薛紅偉， 俎小鳳

(河南中原黃金冶煉廠有限責任公司 河南省金精礦資源綜合利用院士工作站, 河南 三門峽 472000)

旋浮吹煉爐爐況的精穩(wěn)控制

薛紅偉， 俎小鳳

(河南中原黃金冶煉廠有限責任公司 河南省金精礦資源綜合利用院士工作站, 河南 三門峽 472000)

介紹了冰銅旋浮吹煉爐的工藝原理和爐體結(jié)構(gòu)特性，分析了生產(chǎn)過程中爐況不穩(wěn)定、波動大、不易調(diào)整等原因，總結(jié)了精穩(wěn)控制爐況的實踐經(jīng)驗。理論探討了爐況與爐渣性質(zhì)、棒渣狀態(tài)間的關(guān)系，指出渣溫、吹煉渣型及銅面、渣面高度等是爐況監(jiān)控的核心。

冰銅； 旋浮吹煉； 爐況控制； 棒渣狀態(tài)

1995年美國肯尼科特猶他州冶煉廠采用閃速吹煉技術(shù)取代傳統(tǒng)P-S轉(zhuǎn)爐實現(xiàn)了連續(xù)吹煉粗銅，該技術(shù)具有產(chǎn)能高和環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點，受到了煉銅行業(yè)高度關(guān)注，但其也存在安全生產(chǎn)風險大的問題。2005年第二座閃速吹煉爐在祥光銅業(yè)順利投產(chǎn)，閃速吹煉技術(shù)快速在行業(yè)內(nèi)推廣。河南中原黃金冶煉廠(以下簡稱中原冶煉廠)新項目的工藝流程為：富氧底吹爐→旋浮吹煉爐→陽極爐。10個多月的生產(chǎn)實踐表明，閃速爐爐體安全和爐況平穩(wěn)是保證生產(chǎn)高效與粗銅品質(zhì)優(yōu)良的關(guān)鍵因素，爐況波動變化嚴重影響爐襯和銅口、渣口磚的壽命。要實現(xiàn)吹煉爐安全運行、延長爐壽命、提升除雜能力、提高開車率、降低操作風險，精穩(wěn)控制爐況十分重要。

1 冰銅旋浮吹煉工藝原理與爐體結(jié)構(gòu)

冰銅旋浮吹煉工藝和閃速熔煉類似，通過深度氧化進一步脫硫除鐵，其爐體結(jié)構(gòu)借鑒于成熟的閃速熔煉爐，主要由中央噴嘴，反應(yīng)塔，沉淀池、上升煙道、粗銅口和放渣口等構(gòu)成。

冰銅旋浮吹煉工藝流程為：立式磨磨細后的冰銅粉經(jīng)過失重稱連續(xù)通過中央噴嘴，被一定壓力的氮氣流化分散后，由高速旋轉(zhuǎn)的富氧氣體夾帶一起從中央噴嘴噴出，在反應(yīng)塔內(nèi)，冰銅粉粒子從高溫氣體中吸取熱量快速升溫，達到粒子著火點后發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱加速反應(yīng)進行并向周圍傳熱。過氧化的粒子和欠氧化的粒子交互反應(yīng)生成金屬銅，同時與熔劑進行造渣反應(yīng)。由于沉淀池截面積較大，反應(yīng)煙氣到此后流速突然降低，較重的物料脫離煙氣下落到沉淀池。在反應(yīng)塔內(nèi)的反應(yīng)中，只有很小比例的金屬銅生成，大部分銅是過氧化懸浮粒子與欠氧化懸浮粒子(銅的硫化物) 在沉淀池渣面上反應(yīng)形成的，主要反應(yīng)如下[1-3]：

反應(yīng)塔內(nèi)發(fā)生的氧化反應(yīng)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

