艾薩銅熔煉配料優(yōu)化的研究

李江濤 周葉剛

(謙比希銅冶煉有限公司， 北京 100029)

0 前言

銅是不可再生礦產(chǎn)資源，對我國的發(fā)展建設(shè)極其重要，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原材料，在電氣工業(yè)方面應(yīng)用更是廣泛[1]。我國既是銅加工工業(yè)大國，也是銅材料消費(fèi)大國。我國銅礦大多數(shù)是小型礦，銅品位低于世界銅礦的平均值，人均儲量低[2]，銅礦分布相對分散，且開采難度大、開采成本高。銅冶煉主要使用的原料是硫化銅礦和氧化銅礦，傳統(tǒng)的火法煉銅工藝所用的礦料基本上以硫化銅精礦為主，而濕法煉銅工藝則主要使用氧化銅礦[1,3-5]。由于火法煉銅產(chǎn)能大，硫化銅精礦的消耗大，故隨著生產(chǎn)的發(fā)展，硫化銅礦的儲量下降嚴(yán)重，而氧化銅礦則因濕法產(chǎn)能小以及冶煉工藝局限等原因相對開采不大，儲量較多。價(jià)格方面，基于市場需求和原料屬性，氧化銅礦要比硫化銅礦便宜。

銅火法冶煉能耗高、空氣污染大，但是國內(nèi)外銅冶煉仍然以火法冶煉為主[2]，濕法為輔。如今，隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，我國銅工業(yè)火法冶煉技術(shù)正奮力追趕世界一流先進(jìn)水平，其中艾薩銅熔池熔煉技術(shù)自引進(jìn)后不但在國內(nèi)成熟應(yīng)用并發(fā)展創(chuàng)新(典型的有西南銅業(yè)、昆鵬銅業(yè)、滇中有色等)[6-7]，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，還推廣應(yīng)用到中色中鋁合資海外子公司——贊比亞謙比希銅冶煉有限公司(以下簡稱“謙比?！?，同樣取得良好效益。

目前各國節(jié)能環(huán)保的要求不斷提高，我國更是制訂了嚴(yán)格明確的目標(biāo)，因此節(jié)能環(huán)保、降本增益是今后銅火法冶煉發(fā)展的核心。這就需要從各相關(guān)環(huán)節(jié)著手，研究促進(jìn)銅火法冶煉加工的方式方法，不斷提高改進(jìn)、增創(chuàng)效益。艾薩銅熔池熔煉工藝中，入爐礦料大多由單一硫化礦加各種輔料配比組成，原料結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)的局限性較大。本文研究了入爐精礦所含主要元素及成分對艾薩銅熔池熔煉的影響，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對比單一硫化礦與硫化礦加氧化礦聯(lián)合配料模式，以尋求更符合、更利于艾薩銅熔煉的優(yōu)化配料模式。

1 入爐銅精礦各主要元素及成分的作用

在艾薩熔池熔煉工藝中，入爐銅精礦中最主要的元素及成分是Cu、Fe、S、SiO2，它們四者的含量超過了總量的83%。原料中的Cu與部分Fe、S在熔煉過程中生成銅锍，少量Cu則因夾帶而進(jìn)入爐渣中損失；所有SiO2與部分Fe反應(yīng)造渣[8]。

大部分S在反應(yīng)后生成SO2，并釋放大量熱能，為艾薩熔煉提供所需熱量，SO2則輸送至制酸工序回收生產(chǎn)硫酸。在生產(chǎn)中，S含量的高低不僅是控制艾薩爐熔煉溫度及能耗的關(guān)鍵，也是影響硫酸系統(tǒng)的生產(chǎn)從而影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)能的關(guān)鍵因素：

1)當(dāng)入爐料中S含量過低時(shí)，自身反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量較少，需要補(bǔ)加較多的煤和燃油，才能夠提供艾薩爐熔煉所需的熱量，直接增加能耗和成本，還會(huì)導(dǎo)致熔煉系統(tǒng)的溫度波動(dòng)較大，操作不易控制，對熔煉工序和鍋爐造成很大影響，還會(huì)增加煙氣中單質(zhì)硫的析出量，加大對硫酸系統(tǒng)的負(fù)面影響。

2)當(dāng)入爐料中S含量過高時(shí)，自身反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量過多，導(dǎo)致熔煉系統(tǒng)溫度過高，對熔煉工序和鍋爐造成很大影響，煙氣中升華硫的含量同步增加，給硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)帶來了很大的困擾[9]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)壓料、減料，限制產(chǎn)能。此外，當(dāng)入爐料中S含量過高時(shí)，煙氣中的SO2濃度也會(huì)隨之升高，加大硫酸系統(tǒng)的生產(chǎn)壓力，而實(shí)際生產(chǎn)中需要通過轉(zhuǎn)爐搖爐措施降低煙氣濃度，既耽誤生產(chǎn)又給生產(chǎn)環(huán)境帶來負(fù)擔(dān)。

