大型富氧底吹爐熔煉渣含銅的研究及控制

梁高喜,張文岐,任飛飛,王伯義

(1.河南省黃金資源綜合利用重點實驗室; 2.河南中原黃金冶煉廠有限責任公司中原學者工作站; 3.河南中原黃金冶煉廠有限責任公司)

引 言

銅火法冶煉核心過程之一是造渣,熔煉渣的性質直接影響冶煉過程的順利與否,熔煉渣性質與入爐原料、冰銅品位、冶煉工藝、操作條件、渣型選擇等因素密切相關,不同渣型銅含量差別也較大[1-5]。降低熔煉渣含銅是提高底吹爐有價金屬回收率的重要手段。河南中原黃金冶煉廠有限責任公司(下稱“中原冶煉廠”)大型富氧底吹爐(φ5.8 m×30 m)在運行過程中長期受制于渣含銅過高,無法大幅度提高礦粉處理量。針對這一問題,研究分析了渣含銅的主要影響因素,并制定相應的調控措施,以期解決底吹爐在高處理能力情況下的熔煉渣含銅偏高問題,為類似企業提供技術借鑒。

1 熔煉渣組分分析

根據X射線衍射分析、光學顯微鏡及掃描電鏡結果,并結合化學成分分析結果,查明熔煉渣組分主要為磁鐵礦、鐵橄欖石(Fe2SiO4)、鈣鐵輝石(CaFeSi2O6)及玻璃相,其次為以硫化亞銅為主的冰銅,冰銅中可見微粒硫化鋅、砷化物、氧化鐵,細脈狀硫化鉛及不規則狀金屬銅。熔煉渣組分分析結果見表1。

表1 熔煉渣組分分析結果Table 1 Analysis results of smelting slag composition

熔煉渣中冰銅主要呈粒狀單體產出,粒度分布極不均勻,單體粒度相對較粗(見圖1-a、b),一般為0.038～0.3 mm,這部分冰銅可經過磨浮工藝回收。此外,還有部分冰銅呈細粒、微細粒分布于熔煉渣中,并以貧連生體形式產出(見圖1-c、d),粒度一般較細(小于0.01 mm)。在繼續細磨條件下,大部分冰銅很難單體解離,難以通過浮選回收,只有少部分粒度稍粗的可進一步單體解離,因此該部分冰銅多以富連生體形式進入浮選銅精礦。

圖1 冰銅顯微鏡照片Fig.1 Microscopic image of copper matte

經過對熔煉渣進行物相分析,發現熔煉渣中鐵主要以硅酸鐵形式存在,且以鐵橄欖石及鈣鐵輝石為主,少量含鐵硅酸鹽玻璃相,其次以磁鐵礦形式存在,少量以硫化鐵形式存在;熔煉渣中銅主要以機械夾帶冰銅方式損失。因此,通過主控精細操作,保持熔煉渣良好流動性,保證渣銅分離效果,是控制熔煉渣含銅的關鍵。

2 熔煉渣含銅影響因素及控制措施

2.1 鐵硅比

王親猛等[6]研究表明,鐵硅比(m(Fe)/m(SiO2))在1.4～2.0,熔煉渣含銅會隨鐵硅比的增加而增加,且有一定的線性關系?，F場實踐發現,當鐵硅比高于1.9時,產生的熔煉渣流動性非常差,幾乎“斷流”;鐵硅比控制在1.5以下時,熔煉渣流動性明顯變好,但這種情況下配入的石英砂量增加,熔煉渣量增多,渣含銅的絕對損失量增加,并且對爐襯沖刷嚴重。同等工藝條件下鐵硅比對熔煉渣含銅的影響見表2。綜合爐況考慮,中原冶煉廠富氧底吹爐熔煉渣鐵硅比控制在1.6～1.8,熔煉渣流動性良好,各項指標較為平穩。

表2 同等工藝條件下鐵硅比對熔煉渣含銅的影響Table 2 Influence of m(Fe)/m(SiO2) on copper content in smelting slag under the same process parameters

