艾萨炉铜熔炼处理低铁硫矿配料优化及实践

艾萨炉铜熔炼处理低铁硫矿配料优化及实践

冯伟

赞比亚谦比希铜冶炼有限公司

摘要:本文对艾萨炉工作机理及工艺特点进行阐述｡从处理低铁硫铜精矿的影响进行分析并以多个配料计划实践为依据，结合生产实际对比不同配料计划下，艾萨炉的各项生产经济指标，寻求更符合、更利于艾萨炉铜熔炼的优化配料模式，解决当前原料难以匹配生产工艺的问题。

关键词:喷枪;艾萨炉;低铁硫矿

1艾萨炉工作机理概述

1.1工艺流程

本工艺中产能设计为25万吨,采用仓式配料，圆盘给料机进行稳定给料, 通过电子皮带秤完成混合以后运输给艾萨炉熔炼,沉降电炉澄清分离后供给转炉吹炼，烟气则送硫酸系统制酸｡该工艺当中，物料有两种不同的分配形式，其一为抓斗式，其二为仓式,由DCS负责控制仓式配料的物料分配比例｡通过多条输送带运至主输送带上,再自炉顶处被送入艾萨炉的熔池中,再随着富氧气体一同被注入熔炉內｡铜精矿进入1170℃～1200℃熔体后,被剧烈搅拌快速熔化,产生铜锍与熔渣｡在冶炼期间,应该控制好熔池温度，处理好炉渣中所含磁铁矿｡Fe3O4用作氧气载体,若炉渣中含量过多,就会有大量气泡产生,导致泡沫渣喷炉｡艾萨炉工艺中铜锍品位在55%～65%中间,为后续吹炼工艺提供稳定的操作环境｡

1.2工艺特点

艾萨炉通过艾萨喷枪，向反应容器（炉子）内鼓入一定浓度的富氧空气，造成熔池的强烈搅拌，以此产生的高传热传质速率，使物料受热分解、熔化、造渣，快速地将精矿化学能释放出来，并集中于有限的熔池区域，较大限度地实现了矿物的半自热熔炼。根据艾萨炉冶金计算可知，自热度（化学反应放热所占炉子总热负荷的比例）可达60%以上。艾萨熔炼充分运用这部分热量，有效加热精矿本身并提供维持反应进行所需的大部分能量,不足的热量由燃煤和燃油提供。要达到一定的自热度，艾萨炉的第一道工序，配料是关键。配料的好坏关系着产品产量与质量、节能环保、降本增效等一系列关系火法冶炼企业长远发展的重大问题，也是今后铜冶炼发展的核心竞争力。

2.处理低铁硫铜精矿带来的影响

在艾萨炉熔炼期间,低铁硫铜精矿中含有复杂的脉石成分,所含高熔点氧化物比较多｡故而铜精矿处理中存在的问题有:在一定温度条件下,物料熔化的过慢,泡渣层变大,复杂成分可能导致单质硫产物,使接下来的硫酸工艺系统受到影响;炉渣由于粘性太大,难以排放;熔体的大量喷溅,会在加料口形成瘤状固结｡而且因铁硫量比较低,发热量达不到要求,结果会使熔体温度下降，需要消耗更多的燃料与氧量，导致成本加大｡

对于沉降电炉,因低铁硫铜精矿无法在炉内充分反应,其炉顶表面难免存在一层由石灰石､铜精矿､燃煤､石英砂，还有脉石等组成的的漂浮物,严重时可达600mm厚,电极会变得传热不良,而且局部电流增大,出现严重打弧现象;电炉内的物料还会发生二次反应,致使炉顶温升急骤,最高能超过1200℃;渣层中含氧化物太多会影响铜渣的分离效果,炉渣无法排放，且含铜量较也大（>>0.85%目标值）｡低铁硫铜精矿的处理虽然对火法冶炼带来了不少负面影响,不过，因其价格适宜,而且对艾萨炉炉墙挂渣有助宜,能适当延长炉寿｡故而，在火法冶炼中,按物料平衡规则,对低铁硫铜精矿进行合理使用，不管是从经济角度还是从技术角度来看，都能体现出极大的实用价值｡

3.低铁硫铜精矿处理试验

3.1试验工艺条件

(1)仓式配料:以10T吊车进料｡

(2)料仓10个：1～3#仓采用圆盘变频式给料机,正常给料量是30～40t/h,给料范围:0～60t/h;4～10#仓都是定量给料机(4#给料范围是0～40t/h;5～7#给料范围为0～10t/h;8#给料范围为0～20t/h;9#10#给料范围为0～50t/h)｡

(3)由DCS对上料系统在线控制,各料仓的给料皮带均设有专用的皮带电子称,操作工按配料单向各料仓下料,铜精矿和辅料经皮带传入中间料仓,将设有皮带电子称的双层皮带设置在中间料仓的下方,CRO按中间料仓的具体料位设定下料量,对料量稳定性进行严格控制｡由炉顶加料皮带将混合物料送到加料口内｡

(4)熔剂用的是石灰石和石英砂;燃煤用的是粒度5～10mm的颗粒煤,为将艾萨余热锅炉的实际蒸发量有效把控在规定范围内,燃煤用量以3.0t/h为上限,如果热量不够，以柴油提温｡