沉淀池發(fā)生的造渣和造銅反應(yīng)：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

2 吹煉爐正常爐況

爐況指為保證爐體安全和工藝指標合格所要求的爐子運行狀況。在生產(chǎn)中密切監(jiān)控的主要有：渣溫，銅溫，爐渣或粗銅的流動性，銅面渣面高度及總液面高度等參數(shù)。正常爐況狀態(tài)及監(jiān)控方式見表1。

表1 吹煉爐正常爐況及監(jiān)控方式

3 爐況精穩(wěn)控制的理論探討

冰銅旋浮吹煉爐好的爐況應(yīng)是粗銅指標好、排渣容易、煙灰容易收集輸送、爐體指標正常等。爐況的及時掌握和精穩(wěn)控制是安全生產(chǎn)的重要保證。一般通過檢尺采樣化驗和測溫獲得爐況信息，再進行反饋調(diào)整。各冶煉廠都存在化驗結(jié)果指導性不強，檢測結(jié)果波動大，與現(xiàn)場實際爐況偏差大等問題，且時間滯后至少30 min。另外，儀表數(shù)量多，儀表波動或偏差對平穩(wěn)生產(chǎn)影響很大，滿足不了旋浮吹煉爐反應(yīng)速度快、爐況變化快、生產(chǎn)規(guī)模大的要求。

中原冶煉廠在實現(xiàn)爐況精穩(wěn)控制方面的經(jīng)驗是：電腦建?！灆z測→預見性調(diào)控。聯(lián)合某廠家，依據(jù)冶金化學反應(yīng)原理建立旋浮吹煉爐爐況控制數(shù)學模型，進行物料衡算和熱量衡算，先對冰銅、煙灰、生石灰及石英沙進行前饋核算，同時根據(jù)當期棒渣和粗銅化驗數(shù)據(jù)快速計算出距離目標爐況需要調(diào)整的項目及偏差大小，包括：氧料比、溫度系數(shù)、硅鈣系數(shù)、入爐礦量、生石灰量、煙灰量、石英砂量和天然氣量等[2]，主控操作人員再結(jié)合現(xiàn)場實際情況，綜合判斷后進行預見性調(diào)控。

生產(chǎn)實踐中可以憑借經(jīng)驗快速判斷爐況，但平穩(wěn)控制技能需要長期積累。吹煉渣性質(zhì)的好壞決定著爐況和粗銅品質(zhì)。理想的爐渣具有良好的銅渣分離性和流動性，并在棒渣形態(tài)上有相應(yīng)的反映(見表1)。爐況、棒渣性質(zhì)和棒渣狀態(tài)三者之間有直接的關(guān)聯(lián)和同步效應(yīng)，因此可以通過棒渣狀態(tài)快速掌握真實爐況。下面從冶金理論方面對三者之間的關(guān)系研究探討，為快速準確判斷提供科學依據(jù)，使吹煉爐運行安全、高效、平穩(wěn)。

爐渣的性質(zhì)與渣型、溫度、爐壁刮渣程度等有關(guān)，其中渣型主要取決于渣中銅含量、二氧化硅含量、四氧化三鐵含量、氧化鈣含量、鈣鐵比等因素，其決定著銅渣分離效果，爐渣的流動性、熔點/凝固點、粘度、表面張力、侵蝕性能、沖刷性能等。粗銅的性質(zhì)與粗銅品位、溫度等有關(guān)，其中影響粗銅品位的主要因素有硫、氧、鐵和鉛等雜質(zhì)的含量。

3.1 渣溫、銅溫

在相同的組分下，溫度對爐渣性質(zhì)的影響最直接明顯，提高熔體溫度能在一定范圍內(nèi)改善爐渣性質(zhì)。控制渣溫或銅溫平穩(wěn)是精穩(wěn)控制爐況的關(guān)鍵。高溫熔煉熔體溫度測量一般采用一次性高溫熱電偶，用其檢測吹煉爐熔體溫度準確、快捷且價格低廉。旋浮吹煉爐的目標渣溫是1 260 ℃，正常控制范圍±15 ℃[1]。合理穩(wěn)定的爐溫，既能保證渣銅的順利分離和爐渣的正常排放，又可避免爐襯耐火材料的過快消耗。生產(chǎn)控制中可以通過補燒天然氣、加入煙灰或降低富氧濃度及時調(diào)整爐溫。

