影響陽極銅品質的主要雜質元素走向和分布

張理勤， 俞 偉， 甘 浩， 王曉春， 楊俊奎

(青海銅業有限責任公司， 青海 西寧 810000)

青海銅業采用“氧氣底吹熔煉+氧氣底吹吹煉”的先進工藝生成陰極銅，項目于2018年投產，銅精礦首先進入底吹熔煉爐進行熔煉，產出的銅鋶冷卻破碎后通過配料加入底吹連續吹煉爐吹煉產出粗銅，粗銅經過流槽流入陽極爐進行精煉產出陽極銅。該工藝和傳統PS轉爐吹煉相比環保好、能耗低，在兩年多生產實踐中，系統處理物料成分復雜，使得陽極銅的產品質量受到較大的挑戰，為更好控制陽極銅的產品質量，我們開展了原料雜質元素的走向及對陽極銅質量影響的研究。

0 概述

根據青海銅業近兩年處理原料成分情況，總結出影響陽極銅質量的主要因素為：砷、鉛、鉍、銻、鎳[1-2]。在冶煉過程中由于混合銅精礦中帶入的雜質基數大于系統脫除率[3]，導致雜質元素在陽極銅中富集，引發陽極銅主品位不達標和雜質超標等問題[4]。

一般銅精礦中都含有Au、Ag、Ni、Co、Zn、Pb、Sn、As、Sb、Bi等，部分元素在銅冶煉過程中跟銅的親和力較強[5]，所以在生產過程中，在系統內較難脫除，根據各元素的性質不同在系統中所脫除的比例也不一樣，個別元素在冶煉過程中可脫除80%～90%，而有些元素脫除率只能達到50%～70%，甚至更低[6]。如Ni、Pb、As、Bi、Sb等，這些元素在冶煉過程中因熱力學、動力學和工藝操作等因素影響分別以各種形態進入爐渣、銅锍、粗銅、陽極銅、煙塵中,主要以造渣和揮發兩種機理脫除[7]。Ni由于跟Cu性質極為相似，所以Ni在火法冶煉過程中的脫除率極低，只能通過原料配料貧化控制和電解凈液系統處理脫除[8]。因此系統分析各雜質在系統中的脫除率和分布是對陽極銅產品質量控制的主要手段之一，也是生產工藝和配料技術的主要指導依據[9]。本文重點對Ni、Pb、As、 Bi、Sb等元素在雙底吹冶煉工藝各工序的的分布和走向進行了分析。

1 主要雜質元素在各工序的分布研究

根據青海銅業有限責任公司某階段生產實踐，熔煉爐入爐含鉛為2.33%，銅锍含鉛2.24%，除鉛率約為73.89%；吹煉爐入爐銅锍含鉛2.8%(吹煉爐與熔煉爐工藝不連續，所以入爐銅锍與產出銅锍品位不同)，粗銅含鉛0.9%，除鉛率約為77.7%；陽極板含鉛0.34%，陽極爐除鉛率62.79%。

熔煉爐入爐含砷為0.31%，銅锍含砷0.09%，除砷率約為91.9%；吹煉爐入爐銅锍含砷0.1%，粗銅含砷0.13%，除砷率約為14.83%；陽極板含砷0.13%，陽極爐除砷率1.52%。

熔煉爐入爐含銻為0.07%，銅锍含銻0.03%，除銻率約為87.97%；吹煉爐入爐銅锍含銻0.04%，粗銅含銻0.04%，除銻率約為44.38%；陽極板含銻0.03%，陽極爐除銻率12.77%。

熔煉爐入爐含鉍為0.06%，銅锍含鉍0.02%，除鉍率約為89.82%；吹煉爐入爐銅锍含鉍0.03%，粗銅含鉍0.03%，除鉍率約為33.9%；陽極板含鉍0.03%，陽極爐除鉍率8.81%。

表1 熔煉爐元素分布及脫除率

表2 吹煉爐元素分布及脫除率

表3 陽極爐元素分布及脫除率

圖1 As元素流向圖

圖2 Sb元素流向圖

圖3 Bi元素流向圖

圖4 Pb元素流向圖

圖5 Ni元素流向圖

圖6 雜質元素各工序系統脫除率

熔煉爐入爐含鎳為0.02%，銅锍含鎳0.06%，除鎳率約為17.01%；吹煉爐入爐銅锍含鎳0.12%，粗銅含鎳0.12%，除鎳率約為28.89%；陽極板含鎳0.093%，陽極爐除鎳率23.67%。

Pb元素脫除率在熔煉爐、吹煉爐、精煉爐中相對As、Sb、Bi、Ni等元素較高，各工序均可達到≥62.79%；As、Sb、Bi元素在熔煉爐中脫除率最高，吹煉爐、陽極爐中脫出率很低，因此除As、Sb、Bi需盡可能在熔煉爐脫除；Ni元素整體脫除率很低，各工序基本在20%左右，因此只能通過配料貧化措施保證陽極銅質量[10]。

2 解決措施

有色金屬行業的陽極板標準成分要求如圖4所示。

表4 陽極板行業標準

青海銅業由于處理原料復雜，在實際生產中陽極銅的成分略低于行業要求，青海銅業的陽極板成分如表5所示。

表5 青海銅業陽極板成分表

根據雜質元素流向及分布，依據青海銅業對陽極板品質的要求，為保證從源頭實現控制，熔煉爐配料應滿足如下要求：

表6 青海銅業配料要求表

由于青海地處西北，銅精礦資源渠道相對沿海地區較窄，銅精礦采購種類較雜，品質層次不齊，經常出現雜質元素超過配料標準的物料，針對原料雜質超標影響陽極銅質量，主要采取以下措施保證陽極銅質量：

(1)當鉛元素超標時，適當提高銅锍品位2%～3%，使鉛更多的進入熔煉渣保證陽極銅質量；

(2)As及其它元素超標時，熔煉電收塵煙塵全部開路，避免因雜質長期富集造成系統故障；

(3)陽極爐進行深度氧化還原、反復氧化在還原措施，降低陽極爐出銅效率，提高陽極銅品質，滿足電解工序生產。

3 結論

(1)不同的工藝過程，由于熱力學、動力學、操作條件的不同，元素流向會出現不同的情況，但總體流向基本呈現一致性[11]。其中青海銅業底吹熔煉+底吹吹煉+回轉式陽極爐工藝系統脫除率：Pb 97.83%、As 93.2%、Sb 94.16%、Bi 93.86%、Ni 54.96%；

(2)為符合陽極板要求，實現精細化的配料，各冶煉企業需針對不同的工藝過程，研究金屬的流向，以達到配料目標。青海銅業配料要求控制Pb≤1.45、As≤0.46、Sb≤0.07、Bi≤0.07、Ni≤0.1；

(3)源頭控制：銅冶煉企業原料量大、成分復雜，因此為保證配料符合預期目標，從原料入廠的取樣分析、場地規劃、物料標識、專人管理等方面需重點考慮，保證取樣的代表性、物料管控的精細化[12]；

(4)原料結構的控制：根據雜質元素的流向及分布，為保證陽極板達標，在有限圓盤給料條件下，須對入廠原料實行必要的預混，使得高雜物料與優質物料進行合理搭配，保證入爐物料的均勻性及合理性，達到采購物料與投入物料對于雜質元素的平衡性。