轉(zhuǎn)爐造銅期溫度異常探究及防治

石龍祥 丘雄貴

〔摘 要〕紫金銅業(yè)2021年轉(zhuǎn)爐造銅期溫度存在異?，F(xiàn)象。根據(jù)出渣量多、造銅期殘余渣層厚等明顯跡象，以及熱平衡核算，認(rèn)為溫度異常的原因是黏稠渣層覆蓋阻礙了煙氣散熱，從而打破了爐內(nèi)正常的熱平衡狀態(tài)。基于此結(jié)論，重點(diǎn)針對(duì)轉(zhuǎn)爐造渣進(jìn)行了分析，提出通過調(diào)整轉(zhuǎn)爐渣型、改善冰銅質(zhì)量等方式減少渣中四氧化三鐵的含量，避免黏渣的出現(xiàn)的解決措施。

〔關(guān)鍵詞〕轉(zhuǎn)爐；造銅期；溫度異常；渣層；冰銅；四氧化三鐵

中圖分類號(hào)：TF811 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1004-4345（2023）01-0016-04

Study and Prevention of Temperature Abnormality in Copper Blow Period of Converting Furnace （CF）

SHI Longxiang1， QIU Xionggui2

（1. Zijin Copper Co.， Ltd.， Longyan， Fujian 364204， China;

2. Fujian Key Laboratory of Copper Green Production and Associated Resources Comprehensive Utilization，

Longyan， Fujian 364204， China）

Abstract ?There exists temperature abnormality during the CF copper blow period in 2021 in Zijin Copper. According to the obvious signs such as large slag yield， thick residual slag layer during copper blow and heat balance calculation， it is believed that the reason for abnormal temperature is that the covering of thick slag layer hinders the heat dissipation of gas， thus breaking the normal heat balance in the furnace. According to this conclusion， this paper focuses on the analysis of CF slag blow， and puts forward the solutions to reduce the content of ferric oxide in slag by adjusting the CF slag type and improving the matte quality， and avoid the occurrence of sticking slag.

Keywords ?converting furnace （CF）; copper blow period; temperature abnormality; slag layer; matte; ferric oxide

紫金銅業(yè)火法銅冶煉系統(tǒng)由閃速熔煉、轉(zhuǎn)爐吹煉、陽(yáng)極爐精煉組成，其中轉(zhuǎn)爐吹煉作為中間工序起著承上啟下的重要作用。然而，在該廠2021年的生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)爐吹煉出現(xiàn)了造銅期溫度異常的問題，通過技術(shù)人員的排查、技術(shù)攻關(guān)，最終使溫度異常問題得到了解決。本文擬結(jié)合紫金銅業(yè)轉(zhuǎn)爐造銅期溫度異常情況，探討轉(zhuǎn)爐造銅期溫度異常問題的原因，并提出相應(yīng)的防治措施。

1 ? 工藝背景

轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉以冰銅為原料，在生產(chǎn)過程中向爐內(nèi)鼓入空氣或富氧空氣，經(jīng)過造渣除鐵、氧化脫硫兩個(gè)過程后得到粗銅。

轉(zhuǎn)爐吹煉主要分為造渣和造銅兩個(gè)階段。在造渣期，借助空氣的攪拌作用，冰銅中的硫化亞鐵被氧化，產(chǎn)生的鐵氧化物與添加的石英熔劑進(jìn)行造渣反應(yīng)[1]。其造渣過程的反應(yīng)式見式（1）、式（2）。在造銅期，爐內(nèi)剩余的白冰銅（主要以Cu2S的形式存在）繼續(xù)與空氣中的氧反應(yīng)生成粗銅和二氧化硫[2]，其造銅過程的反應(yīng)方程式見式（3）、式（4）。

2FeS+3O2 = 2FeO+2SO2↑ （1）

ΔGθ = -951 608 +172.46T

2FeO+SiO2 = 2FeO·SiO2 ?（2）

ΔGθ = -32 260+15.27T

2Cu2S+3O2 = 2Cu2O+2SO2↑（3）

ΔGθ=-804 582+243.51T

2Cu2O+Cu2S =6Cu+SO2↑ （4）

ΔGθ =35 982-58.87T

通過吉布斯自由能可知，轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉過程幾乎全是放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量足以維持高溫熔體的自熱反應(yīng)。因此，合理的溫度控制是保證正常、高效吹煉的前提和基礎(chǔ)[3]。

