富氧底吹爐熔煉系統(tǒng)直升煙道結(jié)焦問(wèn)題的研究

呂 軍

(北方銅業(yè)股份有限公司，山西 運(yùn)城 043700)

0 前言

富氧底吹爐是我國(guó)自主研發(fā)的現(xiàn)代強(qiáng)化熔池熔煉技術(shù)[1-2]，具有原料適應(yīng)強(qiáng)、處理能力大、熱利用率高、可實(shí)現(xiàn)無(wú)碳熔煉等優(yōu)點(diǎn)[3]。某銅冶煉廠在進(jìn)行改造時(shí)，采用富氧底吹熔池熔煉-PS轉(zhuǎn)爐吹煉-陽(yáng)極爐精煉-電解精煉工藝進(jìn)行陰極銅生產(chǎn)。富氧底吹熔池熔煉工藝，采用氧槍從爐底不斷鼓入氧氣和空氣，促進(jìn)熔池的攪拌；入爐物料不斷被熔體包裹，和鼓入的氧氣反應(yīng)，完成造锍熔煉過(guò)程；銅锍和爐渣因比重不同而分層，經(jīng)過(guò)沉淀區(qū)，間歇性完成放銅、放渣作業(yè)[4]。在富氧底吹熔池熔煉生產(chǎn)過(guò)程中，由于不停地往爐內(nèi)鼓風(fēng)、送氧，熔體會(huì)發(fā)生噴濺，銅精礦中的低熔點(diǎn)雜質(zhì)(Pb、Zn、As、Bi)揮發(fā)，噴濺物和揮發(fā)性雜質(zhì)在直升煙道段的水冷壁上經(jīng)過(guò)冷卻，形成結(jié)焦[5-8]。結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)，直升煙道段水冷壁換熱效率下降，特別嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成富氧底吹爐倒煙，惡化富氧底吹爐現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，甚至導(dǎo)致無(wú)法作業(yè)；結(jié)焦過(guò)大時(shí)，清理結(jié)焦過(guò)程中，人員需進(jìn)入直升煙道段內(nèi)，存在結(jié)焦脫落的重大安全隱患，且清理時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致富氧底吹爐作業(yè)率下降。

結(jié)合某銅冶煉廠富氧底吹爐熔煉系統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)踐情況，討論分析富氧底吹爐直升煙道的形成機(jī)理，就結(jié)焦問(wèn)題提出解決措施，減少結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生，從而提升富氧底吹爐直升段水冷壁的換熱效率和富氧底吹爐作業(yè)率。

1 工藝流程及結(jié)焦形成機(jī)理

1.1 工藝流程

富氧底吹爐生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 富氧底吹爐工藝流程圖

1.2 富氧直升煙道結(jié)焦形成機(jī)理

富氧底吹爐是一種臥式爐[9]，某冶煉廠的富氧底吹爐氧槍設(shè)計(jì)采用雙排氧槍，成22°角，底吹爐爐體結(jié)構(gòu)示意圖[5]如圖2所示。

圖2 底吹爐爐體結(jié)構(gòu)示意圖

富氧底吹爐直升煙道段結(jié)焦是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。在熔煉過(guò)程中，部分熔體噴濺的小液滴與銅精礦中的Pb、Zn、As、Bi等低熔點(diǎn)易揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)入直升煙道段[10]，在直升煙道水冷壁的冷卻作用下形成堅(jiān)硬的黑色焦塊。

富氧底吹爐熔煉直升煙道段形成的焦塊大。通過(guò)測(cè)量，焦塊長(zhǎng)度超過(guò)2.5 m，在清理焦塊過(guò)程中，擊打時(shí)，焦塊硬度大，破碎困難，清理時(shí)間長(zhǎng)。

入爐銅精礦和直升煙道焦塊的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 入爐銅精礦和焦塊化學(xué)組成 %

由表1可知，富氧底吹爐焦塊中含量最高的是銅元素。由于Cu的熔點(diǎn)較高，黏度低，不易結(jié)焦，因此，結(jié)焦塊中的Cu主要來(lái)自噴濺的熔體。此外，Pb、Zn、As、Bi等低熔點(diǎn)物質(zhì)的化合物揮發(fā)后，在直升煙道水冷壁冷卻，粘附在水冷壁上，累積形成焦塊。

對(duì)焦塊的物相組成進(jìn)行X-射線衍射分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 焦塊物相組成