正常爐況下，渣溫比銅溫高10～20 ℃，這是因為熔池中的反應(yīng)主要集中在渣層。若氧料比偏低或冰銅粒度較粗，短時間內(nèi)造成部分物料缺氧，未充分氧化的冰銅或白冰銅含有較高的硫和鐵，穿過渣層在銅層或銅渣界面上吸收氧進一步反應(yīng)，釋放大量的熱和二氧化硫氣體，使熔池呈沸騰狀態(tài)，惡化銅渣分離。欠氧程度低或初始階段往往渣面上漲速度變快，如果未及時上調(diào)氧料比則銅面上漲速度也變快，且出現(xiàn)銅液溫度甚至比渣層還高的現(xiàn)象。由于投礦量大的累加效應(yīng)，若欠氧持續(xù)時間過長或嚴重欠氧，一旦熔池中有大量欠氧化物料存在，則很容易發(fā)生噴爐事故。爐溫(包括渣溫和銅溫)直接反映冰銅氧化反應(yīng)的穩(wěn)定程度，是顯示爐況變化的第一指標。所有生產(chǎn)調(diào)整都必須在保證爐溫相對穩(wěn)定的前提下進行。

3.2 棒渣銅含量

吹煉爐為強氧化氣氛，爐渣中銅主要以Cu2O形式存在。在反應(yīng)塔發(fā)生的氧化反應(yīng)釋放出絕大部分的二氧化硫，物料落入熔池中后仍繼續(xù)同時發(fā)生造渣和造銅反應(yīng)，在造銅反應(yīng)中仍會有二氧化硫氣體產(chǎn)生溢出。

當渣含銅在正常范圍內(nèi)，檢尺棒上渣銅分界明顯，渣層略粗，銅層猛然變細，沒有明顯大小不等的顆粒物；渣層略粗糙，有很多細微氣孔、小毛刺或小裂紋，硬度適中，斷面為非結(jié)晶均質(zhì)狀；銅層略光滑致密；渣層頂端沒有石膏層；渣銅分界中間沒有明顯過渡層。

渣含銅量高時，說明氧料比偏高，氧化反應(yīng)充分，同時渣中殘硫較低，二氧化硫揮發(fā)充分，因Cu2O流動性好，表面張力小，渣含銅越高棒渣表面越光滑，甚至有亮光感，尤其當渣銅高于27%以上時。

當渣銅含量低于20%時，棒渣表面粗糙，毛刺和氣孔都較多，斷面有針狀小晶體，甚至出現(xiàn)顆粒物或銅渣過渡層，說明氧料比偏低，有反應(yīng)滯后情況發(fā)生，同時還常伴隨著銅層部分發(fā)紅。

下述情況可能會影響實際的氧料比：反應(yīng)塔漏風；中央噴嘴補加天然氣的量與以數(shù)模核算值投用的氧氣量的配比值存在偏差。如果天然氣流量計顯示值高于實際值(或助燃風流量計的值比實際值偏低)時，因為多余的天然氣要消耗氧氣，將造成實際氧料比偏低，容易導致夾生情況發(fā)生。