2.2 熔煉溫度

冰銅主要由Cu2S和FeS組成,其主要組分銅、鐵、硫的含量與原料成分、熔煉方法和技術操作條件有關,中原冶煉廠富氧底吹爐所產冰銅品位一般控制在:銅68 %～72 %,硫19 %～22 %,鐵3 %～6 %。其余為其他金屬的硫化物,如PbS、Ni3S2、ZnS等。熔煉渣是由多種氧化物相互熔融形成的共熔體,主要成分是SiO2和FeO,其次是CaO、Al2O3和MgO等。固態爐渣主要由2FeO·SiO2、2CaO·SiO2等硅酸鹽復雜組分組成。銅冶煉過程產物物理性質見表3。

表3 銅冶煉過程產物物理性質[2]Table 3 Physical characteristics of copper smelting products

FeO-SiO2-CaO系狀態圖見圖2。通過FeO-SiO2-CaO系狀態圖可以了解不同組分的熔煉渣熔化溫度,進而可以得到熔點最低的熔煉渣組成。熔煉過程中希望得到流動性好,即黏度小的熔煉渣,而熔煉溫度對其黏度影響較大,尤其是在熔點附近,影響比較明顯。因此,控制較高的熔煉溫度,有助于改善熔煉渣的流動性,但過高的熔煉溫度不利于爐體壽命,因此合適的熔煉溫度對優化熔煉渣含銅是非常重要的,中原冶煉廠生產實踐控制熔煉溫度為1 170 ℃ ～1 190 ℃。熔煉溫度對熔煉渣含銅的影響見表4。

圖2 FeO-SiO2-CaO系狀態圖[3]Fig.2 FeO-SiO2-CaO status diagram

表4 熔煉溫度對熔煉渣含銅的影響Table 4 Influence of smelting temperature on copper content in smelting slag

2.3 Fe3O4含量

熔煉渣中Fe3O4的存在會形成爐體掛渣,保護爐襯,延長爐壽,但同時增加熔煉渣的黏度,影響渣含銅。Fe3O4含量較低,有助于改善熔煉渣流動性以降低渣含銅。影響底吹爐熔煉渣中Fe3O4含量的因素主要有:

1)熔煉渣SiO2含量。SiO2含量越高,溶解的Fe3O4越少,即鐵硅比越低,熔煉渣流動性越好。

2)入爐原料中氧化鐵的含量。底吹爐比較大的一個優勢是原料適應性強,能夠處理雜礦。目前,配入的含氧化鐵的原料主要是吹煉渣和焙燒脫砷礦,這2種物料中含Fe3O4較多,當其配入比例過高(大于7 %)時,對熔煉渣的流動性影響非常大,嚴重時直接造成熔煉渣“斷流”,因此合理配入含雜礦對改善熔煉渣流動性幫助較大。

3)配煤率。配礦過程會加入一定量煤,不但可以提供熱量以處理更多的冷料(渣精礦、煙灰等),還能夠有效改善熔煉渣流動性。煤塊進入熔體后可以消耗渣層區域部分氧,同時對Fe3O4有還原作用,滿足在高鐵硅比(大于1.9)時熔煉渣的流動性正常,但能耗增加。所以一般情況下,底吹爐配煤率很低,但出現熔煉渣渣型迅速惡化時,可以采用立即增加配煤率來解決。

中原冶煉廠控制熔煉渣含Fe3O4一般在25 %左右。一段時期內不同Fe3O4含量對熔煉渣含銅的影響見表5。

表5 Fe3O4含量對熔煉渣含銅的影響Table 5 Influence of Fe3O4 contents on copper content in smelting slag