表2表明，焦塊物相比較復(fù)雜，焦塊堅(jiān)硬主要是CuFe2O4引起的，因?yàn)镃uFe2O4屬于尖晶石(AB2O4)結(jié)構(gòu)，尖晶石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)晶致密，硬度大。焦塊中Pb主要以PbSO4形式存在，金屬硫酸鹽黏度大，在熔煉過(guò)程中，PbSO4和Fe2(SO4)3等金屬硫酸鹽在直升段形成熔融物，煙氣通過(guò)直升煙道時(shí)，煙塵被金屬硫酸鹽粘結(jié)，從而導(dǎo)致結(jié)焦焦塊逐漸增大且致密。

2 富氧底吹爐結(jié)焦影響因素

富氧底吹爐直升煙道段結(jié)焦主要產(chǎn)生于出煙口、直升煙道與余熱鍋爐連接處。影響富氧底吹爐直升煙道結(jié)焦的主要因素為銅精礦成分、富氧底吹爐氧槍壓力、銅锍品位、煙氣溫度、熔體深度。

2.1 銅精礦成分

銅精礦成分對(duì)焦塊的形成有至關(guān)重要的影響。由于富氧底吹爐爐頂溫度高達(dá)1 100 ℃，銅精礦從加料口進(jìn)入富氧底吹爐時(shí)，在此高溫狀態(tài)下，Pb、Zn、As、Bi等低熔點(diǎn)易揮發(fā)性物質(zhì)迅速揮發(fā)，在煙道風(fēng)機(jī)的作用下，進(jìn)入直升煙道段中。煙氣在直升煙道上升過(guò)程中，在外側(cè)水冷壁的冷卻作用下，煙氣中的氣態(tài)物質(zhì)凝結(jié)，從而形成結(jié)焦；煙氣中高濃度的SO2在煙塵中Fe2O3的催化下，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成SO3，SO3與銅精礦中H2O在直升煙道內(nèi)形成硫酸酸霧，H2SO4與部分低熔點(diǎn)金屬元素的氧化物生成硫酸鹽。硫酸鹽具有較大的黏度，接觸角小，表面張力大，粘附在直升煙道水冷壁上的熔融態(tài)硫酸鹽會(huì)吸附煙氣中的煙灰，從而導(dǎo)致結(jié)焦增大，變得比較致密。

2.2 富氧底吹爐氧槍壓力

富氧底吹爐熔池熔煉過(guò)程中，氧氣從底部由噴槍進(jìn)入熔池中，在熔池中完成反應(yīng)，生產(chǎn)出合格的銅锍。生產(chǎn)實(shí)踐表明：氧槍壓力越大，熔池?cái)噭?dòng)越劇烈，熔體噴濺量和噴濺高度越大，在直升煙道水冷壁形成的結(jié)焦塊就越大。氧槍內(nèi)的氣體以射流形式穿過(guò)熔池內(nèi)的銅锍層進(jìn)入渣層，從而導(dǎo)致渣層氧勢(shì)高，渣層形成的FeO被迅速氧化，形成磁性Fe3O4。Fe3O4導(dǎo)致熔渣變粘，難以放出，熔池內(nèi)壓力迅速增大，膨脹，熔池內(nèi)熔體噴濺嚴(yán)重，在直升煙道水冷壁結(jié)焦；此外，F(xiàn)e3O4是致密的尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致焦塊硬度大、致密度高。如果氧槍壓力低于熔池對(duì)氧槍的壓力，熔池內(nèi)熔體會(huì)發(fā)生泄漏事故。由此可以看出，氧槍壓力是影響結(jié)焦的重要因素。

2.3 銅锍品位

銅锍品位是富氧底吹爐熔池熔煉的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)富氧底吹爐直升煙道段結(jié)焦有著重要的影響。某銅冶煉廠控制銅锍品位為70%～75%，當(dāng)精礦處理量和送風(fēng)量一定時(shí)，銅锍品位越高，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)；當(dāng)精礦處理量和送風(fēng)時(shí)間一定時(shí)，銅锍品位越高，同等時(shí)間內(nèi)，渣量越大，銅锍量越少，熔池中氧勢(shì)越高，熔池中Fe3O4含量增加，從而熔渣黏度增加，在精礦加入到底吹爐中時(shí)，F(xiàn)e3O4與精礦中的硫化物反應(yīng)生成大量的氣體，在渣層中難以排出，形成泡沫渣，嚴(yán)重時(shí)，導(dǎo)致?tīng)t噴。爐噴時(shí)，大量熔體噴濺，在直升煙道凝結(jié)，形成大而硬的結(jié)焦塊，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)煙氣形成倒煙，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境惡化，難以進(jìn)行操作。