渣含銅對爐渣性質(zhì)影響很大，也直接關(guān)系著吹煉工序銅直收率，需要重點監(jiān)控。渣含銅高低與過氧化程度有直接關(guān)系，一般可反映氧料比的高低。若渣含銅偏高，則需要小幅度且緩慢地下調(diào)氧料比；若渣含銅低則應(yīng)大幅度快速地上調(diào)氧料比。檢尺棒渣點位于沉淀池的中部，棒渣欠氧說明此時熔池中渣層已經(jīng)略微欠氧。調(diào)整氧料比，除了滿足新下的物料外，還必須補足熔池中所欠的氧量，渣含銅高時則恰恰相反。為了精穩(wěn)控制爐況，在出現(xiàn)異常時，調(diào)整操作參數(shù)后需要直接從反應(yīng)塔下部的熔池中采樣快速判斷調(diào)整的幅度。每臺爐子具體運行參數(shù)有少許差別。若渣含銅低、渣硫也低，并且冰銅品質(zhì)優(yōu)，則可以根據(jù)爐子自身情況將渣含銅控制范圍適當下調(diào)。

3.3 棒渣氧化鈣含量

為確保爐渣流動性好，目前冰銅旋浮吹煉爐渣型都選擇堿性鐵酸鈣渣。行業(yè)內(nèi)控制氧化鈣含量一般是通過調(diào)整鈣鐵比實現(xiàn)的。正常棒渣鈣鐵比控制在0.30～0.40之間，氧化鈣含量在9%～12%。氧化鈣偏高時容易在棒渣頂端出現(xiàn)特殊鈣渣層：若為黃紅色，則多為鈣高或砷高，會形成硫酸鈣或砷酸鈣混合物，針狀晶型明顯，此時鈣鐵比偏高，渣層粘度大，銅渣分離困難，二氧化硫溢出困難，造成渣中銅硫同時高；若為灰白色，除了鈣鐵比偏高外，渣含鉛也會高，多為形成的硫酸鉛，流動性好，基本不影響銅渣分離。無論如何，只要出現(xiàn)特殊鈣渣層，就需要盡快采取措施，一般降低生石灰加入量，提高渣溫盡快排出。

中原冶煉廠旋浮吹煉爐的前置工序是富氧底吹爐。該爐產(chǎn)生的冰銅含銅和二氧化硅相對穩(wěn)定，二氧化硅含量較低，但氧化鈣含量受制于原料中氧化鈣含量和吹煉爐渣返料的配入量。吹煉爐爐渣的配入比例不固定，進一步導致冰銅中氧化鈣含量不穩(wěn)，需要加強冰銅配礦，消除氧化鈣波動對吹煉爐渣鈣鐵比的影響。

3.4 棒渣四氧化三鐵含量

渣中穩(wěn)定的Fe3O4含量是吹煉安全操作的重點，是延緩爐襯腐蝕的有效措施[1,4]。一般控制四氧化三鐵在35%～40%。四氧化三鐵表面張力大、粘度大，其含量與吹煉氧化程度有直接關(guān)系[5]。由于四氧化三鐵粘度大，F(xiàn)e3O4含量高會引起銅渣分離不好，導致渣含銅和渣含硫隨之偏高，對應(yīng)棒渣表面較光亮、致密、基本無氣孔，此時應(yīng)適當下調(diào)氧料比。

3.5 棒渣二氧化硅含量

在硅酸鐵渣比例和鐵酸鈣渣比例之間尋找一個平衡，保證1 300 ℃以下四氧化三鐵的熔解能力、較低的粘度和渣含銅。一般控制渣含二氧化硅1.5%～ 3.0%，過低會影響吹煉爐的脫鉛效果。二氧化硅含量大于3.0%時，粘度大，流動性差，容易粘結(jié)溜槽，爐壁掛渣增厚。這是因為鐵酸鈣爐渣熔解二氧化硅的能力很低，熔融FeO—Fe2O3—CaO渣(1 300 ℃，20%CaO)僅能熔解5%的SiO2，超過此值有Ca2SiO4(熔點2 130 ℃)析出，使爐渣黏度大大提高[3]。熔煉爐排放的冰銅如果夾渣硅高，將嚴重影響吹煉作業(yè)。