2.4 熔煉池液位控制及沉降區的優化

1)熔煉池液位。底吹熔煉吹的是冰銅層,冰銅層中存在FeS,因而不會產生過多的Fe3O4。當冰銅層過薄時,氧氣會穿透冰銅層吹到渣層,從而產生過量的Fe3O4,維持一定的冰銅液位,保持薄渣層操作,能有效緩解Fe3O4的產生;若熔煉池中冰銅層液位過低即渣層過厚,熔體得不到充分攪動,熔煉池的傳熱傳質條件變差,精礦反應不充分,爐渣變黏,冰銅粒子難以聚集,銅渣分離不完全,在渣口表現為帶銅現象,因此需要保持合適的冰銅層液位及渣層厚度。中原冶煉廠在實際生產過程中發生過因冰銅層液位過低,反應效果差,造成渣銅不分離的工藝事故,后經大量放渣,提高冰銅層液位進行調整。

另一方面,最初底吹爐設計渣口高度為1 750 mm,經過摸索,生產控制冰銅面1 000～1 200 mm、薄渣層400～500 mm,能夠降低渣黏度,保證冰銅粒子的聚集和沉降效果,但熔煉渣含銅仍無法長期有效降低。為此,利用2019年4月和2022年4月2次爐體冷修時機,將渣口高度下降至1 440 mm,取得了不錯的效果(見表6)。渣口高度降低后,底吹爐內熔煉渣存量大幅度降低,增加了入爐礦粉的傳質傳熱效率,提高了反應速率,減少了渣口帶出生料幾率,進而降低了熔煉渣含銅。

表6 底吹爐熔煉渣含銅變化Table 6 Evolution of copper contents of the smelting slag from bottom-blowing furnace

2)沉降時間越長,越有利于渣銅分離,而延長沉淀區長度,有利于延長沉降時間。中原冶煉廠針對沉淀時間對熔煉渣含銅的影響做了大量探索工作,在保證反應、氧槍壓力在合適范圍的前提下,拆除了最靠近渣口的2根氧槍,增加了氧槍到渣口的距離,熔煉渣含銅大幅度降低。

2.5 熔煉渣雜質控制

熔煉渣中MgO、ZnO、Al2O3等高熔點雜質含量的升高會影響熔煉渣流動性[7],高熔點雜質的主要來源有:①精礦;②返料(渣精礦、吹煉渣、煙灰、鍋爐灰)富集返爐;③上升煙道結焦抑制劑的加入,抑制劑含有高熔點化合物,會落入爐內。解決方案為:①精礦精確配比,保持供礦穩定;②提高直收率,減少返料加入量,并根據爐況及時調整;③在滿足結焦易振打的前提下,盡可能減少結焦抑制劑用量。

適當控制熔煉渣中CaO含量有利于保持熔煉渣的流動性,在熔體中,CaO的存在可使熔煉渣形成三元渣系,冰銅在熔煉渣中的溶解度降低;同時,CaO可使硅酸亞鐵、磁性鐵還原,可增加金屬與熔煉渣界面張力;CaO的存在還可以破壞熔煉渣的網狀結構,適量的CaO有助于降低熔煉渣含銅。生產實踐通過調整吹煉渣的配入量,可以較快地影響熔煉渣中的CaO含量,一般CaO質量分數應控制在2 %～5 %[8-10]。

2.6 其他因素

1)原料塊過大或較難熔,造成原料塊未完全熔化便從渣口排出,導致熔煉渣含銅高?？赏ㄟ^多級破碎減小原料塊粒度,保證原料塊入爐后完全熔化。

2)上升煙道結焦塊被振打脫落后,漂浮于熔煉渣表面被帶出,造成熔煉渣含銅高?？赏ㄟ^點檢時對上升煙道底部結焦進行清理,正常生產過程中提高振打頻次,防止形成過大的結焦塊掉入爐內。

3 結 語

熔煉渣含銅各影響因素均存在著聯系,某個指標的波動往往引起一系列的波動。熔煉渣含銅的控制乃至整個爐況的控制,需根據現場觀測和化學分析結果,對當前爐況形成準確判斷,找到合適的平衡點。通過工藝參數優化,中原冶煉廠大型富氧底吹爐熔煉渣含銅從試生產時的6 %以上降至目前的3.32 %,考慮到大型富氧底吹爐能消耗大量渣精礦,當前指標達到生產要求,但未來仍有很大優化空間。