李東波 史誼峰 劉承飛 沈強華 程東杰 陳 雯

(1.云南銅業(yè)股份有限公司 西南銅業(yè)分公司，昆明 650000；2.云南銅業(yè)股份有限公司，昆明 650000；3.昆明理工大學 冶金與能源工程學院，昆明 650093)

20世紀90年代艾薩煉銅技術出現(xiàn)在世界有色金屬行業(yè)當中。云南銅業(yè)股份有限公司于2002年引了入艾薩煉銅工藝，該工藝采用艾薩爐對銅精礦進行熔煉，采用沉降電爐對艾薩熔煉渣進行貧化[1]。目前該工藝采用高氧勢、高冰銅品位的熔煉方法，使得熔煉渣磁性氧化鐵含量高，爐渣的性質嚴重惡化，渣含銅較高，為降低渣中銅損失，需要配套的沉降電爐對爐渣進行貧化處理[2-3]，但生產上難以掌握爐渣在沉降電爐中的沉降分離時間，人們對爐渣貧化時間判定困難，影響渣含銅和生產效率。由于爐渣在電爐中的流速較小，雷諾數(shù)<2[4-5]，尺寸較小的金屬和熔锍液滴可以作為剛性球體[6-8]，因此，當它們在電爐中靜置沉降時，可采用斯托克斯(Stokes)沉降公式對電爐渣中硫化相顆粒在渣中的沉降速度進行計算[9-12]，該計算結果可以反映出沉降電爐的工作狀態(tài)，指導工業(yè)生產實踐制定合理的電爐操作制度，從而達到提高金屬回收率的目的。因此，研究艾薩煉銅工藝锍滴尺寸對電爐貧化的影響，有助于掌握沉降電爐的工作狀態(tài)，制定合理的電爐管理制度，減少渣含銅，降低生產成本。基于此，本文以艾薩煉銅系統(tǒng)電爐渣為研究對象，采用各種先進的分析手段對其化學成分、主要物相、黏度等進行分析，并采用掃描電鏡分析統(tǒng)計電爐渣中硫化相的粒度及其分布，在此基礎之上計算硫化相密度，并運用斯托克斯沉降公式計算不同溫度條件下的電爐渣中锍滴沉降速度，分析锍滴粒度對锍滴沉降速度的影響，探討電爐貧化能夠從熔渣中有效分離的熔锍粒徑大小。

1 電爐渣性質分析

1.1 化學成分

實驗用電爐渣的主要化學成分見表1。

表1 電爐渣化學成分

1.2 物相組成

電爐渣XRD檢測結果如圖1所示。掃描電鏡分析結果如圖2所示。

結合圖1和圖2分析結果可以看出，電爐渣中的物相主要為鎂鐵橄欖石和磁鐵礦，二者總含量約占80%。渣中銅的主要存在形式為銅鐵硫化相(锍滴)和冰銅相，鎂也存在于磁鐵礦中，約占1%～2%，磁鐵礦中含鋁約5%～7%。鈣則存在于玻璃相中，含量約15%。

圖1 電爐渣的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the electric furnace slag analysis chart

圖2 電爐渣中掃描電鏡圖像Fig.2 SEM images of the electric furnace slag

1.3 硫化相的粒度統(tǒng)計

電爐渣中冰銅相及銅鐵硫化相在掃描電鏡下的粒度統(tǒng)計結果見表2。由表2數(shù)據(jù)計算電爐渣中銅鐵硫化相的平均粒度，結果為5.26 μm。

表2 電爐渣中冰銅相及銅鐵硫化相的粒度統(tǒng)計結果

1.4 黏度

采用由美國生產的THETA RHEOTRONIC Ⅱ高溫黏度儀對電爐渣的黏度進行檢測。溫度范圍：室溫～1 300 ℃，升溫速率10 ℃/min，通入氬氣做保護氣體。實驗通過浸入被測爐渣液中的轉子持續(xù)旋轉形成的扭矩來測量黏度值，扭矩與浸入樣品中的轉子被黏性拖拉形成的阻力成正相關，因而與黏度也成正相關，高溫黏度儀即是在高溫狀態(tài)下用轉子測定熔體的黏度特性。爐渣樣黏度測試結果如圖3所示。

圖3 電爐渣黏度測試結果Fig.3 Results of the electric furnace slag viscosity test

從圖3中可以看出，電爐渣的黏度隨著溫度的增加而降低，但降低幅度逐漸減小。當電爐渣的溫度在1 180～1 200 ℃波動，電爐渣黏度變化范圍為0.119 5～0.100 4 Pa·s。