(5)采用纯度约85%的氧气,供氧量为24000Nm³/h,氧压则控制在180kPa～190kPa｡

(6)喷枪风来自KKK离心鼓风机,供风量最大可达21480Nm³/h;二次燃烧风来自离心高压鼓风机,供风量最大是6440Nm³/h｡

3.2工艺参数目标

冰铜品位在62±1%;熔池热电偶操作温度为1160～1175℃;渣型要求硅铁比(SiO2∕Fe)在0.85～0.88之间,硅钙比(SiO2∕CaO)在5.5～6.5之间,氧气载体四Fe3O4为8%～9%｡

3.3试验方法及步骤

3.3.1配料

按配料单组织料量,且添加三种不同的低铁硫矿做配料,得到配比1､配比2､配比3，三种不同的配料｡

3.3.2数模工艺参数控制

表1  数模工艺参数控制表

3.3.3物料配比不同时的工艺参数实时控制

3.3.4分析冰铜与炉渣成分

(1)冰铜样:冰铜成分主要是FeS-Cu2S,含少量SiO2｡表2给出了冰铜中化学成分的分析结果｡

表2 冰铜化学成分分析表

(2)炉渣样:液态炉渣成分以FeO和SiO2为主,另外含有少量CaO､Al2O3､MgO等离子,固态炉渣成分主要是2FeO·SiO2跟2CaO·SiO2[4]｡表3给出了炉渣化学成分的分析结果｡

表3炉渣化学成分分析表

3.4生产试验结果

表4 2022年前7个月生产试验结果统计

由上表4来看,生产试验三个月后,自4月起，处理的低铁硫铜精矿量变大,每月处理量在18000吨左右保持稳定(6月份由于物料调整可忽略)｡5月份处理量最大，达到18415吨;处理料量中低铁硫矿占比最大的是七月份,达到23.83%,可实现生产供销之间的物料平衡｡

3.5试验结果

(1)在1160～1175℃条件下,所得结果与目标大致吻合,将冰铜品味控制在62.22～63.44%,燃煤上限控制在2.5t/h,硅铁比控制在0.88～0.91,硅钙比控制在5.57～7.37,生产需求均可被满足。其不足在于，数模冰铜品位(67～71%)达不到实际冰铜品味，且差距明显,其原因为氧气利用率不高,根源在于氧气纯度(85%)不够高｡

(2)铜精矿03中的碳含量偏大,低位发热13.814MJ/kg,与0.47kg标煤相当,耗氧量有点多,易生成单质硫,故配料时不可以多加｡

(3)配比1是148.50Nm³∕t的优化氧料比,处理的低铁硫铜精矿为28.68%占比;配比2是133.80Nm³∕t的优化氧料比,处理的低铁硫铜精矿为17.36%占比｡其中添加了20t/h冷料,减小了处理的低铁硫铜精矿量;配比3是152.20Nm³∕t的优化氧料比,处理的低铁硫铜精矿为33.60%占比;配比1､配比2､配比3优化组依次为14500Nm³∕h､13500Nm³∕h､14000Nm³∕h的空气量,当处理的低铁硫铜精矿量变大时,空气供给需相应的提高,熔池搅动也要增强,烟气残氧量也增大,烟气当中单质硫的生成被有效抑制;处理的低铁硫铜精矿量跟排放时间､氧料比成正比,处理量越大,氧料比也越大,排放时间也会变长;而且也足以证明,配比1和配比3当中的料仓配比值都超出了给料量的正常范围,其料仓无法稳定出料,甚至可能跳机,使料量､熔池温度､冰铜品位，还有渣型等工艺参数都会受到影响，失去稳定性｡

(4)低铁硫铜精矿可以为造渣反应提供SiO2,这样就不用补入那么多的石英砂,能与高铁硫铜精矿搭配,达到降本增效的效果;处理量变大后,需相应的将SiO2∕CaO渣型操作下调,将炉渣熔点降下来,让物料能反应的更加充分,使沉降电炉炉况得以优化｡

4结论

综上所述，在硫化矿中配入适量的氧化矿，可使原料综合 Fe、S、SiO2 含量更接近生产工艺需求，铁硫铜精矿可提供SiO2,造渣反应中的石英砂用量可适当减少;处理量变大后,需相应的下调SiO2∕CaO的渣型操作,将炉渣熔点降低,让物料能够反应充分,优化沉降电炉炉况。还可减少辅料的使用，促进熔炼生产潜力的挖掘开发，加快熔炼及吹炼环节的生产节奏，增加流程产量，提高工艺平衡匹配，减少冶炼过程中热能浪费，降低能耗，既发挥工艺流程更高的效率，又降低综合成本，能创造更多经济效益｡

参考文献

[1]张建坤,盛力,张家靓,等.CCS铜精矿熔炼特性的热力学分析[C]∥ISA炉—PS转炉铜冶炼工艺进展.北京:工程科学学报,2016:1-10.

[2]王阗,周育军.诺兰达炉处理低硫铜精矿的生产试验研究[J].矿产保护与利用,2007(1):36-39.

[3]朱祖泽,贺家齐.现代铜冶金学[M].北京:科学出版社,2003:37-98.