2.4 煙氣溫度

富氧煙氣溫度對(duì)結(jié)焦也有著重要的影響。富氧底吹爐直升煙道入口至頂部溫度在700～1 100 ℃。直升煙道底部屬于高溫區(qū)，此處的結(jié)焦主要是熔體噴濺造成的。煙氣中煙塵在直升煙道底部形不成液態(tài)熔融物，煙氣中氣態(tài)煙灰物質(zhì)的沸點(diǎn)低于1 100 ℃，因此仍舊以氣態(tài)形式存在；隨著煙氣繼續(xù)往上走，在直升煙道中部，煙氣溫度在900 ℃左右，部分金屬硫化物與煙氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，形成CuSO4等硫酸鹽，煙灰被吸附進(jìn)入硫酸鹽的空隙中，不斷粘結(jié)，從而在直升煙道中部形成結(jié)焦；在直升煙道頂部，煙氣經(jīng)水冷壁冷卻，溫度降至700～850 ℃，煙氣中的Bi2S3、CuS、ZnO和PbO等物質(zhì)液化，呈熔融液態(tài)，Bi2S3與煙氣中的氧氣反應(yīng)，燒結(jié)，形成焦塊，并且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，焦塊中生成硫酸鹽，從而起到吸附作用，結(jié)焦逐漸長(zhǎng)大，變得致密。

2.5 熔體深度

某冶煉廠富氧底吹爐尺寸為Φ4.8 m×20 m，耐火材料厚度為380 mm，熔池深度為1 350～1 400 mm，熔煉渣厚度控制在250～350 mm。當(dāng)熔池深度過(guò)低時(shí)，氧氣流迅速穿過(guò)熔池，進(jìn)入渣層，造成渣層過(guò)氧化，銅精礦在渣層進(jìn)行反應(yīng)，大量的SO2氣體從渣層涌出，導(dǎo)致熔體噴濺加劇，造成直升煙道段底部結(jié)焦嚴(yán)重；渣層過(guò)厚時(shí)，銅精礦落在渣層上，在爐內(nèi)高溫的作用下，部分物料發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，加劇渣層變厚，反應(yīng)生成的氣體和噴入的氧氣在熔池內(nèi)堆積，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，熔池發(fā)生爆炸，從而導(dǎo)致噴濺，引起直升煙道段結(jié)焦。

3 控制結(jié)焦形成的措施

直升煙道段結(jié)焦是富氧底吹爐作業(yè)中一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)富氧底吹爐高效和安全作業(yè)有著重要的影響。針對(duì)上述富氧底吹爐結(jié)焦的影響因素，可采取以下措施控制結(jié)焦的形成。

3.1 合理配料

富氧底吹爐熔煉的配料系統(tǒng)必須嚴(yán)格按照配料單進(jìn)行，嚴(yán)格控制入爐銅精礦中Pb、Zn、As、Bi等低熔點(diǎn)易揮發(fā)性物質(zhì)的含量。

1)控制Pb、Zn、As、Bi總含量低于0.5%，尤其是As含量。將As含量控制在0.1%以內(nèi)，這是因?yàn)榻档豌~精礦As含量時(shí)，As在煙氣中含量會(huì)降低，玻璃體的As2O3難以形成，可減少結(jié)焦的生成。

2)控制S/Cu比為1.05～1.1，降低CuS和Bi2S3在銅精礦中所占比例，因?yàn)镃uS和Bi2S3在爐內(nèi)揮發(fā)后，進(jìn)入直升煙道段，自燃、反應(yīng)，生成熔融態(tài)的物質(zhì)，冷卻后形成結(jié)焦。

3)控制煙灰、吹煉渣和煤的配入量(降低磁性鐵含量)，降低其帶入的Pb、Zn、As、Bi含量，從而減少其引起的直升煙道段頂部結(jié)焦，控制煙灰加入量/銅精礦加入量低于10%。

4)控制入爐精礦中H2O含量低于9%。H2O含量過(guò)高時(shí)，煙氣露點(diǎn)降低，在直升煙道頂部生成硫酸鹽，促進(jìn)結(jié)焦生長(zhǎng)和增大。合理控制入爐精礦中H2O含量可有效減少大焦塊的生成。

3.2 控制富氧底吹爐熔煉技術(shù)指標(biāo)