紫金銅業(yè)轉(zhuǎn)爐采用2S2B不完全期交換模式生產(chǎn)，兩次造渣結(jié)束后進(jìn)入造銅期。造銅過程通過富氧吹煉提高生產(chǎn)效率，同時(shí)可處理部分外購(gòu)冷雜銅以提高產(chǎn)量，維持爐內(nèi)溫度均衡。由于造銅過程屬于放熱反應(yīng)，過高的溫度會(huì)抑制反應(yīng)，并造成爐磚高溫侵蝕，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓢姞t或者爐殼燒損等問題。紫金銅業(yè)轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式如圖1所示。

圖1 ? 紫金銅業(yè)轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式

2 ? 轉(zhuǎn)爐造銅期溫度異常情況概況

2021年3月起，紫金銅業(yè)轉(zhuǎn)爐吹煉造銅期過程出現(xiàn)溫度異常情況，溫度持續(xù)偏高，導(dǎo)致生產(chǎn)受阻，嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)爐爐齡和作業(yè)效率。

紫金銅業(yè)轉(zhuǎn)爐出銅溫度一般控制在1 120～

1 140 ℃，較少超過1 160 ℃，相對(duì)其他冶煉廠（如江銅、金隆銅業(yè)等）的轉(zhuǎn)爐出銅溫度1 160 ℃略低。然而，2021年3月，紫金銅業(yè)轉(zhuǎn)爐出現(xiàn)造銅期溫度異常情況，多次超過1 200 ℃，最高出銅溫度高達(dá)

1 331 ℃。溫度的持續(xù)異常導(dǎo)致冶煉廠生產(chǎn)效率降低，并發(fā)生了爐殼燒損問題，嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)爐爐齡和作業(yè)效率：1）爐齡。2020年，紫金銅業(yè)轉(zhuǎn)爐的平均爐齡為315爐；2021年，因吹煉高溫問題，平均爐齡降至259爐。2）吹煉效率。出現(xiàn)溫度異常后，轉(zhuǎn)爐爐次由2020年的日均4.4爐次，降至4爐次，月均爐次少12爐次，生產(chǎn)效率受到限制。2021年5—10月轉(zhuǎn)爐出銅溫度異常記錄見表1。

在轉(zhuǎn)爐造銅期溫度異常的情況下，技術(shù)人員分別嘗試了停止通入氧氣、提高冷料率、降低冰銅進(jìn)料量、洗爐等手段，但溫度異常的情況均未得到有效改善。隨后，通過持續(xù)近三個(gè)月的摸排，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)溫度異常時(shí)，轉(zhuǎn)爐表現(xiàn)出渣量多、造銅期殘余渣層厚等明顯跡象。與造銅期溫度正常時(shí)熔體表面薄且平整的渣層相比，造銅期溫度異常時(shí)，熔體表面的渣層厚實(shí)且呈現(xiàn)結(jié)殼、開裂的明顯跡象，見圖2。技術(shù)人員曾嘗試通過在造銅期間進(jìn)行二次排渣，但在實(shí)際操作中無(wú)法將表層渣排出。

3 ? 原因排查

據(jù)此，紫金銅業(yè)從三方面著手開展原因排查工作：1）從前端排查，確認(rèn)冰銅質(zhì)量是否存在問題，減少因冰銅帶渣而導(dǎo)致吹煉渣量增加的情況；2）探究渣層厚薄與造銅期溫度異常之間的關(guān)系；3）排查造渣期其他可能的影響因素。

