīng)會導(dǎo)致爐渣按反應(yīng)(1)過氧化，產(chǎn)生泡沫渣，最終導(dǎo)致噴爐事故的發(fā)生。因此，氧氣量的控制對渣中的四氧化三鐵含量有著重要的影響。

1.3 銅锍中的四氧化三鐵

銅锍主要由硫化亞銅和硫化亞鐵互相溶解而成，含銅量為20%～70%，含硫量為15%～25%。側(cè)吹爐產(chǎn)出的銅锍含銅量為50%～55%，含硫量為20%～25%。通常熔煉爐中熔體溫度為1 250～1 300 ℃，銅锍的主要化學(xué)成分是Cu、Fe、S，通常這三者之和占銅锍量的85%～94%；銅锍中還含有少量的Ni、Co、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Ag、Au、Se和微量脈石，此外還有2%～4%的氧。一般認(rèn)為熔融銅锍中的Cu、Pb、Zn、Ni等金屬以硫化物形態(tài)(Cu2S、PbS、ZnS、Ni3S2)存在。而Fe除了以FeS形態(tài)存在外，還以氧化物(FeO或Fe3O4)形態(tài)存在。側(cè)吹爐銅锍成分化驗結(jié)果見表1。

表1 側(cè)吹爐銅锍成分 %

其中，四氧化三鐵含量為5%～7%。

銅锍的密度隨銅品位的提高而增大，一般為4.1～4.6 g/cm3。而四氧化三鐵密度為5.18 g/cm3，熔點高達(dá)1 597 ℃。由于四氧化三鐵密度大于銅锍，在熔池中四氧化三鐵呈下沉趨勢，最終沉積在爐底形成爐結(jié),所以銅锍中的四氧化三鐵只是其沉降后殘留的部分。

圖1 側(cè)吹爐四氧化三鐵分布示意圖

2 四氧化三鐵含量的控制措施

根據(jù)上述分析可知，四氧化三鐵產(chǎn)生的原因主要是原料帶入與爐渣過氧化。為保證正常生產(chǎn)，將四氧化三鐵含量控制在合理范圍內(nèi)，既降低生產(chǎn)成本又避免發(fā)生噴爐事故，可從以下幾方面進(jìn)行控制。

2.1 控制原料中四氧化三鐵含量

對入廠原料中鐵含量較高的優(yōu)質(zhì)銅礦、硫鐵礦及配入量較多的其他原料進(jìn)行取樣，分析其中的四氧化三鐵含量，根據(jù)側(cè)吹爐配礦模型(表2)控制原料四氧化三鐵含量為5%以下，盡量減少原料帶入的四氧化三鐵。

表2 側(cè)吹爐配礦模型

2.2 控制原料中高熔點的雜質(zhì)含量

入爐物料中Zn、Mg等高熔點雜質(zhì)含量較高時，需要通過提高氧氣濃度、氧料比等方式提高熔體溫度，以保證爐渣良好的流動性。而爐內(nèi)通入氧氣量過多會導(dǎo)致爐渣發(fā)生反應(yīng)(1)的過氧化，最終導(dǎo)致爐內(nèi)四氧化三鐵含量增加。因此，需嚴(yán)格控制原料中的Zn、Mg等高熔點雜質(zhì)含量。爐料中Zn含量最好控制在3.5%以下，Mg含量最好控制在2.0%以下。

2.3 調(diào)整煤的加入量

加入適量的煤可增加爐內(nèi)的還原氣氛，加強(qiáng)熔煉反應(yīng)(3)的進(jìn)行。投入煤量與渣中四氧化三鐵含量關(guān)系見表3。

表3 投入煤量與渣中四氧化三鐵含量的關(guān)系

由表3可以看出，加入煤量越多，渣中四氧化三鐵含量越低。雖然增加煤量能有效降低四氧化三鐵含量，但同時會使綜合能耗增加，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。在保證正常生產(chǎn)的同時，控制耗煤量可有效降低生產(chǎn)成本。通過化驗，噴爐渣中四氧化三鐵含量為21.97%，目前側(cè)吹爐投礦量為94 t/h,耗煤量在1.4 t/h左右，對比表3可以看出，為控制生產(chǎn)成本，仍可摸索降低煤量，但同時需對渣中四氧化三鐵含量加強(qiáng)監(jiān)測，控制在21.97%以內(nèi)，避免噴爐事故的發(fā)生。

側(cè)吹爐的爐缸、銅锍池和爐渣虹吸池以及爐頂下部由耐火磚砌筑，但其他側(cè)墻、端墻和爐頂均為水套結(jié)構(gòu)，正常生產(chǎn)過程中會帶走大量熱。加煤既可以控制還原性氣氛，也可以保證熔煉熱平衡。某公司用塊煤作為還原劑控制渣中四氧化三鐵含量，同時提供一部分熱量，但其燃燒效率、反應(yīng)效率較低。因此，在摸索降低塊煤加入量的同時，可探索用粉煤作為還原劑并進(jìn)行補(bǔ)熱。