富氧底吹爐熔煉應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行摸索優(yōu)化。熔煉工序采用FeO-SiO2二元渣系進(jìn)行熔煉造渣，現(xiàn)控制Fe/SiO2比在1.6～1.8，富氧濃度控制在65%～72%，氧氣壓力控制在0.4～0.6 MPa，銅锍品位控制在70%～73%，直升煙道頂部壓力控制在-100～0 Pa。合理控制熔煉生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，可有效控制爐內(nèi)Fe3O4含量，降低渣黏度，減少爐內(nèi)噴濺現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.3 控制直升煙道上部溫度

由于部分硫化物在富氧底吹爐熔煉時(shí)，直接揮發(fā)進(jìn)入直升煙道，不能充分反應(yīng)，在直升煙道低溫段形成熔融體，造成結(jié)焦。因此需要控制低熔點(diǎn)硫化物反應(yīng)率，提高直升煙道段溫度，避免其形成熔融體。為了控制直升煙道頂部硫化物的反應(yīng)率，在直升煙道頂部增加風(fēng)管補(bǔ)充氧，使煙氣中的硫化物與空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)。補(bǔ)風(fēng)量根據(jù)加料量計(jì)算，按照氧量過(guò)剩系數(shù)1.2減去氧槍鼓入氧量進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)。

3.4 結(jié)焦抑制劑

為了降低富氧底吹爐直升煙道段結(jié)焦，加入結(jié)焦抑制劑。某銅冶煉廠熔煉工序加入的結(jié)焦抑制劑主要成分為硼酸鹽、CaO、Al2O3，MgO和膨松劑。結(jié)焦抑制劑主要是通過(guò)與煙氣中的熔融物進(jìn)行造渣反應(yīng)，在膨松劑的作用下，形成多孔、疏松的焦塊，便于清理。結(jié)焦抑制劑隨著銅精礦通過(guò)富氧底吹爐加料口加入，每2小時(shí)加入25 kg。由于結(jié)焦抑制劑粒度小，加入爐內(nèi)后，在爐內(nèi)負(fù)壓的作用下，隨煙氣一起進(jìn)入直升煙道段內(nèi)并發(fā)生反應(yīng)，從而抑制焦塊的長(zhǎng)大，降低焦塊的黏度和硬度，進(jìn)而減少富氧底吹爐結(jié)焦清理時(shí)間，提升富氧底吹爐作業(yè)率。加入結(jié)焦抑制劑后，焦塊的化學(xué)組成見(jiàn)表3，其形狀如圖3所示。

表3 加入結(jié)焦抑制劑前后焦塊化學(xué)組成 %

圖3 加入結(jié)焦抑制劑后焦塊形狀

由表3和圖3可以看出，加入結(jié)焦抑制劑后，焦塊中Pb、As、Zn、Bi等物質(zhì)含量降低，形成的焦塊呈多孔狀結(jié)構(gòu)，表面存在灰綠色礦粉，硫含量降低，高黏度硫酸鹽比例也降低，從而抑制了焦塊的生長(zhǎng)；Si含量增加，是因?yàn)榻Y(jié)焦抑制劑和煙氣中金屬氧化物發(fā)生造渣反應(yīng)，形成易脫落的硅酸鹽，從而避免大焦塊的形成。

采取上述措施后，在熔煉過(guò)程中通過(guò)觀察口進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)著火現(xiàn)象，熔體噴濺現(xiàn)象減少，與直升煙道水冷壁附著力降低，結(jié)焦塊變少、變小。在富氧底吹爐巡檢時(shí)，直升煙道水冷壁上的結(jié)焦塊脫落，呈多孔疏松狀，大塊結(jié)焦消失。

4 結(jié)束語(yǔ)

富氧底吹爐直升煙道段結(jié)焦問(wèn)題嚴(yán)重制約了富氧底吹爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致富氧底吹爐作業(yè)率下降，經(jīng)濟(jì)效益較低。通過(guò)對(duì)結(jié)焦問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，發(fā)現(xiàn)影響直升煙道結(jié)焦的因素有銅精礦成分、富氧底吹爐氧槍壓力、銅锍品位、煙氣溫度和熔體深度。通過(guò)合理配料、控制底吹爐熔煉技術(shù)指標(biāo)、嚴(yán)格控制直升煙道上部溫度和加入結(jié)焦抑制劑，有效解決了底吹爐直升煙道結(jié)焦問(wèn)題(焦塊大、焦塊硬)，形成的焦塊變小、變疏松，極大地降低了富氧底吹爐結(jié)焦清理時(shí)長(zhǎng)，底吹爐作業(yè)率穩(wěn)步提升。