3.1 ?冰銅質(zhì)量問題

在冰銅排放口采用常規(guī)取樣的方式，測(cè)得冰銅樣中四氧化三鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.85%，屬于正常范圍。雖然四氧化三鐵體積質(zhì)量和冰銅相近（5.2 g/L），無(wú)法很好地在熔池內(nèi)沉降分離，但其黏度大，易黏結(jié)在銅溜槽壁上，故技術(shù)人員通過幾種不同的取樣方式，重新排查了在冰銅排放過程中實(shí)際帶渣情況。利用不同取樣方式所獲取的冰銅樣中，四氧化三鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2。

從表2中可看出，在持續(xù)排放過程，從溜槽壁上取的冰銅樣中四氧化三鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨排放時(shí)間的增加而增大，可以判定存在富集情況。同時(shí)，在冰銅剛排放出的階段（約10 min）取溜槽樣，冰銅中的四氧化三鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍有25%，說明近階段冰銅質(zhì)量并不理想。

經(jīng)排查核實(shí)，發(fā)現(xiàn)該廠近期維持了較長(zhǎng)時(shí)間的高品位冰銅生產(chǎn)，閃速爐可能出現(xiàn)了精礦過反應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)出的冰銅中四氧化三鐵含量明顯升高。2021年8月，該廠閃速爐直收率為104.5%，實(shí)際產(chǎn)出的銅量比理論投入的大，冰銅產(chǎn)出量出現(xiàn)正偏差。這也證明了在閃速爐生產(chǎn)過程中有大量四氧化三鐵進(jìn)入銅層，導(dǎo)致冰銅帶渣情況。計(jì)算時(shí)，生產(chǎn)人員將渣量計(jì)入冰銅質(zhì)量中，從而導(dǎo)致計(jì)算出回收銅量偏多，而渣的總質(zhì)量反而減小的情況。

由于四氧化三鐵需要較高的溫度才能被還原并進(jìn)入渣相，當(dāng)冰銅品位高于62%時(shí)吹煉過程中的造渣反應(yīng)速度較快，爐內(nèi)溫度較難提升，因此會(huì)對(duì)造渣產(chǎn)生不良影響。同時(shí)，未排凈的四氧化三鐵進(jìn)入造銅期后，會(huì)造成了熔體表面的渣層增厚，從而引起造銅期溫度異常問題。

3.2 ?渣層厚薄的影響

轉(zhuǎn)爐造銅期熱平衡主要通過爐內(nèi)白冰銅自身物理熱及反應(yīng)放熱實(shí)現(xiàn)熱收入，煙氣散熱及冷雜銅吸熱實(shí)現(xiàn)熱支出[4]。按冰銅品位60%計(jì)算紫金銅業(yè)轉(zhuǎn)爐吹煉造銅期熱平衡情況，如表３所示。

從表3可以看出，煙氣帶走的熱量占總體熱支出的56.51%[5]，因此當(dāng)熔體表面渣層較厚時(shí)，散熱效果必然會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致爐內(nèi)溫度升高，造銅期吹煉溫度異常。

3.3 ?造渣期其他影響因素排查

降低鐵硅比、調(diào)整渣型后，冰銅質(zhì)量得到明顯好轉(zhuǎn)。對(duì)比調(diào)整前后轉(zhuǎn)爐造渣期情況可知：從8月11日逐步開始下調(diào)冰銅鐵硅比后，轉(zhuǎn)爐渣率由36.3%下降到32.9%，渣量明顯下降，但對(duì)比理論渣量（28.12%）依然偏高。轉(zhuǎn)爐吹煉總體正常，說明前端對(duì)冰銅的調(diào)整是有效的，被帶入轉(zhuǎn)爐的渣量減少了。

為了進(jìn)一步確認(rèn)影響轉(zhuǎn)爐造銅期溫度異常情況，該廠繼續(xù)開展了轉(zhuǎn)爐吹煉過程各影響因素的排查，排查情況如表4所示。

4 ? 轉(zhuǎn)爐造銅期溫度異常防治措施

通過以上排查，可以得出以下結(jié)論：轉(zhuǎn)爐造渣對(duì)脫除高價(jià)鐵氧化物能力不足，導(dǎo)致了部分渣殘留在了造銅期，造成渣層厚實(shí)；殘余渣層增厚，使熱量散失減少，打破了爐內(nèi)正常的熱平衡狀態(tài)，最終導(dǎo)致造銅期吹煉溫度異常。基于此結(jié)論，紫金銅業(yè)決定將轉(zhuǎn)爐造渣作為重點(diǎn)攻克，提出了以下幾點(diǎn)防治措施。