2.4 添加適量的石英石

熔煉爐渣以FeO- SiO2系及FeO- SiO2- CaO系、FeO- SiO2- Al2O3系等為主體，受石英石的加入量、粒度等因素影響，造渣反應(yīng)中氧化亞鐵與石英石的接觸受限，反應(yīng)(1)中產(chǎn)生的四氧化三鐵不可能全部參與后續(xù)反應(yīng)，也不可能全部與石英石接觸造渣。

表4列出了幾種爐渣成分及溫度對液態(tài)爐渣性質(zhì)的影響。在一定爐渣成分范圍內(nèi)，表4中箭頭表示提高某組分含量，爐渣性質(zhì)升高(↑)或降低(↓)?？赏ㄟ^控制石英石的粒度，添加適量的石英石[2-3]加速造渣來控制四氧化三鐵的含量，但根據(jù)表4可以看出SiO2含量超過一定范圍后會導(dǎo)致爐渣粘度上升，因此需要提高操作溫度來保證爐渣的流動性。石英石加入量是否合適，可通過爐渣的鐵硅比進(jìn)行判斷，鐵硅比對爐渣中四氧化三鐵量的影響如圖2所示。側(cè)吹爐要求的鐵硅比控制范圍較寬，為1.3～2.0。根據(jù)圖2，鐵硅比降低，渣中四氧化三鐵含量隨之減少。根據(jù)實際生產(chǎn)情況，當(dāng)鐵硅比控制在1.5～1.7時，既能保證爐渣的流動性，又能較低渣含銅量。

表4 爐渣成分對爐渣性質(zhì)的影響

圖2 鐵硅比對爐渣中四氧化三鐵量的影響

3 四氧化三鐵的消除

3.1 爐底沉積四氧化三鐵的消除

四氧化三鐵沉積是爐底產(chǎn)生爐結(jié)的主要原因，爐底存在合適厚度的爐結(jié)有利于保護(hù)爐底磚不受熔體沖刷，減少爐磚損耗，延長爐子使用壽命。但當(dāng)爐結(jié)過厚時，則會導(dǎo)致爐內(nèi)熔池容積減少，影響正產(chǎn)生產(chǎn)。

由于側(cè)吹爐內(nèi)熔池液面可達(dá)2 m以上，熔池內(nèi)攪拌劇烈，比重較輕的煤塊在熔體渣層消耗反應(yīng)殆盡，無法進(jìn)入爐底消耗爐結(jié)。減少爐結(jié)最有效的措施是提高爐溫將爐結(jié)熔化，但持續(xù)高溫操作會使?fàn)t磚壽命降低。加入生鐵柱是控制爐結(jié)的一個有效方法[4]。生鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金，其重量可以保證生鐵柱加入熔池后能進(jìn)入爐底與爐結(jié)發(fā)生反應(yīng)，因為銅锍中的FeS具有溶解鐵的能力，生鐵進(jìn)入爐底后被溶解，其中的碳元素與四氧化三鐵發(fā)生反應(yīng)(3)，對爐底爐結(jié)進(jìn)行消耗，可有效控制爐底爐結(jié)厚度。

3.2 風(fēng)眼區(qū)域四氧化三鐵的消除

熔煉過程中，高濃度富氧空氣直接鼓入熔池渣層，爐內(nèi)風(fēng)口位置是氧化氛圍最強(qiáng)的區(qū)域，所以該處四氧化三鐵含量最高，同時由于通入的混氧溫度相對較低，導(dǎo)致風(fēng)口位置最容易形成爐結(jié)。風(fēng)口位置爐結(jié)的產(chǎn)生會降低爐內(nèi)反應(yīng)效率，造成跑空風(fēng)現(xiàn)象，對后續(xù)余熱鍋爐、電收塵運(yùn)行造成影響。這部分爐結(jié)可以通過增加打風(fēng)眼頻次、更換長釬子打風(fēng)眼、倒換風(fēng)眼提高爐溫等方式進(jìn)行消除。

3.3 銅井渣井拱洞區(qū)域四氧化三鐵的消除

側(cè)吹熔煉爐的銅井、渣井位于本床兩側(cè)，爐渣通過溢流排出，銅锍通過虹吸原理排出。渣井、銅井與本床連接的拱洞部分的暢通是生產(chǎn)正常運(yùn)行的重要保障。此區(qū)域熔體攪動相對平緩，易產(chǎn)生四氧化三鐵的沉積，當(dāng)沉積過高時，便會導(dǎo)致拱洞堵塞，使熔體無法排出，嚴(yán)重時需停車處理。正常生產(chǎn)過程中要定期對拱洞進(jìn)行探測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)拱洞熔體發(fā)黏或不暢通時，需立即進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整，同時通過燒氧等方式將黏渣或爐結(jié)消除。

4 結(jié)論

對于側(cè)吹爐而言，渣中四氧化三鐵含量的控制有著重要的意義。由于側(cè)吹爐富氧空氣直接鼓入渣層，極易導(dǎo)致渣中四氧化三鐵的產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生泡沫渣造成噴爐事故。目前仍在繼續(xù)摸索能控制四氧化三鐵含量的有效方法，同時摸索降低煤的投入量，將四氧化三鐵控制在產(chǎn)生泡沫渣的極限，在有效降低成本和綜合能耗的同時保證正常生產(chǎn)。