1.5 電爐渣比重及渣中硫化相密度計算

實驗室采用電子密度計測得電爐渣密度ρS為3 705.9 kg/m3。硫化相密度按照式(1)加和規(guī)則近似計算。

ρm=∑[φ(M%)×ρM]

(1)

式中，ρm―硫化相密度，t/m3；ρM―硫化相中主要物質的密度；M%―硫化相中主要物質的質量百分數(shù)。

渣中各主要硫化相的密度計算結果見表3。

表3 硫化相組分的密度

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，結合式(1)，可得出沉降電爐熔锍密度為：ρm=1.64%×5700+77.67%×4600+20.69%×5180=4738.4 (kg/m3)。

2 锍滴尺寸對锍滴沉降速度的影響分析

2.1 沉降公式

運用Stokes沉降公式(式2)對電爐渣的沉降速度進行計算。

(2)

式中，v—沉降速度，m/s；g—重力加速度，m/s2；Dp—熔锍直徑，m；ρm—熔锍密度，kg/m3；ρs—爐渣密度，kg/m3；η—渣黏度，Pa·s。

2.2 溫度對沉降速度的影響

根據(jù)電爐渣中硫鏑平均直徑為Dp=5.26 μm，ρm=4738.4 kg/m3，ρS=3705.9 kg/m3，沉降距離(即渣層厚度)H=渣層高度-冰銅高度=1 414 mm-500 mm=914 mm，計算不同溫度下的沉降速度，結果見表4。

表4 锍滴直徑為5.26 μm時的沉降速度和沉降時間

由表4可知，電爐渣中的銅鐵硫化相顆粒在電爐中靜置沉降階段處于懸浮狀態(tài)，排放爐渣時渣中硫化相易隨渣層一同排放，造成了有價金屬直接損失。對表4中溫度與沉降時間進行線性回歸擬合[13]，結果如圖4所示。

圖4 線性回歸擬合結果Fig.4 Fitting result of linear regression

從圖4可知，對于锍鏑平均粒徑為5.26 μm的電爐渣，其溫度與沉降時間的線性回歸方程式為：Y=0.0184X-19.882，擬合度R2=0.96802。由此公式可以計算出1 180～1 200 ℃內的锍鏑沉降速度，從而可為生產實踐電爐渣沉降及排放制度進行理論指導。

2.3 粒徑對沉降速度的影響

采用Stokes沉降公式對不同直徑的锍滴，在黏度0.100 4 Pa·s，硫化相4 738.4 kg/m3，電爐渣密度3 705.9 kg/m3條件下進行沉降速度計算，結果見表5。

表5 不同粒徑的锍滴沉降速度及分離時間

澄清時間按2 h計算，結合表5可知，比75 μm更細小的硫化相沉降時間太長，在渣中基本上處于懸浮狀態(tài)，在沉降電爐中未完全與渣分離就部分隨爐渣從爐內排除。

對表5中粒徑Dp和沉降速度v進行多項式回歸擬合，結果如圖4所示。

圖5 多項式回歸擬合結果Fig.5 Fitting results of polynomial regression

從圖5可知，多項式回歸擬合方程式為：Y=0.44698-0.3862X+0.08105X2，擬合度R2=0.99999，擬合度好。結合表5和圖5數(shù)據(jù)可以推斷，在生產實踐中需要創(chuàng)造條件讓渣中硫化相進行匯聚，長大為大顆粒，粒徑至少75 μm才能進行有效沉降。

4 結論

1)電爐渣中有80%的鎂鐵橄欖石和磁鐵礦，銅的存在形式為銅鐵硫化相(锍鏑)和冰銅相，磁鐵礦中含鎂約1%～2%，磁鐵礦中含鋁約5%～7%，玻璃相中含鈣約15%。硫化相平均粒徑為5.26 μm。

2)熔锍密度ρm=4 738.4 kg/m3；爐渣密度ρs為3 705.9 kg/m3；锍鏑直徑為5.26 μm時在1 180、1 185、1 200 ℃下，锍鏑從熔渣中分離的行程為914 mm時的沉降速度分別為1.87、1.99、2.23 mm/h。

3)對于锍鏑平均粒徑為5.26 μm的電爐渣，其溫度與沉降時間的線性回歸方程式為：Y=0.0184X-19.882，擬合度R2=0.96802。對粒徑Dp和沉降速度v進行多項式回歸擬合，擬合方程式為：Y=0.44698-0.3862X+0.08105X2，擬合度R2=0.99999。

4)比75 μm更細小的硫化相在渣中基本上處于懸浮狀態(tài)，研究結果表明在生產實踐中需要锍鏑粒徑至少75 μm才能進行有效沉降。