若所用原料以高硫銅精礦為主，其中所含的SiO2往往很低，若要滿足熔煉工藝的需求，則需要補(bǔ)加石英砂。而過多石英砂的加入則可能會(huì)導(dǎo)致以下問題的發(fā)生：

1)石英砂不含銅，配入后必然導(dǎo)致入爐料中銅品位的降低，在流程處理能力一定的條件下，就意味著銅的實(shí)際產(chǎn)量下降。

2)加入的石英砂需要消耗熱能來促使反應(yīng)發(fā)生，造成能耗上升。

3)石英砂入爐后最終隨爐渣排走，導(dǎo)致爐渣量增加，在渣含銅量一定時(shí)，渣量的增加就意味著爐渣夾帶的金屬銅損失增加，降低冶煉的直收率。此外，渣量的增加還直接導(dǎo)致堆存成本、爐渣中銅的貧化回收成本增加，以及生產(chǎn)勞動(dòng)和土地占用增加。

綜上所述，當(dāng)原料結(jié)構(gòu)中Cu、Fe、S、SiO2組成不合理時(shí)，雖然能通過添加其他輔料來滿足生產(chǎn)，但卻會(huì)出現(xiàn)成本增加、影響其他生產(chǎn)系統(tǒng)、增加能耗和環(huán)保壓力等問題，同時(shí)原料采購受到限制。銅熔煉中單純考慮某一元素的含量意義不大[10]，當(dāng)生產(chǎn)工藝所需銅锍品位和渣型在控制范圍內(nèi)時(shí)，綜合考慮4種元素及成分的配比才能達(dá)到熔煉工藝所需的最優(yōu)條件。

2 兩種配料模式對熔煉的影響

本文結(jié)合謙比希和四川某公司的生產(chǎn)實(shí)踐，對比分析單一硫化銅礦配料模式與硫化銅礦加氧化銅礦聯(lián)合配料模式對艾薩熔煉的影響。在配料計(jì)算中，以典型的硫化銅礦和氧化銅礦為原料，按工藝需求設(shè)定目標(biāo)銅锍品位與渣型結(jié)構(gòu)，在工藝操作調(diào)節(jié)范圍內(nèi)以盡可能少補(bǔ)加石英砂和煤為優(yōu)先原則，然后計(jì)算各種原料、輔料的配合比例，當(dāng)生產(chǎn)處于最大下料能力、最低能耗、最低輔料的平衡點(diǎn)時(shí)，該綜合成分就是最優(yōu)配料比例。

硫化銅礦和氧化銅礦所涉及造锍熔煉和造渣的主要反應(yīng)如下[1,8]：

2CuFeS2+5/2O2=Cu2S·FeS+FeO+2SO2

(1)

2CuS+O2=Cu2S+SO2

(2)

FeS+3/2O2=FeO+SO2

(3)

FeS2+5/2O2=FeO+2SO2

(4)

Cu2(OH)2CO3→2CuO+CO2+H2O

(5)

Cu2O+FeS=Cu2S+FeO

(6)

2FeO+SiO2=2FeO·SiO2

(7)

2.1 單一硫化礦配料模式

當(dāng)原料使用單一硫化銅精礦或絕大部分是硫化銅精礦時(shí)，需要配入較大比例的石英砂。通過冶金計(jì)算可以確定石英砂和燃煤與入爐精礦的配比補(bǔ)加量，結(jié)果見表1(表中典型硫化銅礦和典型氧化銅礦只列出了Cu、Fe、S、SiO2四個(gè)重要組分，其他組分主要是水分和少量其他物質(zhì))。

表1 單一硫化礦配料模式 %

該方案的優(yōu)點(diǎn)是燃煤配比補(bǔ)加量較小，可節(jié)約燃煤用量，但其負(fù)面影響更明顯，主要如下：

1)配加輔料后，入爐精礦綜合含銅品位下降了1.9%，8.3%的石英砂配比補(bǔ)加量是造成入爐精礦銅品位下降的主要原因。銅品位的明顯下降導(dǎo)致流程下料量固定時(shí)銅的最終產(chǎn)量下降，進(jìn)而導(dǎo)致噸銅加工成本上升。

2)石英砂的大量加入還會(huì)造成渣量的明顯增加，而渣量的增加會(huì)使因爐渣中夾帶損失的銅更多，降低冶煉直收收率，而且補(bǔ)加的石英砂石或多或少都會(huì)帶入Al2O3、CaO、MgO等雜質(zhì)，會(huì)給熔煉帶來不好的影響。