通過提高底吹爐操作控制水平可以消除冰銅夾渣的影響。生產(chǎn)中時常有上升煙道的粘結(jié)物或爐墻側(cè)壁的爐結(jié)熔化落入熔池，爐結(jié)掛渣的二氧化硅偏高，會導致爐渣性質(zhì)突然發(fā)生變化。要對爐渣中的二氧化硅變化情況進行監(jiān)控，偏高時及時提高溫度盡快排渣。

4 結(jié)束語

中原冶煉廠冰銅旋浮吹煉爐2015年8月投入運行，雖然試生產(chǎn)期間出現(xiàn)過多種問題，但總體上生產(chǎn)安全平穩(wěn)，不考慮余熱鍋爐等外部因素影響，吹煉爐自身開車率達到98%，粗銅品質(zhì)穩(wěn)定，可滿足陽極爐生產(chǎn)要求。

結(jié)合吹煉爐爐況操作控制經(jīng)驗，通過理論分析認為，爐況控制的核心是渣溫、吹煉渣型及銅面、渣面等。綜合檢測化驗數(shù)據(jù)，觀察棒渣形態(tài)以及數(shù)?？焖俸怂憬Y(jié)果，及時調(diào)整相關(guān)操作參數(shù)，可以實現(xiàn)旋浮吹煉爐動態(tài)精確穩(wěn)定控制，對保證爐體安全、爐況平穩(wěn)和指標優(yōu)化有著重要的意義。

[1] 劉衛(wèi)東．閃速吹煉的生產(chǎn)實踐[J]．有色金屬(冶煉部分)，2011，(2):12-15.

[2] 馬奇．旋浮吹煉技術(shù)的實踐與改進[J]．中國有色冶金，2010，(4):9-12.

[3] 周俊．旋浮吹煉技術(shù)評述[J]．有色金屬工程，2011，(3):30-36.

[4] 梁禮渭．閃速爐無磚反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣物化性能研究[D]．贛州：江西理工大學，2011.

[5] 昂正同．閃速煉銅過程中四氧化三鐵的生成與控制[J]．礦冶，2002，(4):69-72.

國內(nèi)鉛鋅五大生產(chǎn)基地

中國鉛鋅業(yè)生產(chǎn)布局，依據(jù)鉛鋅礦產(chǎn)地的分布和建設(shè)條件，經(jīng)40多年來的發(fā)展、建設(shè)，現(xiàn)已形成東北、湖南、兩廣、滇川、西北等五大鉛鋅采選冶和加工配套的生產(chǎn)基地，其鉛產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的85%以上，鋅產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的95%。

1.東北鉛鋅生產(chǎn)基地。東北地區(qū)是我國開發(fā)較早的鉛鋅生產(chǎn)基地之一。早在50年代初期，其鉛產(chǎn)量占全國鉛產(chǎn)量的80%以上，在中國鉛鋅生產(chǎn)居于重要地位。東北基地以七礦兩廠為主，即青城子鉛鋅礦、八家子鉛鋅礦、柴河鉛鋅礦(現(xiàn)已閉坑)、桓仁銅鋅礦、紅透山銅鋅礦、西林鉛鋅礦、天寶山鉛鋅礦和沈陽冶煉廠、葫蘆島鋅廠。

2.湖南鉛鋅生產(chǎn)基地。湖南鉛鋅礦產(chǎn)資源豐富，而且富礦多，大部分礦產(chǎn)地可開發(fā)利用。該基地鉛鋅廠礦是五六十年代建成的，由水口山礦務(wù)局、桃林鉛鋅礦、黃沙坪鉛鋅礦、東坡鉛鋅礦和株洲冶煉廠等組成的湖南鉛鋅生產(chǎn)基地，是當時全國自產(chǎn)原料的全國最大的鉛鋅生產(chǎn)基地，在全國產(chǎn)量占有重要地位。