1）改良轉(zhuǎn)爐渣型，降低渣中四氧化三鐵含量。

轉(zhuǎn)爐造銅期溫度異常期間，由于冰銅品位維持在62%～64%的較高水平，故正常渣率應(yīng)在28%～30%。然而，實(shí)際生產(chǎn)渣率高達(dá)35%，金屬平衡核算明顯發(fā)生了偏離。同時(shí)，在排渣過程中經(jīng)常出現(xiàn)渣黏稠、排不凈的情況。渣量大且黏稠直接導(dǎo)致了殘余渣層增厚。

技術(shù)人員在造銅期溫度正常時(shí)與異常時(shí)，分別提取了30組渣樣進(jìn)行化驗(yàn)。數(shù)據(jù)表明，正常吹煉時(shí)，渣中四氧化三鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.8%；溫度異常時(shí)，渣中四氧化三鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增大，達(dá)到了40.92%。由此判斷，渣中四氧化三鐵含量的增加，是形成黏渣的主要原因。為此應(yīng)盡量使四氧化三鐵在造渣期有足夠的反應(yīng)溫度發(fā)生還原反應(yīng)，以減少渣中四氧化三鐵的含量。還原反應(yīng)見反應(yīng)式（5）。

3Fe3O4+FeS+5SiO2=5（2FeO·SiO2）+SO2 ? ?（5）

在冰銅品位較高時(shí)，轉(zhuǎn)爐造渣期熱量較少，因此應(yīng)盡可能地減少或停止冷料加入，適當(dāng)加入石英熔劑，同時(shí)補(bǔ)充熱源，如焦粉或者煤塊等，提高造渣期溫度，讓四氧化三鐵充分還原，形成正常的硅酸鐵渣型。

2）提高冰銅質(zhì)量，減少由冰銅帶入轉(zhuǎn)爐的四氧化三鐵。

在生成高品位冰銅的過程中，由于閃速爐內(nèi)具有較高的氧勢(shì)，部分硫化亞鐵會(huì)被過氧化成四氧化三鐵，同時(shí)因?yàn)樗难趸F的比重與冰銅相近，導(dǎo)致其夾雜在冰銅中被帶入轉(zhuǎn)爐。因此，技術(shù)人員需要特別注意金屬平衡或轉(zhuǎn)爐的直收率，若持續(xù)出現(xiàn)較大偏差可以考慮冰銅質(zhì)量有惡化的趨勢(shì)，需要盡快調(diào)整，改善冰銅帶渣情況。

為降低冰銅中四氧化三鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，8月11日，該廠開始上調(diào)閃速爐入爐石英的比率，降低渣中的鐵硅比（從1.25降低至1.15），意圖通過增加SiO2活度，讓精礦中的鐵更多地形成黏度低、密度小的鐵橄欖石（2FeO-SiO2），從而有利于銅渣分離。

鐵硅比調(diào)整后的化驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，渣中四氧化三鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生了較明顯的變化。但當(dāng)鐵硅比下降時(shí)，渣中四氧化三鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)也會(huì)隨之下降，如圖3所示。

與此同時(shí)，該廠還在8月13日和8月20日分別開展了兩次為期6 h的排渣試驗(yàn)，通過控制銅面，利用行車稱重確認(rèn)實(shí)際排渣質(zhì)量情況。排渣試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

5 ? 結(jié)語(yǔ)

通過上述防治措施，該廠轉(zhuǎn)爐造渣情況得到明顯改善，造銅期熔體表面渣層正常，未再出現(xiàn)異常高溫現(xiàn)象。同時(shí)，通過對(duì)此次問題的探究與攻克，該廠技術(shù)人員對(duì)高品位冰銅冶煉生產(chǎn)過程有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化銅火法冶煉生產(chǎn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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