3)由于綜合含硫量達(dá)到了27%，在保持銅锍品位的條件下，需要的理論氧料比較高，在可用氧氣量受限時(shí)，艾薩爐下料量需下調(diào)。含硫量偏高，也必然使煙氣中的升華硫含量增加，對硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)造成很不好的影響，而且當(dāng)轉(zhuǎn)爐吹煉過程中煙氣中的含硫濃度波動(dòng)到上限時(shí)，硫酸系統(tǒng)入口煙氣含硫濃度容易超過可控值，迫使轉(zhuǎn)爐搖爐以降低煙氣含硫量，從而延長了轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)間，直接降低了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力、送風(fēng)效率等吹煉指標(biāo)。

2.2 硫化礦和氧化礦聯(lián)合配料模式

當(dāng)原料結(jié)構(gòu)以硫化礦為主，搭配部分氧化礦時(shí)，由于氧化礦的Fe、S含量低，硅含量高，所需的石英砂配比補(bǔ)加量就比較少。通過冶金計(jì)算，兩種銅礦、石英砂和燃煤的配比見表2。

表2 硫化礦與氧化礦聯(lián)合配料模式 %

相比于單一硫化礦的配料模式，該模式的缺點(diǎn)是：配煤比例增加到了1.7%，煤耗增加。但優(yōu)點(diǎn)較多，主要如下：

1)配料后入爐銅精礦的綜合含銅量下降不大。

2)因氧化銅礦為原料提供了較多的SiO2，故可以不加或者僅少量添加石英砂，相比全硫化礦配料模式，既節(jié)約了石英砂，又避免了因外加石英砂造成的渣量增加、渣夾帶銅損失以及帶入Al2O3、CaO、MgO等雜質(zhì)對熔煉的影響。

3)綜合含硫量降至25.3%，相比全硫化礦配料模式，理論氧料比下降，在相同的氧氣量下，艾薩爐的下料量更高、單位含銅量更高。提高銅锍品位并配合提高轉(zhuǎn)爐吹煉節(jié)奏，不僅可以提高銅產(chǎn)能，還可以降低實(shí)際燃煤配比補(bǔ)加量。

4)若控制得當(dāng)，不僅銅锍品位能夠提高，而且更多的硫從艾薩爐中脫除進(jìn)入煙氣。因艾薩爐煙氣連續(xù)穩(wěn)定，波動(dòng)大的轉(zhuǎn)爐煙氣在總煙氣量中的占有權(quán)重降低，硫酸入口煙氣的波動(dòng)也會(huì)降低，既減少因調(diào)控?zé)煔獠▌?dòng)而造成的轉(zhuǎn)爐搖爐情況，又給硫酸系統(tǒng)的生產(chǎn)提供穩(wěn)定良好煙氣輸送。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)入爐料含硫量約為25%時(shí)，很少會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)爐搖爐的情況。

2.3 實(shí)際生產(chǎn)對比

在現(xiàn)有流程基礎(chǔ)條件下，綜合計(jì)算上述兩種配料模式下的流程處理量、固定成本、變動(dòng)成本，得出兩種模式下的銅、硫酸單位生產(chǎn)成本。以單一硫化礦條件下的配料模式為基準(zhǔn)得到的兩種配料模式下的生產(chǎn)效率對比見表3。表4是生產(chǎn)中部分時(shí)段配入氧化礦前后的實(shí)際下料量、主要元素含量和輔料配比的對比。

表3 兩種配料模式下的生產(chǎn)效率對比(全硫化礦模式取基準(zhǔn)100)

表4 配入氧化礦前后的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

從表3可看出，硫化礦聯(lián)合氧化礦的優(yōu)化配料模式的流程生產(chǎn)能力明顯高于單一硫化礦的配料模式，銅和硫酸的綜合單位成本都明顯下降。從表4可看出，配入合理比例的氧化礦后，配砂量大幅下降，單位時(shí)間下料量顯著增加，入爐料銅品位升高1.6%，而含硫量降低0.4%，雖然幅度較小，但在優(yōu)化實(shí)行加快轉(zhuǎn)爐吹煉節(jié)奏、提高銅锍品位等操作后，配煤量下降，產(chǎn)量卻更高，可見優(yōu)化配料后入爐礦料結(jié)夠更加合理， 真正做到節(jié)能增效、降本增益。

3 結(jié)束語

綜上所述，在硫化礦中配入適量的氧化礦，可使原料綜合Fe、S、SiO2含量更接近生產(chǎn)工藝需求，可減少輔料的使用，促進(jìn)熔煉生產(chǎn)潛力的挖掘開發(fā)，加快熔煉及吹煉環(huán)節(jié)的生產(chǎn)節(jié)奏，增加流程產(chǎn)量，提高工藝平衡匹配，減少冶煉過程中熱能浪費(fèi)，降低能耗，既發(fā)揮工藝流程更高的效率，又降低綜合成本，能創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益。