3.兩廣鉛鋅生產(chǎn)基地。廣東、廣西兩省區(qū)的鉛鋅資源豐富，兩省區(qū)是70年代形成的我國大型鉛鋅生產(chǎn)基地之一。廣東以凡口鉛鋅礦和韶關(guān)冶煉廠為主，其次是丙村鉛鋅礦、昌化鉛鋅礦、大尖山鉛鋅礦。廣西有泗頂鉛鋅礦、大新鉛鋅礦、河三鉛鋅礦、柳州鋅品廠和大廠礦務(wù)局等。

4.滇川鉛鋅生產(chǎn)基地。云南鉛鋅礦產(chǎn)資源十分豐富，現(xiàn)鉛鋅保有儲量均居全國之首。該基地鉛鋅企業(yè)也是五六十年代建成的，主要是會澤鉛鋅礦、瀾滄老廠鉛鋅礦和昆明冶煉廠、個舊雞街冶煉廠。云南鉛鋅礦產(chǎn)資源具有廣闊的開發(fā)前景， 90年代開始興建超大型鉛鋅礦床金頂?shù)V山。四川有會東鉛鋅礦、會理鉛鋅礦兩個主要礦山以及一批中小型礦山，近年來鉛鋅精礦產(chǎn)量猛增。

5.西北鉛鋅生產(chǎn)基地。西北地區(qū)鉛鋅礦產(chǎn)資源也很豐富，主要分布在甘陜青三省，而且西成礦帶經(jīng)近年來勘查儲量又有大幅度的增長，資源前景十分可觀。該基地鉛鋅生產(chǎn)以白銀有色金屬公司為主，有白銀廠小鐵山鉛鋅礦、第三冶煉廠和西北鉛鋅冶煉廠，陜西有鉛硐山鉛鋅礦、二里河鉛鋅礦、銀洞梁鉛鋅礦等和青海錫鐵山礦務(wù)局。目前，西北鉛鋅產(chǎn)量較少，但開發(fā)前景可觀。一是有豐富的鉛鋅礦產(chǎn)資源，位于甘陜交界的西成- 鳳太礦帶，經(jīng)近20余年勘查出10多個大中型鉛鋅銀金礦床，其中廠壩- 李家溝鉛鋅達到超大型規(guī)模，銀達到大型。二是廠壩正在抓緊建設(shè)一座大型礦山，將成為西北冶煉廠主要礦物原料供給基地，是全國大型鉛鋅礦山之一。

除上述五大鉛鋅生產(chǎn)基地外，內(nèi)蒙古、江西、貴州等省區(qū)也建設(shè)了一批中小型礦山。其中內(nèi)蒙古梧桐花鉛鋅礦、白音諾鉛鋅礦、翁牛特旗硐子鉛鋅礦等礦山。內(nèi)蒙古是全國生產(chǎn)鉛鋅精礦主要省區(qū)之一，開發(fā)前景巨大。江西有銀山鉛鋅礦等。貴州有赫章鉛鋅礦、杉樹林鉛鋅礦等。

Accurate and stable control of furnace conditions of rotation-suspension converter

XUE Hong-wei， ZU Xiao-feng

The paper introduces the process principle and furnace structural characteristics for copper matte rotation-suspension converter, analyzes the reasons for unstable furnace conditions, large fluctuation and difficulty for regulation during production and concludes the production experience for accurate and stable control of furnace conditions. The paper also theoretically explores the relations between furnace conditions and slag properties and state of slag sample on dip bar, and point out that the core for furnace condition monitoring is slag temperature, converting slag type as well as copper matte level and slag level in the furnace.

copper matte; rotation-suspension converting; furnace conditions control; state of slag sample on dip bar

薛紅偉(1978—)， 男， 河南三門峽人， 工程師， 有色冶金碩士研究生， 從事銅、金等有色金屬冶煉技術(shù)開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)和管理工作。

2016-- 07-- 21

2016-- 10-- 13

TF811

B

1672-- 6103(2017)02-- 0014-- 05